NO171645B - Elektrolyseinnretning - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrolyseinnretning med geometrisk etterhverandre koplede enkeltceller, bestående av respektive to på begge sidene med avstandsprofiler forsynte metalliske skillevegger til den neste celle, ett mellom skilleveggene anordnet diafragma og elektroder forsynt med åpninger og anbrakt på begge sidene av diafragmaen med avstand, hvilke elektroder er forbundet under kontaktdannelse med avstandsprofilene til tilhørende skillevegger og som peker mot diafragmaen.

Ved kommersielt tilgjengelige elektrolyseinnretninger er flere enkeltceller koplet elektrisk og geometrisk etterhverandre. Enkeltcellene inneholder elektrodepar, som er adskilt av et plateformet diafragma, og forbundet med respektive metalliske, fortrinnsvis vaffellignende pregede, fullstendig forniklede blikkvegger mot tilliggende celle. Skilleveggene er satt inn i en ringformet metallisk ramme. På hver metallisk skillevegg er på hhv. anodesiden og katodesiden anordnet forniklede og aktiverte ståltråd-vevninger eller en trådvev bestående helt av nikkel som en elektrode og trykt over motelektroden på forhøyningsspissene til den vaffellignende profileringen til skilleveggene. I mellomrommet dannet av elektrodene er føyd inn en asbestplate som et diafragma. Hver skillevegg arbeider bipolart, dvs. de bærer på ene siden en katode og på den andre siden en anode. Den ved elektrodene utviklede gass strømmer inn i rommet mellom elektroden og skilleveggen og oppover, og blir der ført bort (jfr. Lurgi-Schnellinformation D 1073 november 1981 "Wasserstoff aus Wasser", eget forlag Frankfurt 1981).

Denne utførelsesf ormen av en celle har ført til ideen å påpresse elektroder på begge sidene av diafragmaen, hvilke elektroder er forsynt med tallrike åpninger som utvider seg konisk utover. Dette som følge av at man antok at enhver reduksjon av elektrodeavstanden ville redusere den indre cellemotstanden til elektrolyseinnretningen og dermed minimalisere energitapet for strømtransporten mellom elektrodene (Winter Z. J. og J. Nitsch: "Wasserstoff als Energitrager, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York-Tokio 1986, side 180/181). Gassene blir stort sett utviklet kun på siden vendt bort fra diafragmaet, da siden som er vendt mot diafragmaet er stort sett elektrisk isolert av en tynn gassfilm mellom diafragmaet og elektroden, og deltar ikke i gassfrembringelsen. Strømlinjene går altså gjennom åpningen til elektrodene på deres bakside. De derfor nødvendige antall av åpninger reduserer den virksomme elektrodeflaten med 20-30$, strømlinjene er unødvendig lange og konsentrasjonsutgjevningen til elektrolytten, som f.eks. er dannet av en 55#-ig kaliebase, begrenses i diafragmaet da elektrolyttutskiftningen er begrenset. Energitapet kan være så stort at energivinsten som kan oppnåes ved den avstands-løse anordningen av elektrodene blir fullstendig kompensert for. Ved avstandsløse elektrodeanordninger er som regel diafragmaets tykkelse fra 0,2 til høyden 0,5 mm, noe som medfører en øket risiko for stedvis korrosjon og/eller overoppvarming og dermed fare for ødeleggelse av diafragmaet, som kan medføre en kortslutning av elektrodene til en celle, noe som ved smelting av metallcelledelene til slutt kan medføre sammenbrudd ved en hel rekke med celler.

Slike stedvise kortslutninger kan mellom annet bli utløst av med små metalliske partikler, som er ved en feil innelukket ved oppbygning av cellene mellom elektrodene og diafragma og kan bli trykt inn i disse. Også små fremstillingsfeil ved fremstilling av diafragmaen og/eller elektrodene kan føre til stedvis korrosjon av diafragma og kortslutning av elektrodene .

Videre er det fra FR-PS 2460341 kjent nett av isolerende materiale, som er anordnet som avstandsholdere mellom elektrodene og det metalliske diafragmaet for i samsvar med oppgaven å bevirke en elektrisk isolering. På en ugunstig måte blir strømningen av elektrolytt-gassblærer-blandinger så vel som elektrolyttutskiftningen hindret av slike nett. Ovenfornevnte beskrevne problem oppstår også ved celler ved hvilke elektrodene er holdt i en forholdsvis liten avstand fra 0,1 til 0,2 mm fra diafragmaet ved hjelp av mellomlegging av såkalte "Microspacern". (International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 13, nr. 3, Pergamon Press, Oxford 1988, side 148/149).

Det er derfor oppgave til foreliggende oppfinnelse å utforme de innledningsvis beskrevne cellene for en elektrolyseinnretning, slik at det gis høy sikkerhet mot motslutning og korrosjon og energiforbruket er det samme eller lavere enn ved avstandsløse elektrodeanordninger.

Denne oppgaven løses ved at i det av elektroden og diafragmaet dannede mellomrommet er føyd inn avstandselementer av et ikke-metallisk høytsmeltende hardstoff og er fast forbundet med elektrodene.

Ifølge foreliggende oppfinnelse har mellomrommet dannet av diafragmaen og elektroden en bredde på minst 0,3 til 3,0 mm.

De spesielt av oksyd-keramiske materialene, som f.eks. aluminiumoksyd, nikkeloksyd og zirkoniumoksyd bestående avstandselementer beholder ved en kortslutning på tross av ekstremt høye temperaturer opptil smeltetemperaturen til elektroden sin form og oppfyller i tilfelle av en deformasjon av elektroden og/eller av den metalliske skilleveggen sin funksjon som avstandsholdere, slik at kortslutningen ikke kan utvides.

For med sikkerhet å utelukke faren for kortslutning, er ifølge et ytterligere vesentlig trekk ved oppfinnelsen foreslått å anordne de med en elektrode fast forbundne avstandselementer i forhold til de ovenfor motelektroden bærende maksimum av avstandsprofilen.

Som spesielt fordelaktig har vist seg en elektrodetykkelse på 0,15 til 0,40 mm og-en diafragmatykkelse på 0,15 til 1,0 mm.

Avstandsholderne fikserer i samvirke med f jærelastisk utformede elektroder den nøyaktige stillingen til diafragmaet og forhindrer dermed flagrende bevegelser som over lengre tid fører til ødeleggelse av diafragmaen, dvs. de øker dermed betydelig levetiden.

Med hensyn til den tilstrebede virkningen så vel som en langtidsanvendelse har det vist seg gunstig å anvende et diafragma bestående av et tynt nikkelnett som bærende struktur med derpå påsintret sjikt av porøst oksydkeramisk materiale, f.eks. nikkeloksyd. Det er imidlertid også mulig å anvende diafragma av et kunststoffolie.

Som spesielt hensiktsmessig har vist seg anvendelse av elektroder, som består av et nikkelbæresjikt og en mot diafragmasiden vendte skjelettstruktur av nikkelmateriale frembrakt ved kaldvalseplattering av en pulverblanding av karbonyl-nikkelpulver og Raney-legeringspulver så vel som ved sintring og ved påfølgende katalyttisk aktivering, og som har ilagret katalysator-materiale av den uløselige komponenten til Raney-legeringen.

En optimal avstemming av de enkelte elementene til hver celle tilveiebringes når den metalliske skilleveggen dannet av vaffelblikk er anordnet dekningslik etterhverandre og avstandselementene til den ene elektroden er føyd inn hhv. ovenfor den med motelektroden forbundne hvelving. På denne måten blir så vel elektrodene holdt i avstand i forhold til hverandre som også skilleveggene av forskjellig potensial holdt i avstand. Ved de mange kontaktpunktene til elektrodene med skilleveggen er det mulig å anvende forholdsvis tynn-veggede og samtidig elastiske elektroder, som ved de vanlige driftsstyrkene mellom 1 og 10 kA/m^ gir elektrodeflater med et lavt spenningsfall på kun noen få millivolt og dermed et lavt energitap for strømfordelingen fra kontaktpunktene til elektroden med skilleveggene.

Ved anordning av elektrodene ifølge oppfinnelsen er det gitt en turbulent oppoverstrømning av den utviklede gassen mellom elektroden og diafragma, hvorved den for cellespenningen og diafragmaets holdbarhet jevne viktig effekt med god kon-sentrasjonsutjevning og temperaturutjevning i elektrolytten blir bevirket.

Avstandselementene er fortrinnsvis utformet slik at de har en liten strømningsmotstand i forhold til de oppoverrettede strømningene til elektrolytt-gassblaereblandingen og den etterstrømmende elektrolytten for å ikke påvirke den fordelaktige sterke oppoverrettede turbulente strømningen.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene hvor det er vist et tverrsnitt gjennom en konstruksjon av en bipolar enkeltcelle.

Cellen 1 er lukket fra begge sidene ved hjelp av en vaffellignende profil med fullstendig forniklede blikkvegger 2, 3, som er anbrakt i en ikke nærmere vist ringformet ramme. På forhøyningene eller velvingene 4, 5 til blikkveggene 2, 3 er anbrakt tynne blikk 8, 9 som elektroder og som er forsynt med åpninger 6, 7 for gjennomgang av den utviklede gassen og som er sveiset til nevnte blikkvegger 2, 3. Elektrodene 8, 9 er adskilt fra hverandre ved hjelp av et plateformet diafragma 10. Ovenfor forhøyningene 4 hhv. 5 til blikkveggene 2 hhv. 3 som bærer den elektroden 8 hhv. 9 har motelektroden 9 hhv. 8 hhv. en åpning 11, 12, inn i hvilken er trykt inn et av aluminiumoksydformet avstandselement 13 hhv. 14, slik at mellom diafragmaet 10 og elektrodene 8, 9 består alltid en definert avstand. De med blikkveggene 2, 3 forbundne elektroder 15, 16 danner en del av tilliggende celle.

Claims (9)

1. Elektrolyseinnretning med geometrisk etter hverandre koplede enkeltceller (1), hver bestående av to på begge sidene med avstandsprofil forsynte metalliske skillevegger (2,3) i forhold til neste celle, ett mellom skilleveggene anordnet diafragma (10) og elektroder (8,9) anordnet med avstand fra diafragmaet og forsynt med åpninger (6,7), hvilke elektroder (8,9) er forbundet under kontaktdannelse med avstandsprofiler til tilhørende skillevegger og anordnet pekende mot diafragmaet , karakterisert ved at i det av elektrodene (8,9) og diafragmaet (10) dannende mellomrom er føyd inn et avstandselement (13, 14) av et ikke-metallisk høytsmeltende hardstoff og er fast forbundet med elektrodene.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at mellomrommet dannet av elektrodene (8, 9) og diafragmaet (10) har en bredde på minst 0,3 til 3,0 mm.

3. Innretning ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at avstandselementet (13, 14) består av oksydkeramisk materiale, f.eks. aluminiumoksyd, nikkeloksyd og zirkoniumoksyd.

4. Innretning ifølge krav 1 til 3, karakterisert ved at det med den ene elektrode (8) forbundne avstandselement (14) er anordnet ovenfor respektive maksimum til skilleveggens (3) avstandsprofil, som bærer motelektroden (9), og at det med den andre elektroden (9) forbundne avstandselement (13) er anordnet ovenfor respektive maksimum til skilleveggens (2) avstandsprofil, som bærer motelektroden (8).

5. Innretning ifølge krav 1 til 4, karakterisert ved at elektrodene (8, 9) har en tykkelse fra 0,15 til 0,40 mm og at diafragmaet (10) har en tykkelse fra 0,15 til 1,0 mm.

6. Innretning ifølge krav 1 til 5, karakterisert ved at diafragmaet (10) består av et tynt nikkelnett som bærende struktur med derpå sintrede sjikt av porøst oksydkeramisk materiale, som f.eks. nikkeloksyd.

7. Innretning ifølge krav 1 til 5, karakterisert ved at diafragmaet (10) består av en kunststoffolje.

8. Innretning ifølge krav 1 til 7, karakterisert ved at elektrodene (8, 9) består av et nikkelbæresjikt og en på diafragmasiden anordnet skjelettstruktur frembrakt ved kaldvalseplettering av en pulverblanding av karbonyl-nikkelpulver og Raney-legeringspulver så vel som ved sintring og påfølgende katalyttisk aktivering, idet skjelettstruk-turen består av et nikkelmateriale med deri innlagret katalysator-materiale av den ikke-løselige komponenten til Raney-legeringen.

9. Innretning ifølge krav 1 til 8, karakterisert ved at de metalliske skilleveggene (2,3) er dannet av vaffelblikk, hvilke forhøyninger sveiset med elektrodene (8,9) er anordnet dekningslikt etter hverandre og at avstandselementene (13) til den ene elektrode er innføyd hhv. ovenfor forhøyningene til motelektroden.