DE7335455U - Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff - Google Patents

Description

Dipl.-Phys. Friedrich Götz' *. . : '·"·*":· : : 13. 6. 1975

5628 Heiligenhaus-IsenbÜKel· TulpeRweg 15

Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 elektrisch in Reihe geschalteter Elektrolysezellen enthält, wobei die zugleich Anode und Kathode darstellenden und isolierend eingefaßten Elektrodenbleche die Elektrolytflüssigkeit in einzelne Zellen unterteilen,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung derartiger Vielfachelektrolysezellen zu vereinfachen und durch Verbesserung des Wärmeableitvermögens ihre Dauerleistung zu

erhöhen.

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

Sine Alfcernativlosang dieser Aufgabenstellung ist darin su sehen, daß in das topfartige DruckgefäB eine Vielzahl von 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 Erfindung werden anhand von Fig. 1-4· der Zeichnung dargestellt.

Fiy. 1 zeige ein geöffnetes topfartiges Druckgefäß von oben,

Fig. 2 eine Seitenansicht dieses Druckgefäßes, das entlang der Linie AB in Fig. 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 Fig. 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 0-Ringdichtung 51. Mit 52 sind konzentrisch angeordnete Rohrelektroden bezeichnet, die untereinander und gegenüber dem Druckgefäß isoliert sind.

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Aus Pig. 2 ist zu ersehen, daß die Rohrelektroden 52 - 57 an ihren unteren Hand in einen Isolierstoffkörper 58 eingebettet sind, der vorzugsweise aus einem Epoxiharz-Quarzmehlgemisch besteht. Die innere Rohrelektrode 57 weist zwei Wärmedurchführungsprofile 59, 60 auf, die isolierend und gasdicht in Bohrungen am 3oden 50b des Druckgefäßes eingegossen sind. Diese V/ärmedurchführungsprofile, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, tragen Kühlkörper 6C„ 61, die einem Kühlluftstrom ausgesetzt werden können. An das Druckgefäß 50 sind Y/inkeleisen 63_f 64 angeschweißt, die der Befestigung in einem Schutzgehäuse dienen. Zwischen der Innenwand des Druckgefäßes 50 und den Kohrelektroden 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 voi au3en nach innen zunimmt, daß also alle Elektrolyträume gleichen Inhalt haben. Eine Gleichstromquelle wird mit dem Pluspol an das V/ärmedurchführungsprolil 59 und mit dem Minuspol an das Druckgefäß 50.angeschlossen. Der Strom fließt somit von der inneren Rohrelektrode 57 abwechselnd durch die Slektrolytschichten und die weiteren

Druckgefäßes 50, der also als Außenelektrode dient.

Da in dem angeführten Beispiel sechs Elektrolysezellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, benötigt man bei Eisenelektroden 15 Volt, bei Nickelelektroden 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.

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Da die innere Rohrelektrode 57 die kleinste Oberfläche aufweist, ist hier die Stromdichte am größten. Der Maxima1strom richtet ι also nach den Abmessungen der inneren Rohrelektrode. Der erzeug asserstoif und Sauerstoff vermischt sich in dem Gassammeiraum 6fc über dem Elektrolyten.

Da man zwecks Gewiclitsersparnis und aus Sicherheitsgründer. d::3 Druckgefäß and den Gassanunelraum möglichst klein halten muß, lieger; die Abstände zwischen rlen Rohrelektroden nur etwa zwischen 6 und 12 mm. Die hohe Leistungsdichte erfordert unter Umständen besondere IUaS-nahmen zur Abführung der im Elektrolyten anfallenden Stromwärne. Ein großer Teil der Wärme wird über die Außenwand des Druckgefäßes abgeführt, da der Elektrolyt direkten Xontakt mit dieser Wand h&t. Die Wärmeströmung verläuft vorwiegend radial von innen nach außen. Es entsteht also ein Temperaturgefälle von der inneren zu den äußeren Rohrelektroden. Die Kühlkörper 61, 62 dienen dem Abbau dieses Temperaturgefälles.

Die Herstellung der beschriebenen Vielf&chelektrolysezelle ist besonders einfach, weil die Rohrelektroden ohne besondere Hilfsmittel isolierend und mechanisch stabil am Boden des Druckgefäßes befestigt werden können. Da sich das Spannungspotential am einzigen Isolierstoffkörper 58 schrittweise von Zelle zu Zelle erhöht, ift das elektrische Verhalten der Anordnung völlig problemlos. Innerhalb des Druckgefäßes gibt es zwischen dem Minus- und dem Pluspol keinerlei Kriechstrecken, da der Isolierstoffkörper 58 ständig im guyleitenden 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

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können. LIaη vergrößert damit die aktiven flächen der inneren Elektroden, um die Stromdichten einander anpassen zu können.

Besonders leicht ist diese Anpassung "bei einem Druckgefäß cit halbkugel for zi'.gezi Boden möglich, v/ie es in Fig. 3 dargestellt ist. Das in Tiefziehverfahren Hergestellte Druckgefäß 70 weist acht konzentrische Rohrelektroden 71 auf, deren oberer Rand in einer Ebene liegt. Die Länge der Rohrelektroden 71 steigt von außen nach innen an. Das Produkt aus Elektrodenumfang und Länge kann in etv;a konstant gehalten werden. Eine neunte Rohrelektrode 72 ist als geschlossener Hchlzylinder ausgebildet und mit Zuführungsröhrchen 73, 74 für ein flüssiges Kühlmedium versehen. Die Teile 71 - 74 sind am unteren Rand mit einem elastischen Epoxihqrz-Quärzmehlgemisch 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 v/erden über eine Stromschiene 75 mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle verbunden. Eine weitere Stromschiene 76 für den Anschluß an den Minuspol ist mi+ dem Druckgefäß 70 verschweißt. Der zylindrische Teil der Innenwand des Druckgefäßes 70 stellt also die äußere Kathode dar, während der gekühlte Zylinder 72 als Anode dient. Insgesamt sind neun Elektrolysezellen in Reihe geschaltet, die alle "ungefähr die gleiche Stromdichte und den gleichen Elektrolytinhalt aufweisen. Im Laufs 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 nicht, weil die Stromdichteverteilung in den Zellen erhalten bleibt. Der Sollstand 77 des Elektrolyten liegt etwa in Höhe des Deckels des Zylinders 72. Die Einfüllöffnung für Elektrolyt und Wasser sollte in dem nicht dargestellten Deckel exzentrisch a ngeordnet sein,

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damit sich das nachgefüllte Wasser sofort auf mehrere Zellen verteilt. Eine gleichmäßige Vermischung von Wasser und Elektrolyt erreich' 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. Wenn mon diese Bohrungen von Zelle zu Zelle um 180° versetzt, um 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 Plansch stellen und die Hohlräume ausgießen. Das Harzgemisch wird durch die -Bohrungen für die Kühlmittelröhrchen 73, 74 .eingefüllt.

Die Vielfachelektrolysezelle mit gewölbtem Djuckgefäß 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 2n + 1 Rohrelektroden gleicher Höhe mit konstuntem Durchmesserunterschied herstellt und und in ein Gefäß mit ebenem oder fast ebenem Boden eingießt. Die innere Rohrelektrode wird dann leitend mit dem Boden des Druckgefäßes verbunden,

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während die mittlere Rohrelektrode mit isolierten Stromöur führungen 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 Reihenparallelschaltung von 2n 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 kennen 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 Rund eisen herstellen, so daß auch sie über uen Bo.'.en aes Druckgefäßes große Wärmemengen ableiten kann.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Kühlung besieht darin, daß man eine oder mehrere Rohrelektroden als doppelwandiges Hohlprofil ausbildet und dieses über itchrchen durah 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 ineinarcergeatellten Topfelektroden. In des Druckgefäß 80 sind abgestufte Topfelektrcden 81 eingesetzt, die dMrch Isolierstoffwinkel 62 auf konstantem Abstand gehalten werden.

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Des Druckgefäß 8C stellt die äußere Kathode dar. Die Ar.cJ-_- bc.: ..· aus ei rein Hohlzylinder 83, der ar. einen; Deckel &■-' auf^hürv* I. ". Dieser Hohlzylintfer wird über KöhreLen 85, Sc ml"¹ einer. fl_:.:: =:·..■;-. Kühlmedium beschickt. Die Röhrchen sind zugleich Gtron-durchi"J:.run.·" Zwischen dem Hohlzyliiider 83 und den Deckel 84 ist ein IsGli-:.":;* ο:""·'-körper 87 vorgesehen, der sich seitlich über die gesamte Innen^oi * ·. des Deckels erstreckt, um die Kriechv.'ege zu verlängern, "i ι C3 Li:*' ein Einfüllstutzen bezeichnet. Das Gas wird über ein Hehr 5 3 abgeleitet.

Bei dieser Konstruktion sind die Seitenwände und die Böden der Tcpfelektroden als aktive Flächen an der Gasbildung beteiligt. 2s ist daher zweckmäßig, die Böden leicht konvex zu gesteltr-n, damit sich nicht zu große Gasblasen ausbilden können. Die Fläche der inneren Topfelektrode ist wesentlich kleiner als die der äußerer.. Da die zulässige Stromstärke nach dieser kleinsten Elektrode zu bemessen ist, ergibt sich ein Leistungsoptimum bei einem rel&tiv großer. Hohlzylinder, der dann zugleich auch eine gute Kühlung ermöglicht.

Sämtliche Druckgefäße der beschriebenen Vielfachelektrolysezellen können zur besseren Kühlung mit Kupferrohrwendein verseher, werden. Sie werden auf den¹ Zylindermantel aufgewickelt und durch Tauchverzinnung ooer Epoxiharzverklebung befestigt. Eine noch intensivere Kühlung aller Flächen wird erzielt, v/enn das Druckgefäß in ein größeres zylindrischeb Gefäß eingeschweißt wird. Die Schweißnaht kenn am Rande des Flansches verlaufen. Bei Wasserkühlung sind dann tllerdings die Stromdurchführungen gesondert zu isolieren.

Claims (4)

1. Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit Hilfe von Gleich- M strom, 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 (57) mit mindestens einer isolierten Stromdurchführung (59) verbunden ist, die gasdicht in den Boden (5O^1-)) des Druckgefäßes (50) eingebaut ist.

3· VielfacheleA-brolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (70) einen halbkugelförmig gewölkten Boden aufweist, daß die oberen Ränder der Rohrelektroden (71)

in einsr Ebene liegen und daß sich die Länge der Rohrelektroden (71) von außen nach innen entsprechend der Wölbung des Bodens vergrößert.

4. Yielfachelektrolysezelle aach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet _t daß die innere Rohrelektrode (72) als Hohlzylinder gegenüber dem Druckgefäß abgedichtet und über Rohrdurchführungen (73» 7*0 im Bodea des Druckgefäßes mit einem Kühlmedium beaufschlagbar ist*

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5· Vielfachelektrolysezelle zur Erzeugung eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit HiI^e von Gleichstrom, die in dem unteren Teil eine? gemeinsten 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 in das topfartige Druckgefäß (SO) eine Vielzahl von nach oben offenen und in der Grc^c abge stuften Topfelektroden (81) isoliert und konzentrisch zueinander eingesetzt ist, so daß jede Topfelektrode (81) mit ihrem Zylindermantel und ihrem Boden zugleich Anode der einen und Kathode der benachbarten Zelle ist.

6, Vielfachelektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und kleinste Topfelektrode (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 Topfelektroden (81) in einer Ebene liegt und daß die Böden und Seitenwände durch winkelförmige Isolierkörper (82) in einem bestimmten Abstand gehalten werden.

Dipl.-Phys. Friedrich Götz 3628 Heilieienhaus-Isenbügel Tulpenweg 15

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