DE1696549C3 - Vorrichtung zum Korrosionsschutz im Elektrolytkreislauf einer elektrochemischen Zelle - Google Patents

Description

Brennstoffzelle über den Verbraucher an die posi- an die Elektrode 6 über eine nicht gezeichnete Gaf.-

tive Elektrode der Batterie geleitet. leitung gelieferten Wasserstoffs genen Wasserstorr-

Bei einer anderen Ausführungsform der erfin- ionen in die Elektrolytlösung, und an der Elektrode

dungsgemiißen Vorrichtung wird die zusätzliche werden Elektronen frei. Die Elektronen können dann

Elektrode über einen Belastungswiderstand mit der 5 über die Leitung 20 zusammen mit dem von üer

positiven Elektrode der Batterie verbunden und der Brennstoffbatterie gelieferten Strom über den ver-

Stromkreislauf auf diese Weise geschlossen. braucber 10 an die Sauerstoffeiektrode 3 zurucK-

Cber dem durch den Elektrolytkreislauf gebildeten fließen. In einer anderen Ausführuogsforra können

Nebenwiderstand liegt die gesamte Klemmenspan- die Elektronen an Stelle der nunmehr weggelassenen

nung der elektrochemischen Zelle. Der Strom, mit io Leitung 20 über eine Leitung 21 und einen Be-

dem die zusätzliche Elektrode belastet wird, kann lastungswiderstand 12 an die Sauerstoffelektrode 3

daher durch geeignete Maßnahmen zur Vergröße- zurückfließen. Der Belastungswiderstand 12 kann

rung dieses Widerstandes veringert werden. In einer beispielsweise eine Glühfadenlampe sein, welche an-

besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfin- zeigt, ob die Elektrode 6 arbeitet, dungsgemäßen Vorrichtung wird daher zwischen der 15 Die F ί g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der

zusätzlichen Elektrode und der positiven Elektrode erfindungsgemäßen Vorrichtung, In diesem Fall ist

in dem Elektrolytkreislaufsystem ein Bauteil ange- in der Elektrolytleitung 4 bzw. 9 zu beiden Seiten des

ordnet, welcher mit Elektrolyt gefüllt ist und bei dem Kühlers 8 eine zusätzliche Elektrode 6 angeordnet,

der Elektrolytfaden in diesem Bauteil einen hohen Die beiden Elektröfen 6 sind durch die Leitung H

elektrischen Widerstand besitzt. 20 galvanisch miteinander verbunden. Die zusätzlichen

Die Fig. 1 zeigt die erfinuungsgemäße Vorrich- Elektroden 6 sind Wasserstoff-Diffusionselektroden, lung in Verbindung mit einer Brennstoffbatterie. Die Die Gaszuführungsleitungen -U den Elektroden 6 Brennstoffbatterie besteht aus 6 einzelnen Brenn- sind zur Vereinfachung der Zeichnung nicht einstoffelementen, welche jeweils eine Wasserstoff- gezeichnet. Mit der Verbindungsleitung 13 können Diffusionselektrode 2 bzw. 2' und eine Sauerstoff- 25 die Elektroden 6 noch mit dem zu schützenden Bau-Diffusionselektrode 3 bzw. 3' enthalten. Zur Verein- teil 8 verbunden werden. Die Verbindungsleitunfachung der zeichnerischen Darstellung sind die Gas- gen 20 bzw. 21 mit den eingeschalteten Verbraucherversorgungsleitungen an die porösen Elektroden widerständen 10 bzw. 12 werden wie in Fi g. 2 wahl-Bicht eingezeichnet. Die einzelnen Elemente der weise verwendet. Die vorzugsweise Ausführungsform Brennstoffbatterie sind elektrisch in Reihe geschaltet, 30 der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Zusammendas heißt, die Wasserstoffelektrode einer Brennstoff- hang mit der in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzelle ist jeweils mit der Sauerstoffelektrode einer an- batterie erhält man, wenn eine der beiden Elektrogrenzenden Brennstoffzelle elektrisch verbunden den 6 weggelassen und ersetzt wird durch die Wasduch eine Leitung. Die Elektrolytflüssigkeit wird serstoff-Diffusionselektrode 2 mit dem negativsten über die Sammelleitung 9 und die von dieser abzwei- 35 Potential.

genden Zuführungsleitungen den einzelnen Brenn- Beispiel 1 stoffclementen parallel zugeführt und über die Sammelleitung 4 wieder abgeführt. Die beiden Anschluß- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zuklemmen 16 und 17 der Brennstoffbatterie sind über sammcn mit einer Brennstoffbatterie betrieben wereine Leitung mit dem dazwischengeschalteten Ver- 40 den, welche Methanol als Brennstoff verwendet. Die braucherwiderstand 10 miteinander verbunden. Das Fig. 4 zeigt eine entsprechende Anordnung einei Teil 5 bezeichnet eine Vorrichtung mit hohem elek- Brennstoffbatterie 1 mit 24 Einzelzellen, welche elektrischem Widerstand der Elektrolytilüssigkeit. trisch miteinander in Serie geschaltet sind und jeweili

Die zusätzliche Elektrode 6 — dies ist eine Was- _ej_ne positive Sauerstoffelektrode 3 und eine negativ«

serstoffdiffusionselektrode entsprechend der Elek- 45 Methanolelektrode 25 enthalten. Der Brennstoff Mc

trade 2 in der Brennstoffbatterie — ist durch eine thanol wurde den porösen Brennstoffelektroden 2f

elektrische Leitung 11 mit dem beispielsweise aus über die Elektrolytieitung 9 mit dem Elektrolyter

Kupfer bestehenden metallischen Kühler 8, welcher zugeführt. Als Elektrolytflüssigkeit wurde eint

von der Elektrolytflüssigkeit durchströmt wird, ver- wäßrige 6 η-Kalilauge verwendet. Die positiver

blinden. Diese Ausführungsform der erfindungsge- 50 Sauerstoffelektroden 3 waren nach der Art der be

mäßen Vorrichtung ist besonders zweckmäßig, wenn kannten porösen Sauerstoffdiffusionselektroden au:

der Widerstand der Elektrolytflüssigkeit in dem Lei- gesintertem Raney-Silber und Carbonylnickel auf

tungsstück 4 und in der Vorrichtung mit hohem gebaut. Der Kühler 8 bestand aus Kupferrohr um

Widerstand 5 so groß ist, daß ein lonenstrom wurde durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vo

zwischen der Sauerstoffelektrode 3 und der Wasser- 55 Korrosion geschützt. Hierzu ist zwischen dem Kuh

Stoffelektrode 6 weitgehend verhindert wird. Die zu- ler 8 und der Sauerstoffeleklrode 3 im Elektrolvt

sätzliche Elektrode 6 verhindert dann durch den an kreislauf die zusätzliche Elektrode 6 und die Laby

ihr elektrochemisch in Lösung gebrachten Wasser- rinthscheibe 5 angeordnet. Die zusätzliche Elek

stoff eine Korrosion des Kupferkühlcrs 8 durch den trode 6 ist eine au sich bekannte Methanolelektrod

in der Elektrolytflüssigkeit gelöst enthaltenen Sauer- 60 mit Edelmetallkatalysator, welche in ihrem elcktro

^st°ff- chemischen Verhalten und in ihrem Aufbau völli

Eine Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 2 der Elektrode 25 der Brennstoffbatterie 1 entsprich!

ist zweckmäßig, wenn zwischen den beiden Elektro- Der Brennstoff Methanol wird auch der zusätzliche

den 3 und 6 in der Elektrolytieitung noch ein Ionen- Elektrode 6 über den Elektrolytkreislauf zugefühn

strom fließt. Zum Abfluß der von der Elektrode 6 65 Der Kupferkürder 8 ist durch die elektrische Leitun

gelieferte:! Elektronen ist die Elektrode 6 über die Leitung 11 mit der zusätzlichen Elektrode 6 verburi

Leitung 20 noch mit der Elektrode 2 galvanisch ver- den. Die zusätzliche Elektrode 6 ist über die Leitun

bunden. Bei der elektrochemischen Auflösung des 20 mit der negativsten Methanolelektrode 25 de

BrcnnstofTbattcric verbunden. Durch die Leitung 11 wird der Kupfcrkühler 8 auf dem Potential der zusätzlichen Methanolelektrodc 6 gehallen, welches in der Nähe des Wasserstoflpotcntials liegt, und wird auf diese Weise vor Korrosion geschützt. Die Leitung 29 dient zur Ableitung des in dem Teil 4 der Elcktrolytleitung fließenden und von der zusätzlichen Methanolelektrode 6 übernommenen Shuntstroms. Die Wirkamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung konnte mit Hilfe eines Meßinstruments zur Messung des Stroms in der Leitung 20 überprüft werden. Der von der zusätzlichen Elektrode 6 übernommene Strom, welcher auf diese Weise nicht eine Korrosionswirkung an dem Kupferkühler 8 ausüben konnte, betrug etwa 10 mA.

Beispiel 2

Die F i g. 5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zusammen mit einer Elektrolysevorrichtung. Die Vorrichtung 28 zur Elektrolyse einer wäßrigen 6 η-Kalilauge enthält 24 einzelne elektrisch in Reihe hintereinandergeschaltetc Elektrolysezellen. Jede Zelle enthält eine Elektrode 26 für die Abscheidung von Wasserstoff und eine Elektrode 27 für die Abscheidung von Sauerstoff. Die porösen Elektroden 26 und 27 enthalten jeweils eine mittlere grobporösc Katalysatorschicht und eine äußere feinporösc Deckschicht. Wasserstoffgas bzw. Sauerstoffgas wird dann in der Arbeitsschicht abgegeben und über entsprechende Leitungen dem Verbraucher zugeführt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Saucrstoffleitungen nicht gezeichnet. Der Elektrolytkreislauf besteht aus den beiden Leitungsstücken 4 und 9 und enthält noch die beiden zusätzlichen Elektroden 6 zu beiden Seiten des Kühlers 8, welcher geschützt werden soll. Die beiden zusätzlichen Elektroden 6 sind WasserstofT-Diffusionselektroden entsprechend den Elektroden 26. Sie erhalten ihren Brennstoff unmittelbar aus der Leitung 14, welche mit den Elektroden 26 des Elektrolyseurs verbunden ist. Sie sind untereinander und mit dem vor Korrosion zu schützenden Kühler 8 galvanisch durch die Leitung 11 verbunden. Außerdem sind sie mit der negativsten Elektrode 26 des Elektrolyseurs 28 verbunden, weiche zugleich die Kathode ist. Der Querschnitt und die Länge der Elektrolytleitung 4 ist so bemessen, daß der Widerstand der Elcklrolytllüssigkcit in der Leitung 4 ausreichend ist. um den durch die beiden zusätzlichen Elektroden 6 übernommenen Shuntslrom auf 50 mA zu begrenzen. S

Beispiel 3

Die F i g. 6 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zusammen mit einem alkalischen Nickcl-Cadmium-Akkumulator 31. Der Akkumulator 31 besteht aus 10 Einzclzellcn. Die einzelnen Zellen werden parallel von der Elektrolytflüssigkcit durchflossen, welche anschließend durch eine nicht gezeichnete Pumpe über den äußeren Elcktrolytkreislauf gefördert wird. Der äußere Eleklolytkreislauf besteht

'5 aus den beiden Leitungen 4 und 9 und enthält noch einen Kühler 8 aus Eisenrohr, die beiden zusätzlichen Elektroden 6 und die Labyrinlhschcibe S. In den niektrolytkrcislauf ist noch eine Elektrolysezelle 29 eingefügt. Die Elektrolysezelle 29 enthält zwei Elektrodcn und ist über den Vorwiderstand 30 an den Akkumulator 31 angeschlossen und erhält auf diese Weise die notwendige Betriebsspannung zur Zersetzung der Elektrolytflüssigkeit in WasserstofTgas und Sauerstoffgas. Die Gase werden an der porösen

»5 Wasscrstoffventilelektrode 32 bzw. der Sauerstoffventilclektrodc 33 abgeschieden. Das Wasserstoffgas wird an der Arbeitsschicht der Wasscrstoffelektrode 32 entnommen und über die Leitung 34 dem beiden zusätzlichen Elektroden 6 zugeführt. Das Sauerstoff-

gas wird nicht benötigt und kann über ein Ventil 35 abgeblasen werden. Durch die Verwendung der Labyrinthscheibc 5 ist es möglich, den von den beiden zusätzlichen Elektroden 6 übernommenen Shuntstrom unter einem Wert von 10 mA zu halten.

Der für die Elektrolyse zur Wasserstofferzeugung in der Zelle 29 benötigte Strom war daher gering, und es konnte ein Vorwiderstand 30 von Kiloohm verwendet werden. Durch die Leitungen 11 wurde der zu schützende Kühler 8 auf dem Potential der Wasserstoffelektroden 6 gehalten. Die beiden Elektroden wurden über einen Vorwiderstand 36 mit der positiven Nickelelektrode 37 des Akkumulators verbunden. Die Cadmiumelektroden der einzelnen Akkumulatorzellen sind mit 38 bezeichnet. Der Widerstand 10 deutet den durch den Akkumulator betriebenen Verbraucher an.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

1. Sauerstoff korrodierend auf viele metallische Werk-Patentansprüche: deinem Elektrolyten befindliche Metallteile durch 1. Vorrichtung zum Korrosionsschutz im Elek- kathodischen Schutz vor Korrosion zu bewahren, ist trolytkreislauf einer elektrochemischen Zclie, ins- 5 bekannt. Der kathodische Schutzstrom kann entbesondere einer Elektrolysezelle, einer Akku- weder einer äußeren Gleichstromquelle entnommen muJatorbatterie oder einer Brennstoffbatterie. werden oder der kathodische Schutzstrom wird durch wobei die Zelle mindestens eine Elekrode mit Kurzschließen des zu schützenden Metalls mit einem negativer Polarität enthält, welche ein elektro- im gleichen Elektrolyt befindlichen unedleren Metall chemisches Potential in der Nähe des reversiblen io gewonnen. Äußere Gleichstromquellen stehen jedoch Wasserstoffpotentials besitzt, dadurch ge- nicht immer zur Verfügung, und Elektroden aus unkennnzeich.net, daß in dem Elektrolytkreis- edlerem Metall werden im Laufe der Zeit aufgezehrt, lauf in der Nähe der zu schützenden Bauteile. Es ergab sich daher die Aufgabe, eine Vorrichwelche in der Elektrolytflüssigkeit erst bei einem tung zum Korrosionsschutz im Elektrolytkreislauf Potential korrodieren, welches positiver ist als i₅ einer elektrochemischen Zelle zu finden, bei weldas Wasserstoffpotential, eine zusätzliche Brenn- eher die letztgenannten Nachteile vermieden werden. Stoffelektrode mit dem gleichen elektrochemi- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gesehen Charakter wie die negative Elektrode, ins- löst, daß in dem Elektrolytkreislaut in uer Nähe der besondere eine Wasserstoffdiffusionselektrode, zu schützenden Bauteile, weiche in der Elektrolytangeordnet ist, und die zusätzliche Elektrode mit ₂₀ flüssigkeit erst bei einem Potential korrodieren, weleiner Versorgungsleitung für Betriebsstoffe ver- ches positiver ist als das Waserstoffpotential, eine bunden ist, wobei die Elektrode galvanisch mit zusätzliche Brennstoffelektrode mit dem gleichen dem zu schützenden Bauteil verbunden ist. elektrochemischen Charakter wie die negative Elek-
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch ge- trode. insbesondere eine WasserstoffdiffusionseleK-kennzeichnet, daß eine zwe^:te zusätzliche Elek- 25 trode. angeordnet ist, und die zusätzliche Elektrode trode an der entgegengesetzten Seite des zu mit einer Versorgungsleitung für Betriebsstoffe verschützenden Bauteils im Elektrolytsystem ange- bunden ist, wobei die Elektrode galvanisch mit dem ordnet ist und daß diese zusätzliche zweite Elek- zu schützenden Bauteil verbunden ist.

   trode mit ffer ersten Schutzelektrode galvanisch Die zu schützenden Bauteile bestehen aus einem

   verbunden ist. 30 Material, welches in der Elektrolytflüssigkeit erst
3. 3. Vorrichtung nach Ans ruch I, dadurch ge- bei einem Potential korrodiert, das positiver ist als kennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode mit das Wasserstoffpotential. Die Elektrode ist noch mit der Elektrode der elektrochemischen Zelle mit einer Versorgungsleitung für Betriebsstoffe verbundem negativsten Potential galvanisch verbunden den. Die zusätzliche Elektrode ist außerdem galva-'^sl· 35 nisch mit dem zu schützenden Bauteil verbunden.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch ge- Durch diese Ausführungsform der erfindungsgemäkennzeichnet, daß die zusätzliche Elektrode gal- ßcn Vorrichtung wird besonder wirkungsvoll die vanisch über einen Belastungswiderstand mit der Korrosion der Bauteile durch im Elektrolyten gepositiven Elektrode der Batterie verbunden ist. lösten Sauerstoff verhindert. Die mit dem geeigneten
5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der 40 Betriebsstoff, beispielsweise Methanol, Formaldehyd, Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daü Wasserstoffgas und anderen wasserstoffhaltigen Verzwischen der zusätzlichen Elektrode und der bindungen, versorgte zusätzliche Elektrode stellt ein positiven Elektrode der Batterie im Elektrolyt- Potential in der Nähe des reversiblen Wasserstoffsystem ein mit Elektrolyt gefüllter Bauteil mit potentials ein. Durch die Verbindung mit dem Bauhohem elektrischen Widerstand des Elektrolyt- 45 teil wird dieser selbst ebenfalls auf dieses Potential fadens in diesem Bauteil angeordnet ist. gebracht, welches negativer ist als das Potential, bei

   dem der Bauteil, beispielsweise Kupfer, Nickel. Eisen

   und die verschiedensten Metallegierungen, korrodiert.
   50 Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kor- erfindungsgemäßen Vorrichtung erhält man. wenn rosionsschutz im Elektrolytkreislauf einer elektro- man in dem Elektrolytsystem zu beiden Seiten des chemischen Zelle, insbesondere einer Elektrolyse- zu schützenden Bauteils eine Elektrode anordnet und zelle, einer Akkumulatorbatterie oder einer Brenn- diese beiden zusätzlichen Elektroden galvanisch mitstoffbatterie, wobei die Zelle mindestens eine Elek- 55 einander verbindet. Korrosionsströme werden dann Irode mit negativer Polarität enthält, welche ein von dem Bauteil ferngehalten. Die beiden Elektroelektrochemisches Potential in der Nähe des rever- den können noch mit dem Bauteil galvanisch vcrsiblen Wasserstoffpotentials besitzt. bunden werden, und das Bauteil kann auf diese Weise

   Es ist bei elektrochemischen Zellen mit einem auf das Elektrodenpotential gebracht werden. Elektrolytkreislauf in vielen Fällen erforderlich, kor- 60 Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der er· rosionsgefänrdete metallische Bauteile im Elektro- findungsgemäßen Vorrichtung kann die zweite Elek· lytkreislaur unterzubringen. Durch die Nebenströme trode eingespart werden.

   in der elektrochemischen Zelle, welche durch den Die zusätzliche Elektrode wird dann mit der Elek-

   als Nebenwiderstand wirkenden ElektrolytSeitungs- (rode der elektrochemischen Zelle mit dem negazug meisen, erhalten in dem Kreislauf angeordnete 6₅ tivsten Potential galvanisch verbunden. Der beispiels· «üfv ,-ι ^b ■ Elektrolytkühler, Pumpen weise bei der elektrochemischen Auflösung von Was l·"«« « α n^ei!5 ^^I¹!⁸¹' .^{bei dem sie} korrodieren serstoffgas an der zusätzlichen Elektrode entstehend!; können. Außerdem _WIrkt im Elektrolyten gelöster Elektronenstrom wird dann beispielsweise bei eine-