DE2802257C2

DE2802257C2 - Membran für eine elektrochemische Zelle und ihre Verwendung in einer Elektrolysevorrichtung

Info

Publication number: DE2802257C2
Application number: DE2802257A
Authority: DE
Inventors: Leon Henri Joseph Marie Mol Baetsle; Alain Paul Octave Balen Blanchart; Roger Frans Rosa Mol Leysen; Gustaaf Frans Jozef Dessel Spaepen; Jan-Baptist Hugo Kasterlee Vandenborre
Original assignee: Centre dEtude de lEnergie Nucleaire CEN
Current assignee: Vlaamse Instelling Voor Technologish Onderzoek NV VITO
Priority date: 1977-01-21
Filing date: 1978-01-19
Publication date: 1986-01-02
Also published as: DE2802257A1; IT7847716A0; IT1155777B

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran für eine elektrochemische Zelle, die die Diffusion von Gasen verhindert und die Ionenleitung ermöglicht, und die 2,5 bis 30 Gew.-°/o eines organischen Bindemittels und 70 bis 97,5 Gew.-% eines ionenleitenden, mineralischen Pulvers enthält, das dem Bindemittel zugesetzt ist

Aus der französischen Patentschrift 14 17 585 und der belgischen Patentschrift 649 390 sind Membrane bekannt, die die Diffusion von Gas verhindern und die Ionenleitung ermöglichen, wobei sie aus einem organischen Bindemittel und einem ionenleitenden, mineralischen Pulver zusammengesetzt sind, wbei dieses in das Bindemittel, in welchem es seine Ionenleitfähigkeit beibehält, eingebaut ist

Solche bekannten Membrane Finden sich in Einheiten, welche lediglich für Brennstoffzellen bestimmt sind, und sie enthalten mineralische bzw. anorganische Körner, welche in basischem Medium nicht stabil sind.

Eine Membran einer Einheit einer Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff ist aus der Veröffentlichung von L J. Nuttall und W. A. Titterington — Conference on the electrolytic production of hydrogen — City University London — 25.-26. Februar 1975 bekannt

In dieser bekannten Einheit besteht die Membran aus sulfonierten! und polymerisiertem Tetrafluorethylen, und sie befindet sich zwischen einer als Katalysator aktiven Elektrode, weiche als Anode bestimmt und aus einer besonderen Legierung hergestellt ist, sowie einer als Katalysator aktiven Elektrode, weiche als Kathode bestimmt und aus Platinschwarz hergestellt ist

Diese bekannte Einheit funktioniert vorzugsweise in saurem Medium, was direkte Folgen hinsichtlich der Auswahl und des Bereitstellungspreises der verwendeten Materialien hat

Darüber hinaus erfährt die Membran, wenn die Elekt rolysevorrichtung in alkalischem Medium arbeitet einen relativ hohen Gleichstrom-Spannungsabfall als Folge des relativ erhöhten, spezifischen Widerstandes des Membranmaterials und der Dicke der Membran, weiche zur Verhütung der Diffusion von Gas erforderlich ist.

lonenleitende Membrane, weiche ein Antimonoxid enthalten, sind aus den US-Patentschriften 3346422 und 34 37 580 bekannt Diese Membrane sind bezüglich der Eigenschaften als Ionenaustauscher, des spezifischen Widerstandes und des Widerstandes der Membran bei der Elektrolyse nicht zufriedenstellend. Ferner können noch unerwünschte elektrochemische Sekundärreaktionen mit Sb;O3 χ H2O in einer Elektrolysevorrichtung auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membran der eingangs genannten Art zu schaffen, die in basischem Medium stabil ist und verbesserte Eigenschaften als Ionenaustauscher und verbesserte Eigenschaften bezüglich des spezifischen Widerstandes und des Widerstandes bei der Elektrolyse aufweist

Ausgehend von der eingangs genannten Membran wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß das ionenleitende Pulver Polyantimonsäure mit einer Korngröße i:nter 38 μηι ist

Eine solche Membran ist insbesopfiere zur Verwendung in einer Elektrolysevorrichtung bestimmt und sie kann insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, in einer Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff eingesetzt werden.

Polyantimonsäure mit der allgemeinen Formel:

45 ist bekanntermaßen ein Ionenaustasucher, siehe insbesondere die Veröffentlichung von L. H. Baetsle und D.

H uys in J. inorg. nucl. Chem, Vol. 30, (1968), S. 639 - 649. Jedoch weist eine Membran mit Polyantimonsä jre als mineralischem bzw. anorganischem, ionenleitenden Pulver in überraschender Weise ganz besondere Eigenschaften auf: die erhöhte Kapazität der Polyantimon- säure zum Austausch von Kationen bleibt in der Membran mit organischem Bindemittel erhalten. Die Membran besitzt eine ausgeprägte Ionenselektivität; der spezifische Widerstand ist bei den normalen Anwendungstemperaturen wenig erhöht, insbesondere, wenn die Menge an organischem Bindemittel in der Größenordnung von 20% bleibt; der Widerstand der Membran bleibt konstant als Funktion der Stromdichte; die Membran behält ihre physikalisch-chemischen und elektrochemischen Eigenschaften bis zu einer Temperatur in der Größenordnung von 150⁰C in sehr konzentriertem, alkalischen Medium; die Trenneigenschaft der Membran für Gas ist gut, und die Konzentration des Elektrolyten, mit welchem sich die Membran in Kontakt befin-

det, ist für die Leitfähigkeit der Membran nicht kritisch.

Gegenüber der weiter oben beschriebenen, aus der Veröffentlichung von L J. Nuttall und W. A. Titterington bekannten Membran weist die erfindungsgemäße Membran den Vorteil auf, daß sie bei dem Betrieb der Elektrolysevorrichtung einen geringeren Abfall der Gleichstromspannung erfährt.

Die erfindungsgemäße Membran unterscheidet sich von den vorbekannten Membranen mit Sb2O?xHzO insbesondere in folgendem: einerseits hat das Antimonoxid dieser bekannten Membranen !keine polymeren Eigenschaften im Gegensatz zu der Polyantimonsäure der erfindungsgemäßen Membran; diese Polyantimonsäure besitzt eine kristalline Straktur mit einer sich wiederholenden »Einheitszelle«. Andererseits weisen die zuvor- is genannten, vorbekannten Membrane eine Frittenstruktur aus komprimiertem, mineralischem bzw. anorganischem Material auf, während die erfindungsgemäße Membran aus einem organischen Bindemittel und Polyantimonsäure, damit einem mineralischen bzw. anorganischen Pulver gebildet wird; die erfindungsgemäße Membran ist daher in dem Sinne heterogen, als sie aus zwei unterschiedlichen, nicht gefritteten oder gesinterten Materialien zusammengesetzt ist, welche beispielsweise durch Trockenlaminieren bzw. Trockenwalzen agglomeriert bzw. zusammengefügt sind.

Die Qualitäten der erfindungsgemäßen Membran unterscheiden sich grundsätzlich von denjenigen der bekannten Membranen, weiche Antimonoxid enthalten. Insbesondere sind die Eigenschaften als Ioncnaustauscher, der spezifische Widerstand und der Widerstand der Membran bei der Elektrolyse in einem unerwarteten Ausmaß bei der erfindungsgemäßen Membran verbessert Darüber hinaus können auch noch unerwünschte, elektrochemische Sekundärreaktionen mit Sb2C>3 χ H2O in einer Elektrolysevorrichtung auftreten.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsiorni der Erfindung sind die Polyantimonsäure und das Bindemittel durch Trockenwalzen miteinander verbunden.

Vorzugsweise ist wenigstens eine Oberfläche der Membran mit einer Elektrode bedeckt

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Oberfläche der Membran mit einer als Katalysator aktiven und als Anode bestimmten Elektrode überzogen, und die andere Oberfläche der Membran ist mit einer als Katalysator aktiven und als Kathode bestimmten Elektrode überzogen.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine bevorzugte Verwendung der zuvor beschriebenen Membran in einer Elektrolysevorrichtung mit einer einen alkalischen Elektrolyten enthaltenden Anoden- und Kathodenkammer, mit einem ersten Flüssigkeitskreislauf, zu dem die Anodenkammer gehört, mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf, zu dem die Kathodenkammer gehört, mit einer zwischen diesen Kammern liegenden Membran und mit einer Spannungsquelle, an die die Anode und die Kathode angeschlossen sind, wobei die Kathode und die Anode auf die Membran, die Gase trennt und ionenleitend ist, gestützt sind.

Die Vorteile dieser Elektrolysevorrichtung bestehen darin, daß sie aus weniger kostspieligen Materialien zusammengesetzt sein kann, welche Säuren nicht widerstehen müssen, und daß sie weniger Energie für ein und denseiben Elektrolyseeffekt verbraucht.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Membran für eine elektrochemische Zelle und einer Elektrolysevorrichtung, welche eine solche erfindungsgemäße Membran enthält; diese Beschreibung gibt nur ein Beispiel wieder.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung sind

Fig.l eine schematische Schnittansicht eienr Elektrolysevorrichtung. welche eine erfindungsgemäße Membran aufweist;

Fig.2 eine Schnittansicht in größerem Maßstab durch einen Teil der Einheit der Elektrolysevorrichtung vonFig. 1.

In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Bauteile.

Die Elektrolysevorrichtung gemäß F i g. 1 und die Einheit gemäß F i g. 2 umfassen eine mit der Bezugszahl 5 bezeichnete Membran.

Im folgenden wird die Zusammensetzung der Membran näher erläutert:

Die Membran 5 besteht aus Körnern von Polyancl· monsäure, die in einem organischen Bindemittel und vorzugsweise Polytetrafluorethylen eingehüllt sind. Polyantimonsäure, welche zur Hersh-vung dieser Membran verwendet werden kann, ist eine ar. sich bekannte Substanz, siehe die zuvorgenannte Veröffentlichung von L H. Baetsie und D. Huys.

Die Teilchen der Polyantimonsäure haben beispielsweise eine maximale Abmessung in der Größenordnung von 50 μπι. Dennoch können mehrere Teilchen zusammen ein Konglomerat bilden, das eine maximale Abmessung in der Größenordnung von einigen 10 μπι haben kann. Diese Maximalabmessung soliie vorzugsweise 30 μΐη nicht überschreiten.

Vorzugsweise umfaßt die Membran als Bindemittel ein polymeres Material. Dieses polymere Material ist vorzugsweise das zuvorgenannte Polytetrafluorethylen, obwohl auch ein hydrophiles Polymerisat wie z. B. Polyethylen im Prinzip nicht aasgeschlossen ist.

Die Menge an Bindemittel bezogen auf die Menge des ionenleitenden Pulvers muß für die Bildung einer Membrane ausreichend sein. Falls Polytetrafluorethylen als Bindemittel verwendet wird, beträgt die Minimalmenge bezogen auf die fertige Membrane 2,5 Gew.-%. V01 zugsweise wird eine Membrane verwendet, welche wenigstens 5 Gew.-°/o Bindemittel enthält.

Die Menge an Bindemittel bezogen auf die Menge an Polyantimonsäurepulver darf nicht so erhöht werden, daß das Pulver seine Ionenleitfähigkeit in der Membrane verliert. Falls Polytetrafluorethylen als Bindemittel verwendet wird, liegt die Maximalmenge, bezogen auf die fertige Membran, bei 30 Gew.-%. Vorzugsweise wird eine Membran verwendet, welche maximal ungefähr 20 Gew.-% Bindemittel enthält.

Weitere Bedingungen, denen die Zusammensetzung unter Berücksichtigung der beabsichtigten Verwendung dir Membran genügen muß, ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von einigen Besonderheiten der Membran.

Besonderheiten der Membran

Die Membran 5, insbesondere in einer Einheit und bei einer Anwendung, die im folgenden noch beschrieben werden, weist Eigenschaften auf. welche nicht voraussehbar waren, weder auf Grundlage der bekannten Eigenschaften der betrachteten Polyantimonsäure als solcher noch auf Grundlage der bekannten Anwendungen von bisher bekannten Membranen, welche anorganische Pulver enthalten, in Brennstoffzellen.

a) Ionenaustauscheigenschaften der Membrane

Als Folge der amphoteren Charakters der Polyantimonsäure ist die Membran in saurem Medium ein Anionenaustauscher und in basischem Medium ein Kationenaustauscher. Die aktiven OH-Gruppen ergeben lediglich H+-Ionen in basischem Medium. Die Kationenaustauschcrkapazität ist daher ein Maß für die Menge an aktivem Gruppen in der Membran, welche für einen H *-Ionenaustausch gegen andere Kationen wie insbesondere K⁺ und Na⁺ in der Lage sind. Die folgende Tabelle I zeigt, daß die Kationenaustauscherkapazität des Polyantimonsäurepulvers beibehalten wird, nachdem das Pulver mit einem Bindemittel (Polytetrafluorethylen) gebunden wurde, mit welchem es in Form einer Membrane gebracht wurde.

Tabelle I

bran, welche aus 80% Polyantimonsäurepulver und 20% Polytetrafluorethylen besteht, wobei sich die Prozentzahlen auf Gewicht beziehen.

ß) Abhängigkeit von der Menge an Bindemittel

Die folgende Tabelle Hl bezieht sich auf den spezifischen Widerstand als Funktion der Menge an Bindemittel (Polytetrafluorethylen). Diese Werte wurden mit einer Wechselstrombrücke bei 1000 Hz bei Umgebungs temperatur und in 25 gew.-%iger KOH gemessen.

Tabelle III

Spezifischer Widerstand als Funktion der Menge an Bindemittel

b) Selektivität der Membran für Ionen

Außer ihrer hohen Kationenaustauscherkapaziiät besitzt die Membran eine ausgeprägte Selektivität für Ionen. Diese Selektivität der Membran für Ionen ist durch die Überführungszahlen für Kationen und für Anionen, F₊ bzw. T_, gekennzeichnet.

Die Überführungszahl ti gibt den Bruchteil an, welchen die Ionen / bei dem Ladungstransport durch die Membrane ausmachen.

Eine dynamische Messung der Selektivität bei 30⁰C ergibt bei der Membran mit Polyantimonsäure eine Überführungszahl von

i_K+ = 0,75.

c) Spezifischer Widerstand der Memoran a) Abhängigkeit von der Temperatur

In der folgenden Tabelle II ist der Widerstand der Membran als Funktion der Temperatur für einen Elektrolyten aus 1 N NaOH und für einen Elektrolyten aus 1 N KOH angegeben. Die Werte wurden durch eine Wechselstrombrücke bei 1000 Hz gemessen.

Tabelle II

Widerstand der Membran als Funktion der Temperatur bei 1000 Hz

Temperatur (°C) Widerstand der Membran (Ω cm²)

1 N NaOH 1 N KOH

30

35 Bindemittel (Gew.%)

Spezifischer Widerstand

(Qcm)

Kationenaustauscherkapazität bei pH = 7, ausgedrückt

in Milliäquivalent pro g Polyantimonsäure	Kaiionenaustauscherkapazität	Membran	5
	(mäq.g-¹)		10
	Pulver	23	15
		1.8	20
	2,8	25 25
	2,0	30
NaOH
KOH

85
160
280
500
835

d) Widerstand der Membran bei der Elektrolyse

Hinsichtlich der Verwendung der Membran in einer Eiektrolysevorrichtung wird auf die zuvor gegebene Beschreibung Bezug genommen.

In der folgenden Tabelle IV ist der Widerstand der Membran als Funktion der Temperatur angegeben, wobei dieser Widerstand ein Maß für den Spannungsabfall quer zur zur Membran ist.

Tabelle IV

40

45 T(⁰C)

30

105

5,8x10-' 23x10-' 2,5x10-'

Obwohl der Widerstand der Membran als Funktion der Stromdichte konstant bleibt, kann sie beispielsweise in einer Elektrolysevorrichtung bei 10 bis 15 kAm~² mit einem Spannungsabfall quer zur Membran betrieber. werden, welcher lediglich von 0,15 V bis 0,25 V bei 100° C übersteigenden Temperaturen beträgt.

e) Stabilität der Membran

Die hergestellte Membran behält ihre physikalischchemischen und elektrochemischen Eigenschaften bis zu 150⁰C in stark konzentriertem, alkalischem Medium bei, dies steht im Gegensatz zu häufig verwendeten, organischen Ionenaustauschermembranen.

60

f) Trenneigenschaften der Membran für Gase

25	1,25	1,75
50	0,91	1,16
75	0,69	0^6

Die Werte der Tabelle II beziehen sich auf eine Mem-

Aus dem Porenvolumen und der Verteilung des Volumens der Poren, bestimmt mittels Adsorptionsisotherrne mit N₂ (BET-Methode) für in den Versuchen ver wendetes Polyantimonsäurepulver ergibt sich, daß die Körner keine innere Porosität aufweisen und einen Durchmesser von weniger als 50μΐη besitzen. Diese

Körner bilden Konglomerate, welche Durchmesser von einigen zehn μπι besitzen können. Falls man als Ausgangsmaterial Makrokörner verwendet, deren Durchmesser zwischen 212 μπι und 38 μηι liegt, um diese mit dem Polytetrafluorethylen in einem Verhältnis von 80/20 zu vermischen findet man bei der Elektrolyse von Wasser bei atmosphärischem Druck 18% H2 in der Sauerstoff-«strömung. Wenn dagegen als Ausgangsmaterial Körner mit einer Abmessung unterhalb von 38 μπι verwendet werden, findet man unter den gleichen Arbeitsbedingungen H2-Mengen von 1 bis 2% in der Sauerstoffgasströmung. Damit die Membran für Gase trennend wirkt, ist es erforderlich, daß die Makrokörner einen oberen Grenzwert nicht überschreiten.

Verwendung der Membran in einer Elektrolysevorrichtung

Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Elektrolyse von Wasser, das in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, jedoch ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Membran nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt.

Die in der Fig. I dargestellte Elektrolysevorrichtung umfaßt ein Gehäuse 1, das in Kammern 2 und 3 durch eine Einheit unterteilt ist. Diese Einheit setzt sich aus einer als Kathode bestimmten Elektrode 4, aus der zuvor beschriebenen Membran 5 und einer als Anode bestimmten Elektrode 6 zusammen. Die Elektroden 4 und 6 sind mit einer Spannungsquelle 9 über Leiter 7 und 8, welch« durch die Wand des Gehäuses 1 hindurchführen, verbunden.

Die Kammern 2 und 3, welche mit Elektrolyt gefüllt sind, befinden sich in nicht dargestellten Flüssigkeitskreisläufen. Die Produkte, die bei der Elektrolyse entstehen, werden in den Kreisläufen außerhalb der Kammern 2 und 3 aufgefangen. In der Kammer 2 strömt die Flüssigkeit vom Eintritt 10 zum Austritt 11. Außerhalb der Kammer ist der Austritt 11 mit dem Eintritt 10 über eine Leitung, eine Pumpe und eine Auffangvorrichtung für das bei der Elektrolyse entwickelte Produkt verbunden; diese Leitung, diese Pumpe und diese Auffangvorrichtung sind in der Figur nicht dargestellt

In der Kammer 3 strömt die Flüssigkeit vom Eintritt 12 zum Austritt 13. Außerhalb der Kammer ist der Austritt 13 mit dem Eintritt 12 über eine Leitung, eine Pumpe und eine Vorrichtung zum Auffangen des bei der Elektrolyse entwickelten Produktes verbunden; diese Leitung, diese Pumpe und diese Auffangvorrichtung sind in der Figur nicht wiedergegeben.

Falls die Flüssigkeit alkalisch ist, laufen folgende elektrochemischen Reaktionen entsprechend der allgemein angenommenen Auffassung ab:

An der Kathode 4 H₂O + 4 e-

4OH- +2 H₂

An der Anode

4 OH-- 2H₂O + 4e- +O₂

Gesamtreaktion daher 2H₂O- 2 H₂+ O₂

Die Elektronen (e~) werden durch die Spannungsquelle 9 von der Anode 6 zur Kathode 4 geführt Der elektrische Kreis wird durch Leitung mittels Ionen durch die Membran 5 geschlossen.

Die Membran 5 stellt daher die Ionenleitung von ei

ner Elektrode zu der anderen sicher; darüber hinaus spielt die Membran ebenfalls die Rolle eines Gasseparators für die durch die Elektrolyse gebildeten Gasprodukte.

Die Ionenleitung erfolgt durch Kationen und/oder durch Anionen, und sie hängt von der Kapazität der Membran als Anionenaustauscher oder als Kationenaustauscher ab. Die Selektivität der Membran für Ionen bestimmt, ob der größere Anteil des Stromes in der Membran durch die Kationen oder durch die Anionen transportiert wird. So ergibt sich, daß hauptsächlich das K ⁺ -Ion von der Anode 6 zu der Kathode 4 im Fall von Polyantimonsäure im KOH-Medium wandert, im Na-. 0H-Medium ist dies im wesentlichen das Na ⁺ -Ion.

Zur Herbeiführung einer Gastrennung besitzt die Membran eine Dicke bzw. Stärke, welche von ihrer Zusammensetzung wie auch von ihreir Art und der Menge des in ihr enthaltenen Bindemittels abhängig ist. Eine Membran, welche 20 Gev/.-% Polytetrafluorethylen als Bindemittel aufweist, besitzt beispielsweise eine optimale Dicke bzw. Stärke von 200 μπι.

Die Elektroden 4 und 6, zwischen denen die Membran liegt, die sich gegen die Membran aufstützen und die eine Einheit mit dieser Membran bilden, können in un terschiedlichen Formen hergestellt sein.

Bei einer Einheit gemäß F i g. 2 besteht die als Kathode bestimmte Elektrode aus einer Gaze 15 und einer die Elektrizität leitenden Schicht 14, welche als Katalysator aktiv ist und die Gaze 15 einhüllt. Die als Anode be-

JO stimmte Elektrode besteht aus einer Gaze 17 und einer die Elektrizität leitenden Schicht 16, welche als Katalysator aktiv ist und die Gaze 17 umhüllt.

Die Gazen bzw. Siebe 15 und 17 bewirken die Herbeiführung und den Transport des Stromes.

Die Einheit wird wie folgt hergestellt:

Als Kollektor 15 wird eine Nickelgaze bzw. ein Nikkeisieb von 55 Maschen (Maschenweite ca. 0,25 mm) bei einer Drahtstärke von 370 μιη und einer Oberfläche von 100 cm² verwendet

Zur Ausbildung der Schicht 14 wird auf dieser Gaze bzw. diesem Sieb elektrolytisch Platin aus einer Lösung abgeschieden, welche 3 Gew.-% Salz von H₂PtCI₆ enthält Die elektrolytische Abscheidung erfolgt bei Umgebungstemperatur bei einer Stromdichte von 2kAm-² während 30 Minuten. Auf diese Weise bildet sich auf der Nickelgaze bzw. dem Nickelsieb Ifi eine poröse Platinschicht von ungefähr 1,5 mg pro cm² geometrischer Oberfläche, welche als Katalysator aktiv ist. Zur Herstellung der Schicht 16 vermischt man Nickel nitrat und Kobaltnitrat im stöchiometrischen Verhältnis für die Bildung von NiCo₂O* in 1-Butanol. Als Kollektor 17 wird eine Nickelgaze bzw. ein Nickelsieb mit 55 Maschen (ca. 0,25 mm) und einer Drahtstärke von 370 μπι sowie einer Oberfläche von 100 cm² verwendet Diese Gaze wird in das Gemisch eingetaucht, danach wird sie während 2-3 Minuten bei 250⁰C in einem Ofen getrocknet Dies wird zehnmal wiederholt, und man bringt die Elektrode abschließend auf 350" C und hält sie hierauf etwa 10 Stunden. Auf diese Weise erhält man eine als Katalysator aktive Schicht von NiCo₂O*. welche um das Nickel porös abgelagert ist In der Einheit stellt die

Nickelgaze bzw. das Nickelsieb 17 den Transport von Elektronen sicher. Die Herstellung der Schicht 16 erfolgt analog der

Herstellung von Mischoxiden als Elektroden zur Entwicklung von Sauerstoff, wie dies von G. Sing, M. H. Miles und S. Srinivasan, BNL-20 £184 (1975) beschrieben wurde.

Zur Herstellung der Membran 5 vermischt man 4 g Polyantimonsäurepulver mit Kornabmessungen unterhalb von 30 μπι und einer spezifischen Oberfläche (B.E.T.-Oberfläche) von 25 m²/g (handelsübliches Produkt) und 1 g Polytetrafluorethylen (handelsübliches Produkt).

Die Herstellung von Poiyantimonsäure ist aus der belgischen Patentschrift 6 49 746 bekannt, und die Eigenschaften einer solchen Poiyantimonsäure sind aus der zuvorgenannten Veröffentlichung von L H. Baetsle und D. Huys bekannt.

Das Pulver wird durch Walzen agglomeriert, und man reduziert die Dicke des Agglomerates bis auf 300 μιη durch zehnmaliges Durchführen durch das Walzwerk.

Die Membran 5 wird auf die Gaze 15, die mit der als Katalysator aktiven Schicht 14 überzogen ist, aufgelegt.

Auf die Membran 5 wird die Gaze 17, welche zuvor mit der als Katalysator aktiven Schicht 16 überzogen wurde, aufgelegt. Die mit der Schicht 14 bedeckte Gaze i5, die Membran 5 und die mit der Schicht iö bedeckte Gaze 17 werden durch Laminieren bzw. Walzen derart vereinigt, daß eine Einheit mit einer Stärke von 800 μιη erhalten wird.

Die auf diese Weise hergestellte Einheit wird in 6 N KOH eingeführt. Beim Verbinden der Gaze 15 und der Gaze 17 mit einer äußeren, stromerzeugenden Spannungsquelle erhält man mit dieser Einheit folgende Leistung:

Der Gesamtspannungsabfall (E) quer durch die Einheit, ausgedrückt in Volt, wurde für Stromintensitäten, ausgedruckt in kA pro m², für Temperaturen von 22° C, 50°C und 85°C gemessen. Hierbei wurden folgende Werte erhalten:

/(kA/m²) £(V) £(V) £(V)

bei 22"C bei 50° C bei 85° C

Mehrere der zuvorgenannten Werte sind nicht kritisch und können in relativ großen Grenzen variieren. Die Menge an Polytetrafluorethylen in der Membran 5 muß nicht notwendigerweise 20 Gew.-% betragen, sondern sie kann zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-Vo oder auch zwischen 2,5 Gew.-% und 30 Gew.-% variieren.

Die Gaze bzw. der Siebe der Elektroden können dü'ch einen beliebigen Typ von Stromkollektor ersetzt werden, z. B. durch eine durchlochte Platte.

Obwohl das zuvor aufgeführte Beispiel sich auf die Anwendung einer erfindungsgemäßen Membran in einer Einheit bei einer Elektrolysevorrichtung für Wasser bezieht, kann die Erfindung ebenfalls bei Einheiten für andere Elektrolysevorrichtungen angewandt werden, z. B. zur Erzeugung von Chlor, in Einheiten von Brennstoffzellen und bei Einrichtungen zur Entsalzung von Meerwasser.

Die Membran muß nicht notwendigerweise eine Einheit mit den Elektroden bilden, sondern sie kann ebenfalls in einer Zelle zwischen Elektroden, ohne auf letztere abgestützt zu sein, verwendet werden.

65

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

&	2	!,6!	1.55	1.47
I	4	1,73	1,65	1.57
1	6	1.86	1,75	1.63
i	8	2,00	1,84	1,70
i	10	2,14	1,94	1,77

Claims

Patentansprüche:

!. Membran für eine elektrochemische Zelle, die die Diffusion von Gasen verhindert und die lonenleitung ermöglicht und die 23 bis 30 Gew.-% eines organischen Bindemittels und 70 bis 97.5Gew.-% eines ionenleitenden, mineralischen Pulvers enthält das dem Bindemittel zugesetzt ist dadurch gekennzeichnet, daß das ionenleitende Pulver Polyantimonsäure mit einer Korngröße unter 38 μίτι ist
2. Membran nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet daß das Bindemittel Polytetrafluorethylen ist
3. Membran nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Polyantimonsäure und das Bindemittel durch Trockenwalzen agglomeriert sind.
4. MembiEü nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadarch gekennzeichnet, daß wenigstens eine ihrer Oberflächen mit einer Elektrode bedeckt ist
5. Membran nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß eine Oberfläche der Membran mit ei- ner Elektrode bedeckt ist welche als Anode bestimmt ist und als Katalysator nktiv ist und daß die andere Oberfläche der Membran mit einer Elektrode bedeckt ist welche als Kathode vorgesehen ist und als Katalysator aktiv ist
6. Verwendung der Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Elektrolysevorrichtung mit einer einen alkalischen Elektrolyten enthaltenden Anoden- und Kathodenkammer, mit einem ersten Flüssigkeitskreislauf, zu dem d.; Änodenkammer gehört mit einem zweiten Flüssigkeitskreislauf, zu dem die Kathodenkammer gehört, mit einer zwischen diesen Kammern liegenden Membran und mit einer Spannungsquelle, an die Anode und die Kathode angeschlossen sind, wobei die Kathode und die Anode auf die Membran, die Gase trennt und ionenleitend ist geschützt sind.