Die Trockenzelle (Drycell)

Inhalt

1. Grundlagen
2. Trockenzelle Gesamtaufbau
2.1 Außenplatten
2.2 Abschlußplatte
2.3 Mittelplatte ohne Anschluss
2.4 Mittelplatte mit Anschluss
2.5 Dichtungen
2.5.1 EPDM-Folie
2.5.2 Anfertigen lassen
2.5.3 Fluorelastomere – Silikon – Weich-PVC
2.6 Weitere Materialien
2.6.1 Gewindestange, Muttern und Unterlegscheiben
2.6.1 Federn
2.6.2 Druckanschlüsse
3. Verschaltung einer Trockenzelle
3.1 Messungen an einer Trockenzelle
3.2 Wird Gas an “nicht” angeschlossenen Platten erzeugt?
3.2.1 Video zu “nicht” angeschlossenen Platten
4 CAD-Dateien für eigene Zelle
5. MiTHO-Trockenzelle Varianten
6. Buchempfehlungen
Autor: Arnd Koslowski

1. Grundlagen

Meine ersten Zellen waren Nasszellen, die ich in einem Wasserfilter realisiert habe. Da ich festgestellt habe, das diese zu wenig Gas liefern und nicht so ohne weiteres erweitert werden können, habe ich mich entschieden mit Trockenzellen weiterzumachen.

Der Vorteil an den Trockenzellen ist der, das sie jederzeit erweiterbar sind und gut zerlegt werden können.

Im Downloadbereich finden das Dokument “MiTHO-Trockenzelle Variante1” indem ich auf den grundsätzlichen Aufbau meiner ersten MiTHO-Trockenzelle eingehe. Nachfolgend etwas detailliertere Informationen der Trockenzelle.

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2. Trockenzelle Gesamtaufbau Eine Trockenzelle besteht meist aus: Außenplatten mit und ohne Anschlüsse Mittelplatten ohne Stromanschluss Mittelplatten mit Stromanschluss Gewindestangen Dichtungen Muttern Unterlegscheiben Federn für Anpressdruck (haben nur wenige)
Das Material der Platten ist hier Edelstahl (V4A) oder in wenigen Fällen auch Titan. Als Vergleich hier eine Zelle mit Polycarbonat-Außenplatten und Edelstahlblechplatten für die Elektrolyse. Wenn Kunststoffaußenplatten verwendet werden, würde ich als Material Polycarbonat nehmen da Dies, im Gegensatz zu Plexiglas, nicht zerspringt und sich besser bearbeiten lässt. Nachfolgend nun die Materialien einer Trockenzelle im Einzelnen
2.1 Außenplatten Die Außenplatten dienen zum Abdichten der Zelle an den Außenseiten, als Standfuss und für die Druckluftanschlüsse. Die Zelle wird durch diese beiden Platten und Gewindestangen zusammengehalten. Es gibt Trockenzellen wie die obere oder die ANTON-Zelle, die hier dicke Kunststoffaußenplatten verwenden. Der Vorteil ist der, das diese Platten durchsichtig sind um der Füllstand von außen erkennbar ist. Weiterhin lassen sich in diese Platten einfacher Gewinde für die Druckluftanschlüsse drehen. Der Nachteil ist der etwas höhere Herstellungspreis bei Beauftragung einer Firma, wenn man dort nicht im großen Stil bestellt. Die Plattendicke beträgt meist 10mm und mehr.

Bei meinem MiTHO-Aufbau habe ich mich für Edelstahlaußenplatten entschieden, da ich so mit einer einfachen CAD-Datei direkt die Platten fertig lasern lassen kann. Der Nachteil was der, das ich einen Metallbetrieb finden musste, der mit Edelstahlmuttern für die Druckanschlüsse mit Hartlot anlöten musste. Alternativ würde ich bei einem weiteren Aufbau die Dicke von 6mm oder mehr nehmen und mir die Gewinde in die Platten schneiden lassen.

Die Dicke bei Edelstahl beträgt 5-6mm.

2.2 Abschlussplatte Diese Platte hat keine Löcher, damit nur an einer Seite der Zelle Druckanschlüsse nötig sind. Beschreibung ansonsten siehe Außenplatte weiter oben.
2.3 Mittelplatte ohne Anschluss Die Zelle kann auch nur aus Platten mit Anschlüssen aufgebaut werden. Wenn die Zelle größer wird, ist es jedoch kostengünstiger auch Platten ohne Anschlüsse einzubauen. Dann müssen sie nur sicherstellen, das je nach verwendeten Netzteil, Spannung und Strom in gleichmäßigen Abständen Platten mit Anschluss vorhanden sind. Wie dies aufgeteilt wird weiter unten genauer erklärt. Die Dicke meiner Platten beträgt 1,5mm. Andere arbeiten mit dickeren und dünneren Platten. Die Platten können mit Schleifpapier angerauht werden. Dies soll helfen das sich das bei der Gaserzeugung, die Gasblasen besser von der Platte lösen.
2.4 Mittelplatte mit Anschluss Wenn nicht nur an den Außenplatten die Spannung an der Zelle angeschlossen werden soll, sondern auch in der Mitte, werden eine oder mehrere Mittelplatten mit Stromanschluss benötigt. Hier rechts zu erkennen. die Stromkabel können hier mit einer M5 oder M6-Schraube angeschraubt werden. Die Platten können mit Schleifpapier angerauht werden. Dies soll helfen das sich das bei der Gaserzeugung, die Gasblasen besser von der Platte lösen.
2.5 Dichtungen Mit das wichtigste an der Zelle sind die Dichtungen. Sie können aus den unterschiedlichsten Materialien angefertigt werden.

2.5.1 EPDM-Folie

Viele Forscher verwenden EPDM-Folie. Diese ist elektrisch nicht leitfähig, flexibel und Säure- sowie Laugenbeständig. Ich würde darauf achten die Folie nicht im Baumarkt zu kaufen, sondern bei einem Auktionshaus Ihres Vertrauens nach “EPDM-Folie und ggf. Firestone” zu suchen. Bei der Baumarktfolie kommt es oft zu unterschiedlichen Dicken in der Folie und bei breiten Bahnen möglicherweise zu einer verklebten Pfalz, die weggeschnitten werden müsste.

Inzwischen haben einige Händler bemerkt, das ihre Folie nicht nur zum Teichbau verwendet werden kann, sondern auch anderweitig. Daher steht öfters schon bei den Materialangaben mit dabei wie gut die Folie elektrisch isoliert.

Der Preis der EPDM-Folie ist ebenfalls tragbar. Die Folie lässt sich gut mit einem Cuttermesser oder einer Schere bearbeiten. Wenn die Dicke 3mm oder mehr beträgt, wird das schneiden schwieriger. Bei dem schneiden der Außenkanten von dicken Folien habe ich gute Erfahrungen mit einer elektrischen Schere gemacht.

2.5.2 Anfertigen lassen

Es gibt Firmen, die (Wasser)schneidegeräte haben, um damit Kunststoff und andere Materialien zu schneiden und Prototypenfertigung anbieten. Fragen Sie bei diesen Firmen an, ob es machbar ist aus Ihrer gekauften EPDM-Folie passende Dichtungen zu schneiden. Wenn Sie noch die Möglichkeit haben, selbst eine 2D-CAD-Datei mitzuliefern, müsste es noch etwas günstiger werden. Mir liegen keine genauen Preise vor.

Bei der Dicke der Dichtung geben einige an, das 1,15 oder 1,5mm gut sind, andere verwenden 3mm dicke Dichtungen. Mein erster Aufbau war mit 1,5mm dicker EPDM-Folie.

2.5.3 Fluorelastomere – Silikon – Weich-PVC

Besser als EPDM-Folie sind Fluorelastomere wie z.B. Viton®. Diese sind teurer, haben dafür aber unter anderem den Vorteil, das sie sich nicht so weit zusammendrücken lassen, wie die EPDM-Folien.

Als weitere Materialien für Dichtungen kommt auch Silikon oder Weich-PVC in Frage.

2.6 Weitere Materialien

2.6.1 Gewindestangen, Muttern und Unterlegscheiben

Diese werden benötigt, um mit den beiden Außenplatten die Zelle zusammenzuhalten. Ich habe hier 8mm Stangen, Mutern und Unterlegscheiben verwendet.

2.6.2 Federn

Es kann sinnvoll sein, die beiden Außenplatten neben den Muttern und Unterlegscheiben noch mit je einer starken Feder zusammenzudrücken. Wenn sich die Zelle im Betrieb erwärmt, oder bei Kälte zusammenzieht, gleich eine Feder so die Differenz aus, und drückt die Platten weiterhin fest zusammen.

Bei meinem neuen Aufbau habe ich 8mm Federn verwendet die jede einzeln mit einer Kraft von 50kg auf die Platte drückt.

2.6.3 Druckanschlüsse

Um einen Druckschlauch anschließen zu können, werden noch passende Druckanschlüsse benötigt. Hier gibt es auch die Wahl entweder welche zu kaufen, in denen der Schlauch verklemmt und verschraubt wird, oder die Anschlüsse mit Schnellverschluss.

Es gibt ein paar Forscher die bei der Zelle direkt die Schläuche verschrauben, und die Schnellverschlüsse nur für den hinteren Schlauch zum Anschluss des Arrestors oder anderer Aufbauten nehmen.

3. Verschaltung einer Trockenzelle

Eine Elektrolysekammer benötigt zwischen 0,8V und 1,5V an Spannung je Zelle. Wenn die Spannung zu gering ist, findet keine effektive Elektrolyse statt. Wenn die Spannung zu hoch ist, wird ein Teil der eingespeisten Energie in Hitze umgesetzt. Im praktischen Betrieb haben sich 2V/Kammer, also etwas mehr als die genannten 1,5V bewährt.

Das folgende Beispiel zeigt zwei Möglichkeiten eine 8-zellige Elektrolysekammer anzuschließen.

Die Größe der Zelle und das verwendete Netzteil sollten aufeinander abgestimmt sein. Sinnvoll ist es eine Trockenzelle mit 6 Kammern oder dem mehrfachen wie 12, 18, oder 24 Zellen aufzubauen. So kann mit Spannungen von 12V (6 Kammern) , 24V (12 Kammern) , 36V (18 Kammern) oder 48V (24 Kammern) gearbeitet werden.

3.1 Messungen an einer Trockenzelle

Um die elektrischen Werte an der Trockenzelle auf ich laufenden Betrieb aufzunehmen, kann für die Spannungsmessung ein handelsübliches Digitales Multimeter verwendet werden. Die Spannung sollte nach dem Aufbau zwischen allen Kammern geprüft werden.

3.2 Wird Gas an “nicht” angeschlossenen Platten erzeugt?

Es kommt immer wieder die Frage auf, ob und wieso an nicht angeschlossenen Elektrolyseplatten in einer Trockenzelle Gas entsteht. Der Effekt lässt sich erklären, wenn man die Elektrolysezelle wie einen Widerstand betrachtet, der über die ganze Breite der Kammer einen Spannungsabfall hat. Mehr dazu im Kap. 3.2.1.

3.2.1 Video zu “nicht” angeschlossenen Platten

Um zu zeigen, das Gas auch an den nicht angeschlossenen Platten entsteht wurde das folgende Video erstellt.

Wie im Video beschrieben, liegt in der KOH-Lösung vom Pluspol (Anode) zum Minuspol (Kathode) eine Spannung an, die sich über die breite der Kammer hin verteilt. Man kann sich die breite Kammer mit der Lösung auch als Widerstand vorstellen, bei dem über einen Schieber an jeder Stelle zwischen Plus und Minus eine Spannung abgegriffen werden kann.

Eine nicht angeschlossene Platte die in der Mitte der Kammer eingebracht wird, hat auf der einen Seite zur Pluspol-Platte ein Spannungsgefälle, und auf der gegenüberliegenden Seite zur Minupol-Platte auch ein Spannungsgefälle.

Aufgrund des Spannungsgefälles zu den jeweiligen Platten hin, wird Gas an der Platte erzeugt. Auf der einen Seite “H” und auf der anderen “O”. Der technische Strom in der Zelle fließt vom Minuspol durch die Lösung, durch die chemischen Reaktionen (Elektronenabgabe und -aufnahme) durch die Platte, und danach durch die Lösung hin zum Pluspol.

4. CAD-Dateien für eigene Zelle

Sie können sich bei einigen Herstellern Edelstahlbleche oder Plexiglasplatten anfertigen lassen. Die Hersteller benötigen dazu meist eine CAD-Datei.

Wer sich eine Trockenzelle wie die hier beschriebene selbst bauen möchte, findet im Downloadbereich eine gepackte Datei “MiTHO-Zelle CAD-Dateien (DXF)”

Im Dateipaket enthalten sind allen Platten, also Innenplatte mit und ohne Stromanschluss, und die beiden Außenplatten der MiTHO-Zelle die hier beschrieben wird. Weiterhin PDF-Dateien der Außenplatten mit Maßangaben für z.B. Plexiglasaußenplatten, und eine Schablone zum schneiden der Dichtungen. Die Dichtungen stehen dann später ca. 5mm über den Rand der V4A-Platten raus.

5. MiTHO-Trockenzelle Varianten

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