DE2334647B2

DE2334647B2 - Wasserelektrolyseur

Info

Publication number: DE2334647B2
Application number: DE19732334647
Authority: DE
Inventors: Lars Dr.-Ing.; Sheikh M. Saeed A. Dr.; 1000 Berlin Hellmer
Original assignee: Bamag Verfahrenstechnik Gmbh, 6308 Butzbach
Priority date: 1973-07-07
Filing date: 1973-07-07
Publication date: 1976-12-09
Also published as: DE2334647A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wasserelektrolyseur mit einer Mehrzahl von fiiterpressenartig in einer Reihe angeordneten, jeweils durch ein Mittelblech voneinander getrennten Elektrolysezellen, in denen an beiden Seiten eines Diaphragmas mit dem Mittelblech metallisch leitend verbundene und an ihm befestigte Lochbleche angeordnet sind, mit denen die Kathoden bzw. Anoden, welche als lose eingelegte Drahtnetze ausgebildet sind, beidseitig gegen das Diaphragma gepreßt werden.

Wasserelektrolyseure bestehen heute überwiegend aus Bipolarzellen, bei denen ein sogenanntes Mittelblech gegenüber der einen Zelle als Kathode und gegenüber der anderen Zelle als Anode fungiert. Um den Stromweg in der Zelle möglichst kurz zu halten und die Schwächung der Stromleitung durch im elektrischen Feld aufsteigende Gasblasen zu vermeiden, werden gas- und elektrolytdurchlässige Vorelektroden verwendet, die ein Entweichen des abgeschiedenen Gases durch die Vorelektrode in die dahinter liegende Kammer ermöglichen. Als Material für diese Vorelektroden können Lochbleche, Drahtnetze oder Sintermetallplatten verwendet werden (U11 m a η η, Band 18, [1967] S. 524). Während das Drahtnetz gegenüber dera Lochblech den Vorteil einer vergrößerten wirksamen Elektrodenfläche verbunden mit geringerem Energieverbrauch hat, fehlt ihm alleine die für den Dauerbetrieb erforderliche mechanische Stabilität Es ist daher auch schon bekannt das Drahtnetz z. B. durch Punktschweißung mit einer Lochplatte zu verbinden (DT-PS 8 97 839). Das Aufschweißen dieser sehr feinmaschigen Netze erfordert ein hohes Maß an Geschick, trotzdem ist eine von den Schweißpunkten ausgehende Korrosion meist nicht zu vermeiden. Es ist daher auch schon bekannt ein Edelmetalldrahtnetz mit einer hochporösen gesinterten Nickelplatte zu kombinieren, um die Arbeitsspannung herabzusetzen (DT-OS 16 67 369). Sowohl die Edelmetall-Drahtnetze als auch die Sintermetallplatten machen diesen Elektrolyseur außerordentlich kostspielig. Außerdem ist die Standfestigkeit derart hochporöser Metallsinterplatten nicht ausreichend, so daß diese noch durch besondere Halteständer aus einem Kunststoffmaterial gestützt werden müssen. Trotz der hohen Porosität der Sinternietallplatte ist der Elektrolyt- und Gasaustausch durch die Platte schlecht, wodurch die sich aus der Verwendung des Edelmetall-Netzes ergebende Erniedrigung der Betriebsspannung zum Teil wieder verloren geht.

>n der deutschen Auslegeschrift 10 06 401 und der französischen Patentschrift 12 80011 werden Wasserelektrolyseure beschrieben, bei denen das Mittelblech (dort als Scheidewand bezeichnet) mit nach beiden Seiten vorstehenden Warzen versehen ist, die dem Andruck der Drahtnetzelektroden an das Diaphragma dienen. Bei diesen Konstruktionen fehlen aber die als Voreiektroden fungierenden Lochbleche. Soll ein guter Andruck der Drahtnetzelektroden an das Diaphragma gewährleistet sein, so müssen die herausgedrückten Warzenköpfe einen geringen Abstand voneinander haben, was jedoch zu einer Behinderung des Aufstiegs der Gasblasen und damit zu einer Verminderung der erreichbaren Leistung des Elektrolyseurs führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Wasserelektrolyseurs, dessen Betriebsspannung durch die konstruktive Ausbildung der Zellen wesentlich gesenkt wird, ohne daß hierzu Edelmetall-Drahtnetze oder Edelmetall-Beschichtungen an den Elektroden erforderlich sind. Insbesondere soll auch die Korrosion an den Elektroden vermieden werden und der Elektrolyseur für die Elektrolyse unter Druck geeignet sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Kathode und die Anode als lose eingelegte Drahtnetze ausgebildet sind, die mit Hilfe der Lochbleche beidseitig gegen das Diaphragma gepreßt werden, und die Drahtnetzanode und das anodische Lochblech aus Nickel oder einem vernickelten Metall bestehen. Durch Gegeneinanderpressen der Lochplatten legen sich die Drahtnetze auf der einen Seite gleichmäßig gegen die Lochplatte und auf der anderen Seite gegen das Diaphragma. Das Anpressen des Drahtnetzes an die Lochplatte bewirkt durch viele metallische Kontakte einen günstigen Stromübergang. Ferner wird Korrosion vermieden, die bei mechanischer Verbindung, z. B. Verschweißung, zwischen Drahtnetz und Lochplatte eintreten würde. Durch die erfindungs-

gemäße Kombination der Lochplatte mit einem gegengepreßtec Drahtnetz nutzt man die Vorteile einer Drahtnetzelektrode bezüglich niedriger Betriebsspannung der Zelle durch geringere lokale Stromdichten aus. Dieser durch das Drahtnetz bedingte Effekt ist kombiniert mit der Funktion der Lochplatte, die einen leichten Gas- und Elektrolytaustausch zwischen der Drahtnetzelektrode und der hinter dem Lochblech befindlichen Elektrolytkanuner gestattet Die Lochplatten haben beispielsweise eine Stärke vcn 1 bis 3 mm und einen freien Querschnitt von mehr als 40%, vorzugsweise 40 bis 70%. Das Drahtnetz kann ein Drahtgewebe mit einer Maschenweite von 03 bis 1,0 mm sein. Das Diaphragma besteht vorzugsweise aus einem Asbestfasergewebe einer Dicke von weniger als 3 mm, vorzugsweise einer Dicke zwischen 0,5 und 2,0 mm. Das anodische Lochblech sowie die von diesem gegen das Diaphragma gepreßte Drahtnetzanoue bestehen aus Nickel oder vernickeltem preiswertem Metall (vorzugsweise Eisen). Die anodische Korrosion wurde durch Wahl des Nickels vermieden und insbesondere wird auch die Überspannung herabgesetzt

Nach der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung bestehen das kathodische Lochblech sowie die von diesem gegen das Diaphragma gepreßte Drahtnetzkathode aus Eisen. Das Mittelblech besteht aus vernickeltem Eisen, um insbesondere auf der Anodenseite einen ausreichenden Korrosionsschutz zu gewährleisten.

Nach der bevorzugten Ausführungsform dt/ Erfindung sind die Lochbleche mit dem Mittelblech unter Zwischenlage von die Elektrolytkammerbreite bestimmenden Dichtungsrahmen und von metallisch leitenden Abstandhaltern zu einer ersten Baueinheit verbunden, insbesondere verschraubt

Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, daß die Lochbleche und die Mittelbleche bis in den Rahmenbereich der Zellen reichend, insbesondere bis zur Außenseite des Zellenpaketes durchgehend ausgebildet sind und durch Dichtungsrahmen mit einer den Abstandshaltern entsprechenden Dicke an den Außenkanten gegeneinander abgedichtet sind, wodurch sich eine nach außen dichte Elektrolytkammer ergibt Die Lochbleche, die im Rahmenbereich keine Löcher aufweisen, haben somit im allgemeinen die gleichen Abmessungen wie die Mittelbleche uno sind durch die Dichtungsrahmen schon in der Baueinheit mit diesen längs des Umfanges verbunden, so daß Verbiegungen des Plattenrandes beim Transport kaum noch möglich sind. Die Randeinspannung der Lochplatten gewährleistet ferner, daß ein gleichmäßiger Andruck des Drahtnetzes insbesondere auch im Randbereich gewährleistet ist.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß das Diaphragma unter Bildung einer zweiten Baueinheit in einen Diaphragmenrahmen derart eingesetzt ist daß der Diaphragmenrahmen auf beiden Seiten des Diaphragmas von der Diaphragmaoberfläche etwa um die Stärke eines Drahtnetzes vorsteht Das Material des Diaphragmarahmens ist durch eine gewisse Nachgiebigkeit gekennzeichnet so daß die Drahtnetzelektroden durch die Lochplatten gleichmäßig gegen das Diaphragma gedruckt werden, wenn erfindungsgemäß abwechselnd erste und zweite Baueiaheiten mit zwischen diese lose eingelegten Drahtnetzen zu einem Zellenpaket zusammengepreßt werden. Der Diaphragmenrahmen der Diaphragmeneinheit besteht zweckmäßigerweise aus drei Schichten, wobei die mittlere Schicht einen größeren inneren Rahmendurchmesser aufweist als die beiden äußeren Schichten. Das Diaphragma wird in den Diaphragmenrahmen zwischen den äußeren Schichten eingeklebt

Die Zellen werden demnach praktisch nur durch drei vorgefertigte Teile gebildet nämlich die beiden Baueinheiten sowie die Drahtnetze. Durch die Vorfertigung dieser Baueinheiten kann die Montage des Elektrolyseurs beschleunigt und eine Kostensenkung erzielt werden. Typen mit unterschiedlicher Anzahl von Zellen lassen sich mit Hilfe dieser Baueinheiten leicht realisieren.

Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, daß im Rahmenbereich der Baueinheiten Aussparungen angeordnet sind, die beim Zusammenpressen zu einem Paket Elektrolytzufuhr- und Gasabführkanäle bilden, und daß in diese Kanäle den Kanalwandungen anliegende Hülsenstücke und Ringe aus Elektroisolierwerkstoff eingesetzt sind. Die Anordnung der genannten Kanäle im Rahmenbereich des Paketes vermeidet die Speise- und Überlaufrohre an jeder Zelle. Im Vergleich zu innerhalb des Kammerbereichs angeordneten Kanälen ergibt sich ein vergrößertes Betriebsvolumen der Zelle und damit eine verbesserte Betriebsleistung. Durch die in die Kanäle eingesetzten Hülsenstükke und Ringe sowie bis zur Hülseninnenseite vorgezogene Diaphragmenrahmen wird vermieden, daß der zu- und ablaufende Elektrolyt bereits in den Kanälen mit den durch den Rahmenbereich reichenden Mittelblechen und Lochblechen in Kontakt kommt und dabei Wasserstoff und Sauerstoff ungetrennt freisetzt, woraus eine entsprechende Verunreinigung der in den Zellen entwickelten Gase resultieren würde.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher beschrieben, in der das rechte Ende des erfindungsgemäßen Wasserelektrolyseurs im Schnitt schematisch dargestellt ist, wobei nur zwei Elektrolysezellen eingezeichnet sind.

Der als Endelektrode dienende Druckrahmen 1 zeigt eine Elektrolytzufuhrleitung 14, aber nur eine der beiden hintereinanderliegenden Gasabführleitungen 17. Es sind ferner zwei Mittelbleche 8 dargestellt, an denen mittels der Schrauben 15 mit den Abstandshülsen 16 Lochbleche 2 (kathodisch) und 3 (anodisch) angebracht sind. In gleicher Weise ist auch an dem Druckrahmen 1 ein Lochblech 3 angebracht Im Rahmenbereich sind zwischen den Lochblechen 2, 3 einerseits und den Mittelblechen 8 bzw. dem Druckrahmen 1 andererseits Dichtungsrahmen 10 angeordnet wodurch die Anodenkammern 4 und die Kathodenkammern 5 nach außen hin abgeschlossen sind. Im Bereich der Dichtungsrahmen 10 weisen die Lochbleche 2,3 keine Löcher auf.

Die Diaphragmen 7 sind in Diaphragmenrahmen 9 eingeklebt, die aus drei übereinanderliegenden Schichten eines nachgiebigen Werkstoffs bestehen. Die mittlere Schicht des Diaphragmenrahmens hat eine größere innere lichte Weite als die beiden äußeren Schichten, so daß die letzteren den Rand des Diaphragmas 7 übergreifen und eine sichere Halterung des Diaphragmas in dem Diaphragmenrahmen gegeben ist. Zwischen den Diaphragmen 7 einerseits und den benachbarten Lochblechen 2 bzw. 3 andererseits ist je ein Drahtnetz 6 (kathodisch) und 6a (anodisch) angeordnet, das in seiner Längserstreckung bis an den Diaphragmenrahmen 9 reicht und in seiner Dicke der Stärke der äußeren Schichten des Diaphragmenrahmens 9 entspricht Die Diaphragmenrahmen 9 reichen ebenso wie die Mittelbleche 8, die Lochbleche 2,3 und

10

15

20

die Dichtungsrahmen 10 bis zur Außenseite des durch den Zusammenbau sich ergebenden Zellenpaketes.

Die Lochbleche 3 wie auch die Drahtnetze 6a bestehen aus Nickel oder vernickeltem Metall (vorzugsweise Eisen). Die Mittelbleche 8 bestehen aus vernickeltem Eisen, die Lochbleche 2 und die Drahtnetze 6 aus Eisen. Die Diaphragmenrahmen 9 und die Dichtungsrahmen 10 bestehen aus Spezialdichtungsmaterial, die Diaphragmen aus Asbestgewebe.

Die Bleche 2, 3, die Mittelbleche 8 sowie die Diaphragmen- und Dichtungsrahmen 9, 10 haben im Rahtnenbereich drei Aussparungen, die beim Zusammensetzen zu einem Paket drei Kanäle ergeben, und zwar einen Elektrolytzufuhrkanal 11 im unteren Rahmenteil des Paketes und zwei Gasabführkanäle für Wasserstoff bzw. Sauerstoff im oberen Rahmenteil des Paketes. Von den letzteren ist in der Figur nur der Kanal 20 für die Sauerstoffabführung dargestellt.

Die Diaphragmenrahmen 9 reichen von allen Seiten um ein gewisses Stück in die Kanäle 11, 20. An den Mittelblechen 8 sind oben auf beiden Seiten, jedoch entsprechend den O2- und H2-Abführkanälen versetzt Rippen 21 angebracht, welche gleich weit wie die Diaphragmenrahmen 9 und parallel zu diesen in die Gasabführkanäle ragen. In ähnlicher Weise sind an den Mittelblechen 8 unten auf beiden Seiten an der gleichen, dem Elektrolytzufuhrkanal entsprechenden Stelle Rippen 22 aufgesetzt, die gleich weit wie die Diaphragmenrahmen 9 und parallel zu diesen in den Elektrolytzufuhrkanal ragen. Beim Zusammenbau werden zwischen den Diaphragmenrahmen 9 und den Rippen 21 kurze Hülsenstücke 18 und Ringe 19 sowie zwischen den Diaphragmenrahmen 9 und den Rippen 22 Ringe 13 eingesetzt Ferner sind noch zwischen den Hülsenstükken 18 bzw. den Ringen 13 einerseits und den Ringen 19 bzw. andererseits Bügelstücke 23 bzw. 24 angeordnet.

Die vorgezogenen Diaphragmenrahmen 9 in Verbindung mit den Hülsenstücken 18 und den Ringen 19 oben bzw. in Verbindung mit den Ringen 13 unten verhindern den Kontakt zwischen an- und abströmendem Elektrolyt einerseits und den bis zur Außenseite des Paketes durchgehenden Lochblechen 2,3 in den Kanälen 11,20 andererseits und damit die ungetrennte Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Rippen 21 bzw. 22 bilden zwischen sich Kanäle für die Gasabführung aus und die Elektrolytzuführung zu der Elektrolysekammer und gewährleisten, daß beim Zusammenpressen des Paketes diese Zu- und Abführkanäle nicht zugedrückt werden können.

Beim Zusammenpressen des Zellenpaketes werden die Drahtnetze 6,6a durch die anliegenden Lochplatten 2,3 infolge der Nachgiebigkeit der Diaphragmarahmen 9 gleichmäßig gegen das Diaphragma 7 gepreßt, so daß sich einerseits ein minimaler Stromweg zwischen den Netzen 6 und 6a ergibt und andererseits ein guter metallischer Kontakt zwischen Lochplatte 2 bzw. 3 und Drahtnetz 6 bzw. 6a gewährleistet ist.

Ausführungsbeispiel

In einem erfindungsgemäßen Versuchselektrolyseur mit 10 Zellen wurde eine 25%ige KOH-Lösung bei verschiedenen Stromdichten elektrolysiert. Der Elektrolyseur hatte Lochplatten mit einer Dicke von 2 mm und einem freien Lochquerschnitt von 48%. Die anodische Lochplatte bestand aus vernickeltem Eisen, die kathodische Lochplatte aus Eisen. Das Diaphragma war eine 2,0 mm dicke Asbestfaserschicht. Zwischen den Lochplatten und der Asbestfaserschicht befand sich je eine Drahtnetzelektrode mit 0,5 mm Drahtstärke und einer lichten Maschenweite von 0,7 mm. Die Anode bestand aus Nickeldrahtnetz, die Kathode aus Eisendrahtnetz. Der wirksame Zellenquerschnitt betrug 0,109 m².

Lochplatten, Drahtnetze und Diaphragmen wurden mit einer Kraft von etwa 75 kg/cm² zusammengepreßt. Dann wurde an die Endelektroden eine Gleichspannung angelegt und die Kalilauge elektrolysiert Die Betriebstemperatur lag in dem Bereich von 35 bis 40° C. Die Stromdichte wurde stufenweise variiert und die zugehörige Betriebsspannung gemessen. Dabei ergab sich die nachstehend tabellarisch wiedergegebene Abhängigkeit zwischen Stromdichte und Betriebsspannung.

Stromdichte	Temperatur	Zellenspannung
A/cm²	⁰C	Volt
1,0	40	2,88
0,9	35	2.84
0,8	37	2,66
0,7	37	2,56
0,6	36	2,48
0,5	35	236
0,4	35	2,24
03	36	2,10
0,25	35	2,04
0,2	35	1.96

Durch Vergleich der ermittelten Zahlenwerte mit denen der DT-OS 1667 369, die unter günstigeren Bedingungen ermittelt wurden (dünneres Diaphragma), ergibt sich, daß auch ohne Verwendung von Platinmetall in Form von Netzen oder Platinschwarz eine wesentliche Reduzierung der Betriebsspannung und damit ein wesentlich niedrigerer Energieverbrauch bei zugleich vermindertem Investitionsaufwand erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

if

Claims

Patentansprüche: ^

1. Wasserelektrolyseur mit einer Anzahl von fiiterpressenartig in einer Reihe angeordneten, jeweils durch ein Mittelblech voneinander getrennten Elektrolysezellen, in denen an beiden Seite,ι eines Diaphragmas mit dem Mittelblech metallisch leitend verbundene und an ihm befestigte Lochbleche angeordnet sind, mit denen Drahtkathoden bzw. -anöden beidseitig gegen das Diaphragma gepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode und die Anode als lose eingelegte Drahtnetze (6,6a) ausgebildet sind, das kathodische und anodische (3) Lochblech (2, 3) mit dem Mittelblech 8 unter Zwischen'age von die Elektrolytkammerbreite bestimmenden Dichtungsrahmen (10) und Abstandshaltern (16) zu einer ersten Baueinheit verbunden sind, das Diaphragma (7) unter Bildung einer zweiten Baueinheit in einen Diaphragmarahmen (9) eingesetzt ist und abwechselnd erste und zweite Baueinheiten (2,3,8,10,15,16 bzw. 7,9) mit zwischen diesen lose eingelegten Drahtnetzen (6,6a) zu einem Zellenpaket zusammengepreßt sind.

2. Wasserelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Drahtnetzanode (6a) und das anodische Lochblech (3) aus Nickel oder einem vernickelten Metall bestehen.

3. Wasserelektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kathodische Lochblech (2) und die Drahtnetzkathode (6) aus Eisen bestehen.

4. Wasserelektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochbleche (2, 3) und die Mittelbleche (8) bis in den Rahmenbereich der Zellen reichend, insbesondere bis zur Außenseite des Zellenpaketes durchgehend ausgebildet sind.

5. Wasserelektrolyseur nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Diaphragmarahmen auf beiden Seiten des Diaphragmas von der Diaphragmaoberfläche um die Stärke eines Drahtnetzes (6,6a) vorsteht.

6. Wasserelektrolyseur nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sein Betriebsdruck zwischen 20 und 150 ata liegt.