DE1273498B - Verfahren zur Herstellung von Elektroden fuer elektrochemische Zwecke - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Elektroden fuer elektrochemische Zwecke

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DE1273498B
DE1273498B DEP32873A DEP0032873A DE1273498B DE 1273498 B DE1273498 B DE 1273498B DE P32873 A DEP32873 A DE P32873A DE P0032873 A DEP0032873 A DE P0032873A DE 1273498 B DE1273498 B DE 1273498B
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DE
Germany
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nickel
electrodes
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DEP32873A
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English (en)
Inventor
Dipl-Chem Guenter Barthel
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Pintsch Bamag AG
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Pintsch Bamag AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electroplating Methods And Accessories (AREA)
  • Electroplating And Plating Baths Therefor (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Description

  • Verfahren zur Herstellung von Elektroden für elektrochemische Zwecke Es ist bekannt, die Elektrodenoberflächen von elektrolytischen Wasserstofferzeugern durch eine mechanische oder elektrolytische Aufrauhung bzw. durch das Auftragen von Schichten geeigneter Metalle oder auch von Metallegierungen zu aktivieren, so daß sich die bei der Zersetzung des Wassers auftretenden Überspannungen merklich vermindern. Die Herabsetzung der bei der elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff auftretenden überspannung spielt für die Wirtschaftlichkeit einer Wasserelektrolyse eine entscheidende Rolle. Eine Senkung der Betriebsspannung einer Elektrolysezelle um 0,2 V bedeutet praktisch eine Energieersparnis in der Größenordnung von 1,01/9.
  • Es sind unter anderem auch Vorschläge zur Herstellung von Elektroden aus hochaktivem Sinternickel gemacht worden. Weiter ist ein Verfahren zur Herstellung von hochaktiven Nickelelektroden veröffentlicht worden. Dieses Verfahren hat jedoch wie die meisten übrigen Verfahren den erheblichen Nachteil, daß es mehrere komplizierte Arbeitsgänge erfordert und aus diesem Grund erhebliche Fertigungskosten verursacht. Außerdem ist es bis jetzt noch nicht gelungen, Elektroden von den Abmessungen zu fertigen, wie sie in der technischen Wasserelektrolyse benötigt werden.
  • Durch das vorliegende Verfahren wird ein Weg zur Herstellung hochaktiver Nickelelektroden gezeigt, das in besonders einfacher und billiger Weise die Herstellung von Elektroden praktisch beliebiger Größe mit einer wesentlich geringeren Anzahl von Arbeitsgängen beschreibt, wie sie bisher üblich waren.
  • Der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht bei einem Verfahren zur Herstellung von Elektroden für elektrolytische Wasserzersetzer, mit einer die Überspannung herabsetzenden Aktivierungsschicht auf den Elektrodenflächen darin, daß die Aktivierungsschicht durch galvanische Abscheidung von porösem und eingelagerte Nickelverbindungen enthaltendem Nickel mit Hilfe eines an sich bekannten normalen Mattnickelbades bei pH-Werten oberhalb von 5,8 und Stromdichten zwischen 10 und 40 A/dm2 hergestellt wird.
  • Ein derartiges Mattnickelbad besteht im Prinzip aus drei Hauptbestandteilen: Nickelsulfat, Nickelchlorid und Borsäure. Selbstverständlich sind auch andere Mattnickelbäder, wie z. B. das sogenannte Allchloridbad, für das neue Verfahren verwendbar. Derartige Bäder wurden früher bereits bei der Produktion von Teilen für die technische Wasserelektrolyse zur Vernickelung benutzt, um einen Korrosionsschutz gegen aggressive Chemikalien und auch gegen den Angriff von anodisch entwickeltem Sauerstoff zu erhalten. Derartige bisher übliche Mattnickelschichten sollen aber möglichst gleichmäßig, porenfrei und mit glatter Struktur hergestellt werden, weil auf diese Weise ein maximaler Korrosionsschutz erzielt wird.
  • Wesentliches Merkmal des vorliegenden neuen Verfahrens ist dagegen die Erzeugung von Nickelschichten aus einem an sich bekannten Bad für die Mattvernickelung, wobei die Arbeitsbedingungen der Galvanisierung so gewählt werden, daß ein poröser schwammiger Überzug mit einer möglichst großen Menge an eingelagertem Nickelhydroxid erzeugt wird. Es handelt sich dabei um Arbeitsbedingungen, die man sonst in der allgemeinen Galvanotechnik unter allen Umständen zu vermeiden sucht. Das vorliegende Verfahren gestattet sowohl die Herstellung von Anoden wie auch von Kathoden für die technische Wasserelektrolyse unter praktisch gleichartigen Arbeitsbedingungen mit Hilfe des gleichen galvanischen Bades.
  • Zur Erzeugung der aktiven und sehr porösen Nikkelschichten bedient man sich in erfindungsgemäßer Weise der Tatsache, daß oberhalb von pH = 5,8 aus Nickelsalzlösungen bzw. aus dem normalen Nickelsulfatbad Nickelüberzüge abgeschieden werden, die häufig grün gefärbt sind oder grüne Punkte aufweisen. Dies beruht darauf, daß bei pH-Werten oberhalb von 5,8 gebildetes Nickelhydroxid in die abgeschiedenen Nickelniederschläge mit eingebaut wird. Andererseits ist es notwendig, den pH-Wert des Bades bei der Erzeugung derartiger Schichten oberhalb von pH = 5,8 zu halten. Dies geschieht in erfindungsgemäßer Weise sehr einfach, indem die Stromdichte bei der galvanischen Nickelabscheidung so hoch gewählt wird, daß eine erhebliche Wasserstoffentwicklung an dem als Kathode geschalteten Werkstück eintritt. Bekanntlich sinkt bei Nickelbädern wie auch bei vielen anderen galvanischen Bädern die kathodische Stromausbeute der Metallabscheidung mit steigender Stromdichte; mit anderen Worten: bei übermäßiger Steigerung der Stromdichte tritt eine immer stärker werdende Wasserstoffentwicklung auf. Dies wird z. B. bei galvanischenZink- oderCadmiumbädern geradezu als Maß der noch zulässigen höchsten Betriebsstromdichte angesehen, so daß die Stromdichte so eingeregelt wird, daß die ersten Wasserstoffbläschen am Werkstück auftreten. Selbstverständlich sucht man in der allgemeinen Galvanotechnik eine derartige Wasserstoffentwicklung möglichst zu vermeiden, weil hierdurch die Gefahr der Bildung poröser Schichten entsteht.
  • Durch das vorliegende Verfahren wird nun aber genau umgekehrt eine Galvanisierung mit niedriger kathodischer Stromausbeute der Metallabscheidung und entsprechend höher Wasserstoffentwicklung vorgesehen, um poröse Nickelschichten zu erzeugen. Wenn man weiterhin bedenkt, daß eine starke Wasserstoffentwicklung auf jeden Fall eine Verminderung der Wasserstoffionenkonzentration im Bad und damit eine Steigerung des pH-Wertes mit sich bringt, so erkennt man, daß die angestrebte Vernickelung bei hohen pH-Werten automatisch durch eine übermäßig höhe Stromdichte und die dadurch bedingte starke Wasserstoffentwicklung erreicht wird. Das Ansteigen des pH-Wertes infolge einer von 100% unterschiedlichen Stromausbeute der kathodischen Metallabscheidung ist eine an sich bei normalen Nickelbädern durchaus bekannte Erscheinung, zu deren Abstellung man dem Bad von Zeit zu Zeit nach Bedarf etwas Schwefelsäure zusetzt.
  • Die bisher allgemein für die technische Wasserelektrolyse verwendete Elektrodenkombination von Kathoden mit einer Oberfläche aus feinverteiltem Eisen und Anoden aus Nickel führt bei der technisch sehr häufig angewendeten Stromdichte von etwa 2000 A/m2 zu Zellenspannungen von etwa 2,0 V je Zelle. Demgegenüber gelingt es mit Hilfe der erfindungsgemäßen neuen Elektroden unter sonst gleichen Bedingungen, die Zellenspannung auf etwa 1,7 bis 1,8 V je Zelle zu senken. Hierdurch ergibt sich eine Energieersparnis von etwa 0,5 bis 0,7 kWh pro Kubikmeter erzeugten Wasserstoffes, was einer Einsparung von 10 bis 15% der gesamten aufgewendeten Gleichstromenergie entspricht.
  • Ausführungsbeispiel des Arbeitsganges für die Herstellung von hochaktiven porösen Nickelelektroden 1: Die sorgfältig entfetteten und gereinigten Elektrodenkörper werden eine beliebig zu wählende Zeit in einem normalen Mattnickelbad mit einer für den jeweils notwendigen Korrosionsschutz ausreichenden Mattvernickelung versehen; z. B. kann man bei Anodenoberflächen 2 bis 3 Stunden bei Stromdichten von 2 bis 3 A/dm2 mattvernickeln. Bei kathodischen Oberflächen dürfte in vielen Fällen eine Mattvernikkelung von 15 Minuten bei der gleichen Stromdichte ausreichen.
  • 2. Ohne den Strom zu unterbrechen und ohne die Elektrodenkörper aus dem galvanischen Bad zu entfernen, wird nun entweder stufenweise oder mit nur einem Schaltvorgang die Stromdichte so weit gesteigeit, -daß die erfindungsgemäßen porösen Nickelschichten erzeugt werden. Im allgemeinen kommen hierfür Stromdichten zwischen 10 und 40 A/dm2 in Frage. Die Elektrodenkörper werden so lange mit der gewählten Stromdichte galvanisiert, bis der pH-Wert auf etwa 6,5 bis 7,0 gestiegen ist.
  • 3. Das in den Poren abgeschiedene Nickelhydroxid wird mit Hilfe von an sich bekannten Verfahren zur Reduktion oxydischer Verbindungen zum Metall, wie z. B. durch Behandlung mit Wasserstoff im »statu nacendi« oder durch Wärmebehandlung mit Wasserstoff bei 200 bis 300° C, zu feinverteiltem hochaktivem Nickelmetall, reduziert.
  • 4. Nach Herausnahme der Elektrodenkörper aus dem galvanischen Nickelbad wird der Elektrolyt mit Hilfe von verdünnter Schwefelsäure auf einen pH-Wert von etwa 4,0 angesäuert und mit Hilfe einer Filterpumpe, z. B. einer innen hartgummierten Kreiselpumpe oder Kanalradpumpe, durch ein Druckfilter gefördert. Das aus dem Druckfilter austretende klare Filtrat wird im Kreislauf dem eigentlichen galvanischen Badebehälter wieder zugeführt.
  • An zusätzlichen Apparaturen werden für ein derartiges Mattnickelbad zur Erzeugung aktiver Nickelschichten eine entsprechend kräftig ausgelegte Gleichstromquelle und eine Filteranlage mit großem Durchsatz benötigt. Weiterhin sieht das neue Verfahren vor, daß der pH-Wert des Bades automatisch mit an sich für diesen Zweck bekannten Einrichtungen gemessen und geschrieben wird. Man kann weiterhin die Säurezugabe nach der vollendeten Galvanisierung mit Hilfe geeigneter Regeleinrichtungen, die an sich für diesen Zweck ebenfalls bekannt sind, automatisieren.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Elektroden für elektrolytische Wasserzersetzer mit einer die überspannung herabsetzenden Aktivierungsschicht auf den Elektrodenflächen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Aktivierungsschicht durch galvanische Abscheidung von porösem und eingelagerte Nickelverbindungen enthaltendem Nickel mit Hilfe eines an sich bekannten normalen Mattnickelbades bei pH-Werten oberhalb von 5,8 und Stromdichten zwischen 10 und 40 A/dm2 hergestellt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Abscheidung der eigentlichen aktiven Nickelschicht eine normale galvanische Mattvernickelung erfolgt und anschließend ohne Stromunterbrechung die aktive Nickelschicht abgeschieden wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Poren der aktiven Nickelschicht abgeschiedene Nickelhydroxid oder andere abgeschiedene Nickelverbindungen nach an sich bekannten Reduktionsverfahren zu feinverteiltem hochaktivem Nickelmetall reduziert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung einer Galvanisierung die galvanische Badflüssigkeit wieder angesäuert und filtriert wird.
DEP32873A 1963-10-29 1963-10-29 Verfahren zur Herstellung von Elektroden fuer elektrochemische Zwecke Pending DE1273498B (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2002298C3 (de) 1970-01-20 1974-05-30 Guenter Dipl.-Chem. 4134 Rheinberg Barthel Verfahren zur Herstellung von Elektroden für die technische Wasserelektrolyse
US4061555A (en) * 1977-01-19 1977-12-06 Rca Corporation Water photolysis apparatus
DE3102306A1 (de) * 1980-02-02 1982-01-14 Basf Ag, 6700 Ludwigshafen Elektroden

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2002298C3 (de) 1970-01-20 1974-05-30 Guenter Dipl.-Chem. 4134 Rheinberg Barthel Verfahren zur Herstellung von Elektroden für die technische Wasserelektrolyse
US4061555A (en) * 1977-01-19 1977-12-06 Rca Corporation Water photolysis apparatus
DE3102306A1 (de) * 1980-02-02 1982-01-14 Basf Ag, 6700 Ludwigshafen Elektroden

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