DE2906821C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit bipolaren Elektroden, einem Separator und einem basischen, insbesondere wäßrigen Elektrolyten, bei der an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff freigesetzt wird.

Aus der DE-OS 15 96 126 ist eine Elektrolysezelle bekannt, deren Anode gesintertes Nickelpulver enthält und die als Katalysator Nickelmolybdate verwendet. Weiter ist aus der DE-OS 27 08 043 eine Kathode für eine Elektrolysezelle bekannt, die mit einer katalytischen Schicht, die Nickelmolybdän enthält, plattiert ist.

Bekannte bipolare Elektroden umfassen beispielsweise einen leitfähigen gesinterten Träger, der mit zwei unterschiedlichen Katalysatoren imprägniert ist, von denen einer auf dem anodischen Teil und der andere auf dem kathodischen Teil wirksam werden soll.

Es ist schwierig, die beiden Teile der Elektrode unterschiedlich zu imprägnieren, und die hierzu vorgesehenen Verfahren sind kompliziert und wenig zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrolysezelle für basischen Elektrolyten anzugeben, bei der auch unter hohen Betriebstemperaturen keine Korrosion der bipolaren Elektrode durch den basischen Elektrolyten zu befürchten ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Elektrolysezelle gelöst.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zelle wird auf die Unteransprüche verwiesen. Nun wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Ausschnitt eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle.

Fig. 2 zeigt ein Variante dieser Zelle.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Leistungsdiagramme einer bipolaren Elektrode aus einer Zelle gemäß Fig. 1 oder 2.

Diese bipolare Elektrode wird folgendermaßen hergestellt:

Zunächst mischt man:

Nickelpulver1000 g Karboxymethylzellulose14,5 g Wasser1 Liter

Die Teilchengröße des verwendeten Nickelpulvers beträgt etwa 5 µm und wird durch Wärmecracken von Nickel- Tetrakarbonyl Ni(CO)₄ erhalten.

Es ergibt sich eine dicke Paste, mit der eine aus Nickel oder vernickeltem Metall hergestellte leitende Platte eingestrichen wird.

Nach dem Trocknen wird bei einer zwischen 10 Minuten und 1 Stunde konstantgehaltenen Temperatur zwischen 900 und 1000°C ein Sintervorgang in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.

Beispielsweise wird 30 Minuten lang eine Sintertemperatur von 950°C aufrechterhalten.

Anschließend wird die oben erhaltene Textur imprägniert. Hierzu wird sie in eine wäßrige Ammoniummolybdatlösung getaucht, deren Konzentration 2 Mol pro Liter Molybdäntrioxyd entspricht und die sich beim nachfolgenden Erwärmen in Molybdändioxyd oder -trioxyd zersetzt. Nach dem Eintauchen wird in Luft auf eine Temperatur zwischen 200 und 900°C, vorzugsweise 450°C, erwärmt und diese Temperatur 1 bis 2 Stunden beibehalten.

Danach wird ein zweiter Tauchvorgang in einer Nickelnitratlösung durchgeführt, dem eine Wärmebehandlung unter Wasserstoffatmosphäre und bei einer Temperatur von 450°C folgt. Eine Verfahrensvariante besteht darin, diese beiden Tauchverfahren gleichzeitig durchzuführen, d. h. in einer wäßrigen Ammoniummolybdat- und Nickel-Nitratlösung.

Vorteilhafterweise wird bei niedriger Temperatur und unter Vakuum eine Gefriertrocknung durchgeführt, und zwar vor dem Erwärmen in Wasserstoffatmosphäre.

So ergibt sich eine bipolare Elektrode, die in einer Elektrolysezelle für basische wäßrige Lösung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden kann.

Die anodische ebenso wie die kathodische Seite einer derartigen Elektrode besteht aus gesintertem Nickel, dessen Porosität zwischen etwa 30 und 50% liegt, wobei dieses Nickel mit Nickelmolybdat imprägniert ist; dabei sind die Mengenverhältnisse so, daß gewichtsmäßig das Verhältnis Nickelmolybdat zum Nickel zwischen etwa 20 und 40%liegt.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle beschrieben.

Fig. 1 zeigt zwei bipolare Elektroden, die nach dem oben geschilderten Verfahren hergestellt wurden. Diese Elektroden weisen gewellte Form auf und sind voneinander durch flache Separatoren 2 getrennt, die aus einem Kaliumtitanatfilz mit Faserstruktur und einem Binder, insbesondere Polytetrafluoräthylen, hergestellt werden. Das Gesamtgebilde ist in den Elektrolyten, d. h. eine wäßrige Kalilösung mit einer Konzentration zwischen N und 14 N, getaucht oder wird von dem Elektrolyten umspült. Die Betriebstemperatur liegt zwischen Umgebungstemperatur und 180°C bei einem Druck von etwa 50 Bar.

Im Betrieb wird Sauerstoff an der anodischen Seite jeder Elektrode freigesetzt, wo sich das Nickelmolybdat spontan in den Nickeloxydkatalysator umwandelt, wie er in der DE-OS 27 37 041 beschrieben wird, während der Wasserstoff an der kathodischen Seite auftritt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.

Bei dieser Variante sind die Elektroden 1 flach, während die Separatoren 2 gewellte Form aufweisen; sämtliche übrigen Kennzeichen bleiben wie beim zuvor beschriebenen Beispiel.

In allen Fällen sind die anodische und kathodische Seite gleich zusammengesetzt.

Mit einer derartigen Elektrode läßt sich ein sehr stabiler Betrieb der Elektrolysezelle erreichen, vor allen Dingen bei Temperaturen von etwa 140°C, ohne die Gefahr einer Korrosion durch den basischen Elektrolyten und unter Beibehaltung der vorteilhaften Stabilitätsmerkmale.

Die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen werden vorteilhafterweise für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse einer alkalischen wäßrigen Lösung eingesetzt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einige Leistungswerte einer bipolaren Elektrode für eine erfindungsgemäße Zelle.

So geht aus Fig. 3, die die Elektrolysierspannung V in Volt in Abhängigkeit von der Zeit in Tagen angibt, die Betriebsstabilität einer derartigen Elektrode bei 80°C bei einer Stromstärke von 0,4 A/cm² hervor; hierbei ist der Elektrolyt eine 8N-Kalilauge. In Fig. 4 wird die Elektrolysierspannung V in Abhängigkeit von der Stromstärke i in A/cm² dargestellt, wobei die Temperatur in einer Zelle, in der der Elektrolyt mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/Sekunde umläuft, 115°C beträgt.

Claims (4)

1. Elektrolysezelle mit bipolaren Elektroden, einem Separator und einem basischen Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die anodische Seite als auch die kathodische Seite jeder bipolaren Elektrode (1) ein poröses leitfähiges Material aufweist, das zuvor mit Nickelmolybdat imprägniertes gesintertes Nickel enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Nickelmolybdat zu Nickel zwischen 20 und 40% liegt und das mit Nickelmolybdat imprägnierte poröse leitende Material eine Porosität von 30 bis 50% aufweist, und daß entweder die Elektroden oder der Separator (2) gewellt sind.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator (2) aus einem Kalium-Titanatfilz fasriger Textur und einem Binder wie PTFE besteht.

3. Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt in einer alkalischen wäßrigen Lösung in einer Konzentration vorliegt, die zwischen 1 N und 14 N beträgt.

4. Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperaturen zwischen Umgebungstemperatur und 140°C und der Betriebsdruck bei 50 Bar liegen.