DE1094247B - Bipolare Elektrode fuer elektrolytische Wasserzersetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Wasserzersetzer, in welchen reiner Sauerstoff und Wasserstoff durch Stromübergang zwischen metallischen Elektroden in einem geeigneten Elektrolyten hergestellt werden. Um einen wirksamen Betrieb zu gewährleisten, müssen solche Elektrolysiervorriehtungen bei hohen Drücken und Temperaturen betrieben werden und lassen auf diese Weise Probleme entstehen, die sich aus der Korrosion der Elektroden durch den Elektrolyten und durch den Sauerstoff ergeben.

Die Gase werden an den Oberflächen der Elektroden freigesetzt und verursachen beträchtliche Schaumbildung in der Elektrolytsubstanz. Um die beiden Gase daran zu hindern, sich miteinander zu mischen, ist es notwendig, eine poröse Scheidewand vorzusehen, welche die Zelle in Abteilungen einteilt, die die positiven bzw. die negativen Elektroden enthalten. Darüber hinaus ist es notwendig, diejenigen Elektrolytmengen aufzufangen, die in der Form von Schaum von den abgezogenen Gasen getragen werden. Die Probleme der wirksamen Trennung der beiden Gase werden beim Betrieb mit hohen Drücken und Temperaturen vergrößert, und darüber hinaus wird dadurch die Scheidewand gemeinsam mit den anderen Bestandteilen der Zelle gegen die Korrosion empfindlich.

Erfindungsgemäß ist eine bipolare Elektrode für elektrolytische Wasserzersetzer nach der Filterpressenbauart vorgesehen, deren positiv sowie negativ arbeitende Seiten aus zwei gesinterten, porösen Nickelschichten bestehen, welche zu beiden Seiten einer leitenden, nicht porösen Tragplatte aus kompaktem Metall, z. B. Nickel oder nickelüberzogenem Stahl, angeordnet sind, und bei welcher jede Nickelschicht in ihrem mit dem Elektrolyten in Berührung stehenden Teil eine geringere Porengröße besitzt als in dem der Tragplatte zugewandten, mit dem Gas in Berührung stehenden Teil sowie die Porengröße jedes Teils derart gewählt ist, daß das erzeugte Gas den Elektrolyten aus den Poren heraustreibt, jedoch daran gehindert ist, selbst in Blasenform in den Elektrolyten einzutreten, und die positiv arbeitende, den Sauerstoff erzeugende Seite der Elektrode in dem mit dem Elektrolyten in Berührung stehenden Teil der Nickelschicht mit einem nichtleitenden Überzug versehen ist. Das Ergebnis eines derartigen Aufbaues ist, daß beide Gase an den Rück- ■ seiten der Elektrode freigesetzt werden, d. h. an den dem Elektrolyten abgewandten Seiten. Dadurch wird nicht nur Schaumbildung des Elektrolyten verhindert, sondern auch die Notwendigkeit für eine trennende Scheidewand fällt weg. Der nichtleitende Überzug hindert den Sauerstoff daran, direkt in die Elektro-Bipolare Elektrode für elektrolytische
Wasserzersetzer

Anmelder:

E. R. A. Patents Limited,
Leatherhead, Surrey (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. v. Schumann, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 23. August 1956

Francis Thomas Bacon, Westfield, Cambridgeshire

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

lytsubstanz freigesetzt zu werden. Auf diese Weise wird der Aufbau der Elektrolysiervorrichtung wesentlich vereinfacht.

In der Praxis stellt sich heraus, daß der nichtleitende Überzug nur auf der Sauerstoff elektrode erforderlich ist. Selbst bei recht hohen Stromdichten zeigt es sich, daß praktisch aller Wasserstoff an der Rückseite der Elektrode entwickelt wird. Dagegen wird bei Fehlen des nichtleitenden Überzuges ein verhältnismäßig großer Teil des Sauerstoffes an der \^orderseite der Elektrode abgegeben, d. h. in den Elektrolytraum, und aus diesem Grund ist der nichtleitende Überzug erforderlich.

Vorzugsweise wird der nichtleitende Überzug durch eine Schicht des sogenannten grünen Nickeloxyds gebildet, das im wesentlichen nichtleitend ist. Bei der Herstellung kann beispielsweise entweder eine Schicht von feinem Nickelpulver aufgebracht werden, welche unter Luftzutritt gesintert und mit einer Schicht des grünen Nickeloxyds überzogen wird, oder andererseits können feine Partikeln von grünem Nickeloxyd gesintert werden, welche dann keinerlei metallisches Nickel enthalten. An Stelle von Nickeloxyd können für den nichtleitenden Überzug auch ein oder zwei andere Metalloxyde Verwendung finden, z. B. ist Magnesiumoxyd für diesen Zweck geeignet, dagegen sind die meisten anderen Oxyde ungeeignet, weil sie von dem Elektrolyten, normalerweise einer Lösung von Kaliumhydroxyd bei 200° C,

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aufgelöst werden können.' Durch Aufhebung der Not- selbstverständlich eine einpolige Elektrode 45 erwendigkeit einer Scheidewand wird das Problem der forderlich. Diese hat den gleichen Aufbau wie die Korrosion dieses Bestandteils vermieden, aber es ver- Elektroden 1, mit der Ausnahme, daß nur in einer bleibt die durch die Korrosion der Sauerstoffelektrode Seite der Tragplatte eine Vertiefung ausgebildet ist. verursachte Schwierigkeit. Es hat sich herausgestellt, 5 Elektrische Leiter 46 und 47 führen von diesen eindaß die Wasserstoffelektrode der Korrosion be- poligen Endelektroden ab. Auf der Rückseite jeder merkenswert gut widersteht. Die leitenden Bereidie der Elektroden 45 befindet sich eine starke Platte 48, der positiven oder Sauerstoffelektrode werden daher durch welche die Bolzen 41 durchtreten und gegen vorzugsweise mit einem Überzug schwarzen, lithium- welche die Muttern 42 drücken. Die Elektro'den 45 haltigen Nickeloxyds ausgebildet. Das Nickeloxyd io werden gegen die Platten 48 durch Isolationsmaterial selbst hat gute korrosionsresistente Eigenschaften, 49 isoliert. Die ganze Vorrichtung ist in einem während die Gegenwart des Lithiums die starke Zu- äußeren Gehäuse 50 eingeschlossen, von welchem ein nähme des elektrischen Widerstandes vermeidet, Teil zum Zwecke der besseren Darstellung wegweiche sonst mit der Oxydschicht verbunden wäre. gebrochen ist. Dieses Gehäuse ist mit wärmeiso-

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Elek- 15 lierendem Material gefüllt, um die Elektrolysiervortrolysiervorrichtung können vorteilhaft zweipolige richtung auf Betriebstemperatur zu halten.
Elektroden verwendet werden, wie sie im nach- Die so aufgebaute Elektrolysiervorrichtung kann stehenden beschrieben sind. Jede von diesen Elek- sowohl bei hohem Druck als auch bei hoher Tempetroden umfaßt eine mittigeTragplatte, die auf einer ratur verwendet werden, z. B. in der Größenordnung Seite eine positive und auf der anderen Seite eine ao von 272 kg auf 6,452 qcm und 200° C, obwohl sie negative Elektrode trägt, mit Raum für den Durch- selbstverständlich auch bei gewöhnlichen Betriebstritt von Gas zwischen der Platte und der Rückseite temperaturen, z. B. in der Größenordnung von 75° C, jeder Elektrode. Diese Elektroden werden zusammen verwendbar ist. Das Gehäuse muß eine ausreichende mit zwischen ihnen liegenden, isolierenden Dich- Stärke haben, um dem zur Verwendung kommenden tungen vereinigt und ergeben so eine Reihe von 25 inneren Druck widerstehen zu können. Beim gewöhn-Elektrolyträumen. liehen Aufbau einer Elektrolysiervorrichtung muß

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysier- das austretende Gas bis zu einem Druck von 907 bis vorrichtung, in welcher Elektroden der soeben be- 1360 kg auf 6,452 qcm durch Kompressoren komprischriebenen Art Verwendung finden, wird beispiel- meirt werden, d. h. auf den Druck innerhalb der Aufhaft im einzelnen an Hand der Zeichnungen be- 30 bewahrungszylinder. Beim Betrieb der Elektrolysierschrieben, von denen Fig. 1 eine Schnittansicht dar- vorrichtung mit den obenerwähnten hohen Drücken, stellt, bei welcher der mittlere Teil teilweise weg- d. h. in der Größenordnung von 272 kg auf 6,452 qcm, gebrochen ist. können erheblich kleinere Kompressoren zum Einsatz

Die in Fig. 1 dargestellte Elektrolysiervorrichtung kommen, weil das Gasvolumen erheblich geringer ist.

enthält eine Anzahl zweipoliger Elektroden 1, die 35 Wenn die Elektrolysiervorrichtung bei dem vollen

durch Dichtungen 40 aus isolierendem Material von- Druck von 907 bis 1360 kg auf 6,452 qcm betrieben

einander getrennt sind. Auf diese Weise wird ein wird, können die Kompressoren ganz weggelassen

Raum 44 zwischen den Oberflächen einander benach- werden. Aber das erhöhte Gewicht der Elektrolysier-

barter Elektroden für die Aufnahme des Elektro- vorrichtung wird dies in den meisten Fällen unwirt-

lyten frei gelassen, der für gewöhnlich aus einer 40 schaftlich werden lassen.

starken Lösung von Kaliumhydroxyd besteht. Jede Die soeben beschriebene Elektrolysiervorrichtung ist

Elektrode umfaßt eine mittlere Platte, die an den ein- in ihren Funktionen umkehrbar, mit anderen Worten

ander gegenüberliegenden Seiten Vertiefungen 3 auf- kann sie entweder als Elektrolysiervorrichtung benutzt

weist, welche mit porösem Nickel gefüllt sind. Auf werden, in welchem Fall den Leitern 46 und 47 Strom

den Außenflächen der positiven oder Sauerstoff- 45 zugeführt und andererseits Sauerstoff und Wasserstoff

elektroden ist ein nichtleitender Überzug von Nickel- abgeleitet werden. Sie kann aber auch als Batterie

oxyd aufgebracht, und die leitenden Bereiche dieser Verwendung finden, in welchem Fall ihr Sauerstoff

Elektroden sind mit einem Überzug von schwarzem, und Wasserstoff zugeführt werden und Strom von

lithiumhaltigem Nickeloxyd versehen. den Leitern 46 und 47 abgenommen wird. Diese um-

Die Randteile jeder Elektrode, die selbstverständ- 50 kehrbare Funktion hat beträchtliche Vorteile für lieh dicker sind als der mittlere, vertiefte Teil, tragen Fahrbetriebszwecke, da sie die Verwendung einer nicht dargestellte Kanäle, durch welche die frei- Regenerationsbremsung erlaubt. Dabei wird an Stelle gesetzten Gase aus dem Raum zwischen der Rück- der Verwendung von Reibungsbremsung Energie zu seite des porösen Nickels und der mittleren Trag- der Batterie zurückgeführt, welche dann als Elekplatte abgeleitet werden. Diese Kanäle führen zu 55 trolysiervorrichtung arbeitet und Wasserstoff und ebenfalls nicht dargestellten, quer zu den Elektroden- ' Sauerstoff erzeugt. Die so erzeugten Gase werden flächen angeordneten Leitungen. Der Elektrolyt wird dann zwei kleinen Druckgefäßen zugeführt, die ständig mittels einer weiteren nicht dargestellten ständig unter dem gleichen Druck wie die Zellen-Leitung mit reinem Wasser aufgefüllt. Von dieser batterie stehen. Auf diese Weise stehen die Gase bei Leitung führen öffnungen durch Schlitze in den 60 Bedarf für die Rückverwandlung in elektrische Dichtungen 40 in die Elektrolyträume 44. Energie zur Verfügung.

Während des Zusammenbaus werden die Elek- Da eine Schnittzeichnung auch nur einer einzelnen troden und die Dichtungen durch an jedem Ende mit bipolaren Elektrode einen zu kleinen Maßstab erMuttern 42 versehene Bolzen 41 in einem Stapel zu- geben würde, um die Struktur der verschiedenen sammengeklammert. Um ein Kurzschließen der Zellen 65 Schichten des porösen Nickels ausreichend darstellen zu vermeiden, sind die Bolzen 41 mit isolierendem zu können, ist in Fig. 2 ein Querschnitt wieder-Alaterial überzogen, während die Muttern 42 iso- gegeben, welcher die Struktur der Schichten nach Art lierende Beilagscheiben 43 aufweisen. der Mikrofotografie illustriert, aber rein diagramma-

Jede der Elektroden 1 ist zweipolig, wie bereits tisch zu verstehen ist und keinen Anspruch auf Maßbeschrieben, aber an jedem Ende des Stapels ist 7° Stabgerechtigkeit erhebt. Die großporigen Partikeln

des Nickels sind durch die Schraffierung 11 dargestellt. Jedes Teilchen ist mit einer schwarzen Oxydschicht überzogen, welche mit 12 bezeichnet ist. Diese großporige Schicht ist auf eine dünne Lage einer perforierten Nickelfolie 16 aufgesintert. Eine der Perforationen ist bei 17 dargestellt. Diese Nickelfolie ist ihrerseits auf einer mittigen Tragplatte aufgesintert, welche in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

In der Zeichenebene, gesehen links von der großporigen Schicht, ist eine feinporige Schicht aufgesintert, welche aus Nickelteilchen 11 besteht, die wiederum mit einer Schicht eines nichtleitenden grünen Nickeloxyds überzogen sind, welches durch die Schattierung 13 dargestellt ist. Links von der feinporigen Schicht befindet sich der Elektrolytraum. Der Elektrolyt ist durch die Querschraffur 14 dargestellt. Wie sich aus der Darstellung ergibt, füllt der Elektrolyt die feinporige Schicht vollkommen aus und bildet um jedes Partikelchen der grobporigen Schicht einen dünnen Film. Gleichwohl ist auf Grund des größeren Raumes zwischen den Teilchen der großporigen Schicht ein Zutritt von Sauerstoff möglich, welcher durch die nicht schraffierten Räume 15 dargestellt ist. Die auf Grund der Kapillarwirkung hervorgerufene Anziehung in den Poren zwischen den Teilchen, die die feinporige Schicht darstellen, verhindert jede Bewegung des Sauerstoffes nach links in der Zeichenebene, so daß jeder Sauerstoff, welcher durch das Hindurchleiten von Strom durch die Elektrolysiervorrichtung entsteht, nach rechts durch die Perforation 17 wandert. Auf Grund der Tatsache, daß die feinporige Schicht des Nickels mit einem nichtleitenden Überzug versehen ist, wird in der feinporigen Schicht kein Sauerstoff erzeugt, sondern nur in der grobporigen Schicht, wie sich ohne weiteres aus der Zeichnung ergibt. Sauerstoff wird tatsächlich nur in den Berührungsgebieten zwischen dem Elektrolyt 14 und den leitenden Teilchen des Nickels gebildet, die die grobporige Schicht bilden.

Es könnte aus der Zeichnung der Eindruck entstehen, als wären die Sauerstoffbereiche 15 untereinander isoliert. Man muß sich aber vorstellen, daß alle Teilchen der Darstellung dreidimensional sind. Sie erstrecken sich daher aus der Zeichenebene heraus weiter, so daß Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Sauerstoffbereichen bestehen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist jedes Sauerstoffteilchen, welches in der grobporigen Schicht gebildet wird, geeignet, nach rechts und durch die Perforationen 17 hindurchzuströmen.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Bipolare Elektrode für elektrolytische Wasserzersetzer nach der Filterpressenbauart, deren positiv sowie negativ arbeitende Seiten aus zwei gesinterten, porösen Nickelschichten bestehen, welche zu beiden Seiten einer leitenden, nicht porösen Tragplatte aus kompaktem Metall, z. B. Nickel oder nickelüberzogenem Stahl, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nickelschicht in ihrem mit dem Elektrolyten in Berührung stehenden Teil eine geringere Porengröße besitzt als in dem der Tragplatte zugewandten, mit dem Gas in Berührung stehenden Teil und daß die Porengröße jedes Teils derart gewählt ist, daß das erzeugte Gas den Elektrolyten aus den Poren heraustreibt, jedoch daran gehindert ist, selbst in Blasenform in den Elektrolyten einzutreten, und die positiv arbeitende, den Sauerstoff erzeugende Seite der Elektrode in dem mit dem Elektrolyten in Berührung stehenden Teil der Nickelschicht mit einem nichtleitenden Überzug versehen ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Elektrolyten in Verbindung stehende Teil der Nickelschicht der positiven Seite der Elektrode, welcher die geringere Porengröße besitzt, mit einem Überzug aus nichtleitendem Nickeloxyd versehen ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Nickelschicht der positiv arbeitenden Seite der Elektrode, welcher die stärkere Porengröße aufweist, mit einem Überzug leitenden, schwarzen, lithiumhaltigen Nickeloxyds versehen ist.

4. Elektrolytischer Wasserzersetzer nach der Filterpressenbauart, bei welchem bipolare Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 3 vorgesehen und durch isolierende, eine Reihe von Elektrolyträumen vermittelnde Dichtungen getrennt sind, gekennzeichnet durch seinen scheidewandlosen Aufbau.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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