DE585501C - Hochdruckzersetzer, insbesondere zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff - Google Patents

Description

Elektrolytische Zellen z. B. für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff·, besitzen Zersetzungsspannungen in - der Größe von etwa 2 Volt. In technischen Anlagen schaltet 5- man eine größere Anzahl von elektrolytischen Einzelzellen oder Gruppen parallel geschalteter Zellen in Serie und erhält damit höhere, für die Erzeugung.bzw. Zuleitung des elektrischen Stromes wirtschaf tlichereBetriebsspannungen.

Elektrisch am einfachsten sind, solche Anordnungen, bei denen, innerhalb eip.es: Elektrolyseurs bzw- eines Elektrolytbehälters nur parallel geschaltete Zellen vorkommen und eine. Vielzahl derartiger Apparate in Reihe

15. geschaltet sind. Die einzelnen Behälter haben dann keine oder nur geringe durch Elektrolytnachfülleitungen bedingte Flüssigkeitsverbindungeri, und es sind daher unproduktive elektrolytische Nebenschlußströme ausgeschlossen.

ao Diese Anordnungen haben aber den Nachteil, daß· einesehr große Zahl von Einzelelektfolyseuren ,aufgestellt werden müssen. Man ist

• daher bestrebt, in einem Apparat nicht nur parallel geschaltete Zellen unterzubringen, sondern auch möglichst viele Zellen in Serie zu- schalten. Man erhält dadurch erst die Möglichkeit, in einem Apparat—und das ist bei Verwendung druckfester Gehäuse besonders wichtig — große Leistungen unterzu-

30' bringen, ohne wirtschaftlich hohe Stromstärken anwenden zu müssen^ Macht aber diese Reihenschaltung schon bei der offenen Nieder- \ druckelektrolyse erhebliche Isolationsschwierigkeiten,· so sind diese bei der Hochdruckelektrolyse wesentlich größer, weil bei diesen die Behälter unter allen Umständen aus Metall bestehen und vollständig geschlossen sein müssen.

Es sind Systeme bekannt, bei denen in einem stehenden Druckgefäß Gruppen parallel geschalteter Elektroden in Serie geschaltet sind; es sind Systeme bekannt, bei denen in einem liegenden Druckrohr bipolare Elektrodenplatten nach der sog. Filterpressenbauart verwandt werden. Alle diese Konstruktionen haben gemeinsam, daß das Spannungsgefälle gleichlaufend ist mit der Richtung- der .Längsachse der aus Festigkeitsgründen stets als rundes Rohr ausgeführten Druckgefäße. Das bedeutet, daß die Elektroden an dem einen Ende 'des Druckrohres eine der Serienschaltung entsprechend höhere Spannung besitzen als die am anderen Ende. Es muß also bei allen diesen Systemen sorgfältig vermieden werden, daß nicht ein großer Teil des Stromes von den Elektroden an dem einen Ende des Druckgefäßes zu der Gefäßwand übertritt, von dieser metallisch zum anderen Ende geleitet wird und von da zu den Elektroden zurückkehrt. Die Isolierung dieser verhältnismäßig großen Wandfläche verursacht erhebliche Schwierigkeiten. Die angewandte Lösung der Isolation durch Anordnung einer nicht leitenden Gasschicht'zwischen der Druckgefäßwand

und der eigentlichen Elektrodenkonstruktion bedeutet < ebenso wie die angestrebte Lösung, die Isolation gegen die Druckgefäßwand mittels Betons, ~Quäfzes o.'dgl. zu erhalten, eine erhebliche Raumverschwendung innerhalb· des teuren Gefäßgehäuses und das noch dort, wo das Gefäß den größten Durchmesser hat und daher für die Unterbringung von Elektroden am besten ausnutzbar ist. Diesen Nachteil

ίο besitzen in gleicher Welse alle Konstruktionen, die zwischen Druckgefäßxohrwand und Elektrodenkonstruktion eine stromhindernde Schicht anordnen.

Ohne auf die Vorteile einer Serienschaltung von mehreren Zellen innerhalb eines Druckgefäßes zu verzichten, vermeidet die vorliegende Erfindung die- Isolierung der großen von Elektrolyt benetzten Wand- und Bodenflächen des Druckgefäßes dadurch, daß die Elektroden in Gefäßform ausgebildet und eine Vielzahl von .. immer kleineren derartigen Elektrodengefäßen unter Zwischenschaltung von Diaphragmen ineinandergesetzt sind.

Die schematischen Fig. 1 bis 5 zeigen in zwei senkrechten Mittelschnitten und einigen Querschnitten Ausführungsbeispiele eines Wasserzersetzers nach vorliegender Erfindung. Konzentrisch mit dem Druckgefäß a sind _die bipolar arbeitenden Elektrodengef äße &₂, b_s, &4 usw. angeordnet, zwischen denen sich die zur Trennung der Gase dienen-

.':; den Diaphragmen C₁, C₂, C₃ usw befinden. Das Druckgefäß selbst kann als erste Elektrode O₁ dienen, so daß ari ihm in einfacher Weise die eine Stromleitung e_x angeschlossen werden kann, während die zweite, e₂, an den inneren

·· Kern b_k der Elektrodenkonstruktion angelegt wird, der auf geeignete Art oben oder unten öder oben und unten isoliert durch das Druekgehäuse hindurchgeführt ist oder, wie Fig. 5 vorsieht, direkt mit dem vom Druckgefäß iso-

"."· lierten Deckel verbunden sein kann. Der Kern ist zweckmäßig hohl und' umfaßt einen oder mehrere Kanäle f, die" der Zuführung von Er-

♦5 satzflüssigkeit dienen- oder aber auch als Eückst-römkanäle für den umlaufenden Elelc-

■1"■: trolyt benutzt werderi'können.

■ Die größte Spannung liegt also zwischen dem-Druckgefäß J)₁ und dem inneren Kern 5j.

Diese sind aber mit Ausnahme des oberen und des unteren Endes der Elektrodenkon-

' struktion·· durch'die-Mantelflächen der Elektrödenzylinder getrennt. Um die Böden der Elektrb'derigefäße am Gasentwickeln zu verhindern, genügt es an und für sich, sie durch eine geeignete Isolationsschicht zu trennen.

■-"-· Wird jedoch 2. B. Kalilauge als Elektrolyt verwandt, so ist es' schwierig, haltbare Isoliefmaterialien-zu finden, die zugleich sfromdfeht· sind. Es werden deshalb vorteilhaft die Böden der. El'ektrodengefäße dadurch an der Gasabscheidung verhindert, daß, wie Fig. 1 bei I₁, I₂, /₃ zeigt, außer den durchgehenden Elektrodengefäßen &!, b₂, b_s usw. zwischen diesen noch zahlreiche kurze Zusatzzylinder bzw. -gefäße angeordnet werden, die aus dem gleichen Material wie die Elektroden oder auch aus irgendeinem anderen Material, etwa Eisen, bestehen können. Wird die Gesamtanzahl der auf diese Weise dem Stromweg zwischen Kern und Druckgefäß im Wege stehenden Blechwände so groß gewählt, daß der Wert Gesamtspannung dividiert durch die Gesamtzahl dieser Mittelleiter kleiner als die zur Gasabscheidung notwendige Polarisationsspannung bleibt, so kann sich an diesen Stellen kein direkter Strom vom Druckgefäß zum Innenkern bzw. umgekehrt ausbilden,.

Es entsteht eine Isolation durch Polarisation, deren Wirkung auf folgendem beruht:

Für jede durch eine Flüssigkeit von Elektrode zu Elektrode gehende ,Strommenge muß eine ganz· bestimmte Menge an zersetztem Stoff auftreten. Voraussetzung hierfür ist aber, daß bei dieser Zersetzung gleichzeitig eine solche Spannung zwischen den Elektroden herrscht, daß das Produkt aus Spannung und Strommenge, also die aufgewandte Energiemenge, der in den zersetzten Stoffen verfügbaren Energie entspricht. Im Falle der Wasserzersetzung muß also das Produkt aus Spannung und Strommenge der im Wasserstoff aufgehäuften Energie entsprechen. Ein Ampere kann also nur dann die äquivalente Gasmenge abscheiden, wenn zum mindesten die der Energiemenge des zur Ausscheidung kommenden Wasserstoffs entsprechende Spannung vorhanden ist. Die Spannung, bei der sich Wasserstoff bilden kann, muß mindestens 1,6 Volt sein; denn würde bei noch kleinerer Spannung elektrischer Strom von Elektrode zu Elektrode fließen und sich dementsprechend die äquivalente Menge Wasserstoff abscheiden, so wäre in diesem Wasserstoff eine größere Energie aufgespeichert, als dem Produkt aus Spannung und Strommenge, die die Energie ■ erzeugt haben, entspricht. Dies würde dem Gesetz von der Erhaltung der Energie widersprechen. Bei einem Spannungsunterschied zwischen den Elektroden kleiner als 1,6 Volt kann demnach nicht die geringste Strommenge übertreten. Die Elektroden laden sieh dann vielmehr einfach auf eine gewisse Spannung (unterhalb 1,6 Volt) mit einer rein statischen Elektrizitätsmenge auf.

Diese Art der Polarisationsisolation wird zweckmäßig analog auch am oberen Ende der Elektrodenkonstruktion verwendet ohne daß diese Isoliermethode als Voraussetzung für die Verwendung der zylindrischen bipolaren Elektrodenanordnung zu gelten hat. Vielmehr kann- auch hier jede andere geeignete Isolie-

rungsart gebraucht werden, die sich, den Vorteil der Meinen zu isolierenden Flächen zunutze^ macht. " .

'.-■ " Die Elektrodenzylinder sind in diesem Äusführungsbeispiel am oberen Ende der Elektrodeiikonstrüktion ebenfalls durch dazwischen angeordnete Zusatzzylinder W₁, m₂, «₈ so stark vermehrt, daß die sich darin ausbildenden Polarisationsspannungen zu einer Gasabscheidung nicht mehr ausreichen. Wenn die ElektiOdenzylinderenden kein - Gas abscheiden, brauchen sie auch mit den dazwischenliegenden Diaphragmen keine Zellenräume mehr zu bilden und werden deshalb, wie die Fig. ι bis 5 zeigen, vorteilhaft derart erweitert oder verengt, daß sie eine massive Wand, p bilden, die den Stromdurchgang vom Innenkern zum Druckgefäß O₁ verhindert.

Die in der Verengungszone vorhandenen Zwischenräume f_lrr₂, r₃ werden zweckmäßig für die Überleitung der Gase aus den einzelnen: Elektrodenzellen zu den Gasabscheiderräumen g_± bzw, 9₂ verwendet. Es lassen sich z. B. vorteilhaft längere oder kürzere Gasrohre oder -kanäleg darin einbetten, .die zur Verlängerung der sich durch sie ergebenden Nebenstromwege teilweise ein Stück dem Umfang eines Elektrodenzylinders entlang geführt werden, ehe sie zu Elektrodenzellen höherer oder geringerer Spannung übertreten. In Fig. 5 sind die Gaskanäle g_v g₂, g_a schematisch verkürzt eingezeichnet, aber so, daß zu erkennen ist, daß' der Nebenstromweg um so länger ist, je größer die Spannungsdifferenz zwischen zwei durch ihn in Verbindung stehenden Elektrodenzellen ist. Analog sind in diesem Ausführungsbeispiel schematisch die Elektrolytrücklaufkanäle Z₁, f₂, /₃ usw. eingezeichnet "=■"■."

Die zweckmäßig aus sehr dünnem Blech hergestellten Elektroden müssen möglichst geschlossene Metailgefäße darstellen, damit z. B. der Strom von der Außenelektrode O₁. zur . Innenelektrode. b_k nicht übergehen kann, ohne ebensooft zu polarisieren, wie Elektroden dazwischengeschaltet sind. Dabei ist es nicht notwendig, daß die Elektroden mathematische Zylinder mit kreisförmigem Grundriß und

c-:: glatten Mantelflächen sind, vielmehr ist es in

go vielen Fällen vorteilhaft, wie Fig. 7 zeigt, den Elektrodengefäßen zur Vergrößerung der Elektrodenfläche zahlreiche Ausbuchtungen i zu geben, die beliebige Form haben können,

·;'.:. die z. B. halbkugelig oder länglich, scharfkantig oder abgerundet sein können. Diese Ausbuchtungen werden zweckmäßig so ausgebildet, daß sie das Diaphragma stützen bzw. in seiner Lage halten, zu welchem Zweck ; eine größere Anzahl von ihnen noch mit dünnen, zahlreich durchbrochenen Blechbändern oder Drahtgewebestreifen verbunden werden können. Derartige Blechbänder sind in geeigneter Anzahl kreisförmig oder schraubenförmig um die Elektrodenzylinder herumgelegf und sind vorteilhaft so gebogen oder . geformt, daß sie Glasblasen, die sich in der Nähe des Diaphragmas entwickeln oder befinden), von diesem wegleiten..

Statt der Ausbuchtungen können die Elektrodenzylinder auch durchgehende Falten be-■ sitzen, so daß sie, wie Fig. 3 zeigt, nicht kreisförmigen, sondern zahnradähnlichen Grundriß haben. Die Falten dieser riffelblech- oder wellblechförmigen Elektroden b₂, b_s usw. können mit den Diaphragmen ganz oder teilweise umschlossene Kanäle Zi₁ und h₂ bilden, die eine geordnete Strömung des aufsteigenden Gas- oder Elektrolytgemiscries gewährleisten, und zwar so, daß die Kanäle H₁ von dem einen Gas, z.B. Wasserstoff, benutzt werden, während die anderen, h₂, in dem Falle Sauerstoff führen. Es wird dadurch die Gefahr beseitigt, daß an Stelle zufällig geringerer Stromdichte eine Abwärtsströmung auftritt und sich so lokale Wirbelströmungen ausbilden, die durch Andrängen der Gas- ·. blasen an die Diaphragmen unter Umständen hohe Gasverunreinigungen zu verursachen vermögen.

Der gleiche Vorteil kann auch z. B., wie Fig. 4 zeigt, dadurch erreicht werden, daß man die bipolaren glatten Elektrodenzylinder b₂, 5₃, &₄ usw. mit zahlreich gelochten Wellblechen oder wellblechartig geformten Drahtgeweben d_u d₂ belegt, wodurch gleichzeitig noch eine außerordentlich starke Vergrößerung der wirksamen Elektrodenfläche erzielt wird.

• Führt man dagegen die aufgelegten Wellbleche nicht gelocht aus, so ergeben sich außer den obengenannten Kanälen H₁ und h₂ noch von diesen getrennte Kanäle k_t und k₂, in denen kein Gas entsteht und die daher vorteilhaft für den im Kreislauf abwärts strömenden Elektrolyt verwendet werden können.

Die Elektrodengefäße können nahtlos gezogen oder zusammengenietet werden bzw. gefalzt sein, sie können aber auch aus: ringförmigen schwadh konischen Stücken bestehen, die ineinandergesetzt sind. Um die gesamte Elektrodenkonstruktion einschließlich der wichtigen beiden Endstücke einheitlich faforikatorisch besonders einfach herstellen zu können, erweisen sich Elektrodenzylinder als vorteilhaft, die aus. einem oder mehreren. Blechbändernbestehen, welche, wie z. B, in der · schaubildlichen Fig. 6 dargestellt ist, schraubenförmig aufgewickelt bzw. gespult sind, derart, daß sie eine geschlossene Zylinderflache bilden. Es können eine oder mehrere Lagen gleich- oder gegenläufig gewickelt werden, wobei sich die Windungen auch teilweise

überlappen können. Die Bänder können-glatt oder gewellt oder mit Ausbuchtungen bzw.i Prägungen versehen sein, sie können auch, soweit.es sich um die gesamten Diaphragmenstützen und Elektrodenflächenvergrößerungen handelt, zahlreich gelocht sein oder aus Drahtgewebe bestehen. Als Elektrodenmaterial wird zweckmäßig Reinnickel verwendet, es kann aber auch Eisen oder vernickeltes Eisen benutzt werden.

Die Diaphragmen c bestehen aus nahtlos gewebten oder gepreßten Asbestzylindern, zweckmäßig werden aber auch sie bandförmig hergestellt und wie die Elektrodenfläche & in Fig. 6 schraubenförmig in einer oder mehreren Lagen direkt auf die Elektrodenkanten oder auf besonders dafür vorgesehene Stützen aufgewickelt bzw. gespult, derart, daß eine genügend dichte Diaphragmenfläche entsteht. Hiermit gewinnt man den Vorteil, daß die bei der Herstellung der Elektrodenkonstruktionbesonders in den Maßen der Durchmesser leicht auftretende Ungenauigkeiten durch Regulierung der Diaphragmen, Lagenzahl bzw. Diaphragmenstärke ausgeglichen werden können und so eine einwandfreie Trennung der Gase gewährleistet werden kann. In gleicher Weise wird man auch stromundurchlässige Isolierungen, wie sie z. B. an den Enden der Elektrodenkonstruktion vorgesehen sind, bandförmig und. schraubenförmig aufbringen, so daß' die Herstellung des gesamten Elektrodenkörpers systematisch nach derselben Methode erfolgen kann. In Fig. 5 ist gezeigt, wie sich das untere Ende der Elektrodenkonstruktion, das im Ausführungsbeispiel Fig. 1 aus gezogenen bzw. gepreßten Böden zusammengesetzt dargestellt ist, ebenfalls wickeln läßt, indem die

4.0 Elektroden- bzw. Einlagezylinder ebenfalls nach unten verengt werden und zwischen diesen analog zu den Gasabführungskanälen g hier Elektrolytrücklaufkanäle Jf₁, f₂, /₃ usw. eingelegt werden.

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   i. Hochdruckzersetzer, insbesondere zur elektrolytischen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus mehreren konzentrisch ineinander angeordneten, bipolar mit einem Spannungsgefälle der Serienschaltung senkrecht- zur Längsachse des Druckgefäßes arbeitenden· Metallgefäßen bestehen, die annähernd die gleiche Länge wie die des Druckgefäßes haben und keine oder nur geringe öffnungen besitzen, so daß ein Nebenstrom zwischen den äußeren und inneren Elektroden gar nicht oder nur in beschränktem Maße auftreten kann.
2. 2. Hochdrückzersetzer nach Anspruch 1

   . mit als bipolar arbeitenden Elektroden wirkenden, konzentrisch ineinander angeordneten Metallgefäßen, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden der Metallgefäße derartig gewölbt oder trichteraxtijg geformt sind, daß sich eventuell an ihnen ausbildende Gasblasen sich nicht ansammeln können, sondern nach oben abgeleitet werden. -
3. 3. Hochdruckzersetzer nach Anspruch ι oder Unteranspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der ineinander konzentrisch angeordneten Zylinder oder Gefäße an beiden oder einem der beiden Enden der Elektrodenkonstruktion mindestens um so viel vergrößert ist, daß· die sich dann an diesen vermehrten Elektrodenzylindern ausbildende Polarisationsspannung zu einer Gasabscheidung nicht mehr ausreicht.
4. 4. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 oder _y Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Gasabscheidung nicht beteiligten· Elektrodienzylinderenden bzw. -boden mit den dazwischenliegenden

   . Diaphragmen keine Zellen mehr bilden, sondern verengt oder erweitert jeweils fest an den Diaphragmen anliegen und mit diesen zusammen eine massive Isolierwand zwischen der zentralen Stromzuführung und dem zweckmäßig als zweite Stromzuführung dienenden Druckgefäß bilden.
5. 5. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den nicht gaserzeugenden Elektrodenzylinderenden Gasbzw. Elektrolytkanäle eingebettet sind.
6. 6. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 und Uhteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden halbkugelige oder längliche Ausbuchtungen haben, die einerseits das zwischen den Elektrodenzylindern befindliche Diaphragma stützen und andererseits zur Vergrößerung der wirksamen Elektrodenflächen beitragen.
7. 7. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die als zylindrische Metallgefäße ausgebildeten bipolaren Elektroden aus Riffel- oder Wellblech mit zweckmäßig scharfen Kanten bestehen, derart, daß das gefaltete Elektrodenblech mit dem Diaphragma zusammen eine Vielzahl senkrechter, ganz oder teilweise umschlossener Kanäle bildet.
8. 8. Hochdruckzersetzer nach Anspruch ϊ oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die als zylindrische Metallgefäße ausgebildeten bipolaren Elektroden

   aus zwei konzentrischen gelochten Riffeloder Wellblechzylindern oder ebenso geformten Drahtgeweben mit dazwischenliegenden glatten oder ebenfalls gefalteten Metallzylindern bestehen, derart, daß die durchbrochenen Zylinder sowohl zurElektrodennachenvergrößerung als auch zur Stützung der Diaphragmen dienen.
9. 9. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die als zylindrische Metallgefäße ausgebildeten bipolaren Elektroden aus zwei konzentrischen Riffel- oder Wellblechzylindern mit dazwischenliegenden glatten oder ebenfalls gefalteten Metallzylindern bestehen, derart, daß die Falten der äußeren und inneren Zylinder mit dien jeweils anliegenden Diaphragmen senkrechte Kanäle für das auf-

   ao steigende Gas-Elektrolyt-Gemischi bilden und mit den· Zwischenzylindern Kanäle für 'den abwärts strömenden Elektrolyt ergieben.
10. 10. Hochdruckzersetzer nach Anspruch i, oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die als zylindrische Metall- -gefäße ausgebildeten "bipolaren Elektroden aus einem oder mehreren dünnen Blechbändern bestehen, die auf einem Kern oder unter Zwischenlage eines Diaphragmas auf bereits vorhandene Elektrodenzylinder derart schraubenförmig in einer oder rhehreren Lagen gleich- oder gegenläufig mit oder ohne Überlappung aufgewickelt sind, daß sie wiederum eine zylindrische, zur Unterlage konzentrische Fläche ergeben.
11. 11. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Diaphragmen aus einem oder mehreren Bändern bestehen, die in einer oder mehreren Lagen gleich- oder gegenläufig auf die hierfür vorgesehenen Stützkanten oder Flächen der Elektroden derart schraubenförmig aufgespult sind, daß sie eine geschlossene, zylindrische Fläche ergeben.
12. 12. Hochdruckzersetzer nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Stromdurchführung hohl ist und einen oder mehrere Kanäle enthält, die für Gas-, Elektrolytoder auch Kühlwasserführung dienen können.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen