DE3041823A1

DE3041823A1 - Elektrolysezelle mit elektrolytdurchstroemter zwischenkammer

Info

Publication number: DE3041823A1
Application number: DE19803041823
Authority: DE
Inventors: Bernd Dieter Dipl.-Phys. Dr. 5163 Langerwehe Struck
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1982-05-13
Also published as: DE3041823C2

Description

Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter Zwischen-
kammer Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle zur Produktion von Wasserstoff und Schwefelsäure aus Wasser und Schwefeldioxid mit einer elektrolytdurcllströmten Zwischenkammer, die den Anoden- vom Kathodenraum trennt: und von Separatoren in Form von Ionenaustauschermembranen begrenzt wird. Die Erfindunq bezieht sich insbesondere auf eine solche Elektrolysezell(?, die im Rahmen eines sogenannten "Schwefelsäure-Hybrid-Kre?isprozesses" mit möglichst wirtschaftlicher Erzeugung von Wasserstoff Anwendung finden soll.
Neuere Energiekonzepte ziehen Wasserstoff als Enernieträger in Betracht, dessen möglichst wirtschaftliche Gewinnung intensiv untersucht wird. Als eine interessante Herstellungsweise wird dabei die elektrolytische Abscheidung von Wasserstoff aus wäßriger Schwefelsäure mit anodischer Oxidation von Schwefeldioxid zum Schwefeltrioxid angesehen, das bei erhöhter Temperatur durch katalytische Spaltunq in Schwefeldioxid mit Sauerstoffentwicklung zurückçsewandelt wird.
Ein wesentliches Anliegen dieses Prozesses ist wiederum eine möglichst störungsfreie Elektrolyse unter (aiinstigen energetischen Bedingungen, d.h. bei möglichst geringer Zellspannung und unter Vermeidung des Transnortes von Schwefeldioxid in den Kathodenraum.
Um dieser letztgenannten Störung vorzubeugen, wurde von der Anmelderin bereits ein Verfahren entwickelt, bei dem der Anoden- vom Kathodenraum durch eine elektrolytdurchströmte Zwischenkammer getrennt wird, die durch zwei Separatoren begrenzt ist. In einer Weiterentwicklung wurden als Separatoren für eine solche Dreikammerzelle spezielle Ionenaustauschermembranen vorgeschlagen; deren Eigenleitfähikei relativ hoch ist und eine geringe Abhängigkeit von der Schwefelsäurekonzentration zeigt.
Eine weitere Verbesserung des genannten Verfahrens kann durch einen möglichst engen Kontakt der Elektroden oder Kollektoren mit den angrenzenden Separatoren der Zwischenkammer erzielt werden. Dabei treten jedoch Schwierigkeiten auf, da die mechanische Stabilität. der Separatoren nicht sehr hoch ist, so daß die Anwendung erhöhter Anpreßdrucke praktisch ausscheidet. Hier Abhilfe zu schaffen, ist Aufgabe der Erfindunq.
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe daher kcnnzeicnet durch ein die gesamte Zwischenkammer ausfüllendes poröses Stützgerüst aus Graphit zwischen den Separatoren.
Vorzugsweise werden die Separatoren mit unmittelbar daran angrenzenden Elektroden an das die gesamte Zwischenkammer ausfüllende poröse Stützgerüst aus Graphit angepreßt, das eine möglichst hohe durchgehende (offene) Porosität hat; so daß die Zwischenelektrolytströmung nicht unzulässig gehemmt wird. Bewährt hat sich Graphitfilz mit etwa 95 % Porosität. Zweckmäßigerweise sollte die durchgehende Porosität des verwendeten Graphitmaterials bei mindestens 80 % liegen.
Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle können die Elektroden auf die Separatoren aufgepreßt bzw. gegen die Separatoren gepreßt werden, wobei infolge der mechanischen Versteifung durch das Stützgerüst relativ hohe Anpreßdrücke anwendbar sind. Gleichzeitig wird der Ohmsche Widerstand der Elektrolysezellen durch den geringen spezifischen Widerstand von Stützgerüsten aus gut benetzbarem Graphit niedrig gehalten.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Arbeitsweise läßt sich am besten anhand eines Ausführungsbeispiels zeigen, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung beschrieben wird. Diese zeigt schematisch eine zylindrische Dreikammerelektrolysezelle (im Schnitt).
Diese im wesentlichen achssymmetrisch aufgebaute Zelle wird durch äußere Kunststoffscheiben (z.B. aus Polyvinylidenfluorid) 1 und 2 zusammengehalten, an die sich nach innen zu die aus Graphit bestehenden Gehäusehälften 3 und 4 anschließen. Zwei Kupferringe 5 und 6 verstärken den Graphit und bilden gleichzeitig Stromanschlüsse. Die Gehäusehälften 3 und 4 mit den Kupferringen 5 und 6 sind durch die Zwischenkammer aus Kunststoff mit Stützgerüst 12 elektrisch voneinander getrennt. Die Kathode 7 und die Anode 8 sind als Durchflußelektroden ausgebildet und liegen an den als Kationenaustauschermembranen ausgebildeten Separatoren 9 und lo an, welche die Zwischenkammer 11 begrenzen.
Die Zuführung der Elektrolytströme ist auf der Zeichnung angegeben.
Die Separatoren 9 und 1o zwischen den einzelnen Zellkammern waren Kationenaustauschermembranen vom Typ NEOSEPTA C 66-5T, auf denen als Kathode ein nlatinierter.
C;rapkitfilz und als Anode ein Graphitfilz auflagen.
Zwischen den parallelen Membranen wurden als Sttzgerüst verschiedene porose Materialien angebracht. Der Membranabstand betrug 5 mm. Als Elektrolyt diente So gew.%-ige Schwefelsäure in der Kathodenkammer, So gew.%-ige Schwefelsäure + o,i5 gew.% HJ (als Homogenkatalysator) @ SO2 (gesä@tigt, 1 har) in der Anode kämmer und @0 bis gew.%-ige Schwete@sau@@ in d@@ Zwischenkammer. Die Temperatur lag bei 9o0C.
Aus den Strom - Spannungscharakteristiken der Elektrolysezelle und der einzelnen Eiektrodtn (setzen eine Vergleichselektrode gemessen) wurde der Ohmsche innenwiderstand der Elektrolysezelle berechnet. Dieser besteht im wesentlichen aus den Widerständen der Kationenaustauschermembranen, dem Widerstand des Elektrolyten in der Zwischenkammer und aus den Ubergangswiderständen, die durch geringen Anpreßdruck der Elektroden auf die Membranen oder der Kollektoren auf die Elektroden entstehen. Durch Anwendung des in der Zwischenkammer gleichmäßig verteilten Stützgerüstes wird der Ohmsche Widerstand der elektrolytdurchflossenen Zwischenkammer erhöht. Bei Verwendung eines Graphitfilzes mit ca. 95% freiem Volumen als Stützgerüst wird der Ohmsche Innenwiderstand jedoch nur so erhöht, daß die durch Aufpressen der Elektroden bzw.
Kollektoren auf die Kationenaustauschermembranen erzielte Verminderung des Ohmschen Innenwiderstandes die durch die Verwendung des Stützgerüstes bedingte Erhöhlung des Innenwiderstandes kompensiert. So beträft der Ohmsche Widerstand der Elektrolysezelle ohne Stützgerüst ca. 1 Ohm.cm2 und mit Stützgerüst aus Graphitfilz ebenfalls ca. 1 Ohm cm². Die Elektrolysespannung bei einer Stromdichte von loo mA/cm² vermindert sich gleichzeitig von 625 mV auf 565 mV, bedingt durch die verbesserte katalytische Wirkung des als Kathode auf die kathodenseitige Kationenaustauschermembran verstärkt aufgepreßten platinierten Graphitfilzes.
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Claims

Patentansprüche 1. Elektrolysezelle zur Produktion von Wasserstoff und Schwefelsäure aus Wasser und Schwefeldioxid mit einer elektrolytdurchströmten Zwischenkammer, die den Anoden- vom Kathodenraum trennt und von Separatoren in Form von Ionenaustauschermembranen begrenzt wird, g e k e n n z e i c h n e t durch ein die gesamte Zwischenkammer ausfüllendes poröses Stützgerüst aus Graphit zwischen den Separatoren.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein die gesamte Zwischenkammer ausfüllendes poröses Stützgerüst, an das die Separatoren mit daran unmittelbar anschließenden Elektroden angepreßt werden.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1.oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgerüst eine möglichst hohe durchgehende Porosität au.fweist.
4. Elektrolysezelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen möglichst geringen Abstand zwischen den Separatormembranen der Zwischenkammer, wobei jedoch die Zwischenkammerstärke einen ausreichenden Elektrolytstrom zur Verhinderung eines übertritt von Schwefeldioxid vom Anoden- in den Kathodenraum zulassen soll.