DE2905754A1 - Elektrolysezelle fuer die wasserzersetzung - Google Patents
Elektrolysezelle fuer die wasserzersetzungInfo
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Description
BBC Baden
Elektrolysezelle für die Wasserzersetzung
Die Erfindung geht aus von einer Elektrolysezelle nach der Gattung des Anspruchs 1.
Elektrolysezellen für die Wasserzersetzung unter Verwendung von organischen Feststoffelektrolyten in Form von
Kunststoffpolymer-Folien sind bekannt (z.B. US-PS 4 039 409
und US-PS 4 057 479). Die vielschichtigen Probleme der
Wasser- und Stromzufuhr, des Kontaktes mit dem Feststoffelektrolyten und der Gasabfuhr versucht der Hersteller
durch entsprechende Materialauswahl und konstruktive Gestaltung
zu lösen. Da kein einzelnes Material die genannten Bedingungen auch nur annähernd optimal erfüllt, ist
man in der Regel auf Verbundkonstruktionen und Kompromisse angewiesen.
Die Bedingungen nach gleichmässiger Stromverteilung sowie
Benetzung der Feststoffelektrolyt-Folie auf ihrer gesamten
Oberfläche sowie ein inniger Kontakt der letzteren mit den eigentlichen Elektroden werden von den oben genannten Ausführungen
nur teilweise erfüllt. Für Laboratoriumszwecke und kleine Dimensionen mögen derartige Konstruktionen genügen,
für grossflächige Elektrolysezellen von industriellen Anlagen hingegen dürften sie entsprechende Modifikationen
erfordern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle für die Wasserzersetzung anzugeben, welche unter Verwendung
eines Kunststoffpolymers als Feststoffelektrolyt
bei möglichst einfachem Aufbau und niedrigen Herstellungskosten die wirtschaftliche Erzeugung von Wasserstoff unter
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höherem Druck in grösserem Masstab gestattet. Die Zelle
soll sich durch hohe Stromausbeute, hohen Energiewirkungsgrad und hohe Betriebssicherheit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
Der plattenweise Aufbau von industriellen Elektrolyseanlagen, im Falle der Wasserzersetzung nach Art der bekannten
Pilterpressen ist an sich durch die Natur der Sache vorgegeben. Es handelt sich nun darum, für eine möglichst
gleichmässige Verteilung von Strom und Wasser und eine möglichst gleichmässige Gaserzeugung über die gesamte
Oberfläche zu sorgen. Im vorliegenden Fall wird dies durch gezielten, abgestuften schichtweisen Aufbau der einzelnen
Bauelemente erreicht. Je nach Funktion bieten sich dabei verschiedene Materialkombinationen an, welche von rostfreiem
Stahl und Graphit für die bipolaren Platten über Metallgewebe und Verbundwerkstoffe für die porösen Zwischenschichten
bis zu Platinmetallen und deren Oxyden für Katalysatoren reichen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 den Querschnitt durch eine Elektrolysezelle mit schichtweisem Aufbau und gesonderter Dichtung,
Fig. 2 den Querschnitt durch eine Elektrolysezelle anderer Ausführung ohne gesonderte Dichtung.
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In Fig. 1 ist der Querschnitt durch eine erste Ausführung einer Elektrolysezelle mit schichtweisem Aufbau dargestellt.
1 ist je eine abwechslungsweise als Anode und als Kathode wirkende, aus rostfreiem Stahl oder aus einem Verbundwerkstoff
auf Graphitbasis bestehende bipolare Platte, welche mit Längsbohrungen 2 für die axialen Haltebolzen,
mit Längsbohrungen 3 für die Wasserzufuhr sowie mit Längsbohrungen 4 für die Gasabfuhr versehen ist. Die Längsbohrungen
4 sind gegenseitig innerhalb derselben Platte versetzt angeordnet, fluchten jedoch derart mit der nächstfolgenden
Platte, dass durchgehende Kanäle für das getrennte Auffangen von Sauerstoff und Wasserstoff gebildet werden.
5 und 6 sind grob-poröse Körper auf der Anoden- bzw. Kathodenseite,
welche für eine erste Wasserverteilung sorgen und dem Abfangen der Gase sowie der Stromzuleitung zu den
eigentlichen Elektroden dienen. Die grob-porösen Körper 5 und 6 bestehen aus platiniertem Titanblech oder aus Graphit.
Daran schliessen die als eigentliche Elektroden dienenden fein-porösen Körper 7 und 8.(Anoden- bzw. Kathodenseite)
an, welche aus einem metallischen Gewebe aus Ti, Ta, Pt, Gu, Bronze oder Messing oder aus einem Verbundwerkstoff auf
der Basis von Tetrafluoräthylen mit Metallnetz-Armierung bestehen können. In einer bevorzugten Ausführung besteht
der fein-poröse Körper 7 auf der Anodenseite aus einem Tantal- oder Titangewebe mit aufgepresstem Graphit-Verbundwerkstoff
als Katalysatorträger. In der Mitte der Zelle befindet sich der aus einem Kunststoffpolymer, bevorzugt aufgebaut
auf der Basis perfluorierter Sulfosäuren (z.B. Handelsname "Nafion" von Du Pont) bestehende Feststoffelekrrolyt
9. Auf der Anodenseite (O_-Seite) des letzteren befindet
sich der Katalysator 10, welcher in vorteilhafter Weise auf der Oberfläche des als Katalysatorträger dienenden
fein-porösen Körpers 7 fest haftend aufgebracht ist. Auf
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der Kathodenseite (H -Seite) des Feststoffelektrolyten 9
befindet sich der Katalysator 11, welcher vorzugsweise als fest hafende Oberflächenschicht im Feststoffelektrolyten 9
verankert ist. Der Katalysator 10 besteht in einer bevorzugten Ausführung aus einer Mischung von Platinmetalloxyden,
z.B. 80 % IrO2 und 20 % RuOp, während der Katalysator 11 in
vorteilhafter Weise aus einem in fein-disperser Form vorliegenden Platinmetall besteht. Die die Zelle abschliessenden
Dichtungen 12, beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Tetrafluoräthylen bestehend, werden dank axial wirkender
Spannkräfte durch die bipolaren Platten 1 stirnseitig auf den als Folie vorliegenden Feststoffelektrolyten 9 gepresst
.
In einer bevorzugten Ausführung der Zelle bestehen die bipolaren Platten 1 aus rostfreiem Stahl, die grob-porösen
Körper 5 und 6 aus einem platinierten Titanblech, der feinporöse Körper 7 auf der Anodenseite aus einem Tantalgewebe
mit einer aufgepressten Mischung aus Graphit und Tetrafluoräthylen als Träger für den Katalysator 10 und der
fein-poröse Körper 8 auf der Kathodenseite aus einem Messinggewebe mit einer aufgepressten Mischung aus Graphit
und Tetrafluoräthylen.
Fig. 2 stellt den Querschnitt durch eine Elektrolysezelle ohne spezielle Dichtung dar. Der Aufbau kann grundsätzlich
der gleiche wie unter Fig. 1 beschrieben sein. Im Unterschied zu letzterer weist jedoch hier jede der bipolaren
Platten 1 einen Wulst 13 auf, welcher die Zelle am Umfang abschliesst und durch stirnseitiges Zusammenpressen des
Randes des Feststoffelektrolyten 9 die Dichtung gewährleistet.
Um korrosive Erscheinungen und elektrolytische Nebenwirkungen an der bipolaren Platte 1 zu vermeiden, ist
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auf der Anodenseite (O_-Seite) noch ein stirnseitiger Isolierring
I^ vorgesehen. In der hier vorliegenden Ausführung bilden die bipolaren Platten 1 mit den zugehörigen grobporösen Körpern 5 und 6 (Fig. 1) stofflich eine Einheit,
so dass sich die separaten grob-porösen Körper erübrigen. Zu diesem Zweck bestehen die bipolaren Platten 1 aus einem
Graphit-Verbundwerkstoff und sind auf den den anliegenden
fein-porösen Körpern 7 und 8 zugekehrten Stirnseiten mit einem Kanalraster 15 versehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Zelle bestehen die bipolaren Platten 1 aus besagtem Grahpit-Verbundwerkstoff
und weisen einen Kanalraster 15 auf, während der fein-poröse
Körper 7 auf der Anodenseite aus Tantal- oder Titangewebe besteht, welches den Katalysator 10 (80 % IrO2/20 % RuO2)
trägt, wogegen der kathodenseitige fein-poröse Körper 8
aus einem mittels Bronze- oder Messingnetz armierten Graphit-Tetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff
aufgebaut ist. Der Feststoffelektrolyt 9 trägt auf der Kathodenseite die fest mit seiner Oberfläche verwachsene poröse Platinschicht als
Katalysator 11.
Die Vorteile der neuen Zelle bestehen in der gleichmässigen Wasser- und Stromzuführung zu den Elektroden und der optimalen
Wirkung der Katalysatoren dank ihrer spezifischen Anordnung auf der jeweiligen Trägersubstanz. Dies gilt
insbesondere für den auf dem Feststoffelektrolyten aufgebrachten
kathodenseitigen Katalysator, welcher für bestmöglichen Kontakt an der Trennfuge zum fein-porösen Körper
sorgt und eine hohe spezifische Oberfläche hat.
Die Elektrolysezelle eignet sich für die Wasserstoffer-
zeugung unter hohen Drücken und kann bis ca. 100 bar Verwendung finden.
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Bezeichnungsliste
1 = bipolare Platte
2 = Längsbohrung für Haltebolzen
3 = Längsbohrung für Wasserzufuhr
4 = Längsbohrung für Gasabfuhr (H und 0 ) getrennt)
5 = grob-poröser Körper Anodenseite
6 = grob-poröser Körper Kathodenseite
7 = fein-poröser Körper Anodenseite
8 = fein-poröser Körper Kathodenseite
9 = Peststoffelektrolyt
10 = Katalysator Anodenseite
11 = Katalysator Kathodenseite
12 = Dichtung
13 = Wulst
14 = Isolierring Anodenseite
15 = Kanalraster
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Claims (1)
- 7/79BBC Aktiengesellschaft Br/dhBrown, Boveri & Cie.
Baden (Schweiz)Patentansprüche1. Elektrolysezelle mit Feststoffelektrolyt aus Kunststoffpolymer für die Wasserzersetzung, dadurch gekennzeichnet, dass für die Strom- und Wasserzufuhr sowohl auf der Anoden- wie auf der Kathodenseite je eine abwechslungsweise als Anode und als Kathode wirkende bipolare Platte (1) und daran anschliessend je ein grob- (5, 6) und je ein fein-poröser (7j 8) Körper vorgesehen ist und dass sich der als Folie auf der Basis perfluorierter Sulfosäuren aufgebaute Feststoffelektrolyt (9) unter Zwischenschaltung je eines Katalysators (10, 11) zwischen den fein-porösen Körpern (7, 8) befindet und gegen die bipolaren Platten (1) zu stirnseitig mit einer Dichtung (12) am ganzen Umfang abgeschlossen ist.2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolaren Platten (1) in der Nähe ihres Umfanges stirnseitig mit einem umlaufenden Wulst (13) rechteckförmigen Querschnitts versehen sind, derart, dass sich zwei gegenüberliegende Wulste (13) benachbarter bipolarer Platten (1) unter Zwischenschaltung der Feststoffelektrolyt-Folie (9) und eines Isolierringes (14) auf der Anodenseite gegenseitig aufeinander abstützen und mit letzteren zusammen die Dichtung der Zelle bilden.3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Platte (1) aus rostfreiem Stahl oder aus einem Graphit-Verbundwerkstoff besteht.^. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der grob-poröse Körper (5> 6) aus03NM30/05277/79 BBC Baden ' ' *einem platinierten Titanblech oder aus Graphit besteht.5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der fein-poröse Körper (7, 8) aus einem metallischen Gewebe aus Ti, Ta, Pt, Cu, Bronze oder Messing oder aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis von Graphit und Tetrafluoräthylen mit Metallnetz-Armierung besteht.6. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Platte (1) und der grobporöse Körper (5, 6) stofflich eine Einheit bilden, welche aus einem Graphit-Verbundwerkstoff mit stirnseitigem Kanalraster (15) besteht.7. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anodenseite ein aus einem Tantal- oder Titangewebe mit aufgepresstem Graphit-Verbundwerkstoff als Katalysatorträger bestehender fein-poröser Körper (7) vorgesehen ist.8. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kathodenseite ein mit der Oberfläche des Feststoffelektrolyten fest verwachsener, in fein-disperser Form vorliegender, aus einem Platinmetall bestehender Katalysator (11) vorgesehen ist.9. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Platte (1) aus rostfreiem Stahl und der grob-poröse Körper (5, 6) auf beiden Seiten aus einem platinierten Titanblech besteht, dass ferner der fein-poröse Körper (7) auf der Anodenseite aus Tantal- oder Titangewebe mit aufgepresstem Graphit-03ÜC30/0527BBC Baden 7/7QVerbundwerkstoff als Katalysatorträger für eine aus 80 % Ir Op und 20 % Ru 0» als Katalysator (10) dienende Mischung besteht, und dass der fein-poröse Körper (8) auf der Kathodenseite aus einem mittels Bronze- oder Messingnetz armierten Graphit-Tetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff besteht, wobei der Katalysator (11) auf der Kathodenseite als fest mit dem Peststoffelektrolyten verbundene poröse Platin-Oberflächenschicht vorliegt.10. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bipolare Platte (1) aus einem Graphitverbundwerkstoff mit Kanalraster (15) als Einheit mit dem grob-porösen Körper (5, 6) besteht, dass ferner der fein-poröse Körper (7) auf der Anodenseite' aus Tantal- oder Titangewebe als Katalysatorträger für eine aus 80 % Ir 0 und 20 % Ru 0 als Katalysator (10) dienende Mischung besteht, und dass der fein-poröse Körper (8) auf der Kathodenseite aus einem mittels Bronze- oder Messingnetz armierten Graphit-Tetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff besteht, wobei der Katalysator (11) auf der Kathodenseite als fest mit dem Peststoffelektrolyten (9) verbundene poröse Platin-Oberflächenschicht vorliegt.0;;. :. π / η R
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