DE1667369A1

DE1667369A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE1667369A1
Application number: DE19671667369
Authority: DE
Inventors: Spengler Harold Huber; Kempher Thomas James
Original assignee: Allis Chalmers Corp
Current assignee: Allis Chalmers Corp
Priority date: 1966-02-25
Filing date: 1967-02-23
Publication date: 1971-07-08
Also published as: FR1514487A; US3446725A; GB1139615A; SE330376B

Description

1 R fi 7 ^ R Q

DR. MÜLLER-BORE DIPL.-ING. GRALFS DR. MANITZ

PATENTANWÄLTE

München, den 22.Februar '1967 IFi/Sch - A 98?

NG ÜGMPANY

1126 öoutli 7OtIi Street, West Allis 14, Wisconsin,. United States of America

Elektrolysezelle

JJic? Erfindung betrifft, eine Vorrichtung zur Ausführung ei-acr Elektrolyse, und insbesondere eine Elektrolysenz.eliuii-Einrich"cuag zur Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff aus wäßrigen Elekbxilytlösungen.

üei .der ElektzOlyae von Wasser zur Herstellung von Wasser stoff und Sauerstoff wird ein Gleichstrom durch einc^ alkalinciien, wäßrigen Elektrolyten, der üblicherweise aus eiiior Löcuüg von Ätznatron oder Ätzkali "besteht, kt.' Dabei tritt an der Kathode der negativen

'Wasserstoff und an der Anode oder positiven Kkfcorode iiauex-stoff auf. Eine besonders geeignete Elektrolysezelle" zur Elektrolyse von Wasser ist der i5ipolaronor i^|liltor-)'ref;f;o;at,yp. Diese 2Jellenart besteht aus einer ii<;ui-;',ahl düiJ.iiC'1.' Jiioktrodeiipla'trben, die durch ein x>oröses, ■Ibli'cij.dj.'v/tii:3e axis Asbest bestehendes Diaphragma getrennt Hijfi. Der ö'j'fio-' tiloktrodeii erzeugte Sauerstoff" sov/ie

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der zugehörige Wasserstoff werden durch dieces Diaphragma getrennt. Der Elektrolyt wird jeder der Elektroden kontinuierlich zugeführt, um die bei der Elektrolyse verbrauchte Lösung nachzufüllen und eine optimale Konzentration der Elektroden aufrechtzuerhalten, das heißt, eino Konzentration etwa zwischen 15 bis 45 '/< > Kalium- oder-Natriuinhydroxyd. ü.ie von der Elektrolysezelle erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoff gase werden an der Rückseite der Elektroden itei ui^o. gelangen in die Elektrolytlösung. Aus dieser Elektrolytlö- . sung werden sie dann durch geeignete i'rsimvorfahreri "ausgeschieden. -

Elektrolysezellen dieser Art sind besonders vorteilhaft, da sie relativ kompakt aufgebaut sind und besonder im Vergleich zu Elektrolysezellen' vom (Tanktyp box einer äquivalenten Produktionsleistung xireniger Raum b3iiötig<m.

Der Betrag des in der Elektrolysezelle erseitgren Wasserstoffs und Sauerstoffs ist direkt proportional zuv DiciiOo aec durch den wäßrigen Elektrolyten in der Zelle fließenden Stromes. "Für eine gegebene Stromdichte hänge der Leistungsbedarf der Zelle von der Spannung ab, die erforderlich-ist, ■um diesen Strom durch den wäßrigen Elektrolyten fließen zu lassen. Jeder Faktor, der au" einer'Erniedrigung; der be-

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vj5ΐigt;en iap-anntuag führt, verringert somit den spesifiseilen ±j ei stungs bedarf der Zelle und.'trägt zur Erhöhung; ihrer Betriebsleistung bei.

Ziel der Srfiudung ist die Schaffimg einer Bipolaren jüilektrolysensellen-iSiiirichtiiiig, deren Betriebsleistung durch Verringerung dec Leistungsverbrauches a,er~ Zelle verbessert ist.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Säuerstoff durch Elektrolyse von "Wasser in einer elektrisch gespeisten Elektrolysezelle .vorgesehen,, welche ein Paar poröser, voneinander durch eine mit einem wäßrigen Elektrolyten gesättigte Elektrolyt-Matrix: getrennte -Elektroden,, angrenzend an ^jede der Elektroden eine Kamner und Einrichtungen zur Zuführung frischen Wassers zu ^eder dieser Eammern aufweist, um das bei der Elektrolyse verbrauchte Wasser nachzufüllen, und die gekennzeichnet ist durch ein für den Elektrolyten durchlässig ausgebildetes Edelmetall, das zwischen jeder Elektrode und der Elektrolyt-Matrix angeordnet und mit diesen in Berührung ist.

Vorzugsweise besitzt das Edelmetall die Form eines

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durchlässigen Substrats,- wobei dieses Substrat ein feinmaschiges Gitter sein kann.

Das Edelmetall ist vorzugsweise Platin oder Palladium und kann auch Hodium oder Iridium oder ein anderes zur Gruppe VIII des periodischen Systems gehörendes Metall sein. - - -

Die Erfindung xfird imjfolgenden anhand eines Äusführungs-/ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, wobei die einzige Figur der Zeichnung einen _achematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Zelleneinheit darstellt.

dieser Figur besteht die allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung aus einem Paar gasdurchlässiger Elektroden, nämlich der Kathode 11 und der Jkno&e 12, die. mittels Leitungen 14 und 15 siit eiasr' Gleichstromquelle 13 verbunden si&&, Bie Elektrolyt-Matrix 16 ist zwischen der Kathode 11 und der Anode 1-2 angeordnet» Zwischen den. Elektroden und jeweils in- Berührung mit einer Elektrode und den ge-

dea?

ganüberlifegenden Seiten/Elektrolyt-Matrix ist ein Edel-

- metall in der Form eines durchlässigen Edelmetall Substrats ^8 angebracht, das geeigneterweise aus einem, fein-

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■yv λ -j— ty

maschigen Ede lmet ali besteht.

Die relative Dicke der Elektroden 11 und 12, der Matrix 16 und der durchlässigen Edelmetallsubstrate 1? und 18 ist in der I¹IgUX" übertrieben groß dargestellt, um eine möglichst klare Beschreibung zu ermöglichen. In der gegenwärtig bevorzugten Ausführung si' am kann die Dicke der Elektroden, der Elektrolyt-Katrix und der durchlässigen Edelmetallsubstrate etwa einige zehntel Millimeter betragen, wobei diese Abmessung nicht kritisch ist. Die Elektroden 11 und 12, die Elektrolyt-Hatrix 16 und die durchlässigen Edelmetallsubstrate 17 und 18 sind in keinem Gehäuse 19 angebracht. In dem Gehäuse 19 sind Elektrolyt-Kammern 20 und 21 durchlöchert en Halteständein22 und 23 angebracht. Die Löcher in den Halteständerix 22 und 23 ermöglichen die Speisung der porösen Elektroden mit Elektrolytlösung sowie das Eintreten des an den Elektroden erezeugton Gases in die Elektrolyt-Kammern.

Das ü-uliüuse I9 und die Halteständer 22 und 23 können .aus einem ixa wesentlichen chemisch inerten, wasser- und gaäundurchläfjrsigen Fiaterial bestehen, beispielsweise aus Polytetrcv- £luo:eü,th.yle:a, Polyvinylchlorid und änlichen. Der wäßrige Elektrolyt befindet sich in den Elektrplyb-Kammerix 20 xuid Das an de a Elektroden erzeugte Gas wird von der ElektrolytlÖDurip; wegp;elühx't und entweicht in die Gasräume 24 und 25 über

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den Elektrolytlösungen in den Elektrolytkaniniern 20 und 21 und wird über Leitungen 2"7 und 28 zu geeigneten Speicher-* einrichtungen 29 und 30 geführt. Das bei der Elektrolyse: verbrauchte Wasser wird toe den Wasserspeichereinrichtungen 31 und 32 ersetzt, wobei das Wasser in kontrollierten Mengen den Elektrolyt-Kammern 20 uaä. 21 zugeführt wird» Ventile 33 und 34- regulieren die Wasserzuführung zu den Elektrolyt— Kammern in einem festgelegten Maße derart, daß das bei/ der Elektrolyse verbrauchte Wasser ersetzt wird.

Die bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle verwendeten Elektroden müssen porös sein, sodaß die an den Elektroden erzeugten Gasprodukte abgeführt werden können und frische Elektrolytlösung durch die Elektrolyt-Matrix diffundieren kann. Die bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle vorzugsweise verwendeten Elektroden sind gesinterte ITickelelektroden mit einer Porösität von etwa 80 7o*

Das durchlässige Edelmetallsubstrat, das zwischen den Elektrodenflächen und den gegenüberliegenden Flächen der Elekfcrolyt-Matrix angebracht und mit diesen. Flächen in Kontakt ist, kann ein feiimiaschiges ITeta oder Gewebe des Edelmetalls sein. Geeignete-Edelmetalle sind Platin, Palladium, Rodium und Iridium und "ähnliche Metalle der Gxmppe VIII des x^eriodischen Systems·

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Die Elektrolyt-Matrix ist vorzugsweise .ein fasriges Material mit einem hohen Eapillarpotential, das höher als das der

"Elektroden 11 und 12 ist und vorzugsweise mehr als 7 kg/cm (100 lbs/in ^beträgt. Ein derartiges fasriges Material kann gesponnenes, fasriges Polypropylen oder Asbest sein, wobei Asbest das bevorzugte ]?asermaterial ist.

Geeignete Elektrolyte zur Verwendung in der erfiadungsgemässen Elektrolysiszelle schließen wäßrige Lösungen anorganischer Säuren wie Schwefel säure, Basen wie- Ülkalihydroxyde und ihre Salze ein·

Die Konzentrationen des Elektrolyten ändern sich entsprechend dem speziell verwendeten Elektrolyt ein. ülektrolyÖÖsungen mit "15 bis 45 Gew,% an Alkaliaydroacya» wie ftatrlumhydroxyd oder Ealiumhydroxyd» Bind bevoratagt. 3ft« SlektroXysezell·» kö

im Bereiöli voä 31 bis 94· *

' sind bevöSPärp^gii % wmbl wendet werden, dl« Alkalihydroxyie enthalten. S¹Ur den fach-

erfijad-aagegeHäßen Einheitszellön in Seihe gekajsua, im «ia Hotal oder ßellenpaket %&

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•Gründen der Wirksamkeit -vorzugsweise verwendet.

Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Aus*- fuiirungsb ei spiel beschrieben.

Eine Elektrolysezelle der in der Figur dargestellten Art wurde zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Die Elektroden der Zelle waren poröse, gesinterte Hieke!elektroden mit einer Dicke von 0,762 mm, (0,630 inches) und einer Porosität von 80 % und einer"weirksamen Oberfläche von 1,61 cm² (0,25 in.²). Als Elektrolyt-Matrix wurde eine 0,508 mm (Ό_}020 inches) dicke Asbestfasermatte mit etwa der gleichen Abmessung wie die Elektroden verwendet, wobei diese Matrix mit einer 55 %igen EOH-Iiösung gesättiegt war. Zwischen den Elektroden und der Asbestmatrix und in Berührung mit einer Oberfläche der Elektroden und den gegenüberliegenden Seiten der Asbestmatrix war ein 0,254 mm (0,010 inches) dikkes !Platinnetz mit einer lichten Maschenweite von 0,50 mm (50 mesh) angebracht, Sie Elektroden, die Platinnetze und die iLsbestmatrix waren zur Bildung einer Zelle fest zusammengepreßt * Die den an die Elektroden angrenzenden Kammern zugeführte ElektaaLytIosung.wurde mittels einer zwischen den , zwei Elektroden angelegten Heizspannung elektiolysiert, wobei;eine übliche öleiGkspannungsquelle verwendet wurde» Die JLrbeitsspannungen, die Strömdichten im. Bereich von 0,6 Am«

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' - - .. BAU ORIGINAL

ρ ρ

pore bis 10 Ampere/cm (576 bis 9216 amps/ft ) entsprechen, wurden "bei einer Temperatur von 38⁰O (100⁰F) gemessen und in die nachstehend angeführte Tabelle eingetragen (zweite Spalte der Tabelle).

Zur Gegenüberstellung wurde die Elektrolyse in/ einer zweiten Heihe von Elektrodenmessungen wiederholt, nachdem das Platinnetz aus der Zelle entfernt wurde.

Zur Schaffung '-reit er er Yergleichsmöglichkeiten wurde die Elektrolyse in einer dritten Reihe von Elektrodenmessungen wiederholt, nachdem das Platinnetz und die Nickelelektroden durch gesinterte, poröse Elektroden ersetzt wurden, die mit

ρ ρ

einem Niederschlag von $,-1- mg/cm (20mg/in ) Platinschwarz

2 2

und 3,1 mg/cm (20mg/in ) Palladiumschwarz auf der Oberfläche ersetzt wurden.

Schließlich wurde sum weiteren Vergleich die Elektrolyse in oiiior· vierben T^ihe von Elektrodenmessungen wiederholt, nachdem darj Platinneta durch ein 0,508 mm (0,020 inches) dicken Iiicir.ol.aeta mit einer lichten Haschenweite von 0,59 ΏΐΒΐ (30 mesh) ersetzt wurde.

Die Arbeit; π spannungen der bei der zweit en, dritten und Reihe von Elektrodonmessungen mit .veränderten

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.-■ 10 -

• Stroindichten sind Jex^eils in den Spalten 3, 4 und 5 der Tabelle angegeben.

Stromdichte (A/cm²;

0,62
1,24
1,85
2,50
3,10
3,71
4,34
4,95

6,19
7,42
8,66
9,90

576

1718 2304 2880 3456 4032 4608 5184 5760 6912 8064 9216

TABEKEE

Zellen-Arbeitsspannung (YoIt) 2 3 /j-

Zelle mit kein Platin- Pd/Pt

kein Platin- _Fu/Ft Zelle ra. Platinnetz netz i.d. Zelle katalysier be Mckelnet:

JYi Elektrodaa

2.20

2.65 2.90

3.15 3.3O 3.40 3.50 3.6O 3.60

3-7 3.8

3-95 4.5

2.70 3.17 3.50 3.72 3.98 4.22 4.40 4.55 4.70 4.80

2.	■ 70
2.	12
3.	22
4.	50
4.	65
4.	80
4.	90
4.	97
4.	2
5.	5
5.	73
5.

2.	eo
3.	55
4.	00
4.	4
4.	6
4.	7
4.	9
5.	1
5.	3
5.	65

Aus der vorstehenden 'fabeile ist sofort ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Elektrolysenzelle^ {Spalte-"2 der l'abelle) gegenüber gleichwertigen Kontrollaellen (Spalten >· bis 5 der i'aüolie),

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BAD OBIGlMAL

bei denen zwischen den porösen Elektroden und der Elektrolyt-Hatrix kein tlatinnetz angeordnet war, mit wesentlich niedri-•geren Spannungen arbeiten. Eine derartige Spannungsverringerung für die Zelle ist gleichbedeutend mit einer wesentlichen Verringerung des Energieverbrauchs der Zelle bei einer gegebenen Stromdichte und.ste3.lt' somit eine Erhöhung der Betriebsleistung der Zelle dar»

- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff xind Sauerstoff durch die Elektrolyse, von Wasser in einer elektrisch gespeisten Elektrolysezelle mit einem Paar poröser Elektroden, die voneinander durch eine mit einem wäßrigen Elektrolyten gesättigte Elektrolyt-Matrix getrennt sind,- einer an jede der Elektroden angrenzenden Kammer -und Einrichtungen zur Zuführung frischen Wassers.zu. jeder Kammer, um.das bei der Elektrolyse verbrauchte Wasser zu ersetzen, g e ken nz e i ohne t durch ein für den Elektrolyten durchlässig ausgebildetes Edelmetall, das zwischen jeder Elektrode und der Elektrolyt-Matrix angebracht und mit der jeweiligen Elektrode und der Elektrolyt-Matrix in Berührung ist.

2. Vorrichtung nach Anspäruch 1, dadurch g e k e η η ζ eic h net, daß das Edelmetall in der Form eines durchlässigen Substrats ist. . . , . >.-' ' · : ■

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeich-η et , daß das druchlässige Substrat ein feinmaschiges Netz ist.

4·. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1,2,3, dadurch g e k e η el- i zeichne t , daß das Edelmetall ein Metall der Gruppe

- VIII des periodischen Systems ist.

^lj. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch ge k e η η ζ e i c hn e t , daß das Edelrae"ball Platin ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die porösen Elektroden aus gesintertem Hiekel "bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeic hn e t , daß das gesinterte Nickel eine Porosität von 80 /b hat. ■ ■..

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet , daß der wäßrige Elekbrolyt eine wäßrige Lösung von Kaliumliydroxyd ist»

9» Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e miz e i c h η e t , daß die Elektrolyt-Matrix aus Asbestfasern besteht.

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I ee r s e i t e