DE3041823C2 - Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter Zwischenkammer - Google Patents
Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter ZwischenkammerInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
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Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf eine 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. Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine solche Elektrolysezel1·:, die im Rahmen eines sogenannten
»Schwefelsäure-Hybrid-Kreisprozesses« mit möglichst wirtschaftlicher Erzeugung vo.i Wasserstoff Anwendung
finden soll.
Neuere Energiekonzepte ziel en Wasserstoff als Energieträger in Betracht, dessen möglichst wirtschaftliche
Gewinnung intensiv untersucht wird. Als eine interessante Herstellungswcise wird dabei die elektrolytische
Abscheidung von Wasserstoff aus wäßriger Schwefelsäure mit anodischer Oxidation von Schwefeldioxid
zum Schwefeltrioxid angesehen, das bei erhöhter Temperatur durch katalytische Spaltung in Schwefeldioxid
mit Sauerstoffentwicklung zurückgewandelt wird.
Ein wesentliches Anliegen dieses Prozesses ist wiederum eine möglichst störungsfreie Elektrolyse
unter günstigen energetischen Bedingungen, d. h. bei möglichst geringer Zellspannung und unter Vermeidung
des Transportes von Schwefeldioxid in den Kathodenraum.
Um dieser letztgenannten Störung vorzubeugen, wurde von der Anmeldenn 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 so'che Dreikammerzelle spezielle Ionenaustauschermembranen vorgeschlagen, deren Eigenleitfähigkeit
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 die55
mechanische Stabilität der Separatoren nicht sehr hoch ist, so daß die Anwendung erhöhter Anpreßdrucke
praktisch ausscheidet.
Stützgerüste (zwischen den Separatoren) aus Polyäthylen oder Teflon, wie sie z, B. -in der deutschen
Patentschrift 15 46 717 für wäßrige Elektrolysen allgemein vorgeschlagen werden und für die Anwendung
von Anpreßdrucken bei einer Dreikammerzelle für die Gewinnung von Wasserstoff an sich nützlich wären,
erhöhen den Gesamtwiderstand der Zelle sehr erhebliche, so daß solche Stützgerüste für die möglichst
wirtschaftliche Erzeugung von Wasserstoff bislang nicht in Betracht gezogen worden sind.
Es wurde nun jedoch festgestellt, daß der Gesamtwiderstand
solcher Dreikammerelektrolysezellen für die Wasserstoffgewinnung vermindert und die Arbeitsweise
der Zelle verbessert werden kann, wenn man ein Stützgerüst aus Graphit verwendet, der eine gute
Benetzbarkeit und ggf. hohe Porosität mit mechanischer Festigkeit und Materialstabilität, auch in heißer Säure,
verbindet
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle der eingangs genannten Art ist daher gekennzeichnet 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 erfindungcoemäßen 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 10 an, welche die Zwischenkammer 11 begrenzen. Die Zuführung der Elektrolytströme ist auf
der Zeichnung angegeben.
Die Separatoren 9 und 10 zwischen den einzelnen Zellkammern waren Kationenaustauschermembranen
vom Typ NEOSEPTA C 66-5T* auf denen als Kathode ein platinierter Graphitfilz und als Anode ein Graphitfilz
auflagen. Zv/ischen den parallelen Membranen wurden als Stützgerüst verschiedene poröse Materia-
lien angebracht Der Membranabstand betrug 5 mm, Als
Elektrolyt diente 50gew.-%ige Schwefelsäure in der Kathodenkammer, 50gew.-%ige Schwefelsäure + 0,15
Gew.-% HJ (als Homogenkatalysator) + SO3 (gesättigt,
1 bar) in der Anodunkammer und 30 bis 35 gew.-%ige
Schwefelsäure in der Zwischenkammer. Die Temperatur lag bei 90° C.
Aus den Strom-Spannungscharakteristiken der Elektrolysezelle
und der einzelnen Elektroden (gegen 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
Übergangswiderständen, 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 stark erhöht, daß die durch
Aufpressen der Elektroden bzw. Kollektoren auf die Kationenaustauschermembranen erzielte Verminderung
des Ohmschen Innenwiderstandes die durch die Verwendung des Stützgerüstes bedingte Erhöhung des
Innenwiderstandes kompensiert So betrat 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 200 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 platzierten Graphitfilzes.
Claims (3)
1. Elektrolysezelle zur Produktion von Wasserstoff und Schwefelsäure aus Wasser und Schwefeldioxid
mit einer elektrolytdurchströmten Zwischen- r>
kammer, die den Anoden- vom Kathodenraum trennt und von Separatoren in Form von lonenaustauschermembranen
begrenzt wird, gekennzeichnet
durch ein die gesamte Zwischenkammer ausfüllendes poröses Stützgerüst aus Graphit |D
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 |ä
Elektroden angepreßt werden.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgerüst eine
möglichst hohe durchgehende Porosität aufweist.
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Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3041823A DE3041823C2 (de) | 1980-11-06 | 1980-11-06 | Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter Zwischenkammer |
EP81109469A EP0051845B1 (de) | 1980-11-06 | 1981-10-31 | Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter Zwischenkammer und dafür geeignete Zwischenkammerstruktur |
CA000389466A CA1172604A (en) | 1980-11-06 | 1981-11-05 | Electrolysis cell with intermediate chamber for electrolyte flow |
US06/318,457 US4443316A (en) | 1980-11-06 | 1981-11-05 | Electrolysis cell with intermediate chamber for electrolyte flow |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3041823A DE3041823C2 (de) | 1980-11-06 | 1980-11-06 | Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter Zwischenkammer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3041823A1 DE3041823A1 (de) | 1982-05-13 |
DE3041823C2 true DE3041823C2 (de) | 1983-05-19 |
Family
ID=6116065
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3041823A Expired DE3041823C2 (de) | 1980-11-06 | 1980-11-06 | Elektrolysezelle mit elektrolytdurchströmter Zwischenkammer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3041823C2 (de) |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1546717C3 (de) * | 1964-05-14 | 1974-06-27 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Elektrochemische Zelle |
-
1980
- 1980-11-06 DE DE3041823A patent/DE3041823C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3041823A1 (de) | 1982-05-13 |
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