DE10148599A1 - Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen Pulvermischungen mittels Walzen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen Pulvermischungen mittels WalzenInfo
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Abstract
Folien für die Herstellung von Gasdiffusionselektroden können durch Walzen einer trockenen Pulvermischung des Folienmaterials hergestellt werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen Pulvermischungen durch Walzen.
- In der DE A 37 10 168 und der EP A 297 377 wird die Herstellung von Gasdiffusionselektroden durch Verwalzen von trockenen Pulvermischungen beschrieben. Nach der Verwalzung der Pulvermischung zu einer Folie wird diese auf einen mechanischen Träger aufgebracht, der als Stromzuführung bzw. -abführung der Elektrode fungiert. Der mechanische Träger kann z. B. ein Metallnetz, -vlies, -gewebe oder ein Kohlenstoffnetz, -vlies oder -gewebe sein. Die Aufbringung der Folie auf den mechanischen Träger kann z. B. durch Pressen oder Walzen erfolgen.
- Es wurde eine Verfahren zur Herstellung einer Folie für die Herstellung von Gasdiffusionselektroden durch Walzen einer trockenen Pulvermischung des Folienmaterials gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Walzenspalt während des Walzprozesses der Pulvermischung mit einer Zuhaltekraft der Walzen im Bereich von 0,2 kN/cm bis 15 kN/cm konstant gehalten wird.
- Es ist überraschend, das unter den erfindungsgemäßen Bedingungen für das Verwalzen der Pulvermischung Folie erhalten werden, aus denen Elektroden mit ausreichender mechanischer Stabilität und elektrochemischer Aktivität hergestellt werden können.
- Die trockene Pulvermischung für das Folienmaterial kann aus einem Binder, z. B. einem Polymer wie Polytetrafluorethylen (PTFE), einem Katalysator oder einer Katalysatormischung bestehen. Ebenfalls ist möglich, dass eine der Komponenten der Pulvermischung Kohlenstoff oder eine kohlenstoffhaltige Verbindung ist. Ebenso kann die Pulvermischung Zuschlagstoffe, wie z. B. Ammoniumhydrogencarbonat, die als Porenbildner fungieren, enthalten. Der Katalysator oder die Katalysatormischung kann z. B. aus der nichtmetallischen Verbindungen eines den Katalysator bildenden Metalls oder aus Mischungen von Metall und der nichtmetallischen Verbindungen eines den Katalysator bildenden Metalls bestehen. Ebenso können Gemische aus verschiedene Metallen oder Metallverbindungen, bevorzugt Edelmetalle, eingesetzt werden.
- Das Verwalzen der Pulvermischung kann mit üblichen Walzenkörpern erfolgen, wie sie bei der Folienherstellung oder bei der Kompaktierung von Pulvern eingesetzt werden. Dabei können die einzelnen Walzen unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass die Walzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen. Die Walzenoberflächen sollten dabei eine Rauhigkeit aufweisen, bei der die Pulvermischung noch mit gleichmäßiger Geschwindigkeit eingezogen werden kann. Ziel ist es, eine homogene Folie herzustellen. Je nach der Eigenschaft der Pulvermischung kann die Oberflächenrauhigkeit der Walze angepasst werden. Vorzugsweise wird mit glatten Walzenoberflächen gearbeitet, dass sind Oberflächen die keine grobe Struktur aufweisen. Die Oberflächenrauhigkeit der Walze kann dabei zwischen 0,05 µm und 1,5 µm liegen.
- Weitere Parameter, die das Einzugverhalten der Pulvermischung beeinflussen können, sind neben den Eigenschaften der Pulvermischung selbst, z. B. die Drehzahl der Walze, der Walzendurchmesser oder der eingestellte Walzenspalt oder die Kombination mehrerer Parameter. Ebenso kann die Art der Pulveraufgabe auf den Walzenspalt das Einzugverhalten und damit die elektrochemische Aktivität der fertigen Elektrode beeinflussen. Unter der elektrochemischen Aktivität der Elektrode ist die Spannung bei einer bestimmten Stromdichte, die Veränderung der Spannung bei höheren Stromdichten sowie die Gas- und Flüssigkeitsdurchlässigkeit im Betrieb zu verstehen. Mit einer guten Elektrode kann die Elektrolyse bei hohen Stromdichten und niedriger Spannung betrieben werden, der Anstieg der Spannung bei Erhöhung der Stromdichte ist nur gering. So kann z. B. die Elektrolyse einer Natriumchloridlösung, bei der an der Anode Chlor entwickelt wird und an der Kathode Sauerstoff verzehrt und Natronlauge gebildet wird, bei einer Stromdichte von 4 kA/m2 mit einer Spannung von unter 2,3 V betrieben werden. Im Idealfall lässt die Elektrode kein Gas von der Gasseite in den Flüssigkeitsraum durch und umgekehrt, keine Flüssigkeit in den Gasraum.
- Das Verwalzen von trockenen Pulvermischungen erfolgt derart, dass der Abstand der Walzen, nachfolgend Walzenspalt genannt, der beiden Walzen zueinander während des Walzprozesses konstant gehalten wird. Üblicherweise wird vor dem Walzprozess der Abstand der beiden Walzen zueinander auf einen bestimmten Wert, z. B. 0,2 mm, eingestellt. Der eingestellte Walzenspalt ist dabei von der Pulverbeschaffenheit, der Oberflächenrauhigkeit der Walzen, der Drehzahl der Walze so zu wählen, dass die hergestellte Folie eine Dicke von 0,05 bis 0,6 mm aufweist. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Folie 0,15 bis 0,45 mm. Anschießend wird die trockene Pulvermischung auf den Walzenspalt dosiert und die Walze zieht das Pulver ein und verdichtet es zu einer Folie. Während des Walzprozesses würde sich der Walzenspalt je nach gegebenen Parametern aufweiten. Dies geschieht z. B. in Abhängigkeit der Walzengeometrie, der Oberflächenbeschaffenheit der Walzen, der Drehzahl der Walzen oder der Pulverbeschaffenheit. Folge des Aufweitens des Walzenspaltes ist, dass die entstehende Folie unterschiedliche Dicke und unterschiedliche Dichte aufweist. Bei zu geringer Zuhaltekraft wird die Folie sehr dick und mechanisch instabil, so dass eine Weiterverarbeitung auf technischem Niveau nicht möglich erscheint. Für die technische Handhabbarkeit müssen Folien von einer Länge von 2 bis 3 Metern und 30 bis 40 cm Breite verarbeitet werden können. Wird das Aufweiten der Walzen durch eine zu große Zuhaltekraft verhindert, zeigen die dann hergestellten Elektroden im Betrieb unter anderem stark überproportionale Spannungsanstiege bei steigender Stromdichte und eine schlechte elektrochemische Aktivität.
- Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, dass das Lagerspiel der Walzen aufnehmenden Lager gering ist, d. h. dass die verwendeten Lager ein Lagerspiel von weniger als 0,06 mm aufweisen und dass eine Walze aus einer Fertigung stammt, bei deren Herstellung auf äußerste Präzision geachtet wurde.
- Dies betrifft nicht nur das Lagerspiel der verwendeten Lager und Lagersteine sondern ebenfalls Teile, in denen die Lager im Walzengestell montiert werden, sofern sie einen Einfluss auf den Walzenspalt haben.
- Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt angewandt bei der Herstellung von Gasdiffusionselektroden, bei denen trockene Pulvermischungen bestehend aus einem Binder und einem Katalysator bzw. einer Katalysatormischung eingesetzt werden. Als Katalysator kann z. B. Silberoxid oder Mischungen aus Silberoxid und Silbermetall verwendet werden. Ebenfalls können Mischungen aus unterschiedlichen Katalysatoren eingesetzt werden. Als Binder kann ein fluorierter oder teilfluorierter Kunststoff, wie z. B. ein Teflonpulver der Fa. DYNEON Typ 2053, eingesetzt werden, ebenso sind jedoch auch andere Teflonpulver verwendbar. Die Mischung aus Teflon und Katalysator bzw. Katalysatormischung kann z. B., wie in der DE 29 41 774 beschrieben, mit einer schnell laufende Mühle mit Schlagmessern aufgemahlen werden.
- Ebenso sind Mischungen einsetzbar, die neben Teflon und einem Katalysator Kohlenstoff oder Verbindungen aus Kohlenstoff enthalten.
- Desweiteren sind Mischungen einsetzbar, die neben Teflon, einem Katalysator und oder Kohlenstoff oder Verbindungen aus Kohlenstoff andere Zuschlagstoffe wie z. B. Porenbildner wie z. B. Ammoniumhydrogencarbonat, enthalten.
- Der Walzendurchmesser richtet sich in erster Näherung an der Breite der benötigten Walze und der benötigten Zuhaltekraft. Bei Zuhaltekräfte von bis zu 15 kN/cm könne Walzen mit einem Durchmesser von bis zu 40 cm eingesetzt werden.
- Die Walzenkörper können aus massiven Material gefertigt werden oder zu Durchleitung eines Kühlmediums hohl ausgeführt sein. Es ist besonders bevorzugt, dass die Walzen während des Walzprozesses gekühlt werden, da die Pulverkompaktierung das Pulver durch Reibkräfte erwärmt.
- Die Drehzahl der Walze ist in gewissen Bereichen frei wählbar, soweit das Pulver von den Walzen homogen eingezogen wird, besonders bevorzugt sind jedoch Umfangsgeschwindigkeiten von 0,05 bis 15 m/min.
- Die aufgemahlene Pulvermischung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit Walzen zu einer Folie verarbeitet, die anschließend auf einen mechanischen Träger aufgebracht wird. Die hergestellte Gasdiffusionselektrode kann in einem Elektrolyseprozess, z. B. der Chlor-Alkalielektrolyse, eingesetzt werden.
- Die in den folgenden Beispielen hergestellten Gasdiffusionselektroden wurden bei der Chloralkalielektrolyse eingesetzt. Hierzu wurde eine Zelle eingesetzt, die aus Anodenraum und durch eine Ionenaustauschermembran getrennt, einen Kathodenraum bestand. Im Anodenraum wurde eine Natriumchloridlösung der Konzentration von 200 g/l eingesetzt, die an einer Rutheniumoxid beschichteten Titanelektrode zu Chlor umgesetzt wurde. Der Kathodenraum wurde vom Anodenraum durch eine Kationenaustauschermembran der Fa. DuPont, Typ Nation 982, getrennt. Zwischen Gasdiffusionselektrode und Kationenaustauschermembran bestand einen Elektrolytspalt, in dem eine ca. 32%ige Natronlauge umgepumpt wurde. Hinter der Gasdiffusionselektrode wurde reiner Sauerstoff mit einem Gehalt von 99,9% in das Kathodenhalbelement geleitet. Anoden-, Membran- und Gasdiffusionselektrodenfläche betrugen je 100 cm2.
- Eine Mischung aus Silberoxid und Teflon im Gew.-Verhältnis 9 : 1 wurde mittels einer schnell laufenden Schlagmühle, Fa. IKA, Typ M20, in Intervallen von jeweils 15 Sekunden unter Kühlung aufgemahlen. Diese Mischung wurde auf eine Walze der Fa. Wetzel, mit 2 Walzen der Länge 40 cm und des Durchmessers 13 cm bei einem Walzen-Spaltabstand von 0,18 mm und einer Zuhaltekraft von 0,075 kN/cm verwalzt. Die erhaltene Folie hatte eine Dicke von 1,1 mm und war mechanisch sehr instabil. Die Folie konnte nicht zerstörungsfrei auf einen mechanischen Träger, ein Nickel-Netz mit einer Nickeldrahtdicke von 1 mm und einer Maschenweite von 0,5 mm, aufgebracht werden. Die Herstellung einer Gasdiffusionselektrode war somit nicht möglich.
- Eine Mischung aus Silberoxid und Teflon im Gew.-Verhältnis 9 : 1 wurde mittels einer schnell laufenden Schlagmühle, Fa. IKA, Typ M20, in Intervallen von jeweils 15 Sekunden unter Kühlung aufgemahlen. Diese Mischung wurde auf eine Walze der Fa. Wetzel, mit 2 Walzen der Länge 40 cm und des Durchmessers 13 cm bei einem Walzen-Spaltabstand von 0,18 mm und einer Zuhaltekraft von 1,5 kN/cm verwalzt. Die erhaltene Folie hatte eine Dicke von 0,37 mm und war mechanisch stabil. Die Folie konnte problemlos auf einen mechanischen Träger, ein Nickel-Netz, mit einer Drahtdicke von 1 mm und einer Maschenweite von 0,5 mm, aufgebracht werden. Die Spannung der Elektrolysezelle betrug bei einer Stromdichte von 4 kA/m2 2,18 V.
- Eine Mischung aus Silberoxid und Teflon im Gew.-Verhältnis 9 : 1 wurde mittels einer schnell laufenden Schlagmühle, Fa. IKA, Typ M20, in Intervallen von jeweils 15 Sekunden unter Kühlung aufgemahlen. Diese Mischung wurde auf eine Walze der Fa. Wetzel, mit 2 Walzen der Länge 40 cm und des Durchmessers 13 cm bei einem Walzen-Spaltabstand von 0,18 mm und einer Zuhaltekraft von 18 kN/cm verwalzt. Die erhaltene Folie hatte eine Dicke von 0,19 mm und war mechanisch stabil. Die Folie konnte problemlos auf einen mechanischen Träger, ein Nickel-Netz, mit einer Drahtdicke von 1 mm und einer Maschenweite von 0,5 mm aufgebracht werden. Die Spannung der Elektrolysezelle betrug bei einer Stromdichte von 4 kA/m2 2,45 V. Für technische Anwendungen ist diese Spannung deutlich zu hoch.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung einer Folie für die Herstellung von
Gasdiffusionselektroden durch Walzen einer trockenen Pulvermischung des
Folienmaterials, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzenspalt während des
Walzprozesses der Pulvermischung mit einer Zuhaltekraft der Walzen im
Bereich von 0,2 kN/cm bis 15 kN/cm konstant gehalten wird.
2. Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen
Pulvermischungen durch Walzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenrauhigkeit der Walzenkörper von 0,05 bis 0,15 µm beträgt.
3. Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen
Pulvermischungen durch Walzen gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,
das die Umfangsgeschwindigkeit der Walzen während des Walzprozesses
0,05 bis 15 m/min beträgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass der
Walzendurchmesser der eingesetzten Walzen bei einer Zuhaltekraft von bis zu
15 kN/cm bis zu 30 cm beträgt.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
eingestellte Walzenspalt von 0,005 bis 0,45 mm beträgt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
Walzenkörper eingesetzt werden, die kühlbar sind.
7. Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen
Pulvermischungen durch Walzen gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
die Pulvermischung aus einem fluorierten oder teilfluorierten Kunststoff,
einem Katalysator und/oder Kohlenstoff bzw. kohlenstoffhaltigen
Verbindungen und/oder Zuschlagstoffen besteht.
8. Verfahren zur Herstellung von Gasdiffusionselektroden aus trockenen
Pulvermischungen durch Walzen gemäß Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die hergestellten Gasdiffusionselektroden zur Herstellung von Chlor und
Natronlauge eingesetzt werden.
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