DE1069585B

DE1069585B - Verfahren zur Erzeugung einer gerichteten Strömung in Vorrichtungen zur elektrochemischen Umsetzung flüssiger oder gelöster Stoffe

Info

Publication number: DE1069585B
Application number: DE1958R0022511
Authority: DE
Inventors: Dipl -Phys Gerhard Gruneberg Oberhausen (RhId )-Sterkrade und Dr Herbert Spengler, Oberhausen (RhId )-Hohen
Original assignee: Ruhrchemie AG; Steinkohlen Elektrizitat AG
Current assignee: Ruhrchemie AG; Steinkohlen Elektrizitat AG
Priority date: 1958-01-17
Filing date: 1958-01-17
Publication date: 1959-11-26
Also published as: NL110458C; BE574744A; LU36758A1; DE1163412B; US3121031A; NL234882A; FR1220256A; DE1183150B; NL128454C; GB907351A; NL302573A

Description

Verfahren zur Erzeugung einer gerichteten Strömung in Vorrichtungen zur elektrochemischen Umsetzung flüssiger oder gelöster Stoffe Bei der Verwendung von Katalysator-Sieb-Elektroden, díe aus Siebptatten bestehen, zwischen denen katatytiscb wirksame Materialien gelagert sind, in \7nrrici'ltungen zur elektrochemischen Umsetzung flüssiger oder gelöster Stoffe, z. B. in Elektrolyseuren, \orrichtungen zur elektrochemischen Oxydation oder Reduktion organischer oder anorganischer Stoffe und vorzugsweise in Brennstoffelementen zur direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie ist es meist erwünscht, daß die Strömung der Eteaktionsteilmhmer, des Elektrolyten oder/und der Reaktionszwischen-oder/und-endprodukte in einer gallz bestimmten Richtung verläuft.
Bekannt ist, daß man gewünscht gerichtete Strömungen durch mechanische Pumpen oder durch ein Thermosyphon-Prinzip erzwingen kann. Zeil der Ertindung ist es. diese bestimmt gerichtete Strömung ohne äußere Hilfsmittel allein durch besondere Anordnung und Formgebung der in den Elektroden verwendeten Siebe zu erreichen.
Es wurde gefunden, daß eine gerichtete Strömung in derartigen Vorrichtungen dann zwangtaufig eintritt. wenn rlic einander gegenüberstehenden Siebe so ausgebi) det sind. daß sie dem in der Elektrode entstehenden Gas unterschiedliche Strömungswiderstände entgegensetzen.
,) as am Kata) ysator der Elektrode entstandene Gas entweicht in B ! asenform bevorzugt von der Seite der Elektrode. auf der sich da. Sieb befindet, das den Gasbläschen den kleineren Strömungswiderstand entgegensetzt. Unterschiedliche Strömungswiderstädekönnen erzengt werden durch unterschiedliche Durchlässigkeit und/oder uterschiedliche Lochwieten ull unterschiedliche Anordnung konisch oder trichterförming verenger Sieböffnungen. wobei man die Siebe mit größerer Durchlassigkeit and/oer größerer Lochwiete auf jener Seite der Elektrode anordnet. von der das Gas bevorzugt abströmen soll bzw. die Siebe so anordnet. daß die konischen oder trichterflrmigen Verengungen nach der Seite der Elektrobe weisen, von der das Gas bevorzugt abstromen soll.
Man kann. ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, die unterschiedlichen Strömungswiderstände der Siebe auch durch eine beliebige Kombination der oben beschriebenen Maßnahmen erzielen.
So kann man beispielsweise zwei Siebe mit konisch oder trichterförmig verentgen Öffnungen zu emer Elektrode zusammenschalten. wobei die hydraulischen Durchmesser bzw die Lochweiten der beiden Siebe unterschiedlich sind.
Man arbertet mit sieben großer Durchlässig-@eft. deren Sieboffnungen 1 50%. vorzugsweise 10 30%, der geomtr@schen Elektrodenobe@fläche ausrnachen. Vorteilhafterweise wiihlt man das Verhältnis der Durchlässigkeit beider Siebe etwa (2. 100) : 1. Die hvdraulischen Durchmesser bzw.
(lie Lochweiten der siebe können 1 2000µ, vorzugsweise 50.. 400 u. xweckmaßig 200. 300µ, betragen.
Der unterschiedliche Stromungswiderstand kann auch dadurch erzielt wer () en. daß die Lochweiten beider Siebe etwa im Verhältnis (2. 100) : 1 stehen.
Das Wesen der Erfindung sei an fönenden Beispielen erläutert. Zunachst sei die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Betrieb eines Brennstoffelementes mit fltissigem Brennstoff, der dem Elektrolvten zugemischt ist. erläutert. Wie aus Abb. 1 zu ersehen ist. besteht eme Elektrode aus zwei planparallelen sieben 3 und 4. zwischen denen sich dere elektrisch leitende. körnige Katalysator 5 als Schuttgut betindet. 1 bedentet die obere Abdeckplatte des Elektrodenkörpers mit der Stromzuführung 2. 6 die Bodenplatte der Elektrode. Die Siebe sind derart angeordnet. daß thre konisch oder trichterförmig verengten Öffnungen in die gleiche richtung weisen. Ein Gas. das am Katalysator zwischen den Sieben, z. B. aus einer Drehvdrierungsreaktion oder aus einer Zersetzungsreaktion, entwickelt wird und bläschenförmig entweichen wilol. strömt, wie sich experimentell leicht zeigen läßt, bevorzugt in Trichterrichtung (in abb. 1 nach rechts) aus der Elektrode heraus. Da Flussigkeit von den Gasbläschen mitgerissen wird, strömt durch das gegenüberliegende Sieb der Elektrode eine entsprechende Menge an Brennstoff-Elektrolyt-Gemisch ins Innere der Elektrode nach.
Die Abb. 2 bis 5 veranschaulichen die Wirkungsweise der verschiedenen Anordnungen zur Erzielung unterschiedlicher Strömungswiderstande.
Abb. 2 stellt einen Ausschnitt aus einer Elektrode dar, deren Siebplatten konisch verengte Sieböffnungen aufweisen, wobei beide Siebe 3a und 4a die gleiche Durchlässigkeit und die gleichen Lochweiten zeigen.
Die bevorzugte Gasströmungsrichtung wird durch den Pfeil veranschaulicht.
Abb. 3 stellt ebenfalls einen Ausschnitt aus einer Elektrode dar, deren Siebplatten 3b und 4b trichterförmige Offnungen aufweisen, wobei beide Siebe gleiche Durchlässigkeit und gleiche Lochweiten haben.
Die bevorzugte Gasströmung erfolgt auch hier in Richtung des Pfeiles.
Abb. 4 veranschaulicht einen Ausschnitt aus einer Elektrode, deren Siebplatten 3c und 4c unterschiedliche Lochweiten, aber gleiche Gesamtdurchlässigkeit aufweisen. Die Gasströmung erfolgt bevorzugt in Richtung des Pfeiles nach der Seite der größeren Lochweite.
Abb. 5 stellt einen Ausschnitt aus einer Elektrode dar, deren Siebe 3d und 4d unterschiedliche Gesamtdurchlässigkeit bei gleichen Lochweiten zeigen. Die Gasströmung erfolgt bevorzugt in Pfeilrichtung, d. h. nach der Seite des Siebes mit der größeren Durchlässigkeit.
5a bis 5d stellt jeweils das katalytisch wirksame Material dar.
Im folgenden seien einige Anordnungen beschrieben, die als Beispiele für die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen sollen.
Eine aus Platinsieben mit zwischengelagertem, mit Platin aktiviertem Aktivkohlekatalysator bestehende Elektrode erzeugt durch katalytische Zersetzung von Ameisensäure im sauren Elektrolyten (Schwefelsäure) neben Wasserstoff auch gasförmiges Kohlendioxyd.
Während der gebildete Wasserstoff elektrochemisch zu Wasser verbrannt wird. muß man dafür sorgen, das gasförmige Kohlendioxyd und das Reaktionsprodukt Wasser nicht in den Flektrolytraum zwischen der Brennstoffelektrode und der mit Sauerstoff gespeisten Oxydationselektrode entweichen zu lassen. da beide Oxydationsprodukte auf den Elektrolyten leitfähigkeitsvermindernd wirken. Hier wendet man erfolgreich das Prinzip der selbsttätigen Strömung g derart an, daß die Strömung aus der Rückseite (der der Oxydationselektrode abgewandten Seite) der Iirennstoffelektrode erfolgt. Frisches Brennstoff-Elektrolyt-Gemisch wird dann von der Vorderseite der Elektrode selbsttätig eingesogen.
Eine aus Platinsieben mit zwischengelagertem P) atinschwamm bestehende Elektrode erzeugt durch Icatalytische Zersetzung von Hydrazin bei Verwendung eines sauren Elektrolyten neben Wasserstoff auch gasförmigen Stickstoff und bei Verwendung eines alkalischen Elektrolyten neben Wasserstoff auch gasförmigen Stickstoff und gasförmiges Ammoniak.
Auch hier werden die Siche so ausgehildet und/oder Ko angeordnet, daß der elektrochemisch nicht nutzbare Stickstoff bzw. auch das in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen elektrochemisch nicht genatte Ammoniak auf der Rückseite der Elektrode entströmen und nicht auf der Vorderseite der Elektrode in den Elektrolytraum zwischen Brennstnffelektrode und Oxydationsciektrode gelangen. Vom eben- falls entwickelten Wasserstoff entweicht nur der Anteil, der durch die angelegte anodische Belastung nicht verbraucht wird.
Besonders nutzbringend läßt sich das angegebene Prinzip auch zum Schutz der Brennstoffelektrode vor dem Gas der Oxydationselektrode anwenden, wenn sich neben Wasserstoff kein anderes nicht nutzbares, gasförmiges Produkt ergibt. Dieser Fall liegt z. B. vor bei der katalytischen Dehydrierung ein-oder mehrwertiger Alkohole, von Formaldehyd oder von Formiat am Ranev-Nickel-Katalvsator einer Nickelelektrode in stark alkalischen Elektrolyten. Zum Schutz des Katalvsators vor dem Sauerstoff der (iegenelektrode läl3t man dann den aus der Dehydrierungsreaktion stammenden und durch die angelegte anodische Belastung nicht v erbrauchten Wasserstoff der Vorderseite der Elektrode entweichen. Der sauerstoffhaltige Elektrolyt wird so von der Elektrode weggedrängt und friches Brennstoff-Elektrolyt-Gemisch selbsttätig von der Rückseite der Elektrode eingesogen.
Das hier angegebene Prinzip läBt sich nicht nur auf Elektroden in Brennstoffelementen, sondern auch auf Elektrolyseelektroden und auf Elektroden zur elektrochemischen Oxydation oder Reduktion organischer oder anorganischer Stoffe anwenden. Zur Erläuterung diene der Vergleich einer üblichen Elektrolyseanordnung mit einer Elektrolyseanordnung, die sich auf dem erfindungsgemäßen Verfahren aufbaut.
In der bisherigen Elektrolyseanordnung (Abb. 6) deckt das an den Elektroden 1 in Abhängigkeit von der Stromstärke entwickelte Gas stets einen Teil der Elektrodenoberfläche ab, wodurch örtlich die Stromdichte und damit die Polarisation der Elektrode erhöht wird.
Weiterhin wird der Elektrolytwiderstand zwischen den Elektroden durch die Gasblasen erhöht. Zur Gastrennnung muB ferner mit Diaphragmen 2 oder Schutznetzen, die zwischen den Elektroden liegen. gearbeitet werden. Hinzu kommt eine relativ hohe Konzentrationspolarisation und eine geringe Eindringtiefe der Stromfäden in die, eventuell porösen.
Elektroden.
In der neuen Elektrolyseanordnung (Abb. 7) findet die Gasabscheidung am körnigen Katalysator 1 statt. der zwischen zwei mit ihren trichterförmigen Offnungen gleichgerichteten Sieben 2 gelagert ist. Die entwickelten Gase strömen bei der angegebenen Siebanordnung bevorzugt auf den Rückseiten der Elektroden aus, und der Elektrolyt 3 strömt bevorzugt von der Vorderseite her ein. Im Vergleich zu den bisherigen Elektrolyseanordnungen bleibt hier die Leitfähigkeit des Elektrolyten 3 zwischen den beiden Elektroden voll erhalten, die Konzentrationspolarisation ist niedriger, die Gase werden besser getrennt, und die kataltisch wirksame Oberfläche der Elektroden ist durch den l ; örnigen Katalysator wesentlich erhöht.
PATHNTA\SPRCCHE.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung einer gerichteten Strömung in Vorrichtungen zur elektrochemischen Umsetzung flüssiger oder gelöster Stoffe, insbesondere in Brennstoffelementen zur Umwancllung chemischer Energic in elektrische Energie. mit Katalysator-Sieb-Elelitl-otlen aus zwei etwa parallelen, elektrisch leitenden und mit einer Stromzufiihrung versehenen Siehen, zwischen denen gekörntes oder pulverförmiges. elektrisch leitendes, katalytisch wirksames Material liegt. dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberstehenden Siebe einer Elektrode so ausgebildet sind, daß sie dem in der Elektrode entstehenden Gas unterschiedliche Strömungswiderstände entgegensetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Sieben von unterschiedlicher Durchlässigkeit arbeitet, wobei das Sieb mit größerer Durchlässigkeit auf jener Seite der Elektrode angeordnet ist, von der das Gas bevorzugt abströmen soll.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Sieben von unterschiedlicher Lochweite arbeitet, wobei das Sieb mit größerer Lochweite auf jener Seite der Elektrode angeordnet ist, von der das Gas bevorzugt abströmen soll.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Öffnungen der Siebe konisch oder trichterförmig verengt ausbildet und die Siebe so anordnet, daß die konischen oder trichterförmigen Verengungen nach jener Seite der Elektrode weisen, von der das Gas bevorzugt abströmen soll.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die unterschiedlichen Strö" mungswiderstände der beiden Siebe einer Elektrode durch eine beliebige Kombination der in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichneten MaBnahmen erzielt.