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Gasdiffusionselektrode

Gasdiffusionselektroden sind Elektroden, in denen drei Phasen - fest, flüssig und gasförmig - in Kontakt stehen und der feste, elektronenleitende Katalysator eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase katalysiert. Besonders bekannt ist die Brennstoffzelle, bei der in den Gasdiffusionselektroden aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff unter Gewinnung von elektrischer Energie Wasser entsteht. Der feste Katalysator ist dabei üblich zu einer porösen Folie mit einer Dicke um 200µm verpresst.

Inhaltsverzeichnis

Porensystem

Eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb der Gasdiffusionselektrode ist, dass sowohl die flüssige als auch die gasförmige Phase gleichzeitig im Porensystem der Elektroden vorliegen können. Wie dies zu realisieren ist, wird über die Young-Laplace-Gleichung ersichtlich:

Der Gasdruck p stehts also mit der Flüssigkeit im Porensystem in Relation über den Porenradius r der Oberflächenspannung σder Flüssigkeit und dem Benetzungswinkel Θ. Diese Gleichung ist jedoch nur als Orientierungshilfe zu verstehen, weil zu viele Parameter unbekannt oder schwer zu bestimmen sind:

Um somit in einer Elektrode Raum für Flüssigkeit und Gas zu schaffen, kann man den Weg beschreiten, unterschiedliche Porenradien r oder unterschiedliche Benetzungswinkel Θ zu erzeugen. Wie dies realisiert wird, soll in den nächsten beiden Kapiteln erläutert werden.

Sinterelektroden

In dem Bild der Sinterelektrode ist zu erkennen, dass drei verschiedene Korngrößen eingesetzt wurden, die zu unterschiedlichen Schichten führten:

Auf diese Art wurden viele Elektroden zwischen 1950 und 1970 für den Einsatz in der Brennstoffzelle gefertigt. Hier standen bei Varta, Siemens u.a. Pilotproduktionenen bereit. Diese Art der Herstellung wurde jedoch aus wirtschaftlichen Gründen fallen gelassen, weil:

In einem anderen Bild ist die Funktionsweise solcher Gasdiffusionselektroden nochmals dargestellt. In der Mitte der Elektrode befindet sich die sogenannte Gasleitschicht. Bei nur kleinem Gasüberdruck wird der Elektrolyt aus diesem Porensystem verdrängt. Ein kleiner Strömungswiderstand sorgt dafür, dass sich das Gas ungehindert entlang der Elektode ausbreiten kann. Bei einem etwas erhöhten Gasdruck wird auch der Elektrolyt im Porensystem der Arbeitsschicht verdrängt, wenn auch nur teilweise. Die Deckschicht selbst ist so feinporig gewählt, dass auch bei Druckspitzen Gas durch die Elektrode in den Elektrolyt gelangen kann.

Hergestellt wurden solche Elektroden durch Aufstreuen und anschließendes Sintern oder Heißpressen. Um mehrschichtige Elektroden zu erzeugen, wurde also zunächst ein feinkörniges Material in eine Matrize gestreut und geglättet. Anschließend wurden die andere Materialien übereinander in Schichten aufgetragen und dann verpresst. Die Herstellung war nicht nur fehlerträchtig, sondern auch zeitaufwendig und schwer zu automatisieren.

Kunststoff gebundene Elektroden

Daher wird seit ca. 1970 ein anderer Weg beschritten, eine Elektrode mit sowohl hydrophilen als auch hydroben Bereich herzustellen, weil mit der Einführung des PTFE's ein Material zur Verfügung steht, welches:

Für das Porensystem bedeutet dies, dass an den Stellen mit hohem PTFE Anteil kein Elektrolyt eindringen kann, jedoch dafür an Stellen mit niedrigem PTFE-Anteil. Selbstverständlich darf in diesem Fall der Katalysator selbst nicht auch noch hydrophoben Charakter haben.

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

Die Dispersionsroute wird hauptsächlich für Elektroden mit polymerem Elektrolyten gewählt - so z.B. erfolgreich eingeführt bei der PEM Brennstoffzelle PEM oder der HCL Membran-Elektrolyse. Bei Einsatz in flüssigen Elektrolyten ist das Trockenverfahren geeigneter. Zwar kann bei der Dispersionsroute durch das Verdampfen des Wassers und das Sintern des PTFE's bei 340°C auf ein mechanisches Verpressen verzichtet werden. Dadurch werden diese Elektroden sehr offenporig. Aber auf der anderen Seite können bei falschen Trocknungsbedingungen schnell Risse in der Elektrode entstehen, durch die flüssiger Elektrolyt dringen kann. Daher hat sich für Anwendungen mit flüssigem Elektrolyten wie die Zn/Luft Batterie oder die alkalische Brennstoffzelle AFC das Trockenmischverfahren durchgesetzt.

Neben diesen Benetzungseigenschaften, muss die Elektrode selbstverständlich eine optimale elektronische Leitfähigkeit aufweisen, damit die Elektronen mit möglichst geringem ohmschen Widerstand transportiert werden können.

Katalysatoren

Letztendlich ist die richtige Wahl des Katalysators ebenfalls ausschlaggebend. Für die Katalyse in sauren Elektrolyten haben sich hauptsächlich die Edelmetallkatalysatoren wie Platin, Ruthenium, Iridium und Rhenium durchgesetzt. In alkalischen Systemen wie der Zink/Luft Batterie kommen preisgünstige Katalysatoren wie Kohlenstoff, Mangan oder Silber in Frage.

Einsatz

Zunächst wurden die Gasdiffusionselektroden für den Einsatz in der Brennstoffzelle entwickelt. Wurde noch bis 1950 an der Bacon-Zelle zur Verstromung von Kohle bei hohen Temperaturen gearbeitet, so kamen in den 1950 Jahren Tendenzen zur Verstromung von Gasen auf. Insbesondere natürlich Wasserstoff wegen der hohen Reaktivität. In den Jahren haben sich jedoch vielfältige Einsatzmöglichkeiten in anderen Anwendungen gezeigt: