DE1005938B - Elektrolytischer Wasserzersetzer und Verfahren zur Aktivierung seiner Kathodenflaechen - Google Patents

Description

Die bei der elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff an der Kathode des Elektrolyseurs auftretende Überspannung setzt den Wirkungsgrad der Elektrolyse bekanntlich so stark herab, -daß sich bei technischen Elektrolyseuren mit wirtschaftlicher Strombelastung ein Energieaufwand von 5,2 bis 5,4 kWh je Nm³ erzeugtem Wasserstoff ergibt; da die Überspannung im Dauerbetrieb langsam weiter ansteigt, ergeben sich in der praktischen Produktion oft Werte von 5,6 kWh/Nm³ Wasserstoff und mehr.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Kathodenflächen von elektrolytischen Wasserstofferzeugern durch eine mechanische oder elektrolytische Aufrauhung bzw. durch das Auftragen von Chrom-, Tantal- oder Schwammeisenschichten so zu aktivieren, daß sich die Wasserstoffüberspannung merklich vermindert. Alle diese Aktivierungsschichten üben ihre Wirkung jedoch nur für kurze Zeit aus, so daß sich schon nach wenigen Tagen, spätestens aber nach einigen Wochen, wieder die gewohnten Überspannungs- ao werte einstellen.

Aus dem Laboratorium ist es bekannt, daß an platiniertem Platin, d. h. an massiven Platinkathoden, welche mit Platinmohr überzogen sind, keine Wasserstoffüberspannung entsteht. Für die Kathoden von industriellen Elektrolyseuren, welche oft einige hundert Quadratmeter Oberfläche besitzen, kommt aber die Verwendung von Platinblech natürlich nicht in Frage; überdies verläuft die Gasentwicklung bei den technisch üblichen, unter Atmosphärendruck arbeitenden und normal mit etwa 10 Amp./dm² belasteten Elektrolyseuren derart stürmisch, daß eine normale Platinmohrauflage in kurzer Zeit von den Kathoden weggespült sein würde.

Es wurde nun gefunden, daß man durch das Auftragen von dünnen Edelmetallschichten auf Eisenoberflächen zu einer Kathode gelangt, welche eine stark verminderte Wasserstoffüberspannung aufweist. Als Edelmetall kommen hierbei in erster Linie Platin und Palladium in Frage, und es genügen bereits Auflagen von weniger als 10 g/m², um eine lange Zeit wirksame Aktivierung zu erzielen. Hierbei ergeben sich besonders aktive und trotzdem mechanisch widerstandsfähige Schichten, wenn man diese Schichten aus einer wäßrigen Edelmetallsalzlösung von sehr niedriger Konzentration auf den Kathodenflächen niederschlägt. Speziell bewährt haben sich hierbei Lösungen mit weniger als 5 g, vorzugsweise sogar mit nur 0,1 bis 0,5 g Edelmetall je Liter.

Man kann die Aktivierungsschicht z. B. dadurch erzeugen, daß man in den fertig montierten und mit Elektrolyt gefüllten Apparat einige Liter einer alkalischen Platinsalzlösung einpumpt, deren Konzentration so bemessen ist, daß im Apparat eine Konzentra-Elektrolytischer Wasserzersetzer und

Verfahren zur Aktivierung seiner

Katho denflächen

Anmelder:

Lonza Elektrizitätswerke und Chemische

Fabriken Aktiengesellschaft, Gampel,

Wallis (Schweiz)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Klose, Patentanwalt,
Mannheim O 6, 7 (Planken)

Beanspruchte .Priorität:
Schweiz vom 1. April 1955

Ewald Arno Zdansky, Monthey, Wallis (Schweiz),
ist als Erfinder genannt worden

tion von weniger als 0,2 g Pt je Liter Elektrolyt entsteht. Auch bei sehr großen Apparaten mit vielen Kubikmetern Elektrolyt kommt man hierfür mit wenigen Gramm Platin aus. Schaltet man nunmehr den Strom ein, so schlägt sich das Platin in sehr dünner Schicht auf den Kathodenflächen nieder und vermindert die Wasserstoffüberspannung schlagartig um mehrere Zehntel Volt. Die erzielte Erniedrigung der Betriebsspannung des Apparates bleibt wochenlang bestehen und läßt sich später wiederholt dadurch zurückgewinnen, daß man den Strom für einige Stunden ausschaltet.

Als noch günstiger hat es sich erwiesen, die einzelnen Kathoden vor dem Einbau zu dekapieren und dann in einem wäßrigen Bad zu aktivieren, welches die Edelmetalle in Gestalt von gelösten Chloriden enthält; die als Elektroden dienenden Lochbleche oder Metallgewebe werden zu diesem Zweck in einer flachen Schale mit der Lösung übergössen und dann einige Minuten in der Lösung bewegt. Die Edelmetalle schlagen sich dann ohne Einwirkung einer äußeren Spannungsquelle unmittelbar durch Ionenaustausch auf der Eisenoberfläche nieder. Sie wandern hierbei in das Kristallgitter des Eisens ein, wobei für jedes niedergeschlagene Edelmetallatom ein Eisenatom in Lösung geht. Setzt man die wäßrige Chloridlösung mit etwa 0,5 g Platin je Liter in destilliertem Wasser an, so bildet sich auf einer mit

609 868/393

dem Grundmetall fest verwachsenen Platingrundschicht eine fest haftende Platinmohrauflage von hoher und sehr konstanter Aktivität. Die aufgetragene Platinmenge wird hierbei zwar wesentlich höher, als im vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel; sie bleibt jedoch auch in diesem Falle unter 10 g Pt je m² Kathodenfläche.

Nahezu die gleichen Ergebnisse wie mit reinen Platinauflagen erzielt man mit entsprechenden Palladiumauflagen oder mit Auflagen, welche aus einem Gemisch von Platin und Palladium bestehen. Als besonders zweckmäßig erweist es sich jedoch, der Aktivierungsschicht außer einem oder mehreren Metallen der Platinmetallgruppe (Pt, Rh, Pd, Os, Ir) zusätzlich noch kleine Mengen von Gold einzuverleiben; hierdurch wird die Schicht noch haltbarer und die Wasserstoffüberspannung noch kleiner. Im Rahmen des zuletzt beschriebenen Verfahrens genügt es hierfür, dem Platin- oder Palladiumchlorid etwa 10 bis 30% Goldchlorid zuzugeben, um die entstehende Schicht mit Goldatomen zu durchsetzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Druckelektrolyseure, d. h. für elektrolytische Wasserzersetzer, welche bei einem Gasdruck von mehr als 5 Atm., vorzugsweise bei einem Druck von 20 bis 50 Atm., betrieben werden. Bei diesen Drücken wird nämlich das Volumen der aufsteigenden Gasblasen so klein, daß die Blasen mit dem Elektrolyt eine milchige, langsam nach oben strömende Emulsion bilden, welche keinerlei Erosionswirkung mehr auf die Kathodenflächen ausübt. Auch schwammige Platinmohr- bzw. Palladiummohrschichten bleiben unter diesen Betriebsverhältnissen jahrelang unverändert und voll aktiv, so daß man bei normaler Flächenbelastung (10 bis 15 Amp./dm²) eine dauernd konstante Zellenspannung von etwa 1,70 bis 1,75 Volt erhält.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrolytischer Wasserzersetzer mit einer die Überspannung herabsetzenden Aktivierungsschicht auf den Kathodenfiächen, dadurch gekenn zeichnet, daß die genannte Aktivierungsschicht aus einer dünnen Edelmetallauflage auf einer Eisenoberfläche besteht.

2. Elektrolytischer Wasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Edelmetallauflage weniger als 10 g Edelmetall je Quadratmeter Oberfläche beträgt.

3. Elektrolytischer Wasserzersetzer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflage aus einer schwammigen Platinschicht besteht.

4. Verfahren zur Herstellung der Aktivierungsschichten in Elektrolyseuren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelmetall auf den Eisenoberflächen der Kathoden aus einer wäßrigen Edelmetallsalzlösung niedergeschlagen wird, welche weniger als 5 g, vorzugsweise nur etwa 0,1 bis 0,5 g Edelmetall je Liter enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der fertig montierte und mit Elektrolyt gefüllte Elektrolyseur mit einer konzentrierten alkalischen Edelmetallösung in solcher Menge beschickt wird, daß die entstehende Mischung von Lösung und Elektrolyt weniger als 0,2 g je Liter Metall enthält und daß man danach das Edelmetall auf den Elektrodenflächen elektrolytisch abscheidet.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden des Apparates vor dem Einbau dekapiert und in einem wäßrigen Bad aktiviert werden;, welches das Edelmetall in Gestalt von gelösten Chloriden enthält, so daß sich das Edelmetall durch Ionenaustausch auf der Eisenoberfläche niederschlägt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung in einem Bad vorgenommen wird, welches das Chlorid eines Platinmetalls enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennr zeichnet, daß die Aktivierung in einem Bad vorgenommen wird, welches das Chlorid eines Platinmetalls in Mischung mit Goldchlorid enthält.

© 609 868/393 4.57