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DE10027339A1 - Dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode - Google Patents

Dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode

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Publication number
DE10027339A1
DE10027339A1 DE10027339A DE10027339A DE10027339A1 DE 10027339 A1 DE10027339 A1 DE 10027339A1 DE 10027339 A DE10027339 A DE 10027339A DE 10027339 A DE10027339 A DE 10027339A DE 10027339 A1 DE10027339 A1 DE 10027339A1
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DE
Germany
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gas diffusion
catalyst
diffusion electrode
base plate
nickel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10027339A
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English (en)
Inventor
Fritz Gestermann
Hans-Dieter Pinter
Alfred Soppe
Peter Weuter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Original Assignee
Bayer AG
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Publication date
Application filed by Bayer AG filed Critical Bayer AG
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Priority to EP01936378A priority patent/EP1293005A1/de
Priority to CNB018102565A priority patent/CN1240155C/zh
Priority to AU2001262303A priority patent/AU2001262303A1/en
Priority to JP2002500470A priority patent/JP2003535449A/ja
Priority to MXPA02011798A priority patent/MXPA02011798A/es
Priority to PL36183201A priority patent/PL361832A1/xx
Priority to PCT/EP2001/005780 priority patent/WO2001093353A1/de
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Abstract

Es wird eine dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben. Die Elektrode besteht wenigstens aus einem elektrisch leitenden Katalysatorträger zur Aufnahme des Katalysatormaterials und einem elektrischen Anschluss, wobei der Katalysatorträger (4; 11) ein Gewebe, Vlies, Schaum oder Filz aus elektrisch leitendem Material, eine Streckmetallplatte oder eine mit einer Vielzahl von Öffnungen (2, 8) versehene Metallplatte ist, auf der das Katalysatormaterial (5) aufgebracht ist, und der mit einer gasdurchlässigen metallischen Grundplatte (1; 7), insbesondere aus Nickel oder seinen Legierungen, mechanisch und elektrisch leitend fest verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode bestehend wenigstens aus einem elektrisch leitenden Katalysatorträger zur Aufnahme des Katalysatormaterials und einem elektrischen Anschluss, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Elektrode. Der Katalysatorträger ist ein Gewebe, Vlies, Schaum oder Filz aus elektrisch leitendem Material, eine Streckmetallplatte oder eine mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene Metallplatte, auf der das Katalysatormaterial aufgebracht ist, und der mit einer gasdurchlässigen metallischen Grundplatte, insbe­ sondere aus Nickel oder einer Nickel/Silber-Legierung, mechanisch und elektrisch leitend fest verbunden ist.
Gasdiffusionselektroden werden in unterschiedlichen Anordnungen bei elektro- chemischen Prozessen eingesetzt. Bei Brennstoffzellen mit Festelektrolyt-Polymer­ membran z. B. sind die Gasdiffusionselektroden als Wasserstoffverzehranode und Sauerstoffverzehrkathode (SVK) direkt auf die Membran aufgelegt. Bei der HCl- Elektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode liegt diese ebenfalls direkt auf der Membran auf.
Bei der NaCl-Elektrolyse mit SVK z. B. hat es sich hingegen als vorteilhaft erwiesen, die SVK mit einem wenige mm breiten, Lauge-durchflossenen Spalt von der Mem­ bran getrennt zu betreiben. Bei üblicher technischer Bauhöhe von mehr als einem Meter kann die SVK vorteilhaft nur mit sog. Druckkompensation nach dem Gasta­ schenprinzip, wie in US 5 693 202 beschrieben, betrieben werden. Die Elektrode steht mit einer üblichen Höhe der Gastaschen von 15-35 cm frei zwischen Natron­ lauge und Sauerstoff. Da ein limitierter, aber immer noch vorhandener höhenab­ hängiger Differenzdruck über die ähnlich wie eine Membran relativ elastisch ausgeführte SVK ansteht, muss diese mit Abstandshaltern gegen ein Ausbeulen in Richtung der Membran oder zur anderen Seite in Richtung der Gastasche abgestützt werden. Ein unkontrolliertes Ausbeulen der SVK bewirkt eine Verringerung des Katholytspaltes bis hin zum Kontakt zwischen SVK und Membran. Hieraus ergibt sich eine Störung des Laugeflusses, verbunden mit einer ungleichmäßigen Konzen­ trationsverteilung und einer möglichen Schädigung der Membran. Eventuell durch die SVK durchtretende Sauerstoff-Gasblasen können nicht ungehindert abziehen und sammeln sich vor Stellen mit stark verringertem Elektrolytspalt an. Dieses führt zu Abblendung von Membran und Elektrode und somit zur Erhöhung der lokalen Stromdichte in der verbleibenden Elektrodenfläche. Die beschriebenen Effekte resultieren in einem erhöhten k-Faktor, d. h. einer zu großen Zunahme der Betriebs­ spannung in Abhängigkeit von der Erhöhung der Stromdichte und damit zu einem überhöhten spezifischen Energieverbrauch.
Insbesondere der Abstandshalter zwischen Elektrode und Membran hat immer wieder zu Problemen geführt. So führten lokale Kontaktpunkte verbunden mit Strukturbewegungen in der Elektrolysezelle vereinzelt zu Scheuerstellen an der Membran, die bei längerer Betriebszeit bis zur Leckage gehen. Entsprechend war auch die SVK mit Druckstellen belastet, die bei dem angestrebten jahrelangen Betrieb durchaus zu Schäden führen könnten. Es wurde also nach einer Lösung gesucht, auf solche Abstandshalter verzichten zu können.
Viele Versuche, die weiche SVK auf einen starren Träger aufzubringen, scheiterten in der Vergangenheit an der Problematik, die Elektrode zuerst sintern und pressen zu müssen, um ihr die nötige Dichtheit bei gezielter Porosität zu geben und dann die fluorpolymerhaltige Elektrodenstruktur metallisch, d. h. mittels Schweißen oder Löten, mit dem starren Träger zu verbinden. Eine solche Verbindung ist praktisch nicht haltbar und wegen der freiwerdenden Fluoride außerdem sehr korrosionsge­ fährdet. Andere Ansätze, einen steifen, tiefstrukturierten Träger zu verwenden, ver­ bieten sich wegen des erheblich höheren Verbrauchs an Katalysator-tragender Elektrodenmasse, die nicht sicher genug auf die notwendige Dichte gebracht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine stabile, Gasdiffusionselektrode und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bereit zu stellen, das die genannten Nachteile nicht aufweist.
Die Lösung ist die Aufbringung der Katalysator-Trägermasse nach dem grund­ sätzlich bekannten Nass- oder Trocken-Kalandrierverfahren auf eine metallische, mindestens zweilagige Stützstruktur mit dem im folgendem beschriebenen Aufbau.
Gegenstand der Erfindung ist eine dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode bestehend wenigstens aus einem elektrisch leitenden Katalysatorträger zur Aufnahme des Katalysatormaterials, insbesondere Gemischen aus fein verteiltem Silber- und Teflon-Pulver oder aus Gemischen aus fein verteiltem Silber-, Kohlenstoff und Teflon-Pulver, und einem elektrischen Anschluss, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger ein Gewebe, Vlies, Schaum oder Filz aus elektrisch leitendem Material, eine Streckmetallplatte oder eine mit einer Vielzahl von Öffnungen versehene Metallplatte ist, auf der das Katalysatormaterial aufgebracht ist, und der mit einer gasdurchlässigen metallischen Grundplatte, insbesondere aus Nickel oder seinen Legierungen, insbesondere einer Nickel/Silber-Legierung, mechanisch und elektrisch leitend fest verbunden ist.
Die als Katalysatorträger dienende offene Struktur besteht insbesondere aus einem feinen Drahtgewebe oder einem entsprechenden feinen Streckmetall, Filtersieb, Filz oder Schaum in die sich die Katalysatormasse beim Einwalzen verklammert. Diese offene Struktur ist vor dem Einpressen oder Einwalzen der Katalysatormasse bereits mit der durchaus offenen, aber kompakteren und steifen Unterstruktur metallisch, z. B. durch Versintern, verbunden.
Die Funktion dieser Unterstruktur ist die eines Widerlagers beim Einpressen der Ka­ talysatormasse, die sich hierbei durchaus auch in strukturbedingte Zwischenräume zwischen den beiden Schichten ausbreiten und damit noch besser verklammern kann.
Das Metall für die Grundplatte ist vorzugsweise aus der Reihe Nickel oder einer laugenfesten Nickel-Legierung, insbesondere Nickel mit Silber, oder Nickel das mit Silber beschichtet ist, ausgewählt.
Der Katalysatorträger besteht bevorzugt aus Kohlenstoff, Metall, insbesondere aus Nickel oder Nickel-Legierungen.
Die Grundplatte weist zur verbesserten Durchleitung von Reaktionsgas bevorzugt eine Vielzahl von Öffnungen, insbesondere Schlitze oder Bohrungen auf.
Die Öffnungen sind bevorzugt maximal 2 mm, insbesondere maximal 1,5 mm breit. Die Schlitze können eine Länge von bis zu 30 mm aufweisen.
Eine bevorzugte Variante der Gasdiffusionselektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte einen Öffnungsfreien umlaufenden Rand von mindestens 5 mm aufweist, der zur Befestigung der Elektrode, insbesondere durch Schweißen oder Löten, oder mit Schrauben oder Klemmen, an den Rand der mit der Elektrode zu verbindenden Gastasche dient.
Eine ausgewählte Form der Gasdiffusionselektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger und das Katalysatormaterial durch Trockenkalandrieren miteinander verbunden sind.
Eine bevorzugte Variante der Gasdiffusionselektrode ist so gestaltet, dass der Kata­ lysatorträger und das Katalysatormaterial durch Nasswalzen des Wassers und eventuell organischem Lösungsmittel (z. B. Alkohol) enthaltenden Katalysatormate­ rials auf den Katalysatorträger und anschließendes Trocknen, Sintern und eventuelles Verdichten verbunden ist.
Zur verbesserten gleichmäßigen Begasung der Gasdiffusionselektrode ist in einer besonderen Bauform zwischen der Grundplatte und dem Katalysatorträger ein zusätzliches elektrisch leitendes Gasverteilergewebe, insbesondere aus Kohlenstoff oder Metall, insbesondere Nickel, oder einer laugenfesten Nickellegierung, insbesondere mit Silber oder aus Nickel, das mit Silber beschichtet ist, vorgesehen.
In einer besonderen Ausführungsform dieser Gasdiffusionselektrode weist die Grundplatte eine flächige Ausnehmung zur Aufnahme des Gasverteilergewebes auf.
Als besonders geeignet hat sich eine Ausgestaltung der Gasdiffusionselektrode erwiesen, bei der die Schicht aus Katalysatorträger und Katalysator im Randbereich der Elektrode umlaufend gasdicht mit dem Rand der Grundplatte verbunden ist.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode, durch Versintern des Katalysatorträgers mit einer Grundplatte, die mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen ist, Aufbringen des pulverförmigen oder faserigen Katalysatormaterials unter Aufwalzen bei einem Druck von mindestens 7.105 Pascal (Trockenkalandrieren).
Gegenstand der Erfindung ist auch ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode durch Aufbringen einer dünnflüssigen bis teigartigen Mischung aus Katalysator mit Wasser und eventuell einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise Alkohol, mit einem Lösungsmittelanteil zwischen 0 bis 100% und einem Feststoffgehalt zwischen 5 bis 95% unter Aufwalzen oder Aufspachteln der Mischung, Trocknen und Sintern bei einer höheren Temperatur, insbesondere von mindestens 150°C und von höchstens 350°C, unter Schutzgas, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid oder Edelgas, besonders bevorzugt Argon, Neon, Krypton, und eventuell weiteres Walzen des gesinterten Verbundes bei einem Druck von mindestens 7.105 Pascal.
Vorzugsweise wird nach dem Versintern des Katalysatorträgers mit der Grundplatte die Oberfläche des Katalysatorträgers mit einer Silberschicht versehen, insbesondere durch galvanische Abscheidung.
In einer besonderen Form des Verfahrens wird vor dem Aufbringen des Katalysatorträgers auf der Grundplatte ein Gasverteilergewebe aufgebracht und mit der Grundplatte versintert.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Versinterung von Katalysatorträger, Gasverteiler und Grundplatte gleichzeitig erfolgt.
Um ein unzulässiges Verformen der Oberstruktur in die Unterstruktur während des Walzvorganges zu vermeiden, sollte die Öffnungsteilung beider Schichten geeignet aufeinander abgestimmt sein. Darüber hinaus muss eine ausreichende Drainage von Kondensat oder Natronlauge gewährleistet sein, um ein Abblinden der Gastrans­ portkanäle zu vermeiden.
Während des Betriebes der erfindungsgemäßen SVK versorgt diese Struktur über ihre Durchbrüche die katalytisch aktive Schicht mit Sauerstoff und bildet den steifen Unterbau, der diese Gasdiffusionselektrode dimensions- und verformungsstabil macht.
Die Aufbringung einer Katalysatormasse in Form einer dünnflüssigen Masse oder eines Teiges nach dem Nasswalzverfahren mittels Begießen oder Aufspachteln, anschließendem Trocknen, Sintern und eventuellem Verdichten durch Walzen ist eine weitere Variante des Verfahrens.
Für den Einbau der Elektrode mittels Schraub-, Klemm-, Löt- oder Schweißverbin­ dung in die Gastaschenstruktur kann vorzugsweise der etwas überstehende Rand der Unterstruktur, der vorzugsweise tiefer als die Katalysatorträgerstruktur liegt und während des Aufwalzens der Katalysatormasse in geeigneter Weise vor den Fluor­ polymeren geschützt werden kann, genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Teil während der Einprägung der Durchbrüche in Form von Löchern, Schlitzen etc. ausgespart, d. h. massiv bleibt und so ein seitliches Entweichen des Sauerstoffs verhindert werden kann. Ein Entweichen des Sauerstoffs aus dem Grenzbereich zwischen den beiden Schichten kann durch ein geeignetes Niederwal­ zen eines schmalen, katalysatorgefüllten Randstreifens der Oberschicht auf die Un­ terstruktur, die hier bereits nicht mehr geschlitzt oder aber anderweitig metallisch ab­ gedeckt und dicht sein sollte, vermieden werden.
Die Art der Katalysatoraufbringung insbesondere nach dem Trockenkalandrier­ verfahren, aber auch nach dem Naßkalendrierverfahren und dem Spachtelverfahren erlaubt es, verbrauchte Katalysatorschichten durch kräftiges Herausblasen oder -spritzen zu entfernen, so dass die metallische Trägerstruktur erneut beschichtet werden kann.
Es ist je nach Art der Einbringung der SVK in die Gastasche durchaus denkbar, dass diese Doppelstruktur mehrfach wiederverwendet werden kann und sich so erhebliche Kosten einsparen lassen. Der Katalysator andererseits kann aus der herausgelösten Masse mit einfachen Mitteln chemisch und/oder elektrochemisch zurückgewonnen werden, so dass dem Recyclinggebot auch hier Rechnung getragen werden kann.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrochemische Gasdiffusionszelle auf­ weisend eine erfindungsgemäße Gasdiffusionselektrode wie oben beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema des Aufbaus der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode
Fig. 2 den Querschnitt durch die Elektrode gemäß Fig. 1 entsprechend Linie A-A
Fig. 3 ein Schema einer Variante der Elektrode nach Fig. 1 mit zusätzlichem Gasverteilergewebe 10
Fig. 4 den Querschnitt durch die Elektrode nach Fig. 3 entsprechend Linie B-B
Fig. 5 ein Schema einer Elektrolysezelle mit der Gasdiffusionselektrode
Beispiele Beispiel 1 (Fig. 1+2)
Herstellung einer zweilagig aufgebauten dimensionsstabilen Gasdiffusionselektrode:
Die Grundplatte (1) besteht aus 1,5 mm dickem Nickelblech mit Schlitzen (2) von 1,5 mm Breite und 15 mm Länge (Fa. Fiedler/D). Die Verteilung der Schlitze ist so gewählt, dass ihr Abstand voneinander in Längsrichtung 5 mm und in Querrichtung 2 mm beträgt. Die nebeneinander liegenden Längsreihen der Schlitze sind um eine halbe Periode gegeneinander verschoben, so dass Schlitz neben Abstand liegt.
Diese Grundstruktur weist einen ungeschlitzten Rand (3) auf Als Stützstruktur für die Aktivierung wirkt ein Nickel-Drahtgewebe (4) mit 0.14 mm Drahtdurchmesser und 0.5 mm Maschenweite (Fa. Haver und Boecker/D). Das Drahtnetz schließt mit der Randzone bündig ab. Diese Anordnung wird bei Temperaturen zwischen 800-1200°C versintert; man erhält eine zusammenhängende Struktur.
Die den Draht tragende Seite wird galvanisch versilbert. Zum Aufbringen der Aktivierung wird die ungeschlitzte Randzone (3) mittels eines geeigneten Materials wie z. B. Wachs, Lack, Klebeband o. ä. abgedeckt. Die komplette Elektrodenstruktur wird anschließend mit einer vorher zu einer Folie ("Fell") ausgewalzten Kata­ lysatormischung (5) bestehend aus 85% Ruß (Vulcan XC-72,10% Ag), 15% HOSTAFLON TF 2053 (PTFE) in einer Beschichtungsstärke von 500 g/m2 belegt, welche durch Einwalzen, Verpressen o. ä. mit dem Drahtgewebe (4) verbunden wird. Nach Entfernung der den Randbereich abdeckenden Schicht wird der Randbereich (6) zum Erzielen einer ausreichenden Gasdichtigkeit niedergewalzt - die Elektrode ist nun einbaufertig. Die Integration in den elektrochemischen Reaktionsapparat geschieht beispielsweise durch Schweißen, Löten, Schrauben, Klemmen o. ä. in der massiven Randzone (3).
Beispiel 2
Herstellung einer zweilagig aufgebauten dimensionsstabilen Gasdiffusionselektrode:
Der Aufbau ähnelt dem des Beispiels 1 bis auf die Verwendung eines unterschiedli­ chen Trägermaterials für die Aufnahme des Katalysators: es wird ein feines Streck­ metall vom Typ 5-Ni-5-050 Pulled (Dicke des Ausgangsmaterials: 0.127 mm, Steg­ breite: 0.127 mm, LWD: 1.27 mm, Fa. DELKER/USA) verwandt. Die Verwendung von Streckmetall resultiert in einer besonders starken Verklammerung zwischen Ka­ talysatormasse und Trägermaterial.
Beispiel 3 (Fig. 3+4)
Herstellung einer dreilagig aufgebauten dimensionsstabilen Gasdiffusionselektrode:
Die Grundplatte der Elektrode besteht aus einem 2 mm dicken Schlitzblech (7) mit Schlitzen (8) von 1.5 mm Breite und 25 mm Länge (Fa. Fiedler/D). Die Verteilung der Schlitze ist so gewählt, dass ihr Abstand voneinander in Längsrichtung 5 mm und in Querrichtung 2 mm beträgt. Die nebeneinander liegenden Längsreihen der Schlitze sind um eine halbe Periode gegeneinander verschoben, so dass Schlitz neben Abstand liegt.
Diese Grundstruktur weist einen ungeschlitzten Rand (9) auf, welcher nicht auf glei­ cher Höhe mit der geschlitzten Auflagefläche liegen muss - die Verwendung eines höher liegenden Randes hat sich als vorteilhaft für die Abdichtung erwiesen. Als Gasverteiler wirkt ein eingelegtes Drahtgewebe (10) mit 0.5 mm Drahtdurchmesser und 0.8 mm Maschenweite (Fa. Haver und Boecker/D). Auf diese Struktur wird ein feines Nickel-Drahtnetz mit 0.14 mm Drahtdurchmesser und 0.5 mm Maschenweite (Fa. Haver und Boecker/D) (11) aufgebracht, welches bei dem in Fig. 3 skizzierten Fall mit der Randzone bündig abschließt.
Die Verwendung einer, im Vergleich zu Beispiel 1 und 2, weiteren Schicht dient der Verbesserung des Gas- und Flüssigkeitstransportes bzw. der zusätzlichen Verklam­ merung der Katalysatormasse.
Diese Anordnung wird bei Temperaturen zwischen 800-1200°C versintert; man er­ hält eine zusammenhängende, beigesetzte Struktur. Die den Draht tragende Seite wird galvanisch versilbert.
Zum Aufbringen der Aktivierung wird die höherstehende, ungeschlitzte Randzone (9) mittels eines geeigneten Materials wie z. B. Wachs, Lack, Klebeband o. ä. abge­ deckt. Die komplette Elektrodenstruktur wird anschließend mit einer vorher zu einer Folie ("Fell") ausgewalzten Katalysatormischung (S) 85% Ruß (Vulcan XC-72,10% Ag), 15% HOSTAFLON TF 2053 (PTFE) in einer Beschichtungsstärke von 500 g/m2 belegt, welche durch Einwalzen, Verpressen o. ä. mit dem feinen Drahtgewebe (11) verbunden wird. Nach Entfernung der den Randbereich abdeckenden Schicht wird der Randbereich (13) zum Erzielen einer ausreichenden Gasdichtigkeit niedergewalzt; die Elektrode ist nun einbaufertig. Die Integration in den elektrochemischen Reaktionsapparat geschieht beispielsweise durch Schweißen, Löten, Schrauben, Klemmen o. ä. in der massiven Randzone (9).
Beispiel 4
Herstellung einer dreilagig aufgebauten dimensionsstabilen Gasdiffusionselektrode:
Der Aufbau ähnelt dem des Beispiels 3 bis auf die Verwendung eines unterschiedli­ chen Trägermaterials für den Katalysator: es wird ein feines Streckmetall vom Typ 5- Ni-5-050 Pulled (Dicke des Ausgangsmaterials: 0.127 mm, Stegbreite: 0.127 mm, LWD: 1.27 mm, Fa. DELKER/USA) verwandt. Die Verwendung von Streckmetall resultiert in einer besonders intensiven Verklammerung zwischen Trägermaterial und Katalysatormasse.
Beispiel 5
Herstellung einer dreilagig aufgebauten dimensionsstabilen Gasdiffusionselektrode:
Der Aufbau ähnelt dem des Beispiels 3 bis auf die Verwendung eines unterschiedli­ chen Trägermaterials für den Katalysator: es wird ein feines Lochblech mit einem Öffnungsdurchmesser von 0.3 mm und einer Dreiecksteilung von 0.6 mm verwandt (Fa. Fiedler/D).
Beispiel 6 (Elektroden Test)
Die in Beispiel 1 beschriebene Gasdiffusionselektrode wurde in eine Elektrolysezelle (siehe Fig. 5) eingebaut, welche eine konventionelle Anodenhalbzelle (18) mit Membran (14) aufweist. Die Gestaltung der Kathodenhalbzelle unterscheidet sich jedoch maßgeblich von dem in konventionellen Zellen genutzten Aufbau - er besteht aus Katholytspalt 15, SVK 16 und Gasraum (17).
Der Katholytspalt (15) weist eine konventionelle Funktion auf; die, gegenüber der Wasserstoffentwicklung, mit großer Energieersparnis verbundene Sauerstoffreduk­ tion findet an der SVK 16 statt. Hinter der SVK 16 befindet sich ein Gasraum (17), welcher der Zufuhr von Sauerstoff dient.
Die SVK 16 weist eine Größe von 18 cm × 18 cm auf und wurde über einen Zeit­ raum von 100 Tagen bei einer stabilen Zellspannung von 1.98 Volt betrieben; die maximale Durchbiegung betrug 0.5 mm.
Folgende Prozessparameter wurden eingestellt:
  • - Stromdichte: 3 kA/m2,
  • - Zelltemperatur: 85°C,
  • - Natronlaugekonzentration: 32 Gew.-%,
  • - Solekonzentration: 210 g Natriumchlorid/l
  • - maximaler Differenzdruck: 24 cm Wassersäule

Claims (16)

1. Dimensionsstabile Gasdiffusionselektrode bestehend wenigstens aus einem elektrisch leitenden Katalysatorträger zur Aufnahme des Katalysatormaterials, insbesondere Gemischen aus fein verteiltem Silber- und Teflon-Pulver oder aus Gemischen aus fein verteiltem Silber-, Kohlenstoff und Teflon-Pulver, und einem elektrischen Anschluss, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger (11) ein Gewebe, Vlies, Schaum oder Filz aus elektrisch leitendem Material, eine Streckmetallplatte oder eine mit einer Vielzahl von Öffnungen (2, 8) versehene Metallplatte ist, auf der das Katalysatormaterial (5) aufgebracht ist, und der mit einer gasdurchlässigen steifen metallischen Grundplatte (1; 7), oder einem steifen Gewebe oder Streckmetalle insbe­ sondere aus Nickel oder seinen Legierungen, mechanisch und elektrisch leitend fest verbunden ist.
2. Gasdiffusionselektrode gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall für die Grundplatte (1; 7) aus der Reihe: Nickel oder einer laugenfesten Nickel- Legierung, insbesondere Nickel mit Silber, oder Nickel das mit Silber beschichtet ist, ausgewählt ist.
3. Gasdiffusionselektrode gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysatorträger (11) aus Kohlenstoff, Metall, insbesondere aus Nickel oder einer laugenfesten Nickellegierung, insbesondere Nickel mit Silber, oder Nickel, das mit Silber beschichtet ist, besteht.
4. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1; 7) eine Vielzahl von Öffnungen (2; 8) insbesondere Schlitze oder Bohrungen (2; 8) aufweist.
5. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (1; 7) einen öffnungsfreien umlaufen­ den Rand (3; 9) von mindestens 5 mm aufweist.
6. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Katalysatorträger (11) und das Katalysatormaterial (5) durch Trockenkalandrieren miteinander verbunden sind.
7. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Katalysatorträger (11) und das Katalysatormaterial (5) durch Begießen oder Nasswalzen des Wassers und eventuell organischem Lösungsmittel, vorzugsweise einen Alkohol, enthaltenden Katalysator­ materials (5) auf den Katalysatorträger (11) und anschließendem Trocknen, Sintern und eventuellem Verdichten verbunden ist.
8. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zwischen der Grundplatte (7) und dem Katalysatorträger (11) ein zusätzliches elektrisch leitendes Gasverteilergewebe (10), insbesondere aus Kohlenstoff, Metall, Nickel, einer laugenfesten Nickellegierung, insbe­ sondere Nickel mit Silber, oder Nickel, das mit Silber beschichtet ist, vorgesehen ist.
9. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Grundplatte einen erhabenen Randbereich (9) zur Auf­ nahme des Gasverteilergewebes (10) hat.
10. Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schicht aus Katalysatorträger (11) und Katalysator (5) im Randbereich (6; 13) in der Elektrode umlaufend gasdicht mit dem Rand (9; 3) der Grundplatte (1; 7) verbunden ist.
11. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, durch Versintern des Katalysatorträgers (11) mit einer Grundplatte (1; 7), die mit einer Vielzahl von Öffnungen (2; 8) versehen ist, Aufbringen des pulverförmigen oder faserigen Katalysatormaterials (5) unter Aufwalzen bei einem Druck von mindestens 7.105 Pascal (Trockenkalan­ drieren).
12. Verfahren zur Herstellung einer Gasdiffusionselektrode durch Aufbringen einer dünnflüssigen bis teigartigen Mischung aus Katalysator mit Wasser und eventuell einem organischen Lösungsmittel, beispielsweise Alkohol, mit einem Lösungsmittelanteil zwischen 0 bis 100% und einem Feststoffgehalt zwischen 5 bis 95% unter Aufwalzen oder Aufspachteln der Mischung, Trocknen und Sintern bei einer höheren Temperatur, insbesondere von mindestens 150°C und von höchstens 350°C, unter Schutzgas, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid oder Edelgas, besonders bevorzugt Argon, Neon, Krypton, und eventuell weiteres Walzen des gesinterten Verbundes bei einem Druck von mindestens 7.105 Pascal.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet dass nach dem Versintern des Katalysatorträgers (11) mit der Grundplatte (3) die Oberfläche des Katalysatorträgers (11) mit einer Silberschicht versehen wird, insbesondere durch galvanische Abscheidung.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Katalysatorträgers (11) auf der Grundplatte (9) ein Gasverteilergewebe (10) aufgebracht und mit der Grundplatte (9) ver­ sintert wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, und dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Versinterung von Katalysatorträger (11), Gasverteiler (10) und Grundplatte (7) gleichzeitig erfolgt.
16. Elektrochemische Gasdiffusionszelle aufweisend eine Gasdiffusionselektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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