DE1596166B2 - Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten

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Harald Dipl.Chem. 6370 Oberursel Boehm
Franz Arthur Prof.Dr.-Ing. 6071 Goetzenhain Pohl
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten.
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von porösen Elektroden für Brennstoffelemente vorgeschlagen, bei welchem Boride, Carbide, Nitride oder Silicide der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niobium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram mit aus diesen Übergangsmetallen bestehendem Metallpulver durch Pressen und Sintern hergestellt und anschließend zwecks Aktivierung ein Teil des freien Metalls herausgelöst wird (Patentanmeldung P 1496178.5).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der Elektroden von Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten hinsichtlich ihrer elektrochemischen Aktivität zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gemisch von zwei oder mehreren Metalloxiden der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niobium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel durch Reaktion mit elementarem Kohlenstoff in Karbide übergeführt und durch Pressen und anschließendes Sintern zu Elektroden verarbeitet wird.
Elektroden gemäß der Erfindung zeigen nicht nur eine überraschend hohe Aktivität, sondern lassen sich auch in einfacher Weise herstellen. Die Reaktion kann bei einer Temperatur im Bereich von 1800 bis 2500° C durchgeführt werden, ohne daß die Aktivität der Elektroden gegenüber einer niedrigeren Verfahrenstemperatur wesentlich vermindert wird. Die katalytischen Eigenschaften der Elektroden lassen sich durch ein beleibig variables Mischungsverhältnis der Bestandteile verbessern. Es ist jedoch besonders günstig, wenn der Hauptbestandteil des Gemisches in einer Konzentration von mehr als 80 Gewichtsprozent vorliegt.
ίο Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn als Hauptbestandteil Wolframoxid und als weitere Bestandteile Niobium-, Tantal- oder Molybdänoxid verwendet werden. Es wird z. B. einem Zusatz von 5 bis 10% Molybdänoxid zu Wolframoxid die elektrochemische Aktivität um den Faktor 3 erhöht. Für die Herstellung der Elektroden ist es günstig, den Mischcarbiden vor dem Pressen und Sintern Gerüststoffe, wie z.B. Polytetrafluoräthylen und Polyäthylen zuzusetzen. Durch diese Maßnahme erhalten die Elektroden hydrophobe Eigenschaften und können als drucklose Elektroden eingesetzt werden.
Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Elektroden können ohne eine weitere Aktivierung in den Brennstoffzellen in Betrieb genommen werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Wolframtrioxid und Molybdäntrioxid (Gewichtsverhältnis 95:5) der Korngröße ^ 0,5 μ werden intensiv mit der stöchiometrischen Menge Flammruß vermischt. Das Gemisch wird anschließend durch Druck verdichtet, um einen innigen Kontakt der einzelnen Partikel zu gewährleisten. Danach erfolgt die Umsetzung im Tammanofen bei 2000° C unter Argon-Schutzgas. Die Reaktionszeit beträgt 45 Minuten. ■ In Form einer Scheibe kann der poröse Reaktionskörper direkt in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Zur Erzielung einer besseren Leistung wird der erhaltene Reaktionskörper zu Pulver vermählen und durch anschließendes Vermischen mit Polyäthylen- oder Polytetrafluoräthylen-Pulver (20 bis 25 %), Pressen und Sintern zu Elektroden weiterverarbeitet. An so hergestellten Elektroden wird in 2 normaler Schwefelsäure bei 60° C eine Stromdichte von 21 mA/cm2 bei U11 = 200 mV Bezugsspannung für die anodische Wasserstoffoxydation gemessen. Mit Wolframtrioxid als Ausgangsprodukt ergibt sich eine
Stromdichte von 9 mA/cm2 unter sonst gleichen Bedingungen.
Beispiel 2
Wird wie im Beispiel 1 angegeben verfahren, jedoch mit einer Reaktionstemperatur von nur 1300 bis 1400° C und verlängerter Reaktionszeit auf 4 bis 5 Stunden, so ergibt sich unter sonst gleichen Bedingungen eine Stromdichte von 25 mA/cm2.
Beispiel 3
Der im Beispiel 1 beschriebene Herstellungsprozeß wird mit 90% Wolframtrioxid und 10% Tantalpentoxid durchgeführt. Die erhaltene Stromdichte liegt dann bei 12 mA/cm2.
Beispiel 4
Eine Elektrode wird nach Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit 98% Wolframtrioxid und 2% Niobpentoxid.
Die erhaltene Stromdichte unter sonst gleichen Bedingungen beträgt 15 mA/cm2.
Beispiel 5
Eine Elektrode wird nach Beispiel 1 hergestellt jedoch mit 90% Molybdäntrioxid und 10% Tantalpentoxid als Ausgangsmischung. Die erhaltene Stromdichte beträgt 2 mA/cm unter sonst gleichen Versuchsbedingungen.
Beispiel 6
Eine Elektrode wird nach Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit einer Ausgangsmischung von 90% Titandioxid und 10% Wolframtrioxid. Die erhaltene Stromdichte beträgt 4 mA/cm2 unter sonst gleichen Versuchsbedingungen.
Beispiel 7
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit einer Ausgangsmischung von 90% Zirkondioxid und 10% Molybdäntrioxid. Die erhaltene Stromdichte beträgt 0,5 ma/cm2 unter sonst gleichen Versuchsbedingungen.
Beispiel 8
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit 95% Niobpentoxid und 5% Chromtrioxid als Ausgangsmischung. Die erhaltene Stromdichte für den Wasserstoffumsatz beträgt unter sonst gleichen Bedingungen 0,3 mA/cm2.
Beispiel 9
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit 90% Wolframtrioxid und 10% Kobalt-(II,III)oxid als Ausgangsmaterial. Die erhaltene Stromdichte beträgt 18 mA/cm2 unter sonst gleichen Versuchsbedingungen.
Beispiel 10
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit 95 % Chrom(III)oxid und 5 % Nickeloxid als Ausgangsmischung. Die Stromdichte beträgt 0,8 mA/cm- unter sonst gleichen Versuchsbedingungen.
Beispiel 11
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit einer Ausgangsmischung von 50% WO3, 45% MoO3 und 5% CoO. Die erhaltene Stromdichte unter sonst gleichen Versuchsbedingungen beträgt 12 mA/cm2.
Beispiel 12
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit einer Ausgangsmischung von 98 % WO3,1 % so NiO und 1% CoO. Die erhaltene Stromdichte unter sonst gleichen Versuchsbedingungen beträgt 17 mA/ cm2.
Beispiel 13
as Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit einer Ausgangsmischung von 90% Ta2Os, 5 % Nb2O5 und 5 % Fe2O3. Die erhaltene Stromdichte unter sonst gleichen Bedingungen beträgt 0,8 mA/ cm3.
Beispiel 14
Herstellung einer Elektrode nach Beispiel 1, jedoch mit einer Ausgangsmischung von 80% WO3, 10% MoO3, 5% CoO und 5% NiO. Die erhaltene Stromdichte unter sonst gleichen Bedingungen beträgt 10 mA/cm2.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch von zwei oder mehreren Metalloxiden der Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niobium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel durch Reaktion mit elementarem Kohlenstoff in Carbide übergeführt und durch Pressen und anschließendes Sintern zu Elektroden verarbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch mit einem Hauptbestandteil von mehr als 80 Gewichtsprozent verwendet wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptbestandteil Wolframoxid und als weitere Bestandteile Niobium-, Tantal- oder Molybdänoxid verwendet werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion der Oxide mit dem Kohlenstoff bei einer Temperatur im Bereich von 1800 bis 2500° C durchgeführt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß den erhaltenen Mischcarbiden vor dem Pressen und Sintern organische Gerüststoffe zugesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gerüststoffe Polytetrafluoräthylen und Polyäthylen verwendet werden.
DE1596166A 1964-06-12 1966-11-24 Verfahren zur Herstellung von Elektroden für Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten Expired DE1596166C3 (de)

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