DE1241812B - Ventil-Elektrode - Google Patents

Ventil-Elektrode

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DE1241812B
DE1241812B DER23720A DER0023720A DE1241812B DE 1241812 B DE1241812 B DE 1241812B DE R23720 A DER23720 A DE R23720A DE R0023720 A DER0023720 A DE R0023720A DE 1241812 B DE1241812 B DE 1241812B
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Germany
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electrode
electrolyte
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hydrogen
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Dr Eduard Justi
Dipl-Phys Karl-Hermann Friese
Dr August Winsel
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Siemens AG
VARTA AG
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Siemens AG
VARTA AG
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Description

  • Ventil-Elektrode Es ist bekannt, daß man die Verbrennungsenergie gewisser organischer Stoffe in Brennstoffelementen mit wäßrigem Elektrolyten schon bei Temperaturen unterhalb 100'C mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umwandeln 'kann. Geeignet dazu sind insbesondere solche Brennstoff-Elektroden, die als aktive Substanz Raney-Nickel enthalten, z. B. die Doppelskelett-Katalysator-Elektrode gemäß der deutschen Patentschrift 1019 361. Ebenfalls geeignet ist eine Katalysator-Siebelektrode nach der deutschen Auslegesehrift 1163 412, welche 20 bis 80 Gewichtsprozent Raney-Metallpulver enthält, das in ein elektronisch leitendes Stützskelett eingebettet ist. Die Katalysator-Siebelektrode enthält lose geschüttetes Raney-Metallpulver zwischen zwei Mikrosieben angeordnet, die gleichzeitig als Stromableiter dienen.
  • Bekannt ist ferner, daß man lösliche Brennstoffe, wie Alkohole und Ameisensäure. besonders vorteilhaft umsetzen kann, wenn man sie dem Elektrolyten des Brennstoffelements zumischt.
  • In diesem Fall muß jedoch die Sauerstoffelektrode katalytisch indifferent gegenüber dem Brennstoff sein. Manche organischen Brennstoffe, wie Äthylalkohol und Ameisensäure, werden an katalytisch aktiven, z. B. an Raney-Nickel enthaltenden Elektroden in Gegenwart konzentrierter Alkalilauge als Elektrolyt auch im stromlosen Zustand unter Bildung von molekularem Wasserstoff oxydiert. Durch den auf diese Weise in dem Brennstoffelement entstehenden ständigen Brennstoffverlust werden die Lebensdauer, der Wirkungsgrad und auch die Betriebssicherheit herabgesetzt. Der ständige Umsatz der Brennstoffe an unbelasteten Elektroden wird durch die katalytischen Eigenschaften der Elektrode hervorgerufen.
  • Bei einem Brennstoffelement, in dem Kaliumformiat als Brennstoff und Kalilauge als Elektrolyt dient, verläuft die Oxydation des Formiats in der Kalilauge bis zum Kaliumcarbonat und Wasser: HCOOK + KOH + 1/, 0, = K,CO, + H,0 Auf Grund der Änderung der freien Enthalpie kann man bei vollständig reversiblem elektrochemischen Verlauf der Reaktion an einem derartigen Element aus Formiatelektrode, Sauerstoffelektrode und Kalilauge als Elektrolyt eine EMK von 1,4 V erwarten, die oberhalb der EMK der Knallgaskette (1,23 V) liegt. Die Formiatelektrode hat also, bezogen auf die Sauerstoff-Bezugselektrode. ein um 0,2 V negativeres Potential als die reversible Wasserstoffelektrode. Vermag nun der Elektrodenkörper der Formiatelektrode gleichzeitig als reversible Wasserstoffelektrode zu arbeiten, so flndet an ihm eine Wasserstoffabscheidung statt, die um so größer ist, je stärker negativ das Potential der Elektrode, verglichen mit dem reversiblen Wasserstoffpotential, ist.
  • Das äußert sich darin, daß z. B. Raney-Nickel enthaltende Elektroden, die mit Formiat als Brennstoff betrieben werden, das Wasserstoffpotential einstellen und im unbelasteten Zustand ständig Formiat und Kalilauge zu Carbonat und Wasserstoff umsetzen: HCOO- + OH- -> CO3-- + H2 Man mißt also ein Mischpotential aus den Potentialen der in einem Elektrodenkörper vereinigten (d« h. kurzgeschlossenen), anodisch belasteten Formiatelektrode und der kathodisch belasteten Wasserstoffelektrode. Man könnte zwar durch entsprechende Erhöhung des Wasserstoffdrucks im Element versuchen, die Reversibilität des Elektrodenvorganges zu erzwingen, hierzu sind jedoch Drücke von größenordnungsmäßig 100 atü erforderlich.
  • Als weiteres Beispiel einer Reaktion, bei der auch im unbelasteten Zustand der Elektrode ein Gas entwickelt wird, ist die Reduktion des Wasserstoffsuperoxyds an Silber oder Raney-Silber enthaltenen Elektroden zu erwähnen. Taucht man eine solche Elektrode in eine H20"-haltige Kalilauge ein, so beobachtet man eine sehr starke Sauerstoffentwicklung an der Elektrode, die man durch eine gewisse kathodische Belastung ganz zum Erliegen bringen kann. Obwohl in diesem Fall das reversible Sauerstoffpotential nicht erreicht wird, der der H2-Abscheidung analoge Mechanismus einer Sauerstoffabscheidung also nicht zutreffen kann, hat man es auch hierbei mit einem ständigen Verbrauch der stromliefernden Substanz an der unbelasteten Elektrode zu tun. In der britischen Patentschrift 667 298 werden Gasdiffusionselektroden beschrieben, die aus zwei porösen, chemisch, insbesondere katalytisch identischen Nickelschichten n-ät unterschiedlichen Porenradien bestehen. Die eine dem Gas zugewandte Schicht hat den größeren Porenradius von 16 #t, die dem Elektrolyten zugewandte Schicht hat den kleineren Porenradius von 8 #t. Entsprechend der Kapillarwirkung des Elektrolyten in den unterschiedlich weiten Poren ist auch der zum Verdrängen des Elektrolyten aus den Poren notwendige Gasdruck für beide Schichten verschieden. Er beträgt für die grobporige Schicht bei 25'C etwa 0,09 atü, für die engporige Schicht 0,18 atü. Bei einem Gasdruck von beispielsweise 0,15 atü ist nur die engporige Schicht vom Elektrolyten erfüllt, die weitporige gasseitige Schicht ist freigeblasen. An der Trennfläche zwischen den Schichten bildet sich die Dreiphasengrenze Elektrode-Elektrolyt-Gas aus; dort findet die elektrochemische Auflösung des Gases statt.
  • Taucht man eine aus einer einzigen Schicht mit einem mittleren Porenradius r, bestehende katalytisch aktive Elektrode in eine Reaktionslösung, bestehend aus Elektrolyt und Brennstoff, ein, so verdrängt das in der Elektrode entstehende Gas zwar die Reaktionslösung zum Teil aus dem Innern, jedoch kommt auch im unbelasteten Zustand die Reaktion in keinem Bereich der Elektrode zum Erliegen. Sobald nämlich das Gas im Innern der Schicht den Kapillardruck des Elektrolyten in den Poren erreicht hat, treten Blasen aus den Poren heraus in den Elektrolyten ein, an deren Stelle Elektrolyt wieder in die Poren eindringt. Insbesondere an der Oberfläche kann die Reaktion jedoch ungehemmt ablaufen, denn dort bleibt der Kontakt zwischen Reaktionslösung und Elektrode ja immer erhalten.
  • In der USA.-Patentschrift 2 358 419 wird eine poröse Kohleelektrode für Elektrolysezellen beschrieben. Die äußere Oberfläche der Elektrode ist mit einer dünnen, elektrisch isolierenden, porösen Schicht bedeckt. Die Elektrolyseprodukte werden zusammen mit dem Elektrolyten aus dem Innern der Elektrode abgesaugt. Durch die entstehende Elektrolytströmung in den Poren der äußeren Schicht wird die Rückdiffusion der im Elektrolyten enthaltenen Elektrolyseprodukte aus der Elektrode in den freien Elektrolyten verhindert, solange die Elektrolytströmung aufrechterhalten wird.
  • Das Ziel der Erfindung war die Entwicklung einer kompakten Elektrode, die eine auch im stromlosen Zustand unter Gasentwicklung ablaufende Reaktion zum Erliegen bringt.
  • Dieses Ziel wird erreicht durch die erfindungsgemäße Elektrode zur Abscheidung gasförmiger Stoffe und zur elektrochemischen Energiegewinnung aus flüssigen reduzierbaren oder oxydierbaren, im Elektrolyten enthaltenen Substanzen, die an dem katalytisch aktiven Elektrodenbestandteil - auch im stromlosen Zustand der Elektrode - unter Bildung mindestens einer gasförmigen, elektrochemisch umsetzbaren Komponente reagieren, mit einer katalytisch wirksamen porösen Arbeitsschicht und einer fest mit ihr verbundenen katalytisch inaktiven Deckschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsschicht, deren mittlerer Porendurchmesser größer ist als der der Deckschicht, als reversible Gaselektrode arbeitet und daß die Mindestüberspannung des jeweiligen Gases an der Deckschicht größer ist als das reversible elektrochemische Potential des jeweiligen Gases unter einem dem Kapillardruck des Elektrolyten in der Deckschicht gleichen Gasdruck.
  • Will man die Elektrode zur elektrochemischen Energiegewinnung aus Substanzen, die unter Wasserstoffentwicklung reagieren, oder zur Wasserstoffabscheidung benutzen, so wählt man für die Arbeitsschicht zweckmäßigerweise eine Substanz, die im Gegensatz zur Deckschicht als reversible Wasserstoffelektrode arbeitet, während die Deckschicht aus einem Metall gebildet wird, dessen Wasserstoffmindestüberspannung (bezogen auf das reversible Wasserstoffpotential unter Arbeitsdruck in der Elektrolytlösung) größer ist als das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode unter einem dem Kapillardruck des Elektrolyten in dieser Deckschicht gleichen Wasserstoffdruck.
  • Dadurch wird verhindert, daß eine kathodische Wasserstoffabscheidung an der elektrolytseitigen Deckschicht der unbelasteten Elektrode auftreten kann. Würde nämlich die Deckschicht das reversible Wasserstoffpotential einstellen können, so stellte sie mit der Arbeitsschicht zusammen ein Paar kurzgeschlossener Wasserstoffelektroden unter verschiedenen Wasserstoffdrücken dar. Zwischen den Schichten könnte ein Ausgleichstrom fließen, der die Arbeitsschicht anodisch, die Deckschicht kathodisch belasten, Wasserstoff aus der Arbeitsschicht heraus in den Elektrolyten transportieren und somit einen ständigen Reaktionsablauf verursachen würde. Wie wichtig die Wasserstoff-bzw. Sauerstoffmindestüberspannung des Elektrodenmaterials sein kann, zeigt besonders deutlich der Bleiakkumulator. Bei einer Wasserzersetzungsspannung von 1,23 V kann er überhaupt nur deshalb eine Spannung von 2 V über Wochen halten, weil die Wasserstoffmindestüberspannung an Blei mehr als 400 mV, die Sauerstoffmindestüberspannung sogar mehr als 440 mV beträgt. Das bedeutet, daß eine Wasserzersetzung an Bleiplatten erst oberhalb 2,07 V möglich ist, aber noch nicht bei der Betriebsspannung des Bleiakkumulators.
  • Verwendet man die erfindungsgemäße Elektrode zur Energiegewinnung aus Substanzen, die unter Sauerstoffentwicklung reagieren, z. B. aus Wasserstoffsuperoxyd oder Wasserstoffsuperoxyd enthaltenden Flüssigkeiten oder zur Sauerstoffabscheidung, so ist es zweckmäßig, daß die Arbeitsschicht als Sauerstoffelektrode arbeitet, während man für die Deckschicht eine Substanz wählt, deren Sauerstoffmindestüberspannung (bezogen auf das reversible Sauerstoffpotential unter Arbeitsdruck in der Elektrolytlösung) größer ist als das reversible Sauerstoffpotential unter einem dem Kapillardruck des Elektrolyten in der Deckschicht gleichen Sauerstoffdruck.
  • Bei Elektroden, die in Verfahren, in denen Wasserstoff entwickelt wird, bzw. zur Wasserstoffabscheidung benutzt werden sollen, enthält die Arbeitsschicht vorteilhafterweise ein Metall der VIII. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, insbesondere Nickel; bei Elektroden, die in Verfahren, bei denen Sauerstoff gebildet wird, oder zur Sauerstoffabscheidung eingesetzt werden sollen, enthält die Arbeitsschicht vorteilhafterweise Silber.
  • Will man die Arbeitsschicht einer erfindungsgemäßen Elektrode möglichst weitgehend dem Idealfall der reversiblen Sauerstoffelektrode anpassen, dann verwendet man zweckmäßig zu ihrem Aufbau ein Metall mit niedriger Sauerstoffmindestüberspannung, vornehmlich Nickel, neben Silber, das die kathodische Sauerstoffreduktion besonders gut katalysiert.
  • Besonders vorteilhaft ist es in allen Fällen, wenn die Arbeitsschicht Doppelskelett-Katalysatorstruktur besitzt (gemäß deutscher Patentschrift 1019 316), d. h. 20 bis 80 Gewichtsprozent katalytisch aktives Raney-Metall in 80 bis 20 Gewichtsprozent elektronisch leitendes Stützgerüst eingebettet enthält. Aber auch die Deckschicht kann diese Struktur, die eine besonders günstige Porenverteilung gewährleistet, haben, nur muß dann das verwendete Raney-Metall bezüglich der an der Elektrode ablaufenden Reaktion katalytisch inaktiv sein.
  • Da die Aktivierung der Raney-Legierung enthaltenden Arbeitsschicht durch Herauslösen der löslichen Legierungspartner mittels Säuren oder Laugen eine Reaktion ist, bei der im allgemeinen Wasserstoff entsteht, ist es von großem Vorteil, wenn man sie nach dem Verfahren der kontrollierten Aktivierung (deutsche Patentschrift 1074 015) durch anodische Polarisation unterstützt. Man verhindert dadurch, daß im Innern der Arbeitsschicht Wasserstoffpolster entstehen, die die Aktivierungslösung aus der Arbeitsschicht verdrängen und somit den Aktivierungsvorgang sehr verzögern, wenn nicht gar ganz unterbinden. Den Polarisationsstrom wählt man zweckmäßig so, daß das Potential der zu aktivierenden Elektrode 100 bis 2000 mV positiver ist als das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode unter Atmosphärendruck in der Aktivierungslösung. In welchem Maße die inaktive Deckschicht die aktive Arbeitsschicht bedecken muß, wird durch den jeweiligen Verwendungszweck bestimmt.
  • Taucht die Elektrode vollständig in eine Lösung des umzusetzenden Stoffes im Elektrolyten ein, so muß selbstverständlich die inaktive Deckschicht die Arbeitsschicht allseitig umgeben. Die F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode. An beiden Seiten der katalytisch aktiven Arbeitsschicht ist die katalytisch inaktive Deckschicht 2 angeordnet. Die Arbeitsschicht ist mit dem Stromableiter 3 versehen. Der Raum 4 enthält die Reaktionslösung, bestehend aus Elektrolyt und Brennstoff, und in den Poren der Deckschicht bilden sich Elektrolytmenisken 5 aus, wenn die Poren der Arbeitsschicht 1 durch das entstehende Betriebsgas freigeblasen werden.
  • Der Porenradius der Deckschicht der Elektrode muß überall kleiner sein als der Radius der Poren der Arbeitsschicht; der Porenradius der Deckschicht braucht jedoch nicht notwendig überall gleich zu sein. So kann z. B. ein Teil der Deckschicht unporös sein, d. h. den Porenradius Null besitzen. Diese Ausführungsform der Elektrode ist zweckmäßig, wenn die Elektrode auf der Wandung der Brennstoffbatterie befestigt ist. In der F i g. 2 ist diese Ausführungsform der Elektrode schematisch dargestellt, und die Arbeitsschicht 1 ist an einer Seite von einer porösen Deckschicht 2 und an der anderen Seite mit der unporösen Deckschicht 6 bedeckt. Die Arbeitsschicht ist mit dem Stromableiter 3 verbunden, und die Reaktionslösung aus Elektrolyt und Brennstoff befindet sich in dem Raum 4.
  • Eine andere Einsatzmöglichkeit der erfindungsgemäßen Elektrode besteht darin, daß man die Elektrode als Trennwand zwischen zwei Räumen anordnet, von denen der eine den Elektrolyten und die Gegenelektrode, der andere die umzusetzende Flüssigkeit oder Lösung enthält. In diesem Fall dringen Elektrolyt und Reaktionsflüssigkeit von verschiedenen Seiten in die Arbeitsschicht ein. In den Poren der Arbeitsschicht entsteht Gas, das die beiden Flüssigkeiten zurückdrängt. Auf beiden Seiten der Arbeitsschicht sind Deckschichten angebracht, die einen kleineren Porenradius haben als die Arbeitsschicht und verhindern, daß das Gas aus den Poren der Elektrode austritt. Sofern man keine Diffusion der beiden durch die Elektrode getrennten Flüssigkeiten ineinander zu befürchten braucht, genügt es, wenn die der Reaktionslösung zugewandte Deckschicht katalytisch inaktiv ist; die dem Elektrolyten zugewandte Schicht darf dann auch aktiv sein. Indessen wird man diese Diffusion nie ganz verhindern können und deswegen vorzugsweise auch für die elektrolytseitige Deckschicht ein katalytisch inaktives Material wählen. Außerdem ist es günstig, wenn der Porenradius der elektrolytseitigen Deckschicht kleiner ist als der der Reaktionslösung zugewandten Deckschicht. Dadurch wird sichergestellt, daß die Reaktionslösung durch das in der Arbeitsschicht entstehende Gas schon bei einem Druck aus der der Reaktionslösung zugewandten Deckschicht verdrängt wird, bei dem noch kein Gas aus den Poren der elektrolytseitigen Deckschicht entweichen kann.
  • F i g. 3 zeigt diese Anordnung der Elektrode als Trennwand zwischen dem Raum 7 mit dem Elektrolyten und dem Raum 4 mit der Reaktionslösung. Die Arbeitsschicht enthält einen Stromableiter 3 und ist mit den beiden Deckschichten 2 versehen, in deren Poren sich beim Betrieb der Elektrode die Menisken 5 einstellen. In der F i g. 4 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode schematisch dargestellt, welche besonders in Elektrolytsäuren verwendet werden kann. Man bringt hierbei eine Zweischichtelektrode, deren grobporige Arbeitsschicht 1 als reversible Wasserstoffelektrode arbeitet und deren elektrolytseitige engporige Deckschicht 2 aus einem Material mit großer Wasserstoffmindestüberspannung besteht, als Trennwand zwischen abgeschlossenen Räumen an, von denen der Raum 7 den Elektrolyten und die Gegenelektrode 11 enthält, während der andere Raum 9 mit einem Barostaten 10 verbunden ist, dessen Arbeitsdruck geringer ist als der Kapillardruck des Elektrolyten in der Deckschicht der Elektrode. Bei einer kathodischen Belastung der Elektrode wird an der weitporigen Arbeitsschicht 1 Wasserstoff abgeschieden, der nicht durch die engporige Schicht in den Elektrolyten eintreten kann, sondern aus der Arbeitsschicht heraus in den unter konstantem Gasdruck stehenden Raum 9 eintritt. Solange die durch die kathodische Belastung hervorgerufene Abweichung vom reversiblen Wasserstoffpotential geringer als die Wasserstoffinindestüberspannung der Deckschicht ist, wird an der Deckschicht selbst kein Wasserstoff abgeschieden, sondern der gesamte Wasserstoff entsteht in der Arbeitsschicht.
  • Da die Eleketrode umgekehrt auch als Diffusionselektrode im Sinne der Baconschen Elektrode arbeitet, stellt sie zusammen mit einer analog aufgebauten Sauerstoffelektrode eine Anordnung zur Energiespeicherung dar, die besonders für wartungsfreie Kleinanlagen, z. B. zur Sonnenenergiespeicherung, geeignet ist.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Werden zum Elektrodenaufbau nur sinterfähige Metalle oder elektronisch leitende Halbleitersubstanzen benutzt, so preßt man das zum Aufbau der porösen Arbeitsschicht dienende Material in Pulverform, gegebenenfalls unter Zusatz porenbildender Stoffe, z. B. Citronensäure oder anderer leicht zersetzbarer Stoffe, in einer Matrize, sintert den Preßling, preßt dann das zum Aufbau der Deckschicht dienende pulverförmige Material auf und sintert nochmals.
  • Es ist aber auch möglich, die zum Aufbau von Arbeits- und Deckschicht vorgesehenen pulverförmigen Materialien gegebenenfalls unter Zusatz eines porenbildenden Stoffes in der erforderlichen Reihenfolge in die Preßmatrize einzugeben, in einem Arbeitsgang zu pressen und dann zu sintern. Oftmals ist es abweichend davon vorteilhaft, Preß- und Sintervorgang durch Pressen bei erhöhter Temperatur zusammenzufassen.
  • Man kann als Deckschicht auch eine poröse Metallschicht, z. B. aus Cu, Ni, Pb, Ti usw., galvanisch auf die gepreßte und gesinterte Arbeitsschicht auftragen, wenn das Metall die Bedingung der katalytischen Inaktivität bezüglich der gewünschten Elektrodenreaktion erfüllt.
  • Naturgemäß ist die Auswahl der möglichen Stoffkombinationen sehr groß und richtet sich nach dem Verwendungszweck des Elektrodenkörpers. Während die Arbeitsschicht immer eine möglichst gute elektrische Leitfähigkeit haben soll, ist für die Deckschicht auch die Verwendung von fest auf der Arbeitsschicht haftenden porösen Kunststoffschichten möglich.
  • Die Porenradien r, und r2 der erfindungsgemäßen Elektrode können weitgehend den erforderlichen praktischen Gegebenheiten angepaßt werden, indem man zum Aufbau der Schichten Pulver mit definierten, durch Windsichtung bzw. Sedimentation und Siebung homogenisierten Korngrößen verwendet. Man ist so in der Lage, nach Wunsch den mittleren Porenradius einer derartigen Elektrodenschicht zwischen 0,1 und 100 #t beliebig vorzugeben. Für die praktische Anwendung wurde der Porenradienbereich von 0,5 bis 50 #t als am besten geeignet befunden, da er Kapillardrücke bedingt, die mit den gebräuchlichen Ventilen und Manometern leicht zugänglich sind.
  • Natürlich ist es wichtig, daß die Differenz der Porenradien der Arbeitsschicht und der Deckschicht groß genug ist, um die in allen praktischen Fällen auftretenden Streuungen der Porenradien um den mittleren Porenradius jeweils einer Schicht sicher abzufangen. Man wählt daher vorteilhafterweise die mittleren Porenradien derart, daß die Verteilungsfunktionen der Porenradien von Arbeits- und Deckschiebt sich nur wenig überlappen. Es wurde gefunden, daß die Relation r, ## 1,5 - r2 die erwähnte Überlappung der Porenverteilungsfunktion hinreichend ausschließt.
  • Zum besseren Verständnis soll die Erfindung durch die folgenden Beispiele erläutert werden. Beispiel 1 In eine Preßmatrize mit einem Durchmesser von 40 mm wurden nacheinander folgende Pulvermischungen gleichmäßig eingegeben: a) 1 g einer Mischung aus 1,2 Gewichtsanteilen Kupferpulver mit einem Korndurchmesser von 3 bis 10 #L und 1,0 Gewichtsteil pulverförmiger Raney-Kupfer-Legierung mit einem Korndurchmesser von 30 bis 50 #t und einem Legierungsverhältnis Cu: Al = 50: 50 Gewichtsprozent, b) 10 g einer Mischung aus 1,5 Gewichtsteilen Carbonylnickelpulver mit einem Korndurchmesser von 1 bis 5 #t und 1,0 Gewichtsteil pulverförmiger Raney-Nickel-Legierung mit einem Korndurchmesser von 75 bis 100 #t und einem Legierungsverhältnis Ni: AI # 50: 50 Gewichtsprozent, c) 1 g einer Pulvermischung, wie unter a) beschrieben. Die Elektrode wurde durch Pressen bei einer Temperatur von 450'C und einem Preßdruck von 5 t/cm2 verfestigt. Anschließend wurde das Aluminium zur Einstellung der Doppelskelettstruktur aus der Elektrode mittels 6 n-Kalilauge herausgelöst. Dabei wurde das Potential der Elektrode gemäß dem Verfahren der kontrollierten Aktivierung durch anodische Belastung 300 mV positiver gehalten als das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode unter Atmosphärendruck in der Aktivierungslösung.
  • Die Elektrode wurde sodann mit einem Strornableiter aus laugebeständigem Stahl versehen und in eine Lösung aus 360 cm2 H,0, 120 ems C,H,OH und 216 g KOH eingetaucht. Bei 66'C ließ sie sich stationär bis 30 mA/cm2 anodisch belasten. Ihr Ruhepotential war 1,14 Volt, bezogen auf das Potential der gesättigten Kalomelelektrode. Die Wirkung der inaktiven Deckschicht konnte man besonders eindrucksvoll am Rand der plattenförmigen Elektrode erkennen. Dort war die Arbeitsschicht nicht von der Deckschicht bedeckt. Es war die einzige Stelle der Elektrode, wo ständig Wasserstoffblasen entstanden.
  • Um auch diesen schädlichen Randumsatz zu beseitigen, wurde die Elektrode randdicht eingespannt und in derselben Lösung noch einmal getestet. Obwohl kein Wasserstoff mehr entwickelt wurde, hatte die auf die freie Oberfläche bezogene Belastbarkeit der Elektrode nicht abgenommen.
  • Beispiel 2 In eine Preßmatrize von 40 mm Stempeldurchmesser wurden nacheinander folgende Pulvermischungen gleichmäßig eingegeben: a) 1 g einer Mischung aus 1,5 Gewichtsteilen Carbonylnickelpulver mit einem Korndurchmesser von 1 bis 5 #t und 1,0 Gewichtsteil pulverförmiger Raney-Nickel-Legierung mit einem Korndurchmesser von 5 bis 8 #t und dem Legierungsverhältnis Ni: AI = 50: 50 Gewichtsprozent, b) 10 g einer Mischung aus 0,8 Gewichtsteilen Carbonylnickelpulver mit einem Korndurchmesser von 1 bis 5 #L und 1,0 Gewichtsteil einer Rancy-Silber-Legierung mit einem Korndurchmesser von 75 bis 100 p. und einem Legierungsverhältnis Ag: Al: Mn = 64,7: 35,0: 0,3 Gewichtsprozent, c) 1 g einer Pulvermischung, wie unter a) beschrieben. Die Elektrode wurde durch Pressen bei einer Temperatur von 450'C und einem Preßdruck von 5 t/CM2 verfestigt. Anschließend wurde das Aluminium zur Einstellung der Doppelskelettstruktur mittels 6 n-KOH aus der Elektrode herausgelöst. Zur Unterstützung des Lösungsvorganges wurde durch anodisehen Stromfluß das Elektrodenpotential bis 1000 mV gegen das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode unter Atmosphärendruck positiviert. Die Elektrode wurde sodann in eine Halterung aus laugebeständigem Stahl randdicht eingespannt. In die Halterung wurde eine 150/,ige alkalische H,027 Lösung eingefüllt und die Elektrode samt Halterung dann mit einer Wasserstoffelektrode in 6 n-KOH als Elektrolyt zu einem Element zusammengesetzt. Die beschriebene Elektrode war in dieser Anordnung bis 100 mA/CM2 bei Zimmertemperatur belastbar, die Sauerstoffentwicklung an der unbelasteten Elektrode war praktisch gleich Null. Beispiel 3 In eine Preßmatrize von 40 mm Stempeldurchmesser wurden nacheinander folgende Pulvermischungen eingegeben: a) 1 g einer Mischung aus 1,2 Gewichtsteilen Kupferpulver mit einem Korndurchmesser von 3 #t bis 10 und 1,0 Gewichtsteil pulverförmiger Raney-Kupfer-Legierung mit einem Korndurchmesser von 30 bis 50 #t und einem Legierungsverhältnis Cu: Al = 50: 50 Gewichtsprozent, b) 10 g einer Mischung aus 1,5 Gewichtsteilen Carbonylnickelpulver mit einem Korndurchmesser von 1 bis 5 #t und 1,0 Gewichtsteilen pulverförmiger Raney-Nickel-Legierung mit einem Korndurchmesser von 75 bis 100 g und einem Legierungsverhältnis Ni: Al = 50: 50 Gewichtsprozent.
  • Die Elektrode wurde durch Pressen bei einer Temperatur von 450'C und einem Preßdruck von 5 t/cm2 verfestigt. Dann wurde sie in eine Plexiglashalterung mittels eines Kunststoffklebers randdicht eingeklebt, und zwar so, daß die Arbeitsschicht dem abgeschlossenen Innenraum der Halterung zugewandt war, der mittels einer Schlauchverbindung an einen kleinen Gasometer mit Quecksilber als Sperrflüssigkeit angeschlossen werden konnte. Anschließend wurde das Aluminium zur Einstellung der Doppelskelettstruktur mittels 6 n-KOH aus der Elektrode herausgelöst. Dabei wurde das Potential der Elektrode gemäß dem Verfahren der kontrollierten Aktivierung durch anodische Belastung 300 mV positiver gehalten als das Potential der reversiblen Wasserstoffelektrode unter Atmosphärendruck in der Aktivierungslösung.
  • Die beschriebene Elektrode wurde als Kathode mit einer Nickel-DSK-Elektrode als Anode zu einer Elektrolysezelle zusammengesetzt. Der Elektrolyt war 6 n-KOH, die Elektrolysetemperatur betrug 40'C. Bei einer Stromdichte von 50 mA/CM2 konnte gegen einen Gasometerdruck von 0,8 atü elektrolysiert werden, ohne daß eine merkliche Wasserstoffentwicklung an der vorderen Kupferschicht aufgetreten wäre.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Elektrode zur Abscheidung gasförmiger Stoffe und zur elektrochemischen Energiegewinnung aus flüssigen reduzierbaren oder oxydierbaren, im Elektrolyten enthaltenen Substanzen, die an dem katalytisch aktiven Elektrodenbestandteil - auch im stromlosen Zustand der Elektrode - unter Bildung mindestens einer gasförinigen, elektrochemisch umsetzbaren Komponente reagieren, mit einer katalytisch wirksamen porösen Arbeitsschicht und einer fest mit ihr verbundenen katalytisch inaktiven Deckschicht, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß die Arbeitsschicht, deren mittlerer Porendurchmesser größer ist als der der Deckschicht, als reversible Gaselektrode arbeitet und daß die Mindestüberspannung des jeweiligen Gases an der Deckschicht größer ist als das reversible elektrochemische Potential des jeweiligen Gases unter einem dem Kapillardruck des Elektrolyten in der Deckschicht gleichen Gasdruck.
  2. 2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsschicht Nickel und/oder Silber enthält. 3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Arbeitsschicht und gegebenenfalls auch die Deckschicht Doppelskelettstruktur besitzt, wobei 20 bis 80 Gewichtsprozent Raney-Metallpulver in 80 bis 20 Gewichtsprozent elektronisch leitendes Stätzskelettmaterial eingebettet sind. 4. Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Trennfläche zwischen zwei Räumen angeordnet ist, von denen der eine den Elektrolyten und die Gegenelektrode, der andere die elektrochemisch umzusetzende reduzierbare oder oxydierbare Substanz, gegebenenfalls in Lösung, enthält, wobei die elektrolytseitige Deckschicht einen kleineren mittleren Porenradius besitzt als die der Reaktionslösung zugewandte Deckschicht, deren mittlerer Porenradius selbst wiederum kleiner ist als der der Arbeitsschicht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 925 464; deutsche Auslegeschrift Nr. 1023 099; USA.-Patentschrift Nr. 2 358 419.
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