DE2905754C2 - Bipolare Elektrolysezelle für die Wasserzersetzung - Google Patents
Bipolare Elektrolysezelle für die WasserzersetzungInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Elektrolysezelle nach der Gattung des Anspruchs 1.
Eiektrolysezellen für die Wasserzersetzung unter Verwendung von organischen Feststoffelektrolyten in
Form von Kunststoffpolymer-Folien sind bekannt (z. B.
US-PS 40 39 409 und US-PS 40 57 479). 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 obengenannten 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.
Aus der DE-OS 26 55 070 ist eine Elektrolyseanordnung mit plattenförmigen Elektroden und einer Ionenaustauschermembran
als Feststoffelektrolyt in Kontakt mit einem Anoden- und einem Kathodenkatalysafor bekannt.
Der Plattenumfang ist mit je einer Dichtung abgeschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elek*
trolysezelle für die Wasserzersetzung anzugeben, welche unter Verwendung eines Kunststoffpolymers als
Feststoffelektrolyt bei möglichst einfachem Aufbau und niedrigen Herstellungskosten die .wirtschaftliche Erzeugung
von Wasserstoff unter höherem Druck in größerem
Maßstab gestattet. Die Zelle soll sich durch hohe Stromausbeute, hohen Energiewirkungsgrad und hohe
Betriebssicherheit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen
sind in den Unneransprüchen 2—10 niedergelegt.
Der plattenweise Aufbau von industriellen Elektrolyseanlagen,
im Falle der Wasserzersetzung nach Art der bekannten Filterpressen 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 gesairue 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, weiche von rostfreiem Stahl und Graphit für die bipolaren Platten über Metallgewebe
und Verbundwerkstoffe für die porösen Zwischenschichten bis zu Platinmetallen und deren Oxiden für
Katalysatoren reichen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigt
F1 g. 1 den Querschnitt durch den aktiven Teii einer
Elektrolysezelle mit schichtweisem Aufbau und gesonderter Dichtung,
Fig.2 den Querschnitt durch den aktiven Teil einer
Elektrolysezelle anderer Ausführung ohne gesonderte Dichtung.
In F i g. 1 ist der Querschnitt durch den aktiven Teil einer ersten Ausführung einer Elektrolysezelle mit
schichtweisem Aufbau dargestellt. Die äußeren Armatüren
wie Gefäß. Zuführungs- und Abführungsleitungen für Strom, Flüssigkeiten und Gase etc. sind — da nicht
erfindungswesentlich — der Übersichtlichkeit wegen weggelassen worden. 1 ist je eine abwechslungsweise
als Anode und als Kathode wirkende, aus rostfreiem Stahl oder aus einem Verbundwerkstoff auf Graphitba-
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rungen 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 Anöden-
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 sch'ie-Ben
die als eigentliche Elektroden dienenden fein-porösen Körper 7 und 8 (Anoden- bzw. Kathodenseite) an,
welche aus einem metallischen Gewebe aus Ti, Ta, Pt, Cu, 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. Sulfonsäure (z. B. Handelsname
»Nafion«) bestehende Feststoffelektrolyt 9. Auf der An-■odenseite
(O2-Seite) des letzteren befindet sich der Katalysator 10, welcher in vorteilhafter Weise auf der
Oberfläche des als Katalysatorträger dienenden feinporösen Körpers 7 fest haftend aufgebracht ist. Auf der
Kathodenseite (H2-SeUe) fies Feststoffelektrolyten 9 befindet
sich der Katalysator 11. welcher vorzugsweise als fest haftende Oberflächenschicht im Feststoffelektrolyten
9 verankert ist. Der Katalysator 10 besteht in einer
bevorzugten Ausführung aus einer Mischung von PIatinmetalloxyden,
z. B. 80% IrO2 und 20% RuO2, während
der Katalysator 11 in vorteilhafter Weise aus einem in fein-disperser Form voriiegenden Platinmetall
besteht. Die die Zelle abschließenden Dichtungen IZ beispielsweise aus Polyvinylchlorid oder Tetrafluoräthylen
bestehend, werden dank axial wirkender Spannkräfte durch die bipolaren Platten 1 stirnseitig auf den
als Folie voriiegenden Feststoffelektrolyten 9 gepreßt
In einer bevorzugten Ausführung der Zelle bestehen die bipolaren Platten 1 aus rostfreiem Stahl, die grobporösen Körper 5 und 6 aus einem platzierten Titanblech,
der fein-poröse 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 etrafluoräthylen.
F i g. 2 sieiit den Querschnitt durch de ι aktiven Teii
einer Elektrolysezelle ohne spezielle Dichtung dar. Die äußeren Armaturen sind der Übersichtlichkeit halber
weggelassen worden. 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 auf der Anodenseite (O2-Seite) noch
ein stirnseitiger Isolierring 14 vorgesehen. In der hier voriiegenden Ausführung bilden die bipolaren Platten 1
mit den zugehörigen grob-porösen Körpern 5 und 6 (Fig. !) stofflich eine Einheit, so daß sich die separaten
grob-porösen Körper erübrigen. Zu diesem Zweck bestehen die bipolaren Platten 1 aus einem GraphkVerbundwerkstoff
und sind auf den dt. η anliegenden feinporösen Körpern 7 und 8 zugekehrten Stirnseiten mit
eint.Ti Kanalraster 15 versehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Zelle bestehen die bipolaren Platten 1 aus besagtem Graphit-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 Bronzeoder Messingnetz armierten Graphit-Tetrafluoräthylen-Verbundwerkstoff
aufgebaut ist. Der Feststoffelektrolyt 9 trägt auf der Kathodenseite die fest mit seiner
Oberfläche verwachsene poröse Platinschicht als Kata-Iyate-Ii
Die Vorteile der neuen Zelle bestehen in der gleichmäßigen Wasser- ui;d Stromzuführung zu den Elektroden
und der optimalen Wirkung der Katalysatoren dank ihrer spezifischen Anordnung auf der jeweiligen Trägersubstanz.
Die;- gilt insbesondere für den auf dem Feststoffelektrolyten aufgebrachten kathodenseiiigen
Katalysator, welcher für bestmöglichen Kontakt an der Trennfuge zum feinsporösen Körpersorgt und eine hohe
spezifische Oberfläche hat.
Die Elektrolysezelle eignet sich für die Waserstofferzeugung unter hohen Drücken und kann bis ca. 100 bar
Verwendung finden.
5 | Bezeichnungsliste | = bipolare Platte | i | |
1 | = Längsbohrung für Haltebolzen | I | ||
2 | = Längsbohrung für Wasserzufuhr 5 | 6 ι | ||
3 | = Längsbohrung für Gasabfuhr (H2 und Ö2) ge | I | ||
4 | trennt | I | ||
= grob-poröser Körper Anodenseite | ||||
5 | = grob-poröser Körper Kathodenseite | I | ||
6 | = fein-poröser Körper Anodenseite 10 | |||
7 | = fein-poröser Körper Kathodenseite | |||
S | = Feststoffelektrolyt | |||
9 | = Katalysator Anodenseite | |||
10 | = Katalysator Kathodenseite | |||
11 | = Dichtung 15 | |||
12 | = Wulst | |||
13 | = Isolierring Anodenseite | |||
14 | = Kanalraster | |||
15 | ||||
29 05 754 |
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Claims (10)
1. Bipolare Elektrolysezelle für die Wasserzersetzung mit plattenförmigen Elektroden, einer als Feststoffelektrolyt
dienenden, auf der Basis perfluorierter Sulfosäuren aufgebauten Folie (9), die mit dem
jeweiligen Elektrokatalysator von Anoden- und Kathodenseite in Kontakt steht und die stirnseitig mit
einer Dichtung (12) am ganzen Umfang abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß im
Anschluß an eine bipolare Platte (1) zunächst ein grob-poröser stromleitender Körper (5,6) zur Wasserverteilung
und zum Abfangen von Gas und auf diesem als Katalysatorträger dienende fein-poröse
Körper (7,8) vorgesehen sind.
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 sir'd, derart, daß sich zwei gegenüberliegende
Wulbte (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.
4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der grob-poröse Körper
(5, 6) aus einem platinierten Titanblech oder aus Graphit besteht.
5. Elektrolysezelle nadi Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der ein-poröse Körper (7) auf der Anodenseite aus einem metallischen Gewebe
aus Ti, Ta, Pt und der fein-poröse Körper (8) auf der Kathodenseite aus einem solchen aus 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, da durch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte (1;
und der grob-poröse 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)
• 'sffauf beiden Seiten aus einem platinierten Titanblech
besteht, daß ferner der fein-poröse Körper (7) auf der Anodenseite aus Tantal- oder Titangewebe mit
aufgepreßtem Graphit-Verbundwerkstoff als Katalysatorträger für eine aus 80% IrC>2 und 20% RuO2
als Katalysator (10) dienende Mischung besieht, und
daß der fein-poröse Korper (8) auf der Kathodenseite
aus einem mittels Bronze- oder Messingnetz armierten Graphit-Teirafluoräthylen-Verbundwerkstoff
besteht, wobei der Katalysator (11) auf der Kathodenseite
als fest mit dem Feststoffelektrolyten verbundene poröse Platin-Oberflächenschicht vorliegt
10. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Platte (i) aus einem
Graphit-Verbundwerkstoff mit Kanalrastei (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% IrO2 und 20% RuO2 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 Kathodensseite
als fest mit dem Feststoffelektrolyten (9) verbundene poröse Platin-Oberflächenschicht
vorliegt.
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