Bedienungsanweisung Halbzelle

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1 Bedienungsanweisung Halbzelle Typ: HZ-PP01 Vers Gaskatel GmbH Holländische Str. 195 Gebäude M11 D Kassel +49 / (0)561 /

2 1 Charakterisierung von Gasdiffusionselektroden GDE-Halbzelle Elektrolytraum Gasraum Haber- Luggin- Kapillare Gegenelektrode Inbetriebnahme Betriebsbedingungen Warnhinweise Zusammenbau Betrieb Im Lieferumfang enthalten: Fehlersuche Tests Gaskatel GmbH 2 / 14

3 1 Charakterisierung von Gasdiffusionselektroden Gasdiffusionselektroden werden im zunehmenden Masse in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Sensoren eingesetzt. Aber auch in etablierten Produkten wie der Zink/Luft Knopfzelle sind diese Elektroden zu finden. Man kann die Menge von GDE auf mehrere m² pro Jahr schätzen. Wie werden solche Elektroden untersucht? Wie funktioniert die Qualitätskontrolle? Eine Möglichkeit sind die Strom-Spannungs-Messungen (CV) in einer Halbzelle. Dabei muss die Halbzelle möglichst genau die Bedingungen in der späteren Anwendung in Bezug auf Temperatur, Druck, Elektrolytkonzentration und Stromhöhe einstellen können. 2 GDE-Halbzelle Es sind viele verschiedene Halbzellen bekannt - allerdings keine gewerblich Serie für den Test von Gasdiffusionselektroden. Dies wollen wir ändern. In der folgenden Tabelle 1 sind die typischen Reaktionen an Gasdiffusionselektroden für saure und alkalische Elektrolyte dargestellt. Man kann erkennen, dass an der Gegenelektrode die umgekehrte Reaktion stattfindet. Der Elektrolyt wird durch den Betrieb nicht verändert. Dadurch sind auch Langzeitmessungen in solchen Halbzellen möglich. Arbeitselektrode Gegenelektrode Potential vs RHE O 2 Alkalisch O 2 2H 2 O 4e 4OH 4OH O2 2H 2O 4e ~ 1.1 Sauer O2 4 H 4e 2H 2O 2H 2 O O2 4H 4e ~ 1,1 H 2 Alkalisch H 2 2 OH 2e 2H 2O 2H 2 O H 2 2OH 2e ~ 0 Sauer H 2e 2H 2H 2e H ~ Tabelle 1: Mögliche Reaktionen in der GDE Halbzelle. Abhängig von der Wahl der Elektrode, des Gases und des Potentials. 2.1 Elektrolytraum An den Elektrolytraum sind folgende Forderungen zu stellen: Keine Störung des Feldlinienverlaufs zwischen Arbeits- und Gegenelektrode Geringe Wasserdampfverluste Wir haben das erreicht durch einen rohrförmigen Elektrolytraum und den Elektroden an beiden Enden, dadurch ist der Feldlinienverlauf ungestört. Um die Wasserdampfverluste zu minimieren wird die Zelle mit einem Deckel verschlossen. Weil jedoch die Gase von der Gegenelektrode entweichen müssen, ist eine Öffnung mit einer Kondensationsstrecke vorgesehen. In diesem Rohr kann das Gas der Gegenelektrode entweichen und sich abkühlen. Dadurch kondensiert das Wasser aus und läuft zurück in den Elektrolytraum. Gaskatel GmbH 3 / 14

4 2.2 Gasraum Im Gegensatz zu anderen Halbzellen muss bei den Gasdiffusionselektroden ebenfalls Gas zur Elektrode geführt werden. Dies geschieht hier über einen separaten Gasraum. Diese besitzt drei Anschlüsse: - Gaseinlass - Gasauslass - Kondensatablass Der Gasraum ist mit einer Plexiglasplatte verschlossen, so dass die Elektrode beobachtet werden kann. Der Gasraum ist ebenfalls konisch geformt, damit das anfallende Kondensat nicht die Elektrode blockiert. Es findet eine Kondensation von Wasserdampf aus dem Elektrolyten an der PMMA Scheibe statt. Dadurch beschränkt sich die Messzeit auf einige Stunden. Für eine Langzeitmessung muss die Halbzelle in einen Wärmeschrank gebracht werden, damit keine Kondensation im Gasraum stattfindet. Das Kondensationsrohr muss dann aber außerhalb des Wärmeschrankes liegen. 2.3 Haber- Luggin- Kapillare Durch die Haber-Luggin-Kapillare wird der elektrolytische Kontakt zwischen Referenz- und Arbeitselektrode hergestellt. An diese Kapillare werden folgende Forderungen gestellt: - keine Störung des Feldlinienverlaufes im Elektrolyten. (kleiner Durchmesser) - geringer Elektrolytwiderstand (großer Durchmesser) - Position direkt vor der Arbeitselektrode. - Unempfindlichkeit gegen Gasblasen, die die Kapillare verstopfen. - Vom Standpunkt der Qualitätssicherung kommt noch hinzu, dass alle diese Faktoren bei verschiedenen Halbzellen konstant gehalten werden. Diese Forderungen gleichzeitig zu erfüllen ist nicht möglich. Der Kompromiss bei Gaskatel sieht wie folgt aus: Die Referenzelektrode wird in der senkrechten Bohrung auf der linken Seite untergebracht. Über die untere waagerechte Bohrung ist diese mit der Haber-Luggin-Kapillare, die schräg zum Elektrolytraum führt verbunden, wie in Abb. 1 (Schnitt der Zelle) zu sehen. Gaskatel GmbH 4 / 14

5 Kapillare Abbildung 1: Schnittzeichnung der Halbzelle mit Aufnahme der Referenzelektrode und Haber- Luggin-Kapillare. Ihr Durchmesser beträgt 1 mm. Die Kapillare endet am unteren Rand der GDE der Feldlinienverlauf wird nicht beeinträchtigt. Auch Gasblasen können hier nicht stören. Ende der Kapillare Abbildung 2: Aufsicht auf das Ende der Haber-Luggin-Kapillare in Schnittzeichnung des Elektrolytraums. Gaskatel GmbH 5 / 14

6 2.4 Gegenelektrode Je nach Anwendung können die Gegenelektroden aus Platin, Titan oder Nickel gefertigt werden. Folgende Forderungen sind an die Gegenelektrode zu stellen: - Elektrochemische Beständigkeit kein Eintrag von Fremdionen in den Elektrolyten - Stromtransport. Hier wurde ein Platinblech mit der Stärke von mm gewählt. Damit bestimmt sich der Widerstand der Gegenelektrode zu etwa 20 mω. Gaskatel GmbH 6 / 14

7 3 Inbetriebnahme 3.1 Betriebsbedingungen Nennspannungen Die zugeführte Nennspannung an Arbeits-/Gegenelektrode muss unterhalb von 50 V Wechselstrom und 75 V Gleichstrom liegen. Die maximale Leistung beträgt 3 A. Die zugeführte Nennspannung an die Heizelemente darf 24 V Gleichstrom nicht überschreiten. Sichern Sie den Heizstrom mit 4,5 A bei träger Auslösecharakteristik ab. Nennstrom Der maximal zulässige elektrische Strom zwischen Arbeitselektrode und Gegenelektrode ist durch den Siedepunkt des vorgesehenen Elektrolyten und maximal 3 A zu begrenzen. Das eingefüllte Elektrolytvolumen in Relation zur eingebrachten Joulschen Wärme bestimmt die maximale Aufheizrate und Endtemperatur, welche in jedem Falle unterhalb der Siedetemperatur liegen muss. Bitte beachten Sie, dass die Joulsche Wärme sich aus der Summe von Umgebungstemperatur, Zellheizung und dem Produkt aus Zellstrom und Zellspannung ergibt. Druckbereich Am Gaseinlass der Halbzelle darf ein maximaler Druck von 200 mbar angelegt werden. Temperaturbereich Der vorgesehene Arbeitsbereich der Halbzelle beträgt min. +10 C / max. +80 C Gaskatel GmbH 7 / 14

8 3.2 Warnhinweise Heiße Oberflächen Die Zellheizung und / oder der von Ihnen angelegter Zellstrom können die Halbzelle auf weit über 80 C aufheizen. Stellen Sie keine wärmeempfindlichen Dinge auf die Halbzelle. Stellen Sie keine leicht entflammbaren Dinge in der Umgebung der Halbzelle ab. Achten Sie auf korrekten Verlauf Ihrer Mess- und Heizkabel. Wählen Sie Kabelisolierungen mit geeignetem Temperaturbereich aus. Andernfalls besteht die Gefahr eines elektrischen Kurzschluss und Brandgefahr. Laborbetrieb Die Halbzelle ist einzig zum Betrieb in einer Laborumgebung definiert. Die Laborumgebung muss den Sicherheitsdatenblättern und Spezifikationen für Ihren Elektrolyten entsprechen. Schutzausrüstung Der Bediener der Halbzelle muss mit ausreichender Labor Schutzausrüstung entsprechend der Sicherheitsdatenblätter und Spezifikationen für Ihren Elektrolyten ausgestattet sein. Der Elektrolyt kann bei Druckstößen auf den Gaseinlass oder Erreichen des Siedepunktes aus der Halbzelle spritzen. Elektrolytdämpfe entsprechend Dampfdruckkurve werden ständig von der Halbzelle emittiert. Gaskatel GmbH 8 / 14

9 Schutz gegen auslaufenden Elektrolyten Die Halbzelle soll auf einer Laborschale, welche das gesamte eingefüllte Elektrolytvolumen im Falle einer Undichtigkeit sicher aufnehmen kann betrieben werden. Abstand zu elektrischen / elektronischen Geräten Elektrolytdämpfe entsprechend Dampfdruckkurve werden ständig von der Halbzelle emittiert. Schützen Sie elektrische / elektronischen Geräte durch großen Abstand, Trennwände oder Betrieb unter einem Abzug. 3.3 Zusammenbau Die zusammengebaute Halbzelle inklusive Anschlusskabel an den Potentiostaten ist in Abbildung dargestellt. Gekennzeichnet sind hier Einlass und Auslass für Gas, das Kondensationsrohr, der G1/8 Stopfen für einen optionalen Temperatursensor vom Typ PT100, die Aufnahmebohrung für die Referenzelektrode bis Ø 10,0 mm sowie der elektrische Anschluss der Heizung mit 4 mm Labor - Kabelbuchsen. Kondensationsrohr Einlass - Gas G1/8 für optionalen PT100 Temperatursensor Aufnahme - Referenzelektrode Auslass - Gas Stromanschluss - Heizung Anschluss - Gegenelektrode Abbildung 3: Halbzelle im zusammengebauten Zustand. Gaskatel GmbH 9 / 14

10 Abbildung 4: Explosionsansicht Gaskatel GmbH 10 / 14

11 Hier die einzelnen Arbeitsschritte: Gegenelektrode einsetzen (falls diese ausgebaut wurde) Gegenelektrode (6) einstecken und mit PTFE-Keil (7) stützen Deckeldichtung (4) und Körperdeckel (10) mit 4 Schrauben M6 x 16 (23) befestigen Kontaktunterlage (8) neben der Gegenelektrode auflegen, Kontaktbuchse (11) mit Schraube M3 x 20 (24) nur lose befestigen Kontaktklemme (12) so gegen die Kontaktbuchse (11) legen, dass die Gegenelektrode dazwischen klemmt und mit 2 Schrauben M4 x 12 (25) anziehen. Erst jetzt die M3 Schraube (24) fest ziehen. Arbeitselektrode einsetzen Zuschnitt der Elektrode (9): Breite 3 cm, Länge 8 10 cm / Maximale Dicke 1 mm. Die aktive Fläche im Elektrolyten beträgt 3 cm² Einlegen zwischen die Silikondichtungen (5) Das Elektroden-Dichtungs-Sandwich auf die 3 Stifte (27) des Halbzellenkörper (1) legen O-Ring (28) in die Nut im Gasraum (2) einlegen und dessen Sitz kontrollieren Gasraum (2) und Acrylglasdeckel (3) aufsetzen Mit 4 Schrauben M8 x 160 (14) kreuzweise dicht ziehen; Anzugsmoment: Ncm Verschlussstopfen G1/8 (26) des Acrylglasdeckel dicht ziehen Anschließen der Peripherie Befestigung von Zu- & Ableitung für Gas in Dimension 6 x 4 mm an die Einschraubverschraubungen (19-21); wir empfehlen elastische Schläuche aus PVC Anschluss der Stromversorgung für die Heizung (+13,8 VDC min. 2,5 A Dauerlast) an die rote 4 mm Kabelbuchse (17), 0 VDC an die blaue 4 mm Kabelbuchse (16) Befüllung der Halbzelle mit ca. 40 ml Elektrolyt durch die Öffnung für den Verschlussstopfen (26) auf dem Körperdeckel (10). Gießen Sie die letzten ml langsam ein; beobachten Sie die ggf. verzögert ansteigende Füllhöhe in der Bohrung für die Ref.- Elektrode. Diese darf abhängig vom Schaftdurchmesser Ihrer Referenz maximal ca. halb gefüllt sein um Überlaufen bei Einstellen der Referenz zu vermeiden. Setzen Sie nun Ihre Referenzelektrode ein Anschluss des Potentiostaten / Galvanostaten Überprüfen des Potentials Tabelle 2 Gaskatel GmbH 11 / 14

12 3.4 Betrieb Bei Benutzung der internen Heizung soll der Betrieb nicht länger als 8 h sein (Verdunstung aus Elektrolyten und Kondensatbildung im Gasraum). Der maximale Strom durch die Zelle darf 3 Ampere nicht überschreiten. Ansonsten kann die Zelle Bedingungen ausgesetzt werden, unter denen die im Folgenden aufgeführten Materialien der Halbzellenkomponenten stabil sind. Gehäusematerial PP Flachdichtung Silikon O-Ring-Dichtung EPDM Deckelmaterial PSU Sichtmaterial PMMA 3.5 Im Lieferumfang enthalten: Pt Gegenelektrode 3 cm² (Bestellnummer: HZ ) mit Goldkontakt - Buchse 4mm Elektrolytraum mit Haber Luggin-Kapillare 1 mm ± 0.12 mm PTC Heizung 100 W, 13,8 Volt DC, 80 C PSU Deckel mit Silikondichtung 2 Silikondichtungen für Einbau von GDE Arbeitselektroden Gasraum mit Sichtfenster und EPDM O - Ring Dichtung Kondensablass im Sichtfenster Einschraubverschraubung für Schlauchanschluss 4 x 6, Gasanschluss EM Technik Verschlussstopfen G1/8 zur Aufnahme von optionalem Thermosensor PT100 Kondensationsrohr 4 Fehlersuche Fehler Mögliche Ursache Überprüfen Zelle heizt nicht auf ca. 80 C Kontaktprobleme Kabel von Netzgerät zu Heizung PTC Heizelement defekt Messen der Widerstandes. Dieser muss im kalten Zustand 7 9 Ω pro PTC Heizelement oder insgesamt betragen Potentiostat geht in Überspannung Kontaktprobleme Kabel vom Potentiostaten überprüfen Pt Gegenelektrode gerissen Ausbau und Zustand überprüfen Falsches Potential Gasblase vor Referenzelektrode Bewegen der Referenzelektrode um einige Gasblase in Haber-Luggin- Kapillare Zentimeter auf und ab. Absaugen von Elektrolyt aus Referenzbohrung und einfüllen in Elektrolytraum Gaskatel GmbH 12 / 14

13 Elektrolytfilm zwischen Referenzöffnung und Gegenelektrode Reinigung der Fläche mit feuchten Tuch Tabelle 2: Zusammenstellung der möglichen Fehler 5 Tests Durchgeführt mit 0.1 m NaOH Dichtigkeitstest: Heizungstest: Haber-Luggin-Kapillare: Kontakte: O.K. (keine Tropfenbildung) O.K. (>60 C nach 30 Minuten) O.K. (Potentialmessung möglich) O.K. (>1 Ampere möglich) Gaskatel GmbH 13 / 14

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