Gasdiffusionselektrode



Gasdiffusionselektroden Sind Elektroden in danes sterben drei Aggregatzustände – fest, flüssig und gasförmig – Miteinander in Kontakt Stehen und der feste, Electron leit Einkommen Katalysator Eine Reaktion elektro between der flüssigen und der gasförmigen Phase katalysiert. Die feste Katalysator ist üblicherweise dabei zu Einem porösen Folie mit Einer Dicke um 200  & mgr ; m verpresst.

BESONDERS Bekannt ist Ihre anwendung in Brennstoffzellen , bei Gründe aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff in Einer Art Kalten Verbrennung Water & elektrische Energie entsteht.

Porensystem

Eine ausgewogene Voraussetzung für den Betrieb von Gasdiffusionselektroden sind that Sowohl die als gleichzeitig Auch sterben Flüssige gasförmige Phase vorliegen Kann im Porensystem der Elektroden. Wenn du das erreichen willst, dann ist das Young-Laplace-Gleichung erschlichlich:

{\ displaystyle p = {\ frac {2 \ \ sigma \ cos \ theta} {r}}}

Der Gasdruck p Steht mit der ende Flüssigkeit im Porensystem nützlich in Relation über den Porenradius r der Oberflächenspannung σ der ende Flüssigkeit und DM Benetzungswinkel Θ . This ist jedoch nur equation als Orientierungshilfe zu verstehen, Weil zu viele Parameter unbekannt oder schwer zu bestimmen Sind:

  • Bei der Oberflächenspannung müssten nämlich die Unterschiede der Oberflächenspannung des Festkörpers und der Flüssigkeit ausgeübt werden. Die Oberflächenspannung von Katalysatoren, die auf Kohlenstoff oder Silber sind, sind jedoch kaum messbar.
  • Der Benetzungswinkel auf einer Fläche läst sich noch mit einem Mikroskop bestimmen. Ein einzelnes Pore-Scharnier könnte zynisch werden. Mann bestimmt das Porensystem einer getetenten Elektrode.

Um SOMIT in Einem ende Flüssigkeit Elektrode Raum für Gas und zu kaufen, Kann man den Weg beschreiten, Unterschiedliche Porenradien r oder Unterschiedliche Benetzungswinkel Θ zu erzeugen. Beide sind Kapiteln erläutern, die es wirklich erwürgt haben.

Sinterelektroden

Im Bild der Sinterelektrode wird erkannt, dass, was mit Korngrößen geschehen ist, die unterschiedlichen Schichten geschrieben haben:

  • 1: Deckschicht aus feinkörnigen Material
  • 2: Arbeitsschicht in verschiedenen Fraktionen
  • 3: Gasleiste aus grobkörnigem Material

Auf diese Art und Weise wurden Elektroden zwischen 1950 und 1970 für den Einsatz in Brennstoffzellen gegründet . Hier stehen Sie bei VARTA , Siemens u. a) Vorbereiten von Produktionspiloten. This Art der Herstellung wurde aus ökonomischen Gründen gefallen geschweißt, weil

  • diese Elektroden waren dick und schwer – üblich waren Dicken von 2 mm;
  • die einzelnen Schichten können sehr dünn sein;
  • der Metallpreis für diese Art Elektroden zu hoch war;
  • die Nichte dieser Elektroden wurde ständig umgesiedelt.

In DM Bild „Prinzip der Gasdiffusionselektrode“ -Ansatz Aufbau ist nochmals dargestellt. In der Mitte der Elektrode hat sich die sogannte Gasleitschicht befunden. Bei nur kleiner Gasüberdruck Wird der Elektrolyt aus diesem Porensystem verdrängt. Ein kleiner Strömungswiderstand sorgt Dafür, Dass sich das Gas ungehindert Entlang der Elektrode ausbreiten Kann. Bei Einem etwas erhöhten Gasdruck Wird Auch die im Elektrolyten Porensystem SCHICHT der Arbeit verdrängt, WENN Auch nur Teilweise. Das Deck Bolt selbst ist so feinporig gewählt that Auch bei Druckspitzen Gas Durch Die Elektrode in den Elektrolyten gelangen Kann.

Hergestellt wurde solche Elektroden durch Aufstreuen und anschließendes Sintern oder Heißpressen. Um mehrschichtige Elektroden zu erzeugen, wurde auch zuerst ein feinkörniges Material in einer Matrize gestreift und geglättet. Schließlich wurden diese anderen Materialien übereinander in Schichten aufgetragen und dann bewöstst. Die Wiederherstellung der nicht nur fühlersträchtig, sonder auch zeitaufwendig und schwer zu automatisieren.

Kunststoffgebundene Elektroden

Daher wird seit 1970 ein weiterer Weg beschrieben, eine Elektrode mit hydrophilen wie auch hydrophoben Bereiten Relais, wobei mit der Einführung des PTFE ein Material zur Verfügung steht, welches

  • Chemisch sehr beständig ist,
  • Wenn Bindemittel eingewebt wurde,
  • hydrophob wirkt.

Für das Porensystem stirbt, und an den Stellen mit hohem PTFE-Teil Kein Elektrolyt-Ende-Ringe, obwohl für einen Stellen mit niedriger PTFE-Teil. Selbstverstsichlich in diesem Fall des Katalysators selbst nicht noch hydrophoben Charakter haben.

Es gibt zwei technische Varianten, solche PTFE-Katalysator-Mischungen

  • Dispersion aus Wasser, PTFE, Katalysator sowie Emulgatoren, Verdickungsmittel …
  • Trockenmischung aus PTFE Pulver und Catalyst Pulverizer

Die Dispersionsroute wird für den Elektrolyten ausgewählt – so zB bei der PEM-Brennstoffzelle auch PEM oder der HCL Membran-Elektrolyse. Bei Einsatz in flüssigen Elektrolyten ist das Trockenverfahren gegeben. Es ist möglich, den Dispersionsweg durch Verdampfen von PTFE bei 340 ° C auf mechanischer Basis zu verwenden. Dadurch wurden die Elektroden sehr offenporig. Aber auf der Seite können schnell Risse in der Elektrode entstehen, durch die flüssiger Elektrolyt bestehen. Daher hat sich die Zink-Luft-Batterie bzw. die alkalische Brennstoffzelle AFC des Trockenmischverfahrens im Gegensatz dazu entschieden.

Neben diesen Benetzungseigenschaften muss die Electode selbstverständliche eine optimale elektronische Leitungsfähigkeit aufweisen, mit der sich auch kleine magnetische Ohmschen Widerstand transportieren ließen.

Katalysatoren

Letztendlich ist die aufmerksame Wahl des Katalysators faszinierend. Für die Katalyse in Sauren haben Elektrolyte Katalysatoren entwickelt, die Platin, Ruthenium, Iridium und Rhenium abschwächen. In alkalischen Systemen sind die Zink-Luft-Batterien preisgünstige Katalysatoren, die Kohlenstoff, Mangan oder Silber in Frage stellen.

Technische Parameter

Um diese Eigenschaften der Gasdiffusionselektrode zu quantifizieren wurden folgende Parameter angegeben:

  • Dicke [μm]
  • Flächenwiderstand [Ω * cm²]
  • Permeabilität nach Gurley Precision Instruments [s] oder Permeationsmessung bei Gasen Permeation
  • Überspannung (Elektrochemie) [V]

Der Grund der Dicke von Gasdiffusionselektroden ist sehr groß. Bei diesen Geometrien können die Widerstände nicht nach der 4-Punkt-Methode bestimmt werden. Daher wurde die Gasdiffusionselektrode zweifach unter Druck gesetzt, um die Kontaktwiderstände zu minimieren.
Tatsäglicher Erfolg der Gastransport in den Elektroden über Diffusion und nicht über Konvektion. Daher muss bei der Pemeabilitätsmessung der Druck nicht zu hoch gesetzt werden. Bei Gurley ist ein 1296 [Pa] (oder 12 [mbar]) festgelegt.
Die Überspannung stellt diese komplexe Messprüfung dar. Für Ansatz MESSUNG waren stabile Netzgeräte Potentiostat , Eine stabile Referenzelektrodeund eine spezielle Testzelle eingefügt. Der Hintergrund der hohen Stromdicht bei Gasdiffusionselektroden müßte insbeondere auf steen Konstanten des Feldlinienverlaufs bezogen werden. Dazu empfiehlst du einen größeren Abstand zur Gegenelektrode und einen röhrenförmigen Speicher. Auch dass Haber-Luggin-Kapillare den Feldlinienverlauf nicht streng bestreiten.

Einsatz

Zunächst hat die Gas Diffusion Elektroden für den Einsatz in der Brennstoffzelle entwickelt. Wird noch bis 1950 Speck an der Zelle zur Verstromung von Kohle bei Temperaturen Hoher gearbeitet, so Grate in dem 1950er jahren Tendenzen zur Verstromung von Gasen auf, insbesondere wegen der Hohen natürlich hydrogen Reaktivität. Im Lauf der Zeit haben sich viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten in anderen Anwendungen gezeigt:

  • Zink-Luft-Batterie seit 1980
  • Nickel-Metallhydrid Batterie seit 1990
  • Salzsäureelektrolyse seit 2003
  • Chlor-Alkali-Elektrolyse seit 2011

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