DE2810528C3

DE2810528C3 - Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff

Info

Publication number: DE2810528C3
Application number: DE2810528A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Tokyo Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1977-03-10
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1981-04-23
Also published as: DE2810528A1; US4184931A; IT7848358A0; DE2810528B2; GB1552311A; FR2383247A1

Description

ίο Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff, beispielsweise zum Schweißen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der US-PS 3 262 872 ist beispielsweise die Verwendung eines durch elektrolytische Zersetzung von Wasser hergestellten Gasgemischs aus Wasserstoff und Sauerstoff zum Betrieb von Schweißbrennern angegeben, das nach der Entzündung eine zum Schweißen, Hartlöten bzw. Löten od. dgl. geeignete Flamme ergibt. Derartige Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff verwenden üblicherweise zwei in zur Elektrolyse elektrisch leitfähig gemachtes Wasser eintauchende und nebeneinander in einem dicht verschlossenen Tank mit dem Wasser befindliche Elektroden, die direkt mit einer Gleichstromquelle zur Stromversorgung verbunden sind, wobei durch den durch die Elektrolysezelle fließenden elektrischen Strom gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff elektrolytisch erzeugt werden. Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff können dabei unter Bildung eines Gemischs in den über der Wasseroberfläche befindlichen Tankraum geleitet werden, worauf das Gemisch durch eine Leitung zu einem Brenner oder einer Düse geleitet wird, wo es entzündet und verbrannt wird. Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Flamme aus den elektrolytisch erzeugten Gasen ist es erforderlich oder zumindest wünschenswert, die Gase in wirksamer Weise mit ausreichender Bildungsgeschwindigkeit zu erzeugen, um sie in konstanter Menge und unter konstantem Druck der Verbrauchsstelle zuführen zu können, wobei ferner zugleich gewährleistet sein soll, daß die erzeugten Gase frei von Dampf, Feuchtigkeit oder wäßrigen Kondensationsprodukten bzw. ausreichend trocken sind. Hierzu wurden bisher bereits zahlreiche Maßnahmen angegeben, einschließlich der Verwendung mehrerer, konzentrisch im Wassertank angeordneter elektrisch leitender Zylinder als Elektroden mit Energieversorgung über die Stromquelle zur Gaserzeugung an mehreren Stellen; zur Beherrschung der Wasserverdampfung wurde ferner Spülung mit einem Kohlenwasserstoff angegeben; die bisher ergriffenen Maßnahmen führten allerdings nur zu sehr mäßigem Erfolg.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff anzugeben, die

bo die Nachteile bisheriger Verfahren nicht oder zumindest in erheblich geringerem Maße aufweisen.

Das Verfahren soll dabei die kontinuierliche Erzeugung einer größeren Menge an gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff und gleichzeitig eine Verringerung der Bildung von Dampf, Feuchtigkeit oder wäßrigen Kondensationsprodukten ermöglichen, die sich während der elektrolytischen Wasserzersetzung bilden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff beispielsweise zur Verwendung für Schweißbrenner, bei dem ein elektrischer Strom zwischen mindestens zwei in einer dicht veischlossenen Elektrolysezelle mit einem wäßrigen Elektrolyten vorgesehenen und zumindest teüweise in den Elektrolyten eintauchenden Elektroden hindurchgeleitet wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom in Form von Impulsen angewandt wird.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Impulsdauer (>Ein<-Zeit) des gepulsten elektrischen Stroms höchstens 500 μ5 und vorzugsweise höchsten 50 \is; die Impulsdauer liegt praktischerweise bei mindestens 1 bis 5 \is.

Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen (>Aus<-Zeit) beträgt erfindungsgemäß vorzugsweise mindestens das Zweifache und höchstens das Dreißigfache der Impulsdauer (im folgenden als Impulsintervall bezeichnet).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens umfaßt einen den wäßrigen Elektrolyten enthaltenden, dicht verschlossenen Behälter und mindestens zwei zumindest teilweise in den Elektrolyten eintauchende und nebeneinanderliegende Elektroden, die mit einer Stromversorgungseinrichtung zum Hindurchleiten eines impulsförmigen Elektrolysestroms zwischen den Elektroden mit einer Impulsdauer von vorzugsweise 5 bis 500 μ$ verbunden sind.

Die Stromversorgungseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie zeitlich voneinander getrennte, diskrete elektrische Impulse bei zugleich selektiv einstellbarer Impulsdauer und einstellbaren Impulsintervallen zu liefern vermag, und enthält vorzugsweise eine Gleichstromquelle, einen durch einen Impulsgenerator mit einstellbarer Impulsdauer und einstellbarem Impulsintervall bzw. einstellbarer Frequenz gesteuerten elektronischen Schalter zum abwechselnden Ein- nd Ausschalten des durch die Elektroden fließenden Gleichstroms und zur Erzeugung eines gepulsten Elektrolysestroms zwischen den Elektroden mit der eingestellten Impulsdauer und eingestellten Impulsintervallen.

Die Stromversorgungseinrichtung kann ferner auch, allerdings bei geringerer Flexibilität bei der Kontrolle bzw. Regelung oder Einstellung, mit einer mit einem Gleichrichter verbundenen hochfrequenten Wechselstromcuelle betrieben werden, der in der Weise mit den Elektrolyseelektroden verounden ist, daß ein pulsierender Strom über sie fließt. In diesem Fall besitzt die Wechselstromquelle vorzugsweise eine Ausgangsfrequenz von 1 bis 500 kHz oder von 200 Hz bis 20 kHz, so daß der pulsierende Elektrolysestrom eine Impulsdauer im Bereich von 1 bis 500 y& aufweist.

Alternativ dazu kann bei der Stromversorgungseinrichtung ein parallel zur Gleichstromquelle mit den Elektroden verbundener Kondensator verwendet werden, wobei gegebenenfalls eine Scha'.teinrichtung zwischengeschaltet und die Schaltung so ausgelegt ist, daß sie einen pulsierenden Flektrolysestrom liefert, dessen Impulsdauer vorzugsweise im oben angegebenen Bereich liegt.

Derartige gepulste Ströme liefernde Stromversorgungseinrichtungen sind einschließlich verschiedener modifizierter Ausführungen bereits bekannt und brauchen daher nicht näher beschrieben zu werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäüen Verfahrens zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff darstellt; die Figur zeigt die Vorrichtung teilweise im Querschnitt und enthält eine beispielhafte Stromversorgungseinrichtung in Form eines Schaltschemas.

Die dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Behälter bzw. eine Zelle 1 mit einem wäßrigen Elektrolyten 2, der aus Wasser und einem Elektrolyten, wie beispielsweise Kaliumhydroxid KOH, besteht. In der Zelle 1 sind mehrere zylindrische Elektroden vorgesehen, die als konzentrisch angeordnete Zylinder 31, 32 und 33 mit steigendem Durchmesser dargestellt sind. Jede der zylindrischen Elektroden 31,32 und 33, die auf einer elektrisch nicht leitenden Unterlage 4 am Boden der Zelle 1 befestigt sind, ist wie dargestellt gleichmäßig mit Löchern 34 zum freien Durchtritt des Elektrolyten 2 versehen. Je nach dem Volumen der verwendeten Zelle 1 kann auch eine größere Anzahl von Elektroden verwendet werden.

Die Zelle 1 ist mit einem Deckel 5 dicht verschlossen, der mit mehreren Schraubenbolzen 6 gegen eine zwischen dem Deckel 5 und der Zelle 1 vorgesehene Dichtung 7 geschraubt ist. Die Schraubenbolzen 6 stehen senkrecht auf dem Unterteil der Zelle 1 und sind darauf mit Muttern 6a befestigt. Auf dem Dekkel 5 ist ferner eine Verschlußkappe 8 vorgesehen, die zum Befüllen der Zellen oder zum Nachfüllen des Elektrolyten in der Zelle dient.

Die innerste Elektrode 31 und die äußerste Elektrode 33 sind mit elektrischen Anschlüssen 9a bzw. 9b verbunden. Die dargestellte Stromversorgungseinrichtung umfaßt eine Gleichstromquelle 10 mit handelsüblichem Wechselstrom-Eingang 10a, einem Transformator 10b und einem Gleichrichter 10c zur Erzeugung einer Gleichspannung an den Ausgängen 1Od und 1Oe. Der negative Anschluß 1Oe des Ausgangs der Gleichstromquelle 10 ist im dargestellten Beispiel direkt mit dem Elektrodenanschluß 9b verbunden, während der positive Ausgangsanschluß 1Od mit dem Elektrodenanschluß 9a über einen Schalter 11 verbunden ist, der im dargestellten Fall einen Transistor aufweist. Die Schaltstellung bzw. der Schaltzustand des Schalters 11 werden von einem Oszillator oder einem Impulsgenerator 12 (beispielsweise einem herkömmlichen Multivibrator oder einer vergleichbaren Vorrichtung) mit einstellbarer Impulsdauer, einstellbaren Impulsintervallen bzw. einstellbarer Frequenz der Steuerimpulse gsteuert, wodurch an den Anschlüssen 9a und 9b und damit auch an den Elektroden 31 und 33 eine gepulste Spannung anliegt und ein entsprechend gepulster Strom mit vorgewählter Impulsdauer und vorgewählten Impulsintervallen bzw. vorgewählter Frequenz fließt, wobei die Impulsdauer vorzugsweise höchstens 500 μβ und noch bevorzugter höchstens 50 \ts und praktischerweise mindestens 1 oder 5 μ& beträgt, wobei die Impulsintervalle vorzugsweise mindestens das Zweifache und höchstens das Dreißigfache der oben angegebenen Impulsdauer betragen.

Dementsprechend fließt ein Elektrolysestrom zw-_% sehen den Elektroden 31 und 32 und zwischen den Elektroden 32 und 33, wobei sich an den Innenoberflächen der Elektroden 32 und 33 Wasserstoff und an den Außenoberflächen der Elektroden 31 und 32

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Sauerstoff bildet. Das sich im Raum der Zelle 1 oberhalb der Wasseroberfläche ansammelnde Gemisch von gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff wird durch eine Leitung 13 über eine Einrichtung 15 zur Verhinderung des Zurückschiagens zu einer Brenndüse 14-geleitet, an der das Gemisch entzündet wird. Die Einrichtung 15 zur Verhinderung des Zurückschlagens kann Metallteilchen, Siebe, Fasern, Wolle oder eine poröse Füllung enthalten und zusätzlich als Filter dienen.

Die erfindungsgemäße gepulste Wasserelektrolyse erweist sich im Vergleich zur herkömmlichen kontinuierlichen Elektrolyse, wie sie bisher praktiziert wurde, als außerordentlich vorteilhaft, und erlaubt die Erzeugung einer größeren Menge an gasförmigem Wasserstoff und Sauerstoff. Dies scheint zum Teil von der Abkühlung des Wassers während der Impulsintervalle herzurühren. Von noch signifikanterer Bedeutung ist der Umstand, daß erfindungsgemäß trockenere Gasgemische mit einem geringeren bei der Erzeugung entstandenen Feuchtigkeitsgehalt erhalten werden, wodurch sich kontinuierliche, stabilisierte Flammen erhöhter Temperatur an der Brenndüse 14 ohne Zünd- oder Brennausfälle erzielen lassen.

Beispiel
In der herkömmlichen Weise wurde ein stationärer Gleichstrom von 1 A durch eine wäßrige Lösung mit einem Gehalt von 20 Gew.-% Kaliumhydroxid hindurchgeleitet, wobei eine Gasentwicklung von 55 ml/min auftrat und die Gase 15% Feuchtigkeit enthielten.

Wenn im Vergleich dazu ein gepulster Elektrolysestrom mit einer Impulsdauer sowie einer Impulsintervalldauer von je 20 us gemäß der Erfindung angewandt wurde, trat eine Gasentwicklung von 68 ml/min ίο auf, wobei das Gas unter 3% Feuchtigkeit enthielt. Die resultierende Flamme besaß bessere Stabilität und wies höhere Temperatur auf.

Die erfindungsgemäße gepulste Elektrolyse erweist sich insbesondere dann als sehr wirkungsvoll, wenn die Impulsdauer im Bereich bis zu höchstens 500 μβ und vorzugsweise höchstens 50 us und praktischerweise mindestens 1 oder 5 μ5 liegt und die Impulsintervalle die obenerwähnten Werte besitzen.

Die Impulsdauer und gegebenenfalls auch die Intervalldauer können durch Überwachung der Stabilität der an der Düse erzeugten Flamme eingestellt, gesteuert oder geregelt werden. Wie bereits angegeben, ist es deshalb günstig, die Impulserzeugungseinrichtung so vorzusehen, daß sie eine Einstellung bzw. Regelung der Impulsdauer und der Intervalldauer bzw. der Frequenz innerhalb ausreichender Bereiche erlaubt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Hindurchleiten von elektrischem Strom zwischen mindestens zwei in einer dicht verschlossenen Elektrolysezelle mit einem wäßrigen Elektrolyten einander benachbart vorgesehenen und zumindest teilweise in den Elektrolyten eintauchenden Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom in Form von Impulsen angewandt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer höchstens 500 \is beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer höchstens 50 us beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen mindestens das Zweifache und höchstens das Dreißiglache der Impulsdauer beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektroden aus mehreren konzentrisch in der Zelle angeordneten, elektrisch leitenden Zylindern steigenden Durchmessers bestehen, dadurch gekennleichnet, daß der elektrische Strom in Form von Impulsen zwischen der innersten und der äußer-■ten Elektrode angewandt wird und eine oder mehrere der dazwischenliegenden Elektroden als fcipolare Elektroden verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste Elektrode als Anode und die äußerste als Kathode geschaltet werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer den wäßrigen Elektrolyten enthaltenden, dicht verschlossenen Elektrolysezelle, mindestens zwei lumindest teilweise in den Elektrolyten eintauchenden und nebeneinanderliegenden, als Kathode bzw. Anode geschalteten Elektroden, einer daran angeschlossenen Stromversorgungseinrichtung und einer Einrichtung zum Sammeln des an den Elektrodenoberflächen entstehenden Waslerstoffs und Sauerstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung (10; 11, 12) so ausgebildet ist, daß sie einen impulsförmigen Strom liefert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung eine Gleichstromquelle (10), einen durch einen Impulsgenerator (12) mit einstellbarer Impulsdauer und einstellbaren Impulsintervallen bzw. einstellbarer Frequenz gesteuerten elektronischen Schalter (11) zum abwechselnden Einwnd Ausschalten des durch die Elektroden fließenden Gleichstroms und zur Erzeugung eines gepulsten Elektrolysestroms zwischen den Elektroden mit der eingestellten Impulsdauer und eingestellten Impulsintervallen aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 mit mehreren in der Elektrolysezelle (1) vorgesehenen, konzentrisch angeordneten elektrisch leitenden Zylindern (31,32,33) steigenden Durchmessers, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom in Form von Impulsen zwischen der innersten Elektrode (31) und der äußersten Elektrode (33) angewandt wird und eine oder mehrere der dazwischenliegenden Elektroden (32) als bipolare Elektroden dienen.