DE2349286C3

DE2349286C3 - Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff

Info

Publication number: DE2349286C3
Application number: DE2349286A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Phys. 5628 Heiligenhaus Goetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-10-01
Filing date: 1973-10-01
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE2349286B2; FR2246655A1; FR2246655B1; CH594062A5; DE2349286A1; US3990962A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vielfachelekirolysezelle zur Efzeüpfig eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit Hilfe von Gleichstrom, die in dem unteren Teil eines gemeinsamen Gefäßes eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen enthält, wobei die zugleich Anode und

s Kathode darstellenden und isolierend eingefaßten Elektrodenbleche die ElektrolytRüssigkeit in einzelne Zellen unterteilen.

Aus der DE-PS 5 85 501 ist ein Hochdruckzersetzer zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff und

ίο Sauerstoff bekanntgeworden, der eine Vielzahl von konzentrischen, immer kleiner werdenden Elektrodengefäßen aufweist. Die flaschenförmigen Elektrodengefäße sind durch Diaphragmen getrennt, wobei eine Vielzahl von Gas- wig Flüssigkeitskanälen vorgesehen

ι? sind, um den Flüssigkeitsnachschub zu bewirken und Wasserstoff und Sauerstoff getrennt zu erfassen. Der beschriebene Hochdruckzersetzer ist in seinem Aufbau sehr kompliziert und störungsanfällig, so daß er in den zurückliegenden Jahrzehnten keine praktische Bedeutung erlangen konnte.

Der Erfindung lag dagegen die Aufgabe zugrunde, eine Vieifachelektrolysezelle zur Gewinnung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff zu schaffen, die bei gutem Wirkungsgrad besonders einfach im Aufbau, preisgünstig in der Herstellung, sicher in der Handhabung und wenig störungsanfällig ist

Diese Aufgabe »Tird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenbleche als oben offene Rohrelektroden mit abgestuften Durchmessern ausgebildet und konzentrisch am Boden eines topfartigen Druckgefäßes in einen Isolierstoffkörper eingebettet sind.

Eine Alternativlösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß in das topfartige Druckgefäß eine Vielzahl von nach oben offenen und in der Größe abgestuften Topfelektroden isoliert und konzentrisch zueinander eingesetzt ist so daß jede Topfelektrode mit ihrem Zylindermantel und ihrem Boden zugleich Anode der einen und Kathode der benachbarten Zelle ist

Ausführungsbeispiele der ErfiHung werden anhand von F i g. 1 — 5 der Zeichnung dargestellt

F i g. 1 zeigt ein geöffnetes topfartiges Druckgefäß von oben,

Fig.2 eine Seitenansicht dieses Druckgefäßes, das entlang der Linie AB in Fi g. 1 angeschnitten ist,

Fig.3 einen Vertikalschnitt durch ein Druckgefäß mit gewölbtem Boden und Innenkühlung,

Fig.4 einen Vertikalschnitt durch ein topfartiges Druckgefäß mit einer Vielzahl von abgestuften Topfelektroden.

Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In F i g. 1 ist mit 50 ein topfartiges Druckgefäß bezeichnet, das einen Flansch 50a mit vier Bohrungen zur Befestigung eines Deckels aufweist Auf dem Flansch liegt eine O-Ringdichtung 51. Mit 52—57 sind konzentrisch angeordnete Rohrelektroden bezeichnet, die untereinander und gegenüber dem Druckgefäß isoliert sind.

Aus Fig.2 ist zu ersehen, daß die Rohrelektroden 52-57 an ihrem unteren Rand in einen Isolierstoffkörper 58 eingebettet sind, der vorzugsweise aus einem Epoxiharz-Quarzmehlgemisch besteht Die innere Rohrelektrode 57 weist zwei WärmedurchführungspKofile 59, 60 auf, die isolierend und gasdicht in Bohrungen am Boden 50ό des Druckgefäßes eingegossen sind. Diese Wärmedurchführungsprofile, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, tragen Kühlkörper 60, 61 die einem Kühlluftstrom ausgesetzt werden können. An das

Druckgefäß 50 sind Winkeleisen 63, 64 angeschweißt, die der Befestigung in einem Schutzgehäuse dienen. Zwischen der Innenwand des Druckgefäßes 50 und den Rohrelektroden 52—57 entstehen durch diese Anordnung sechs voneinander getrennte und ringförmige Elektrolyträume, die bis zur Grenze 65 mit dem Elektrolyten, vorzugsweise Kalilauge, gefüllt sind. Der Raum innerhalb der Rohrelektrode 57 dient als Vorratsraum für den Elektrolyten. Die Durchmesser der Rohrelektroden sind so abgestuft, daß die Dicke der Elektrolytschicht von außen nach innen zunimmt, daß also alle Elektrolyträume gleichen Inhalt haben. Eine Gleichstromquelle wird mit dem Pluspol an das Wärmedurchführungsprofil 59 und mit dem Minuspol an das Druckgefäß 50 angeschlossen. Der Strom fließt somit von der inneren Rohrelektrode 57 abwechselnd durch die Elektrolytschichten und die weiteren Rohrelektroden zum Zylindermantel des Druckgefäßes 50, der also als Außenelektrode dient

Da in dem angeführten Beispiel sechs Elektrolysezellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, benötigt man bei Eisenelektroden 15VoIt, bei Nickelelektrorfen etwa 25 Volt Gleichspannung. Das Druckgefäß 50 besteht aus tiefgezogenem Stahl. Bei Verwendung von Nickelelektroden wird dieses Gefäß zumindest innen vernickelt, bevor die Rohrelektroden eingebaut werden.

Da die innere Rohrelektrode 57 die kleinste Oberfläche aufweist, ist hier die Stromdichte am größten. Der Maximalstrom richtet sich also nach den Abmessungen der inneren Rohrelektrode. Der erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff vermischt sich in dem Gassammeiraum 66 über dem Elektrolyten.

Da man zwecks Gewichtsersparnis und aus Sicherheitsgründen das Druckgefäß und den Gassammeiraum möglichst klein halten muß, liegen die Abstände zwischen den Rohrelektroden nur etwa zwischen 6 und 12 mm. Die hohe Leistungsdichte erfordert unter Umständen besondere Maßnahmen zur Abführung der im Elektrolyten anfallenden Stromwärme. Ein großer Teil der Wärme wird über die Außenwand des Druckgefäßes abgeführt, da der Elektrolyt direkten Kontakt mit dieser Wand hat. Die Wärmeströmung verläuft vorwiegend radial von innen nach außen. Es entsteht also ein Temperaturgefälle von der inneren zu den äußeren Rohrelektroden. Die Kühlkörper 6Ü, 62 dienen den- Abbau dieses Temperati, -gefälles.

Die Herstellung der beschriebenen Vielfachelektrolysezelle ist besonders einfach, weil die Rohrelektroden ohne besondere Hilfsmittel isolierend und mechanisch stabil am Boden des D-uckgefäßes befestigt werden können. Da sich das Spannungspotential am einzigen Isolierstoffkörper 58 schrittweise von Zelle zu Zelle erhöht, ist das elektrische Verhalten der Anordnung völlig problemlos. Innerhalb des Druckgefäßes gibt es zwischen dem tainus- und dem Pluspol keinerlei Kriechstrecken, da der Isolierstoffkörper 58 ständig im gut leitenden Elektrolyt eingebettet ist.

Die Böden der handelsüblichen Druckgefäße sind aus Stabilitätsgründen häufig leicht nach außen gewölbt. Diese Wölbung kann man vorteilhaft ausnutzen, um innere Rohrelektroden mit größerer Länge Verwenden zu können. Man vergrößert damit die aktiven Flächen der inneren Elektroden, um die Stromdichten einander anpassen zu können.

Besonders leicht ist diese Anpassung bei einem Druckgefäß mit halbkugeiförmigem Boden möglich, wie es in Fig.3 dargestellf ist. Das im Tiefziehverfahren hergestellte Druckgefäß 70 weist acht konzentrische Rohrelektroden 71 auf, deren oberer Rand in einer Ebene liegt. Die Länge der Rohrelektroden 7i steigt von außen nach innen an. Das Produkt aus Elektrodenumfang und Länge kann in etwa konstant gehalten werden. Eine neunte Rohrelektrode 72 ist als geschlossener Hohlzylinder ausgebildet und mit Zuführungsröhrchen 73, 74 für ein flüssiges Kühlmedium versehen. Die Teile 71-74 sind arn unteren Rand mit einem elastischen Epoxiharz-Quarzmehlgemisch vergossen, so daß alle Elektroden und auch die metallischen Zuführungsröhrchen für das Kühlmedium gegeneinander und gegen das Druckgefäß 70 isoliert sind. Die Röhrchen 73, 74 dienen zugleich der Stromzuführung und werden über eine Stromschiene 75 mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden. Eine weitere Stromschiene 76 für den Anschluß an den Minuspol ist mit dem Druckgefäß 70 verschweißt. Der zylindrische Teil der Innenwand des Druckgefäßes 7G stellt also die äußere Kathode dar, während der gekühlte Zylinder 72 als Anode dient. Insgesamt sind neun Elektrolysezellen in Reihe geschaltet, die alle un^.fähr die gleiche Stromdichte und den gleichen Elektrolj tinhait aufweisen. Im Laufe des Betriebes, in dem Wasser verbraucht wird, sinkt zwar der Füllstand in den inneren Zellen schneller ab als in den äußeren, jedoch stört dieser Effekt ;,tcht weil die Stromdichteverteilung in den Zellen erhalten bleibt Der Sollstand 77 des Elektrolyten liegt etwa in Höhe des Deckels des Zylinders 7Z Die Einfüllöffnung für Elektrolyt und Wasser sollte in dem nicht dargestellten Deckel exzentrisch angeordnet sein, damit sich das nachgefüllte Wasser sofort auf mehrere Zellen verteilt Eine gleichmäßge Vermischung von Wasser und Elektrolyt erreicht man durch mehrmaliges Kippen des Druckgefäßes um etwa 30 - 45°.

Im übrigen kann es zweckmäßig sein, in jeder Rohrelektrode eine Ausgleichsbohrung 78 von 1 —3 mm Durchmesser anzubringen, so daß der Füllstand in allen Zellen auf gleichem Niveau bleibt V/enn man diese Bohrungen von Zelle zu Zelle um 180° versetzt, am den Stromweg in dem durch die Bohrungen erzeugten Nebenschluß zu verlängern, bleiben die Auswirkungen vernachlässigbar gering. Die Ausgleichsbohrungen könnten zusätzlich auch in der Höhe versetzt werden, wie es in der Zeichnung angedeutet ist

Beim Herstellen des Isolierstoffkörpers 79 vergießt man die Rohrelektroden schrittweise von innen nach außen. Die Vergußmasse einer Rohrelektrode sollte zumindest geliert sein, bevor das nächste Rohr eingesetzt und vergossen wird.

Man kann aber auch sämtliche Rohre durch Moosgummiringe gegeneinander abdichten, sämtliche Rohrelektroden im Druckgefäß genau ausrichten, das Gefäß auf den Flansch stellen und die Hohlräume ajsgiißen. Das Harzgemisch wird durch die Bohrungen für die Kühlmittelröhrchen 73,74 eingefüllt.

Die Vielfachelektrolysezelle mit gewölbvem Druckgefäß und Innenkühlung erlaubt außerordentlich hohe Leistungsdichten bei geringem Volumen und Gewicht

Eine weitere Möglichkeit zum Flächenausgleich der Rohrelektroden besteht darin, daß man für η Zellen Tn 4- i Rohrelektroden gleicher Höhe mit kontantem purchmesserunterschied herstellt Und ui ein Gefäß mit ebenem oder fast ebenem Boden eingießt. Die innerfe Rohrelektrode wird dann leitend mit dem Boden des Drückgefäßes verbunden, während die mittlere Roh> elektrode mit isolierten Stromdurchführungen versehen wird. Der Strom fließt Von der mittleren Elektrode nach außen zur Zylinderwand des Druckgefäßes und nach

innen zur inneren Rohrelektrode. Es ergibt sich daraus eine Reihenparallelsdhaltung Von In Zellen unter Bildung von η Zellenpaaren, die gleichgroße Elektrodenflächen aufweisen.

Durch die Reihenparallelschaltung gelingt es, bei konstanter Stromdichte in allen Zellen den gesamten Innenraum des Druckgefäßes für die Gaserzeugung auszunutzen.

Auch hier können die Stromdurchführungen der Anode aus einem überdimensionierten Kupferprofil bestehen, so daß sie zugleich beachtliche Wärmemengen abzuführen vermögen. Darüber hinaus kann man die innere Elektrode aus Rundeisen herstellen, so daß auch sie über den Boden des Druckgefäßes große Wärmemengen ableiten kann.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Kühlung besteht darin, daß man eine oder mehrere Rohrelektroden als doppelwandiges Hohlprofil ausbildet und dieses über Röhrchen durch den Boden des Druckgefäßes hindurch an ein flüssiges Kühlmedium anschließt Die genannten Röhrchen sind beim Vorhandensein von Potentialdifferenzen gegen den Boden des Druckgefäßes zu isolieren und können zugleich der Stromzuführung dienen.

Die Parallel- oder Reihenschaltung von mehreren flüssigkeitsgekühlten Elektrodenkörpern verschiedenen Potentials ist nur vertretbar, wenn man ein isolierendes Kühlmedium einsetzt

Fig.4 zeigt eine Alternativlösung mit konzentrisch ineinandergestellten Topfelektroden. In das Druckgefäß 80 sind abgestufte Topfelektroden 81 eingesetzt, die durch Isolierstoffwinkel 82 auf konstantem Abstand gehalten werden.

Das Druckgefäß 80 stellt die äußere Kathode dar. Die Anode besteht aus einen·» Hohlzylinder 83, der an einem Deckel 84 aufgehängt ist Dieser Hohlzylinder wird über Röhrchen 85, 86 mit einem flüssigen Kühlmedium beschickt. Die! Röhrchen sind zugleich Stromdurchfüh* rungen. Zwischen dem Hohlzylinder 83 und dem Deckel 84 ist ein Isolierstoffkörper 87 vorgesehen, der sich seitlich über die gesamte Innenseite des Deckels erstreckt, unit die Kriechwege zu Verlängern. Mit 88 ist ein Einfüllstutzen bezeichnet. Das Gas wird über ein Rohr 89 abgeleitet.

Bei dieser Konstruktion sind die Seitenwände und die Böden der 'fopfelektrodeft als aktive Flächen an der Gasbildung beteiligt. Es ist daher zweckmäßig, die Böden leicht konvex zu gestalten, damit sich nicht zu große Gastilasen ausbilden können. Die Fläche der inneren Topfelektrode ist wesentlich kleiner als die der äußeren. Da die zulässige Stromstärke nach dieser kleinsten Elektrode zu bemessen ist, ergibt sich ein Leistungsoptimum bei einem relativ großen Hohlzylinder, der dann zugleich auch eine gute Kühlung ermöglicht.
Sämtliche Uruckgefäße eier beschriebenen Vieiiachelektrolysezellen können zur besseren Kühlung mit Kupferrohrwendeln versehen werden. Sie werden auf den Zylindermantel aufgewickelt und durch Tauchverzinnung oder Epoxiharzverklebung befestigt. Eine noch intensivere Kühlung aller Flächen wird erzielt, wenn das Druckgefäß in ein größeres zylindrisches Gefäß eingeschweißt wird. Die Schweißnaht kann am Rande des Flansches verlaufen. Bei Wasserkühlung sind dann allerdings die Stromdurchführungen gesondert zu isolieren.

Im Vergleich zu einzelligen Gasgeneratoren ist zwar ein größere«· Aufwand erforderlich. Dieser wird aber bei weitem aufgewogen durch den außerordentlich hohen elektrischen Wirkungsgrad und die Verbilligung der Gleichstromquelle. Hinzu kommt die Gewichts- und Platzersparnis infolge der höheren Leistungsdichte und der viel kleineren Transformatorleistung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit Hilfe von Gleichstrom, die in dem unteren Teil eines gemeinsamen Gefäßes eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen enthält, wobei die zugleich Anode und Kathode darstellenden und isolierend eingefaßten Elektrodenbleche die Elektrolytflüssigkeit in einzelne Zellen unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenbleche als oben offene Rohrelektroden (52—57) mit abgestuften Durchmessern ausgebildet und konzentrisch am Boden eines topfartigen Druckgefäßes (50) in einen Isolierstoffkörper (58) eingebettet sind.

2. Vielfachelektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rohrelektrode (5Γ, mit mindestens einer isolierten Stromdurchführung (59) verbunden ist, die gasdicht in den Boden (50b) des Druckgefäßes (50) eingebaut ist.

3. Vielfachelektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (70) einen halbkugelförmig gewölbten Boden aufweist, daß die oberen Ränder Rohrelektroden (71) in einer Ebene liegen und daß sich die Länge der Rohrelektroden (71) von außen nach innen entsprechend der Wölbung des BoJens vergrößert.

4. Vielfachelektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Rohrelektrode (72) als Hohlzylinder gegenüber dem Druckgefäß abgedichtet und über Rohrdurchführungen (73, 74) im Boden des Druckgefäßes mit einem Kühlmedium beaufschlagbar i„(.

5. Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit Hilfe von Gleichstrom, die in dem unteren Teil eines gemeinsamen Gefäßes eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Elektrolysezellen enthält, wobei die zugleich Anode und Kathode darstellenden und isolierend eingefaßten Elekrodenbleche die Elektrolytflüssigkeit in einzelne Zellen unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß in das topfartige Druckgefäß (80) eine Vielzahl von nach oben offenen und in der Größe abgestuften Topf elektroden (81) isoliert und konzentrisch zueinander eingesetzt ist, so daß jede Topfelektrode (81) mit ihrem Zylindermantel und ihrem Boden zugleich Anode der einen und Kathode 'er benachbarten Zelle ist.

6. Vielfachelektrolysezelle nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die innere und kleinste Topf elektrode (83) gasdicht und elektrisch isolierend mit dem Deckel (84) des Druckgefäßes (80) verbunden und über Rohrdurchführungen (85,86) im Deckel mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist.

7. Vielfachelektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand der Tppfelektroden (81) in einer Ebene liegt und daß die Böden Und Seitenwände durch winkelförmige Isolierkörper (82) in einem bestimmten Abstand gehalten werden.