DE2027472C3 - Process for the production of a fuel catalyst from tungsten carbide for electrochemical fuel cells - Google Patents
Process for the production of a fuel catalyst from tungsten carbide for electrochemical fuel cellsInfo
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Description
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Elektroden für die elektrochemische Umsetzung billiger Brennstoffe (z. B. Formaldehyd oder Wasserstoff) zu schaffen, die so rentabel arbeiten, daß ihr Einsatz bei elektrochemischen Prozessen wirtschaftlich sinnvoll ist.The object of the present invention is to make electrodes for the electrochemical conversion cheaper To create fuels (e.g. formaldehyde or hydrogen) which are so profitable that they can be used for electrochemical processes makes economic sense.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung iet es, Elektroden zu schaffen, die außer Formaldehyd auch Ameisensäure in größerem Maße umsetzen. Dieses Ziel ergibt sich aus folgender Betrachtung: Die elektrochemische Oxydation von Formaldehyd in saurer Lösung bis zum gasförmigen Endprodukt Kohlendioxyd CO2, das aus dem Elektrolyten entweicht, verläuft formal in zwei Stufen:Another object of the present invention is to provide electrodes which, in addition to formaldehyde, also Implement formic acid to a greater extent. This goal results from the following consideration: The electrochemical Oxidation of formaldehyde in acidic solution to the gaseous end product carbon dioxide CO2, that escapes from the electrolyte takes place in two stages:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffkatalysators aus Wolframcarbid zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation von Wasserstoff, Formaldehyd oder Ameisensäure in elektrochemischen Brennstoffzellen, durch Carburierung von Wolfram oder Wolframoxid mittels Kohlenmonoxid.The invention relates to a method for producing a fuel catalyst from tungsten carbide for the direct generation of electrical energy through the oxidation of hydrogen, formaldehyde or Formic acid in electrochemical fuel cells, by carburizing tungsten or tungsten oxide by means of carbon monoxide.
Es sind Katalysatoren aus Wolframcarbid für die Umsetzung von billigen organischen Brennstoffen und/oder Wasserstoff bekannt (DE-OS 14 96176; BE-PS 7 42 234; Nature 224 [1969], 1299-1300), doch sind die damit erzielbaren Stromdichten so gering, daß eine wirtschaftliche Verwendung dieser Stoffe nicht lohnend erscheint Bei Verwendung der Brennstoffe Wasserstoff (H2), Formaldehyd (HCHO) und Ameisensäure (HCOOH) in Brennstoffzellen mit Schwefelsäure als Elektrolyt werden bei einem Potential von 250 mV und einer Temperatur von 70° C z. B. etwa die folgenden Stromdichten erzielt:Catalysts made of tungsten carbide for the conversion of cheap organic fuels and / or hydrogen are known (DE-OS 14 96176; BE-PS 7 42 234; Nature 224 [1969], 1299-1300), but the current densities that can be achieved with them are so low that an economic use of these substances not the fuels, hydrogen (H 2), formaldehyde (HCHO) and formic acid (HCOOH) in fuel cells with sulfuric acid as an electrolyte seems worthwhile in use, at a potential of 250 mV and a temperature of 70 ° C e.g. . B. achieved the following current densities:
HCHO + H2O-HCOOH HCHO + H 2 O-HCOOH
> HCOOH + 2H+ + 2e" (1) ->CO2 + 2H+2e~ (2)> HCOOH + 2H + + 2e "(1) -> CO 2 + 2H + 2e ~ (2)
Angestrebt wird ein möglichst weitgehender Umsatz nach der sich aus der Summation der Gleichungen (1) und (2) ergebenden Gleichi ing (3):The aim is to achieve the greatest possible conversion according to the summation of equations (1) and (2) resulting equation (3):
Ein wesentlicher Grund für diese relativ geringen Stromdichten ist in der aus der Hartstofftechnologie da dieser Umsatz einmal die größte Stromausbeute ergibt, zum anderen aber auch verhindert, daß sich der Elektrolyt an Ameisensäure anreichert und ausgetauscht werden muß. Eine Parallelität in der Änderung der Aktivitäten der hier verwendeten Stoffe gegenüber Formaldehyd und Ameisensäure ist aber nicht von vornherein gegeben, wie dies bei Formaldehyd und Wasserstoff der Fall ist.A major reason for these relatively low current densities is from hard material technology because this conversion results in the greatest current yield, but also prevents the Electrolyte enriched in formic acid and must be replaced. A parallelism in the change the activities of the substances used here against formaldehyde and formic acid is not of given in advance, as is the case with formaldehyde and hydrogen.
Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.The stated objects are achieved according to the invention by a method having the characterizing features Features of the main claim.
Die Präparation der erfindungsgemäßen Elektroden wird unter Bedingungen durchgeführt, die eine große spezifische Oberfläche (> 1 mVg) sowie eine große Anzahl reaktiver Stellen zu erzeugen und vor allem zu erhalten vermögen. Insbesondere werden alle Prozesse bei möglichst niedriger Temperatur (nicht über 700° C) und/oder innerhalb möglichst kurzer Zeit ausgeführt. Nur eine der Ausgangskomponenten liegt als Feststoff die anderen dagegen liegen als Gase oder Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt vor; der Feststoff wird während des Herstellungsverfahrens gelöst und in feinkörniger, oberflächenreicher Form wieder ausgefällt und dann den noch zu beschreibenden speziellen Bedingungen unterworfen. Als Feststoffe könnenThe preparation of the electrodes according to the invention is carried out under conditions which have a large specific surface (> 1 mVg) as well as a large number of reactive sites to generate and above all to get fortune. In particular, all processes are carried out at the lowest possible temperature (not above 700 ° C) and / or carried out within the shortest possible time. Only one of the starting components is a solid the others, on the other hand, are in the form of gases or liquids with a low boiling point; the solid becomes dissolved during the manufacturing process and precipitated again in a fine-grained, surface-rich form and then subjected to the special conditions to be described. As solids can
Metallpulver, gefällte Metallsäuren, Metalloxide, Metalloxidhydrate oder Metallhydride verwendet werden.Metal powder, precipitated metal acids, metal oxides, metal oxide hydrates or metal hydrides can be used.
Zur Erzielung einer hohen Ameisensäureaktivität kann die Elektrode in einem letzten Verfahrensschritt mit destilliertem Wasser oder mit einem Elektrolyt- j Brennstoff-Gemisch durchfeuchtet werden, bevor sie mit dem Sauerstoff der Luft in Berührung kommtIn order to achieve a high formic acid activity, the electrode can be used in a final process step be moistened with distilled water or with an electrolyte j fuel mixture before using comes into contact with the oxygen in the air
Im folgenden soll zunächst beschrieben werden, wie der feinkörnige, oberflächenreiche Feststoff hergestellt wird, der als Ausgangsmaterial für die in den Beispielen ι ο beschriebene weitere Verarbeitung dient: 50 g im Handel erhältliche Wolframsäure H2WO4 werden in der Wärme unter kräftigem Rühren in einer Mischung aus 100 ml 25%iger Ammoniumhydroxidlösung und 100 ml destilliertem Wasser gelöst Anschließend wird aus dieser Wolframatlösung in der Kälte unter starkem Rühren mit konzentrierter Salzsäure (37%ige HCI) Wolframsäure ausgefällt Nach mehrmaligem Aufschlämmen mit destilliertem Wasser und Dekantieren wird die Säure zunächst in der Kälte im Vakuum getrocknet Man erhält die Wolframsäure als ein hellgelbes bis weißes Pulver, dem durch Erwärmen auf 2000C an Luft das gesamte Koordinations- bzw. Kristallwasser entzogen wird, wobei ein feinteiliges Wolframtrioxid, WO3, entstehtIn the following it will first be described how the fine-grained, surface-rich solid is produced, which serves as the starting material for the further processing described in the examples ι ο: 50 g of commercially available tungstic acid H 2 WO 4 are heated with vigorous stirring in a Mixture of 100 ml of 25% ammonium hydroxide solution and 100 ml of distilled water is then dissolved from this tungstate solution in the cold while stirring vigorously with concentrated hydrochloric acid (37% HCl) Cold dried in vacuo The tungstic acid is obtained as a pale yellow to white powder, from which the entire coordination or crystal water is removed by heating to 200 ° C. in air, a finely divided tungsten trioxide, WO 3 , being formed
1. Beispiel1st example
10 g des nach obiger Vorschrift hergestellten Wolframtrioxids werden in einem Quarzrohr bei 7000C mit Kohlenmonoxid, CO, umgesetzt Bei dieser Umset- jo zung, die nach 4 — 5 Stunden beendet ist, bildet sich Wolframcarbid, wobei sogar pyrophore Präparate entstehen können. Zur Messung der Wasserstoffaktivität werden 100—150 mg Wolframcarbidpulver in einen Graphitfilz eingeschlämmt und dieser in einen Elektro- r> denhalter eingespannt Zur Messung der Aktivität gegenüber flüssigen und/oder im Elektrolyten löslichen Brennstoffen werden 0,966 g WC der Kornfraktion <60μπτ und 0,034 g Ammoniumcarbaminat derselben Korngröße als Porenbildner innig vermischt und in einer Form mit einem Druck von 18 t/cm2 zu einer Elektrode von 15 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke gepreßt Der Porenbildner wird mit warmem Wasser herausgelöst und die Elektrode dann zur Stromableitung in einen Golddraht eingespannt. 410 g of the Wolframtrioxids prepared by the above procedure are wetting in a quartz tube at 700 0 C with carbon monoxide, CO, is reacted With this implementation jo, after 4 - 5 hours completed, forms tungsten carbide, in which even pyrophoric preparations may arise. To measure the hydrogen activity, 100-150 mg of tungsten carbide powder are slurried in a graphite felt and this is clamped in an electrode holder Grain size intimately mixed as a pore former and pressed in a mold with a pressure of 18 t / cm 2 to form an electrode 15 mm in diameter and 0.5 mm thick. The pore former is dissolved out with warm water and the electrode is then clamped into a gold wire to conduct electricity. 4th
Die Messung der Aktivität erfolgt in der für diese Zwecke üblichen Halbzellenanordnung.The activity is measured in the half-cell arrangement customary for this purpose.
2. Beispiel2nd example
50 g des nach obiger Vorschrift hergestellten =0 Wolframtrioxids werden mit 150 g Zinkpulver (Korngröße <40μΐη) 10 Minuten in einem Labormischer gemischt Diese Mischung wird in einen Porzellantiegel gestampft Als Oxydationsschutz wird das Gemisch mit einer 1,5 bis 2 cm dicken Zinkpulverschicht abgedeckt Die Mischung wird in einem Tiegelofen bei ca. 6000C zur Reaktion gebracht, worauf der Tiegel sofort aus dem Ofen genommen wird, so daß er an der Luft schnell abkühlt Nach dem Erkalten werden aus dem Wolfram-Zinkoxid-Regulus mit 6n-Salzsäure alle löslichen Bestandteile entfernt Sobald keine Gasentwicklung mehr zu beobachten ist, wird einige Male mit destilliertem Wasser dekantierend gewaschen und das so erhaltene äußerst feinteilige, oberflächenreiche Wolfram in der Kälte im Vakuum getrocknet 10 g dieses Wolframpulvers werden in einem Quarzrohr bei 7000C mit Kohlenmonoxid umgesetzt, wie das in Beispiel 1 für das Wolframtrioxid beschrieben ist Auch hierbei können wiederum pyrophore Wolframcarbid-Präparate entsteher.50 g of the = 0 tungsten trioxide produced according to the above procedure are mixed with 150 g of zinc powder (grain size <40μΐη) in a laboratory mixer for 10 minutes.This mixture is tamped into a porcelain crucible The mixture is reacted in a crucible furnace at approx. 600 ° C., whereupon the crucible is immediately removed from the furnace so that it cools quickly in the air. After cooling, the tungsten-zinc oxide regulus with 6N hydrochloric acid becomes all soluble Components removed As soon as no more gas evolution can be observed, it is washed a few times with distilled water and the resulting extremely fine, surface-rich tungsten is dried in the cold in a vacuum. 10 g of this tungsten powder are reacted with carbon monoxide in a quartz tube at 700 ° C. which is described in Example 1 for the tungsten trioxide. Here, too, pyrophoric Wo lfram carbide preparations are produced.
Die Herstellung der Elektroden für die Aktivitätsmessungen erfolgt wiederum wie in Beispiel 1.The electrodes for the activity measurements are again produced as in Example 1.
3. Beispiel3rd example
1.82 g des nach obiger Vorschrift hergestellten Wolframtrioxids werden in einem Kunstharz-Preßgesenk mit einem Druck von 1 t/cm2 zu einer Tablette von 15 mm Durchmesser und 3 mm Dicke gepreßt Diese wird anschließend in einem Quarzrohr bei 7000C 6 Stunden lang einem Kohlenmonoxidstrom ausgesetzt, wobei sich Wolframcarbid bildet Nach dem Abkühlen wird das Kohlenmonoxid in dem Quarzrohr durch Argon verdrängt und in dem Argonstrom die Elektrode mit 10 ml destilliertem Wasser durchfeuchtet1.82 g of the tungsten trioxide prepared according to the above procedure are pressed in a synthetic resin press die at a pressure of 1 t / cm 2 to give a tablet 15 mm in diameter and 3 mm thick. This is then placed in a quartz tube at 700 ° C. for 6 hours in a stream of carbon monoxide exposed, whereby tungsten carbide is formed. After cooling, the carbon monoxide in the quartz tube is displaced by argon and the electrode is moistened with 10 ml of distilled water in the argon stream
Die Bestimmung der Aktivität gegenüber Formaldehyd und Ameisensäure erfolgt wiederum in der üblichen Halbzellenanordnung.The activity towards formaldehyde and formic acid is again determined in the usual way Half-cell arrangement.
4. Beispiel4th example
Dieses Beispiel entspricht bis zum Austausch des Kohlenmonoxids durch Argon genau dem 3. Beispiel. Zur Durchfeuchtung wird jedoch jetzt nicht destilliertes Wasser, sondern 10 ml Elektrolyt-Brennstoff-Gemisch, bestehend aus 3 η H2SO4 und 6 m HCHO, verwendet Die Aktivitätsmessung erfolgt wieder wie oben in der Halbzellenanordnung.This example corresponds exactly to the 3rd example until the carbon monoxide is replaced by argon. For moisture penetration, however, not distilled water, but 10 ml electrolyte-fuel mixture, consisting of 3 η H2SO4 and 6 m HCHO, used The activity measurement is again carried out as above in the Half-cell arrangement.
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse dieser vier Beispiele zusammengestellt, wobei sich die Aktivitäten auf ein Potential von 25OmV auf eine Temperatur von 70° C beziehen:The results of these four examples are compiled in the following table, the Activities to a potential of 25OmV to one Get a temperature of 70 ° C:
H2-AlCt. (mA/g)H 2 -AlCt. (like)
flächearea
(mA/g)(like)
(mA/g)(like)
(m2/g)(m 2 / g)
W +COWO 3 + Zn
W + CO
WC +H2OWO 3 + CO
WC + H 2 O
WC +(H2SO4
+ HCHO)WO 3 + CO
WC + (H 2 SO 4
+ HCHO)
18
1518th
15th
17
2017th
20th
Die bisher mit den erfindungsgemäßen Elektroden erreichten höchsten Aktivitäten (in mA/g bei einem Potential von 250 mV und einer Temperatur von 700C) liegen bei folgenden Werten:The highest activities achieved so far with the electrodes according to the invention (in mA / g at a potential of 250 mV and a temperature of 70 ° C.) are at the following values:
H2 600H 2600
HCHO 780HCHO 780
HCOOH 180HCOOH 180
Der Vorteil der Erfindung liegt also darin, daß die erfindungsgemäßen Elektroden preiswerte, säurefeste Sioffe darstellen, mit denen sich Aktivitäten gegenüber billigen Brennstoffen erzielen lassen, die einen Einsatz solcher Elektroden in elektrochemischen Systemen wirtschaftlich vernünftig erscheinen lassen.The advantage of the invention is that the electrodes according to the invention are inexpensive, acid-resistant Represent Sioffe, with which activities can be achieved with respect to cheap fuels that have a use make such electrodes appear economically reasonable in electrochemical systems.
Claims (2)
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