DE10305153B4 - Elektrochemisch und/oder chemisch regenerierbare Metallhydrid-/Wasserstoffzelle und Gerät für die wiederholbare elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff - Google Patents

Elektrochemisch und/oder chemisch regenerierbare Metallhydrid-/Wasserstoffzelle und Gerät für die wiederholbare elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff Download PDF

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Abstract

Zelle zum Betrieb als Wasserstoff-/Luftzelle oder als umkehrbare Wasserstoffentwicklungszelle in einem Gehäuse aus Metall oder Kunststoff mit mindestens einem Loch zum Gasaustausch, die eine Wasserstoff-Speicherelektrode und eine Gaselektrode als Gegenelektrode in alkalischer Elektrolytlösung enthält,
wobei die Speicherelektrode aus einem Nickellegierungs-Pulver besteht oder dieses in elektronisch leitender Matrix enthält und
wobei die Gegenelektrode eine poröse, zweischichtige Wasserstoffelektrode aus einem mit Polytetrafluorethylenpulver reaktiv gemischten Raneymetallpulver aus Metallen der achten Gruppe des Periodensystems der Elemente ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zelle zum Betrieb als Wasserstoff-/Luftzelle oder als umkehrbare Wasserstoffentwicklungszelle in einem Gehäuse aus Metall oder Kunststoff mit mindestens einem Loch zum Gasaustausch.
  • Insbesondere beschäftigt sie sich mit einer galvanischen Zelle für die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff und die diese Zelle enthaltende Geräte für den Transport von Flüssigkeiten, Schmiermitteln und ähnlichen Medien sowie mit einem Gerät für die wiederholbare elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff.
  • Es ist bekannt, Wasserstoff oder Sauerstoff als Mittel für den Transport von Flüssigkeiten in technischen Anwendungen zu benutzen. (Ventil-Elektroden US 3 201 282 A DE 1 542 565 A1 ). In diesen Fällen ist der Druck des entwickelten Gases der Kontroll-Parameter. Besonders einfach kann man Wasserstoff durch Korrosion eines gemeinen Metalls mit der wässrigen Lösung einer Lauge oder einer Säure erzeugen. Zum Beispiel entsteht Wasserstoff, wenn Zink in Kontakt mit Salzsäure gebracht wird; Zink und Salzsäure werden konvertiert zu Wasserstoff und Zinkchlorid. Auch in alkalischer Lösung führt die Korrosion von Zink zur Bildung von Wasserstoff. Aber bei Verwendung von sehr reinem Zink-Metall wird keine Bildung von Wasserstoff beobachtet, weil das Zink-Metall passiv ist, indem es eine dichte Schicht von Zinkoxihydrat auf seiner Oberfläche bildet und so die Formation von Wasserstoff-Molekülen verhindert. Beide, Zink und Zinkoxihydrat, zeigen eine hohe Wasserstoffüberspannung, die die Existenz des Metalls im Kontakt mit Wasser stabilisiert. Zinkoxihydrat bezeichnet hier die Vielzahl der Erscheinungsformen des oxydierten Zinkmetalls in wässriger Lösung. Wenn das Zink-Metall von einem Metall wie Eisen verunreinigt wird, das eine kleine Metall von einem Metall wie Eisen verunreinigt wird, das eine kleine Wasserstoffüberspannung hat, kann die Korrosion und die Evolution von Wasserstoff durch Amalgamierung vermieden werden. Diese Behandlung wurde bisher von der Batterie-Industrie angewendet, um die Wasserstoffentwicklung in galvanischen Zellen zu vermeiden, die Zink als das Anoden-Metall enthalten.
  • Es ist möglich, die Auflösung eines reinen Zinkblechs durch das Berühren mit einem Platin-Draht zu beschleunigen. Wasserstoffentwicklung und Korrosion verlaufen an der Berührungsstelle des Zinkblechs und in der Nähe des Kontaktgebiets. Auf der Basis dieses Experimentes wurde schon ein Gerät für die Wasserstofferzeugung entwickelt. Es besteht aus einem münzenartigen Zinkblech mit einem zentralen Loch, in das ein Molybdänzylinder gelötet ist. Um Wasserstoff zu erzeugen, wird dieses Korrosionselement in eine wässrige Lösung von KOH untergetaucht. Die DE 2 139 771 A1 und die CA 961 420 beschreiben eine automatische Presse für Schmiermittel, die von dem Korrosionselement Gebrauch macht. Der Wasserstoff, der vom Korrosionselement erzeugt wird, bewegt einen Kolben oder eine Membran in einem Zylinder und drückt das Schmiermittel aus dem Innern des Zylinders über eine Anpassungsschraube zum Schmierungsobjekt. Die Rate dieses Prozesses hängt von den Eigenschaften des Korrosionselementes ab und von der Temperatur. Wenn der Prozess einmal in Gang gesetzt worden ist, gibt es keine Möglichkeit, die Rate zu verändern.
  • Aus der DE 26 50 217 C2 ist es bekannt, bei einem Verfahren zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung eine Nickel-Titan-Legierung als wasserstoffspeicherndes Material einzusetzen.
  • Eine andere, vorausgehende Erfindung beschreibt eine galvanische Zelle aus einer Anode, einer Kathode und einem wässrigen Elektrolyten in einem Gehäuse. Das Gehäuse hat eine oder mehrere Öffnungen, durch die der erzeugte Wasserstoff in die Umgebung entweicht. Diese Zelle kann ein einzelnes Gas erzeugen und definiert eine neue Art galvanischer Zellen. Ich nenne eine Zelle dieser Art eine "Gasentwicklungszelle". Sie ist in der DE 35 32 335 C2 und in der US 5,242,565 A beschrieben. In dieser vorausgehende Erfindung hatte ich zwei Arten von Gasentwicklungszellen bereitgestellt. Die eine Art erzeugt Sauerstoff, die andere Wasserstoff.
  • Die Erfindung hat die Aufgabe, praktikable weitere Alternativen zu den bekannten Zellen zu schaffen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die hier beschriebene neuartige Wasserstoffentwicklungszelle erzeugt einzig und allein Wasserstoff. Sie stellt eine Metallhydrid-Elektrode, eine Wasserstoffentwicklungselektrode und einen wässrigen Elektrolyten, vorzugsweise eine alkalische Lösung von KOH oder NaOH in Wasser, bereit. Die Metallhydridelektrode ist von der Art, wie sie in der Technologie der sekundären galvanischen Batteriezellen neuerdings oft benutzt wird. Sie kann bevorzugt aus einem Raneymetall der 8. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente bestehen oder diese enthalten.
  • Die vom Erfinder in der 37 02 138 C2 beschriebene Elektrode, die zusätzlich auch Kupfer enthalten kann, hat sich für den hier beschriebenen neuartigen Einsatz als besonders geeignet erwiesen.
  • De Speicherelektrode besteht vorzugsweise aus einem Nickellegierungs-Pulver gemäss DE 37 02 138 A1 oder enthält dieses in elektronisch leitender Matrix enthält und die Gegenelektrode ist vorzugsweise eine poröse, zweischichtige Wasserstoffelektrode aus einem mit Polytetrafluorethylenpulver reaktiv gemischten Raneymetallpulver aus Metallen der achten Spalte des Periodensystems der Elemente nach EP 0 144 002 B1 .
  • Der Wasserstoff wird am Katalysator der Wasserstoffentwicklungselektrode (3) kathodisch erzeugt. Sie bildet einen Teil des Zell-Gehäuses, das die Metall-Elektrode, den Separator und die wässrige Elektrolyt-Lösung zusammen einhüllt. In dieser Wasserstoffentwicklungszelle, 1, besteht die Wasserstoffentwicklungselektrode hauptsächlich aus zwei Schichten (2): 21 ist eine Arbeitsschicht, die eine elektronisch leitende bi-poröse Struktur darstellt. Dieser Schicht gegenüber ist der Separator, der Elektrolyt und die Metall-Elektrode angeordnet. "bi-porös" beschreibt eine Struktur, die aus zwei sich durchdringenden, zusammenhängenden Porensystemen besteht, von denen das eine hydrophil ist und vom Elektrolyten durchtränkt wird, während das andere hydrophober Natur und mit Wasserstoff angefüllt ist. Eine poröse hydrophobe Schicht 22 ist in intimer Verbindung zur Arbeitsschicht. Diese Schicht hindert durch ihre Kapillardepression den Elektrolyten, die Zelle zu verlassen. Um Wasserstoff zu erzeugen, wird der Zelle ein elektrische Strom aufgezwungen, der durch anodische Reaktion die Metallhydrid-Elektrode oxidiert, wobei Wasser und ein oberflächiges Metallhydroxid, Ni(OH)2, entsteht. Durch kathodische Reduktion des Wassers wird an der Wasserstoffentwicklungselektrode das Wasserstoffgas erzeugt. Wegen ihrer speziellen Struktur entwickelt die Wasserstoffentwicklungselektrode den Wasserstoff an der Dreiphasengrenze Gas/Elektrolyt/Katalysator, der im hydrophilen Porensystem der Arbeitsschicht gebildet wird. Aus dieser dringt der Wasserstoff in das hydrophobe Porensystem der die Zelle begrenzenden, hydrophoben Schicht ein und verlässt die Zelle über deren Poren in die Außenwelt.
  • Es ist vorteilhaft, einen Elektrokatalysator in der Arbeitsschicht zu verwenden, der eine möglichst kleine Überspannung für die kathodische Wasserstoffentwicklung aufweist. Raneynickel-Pulver ist ein bevorzugtes Material. Es wird in die gewünschten bi-poröse Struktur überführt, indem man es reaktiv mit dem Pulver eines hydrophoben Kunstharz-Pulvers wie Polytetrafluorethylen, PTFE oder Polyäthylen (PE) vermischt und zu einem Fell auswalzt. Dieses ist von mir in der europäischen Patentbeschreibung EP 144 002 B1 beschrieben worden. Statt Raneynickel können andere pulverförmige Materialien für diesen Zweck benutzt werden, die gegen den Elektrolyten stabil sind. Ein sehr geeignetes Material ist platiniertes oder palladiniertes Aktivkohle-Pulver. Auch kann eine aktive Kohle/Raneynickel-Mischung wirtschaftlich benutzt werden. Die Spannung der Zelle hängt von der Art des Anodenmetalls, von der Art des Elektrokatalysators und von dem Strom ab. Doch die Rate, d. h. die pro Zeiteinheit produzierte Menge des erzeugten Wasserstoffes ist nur zum Strom proportional.
  • Neben Raneynickel können auch andere Raney-Metalle der 8. Gruppe des periodischen Systems der Elemente mit kleiner Wasserstoffüberspannung verwendet werden. Der Innenwiderstand der Zelle wird jedoch hauptsächlich durch den spezifischen Widerstand des Elektrolyten bestimmt. Deshalb ist der Innenwiderstand in Abhängigkeit von Strom und Zeit beinahe konstant. Um eine vorgegebene Gaserzeugungsrate zu einer gegebenen Zeit zu erzwingen, muss der Strom mit Hilfe einer Gleichstrom-Quelle stabilisiert werden. Das ist im einfachsten Fall eine Primärzelle und ein verstellbarer Widerstand in Serienschaltung.
  • Die Zink als Anodenmetall enthaltenden Wasserstoffentwicklungszellen lassen sich im Gegensatz zu der hier vorgestellten Zelle nicht regenerieren. Weder gelingt dieses durch Richtungsumkehr des Strom noch durch die Zuführung von Wasserstoff-Gas zur Abscheidungselektrode. Beide Möglichkeiten führen jedoch bei dieser neuen Zelle zum Erfolg. Dazu bilde ich Tabletten aus einem Metall-Pulver nach DE 37 02 138 C2 , das aus Legierungen des Nickel als gemeinsames Grundmaterial besteht, dem Metalle wie Al oder Metalle aus der Gruppe der Lanthanide, ähnlich dem LaNi5, und den Mischmetallen dieser seltenen Erden zulegiert sind. Sie können jedoch auch andere Legierungskomponenten wie Titan, z. B. in der Form TiNi und Ti2Ni enthalten. Stabile Legierungen kann man erhalten, indem man aus diesen die weniger edlen Bestandteile durch die Behandlung mit KOH-Lösung bei einem vorbestimmten Potential in Bezug auf das Potential der Wasserstoff-Elektrode in der gleichen Lösung herauslöst. Dieser Prozess wird "kontrollierte Aktivierung" genannt und ist von K.-H.FRIESE, E.JUSTI, W.SCHEIBE UND A.WINSEL in der DE 1 074 015 B1 beschrieben worden. Das Pulver der Legierung wird vorzugsweise mit Cu-Pulver, Silberpulver oder dem Pulver von Kupfer-Oxid vermischt sowie mit einer kleinen Menge eines plastischen Presshilfematerials, das nicht hydrophob sein muss. Doch auch Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyethylen (PE) eignen sich hierfür. Aus dieser Mischung werden in einer Tablettenpresse die gewünschten Tabletten geformt. Das Kupfer (oder Silber) bildet dabei korrosionsgeschützte Kontaktzonen zwischen den Legierungskörnern der gepressten Tabletten.
  • Durch die Verwendung der Wasserstoff-Speicherelektrode und die Beibehaltung der beschriebenen Gaselektrode als Gegenelektrode wird eine neue Zelle mit vorher unbekannten, vorteilhaften Eigenschaften erzeugt, die ich folgendermaßen beschreibe:
    • – Wird die geladene Zelle an der Gegenelektrode über das Loch der Luft ausgesetzt, so zeigt sie die offene Zellspannung von ungefähr 1 Volt.
    • – Bei Ausschluss der Luft zeigt die hochohmig kurzgeschlossene Wasserstoffentwicklungszelle im frischen Zustand eine Spannung (OFC) nahe Null.
    • – Für die kathodisch Produktion von Wasserstoff-Gas benötigt die Zelle eine zusätzliche Gleichstrom-Quelle, um den Strom zu fahren. Bei einer Zell-Spannung (OFC) von ungefähr 0,2 V ist die Zelle entladen.
    • – Wenn die Spannung der antreibenden Quelle umgekehrt wird, kann die Zelle nachgeladen werden.
    • – Die Nachladung erfolgt bei der Wasserzersetzungsspannung von etwa 1,4 V. Führt man der Zelle über das Loch Wasserstoff zu, so ist die Regenerierspannung etwa 0,2 V.
    • – Die Zelle kann auch nachgeladen werden, indem man das umgebende Wasserstoffgas im stromlosen Zustand unter hinreichenden Druck setzt. Dabei sollen die beiden Elektroden kurzgeschlossen bleiben. In diesem Zustand wird die Wasserstoff-Erzeugungselektrode zur Anode und die Speicherelektrode zur Kathode.
  • Zellen mit Wasserstoff-Anode und Wasserstoff-Kathode sind in dem Buch „Energie-Direktumwandlung, Fuel-Cells„ von E. Justi und A. Winsel, Steiner-Verlag, Wiesbaden 1962 beschrieben worden. Zur Regenerierung kann man die entladenen Zellen auch in einem getrennten Gefäß dem Druckwasserstoff aussetzen. In diesem Fall bleiben beide Elektro den durch einen elektrischen Leiter verbunden; sie werden dann soweit geladen, bis beide Elektroden das reversible Wasserstoffpotential aufweisen und die Zellspannung Null ist.
  • Während der Entladung der Zelle wird das Volumen der inneren Bestandteile durch die Freisetzung der Wasserstoffatome ein wenig reduziert. Um das Austrocknen der Zelle zu vermeiden, setzt man die Zellen einer Atmosphäre der richtigen Luftfeuchtigkeit aus. Schließlich ist es möglich, die Änderung des Volumens von außen durch Deformation des Zellgehäuses zu kompensieren. Zur Lagerung verschließt man das Loch der Zelle mittels eines Aufklebers.
  • Die Forderungen für die richtige Auslegung einer Wasserstoffentwicklungszelle und deren Design ist entgegen jener für eine Zink/Luftzelle. Während der Entladung der Zink/Luftzelle nimmt das Volumen der Flüssigkeit und der Festkörperbauelemente der Zelle durch die Aufnahme des Sauerstoffs zu. Deshalb muss während der Fabrikation ein leerer Raum in der Zelle verbleiben, um das wachsende Volumen während der Entladung aufzunehmen. Es ist eine Lehre dieser Erfindung, dass diese neue Wasserstoff-Entwicklungszelle auch als Wasserstoff/Luft-Zelle funktionieret, wenn man der Luft erlaubt, in die Poren der Gaselektrode einzudringen. In diesem Fall wird kein Wasserstoff aus der Zelle befreit.
  • 1 zeigt eine Wasserstoffentwicklungszelle. Sie umfasst ein Zellgehäuse 3 für die Unterbringung der Metallhydridelektrode 1, des Separators 4, und der Wasserstoffentwicklungselektrode 2. Die Dichtung 5 hindert den Elektrolyten, nach Draußen zu schleichen und vermeidet zudem das unabsichtliche Kurzschließen. Die Wasserstoffentwicklung wird begonnen, indem man einen Strom zwischen dem Metallgehäuse 1 und der Wasserstoff-Entwicklungselektrode 2 fließen lässt.
  • 2 zeigt die Struktur einer Wasserstoffentwicklungselektrode, die für die Realisierung der Erfindung geeignet ist. 21 ist die bi-poröse Arbeitsschicht, die das Leitungsnetz 23 trägt. 22 ist die hydrophobe Schicht, die auf die Arbeitsschicht auflaminiert wird. Der metallische Rahmen 24 bildet den elektronischen Kontakt mit dem Leitungsnetz 23 und erlaubt das elektronische Kurzschließen der Zelle in 1.

Claims (4)

  1. Zelle zum Betrieb als Wasserstoff-/Luftzelle oder als umkehrbare Wasserstoffentwicklungszelle in einem Gehäuse aus Metall oder Kunststoff mit mindestens einem Loch zum Gasaustausch, die eine Wasserstoff-Speicherelektrode und eine Gaselektrode als Gegenelektrode in alkalischer Elektrolytlösung enthält, wobei die Speicherelektrode aus einem Nickellegierungs-Pulver besteht oder dieses in elektronisch leitender Matrix enthält und wobei die Gegenelektrode eine poröse, zweischichtige Wasserstoffelektrode aus einem mit Polytetrafluorethylenpulver reaktiv gemischten Raneymetallpulver aus Metallen der achten Gruppe des Periodensystems der Elemente ist.
  2. Zelle nach Anspruch 1 zum Betrieb als Wasserstoff-/Luftzelle oder als umkehrbare Wasserstoffentwicklungszelle in einem Gehäuse aus Metall oder Kunststoff mit mindestens einem Loch zum Gasaustausch, wobei eine oder mehrere Legierungkomponenten der Speicherelektrode unedler als Wasserstoff und Nickel sind, wobei die Nickellegierung oder die sie enthaltende Elektrode vor dem Einbau in die Zelle einem Prozess der elektrochemischen Aktivierung unterworfen wurde, wobei das Potential der Legierung oder das der sie enthaltenden Elektrode ständig oder zeitweise anodisch auf ein um mindestens 200 mV positiveres Potential gebracht wurde, als dem Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode in der Aktivierungslösung entspricht.
  3. Zelle nach Anspruch 1 und 2 zum Betrieb als Wasserstoff-/Luftzelle oder als umkehrbare Wasserstoffentwicklungszelle in einem Gehäuse aus Metall oder Kunststoff mit mindestens einem Loch zum Gasaustausch, wobei die Metallhydridelektrode eine unter hohem Druck gepresste Pulvertablette aus Wasserstoffspeicherlegierungen des Nickels mit den Legierungspartnern La und/oder anderen seltenen Erdmetallen und/oder Titan ist mit Metallbrücken aus Kupfer oder Silber zwischen den Körnern.
  4. Zelle nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherlegierung oder die sie enthaltende Elektrode vor dem erfindungsgemäßen Einsatz einer Temperatur von mindestens 250°C, vorzugsweise 450 bis 800°C solange unterworfen wurde, bis innerhalb der Legierungskörner durch Festkörperdiffusion und/oder Aufschmelzen einer der das Restmetall bildenden Phasen eine Homogenisierung erfolgte.
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