DE1546718A1 - Gas diffusion electrode with an electrically insulating intermediate layer - Google Patents

Gas diffusion electrode with an electrically insulating intermediate layer

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Description

Gas-Diffusionselektrode mit elektrisch isolierender Zwischenschicht.Gas diffusion electrode with an electrically insulating intermediate layer.

Es sind für die elektrochemische Auflösung und Abscheidung von Gasen Gas-Diffusionselektroden bekanntgeworden, die aus einer elektrisch leitenden und katalytisch aktiven porösen Arbeitsschicht bestehen» auf deren zum Elektrolyten hinweisende Seite eine katalytisch inaktive poröse Deckschicht aufgebracht ist.There are for the electrochemical dissolution and deposition of Gases Gas diffusion electrodes have become known which consist of an electrically conductive and catalytically active porous working layer on the side facing the electrolyte a catalytically inactive porous cover layer is applied.

Besteht diese Deckschicht z.B. aus einem Metall, das für das abzuscheidende Gas eine hohe überspannung besitzt, so vermögen diese Elektroden beim Einsatz als AbScheidungselektroden in einem Elektrolyseur die entstehenden Gase unter Überdruck auf der dem Elektrolyten abgewandten Seite abzugeben, so daß eine derartige Elektrode als "Gas-Ventilelektrode" bezeichnet werden kann* Die Abscheidung unter überdruck ist dadurch möglich, daß der Kapillardruck des Elektrolyten in den Poren der Deckschicht größer ist als der Kapillardruck in den Poren der Arbeiteschicht.If this cover layer consists, for example, of a metal that has a high overvoltage for the gas to be separated, then it is possible these electrodes when used as deposition electrodes in an electrolyzer to deliver the gases formed under excess pressure on the side facing away from the electrolyte, so that a such an electrode can be referred to as a "gas valve electrode" can * The deposition under excess pressure is possible because the capillary pressure of the electrolyte in the pores of the top layer is greater than the capillary pressure in the pores of the working layer.

Die Verwendung einer porösen Deckschicht aus Metall bringt allerdings Nachteile mit sich, da die Potentialdifferenz zwischen dieser Schicht und dem Elektrolyten durch die elektrochemisch aktive Arbeitsschicht bestimmt wird. Dadurch läßt es sich nicht völlig vermeiden, daß bei Belastung der Elektrode auch an der Deckschicht elektrochemische Reaktionen ablaufen. So wird beim Einsatz als Abscheidungselektrode stets ein gewisser Teil des gebildeten Gases auch an der Deckschicht abgeschieden und entweicht in den Elektralytraum. Außerdem kann bei anodischer Belastung eine so starkeThe use of a porous cover layer made of metal, however, brings Disadvantages, because the potential difference between this layer and the electrolyte due to the electrochemically active Working shift is determined. As a result, it cannot be completely avoided that when the electrode is loaded, the cover layer is also affected electrochemical reactions take place. When used as a deposition electrode, a certain part of the gas formed is always used also deposited on the top layer and escapes into the electrical space. In addition, with anodic load, such a strong

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Oxidation des Deckschichtmaterials auftreten, daß die Poren dieser Schicht durch die gebildeten Oxidschichten verstopft werden und der Stromtransport in die Arbeitsschicht nicht mehr möglich ist.Oxidation of the cover material occur that the pores of this Layer become clogged by the oxide layers formed and the transport of electricity into the working layer is no longer possible.

Gegenstand der Erfindung ist die Vermeidung der erwähnten Nachteile derartiger Gas-Diffusionselektroden durch die Einbringung einer porösen, elektrisch nicht leitenden Schicht, im folgenden "Zwischenschicht" genannt, zwischen der nunmehr vor allem als Andrückschicht dienenden Deckschicht und der Arbeitsschicht.The object of the invention is to avoid the disadvantages mentioned such gas diffusion electrodes by introducing a porous, electrically non-conductive layer, hereinafter "intermediate layer" called, between the top layer, which now serves primarily as a pressure layer, and the working layer.

Ist der Kapillardruck in den Poren dieser Zwischenschicht größer als der Kapillardruck in den Poren der Arbeitsschicht, so werden - wie bei der oben erwähnten Gas-Ventilelektrode - bei einer Elektrolyse die entstehenden Gase unter überdruck in den Gasraum hinter der Elektrode abgegeben. Dabei hat man außer der Vermeidung der schon erwähnten Nachteile bei der erfindungsgemäßen Elektrode noch den Verteil, wahlweise wasserstoff oder Sauerstoff an der gleichen Elektrode quantitativ abscheiden zu können, da das Material für die Andrückschieht nicht mehr der Bedingung nachkommen muß, gegenüber dem jeweiligen Gas eine hohe Überspannung aufzuweisen. Da üblicherweise die Andrückschieht nicht mehr elektrochemisch wirksam sein muß, kann sie, von Sonderfällen abgesehen, aus einem beliebigen Material bestehen, das allerdings vom Elektrolyten benetzt werden muß und durch ihn nicht oder nur sehr unwesentlich angegriffen werden darf. Die Andrückschieht muß lediglich eine so große mechanische Stabilität haben, daß die auf der Zwischenschicht liegende Belastung bei Abscheidung der Gase unter überdruck aufgefangen und somit ein Abheben der Zwischenschicht verhindert wird. Vorzugsweise wird man.wegen dieser erforderlichen mechanischen Stabilität einen metallischen Werkstoff für die Andrückschicht wählen, die beispielsweise als Sinterschicht, perforierte Scheibe oder Sieb ausgebildet sein kann.If the capillary pressure in the pores of this intermediate layer is greater than the capillary pressure in the pores of the working layer, then - as with the gas valve electrode mentioned above - during electrolysis, the gases produced under excess pressure in the gas space behind the electrode. In addition to avoiding the disadvantages already mentioned, the electrode according to the invention is also used nor the distribution of being able to quantitatively deposit either hydrogen or oxygen on the same electrode, since the material no longer has to meet the condition for the pressure switch, have a high overvoltage compared to the respective gas. Since the contact pressure is usually no longer electrochemical must be effective, it can, apart from special cases, consist of any material, but that of the electrolyte must be wetted and must not be attacked by him or only very insignificantly. The Andrückschieh only needs to be like that have great mechanical stability so that the load on the intermediate layer is absorbed when the gases are deposited under excess pressure and thus the intermediate layer is prevented from lifting off. Because of this one is preferably required mechanical Stability choose a metallic material for the pressure layer, for example as a sintered layer, perforated disc or sieve can be formed.

Selbstverständlich kann man einer metallischen Andrückschicht auch ein von der Arbeitsschicht abweichendes Potential erteilen und dadurch den Widerstand für den Stromtransport und somit die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrode beeinflussen.Of course, a metallic pressure layer can also be used give a potential different from the work shift and thus the resistance for the transport of electricity and thus the electrochemical Influence the properties of the electrode.

Durch Einbau geeigneter Katalysatoren in die Arbeitsschicht, insbesondere von Raney- und feinverteilten Edelmetallen, lassen sichBy installing suitable catalysts in the work shift, in particular of Raney and finely divided precious metals

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die elektrochemischen Verluste erheblich vermindern. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das ArbeitsSchichtmaterial der Elektrode beim oder in der Nähe des jeweiligen reversiblen Gaspotentials arbeitet. Für die Wasserstoffelektrode kann man das.z.B. durch Einbau von Raney-Nickel in die Arbeitsschicht erreichen. Weitere Katalysatoren für die Wasserstoffelektrode sind vor allem die Edelmetalle der 8. Nebengruppe des periodischen Systems, wie Palladium und Fiatin, auch in ihrer Raney-Form. Der beste bisher bekannte Katalysator für die Auflösung von Sauerstoff ist Silber bzw. Raney-Silber. Für die Abscheidung von Sauerstoff mit geringer überspannung kommt Nickel oder Raney-Nickel in Frage. Deshalb besteht vorteilhafterweise das katalytisch aktive Material der Arbeitsschicht einer Elektrode, an der sow hl Wasserstoff als auch Sauerstoff abgeschieden werden kann, bei Verwendung alkalischer Elektrolyte aus Raney-Nickel oder einem Gemisch aus Raney-Nickel und Silber. Abseheidungselektroden für die Elemente der Halogen-Gruppe sind aus der Elektrolysetechnik bekannt. So kommt als katalytisch aktives Material beispielsweise für die Chlorgewinnung poröse Kohle oder Platin in Frage.reduce the electrochemical losses considerably. This is particularly the case when the working layer material is the Electrode at or near the respective reversible gas potential is working. This can be done for the hydrogen electrode, e.g. by incorporating Raney nickel into the work shift. Other catalysts for the hydrogen electrode are above all the noble metals of the 8th subgroup of the periodic system, like palladium and fiatin, also in their Raney form. The best so far known catalyst for the dissolution of oxygen is silver or Raney silver. For the separation of oxygen with low overvoltage is nickel or Raney nickel. Therefore, the catalytically active material is advantageously the Working shift of an electrode on which both hydrogen and Oxygen can also be separated out if alkaline is used Electrolytes made from Raney nickel or a mixture of Raney nickel and silver. Separation electrodes for the elements of the halogen group are known from electrolysis technology. For example, chlorine is used as a catalytically active material porous carbon or platinum in question.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektrode kann derart erfolgen, daß die zuB Aufbau der Arbeitsschicht, Zwischenschicht und Andrückechicht vorgesehenen Materialien vorgeformt oder pulverförmig, gegebenenfalls unter Zusatz von porenbildenden Stoffen, in der erforderlichen Reihenfolge in die Preßmatrize eingebracht und verpreßt werden; anschließend kann der Preßkörper gesintert werden. Die Verfestigung von Pulvern kann auch durch Heißpressen geschehen.The electrode according to the invention can be produced in such a way that that the zuB structure of the working layer, intermediate layer and Preformed or powdered materials provided for the pressure layer, if necessary with the addition of pore-forming substances, introduced into the press die in the required order and be pressed; then the compact can be sintered. The solidification of powders can also be achieved by hot pressing happen.

Statt pulverförmigen Materials für die Schichten können poröse Membranen, insbesondere Asbestmembranen für die Zwischenschicht und/oder vorgefertigte poröse Andrückschichten, z.B. Siebe, auf die gleiche Weise verpreßt werden.Instead of powdery material for the layers can be porous Membranes, in particular asbestos membranes for the intermediate layer and / or prefabricated porous pressure layers, e.g. screens pressed in the same way.

Beispiel:Example:

8 g einer Mischung aus Carbonylnickelpulver mit einem Korndurch-* messer von 5/U und KCl-Pulver mit einem Korndurchmesser von 200 ,u als Porenbildner im Gewichtsverhältnis 3:1 wurden als Deckschicht in eine Matrize von 40 mm Durchmesser gefüllt. Darauf wurde eine8 g of a mixture of carbonyl nickel powder with a grain diameter * knife of 5 / U and KCl powder with a grain diameter of 200, u as a pore-forming agent in a weight ratio of 3: 1, the top layer was filled into a die with a diameter of 40 mm. Then a

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Asbestmembran der Dicke 0,52 mm und Porendurchmessern von weniger als 2/U gelegt und weitere 8 g der gleichen -Pulvermischung als Arbeitsschicht in die Matrize eingefüllt. Diese drei Schichten wurden dann bei 4-00 C mit 9 t Preßdruck zusammen verpreßt. Man erhielt eine runde 3t6 mm dicke Elektrode. Der Verbund von Andrück- und Arbeitsschicht mit der Zwischenschicht ist so fest, daß die Schichten nur mit Gewalt voneinander getrennt werden können. Die Elektrode wurde noch mit einem Rand aus Plexigum versehen; dadurch wird der innige Kontakt von Andrück- und Arbeitsschicht mit der Zwischenschicht fixiert.Asbestos membrane with a thickness of 0.52 mm and pore diameters of less than 2 / rev is placed and a further 8 g of the same powder mixture is poured into the die as a working layer. These three layers were then pressed together at 4-00 ° C. with 9 tons of pressure. Was obtained a round 3 t 6 mm thick electrode. The bond between the pressure and working layer and the intermediate layer is so strong that the layers can only be separated from one another by force. The electrode was also provided with a border made of plexigum; this fixes the intimate contact of the pressure and working layer with the intermediate layer.

Diese Elektrode wurde als Abscheidungselektrode für Sauerstoff unter überdruck betrieben. Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung, Fig. 2 die Abhängigkeit des Potentials von der Stromdichte, gemessen gegen eine gesättigte Kalomelelektrode.This electrode was operated as a deposition electrode for oxygen under positive pressure. Fig. 1 shows schematically the arrangement, 2 shows the dependence of the potential on the current density, measured against a saturated calomel electrode.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 der elektrolytbeständige, gegen den gewählten überdruck unempfindliche Behälter bezeichnet, der zwei Auslaßöffnungen für Sauerstoffgas 8 und Wasserstoffgas 9 aufweist und.die von dem Rahmen 3 aus isolierendem Material umschlossene Sauerstoffabscheidungselektrode, bestehend aus Andrückschicht 5» elektrisch isolierender feinporöser Zwischenschicht 6 und gröber poröser katalytisch aktiver und elektrisch leitender Arbeitsschicht 7fderart aufnimmt, daß ein vom Sauerstoffgasraum 2 völlig getrennter Elektrolytraum 4- vorhanden ist, der an der der Sauerstoffabscheidungselektrode gegenüberliegenden Wand eine Wasserstoff ab Scheidungselektrode 10 aufnimmt.In Fig. 1, the reference number 1 denotes the electrolyte-resistant, the container is insensitive to the selected overpressure and has two outlet openings for oxygen gas 8 and hydrogen gas 9 has und.die enclosed by the frame 3 made of insulating material Oxygen separation electrode, consisting of pressure layer 5 »electrically insulating fine-pored intermediate layer 6 and coarser, porous, catalytically active and electrically conductive working layer 7fderart takes up that one of the oxygen gas space 2 completely separate electrolyte space 4- is present, the hydrogen on the wall opposite the oxygen separation electrode from the separation electrode 10 picks up.

Die in Fig. 1 gezeigten Schichtdicken sind keinesfalls maßstabsgerecht. Die Andrückschicht stellt nur eine mechanische Stütze für die Zwischenschicht dar, die lediglich in engem Kontakt mit der Arbeitsschicht stehen muß. Der Porendurchmesser der Andrückschicht iet deshalb belanglos. Wichtiger ist, daß möglichst große Bezirke-der Zwischenschicht nicht von der Andrückschicht abgedeckt werden. Alle Ionen-Stromfäden, die in der Arbeitsschicht enden, durchziehen auch die Andrück- und die Zwischenschicht. Um den Spannungsäbfall, der bei Stromfluß auftritt, möglichst gering zu halten, wird man diese beiden Schichten so dünn wie möglich halten.The layer thicknesses shown in FIG. 1 are by no means true to scale. The pressure layer is only a mechanical support for the intermediate layer, which is only in close contact with the work shift must stand. The pore diameter of the pressure layer is therefore irrelevant. It is more important that the largest possible areas of the intermediate layer are not covered by the pressure layer will. All ionic current threads that end in the working layer also pass through the pressure and intermediate layers. To the The voltage drop that occurs when the current flows, as small as possible keep these two layers as thin as possible.

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Hier sind aber durch die Forderung nach mechanischer Stabilität Grenzen gesetzt; die erforderliche Mindestdicke liegt etwa in der Größenordnung von 1 mm. Für die Arbeitsschicht ist ebenfalls eine Mindestdicke erforderlich, da auch hier eine gewisse mechanische Stabilität vorliegen muß und außerdem der Strom eine bestimmte Eindringtiefe in die Elektrode hat. Diese hängt von der katalytischen Aktivität der Elektrode ab und liegt zwischen 0,1 und 1 mm. Die Arbeitsschicht kann aber ohne Einfluß auf die elektrochemischen Eigenschaften ebenso wie die Andrückschicht wesentlich stärker gemacht werden, wenn es sich um großflächige Elektroden handelt.But here are due to the requirement for mechanical stability Limits set; the required minimum thickness is approximately in the order of 1 mm. For the work shift is also a minimum thickness is required, since here too a certain mechanical There must be stability and, in addition, the current has a certain penetration depth into the electrode. This depends on the catalytic Activity of the electrode and is between 0.1 and 1 mm. The work shift can, however, have no effect on the electrochemical one Properties as well as the pressure layer are made much stronger when it comes to large-area electrodes.

Außer Asbest sind als Material für die elektrisch isolierende Zwischenschicht alle nicht leitenden Oxide (z«,Bo Al2O, und MgO) oder schwer löslichen Salze (z.B. BaSO^) geeignet, die vom Elektrolyten nicht angegriffen werden. Die nicht leitenden Oxide können auch vermittels des bekannten Flammspritzverfahrens für sich hergestellt oder auf die Arbeite- bzw. Andrückschicht aufgebracht werden.In addition to asbestos, all non-conductive oxides (eg, Bo Al 2 O, and MgO) or sparingly soluble salts (eg BaSO ^) that are not attacked by the electrolyte are suitable as material for the electrically insulating intermediate layer. The non-conductive oxides can also be produced by themselves by means of the known flame spraying process or applied to the working or pressure layer.

Die Verwendung von elektrisch isolierenden Kunststoffschichten ist gleichfalls möglich, wenn man gewisse Nachteile in Kauf nehmen kann. So ist es kaum noch möglich, die Elektroden in einem Arbeitsgang herzustellen; das Aufsintern der Kunststoffschicht muß in der Regel nach dem Herstellen der Arbeitsschicht erfolgen, da die dabei benötigte Arbeitstemperatur normalerweise unter den bei der Herstellung der Arbeitsschicht angewandten Temperaturen liegen muß. Weiterhin ist zu beachten, daß der Kapillardruck in den Poren außer vom Porenradius auch noch vom spezifischen Benetzungswinkel des Elektrolyten abhängt. Da Kunststoffe im Vergleich mit Metallen oder Metalloxiden schlecht benetzbar sind, kann eine Elektrode mit einer Kunststoffschicht nur mit verhältnismäßig geringem Druck betrieben werden, da man sonst den Elektrolyten aus den Poren herausdrückt .The use of electrically insulating plastic layers is also possible if one can accept certain disadvantages. So it is hardly possible to use the electrodes in one operation to manufacture; the sintering of the plastic layer must be in the Usually after the work shift has been completed, as the working temperature required is normally below that during production the temperature applied during the work shift. It should also be noted that the capillary pressure in the pores except the pore radius also depends on the specific wetting angle of the electrolyte. Because plastics compared with metals or metal oxides are poorly wettable, an electrode with a plastic layer can only be used with relatively little pressure otherwise the electrolyte will be squeezed out of the pores .

Auch als Material für die Andrückschicht kommen Kunststoffe wegen ihrer meist unzureichenden mechanischen Stabilität kaum in Betracht . Sie haben im allgemeinen einen niedrigen Erweichungspunkt; die Temperatur des Elektrolyten darf also einen bestimmten Wert nicht überschreiten, ma die Elektrode nicht zu serstören.'· Weiterhin ist es oftmals erwünscht, die Elektrode nach der Herstellung unter Anwendung von Druck und Wärme in einen Kunststoffrahmen einzupressen,Plastics are also used as the material for the pressure layer their mostly inadequate mechanical stability hardly taken into account . They generally have a low softening point; the temperature of the electrolyte may therefore have a certain value do not exceed, do not disturb the electrode. '· Continue it is often desirable to press the electrode into a plastic frame after manufacture using pressure and heat,

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der die Elektrode gasdicht einschließt. Auch dies ist wegen der Temperaturempfindlichkeit einer Elektrodenschicht aus Kunststoff nur unter besonderen Verhältnissen zu verwirklichen.which encloses the electrode in a gas-tight manner. This is also because of the temperature sensitivity of a plastic electrode layer to be realized only under special circumstances.

Wenn die Andrückschicht ebenfalls aus elektrochemisch aktivem Material besteht, kann die Gas-Diffusionselektrode auch als vollständige elektrochemische Zelle Verwendung finden; man hat beobachtet, daß sich derartige Zellen ganz hervorragend für die Druckelektrolyse eignen.If the pressure layer also consists of electrochemically active material, the gas diffusion electrode can also be used as a complete electrochemical cell use; it has been observed that cells of this type are very well suited for pressure electrolysis suitable.

- Patentansprüche -BADORIQINAL Wto98O0/19O2- Patent claims -BADORIQINAL W to98O0 / 19O2

Claims (5)

Seκ.-Nr.. BSF 26a * PatentansprücheSeκ.-Nr .. BSF 26a * patent claims 1. J Gas-Diffusionselektrode für die elektrochemische Auflösung 1. J Gas diffusion electrode for electrochemical dissolution oder Abscheidung von Gasen, gekennzeichnet durch eine elektrochemisch aktive poröse Arbeitsschicht, eine inaktive poröse Andrückschicht und eine zwischen Andrück- und Arbeitsschicht liegende poröse, elektrisch isolierende Zwischenschicht, deren mittlerer Porenradius überall kleiner ist als der mittlere Porendurchmesser der Arbeitsschicht, wobei Andrück- und Zwischenschicht die Arbeitsschicht derart abdecken, daß sämtliche in der Arbeitsschicht endenden Ionen-Stromfäden die Andrück- und die Zwischenschicht durchdringen.or separation of gases, characterized by an electrochemical active porous working layer, an inactive porous pressure layer and a porous, electrically insulating intermediate layer between pressure and working layer, the mean pore radius of which is smaller than the mean pore diameter of the working layer, with the pressure and intermediate layer cover the work shift in such a way that all ion current filaments ending in the work shift and penetrate the intermediate layer. 2. Gas-Diffusionselektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückschicht vorzugsweise aus porösem oder perforiertem Metall besteht.2. Gas diffusion electrode according to claim 1, characterized in that that the pressure layer is preferably made of porous or perforated metal. ?, Gas-Diffusionselektrode nach Anspruch 1, Dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Zwischenschicht aue lyophilem Material besteht.?, Gas diffusion electrode according to claim 1, characterized in that, that the electrically insulating intermediate layer consists of lyophilic material. 4. Gas-Diffusionselektrode nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsschicht als katalytisch aktives Material Raney-Nickel enthält.4. Gas diffusion electrode according to claims 1 to 5, characterized characterized in that the working layer contains Raney nickel as the catalytically active material. 5. Gas-Diffusionselektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis vom Kosinus des Benetzungswinkels des Elektrolyten zum mittleren Porenradius für die Zwischenschicht größer, vorzugsweise doppelt so groß, als für die Arbeitsschicht ist.5. gas diffusion electrode according to claims 1 to 4-, characterized characterized in that the ratio of the cosine of the wetting angle of the electrolyte to the mean pore radius for the intermediate layer is larger, preferably twice as large, than for the work shift is. BAD ORlOMNAl. .A„ ,BAD ORlOMNAl. . A ", L e e r s e i t eL e r s e i t e
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