Gasdiffusionselektrod

Gasdiffusionselektroder ( GDE ) är elektroder med en förening av en fast, flytande och gasformig gränsyta, och en elektriskt ledande katalysator som stödjer en elektrokemisk reaktion mellan vätskan och gasfasen.

Princip

GDE används i bränsleceller , där syre och väte reagerar vid gasdiffusionselektroderna, för att bilda vatten, samtidigt som den kemiska bindningsenergin omvandlas till elektrisk energi . Vanligtvis fixeras katalysatorn i en porös folie, så att vätskan och gasen kan interagera. Förutom dessa vätningsegenskaper måste naturligtvis gasdiffusionselektroden erbjuda en optimal elektrisk konduktivitet , för att möjliggöra en elektrontransport med låg ohmsk resistans .

En viktig förutsättning för driften av gasdiffusionselektroder är att både vätskan och gasfasen samexisterar i elektrodernas porsystem, vilket kan demonstreras med Young–Laplace-ekvationen :

p={\frac {2\ \gamma \cos \theta }{r}}

Gastrycket p står i relation till vätskan i porsystemet över porradien r, vätskans ytspänning γ och kontaktvinkeln Θ. Denna ekvation ska tas som en vägledning för bestämning eftersom det finns för många okända, eller svåra att uppnå, parametrar. När ytspänningen beaktas måste skillnaden i ytspänning mellan det fasta ämnet och vätskan beaktas. Men ytspänningen hos katalysatorer som platina på kol eller silver är knappast mätbara. Kontaktvinkeln på en plan yta kan bestämmas med ett mikroskop . En enskild por kan dock inte undersökas så det är nödvändigt att bestämma porsystemet för en hel elektrod. För att skapa ett elektrodområde för vätska och gas kan vägen således väljas för att skapa olika porradie r, eller för att skapa olika vätningsvinklar Θ.

Sintrad elektrod

På denna bild av en sintrad elektrod kan man se att tre olika kornstorlekar användes. De olika lagren var:

toppskikt av finkornigt material
lager från olika grupper
gasfördelningsskikt av grovkornigt material

De flesta elektroder som tillverkades 1950 till 1970 med sintrade metoden var för användning i bränsleceller. Denna typ av produktion lades ner av ekonomiska skäl eftersom elektroderna var tjocka och tunga, med en vanlig tjocklek på 2 mm, medan de enskilda skikten måste vara mycket tunna och utan defekter. Försäljningspriset var för högt och elektroderna kunde inte tillverkas kontinuerligt.

Funktionsprincip

Principen för gasdiffusionselektroden

Principen för gasdiffusion illustreras i detta diagram. Det så kallade gasfördelningsskiktet är placerat i mitten av elektroden. Med endast ett litet gastryck förskjuts elektrolyten från detta porsystem. Ett litet flödesmotstånd säkerställer att gasen fritt kan flöda inuti elektroden. Vid något högre gastryck begränsas elektrolyten i porsystemet till arbetsskiktet. Ytskiktet i sig har så fina porer att gas inte kan strömma genom elektroden in i elektrolyten även när trycket är på topp. Sådana elektroder framställdes genom spridning och efterföljande sintring eller varmpressning . För att producera flerskiktiga elektroder spreds ett finkornigt material i en form och jämnas ut. Sedan applicerades de andra materialen i flera lager och sattes under tryck. Produktionen var inte bara felbenägen utan också tidskrävande och svår att automatisera.

Bondad elektrod

SEM -bild från PTFE-silverelektroden

Sedan omkring 1970 används PTFE för att producera en elektrod som har både hydrofila och hydrofoba egenskaper samtidigt som de är kemiskt stabila och som kan användas som bindemedel. Detta innebär att på platser med hög andel PTFE kan ingen elektrolyt tränga in i porsystemet och vice versa. I så fall bör katalysatorn själv vara icke-hydrofob.

Variationer

Det finns två tekniska varianter för att tillverka PTFE-katalysatorblandningar:

Dispergering av vatten, PTFE, katalysator, emulgeringsmedel, förtjockningsmedel...
Torr blandning av PTFE-pulver och katalysatorpulver

Dispersionsvägen väljs huvudsakligen för elektroder med polymerelektrolyter , som framgångsrikt introducerats i protonutbytesmembranets bränslecell (PEM-bränslecell) och i protonutbytesmembranet (PEM) eller saltsyra (HCL) membranelektrolys . När den används i flytande elektrolyt är en torr process mer lämplig.

Vidare, i dispersionsvägen (genom avdunstning av vatten och sintring av PTFE vid 340°C) hoppar man över den mekaniska pressningen och de producerade elektroderna är mycket porösa. Med snabbtorkande metoder kan det bildas sprickor i elektroderna som kan penetreras av den flytande elektrolyten. För applikationer med flytande elektrolyter, såsom zink-luftbatteriet eller den alkaliska bränslecellen, används torrblandningsmetoden.

Katalysator

I sura elektrolyter är katalysatorerna vanligtvis ädelmetaller som platina , rutenium , iridium och rodium . I alkaliska elektrolyter , som zink-luftbatterier och alkaliska bränsleceller , är det vanligt att använda billigare katalysatorer som kol , mangan , silver , nickelskum eller nickelnät .

Ansökan

Först användes solida elektroder i Grove-cellen , Francis Thomas Bacon var den första som använde gasdiffusionselektroder för Bacon-bränslecellen och omvandlade väte och syre vid hög temperatur till elektricitet. Under åren har gasdiffusionselektroder anpassats för olika andra processer som:

Zink-luftbatteri sedan 1980
Nickel-metallhydridbatteri sedan 1990
Klorproduktion genom elektrolys av saltsyraavfall
Kloralkaliprocessen

Under senare år är användningen av gasdiffusionselektroder för elektrokemisk reduktion av koldioxid ett starkt växande forskningsämne.

Produktion

GDE produceras på alla nivåer. Det används inte bara för forsknings- och utvecklingsföretag utan även för större företag i produktionen av en membranelektrodanordning (MEA) som i de flesta fall används i en bränslecell eller batteriapparat. Företag som specialiserar sig på högvolymproduktion av GDE inkluderar Johnson Matthey, Gore och Gaskatel. Det finns dock många företag som producerar specialanpassad eller låg kvantitet GDE, vilket gör att olika former, katalysatorer och laster också kan utvärderas, vilket inkluderar FuelCellStore, FuelCellsEtc och många andra.

Se även