DE1546719C - Verfahren zur Leistungssteigerung von in flussigem Elektrolyten beidseitig betreibbaren Gas Diffusionselektroden - Google Patents

Description

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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, das bei Der Nachteil der bekannten Maßnahmen liegt dem-

Verwendung flüssiger Elektrolyte die Polarisation ver- nach darin, daß die Spülung der Elektroden nicht mindert und die elektrische Leistung beidseitig betreib- kontinuierlich erfolgen kann. Damit treten — von den barer Gas-Diffusionselektroden von Brennstoffelemen- apparativen Aufwendungen einmal abgesehen — auch ten und anderen elektrochemischen Zellen wie Meß- und 5 noch periodische Schwankungen in der von der Brenn-Bezugselementen, Metall/Luft-Elementen und Zeilen Stoffbatterie abgegebenen Leistung auf. für die Deuterium-Anreicherung gleichmäßig erhöht. Besonders geeignet zur Auflösung von Gasen sind

Übliche Gas-Diffusionselektroden bestehen zumin- beidseitig betreibbare Gas-Diffusionselektroden. Ein dest aus einer porösen, aktiven Schicht, in der unter der bestimmter Typ, die sogenannten »Janus-Elektroden«, Wirkung eines Katalysators eine chemische Reaktion io bestehen aus einer grobporigen Gasleitschicht, auf die abläuft, die unmittelbar elektrische Energie liefert. beidseitig je eine Arbeits- und nachfolgend eine fein-Unter der Wirkung der Kapillarkräfte dringt Elektro- porige Deckschicht aufgebracht ist; die Schichten lyt in die Poren der katalytisch aktiven »Arbeits«- werden durch Sintern miteinander vereinigt. Der Gas-Schicht ein, die aber durch Erhöhung des Gasdrucks leitschicht wird das Reaktionsgas zugeführt und in den wieder freigeblasen werden können, wenn eine auf die 15 Arbeitsschichten unter gleichzeitiger Abführung even-Arbeitsschicht aufgebrachte feinerporige Deckschicht tuell vorhandener Inertgase umgesetzt. In manchen das Entweichen des Gases in den Elektrolytraum ver- Fällen kann man auf die Gasleitschicht verzichten; die hindert. Elektrode besteht dann aus einer Arbeitsschicht mit

Notwendig für die elektrochemische Nutzung von beidseitig aufgebrachten Deckschichten. Gasen ist das Vorhandensein einer Dreiphasengrenze ao Trotz Vorgabe einer relativ grobporigen Struktur Gas/Elektrode/Elektrolyt, die sich .überall an den der mittleren Schicht läßt sich jedoch das oben ge-Ubergangsstellen zwischen gaserfüllten und elektrolyt- schilderte Verfahren der Zuführung von frischem erfüllten Poren einstellt. Bei der Inbetriebnahme der Elektrolyt in die gasführenden Schichten nur schlecht Elektrode muß der elektrische Strom innerhalb der durchführen, weil es nicht gelingt, die Flüssigkeit den Poren von den Ionen des dort befindlichen Elektro- 25 Arbeits- und Deckschichten gleichmäßig zuzuführen, lyten transportiert werden. Die unterschiedliche Be- Dieser Nachteil tritt zu den schon erwähnten hinzu, weglichkeit der Ionen und die träge Diffusion der neu- Es wurde nun überraschend gefunden, daß man die

tralen Teilchen in den engen Kanalporen verursacht Poren von unter Gasdruck stehenden, elektrisch beein Konzentrationsgefälle von der Mündung der Deck- lasteten, doppelseitig betreibbaren Gas-Diffusionsschichtporen in den freien Elektrolytraum bis zu den 30 elektroden in wirksamer Weise mit frischem Elektrolyt Dreiphasengrenzzonen in der Arbeitsschicht. Dieses versorgen kann, wenn die als Trennwand zwischen Gefälle führt zu einer sogenannten Konzentrations- zwei Elektrolyträumen angeordnete Elektrode durch polarisation und bewirkt überdies im alkalischen Erzeugung eines Druckgefälles zwischen diesen Räu-Elektrolyten an der Wasserstoffelektrode, im sauren men ständig oder zeitweise vom Elektrolyten durchElektrolyten an der Sauerstoffelektrode das Auftreten 35 strömt wird.

sogenannter Grenzströme. Diese Grenzströme ver- Diese Möglichkeit der Elektrolytversorgung war inmindern die Leistungsfähigkeit der Elektroden be- sofern nicht vorherzusehen, da nach bisher allgemein trächtlich. geltender Auffassung die unter Gasdruck stehende

Es ist bekannt, daß man die Konzentrationspolari- Arbeitsschicht ausschließlich vom Gas erfüllt und dessation und gleichzeitig damit das Auftreten eines 40 halb elektrolytfrei sein sollte.

Grenzstromes verhindern kann, wenn frischer Elektro- Gegenüber dieser herrschenden Meinung zeigte sich

lyt an die Dreiphasengrenze gebracht wird. Die Maß- jedoch, daß. die beiden Elektrolyträume mittels Arbeitsnahme genügt nicht, den Elektrolyten parallel zu den . und Gasleitschichten durchquerender Elektrolytfilme Elektrodenoberflächen strömen zu lassen, wie es bei- verbunden sind. Diese Elektrolytfilme führen offenbar spielsweise in der deutschen Patentschrift 1150053, 45 bis in unmittelbare Nähe der Reäktionszonen und insbesondere in den Fi g. 3 a und 3 c gezeigt ist. transportieren dann frischen Elektrolyten in diese

In der belgischen Patentschrift 624131 wurde Bereiche, wenn man durch Erzeugung eines Druckbereits beschrieben, durch Hin- und Herbewegung des gefälles eine Strömung in ihnen hervorruft. Elektrolyten in den Poren der Elektrode die Zusam- Der bei diesen Elektroden übliche Druck der Be-

mensetzung des Elektrolyten im Porensystem kon- 50 triebsgase reicht keineswegs aus, die Transportfilme zu stanter zu halten und die Konzentrationspolarisation unterbrechen. Es werden also während des Betriebes zu reduzieren. gerade diejenigen Bereiche der Elektrode mit frischem

Aus der deutschen Patentschrift 1164 525 ist ein Elektrolyten gespült, in denen bei elektrischer Be-Verfahren zur Polarisationsverminderung bekanntge- lastung ein Konzentrationsgefälle auftritt. Da die Dreiworden, das darauf beruht, frischen Elektrolyt in den 55 phasengrenzzonen während der Spülung erhalten Gasraum zu bringen und unter Ausnutzung der Druck- bleiben, braucht die Elektrode nicht abgeschaltet zu differenz zwischen Elektrolyt- und Gasraum durch die werden.

Elektrode in den Elektrolytraum zu fördern. Diese Beim Betrieb einer Batterie werden nacheinander

Maßnahme beseitigt weitgehend das Konzentrations- Elektroden unterschiedlicher Polarität vom Elektrogefälle in den Poren. Während des Durchströmens 60 lyten durchflossen. Es stellte sich daher die Frage, ob können sich allerdings die zur Stromlieferung not- nicht die Elektroden durch das im Elektrolyten gelöste wendigen Dreiphasengrenzzonen im Innern der Elek- Betriebsgas ihrer Nachbarelektroden polarisiert wertrode nicht einstellen. Die Elektrode kann nur dann den. Die Untersuchungen ergaben, daß derartige weiterbelastet werden, wenn sie eine genügend große Polarisationserscheinungen verschwindend klein und Kapazität besitzt, d. h., ausreichende Gasmengen von 65 deshalb einer Messung praktisch nicht zugänglich sind. der Arbeitsschicht sorbiert worden sind. Üblicherweise Die Gründe dafür liegen einmal in der geringen Lösmüssen die Elektroden während der Spülung abge- Iichkeit von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser und crboUr* werfen erst recht in konzentrierten Lausen, wie sie als Elektro-