DE10007480A1 - Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung und damit verbundenes Verfahren zur elektrolytischen Wasserspaltung - Google Patents
Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung und damit verbundenes Verfahren zur elektrolytischen WasserspaltungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung, bestehend aus einer Anode und einer Kathode, und ein Verfahren zur elektrolytischen Wasserspaltung, insbesondere zur Gewinnung von Wasserstoff. Das Grundmaterial der Kathode und/oder der Anode besteht hierbei aus Titan oder mit Platin beschichtetes Titan, wobei auf der Anode eine zusätzliche Halbleiterbeschichtung, bevorzugt Titandioxid (TiO¶2¶), aufgebracht ist, welche mit Eisen dotiert ist. Vorteil dieser bipolaren Elektrode ist es, daß gegenüber dem Stand der Technik ein gesteigertes Volumen an Wasserstoff pro Zeiteinheit erzeugt werden kann und zudem mit dieser bipolaren Elektrode ein einfaches Verfahren bei Umgebungsbedingungen ohne kostspielige Anlagen zur Wasserstoffproduktion ermöglicht wird. Zusätzlich kann die Anode der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode zur Wirkungsgraderhöhung noch mit UV-Strahlung bestrahlt werden.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung,
bestehend aus einer Anode und einer Kathode, und ein Verfahren zur
elektrolytischen Wasserspaltung, insbesondere zur Gewinnung von Wasserstoff.
Unter Elektrolyse versteht man im allgemeinen einen chemischen Vorgang und
chemische Veränderungen eines Stoffs, welche beim Durchgang eines elektrischen
Stromes durch einen Elektrolyten auftreten. Hierbei sind unter Elektrolyten Stoffe zu
verstehen, deren wässrige Lösungen und Schmelzen elektrische Leiter sind, welche
Stoffe insbesondere Säuren, Basen und Salze darstellen. Die Elektrolyse ist quasi
die Umkehrung des Batterie-Effektes, bei dem aufgrund unterschiedlicher
elektrischer Potentiale der Elektroden innerhalb eines Elektrolyten eine elektrische
Spannung erzeugt wird.
Bringt man in eine elektrolytische Lösung zwei mit den Polen (Anode, Kathode) einer
Gleichspannungsquelle verbundene Elektroden ein, so fließt aufgrund der
chemischen elektromotorischen Kraft ein elektrischer Strom und in der
elektrolytischen Lösung wird Ladung in Form von geladenen Ionen transportiert. Die
positiv geladenen Ionen (Kationen) nehmen Elektronen an der Kathode auf, während
die negativ geladenen Ionen (Anionen) an der Anode ihre Elektronen abgeben.
Durch diese Neutralisierung der in der elektrolytischen Lösung gelösten Ionen
ändern diese ihre chemische Eigenschaften, wobei diese neutralisierten Ionen an
den Elektroden in fester oder gasförmiger Form (z. B. Wasserstoff, Sauerstoff)
abgeschieden werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Verfahren zur Elektrolyse von
chemischen Substanzen bekannt, wie beispielsweise die Chloralkalielektrolyse, die
Alkalimetallchloridelektrolyse und die Alkalihalogenidelektrolyse. Auch ist es hierzu
bekannt, die dafür vorgesehenen Elektroden zu beschichten, beispielsweise mit
Kobalt und Wolfram, wobei auch Halbleiter als Beschichtungsmaterial verwendet
werden.
Mit der DE 37 37 235 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Anode für die
Chloralkali-Elektrolyse veröffentlicht worden, wobei als Trägersubstrat Titan und als
Beschichtungsmaterial Platinsalz und Salze von Metallen, welche kein Platin
enthalten, verwendet wurden.
Mit der EP 218706 B1 ist eine Kathode zur Elektrolyse von Alkalihalogenidlösungen
veröffentlicht worden, wobei als Substrat ein Metall aus der Gruppe verwendet wird,
welche Eisen, Chrom, Edelstahl, Kobalt, Nickel, Kupfer und Silber beinhaltet, oder
deren Legierungen verwendet werden und als keramisches Beschichtungsmaterial
ein Metalloxid aus der Gruppe verwendet wird, welche Ruthenium, Iridium, Platin,
Palladium, Rhodium, Titan, Tantal, Niob, Zirkonium, Hafnium, Zinn, Mangan und
Yttrium beinhalten. Hierbei wird diese Beschichtung mit Oxiden von Kadmium,
Thallium, Arsen, Wismut, Zinn und Antimon dotiert.
Gemeinsames prinzipielles Ziel der Elektroden gemäß dem oben genannten Stand
der Technik ist es, mittels der Beschichtung der Elektroden, die Dauerhaltbarkeit der
Elektroden insbesondere während der Elektrolyse zu erhöhen und die Bildung von
unerwünschten Gasen, wie z. B. Wasserstoff und Sauerstoff aus Sicherheits- und
Wirtschaftlichkeitsgründen zu reduzieren. Eine Steigerung der Gasausbeute ist also
nicht beabsichtigt, ja soll gerade vermieden werden.
Vorzugsweise werden die oben genannten Verfahren und beschichteten Elektroden
also nicht für die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet,
jedoch sind auch Verfahren zur Wasserzerlegung mit beschichteten Elektroden
bekannt, wobei diese Elektroden dann nicht mit Halbleitermaterialien beschichtet
sind, sondern z. B. mit Metallen, z. B. Zink oder Aluminium oder deren Legierungen,
wie bei der DE 38 37 352.
Diese Verfahren mit beschichteten Elektroden zur Wasserspaltung in Wasserstoff
und Sauerstoff arbeiten nur in Zusammenhang mit extrem hohen Temperaturen
(200-300°C) und hohen Drücken (30-100 bar) wirtschaftlich.
Bei einer Wasserstoffherstellung durch Wasserspaltung mittels Solar-Energie ist der
hohe Energieaufwand bei der Herstellung des Photovoltaik-Siliziums sehr nachteilig,
welches Silizium durch eine chemische Reduktion hergestellt werden muss.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bipolare Elektrode (Anode
und Kathode) gemäß dem oben benannten Stand der Technik bereit zu stellen,
welche zur Erhöhung des Ertrages von Wasserstoff (Volumen Wasserstoff pro
Zeiteinheit) durch Zerlegung von Wasser beiträgt, und diese gesteigerte
Wasserstoffgewinnung ohne aufwendige Apparaturen bei Umgebungsbedingungen
erreicht werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die bipolare Elektrode besteht aus
einer Kathode, welche beabstandet von einer Anode angeordnet ist und sowohl
Kathode, als auch Anode aus einem Grundmaterial aus mindestens einem Element
der Hauptgruppen III, IV und/oder der Nebengruppen 4-7 des Periodensystems
besteht und auf dem Grundmaterial der Anode eine Halbleiterbeschichtung
aufgebracht ist, welche Halbleiterbeschichtung aus mindestens einem Element der
Nebengruppen 4-7 des Periodensystems besteht.
Bevorzugt wird, wenn sowohl Kathode, als auch Anode aus einem Grundmaterial
aus Titan bestehen, und auf dem Grundmaterial der Anode eine
Halbleiterbeschichtung aufgebracht ist, welche Halbleiterbeschichtung ein Titanoxid
(TixOy) enthält, wobei x und y ganze positive Zahlen sind.
Hierbei ist es bevorzugt vorgesehen, wenn das Grundmaterial Titan mindestens
einer der beiden Elektroden-Pole, also der Anode oder der Kathode mit einem
Element der Nebengruppen 1, 2 und/oder 8 des Periodensystems beschichtet ist,
vorzugsweise mit einer Platinbeschichtung versehen ist. Diese Platinbeschichtung ist
vorzugsweise sehr dünn aufgetragen, beispielsweise im Bereich von einigen µm,
typisch 1 µm für die Anode und 1,5 µm für die Kathode und wird zumeist über ein
Vakuum-Dampf-Verfahren auf das Titan-Substrat aufgebracht.
Die n-Halbleiterschicht von z. B. Titandioxid auf Titan bildet jedoch für den
elektrischen Stromkreis einen relativ hohen Widerstand.
Daher ist es in einer bipolaren Elektrodenanordnung der vorliegenden Erfindung
vorgesehen, daß die auf das Grundmaterial der Anode aufgebrachte
Halbleiterschicht (TixOy) mit einem oder mehreren der Elemente der ersten, zweiten
oder achten Nebengruppe des Periodensystems dotiert ist. Vorzugsweise wird mit
Eisen (Fe) dotiert in einer relativ hohen Konzentration, nämlich mit typisch 23 Gew.-%.
Es können aber natürlich auch andere Konzentrationen zwischen ca. Gew.-% und ca.
33 Gew.-% gewählt werden.
Auch können z. B. Kobalt, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium,
Kupfer, Silber, Gold, Zink, Cadmium und Quecksilber und deren Verbindungen als
Dotierungs-Elemente eingesetzt werden. Durch diese Dotierung wird der elektrische
Widerstand der Halbleiterschicht verringert, insbesondere wenn mit einer sehr
starken Dotierungskonzentration dotiert wird.
Bevorzugt wird, wenn die auf das Grundmaterial der Anode aufgebrachte
Halbleiterschicht (TixOy) Titandioxid (TiO2) ist.
Titandioxid gehört zu den n-Halbleitern und absorbiert hauptsächlich im UV-Bereich
und wird auch bei der photokatalytischen Abwasserreinigung eingesetzt. Titandioxid
absorbiert also kaum im sichtbaren Bereich und kann für die direkte
Sonnenenergienutzung nicht verwendet werden. Titandioxid ist im übrigen ein
preiswerter und völlig ungiftiger Rohstoff.
Hierbei kann Titandioxid auf einem Träger aus Titan über eine Anastas-Suspension
als Titandioxidschicht auf Titan aufgebracht werden, um dadurch eine Vergrößerung
der Titandioxidoberfläche zu erreichen und damit zu einer stärkeren Entladung der
Ionen zu gelangen. Das Titansubstrat wird dabei bevorzugt in eine wässrige
Suspension Titandioxid-Anastas mit ca. 5 g/100 ml H2O im Tauchverfahren gebracht
und anschließend bei etwa 80°C getrocknet. Dieser Vorgang wird dann mehrmals
wiederholt. Dadurch kann die elektrische Leistungsaufnahme der bipolaren Elektrode
etwa um 20-30% verringert werden.
Das Titandioxid kann auch in einer Weiterbildung der Erfindung aus Titantetrachlorid
gefällt werden. Hierdurch wird infolge einer Vergrößerung des Zerteilungsgrades die
Oberfläche des aufgetragenen Titandioxids weiter gesteigert. Dadurch kann die
elektrische Leistungsaufnahme etwa um 35% verringert werden.
Zur Erzeugung einer besonders großen Titandioxidoberfläche eignet sich das bereits
bekannte sog. Sol-Gel-Verfahren, bei welchem in die Ausgangskomponenten für
eine Kondensationspolymerisation Titandioxid eingemischt und die Polymerisation
im kolloidalen Zwischenzustand abgebrochen wird. Auf diese Art und Weise erhält
man eine stabile Sol-Gel-Kunststoffschicht mit eingebettetem Titandioxid.
Besonders vorteilhaft sind folgende Anodenplatten mit einer auf das Grundmaterial
aufgebrachten Dicke einer Beschichtung von etwa 1 µm: Ti/TiO2, Ti/Pt/TiO2,
Ti/TiO2(Fe), Ti/Pt/TiO2(Fe), jeweils mit 23% (Fe) Eisendotierung. Hierbei sind als
Kathoden bevorzugt Ti oder aber Ti/Pt vorgesehen, wobei hier das Platin mit einer
etwas stärker auftragenden Schichtdicke von 1,5 µm auf dem Grundmaterial Titan
aufgebacht ist.
Anstatt Titan als Substrat kann also platiniertes Titan verwendet werden, also ein mit
Platin beschichtetes Titansubstrat, welches anschließend einer Sol-Gel-
Beschichtung unterzogen wird. Der Zellwiderstand kann hierdurch weiterhin auf ca.
1/3 verringert werden. Titan enthält im Gegensatz zu platiniertem Titan schon vor
dem Auftragen der Sol-Gel-Schicht eine Oxidschicht, welche schlecht leitet. Dies ist
insbesondere für die Anode von Vorteil.
Umgekehrt sind die Verhältnisse für die Kathode: Im Gegensatz zur
platinbeschichteten Titankathode zur reinen Titankathode nimmt hier die
Wasserstoffentwicklung bei gleichzeitig geringerer Leistungsaufnahme um ca. 1/3
zu.
Eine Bestrahlung der Halbleiterschichten auf der Anode führt zu einer Verbesserung
der Wasserstoffentwicklung, was insbesondere bei der Sol-Gel-beschichteten (nicht
mit Eisen dotierten) Anode eine Verbesserung mit sich bringt.
Folgende Volumina an Wasserstoff können durch die verschieden Elektrodenpaare
ohne Dotierung erzeugt werden:
Die mit Eisen dotierten und Sol-Gel-beschichteten Elektroden zeigen hierbei
wesentlich bessere Wasserstoff-Erträge z. B. bei einer Kathode aus Ti/Pt und einer
Anode aus mit Eisen dotiertem Ti/TiO2, also Ti/TiO2(Fe). Mit UV Bestrahlung kann
sogar ca. 10mal so viel Wasserstoff wie ohne Eisendotierung erzeugt werden und
der Zellwiderstand auf 115 reduziert werden. Die Verstärkung der (+)-Löcher im
Valenzband und der Leitungsbandelektronen sind Ursache dafür.
Minus-Pol: 2H2
O + 2e-
→ H2
+ 2OH-
(1)
Plus-Pol: 2OH- → H2O + ½O2 + 2e- (2)
Der genaue Mechanismus der anodischen Oxidation: (s) = surface
pH < 12: 2OH-(s) → 2OH.(s) + 2e- (3)
2OH.(s) → H2O2(s) (4)
H2O2(s) → H2O2(aq) (5)
H2O2 (aq) → H2O + ½O2 (6)
Die Oxidation der OH--Ionen erfolgt über (+)-Löcher von Titandioxid:
OH-(s) + h+ VB → OH.(s) (7)
Aufgrund der Reaktion (7) kann die Oxidation von OH--Ionen durch die
Eisendotierung verstärkt werden.
Weiterhin kann durch eine Erhöhung des pH-Wertes z. B. von 13 auf 14 unter UV-
Belichtung die abgeschiedene Wasserstoffmenge nahezu um 1/3 vergrößert werden,
wodurch auch die angelegte Spannung auf die Hälfte zurückgeht.
Durch eine Verringerung von Polarisationseffekten - bei meiner Stromdichte
hauptsächlich Durchtrittspolarisation und Inhibitorwirkung - bewirkt eine höhere
Elektrolytkonzentration eine bessere Elektrolysewirkung und eine Herabsetzung des
Zellwiderstandes.
Nach Gleichung (7) wirkt sich eine stärkere Belegung der Oberfläche mit OH--Ionen
positiv aus, wobei jedoch die UV-Bestrahlung nur noch eine geringe Steigerung der
Wasserstoffentwicklung bewirkt.
Hierbei wirkt eine größere Spannung wodurch der Elektronenfluß ins Innere des
Korns verstärkt wird und gleichzeitig die Elektronenabgabe vom Leitungsband an
den Elektrolyten sowie die damit verbundene positive Raumladung geschwächt wird.
Die Rekombination der lichtinduzierten (+)-Löcher und Leitungsbandelektronen
nimmt zu.
Uz = EA - EK + nA - nK + I . R
Uz = Zersetzungsspannung
EA = Normalpotential der Anode
EK = Normalpotential der Kathode
nA = Überspannung an der Anode
nK = Überspannung an der Kathode
R = ohmscher Widerstand
EA = Normalpotential der Anode
EK = Normalpotential der Kathode
nA = Überspannung an der Anode
nK = Überspannung an der Kathode
R = ohmscher Widerstand
Die 1 µm-dicke Halbleiterschicht TiO2(Fe) mit Eisendotierung, aufgetragen nach dem
Sol-Gel-Verfahren, bewirkt bei ca. halber Leistungsaufnahme eine ca. 4-fache
Wasserstoffentwicklung.
Die platinierte Titananode und einer aufgetragenen Sol-Gel-Titandioxidschicht mit
Eisendotiertung (1 µm) in Kombination mit einer unbeschichteten Titankathode bringt
also die beste Ausbeute an Wasserstoff, wobei gleichzeitig mit dem Wasserstoff
auch Sauerstoff erzeugt wird, jedoch etwa nur die Hälfte des Volumens.
Durch die Eisendotierung geht der Widerstand der Halbleiterschicht ca. auf 1/5
zurück, bei Platin als Basisbeschichtung noch einmal auf 1/3.
Die Halbleiterschicht führt wohl deshalb zu einer wesentlichen Optimierung
gegenüber einer reinen Platinschicht, da OH. H2O2 und O. die Aktivität von
Elektroden beeinflussen. Gegenüber dem Stand der Technik gibt es eine H2O2-
Bindung an Titandioxid sowie eine Oxidation von H2O2 und von OH- durch (+)-Löcher
des eisendotierten Titandioxids.
H2O2(s) + 2h+ VB + 2OH- → O2 + 2H2O
OH-(s) + h+ VB → 2OH.(s)
Folgende Ergebnisse wurden bei Einsatz der optimalen Elektrodenkombination
erzielt:
Bei einer Temperaturerhöhung der Elektrolytlösung z. B. auf Umgebungstemperatur
kann der Wirkungsgrad noch einmal erheblich gesteigert werden.
Die Langzeitstabilität des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen
Elektrodenbeschichtung wird durch eine Peroxidbelegung der Titandioxidschicht nur
leicht vermindert, wobei während des Trocknens der Elektrode das Peroxid wieder
zerfällt und sich der ursprüngliche Wirkungsgrad wiederum einstellt. Hier ist dann zur
weiteren Wirkungsgraderhöhung ein Wechselbetrieb vorgesehen, so daß das eine
Elektrodenpaar sich im Elektrolyt befindet und das oder die Welchsel-
Elektrodenpaare sich außerhalb des Elektrolyt zum Trocknen befinden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und
ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der
Erfindung hervor.
Fig. 1: Diagramm des Wasserstoffertrages und der Zellspannung U über der
Zeit in Abhängigkeit des Parameters der UV-Bestrahlung mit Anodenmaterial
Ti/TiO2(Fe);
Fig. 2: Diagramm des Wasserstoffertrages und der Zellspannung U über der
Zeit in Abhängigkeit des Parameters der UV-Bestrahlung mit Anodenmaterial
Ti/Pt/TiO2(Fe);
Fig. 3: Diagramm des Wasserstoffertrages und der Zellspannung U über der
Zeit im Vergleich der Anodenmaterialien Ti/Pt und Ti/Pt/TiO2(Fe);
Fig. 4: Aufbau einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur elektrolytischen Wasserspaltung mittels der erfindungsgemäßen bipolaren
Elektrode.
In Fig. 1 ist ein Diagramm zu sehen, in welchem der Wasserstoffertrag (16, 17) und
die Zellspannung U (18, 19) über der Zeit in Abhängigkeit der UV-Bestrahlung
aufgetragen sind. Hierbei wurde mit Anodenmaterial Ti/TiO2(Fe) und dem
Kathodenmaterial Ti/Pt gearbeitet. Es ist deutlich zu erkennen, daß mit
zunehmender Bestrahlungsintensität einer im UV-Bereich (250 nm bis 380 nm
Wellenlänge) abstrahlenden UV-Quelle die Ausbeute an Wasserstoff (17) stark
zunimmt und gleichzeitig die Zellspannung (19) lediglich in geringem Maße zunimmt,
so daß die Bestrahlung der bipolaren Elektrode mit den zuvor erwähnten
Elektrodenmaterialien ein geeignetes Mittel zur Optimierung des Verfahrens zur
Wasserstoffgewinnung mittels Wasserzerlegung ist.
In Fig. 2 ist ein Diagramm zu sehen, in welchem der Wasserstoffertrag (20, 21) und
die Zellspannung U (22, 23) über der Zeit in Abhängigkeit der UV-Bestrahlung
aufgetragen sind. Hierbei wurde mit Anodenmaterial Ti/Pt/TiO2(Fe) und dem
Kathodenmaterial Ti/Pt gearbeitet. Es wurde also das Basismaterial Titan der Anode
mit Platin beschichtet. Auch hier ist deutlich zu erkennen, daß mit zunehmender
Bestrahlungsintensität einer im UV-Bereich (250 nm bis 380 nm Wellenlänge)
abstrahlenden UV-Quelle die Ausbeute an Wasserstoff (21) stark zunimmt und
gleichzeitig die Zellspannung (23) lediglich in geringem Maße zunimmt, so daß die
Bestrahlung der bipolaren Elektrode mit den zuvor erwähnten Elektrodenmaterialien
ein geeignetes Mittel zur Optimierung des Verfahrens zur Wasserstoffgewinnung
mittels Wasserzerlegung ist. Die gemäß Fig. 1 erzielten Effekte sind noch deutlich
verbessert.
In Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches den Wasserstoffertrag und der
Zellspannung U über der Zeit zeigt im Vergleich der Anodenmaterialien Ti/Pt und
Ti/Pt/TiO2(Fe). Hier ist erkennbar, daß das Volumen des Wasserstoffertrages (24,
25) bei einer Anode aus Ti/Pt/TiO2(Fe) (25) gegenüber einer Anode aus Ti/Pt (24)
stark erhöht ist, bei gleichzeitiger Verringerung der Zellspannung (26) im Vergleich
zur Zellspannung (27) der Anode aus Ti/Pt (24), wobei diese Zellspannung (26) der
Anode aus Ti/Pt/TiO2(Fe) (25) zusätzlich noch über der Zeit konstanter verläuft.
Fig. 4 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Anlage zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur elektrolytischen Wasserspaltung mittels der
erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode 10, 13.
Die Anode 13 und die Kathode 10 sind etwa plattenförmig ausgebildet und parallel
zueinander beabstandet angeordnet und bilden die erfindungsgemäße bipolare
Elektrode. Die Kathode 10 ist über ein Amperemeter A mit dem Minuspol - einer
Konstantstromquelle 1 elektrisch leitend verbunden, wohingegen die Anode 13 mit
dem Pluspol + dieser Konstantstromquelle 1 elektrisch leitend verbunden ist.
Zwischen den Zuleitungen beider Elektroden 10, 13 ist ein Spannungsmesser V
eingebracht. Die Konstantstromquelle 1 besitzt bei einem Strom von 1A eine
maximale Spannung von Umax = 32 V.
Im Zwischenraum zwischen Anode 13 und die Kathode 10 befindet sich eine
Ionenaustauschermembran 12, welche mindestens eine gleiche Fläche besitzt wie
die Elektroden 10, 13, so daß der Zwischenraum vollständig durch diese
Ionenaustauschermembran 12 abgedeckt wird, jedoch kein Kontakt zu den
Elektroden 10, 13 besteht. Die Ionenaustauschermembran 12 ist hierbei durch ein
perfluoriertes Polymer mit Sulfon-Säuregruppen gebildet.
Diese Anordnung befindet sich nun innerhalb eines Aufnahmeraumes in welcher
auch die Elektrolytflüssigkeit, hier NaOH mit pH 13 oder 14, über die
Zirkulationseinrichtung 11 mit Umwälzpumpe eingebracht wird und ständig
umgewälzt wird. Innerhalb der Zirkulationseinrichtung 11 befindet sich ein
Druckausgleichsystem 2. Über ein Ventil 14 kann der Aufnahmeraum vollkommen
entleert werden.
Die ableitende Leitung der Zirkulationseinrichtung 11 befindet sich im Bereich
zwischen den Polen (10, 13) der Elektrode in der Nähe der
Ionenaustauschermembran 12 auf der Seite der Anode.
Über eine Füllstandsanzeige 3, eine pH-Elektrode 4, einen Temperatursensor 5 und
einen Heizstab 6 können diese Parameter überwacht und geregelt werden.
Der an den Elektroden erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff können über die
Leitungen (7, 8) abgeführt werden und einer nicht dargestellten Behältereinheit
zugeführt werden und dort gespeichert werden.
Außerhalb des Aufnahmeraumes der Elektrolytflüssigkeit gegenüber der Anode 13
ist eine UV-Belichtungseinheit 15 vorgesehen, welche UV-Strahlung auf die Anode
13 durch ein Quarzglas 9 strahlt, welches Quarzglas 9 UV-Strahlung durchlässt und
in der Wandung des Aufnahmeraumes dichtend eingebracht ist. Hierdurch kann die
erzeugte Wasserstoffmenge erheblich gesteigert werden.
1
Konstantstromquelle
2
Druckausgleich
3
Füllstandsanzeige
4
pH-Elektrode
5
Temperatursensor
6
Heizstab
7
Wasserstoffleitung
8
Sauerstoffleitung
9
Quarzglas
10
Kathode
11
Zirkulationseinrichtung
12
Ionenaustauschermembran
13
Anode
14
Ein- und Auslassventil
15
UV-Belichtungseinrichtung
16
Wasserstoffvolumen pro Zeiteinheit mit Ti/TiO2
(Fe) als Anode, nicht bestrahlt
17
Wasserstoffvolumen pro Zeiteinheit mit Ti/TiO2
(Fe) als Anode, UV-bestrahlt
18
Zellspannung pro Zeiteinheit mit Ti/TiO2
(Fe) als Anode, nicht bestrahlt
19
Zellspannung pro Zeiteinheit mit Ti/TiO2
(Fe) als Anode, UV-bestrahlt
20
Wasserstoffvolumen pro Zeiteinheit mit Ti/Pt/TiO2
(Fe) als Anode, nicht bestr.
21
Wasserstoffvolumen pro Zeiteinheit mit Ti/Pt/TiO2
(Fe) als Anode, UV-bestrahlt
22
Zellspannung pro Zeiteinheit mit Ti/Pt/TiO2
(Fe) als Anode, nicht bestrahlt
23
Zellspannung pro Zeiteinheit mit Ti/Pt/TiO2
(Fe) als Anode, UV-bestrahlt
24
Wasserstoffvolumen pro Zeiteinheit mit Ti/Pt als Anode
25
Wasserstoffvolumen pro Zeiteinheit mit Ti/Pt/TiO2
(Fe) als Anode
26
Zellspannung pro Zeiteinheit mit Ti/Pt als Anode
27
Zellspannung pro Zeiteinheit mit Ti/Pt/TiO2
(Fe) als Anode
Claims (18)
1. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung, bestehend aus einer Anode (13)
und einer davon beabstandeten Kathode (10) zur Elektrolyse, insbesondere zur
elektrolytischen Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff, dadurch
gekennzeichnet, daß sowohl die Kathode (10), als auch die Anode (13) aus einem
Grundmaterial aus mindestens einem Element der Hauptgruppen III, IV und/oder
der Nebengruppen 4-7 des Periodensystems besteht und auf dem Grundmaterial
der Anode eine Halbleiterbeschichtung aufgebracht ist, welche
Halbleiterbeschichtung aus mindestens einem Element der Nebengruppen 4-7
des Periodensystems besteht.
2. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der Kathode (10) und/oder der Anode
(13) aus Titan bestehen.
3. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Grundmaterial der Anode (13)
aufgebrachte Halbleiterbeschichtung Titanoxid (TixOy) ist, wobei x und y ganze
positive Zahlen sind.
4. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die auf das Grundmaterial der Anode aufgebrachte
Halbleiterschicht (TixOy) Titandioxid (TiO2) ist.
5. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial mindestens einer der beiden
Elektroden-Pole (10, 13) mit einer Beschichtung durch mindestens ein Element
aus den Nebengruppen 1, 2 und/oder 8 des Periodensystems den versehen ist.
6. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine Platinbeschichtung ist.
7. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 5 oder
6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung der Anode im Bereich von µm
liegt.
8. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Grundmaterial der Anode aufgebrachte
Halbleiterschicht mit einem oder mehreren der Elemente der ersten, zweiten
und/oder achten Nebengruppe des Periodensystems dotiert ist.
9. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß als Element für die Dotierung der Halbleiterschicht Eisen
(Fe) verwendet wird.
10. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß als Konzentration des Eisens (Fe) zur Dotierung der
Halbleiterschicht ein Bereich von 1 Gew.-% bis 33 Gew.-% des Eisens (Fe) gewählt
wird.
11. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß als Konzentration des Eisens (Fe) zur Dotierung der
Halbleiterschicht etwa 23 Gew.-% gewählt werden.
12. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 4 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Titandioxid-Schicht mittels eines Sol-Gel-
Verfahrens hergestellt wird.
13. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 8 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der Titandioxid-Schicht mit Eisen
(Fe) mittels eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt wird.
14. Bipolare Elektrode mit Halbleiterbeschichtung nach einem der Ansprüche 12 und
13, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Titandioxid-Schicht und
deren Dotierung mit Eisen (Fe) etwa gleichzeitig erfolgt.
15. Verfahren zur elektrolytischen Wasserspaltung mittels der bipolaren Elektrode
gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß folgende
Verfahrensschritte durchlaufen werden:
- a) Bereitstellen einer bipolaren Elektrode (10, 13) gemäß den vorhergehenden Ansprüchen;
- b) Einbringen der bipolaren Elektrode in einen geeigneten Elektrolyten innerhalb eines Behälters;
- c) Regeln des pH-Wertes der Elektrolytlösung auf etwa pH 13-14;
- d) Anlegen einer Gleichspannung an die beiden Pole (10, 13) der bipolaren Elektrode;
- e) ständiges Umwälzen der Elektrolytflüssigkeit mittels einer Zirkulationseinrichtung (11);
- f) Ableiten der an den Polen (10, 13) entstehenden Gase mittels Gasleitungen (7, 8).
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der
Elektrolytlösung auf etwa 22°C geregelt wird.
17. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß ein kontinuierliches Bestrahlen der Anode (13) der
bipolaren Elektrode mit UV-Strahlung im Bereich von ca. 250 nm bis 380 nm
durchgeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrahlung
mittels einer Bestrahlungseinrichtung (15) erfolgt, welche außerhalb des
Behälters für die Elektrolytflüssigkeit angeordnet ist.
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