FI85603B

FI85603B - POROES GASELEKTROD.

Info

Publication number: FI85603B
Application number: FI881499A
Authority: FI
Inventors: Rudolf Staab; Juergen Russow; Nikolaj Medic
Original assignee: Hoechst Ag
Priority date: 1987-04-01
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1992-01-31
Also published as: NO171418C; AU1404588A; EP0285019A1; DE3862416D1; AU601562B2; BR8801512A; ZA882314B; FI85603C; FI881499A; ES2022502B3; EP0285019B1; DE3710855A1; ATE62716T1; NO881420L; NO881420D0; NO171418B; JPS63262490A; MX174277B; FI881499A0; IN170695B

Abstract

In the electrode, the electrocatalytically active part consists of a nickel wire gauze which is covered at least on one side by a mixture of Raney nickel and polytetrafluoroethylene which is attached to a supporting structure which conducts electric current. The supporting structure consists of a frame (2) and a grid bounded by the latter and consisting of stays (3) or expanded metal (4). <IMAGE>

Description

1 856031 85603

Huokoinen kaasuelektrodi Tämä keksintö koskee huokoista kaasuelektrodia, joka käsittää elektrokatalyyttisesti vaikuttavan osan, 5 joka koostuu nikkelilankaverkosta, joka on ainakin toiselta puoleltaan päällystetty Raney-nikkelin ja polytetra-fluorietyleenin seoksella.The present invention relates to a porous gas electrode comprising an electrocatalytically active part consisting of a nickel wire mesh coated on at least one side with a mixture of Raney nickel and polytetrafluoroethylene.

DE-hakemusjulkaisussa 3 342 969 kuvatulla huokoisella kaasuelektrodilla, joka on tarkoitettu vedyn kehitit) tämiseen emäksisissä väliaineissa, on erityisen edullisia ominaisuuksia. Se on sangen edullinen valmistuskustannuksiltaan ja sillä on teollisissa elektrolyysiolosuhteissa virrantiheys 3 kA/m2, elektrolyyttipitoisuus 35 paino-% NaOH:a, lämpötila 85°C ja pitkäkäyttöikä vetyä kehittävänä 15 elektrodia, ts. elektrodipontentiaali ei muutu mitattavissa määrin yli 3 vuoden käytössä. Elektrodin ohutlevyraken-teen takia tulee sähkökemiallisen kennojärjestelmän, jossa näitä elektrodeja on määrä käyttää, olla tarkasti sopiva tälle nimenomaiselle rakenteelle, jotta näitä elektrodeja 20 voitaisiin käyttää yleensäkään ja optimiolosuhteissa. Nykyisin ei kuitenkaan ole mahdollista valmistaa tällaisia elektrodirakenteita 1 m:n levyisinä tai leveämpinä. Sen ... sijaan nauhoja, joiden leveys on korkeintaan noin 200 mm, voidaan ongelmattomasti valmistaa halutun pituisina. Kos-*•"/25 ka elektrodit eivät ole muotopysyviä, ei elektrodinauhoja pystytä kiinnittämään kennon kehyksiin, koska ei pystytä saamaan aikaan tasaista ja optimaalista etäisyyttä elekt-roditilaa rajoittavaan kalvoon. Näiden elektrodien omi-naisjohtokyky on lisäksi niin pieni, että teollisuudessa 30 tarvittavien virrantiheyksien yhteydessä ja etäisyyden sähköä johtavaan kehykseen ollessa suuri käy elektrodin sisäinen jännitehäviö keskustan ja reunan välillä sietämättömän suureksi. Tämän keksinnön päämääränä on kehittää *···* näitä kalvomaisia elektrodinauhoja varten elektrodiraken- * ' 35 ne, joka mahdollistaa näiden elektrodien käyttämisen ka- • · · 2 85603 todeina kalvokennoissa, jotka ovat nykyään yleisiä teollisuudessa, saavuttaen huomattavia etuja nykyisin käytettäviin katodeihin verrattuna.The porous gas electrode described in DE-A-3 342 969, which is intended for the development of hydrogen in basic media, has particularly advantageous properties. It is quite inexpensive in terms of manufacturing cost and has a current density of 3 kA / m 2, an electrolyte content of 35% by weight of NaOH, a temperature of 85 ° C and a long service life of 15 hydrogen-generating electrodes under industrial electrolysis conditions, i.e. the electrode potential does not change measurably over 3 years. Due to the sheet metal structure of the electrode, the electrochemical cell system in which these electrodes are to be used must be precisely suitable for this particular structure so that these electrodes 20 can be used in general and under optimal conditions. At present, however, it is not possible to manufacture such electrode structures with a width of 1 m or wider. Instead ... strips with a maximum width of about 200 mm can be easily produced in the desired lengths. Because the electrodes are not shape-stable, the electrode strips cannot be attached to the cell frames because a uniform and optimal distance to the electrode space limiting membrane cannot be achieved. In addition, the specific conductivity of these electrodes is so low that the current densities required in industry 30 It is an object of the present invention to provide electrode structures for these film-like electrode strips which allow these electrodes to be used in the presence of a electrically conductive frame between the center and the edge. 2 85603 in membrane cells, which are now common in industry, achieving considerable advantages over currently used cathodes.

Tähän päämäärään päästään huokoisella kaasuelektro-5 dilla, jolle on tunnusmerkillistä se, että elektrokata-lyyttisesti vaikuttava osa on kiinnitettynä sähköä johtavaan tukirakenteeseen. Tällöin elektrokatalyyttisesti vaikuttava osa voi koostua korkeintaan 200 mm:n levyisistä nauhoista, jotka on kiinnitetty sähköä johtavalla tavalla 10 yhdensuuntaisesti ja 5 - 10 mm:n etäisyydelle toisistaan tukirakenteeseen. Tukirakenne voi koostua kehyksestä, joka rajoittaa ristikkoa. Ristikko voi koostua poikittaistuis-ta, joiden etäisyys toisistaan on korkeintaan 200 mm, edullisesti 100-150 mm, tai verkkometallista, edullisesti 15 valssatusta verkkometallista, jossa avoimen pinnan osuus on vähintään 60 %.This object is achieved by a porous gas electrode, which is characterized in that the electrocatalytically active part is attached to an electrically conductive support structure. In this case, the electrocatalytically active part can consist of strips with a width of at most 200 mm, which are attached in an electrically conductive manner 10 parallel and at a distance of 5 to 10 mm from each other to the support structure. The support structure may consist of a frame delimiting the lattice. The grid may consist of transverse seats spaced at most 200 mm, preferably 100-150 mm, or of mesh metal, preferably rolled mesh metal, with an open surface area of at least 60%.

Näiden huokoisten kaasuelektrodien etuna on se, että elektrokatalyyttisesti vaikuttavat osat voidaan kiinnittää optimietäisyydelle kalvosta ja samanaikaisesti säh-20 köä johtavalla tavalla tukirakenteeseen sillä tavalla, ettei kaasuelektrodissa esiinny mitattavissa olevaa jännitehäviöitä. Huokoisen kaasuelektrodin lisäetuna on se, että kaasukuplien vapaa ulospääsy kalvon ja elektrodin välisestä tilasta paranee.The advantage of these porous gas electrodes is that the electrocatalytically active parts can be attached at an optimum distance from the membrane and at the same time in an electrically conductive manner to the support structure in such a way that no measurable voltage losses occur in the gas electrode. An additional advantage of the porous gas electrode is that the free exit of the gas bubbles from the space between the membrane and the electrode is improved.

, 25 Keksintöä valaistaan seuraavassa lähemmin vain yhtä *·" suoritusmuotoa esittävien piirrosten ja esimerkkien avul la.In the following, the invention will be illustrated in more detail by means of drawings and examples showing only one embodiment.

Kuvioissa kuvio 1 on poikkileikkauskuva huokoisesta kaasu-30 elektrodista, jossa ristikko koostuu poikittaistuista; *:·*: kuvio 2 on poikkileikkauskuva huokoisesta kaasu- elektrodista, jossa ristikko koostuu litteäksi valssatusta verkkometallista; ja ··*’ kuvio 3 esittää jännitettä virrantiheyden funktiona 35 nauhojen leveyden vaihdellessa.In the figures, Figure 1 is a cross-sectional view of a porous gas electrode 30 in which the lattice consists of cross-members; *: · *: Fig. 2 is a cross-sectional view of a porous gas electrode in which the lattice consists of a flat rolled mesh metal; and ·· * ’Figure 3 shows the voltage as a function of current density 35 as the width of the strips varies.

3 856033 85603

Elektrokatalyyttisesti vaikuttava osa, huokoisen kaasuelektrodin nauhat 1, kiitetään sähköä johtavilla hitsiliitoksilla sähkövirtaa johtavaan tukirakenteeseen. Tukirakenne koostuu kehyksestä 2 ja sen rajoittamasta ris-5 tikosta. Ristikko voi koostua poikittaistuista 3, joiden leveys d voi olla 5 - 200 mm ja jotka on sijoitettu yhdensuuntaisesti ja etäisyydelle c, joka on 50 - 200 mm, edullisesti 100 - 150 mm, toisiinsa nähden. Ristikko voi vaihtoehtoisesti koostua valssatusta verkkometallista 4, 10 jossa avoimen pinnan osuuden tulee olla vähintään 60 %. Elektrokatalyyttisesti vaikuttava osa hitsataan kohdassa 5 kiinni ristikkoon ja kohdassa 6 kehykseen. Yhdensuuntaisten nauhojen 1 etäisyys a toisiinsa nähden voi olla 5-10 mm ja niiden leveys b 10 - 200 mm.The electrocatalytically active part, the strips 1 of the porous gas electrode, is praised by electrically conductive welded joints in the electrically conductive support structure. The support structure consists of a frame 2 and a limited 5-grid. The grid may consist of transverse seats 3, the width d of which may be 5 to 200 mm and which are arranged parallel to and at a distance c of 50 to 200 mm, preferably 100 to 150 mm, with respect to each other. The grid may alternatively consist of rolled mesh metal 4, 10 in which the proportion of open surface must be at least 60%. The electrocatalytically active part is welded at 5 to the grid and at 6 to the frame. The distance a of the parallel strips 1 with respect to each other can be 5-10 mm and their width b 10 to 200 mm.

15 Esimerkki15 Example

Koekennossa mitattiin kennojännite ja energiankulutus virrantiheyden ollessa vakio ja elektrokatalyyttisesti vaikuttavan osan leveyden vaihdellessa. Tukirakenne koostui 1,3 mm:n paksuisesta nikkelipellistä, jonka mitat oli-20 vat 560 x 210 mm ja jossa oli aukko, jonka mitat olivat 500 x 78 mm. Kalvomaiset kaasuelektrodinauhat asetettiin tukirakenteen päädyn suuntaisesti ja hitsattiin sähköä • johtavasti kiinni sen pitkiin sivuihin. Tämä kaasuelektro-di sijoitettiin katodiksi pystysuunnassa käytettävään kal- 25 voelektrolyysikennoon sillä tavalla, että niiden pitkä • ' sivu oli pystysuorassa ja nauhat olivat kalvon suuntaises- ‘ ' ti. Nauhojen ja kalvon (Nafion® NX 90902, DuPont) välinen *>' etäisyys oli 3 mm, anodit olivat heti kalvon takapuolella.The cell voltage and energy consumption were measured in the test cell with a constant current density and varying the width of the electrocatalytically active part. The support structure consisted of a 1.3 mm thick nickel sheet metal measuring 560 x 210 mm with an opening measuring 500 x 78 mm. The film-like gas electrode strips were placed parallel to the end of the support structure and electrically • conductively welded to its long sides. This gas electrode was placed as a cathode in a vertically operated film electrolysis cell in such a way that their long side was vertical and the strips were parallel to the film. The distance between the strips and the membrane (Nafion® NX 90902, DuPont) was 3 mm, the anodes were immediately behind the membrane.

Kennoa käytettiin kierrättämällä 33-%:ista natriumhydrok-30 sidiliuosta katoditilassa ja syöttämällä puhdistettua nat- *:**: riumkloridiliuosta (anolyyttipitoisuus kennosta poistuvas- sa liuoksessa 200 g NaCl/1) lämpötilassa 90°C ja virrantiheyden ollessa 3 kA/m2 laskettuna nikkelipellissä olevan aukon pinta-alan 390 cm2 mukaan. Kulloinkin useita päiviä 35 kestävässä pitkäaikaiskäytössä saatiin elektrodeilla, 4 85603 joissa oli eri levyisiä nauhoja, joiden etäisyys toisistaan oli kulloinkin 5 mm, seuraavia kennojännite- ja ener-giankulutusarvoj a:The cell was operated by circulating 33% sodium hydroxide solution in the cathode space and feeding purified sodium chloride solution (anolyte content in the solution leaving the cell 200 g NaCl / l) at 90 ° C and a current density of 3 kA / m 2 based on a nickel damper. according to the area of the opening 390 cm2. In the case of long-term use lasting 35 days in each case, the following cell voltage and energy consumption values were obtained with electrodes 4 85603 with strips of different widths spaced 5 mm apart in each case:

Nauhojen leveys [mm] 10 25 100 5 Kennojännite [V] 3,24 3,16 3,07Strip width [mm] 10 25 100 5 Cell voltage [V] 3,24 3,16 3,07

Energiankulutus (tasavirta) [KWh/t NaOH:a] 2,260 2,210 2,140 Näiden kolmen erilaisen elektrodin ominaiskäyrien 10 määrittämiseksi mitattiin kennojännite virrantiheyden funktiona alueella 0,5-4 kA/m2. Tulokset esitetään graafisesti kuviossa 3, ja ne osoittavat, että nämä kaasu-elektrodit toimivat vielä virrantiheydellä 4 kA/m2 lineaarisella alueella.Energy consumption (direct current) [KWh / t NaOH] 2.260 2.210 2.140 To determine the characteristic curves 10 of these three different electrodes, the cell voltage was measured as a function of current density in the range of 0.5-4 kA / m2. The results are shown graphically in Figure 3 and show that these gas electrodes still operate at a current density of 4 kA / m 2 in the linear range.

15 • · · • · ·15 • · · • · ·

Claims

Porous gas electrode comprising an electrocatalytic-acting portion (1) consisting of a nickel-tree network, the at least one surface of which is coated with a mixture of Ra-ney-nickel and polytetrafluoroethylene, characterized in that the electrocatalytic-acting portion (1) is attached to an electrically conductive support structure (2,3; 2,4).

Porous gas electrode according to claim 1, characterized in that the electrocatalytically acting part consists of strips (1) which are arranged on the supporting structure (2,3; 2,4) in parallel and on a certain distance. standing (a) from each other.

3. Porous gas electrode according to claim 1, characterized in that the support structure consists of a frame (2) which limits a grid (3).

Porous gas electrode according to claim 3, characterized in that the grid consists of parallel cross bars (3), the distance (c) of which is not more than 200 mm, preferably 100-150 mm.

5. A porous gas electrode according to claim 3, characterized in that the grating consists of drawn metal (4), whose proportion of open surface is at least 60%.

6. Porous gas electrode according to claim 2, characterized in that the strips (1), the width of which is not more than 200 mm and the distance (a) from each other 5 - 10 mm, are fixed to the supporting structure (2,3; 2, 4) in an electrically conductive manner.