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Die Erfindung bezieht sich auf einen Filterpressen- Elektrolyseur der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art. Das gewonnene Gasgemisch kann in Gasbrennern beim Schneiden, Löten und Schweißen unmittelbar zur Verwendung kommen.
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Der in der US-PS 33 10 483 beschriebene Elektrolyseur enthält einen aus Dielektrikum gefertigten Elektrolytbehälter, in dem der Elektrolyt enthalten ist und flache Elektroden in den in den Seitenwänden und im Boden des Elektrolytbehälters ausgeführten Nuten von bestimmter Tiefe mit Hilfe von Befestigungsteilen, beispielsweise Schrauben, festgehalten werden. Durch die auf der ganzen Länge des Elektrolytbehälters parallel und in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneten Elektroden werden Kammern gebildet. Der elektrische Strom wird der ersten und der letzten Elektrode zugeführt. Der Ausgleich des Elektrolytspiegels in sämtlichen Kammern erfolgt im Verlaufe des Einfüllens des Elektrolyten in den Elektrolyseur durch Kippen des letzteren um seine Längsachse auf einen Winkel, der für den Überlauf des Elektrolyten aus einer Kammer in die andere über die oberen Kanten der Elektrodenplatten ausreichend ist.
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Bei der experimentellen Erprobung des bekannten Elektrolyseurs wurden folgende Nachteile festgestellt:
Ungenügende Wärmeabführung aus den Elektrolysenkammern, weil der Elektrolytbehälter aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist, was eine übermäßige Erwärmung des Elektrolyten und die Störung der Betriebsführung des Elektrolyseurs zur Folge hat;
infolge der Anordnung der Elektrolyten in den im aus Dielektrikum gefertigten Elektrolytbehälter ausgeführten Nuten können die Stromverluste durch Ableitung auf der Berührungsfläche zwischen den Kanten der Elektrodenplatten und dem Elektrolytbehälter nicht restlos behoben werden;
unvermeidliche Entstehung von Spalten zwischen den Elektrodenplattenkanten und dem Elektrolytbehälter;
ungenügende Zuverlässigkeit der Elektrodenplattenbefestigung, da diese nicht auf ihrem gesamten Umfang in die Nuten eingehen;
Schwierigkeiten bei Abdichtung des Elektrolytbehälters, da sein Deckel und die Seitenwände auf einem Umfang von bedeutender Länge zusammengehalten werden sollen.
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Durch Lösen der vorstehend erwähnten Probleme könnte die Betriebssicherheit von Elektrolyseuren des genannten Typs erhöht werden.
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Andererseits ist aus der FR-PS 24 10 059 ein Filterpressen-Elektrolyseur zur Gewinnung von Wasserstoff aus wäßrigen Lösungen bekannt, der einen aus Dielektrikum gefertigten Elektrolytbehälter aufweist, dessen Seitenwände in Form von Zwischenlagen ausgeführt sind und der durch bipolare Elektroden in Kammern aufgeteilt ist, wobei jede Kammer durch ein Diaphragma zur Trennung des Wasserstoffs unterteilt ist und die bipolaren Elektroden durch Befestigungsmittel in bestimmten Abständen gehalten sind, nur im aktiven Bereich Wellenformen haben und zwischen den Wellenbergen die Diaphragmen halten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Filterpressen-Elektrolyseur der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, in dem durch konstruktionsmäßige Veränderung des Elektrolytbehälters und der Elektroden die Betriebssicherheit und die Leistungsfähigkeit erhöht werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.
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Die Gruppe von aus Dielektrikum gefertigten Rahmen und muldenförmigen Elektroden kann ohne Schwierigkeiten zusammengebaut werden, weil die Anordnungsstellen der Zwischenlagen festgelegt sind, so daß deren darauffolgendes Zusammenziehen durch Befestigungselemente ohne Schwierigkeiten vorgenommen werden kann.
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Die Anzahl der einheitlichen Bauteile, aus welchen die hintereinander geschalteten und den Elektrolyten enthaltenden Zellen aufgebaut sind, kann in Abhängigkeit von der erforderlichen Speisespannung, insbesondere der Netzspannung, gewählt werden, so daß somit auf den Einsatz eines Netzanschlußtransformators in der Einrichtung mit den diesem anhaftenden Nachteilen verzichtet werden kann.
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Der Vorgang der Gasentwicklung geht auf den Elektroden mit gleicher Fläche vor sich, da diese vorzugsweise einander gleich auszuführen sind. Dies gestattet es, die in den Elektrolyten eingetauchte Oberfläche der Elektroden mit maximaler Wirksamkeit auszunutzen sowie eine gleichmäßige Belastung der Elektroden und folglich eine gleichmäßige Wärmeentwicklung über den gesamten Umfang des Elektrolyten sicherzustellen. Ein intensiver Wärmeaustausch zwischen dem im aus Dielektrikum gefertigten Elektrolytbehälter enthaltenen Elektrolyten und der Umgebung kommt infolge einer hohen Wärmeleitfähigkeit der über die Baumaße des Elektrolytbehälters hinausragenden Metallelektroden zustande. Da die Zwischenlagen auf dem Umfang der Vertiefungen angeordnet sind, ragt ein bestimmter Teil der Elektrode in jedem Fall über die Baumaße der den Elektrolyten enthaltenden Kammer hinaus. Die Tatsache, daß die Wärme praktisch aus dem Gesamtvolumen des Elektrolyten abgeführt wird, gestattet es, auf den Einsatz von zusätzlichen Kühleinrichtungen zu verzichten.
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Auch in nach dem Patentanspruch 2 ausgestalteten Elektrolyseuren kann, wie die vorliegende Erfindung voraussetzt, auf das Trenndiaphragma herkömmlicher Art verzichtet werden, weil eine getrennte Gewinnung von Gasen gar nicht bezweckt wird. Zwecks Erhöhung der Leistungsfähigkeit werden jedoch anoden- und kathodenseitig mit porösen Massen überzogene Elektroden verwendet, was dazu zwingt, großporige Diaphragmen einzusetzen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei ungenügend zuverlässiger Haftung der porösen Masse an der Elektrodenoberfläche ihre Abblätterung im Verlaufe des Betriebs möglich ist. Eine derartige Abblätterung kann die Entstehung von Kurzschlußstegen zwischen den Elektroden zur Folge haben, durch welche die Erwärmung des betreffenden Abschnitts hervorgerufen wird. Falls ein derartiger Kurzschlußsteg im Elektrolyten entsteht, so hat er nur eine Erwärmung zur Folge. Entsteht er aber im Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch, so hat er eine Explosion in der Elektrolysenzelle zur Folge. Diese kann zum Ausfall des Elektrolyseurs führen, was davon zeugt, daß ein derartiger Elektrolyseur über eine mangelhafte Betriebssicherheit verfügt.
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Da die Achsen der in dem Diaphragma ausgeführten Bohrungen zu dessen Ebene unter einem Winkel von 30 bis 60° verlaufen, wird der Entstehung von Kurzschlußstegen bei eventuellen Abblätterungen vorgebeugt. Gleichzeitig bleibt auch der durch das Diaphragma und die sich entwickelnden Gase hervorgerufene Widerstand konstant. Vorzugsweise ist die Öffnung zu 1/3 der Höhe des Diaphragmas auszuführen, weil dies der mindestmögliche Höhenstand des Elektrolyten ist, bei welchem die Leistungsfähigkeit des Elektrolyseurs noch erhalten bleibt. Die Ausführung des Diaphragmas auf der Zwischenlage gestattet es ferner, bei einer eventuellen Explosion und Zerstörung der Zelle die letztere mit Hilfe von einheitlichen Bauteilen schnell wiederherzustellen.
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Dadurch, daß gemäß der Erfindung in den Vertiefungen der Elektroden in Elektrodenlängsrichtung Nuten ausgebildet sind, deren Querschnitt mit der Höhe der Elektrode zunimmt, wobei sich der Kathodenteil der jeweiligen Elektrode an der Bodenseite der Nut befindet, wird ein intensiver Umlauf des Elektrolyten dank der gerichteten Strömung der Wasserstoffbläschen in der Zelle gewährleistet. Die Neigung der Nuten unter einem Winkel von 10 bis 15° zur Senkrechten ermöglicht es, die Stromdichte um ca. 10% zu vergrößern.
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Im weiteren wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigt
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Fig. 1 eine Vorstufe des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs im Längsschnitt;
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Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene II-II der Fig. 1;
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Fig. 3 eine Ausführungsvariante der Erfindung, von welcher eine Elektrolysenzelle im Längsschnitt dargestellt ist; und
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Fig. 4 eine andere Ausführungsvariante der Erfindung, von welcher eine Elektrolysezelle im Längsschnitt dargestellt ist.
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Wie es aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, schließt der Filterpressen-Elektrolyseur zur Gewinnung eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches muldenförmige Elektroden 1 ein, deren Vertiefungen zu derselben Seite ausgerichtet sind. Die Elektroden 1 weisen Öffnungen 2 auf, die in ihnen über dem Elektrolytspiegel 3 in den Grenzen der durch aus Dielektrikum gefertigte Rahmen bzw. Zwischenlagen 4, welche die Seitenwände des Elektrolytbehälters begrenzen und beispielsweise aus Gummi gefertigt sind, abgegrenzten Fläche ausgebildet sind. Wie es aus der Zeichnung, insbesondere aus Fig. 1, ersichtlich ist, sind die Zwischenlagen 4 zu einem Teil in den Vertiefungen der Elektroden 1 längs des Umfangs dieser Vertiefungen angeordnet, ragen teilweise hinaus und stützen sich gegen die nächstliegende Elektrode 1 ab.
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An seinen Stirnseiten ist der Elektrolytbehälter durch aus Metall gefertigte Platten 5 und 6 begrenzt. Die Metallplatte 5 ist mit einer Vertiefung ausgebildet, welche den in den muldenförmigen Elektroden 1 vorhandenen Vertiefungen entspricht, während die Platte 6 flach gestaltet ist. Die Platten 5 und 6 weisen Abführstutzen 8 bzw. 7 auf, von denen der Stutzen 7 mit einem druckdichten Verschluß 9 versehen ist und der andere Stutzen 8 über die Rohrleitung 10 mit einem Brenner 11 verbunden ist. Der zusammengebaute Elektrolytbehälter wird durch Zusammenziehen der aus Dielektrikum gefertigten Zwischenlagen 4 zwischen den Platten 5 und 6 mit Hilfe von Stiftschrauben 12 gebildet, welche zugleich als Montageführungen dienen. Wie es aus Fig. 1 ersichtlich ist, gestattet die bauliche Gestaltung der Elektroden 1, deren peripheren Teil beliebig weit über die Baumaße des Elektrolytbehälters hinauszuführen.
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Anstelle der Stiftschrauben 12 können Bolzen, Schrauben bzw. andere für den gegebenen Fall geeignete Befestigungselemente verwendet werden. Die über die koaxialen Öffnungen in den Metallplatten 5 und 6 und den Elektroden 1 durchgehenden Stiftschrauben 12 sind gegen diese durch dielektrische Scheiben 13 und eine Isolation 14 isoliert. Ein konstantbleibender Höhenstand des Elektrolyten 3 wird entweder durch Kippen des Elektrolytbehälters bei dessen Füllen mit Elektrolyt oder über im unteren Teil der Elektroden 1, d. h. in deren in den Elektrolyten eingetauchten Teil ausgeführten Öffnungen gewährleistet.
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Der Gleichstrom kann den Elektroden verschiedenartig - in Abhängigkeit von den benötigten Kennwerten des Elektrolyseurs - zugeführt werden. Vorzugsweise wird der Strom den Metallplatten 5 und 6 (der einen das positive und der anderen das negative Potential) zugeführt, demzufolge die Elektrolysenzellen hintereinander geschaltet werden und ihre Anzahl derart gewählt werden kann, daß der Elektrolyseur unmittelbar aus dem vorhandenen Stromversorgungsnetz ohne jeglichen Netzanschlußtransformator gespeist werden kann. Gegebenenfalls kann der Gleichrichter für geringere Ströme berechnet werden.
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Beim Betrieb ruft das Durchleiten eines Gleichstromes durch den alkalischen Elektrolyten 3 die Zersetzung des Wassers und die Entwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden 1 sowie an den ebenfalls als Elektroden dienenden Platten 5 und 6 im Innenraum des Elektrolytbehälters über dem Elektrolyten hervor, in dem die Gase sich vermischen, so daß im Inneren des aus Dielektrikum gefertigten Elektrolytbehälters homogenes Knallgas gebildet wird. Dieses wird über die Öffnungen 2 und den Abführungsstutzen 8 dem Brenner 11 zugeführt und an der Ausgangsöffnung des letzteren zur Erhaltung einer für Gasbrenntechnik geeigneten Hochtemperaturflamme verbrannt.
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Da die Elektroden 1 eine Form aufweisen, die zu deren exakten Montage beiträgt, kann der Elektrolyseur unter einem höheren Druck betrieben werden, ohne daß man mit der Gefahr dessen Ausfalls zu rechnen hat. Dies bietet die Möglichkeit, die Flammenlänge nutzvoller zu steuern, und erweitert die technologischen Möglichkeiten eines mit einem derartigen Elektrolyseur gespeisten Brenners, wobei zugleich die Betriebssicherheit gewährleistet wird.
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Der Vergleich der zum Zusammenbau eines Elektrolyseurs mit diesen muldenförmigen Elektroden 1 benötigten Zeit mit der Zeit, die zur Montage eines Elektrolyseurs mit flachen Elektroden mit denselben Abmessungen erforderlich war, hat erbracht, daß für den Zusammenbau eines Elektrolyseurs mit muldenförmigen Elektroden 1 um das Vierfache weniger Zeit bei gleicher Montagequalität erforderlich ist.
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Andere Vorteile dieses Elektrolyseurs sind folgende:
Gewährleistung einer wirksamen Wärmeabführung aus dem gesamten Volumen des Elektrolyten, da der periphere Teil der jeweiligen Elektrode herausgeführt ist;
Vorhandensein von einheitlichen Bauelementen, welche den Zusammenbau von Einrichtungen mit den erforderlichen Kenndaten ermöglichen;
Herstellungs-, Montage-, Auseinandernahme- und Betreibseinfachheit.
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Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung enthält die Elektrolysenzelle (Fig. 3) mit porösem Überzug 16 versehene Elektroden 15 sowie zugleich als dielektrische Zwischenlage 4 dienende Diaphragmen 17 mit in diesen ausgeführten Bohrungen 18 und der Öffnung 19. Die Bohrungen 18 sind derart ausgeführt, daß ihre Achsen unter einem Winkel von 30 bis 60° zur Senkrechten bzw. zur Ebene des Diaphragmas verlaufen. Die Höhe der Öffnung 19 beträgt 1/3 der Höhe (h) des Diaphragmas 17 (siehe Fig. 3).
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Im Verlaufe des Betriebs kommt es zur Entwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden 15, welche emporsteigen, sich beim Durchtreten durch die Bohrungen 18 vermischen und das Knallgas bilden. Die Neigung der Achsen der Bohrungen 18 unter einem Winkel von 30 bis 60° zur Ebene des Diaphragmas 17 trägt dazu bei, der Bildung von Kurzschlußstegen bei Abblätterung des porösen Überzuges 16 von der Oberfläche der Elektroden 15 zuverlässig vorzubeugen. Gegebenenfalls ist die wirksame Stromdurchgangsfläche am größten, womit der mindestmögliche Widerstand für den Stromdurchfluß im Elektrolyten gesichert wird. Das Vorhandensein der Öffnung 19 im Diaphragma 17 gewährleistet den normalen Verlauf des Elektrolysevorgangs bei mindestmöglichem Widerstand für den Stromdurchfluß.
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Zur Erprobung eines Elektrolyseurs gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante der Erfindung wurden Apparate mit einer Leistungsfähigkeit von 40 l/h, 80 l/h und 120 l/h Gasgemisch auf Elektroden mit porösen Überzügen und Diaphragmen vorstehend bschriebener Bauweise zusammengebaut, und der poröse Überzug wurde zerstört. Die Stärke des aus Gummi gefertigten Diaphragmas betrug 0,8 bis 1,0 mm, der Bohrungsdurchmesser 0,3 bis 0,5 mm bei einem Abstand zwischen den benachbarten Bohrungen von 0,8 bis 1,0 mm und einer Neigung der Achse der jeweiligen Bohrung von 30 bis 60°. Die Erprobung hat einen zuverlässigen Schutz vor Entstehung von Kurzschlußstegen erbracht, welche in den bisher bekannten Elektrolyseuren zur Explosion in der Elektrolysezelle führten. Mit der Anordnung des Diaphragmas hat der dem Stromdurchfluß entgegengesetzte Widerstand um einen geringen Betrag gegenüber dem in einer Elektrolysenzelle ohne Diaphragma zugenommen.
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Gemäß einer Alternative der Erfindung wird der Elektrolyseur (Fig. 4) aus Elektrolysenkammern zusammengebaut, welche Elektroden 20 enthalten, die in ihren Vertiefungen Nuten 21 mit dem mit der Höhe der Elektrode zunehmenden Querschnitt bzw. der entsprechend zunehmenden Tiefe aufweisen. Mit demselben Nutzeffekt können sich nach der anderen Alternative die Nuten nach oben hin in Breitenrichtung erweitern, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die den Boden der Nut 21 bildende Seite der Elektrode 20 stellt die Kathode dar, während die Rückseite bzw. die Krümmung der Elektrode 20 die Anode ist. Das Gasgemisch wird durch eine (nicht gezeigte) Öffnung in der aus Dielektrikum gefertigten, zwischen den Elektroden 20angeordnete Zwischenlage 22 abgeführt.
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Im Verlaufe des Betriebs wird den Elektroden 20 Gleichstrom zugeführt, infolgedessen beim in Fig. 4 gezeigten Anschluß der Elektroden an der Anode (+) Sauerstoff und an der Kathode (-) Wasserstoff entwickelt werden. Da Wasserstoff volumenmäßig zweimal so viel wie Sauerstoff entwickelt wird, reißen die Wasserstoffbläschen bei Neigung der an der Kathode ausgeführten Nuten 21 von der Oberfläche der Kathode ohne Schwierigkeiten ab, wobei ihre Geschwindigkeit die der Sauerstoffbläschen übersteigt. Derartig wird ein gerichteter Umlauf des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer gebildet und dessen Sättigung mit Gas herabgemindert.
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Der gemäß der vorliegenden Ausführungsvariante der Erfindung aufgebaute Elektrolyseur wurde auf einer Versuchsanlage geprüft. Der Elektrolyseur wurde für eine Leistungsfähigkeit von bis 80 l/h berechnet. Die Elektroden mit geneigt ausgeführten Nuten in den Vertiefungen wurden aus Nickel mit einer Stärke von 0,6 mm gefertigt. Die maximale Tiefe der Nut betrug 3 mm und die Breite 5 mm. Die Anzahl der Nuten je Elektrode betrug fünf Stück bei deren Länge von 115 mm. Als Prüfungsergebnis sind ein intensiver Umlauf des Elektrolyten und dessen geringe Sättigung mit Gas zu verzeichnen. Die verwendeten Stromdichten an den Elektroden betrugen 70 mA/cm2 im Gegensatz zu 50 mA/cm2 in den bisher bekannten Elektrolyseuren, so daß der Elektrolyseur bei den gleichen Kennwerten die Möglichkeit bietet, eine höhere, der Vergrößerung der Stromdichte an den Elektroden proportionale Leistungsfähigkeit zu erzielen.