DE2334647C3 - Wasserelektrolyseur - Google Patents
WasserelektrolyseurInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wasserelektrolyseur mit einer Mehrzahl von filterpressenartig 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 dem Lochblech den Voneil einer vergrößerten wirksamen
El<ektrodenfläche 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 Schwoißpunkten ausgehende Korrosion
meist nicht zu vermeiden. Es ist daher auch schon bekannt, ein Edelmetalldrahtnetz mit einer hochporösen
gesinterten Nickeiplatte zu kombinieren, um die Arbeitsspannung herabzusetzen (DT-OS 16 67 369).
Sowohl die Edelmetall-Drahtnetze als auch die Sintermctallpktten
machen diesen Elektrolyseur außerordentlich kostspielig. Außerdem ist die Standfestigkeit
derart hochporöser Metallsinterplatten nicht ausreichend, so daß diese noch durch besondere Halteständer
aus einen Kunststoffmaterial gestützt werden müssen. Trotz: der hohen Porosität der Sintermetallplatte 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.
In der deutschen Auslegeschriit 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 Vorelektroden 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,
:55 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 gegengepreßten Drahtnetz nutzt man die Vorteile einer
Drahtnetzelektrode bezüglich niedrigei 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 Elektrolytkammer gestattet. Die Lochplatten haben beispielsweise eine Stärke von 1 bis 3 mm und
einen freien Querschnitt von mehr als 40%, vorzugsweise 40 bis 70%. Das Drahtnetz kann ein Drahtgewebe mit
eirver Maschenweite von 0,3 bis 1,0 mm «ein. Das
Diaphragma besteht vorzugsweise aus einem Asbestfasiiigewebe
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 Drahtnetzanode 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 Ausführungsform der Erfindung bestehen das kathodische Lochblech sowie die von
diesem gegen das Diaphragma gepreßte Draihtnetzkathode
aus Eisen. Das Mittelblech besteht aus vernickeltem Eisen, um insbesondere auf der Anodenseite emen
ausreichenden Korrosionsschutz zu gewährleisten.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der 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 und 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 Drahtnetzelcktroden durch die Lochplatten gleichmäßig gegen das Diaphragma
gedrückt werden, wenn erfindungsgemäß abwechselnd erste und zweite Baueinheiten 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 beider, 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 treisetzt, 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 Lochblcche 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 Scnichten, 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
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
Rahmenbereich 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 de: 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 02- und H2-Abführkanälen versetzt
Rippen 21 angebracht, welche gleich weit wie die Diaphragmenrahmen 9 und parallel zu diesen in die
Gasabführkanälc 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 Hülscnstükkcn
18 bzw. den Ringen 13 einerseits und den Ringen 19 bzw. andererseits Bügelstückc 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 Elcktrolyt
einerseits und den bis zur Außenseite des Paketes durchgehenden Lochblechcn 2,3 in den Kanälen 11, 20
andererseits und damit die ungetrennte Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff. Die Rippen 21 b/w. 22
bilden zwischen sich Kanüle für die Gasabführung aus und die FJektrolyl/uführung zu der F.lektrolysckummor
und gewährleisten, diilJ beim Zusammenpressen des
Paketes diese Zu- und AbfÜhrkmiUlc nicht zugedrückt
werden können.
Beim Zusammenpressen des Zellenpnketcs werden so die Drahtnetze 6,6« durch die anliegenden Lochpliuten
2,3 infolge der Nachgiebigkeit der Dlaphrngmurnhmcn
9 gleichmüßig 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
Lochpiatten 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 400C. Die Stromdichte wurde stufenweise variiert und die
zugehörige Betriebsspannung gemessen. Dabei ergab sich die nachstehend tabellarisch wiedergegebene
Abhängigkeit zwischen Stromdichte und Betriebsspannung,
Stromdichte | Temperatur | Zcllcnspunming |
A/cm2 | "C | Volt |
1,0 | 40 | 2,88 |
0,9 | 35 | 2,84 |
0,8 | 37 | 2,bb |
0,7 | 37 | 2,5b |
0,6 | 3b | 2,48 |
o.r> | 35 | 2,3b |
0,4 | 35 | 2,24 |
0,3 | 3b | 2,10 |
0,25 | 35 | 2,04 |
0,2 | 35 | l.% |
Durch Vergleich der ermitteilen Zahlcnwera1 mit
denen der DT-OS Ib 67 369. die unter günstigeren
Bedingungen ermittelt wurden (dünneres Diaphragma), ergibt sich, daß auch ohne Verwendung von Pluilnmctnll
in Form von Neuen oder Plntinschwarz eine wesentliche Reduzierung der Betriebsspannung und damit ein
wesentlich niedrigerer Energieverbrauch bei zugleich vermindertem Investitionsaurwand erreicht wird.
Claims (6)
1. Wasserelektrolyseur mit einer Anzahl von filterpressenartig 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 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 Zwischenlage 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. Wasserelektrolyse^ 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. Wasserelektrolyse^ nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sein Betriebsdruck zwischen 20 und 150 ata liegt.
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