Verfahren zur Elektrolyse von Wasser. Es ist bekannt, dass beim Auflösen ge wisser Säuren und Basen in Wasser die ent stehende Lösung Leitfähigkeit für Elektrizi tät besitzt, und da.ss diese Lösung infolge Durchleitens von elektrischen Strömen in ein und derselben Richtung chemisch zersetzt wird. Solche Lösungen werden Elektrolyte genannt und der Zersetzungsvorgang Elek trolyse.
Es ist auch bekannt, dass die Bestandteile der Lösung in Radikale gespalten werden, welche bei der Elektrolyse nach den Anoden bezw. den Kathoden wandern und welche vorausgesetzt, dass sie sich mit dem Wasser nicht verbinden, frei werden, und dass bei \ der Zersetzung gewisser Elektrolyte Wasser stoff am negativen Pol und Sauerstoff am positiven Pol durch den Strom erzeugt wird.
Ferner ist es bekannt, Zellen zur Elek trolyse von Wasser herzustellen, welche eine Mehrzahl von Anoden und Kathoden auf weisen, die abwechseln und unter sich paral lel geschaltet sind, wobei poröse Diaphrag- men, die bei der Elektrolyse an der Anode und Kathode entstehenden Stoffe voneinan der trennen und die Zelle in eine entspre chende Anzahl von Anoden- und Kathoden kammern unterteilen.
Diese Zellenart kann als Mehrkammerzelle mit monopolaren Elek troden bezeichnet werden, zum Unterschied von dem Filterpressen- oder Bipolartypus. Weiter ist es bekannt, dass bei der Zersetzung des Elektrolyten während der Elektrolyse die positiven Radikale sich an der Kathode ansammeln und die negativen an der Anode, sofern - sie bei der Entladung nicht aus der Lösung entweichen, und dass die Ansamm lung die Folge der Ionenwanderung der Radikale unter dem Einfluss des elektrischen Stromes ist,
wobei durch die Ionenwande- rung nach den Kathoden dem Elektrolyten bei der Anode die positiven Radikale ent zogen werden und dieselben sich in dem Elektrolyten bei der Kathode ansammeln. Gleichfalls erfolgt durch die Wanderung der negativen Radikale nach den Anoden eine Verarmung an solchen negativen Radikalen im Elektrolyten bei der Kathode und eine Anreicherung dieser Radikale in dem Elek trolyten bei der Anode, sofern sie bei der Entladung in der Lösung verbleiben.
Da durch wird in beiden Fällen eine ungleiche Konzentration der vorhandenen Ionen in der Zelle als Gesamtheit entstehen, welche nur teilweise aber nicht völlig durch die RüGk- wärtsdiffusion des Elektrolyten durch die Diaphragmen ausgeglichen wird, wobei, bei Abwesenheit einer Rückwärtsdiffusion als bald bei der Elektrolyse eines basischen Elektrolyten reines Wasser an den Anoden vorhanden sein würde und bei einem sauren Elektrolyten würde an den Kathoden als bald reines Wasser vorhanden sein, was be deutet, da.B es nur zufolge dieses teilweisen Ausgleiches durch diese Rückwärtsdiffusion möglich ist,
die Elektrolyse aufrecht zu er halten und woraus erhellt, dass bei dieser be stehenden Ansammlung von Radikalen an den Elektroden die Elektrolyse nur unter Schmälerung des Wirkungsgrades und Ver mehrung der Kosten vor sich geht.
Ausserdem ist ebenfalls bekannt, dass das Freiwerden von Gasen an den Elektroden das Heben des Elektrolyten über die Ober fläche der Elektroden zur Folge haben kann, wenn entsprechende Leitungen zum Ableiten des Elektrolyten aus dem obern Teil der Zelle vorgesehen sind und zum Wiederein- leiten desselben auf den Boden der Zelle nach der Entnahme der Gase.
Bei dem Filter pressentypus wird diese Massnahme ange wandt und es ist allgemein üblich, bei Filter- pressbatterien den Elektrolyten an der Anode und Kathode aus dem Oberteil jeder Zelle der Batterie durch zwei Leitungen abzulei ten, von denen die eine allen Anodenkam mern gemeinsam ist und die andere allen Kathodenkammern der Zelle, so dass der Elektrolyt aus allen Zellen in einen Apparat ausserhalb der Zellen zur Trennung der Gase und zum Wiedermischen der Elektrolyten aus den Anoden- und Kathodenkammern ge leitet wird,
wonach der neu gemischte Elek trolyt durch eine gemeinsame Leitung den verschiedenen Zellen wieder zugeführt wird., wobei in diesem Zirkulationssystem in den gemeinsamen Leitungen Nebenströmungen entstehen, die Wasserstoff in die Sauerstoff leitungen und Sauerstoff in die Wasserstoff leitungen einführen, so dass an den Ent nahmestellen verunreinigte Gase austreten.
Im ferneren ist es bekannt, dass bis dahin beim Betrieb der Mehrkammerzelle mit monopolaren Elektroden keine Vorsorge für eine besondere Zirkulation des Elektrolyten innerhalb der Zellen selbst getroffen worden ist.
Bei dem Verfahren zur Elektrolyse von Wasser mittelst einer Mehrkammerzelle mit monopolaren Elektroden gemäss der Erfin dung, wird dieser Mangel dadurch behoben, da & man eine Zirkulation des Elektrolyten in der Zelle während dessen Zersetzung in der Weise erzeugt, dass man den Elektroly ten am obern Ende der Elektrodenkammern der einen Polarität sammelt, in der Zelle nach unten leitet und ihn dann mindestens zum Teil den<B>DA</B> lektrodenkammern der an dern Polarität zuführt.
Um den am obern Ende der Elektroden kammern der einen Polarität gesammelten Elektrolyten den Elektrodenkammern der andern Polarität zuzuführen, kann der am obern Ende der Elektrodenkammern der einen Polarität gesammelte Elektrolyt direkt den untern Enden der Elektrodenkammern der andern Polarität oder dem Boden der Zelle zugeführt werden.
Bei den beiden soeben genannten Verfah rensweisen kann die Zirkulationsgeschwin- digkeit des Elektrolyten reguliert werden.
Im folgenden sind zwei beispielsweise Ausführungsarten des Verfahrens gemäss der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeich nung beschrieben, in welcher Fig. 1 einen Vertikalschnitt einer Was serstoffsauerstoffzelle nach Linie I3-B der Fig. 2 zeigt, worin eine bevorzugte Anord nung der Elektroden angewendet ist, Fig. 2 ein Vertikalschnitt nach Linie A-A der Fig. 1 ist,
und die Fig. 3 und 4 den Fig. 1 und 2 ähnliche Figuren einer abgeänderten Form der Zelle mit weggelassenen Elektroden sind, Die Zelle weist eine Wanne mit einer Mehrzahl von Elektroden .1-5 auf, welche abwechselnd als Anoden und Kathoden dienen und zwischen welche poröse Dia phragmen D zum Trennen des bei der Zer setzung des Elektrolyten frei werdenden Sauerstoffes und Wasserstoffes eingesetzt sind.
Es kann eine beliebige Anzahl Elek troden verwendet werden und die allgemeine Konstruktion und der Zusammenbau der Elektroden mit den zwischengelegten Dia- phragmen, wie dies nachstehend beschrieben und in der Zeichnung dargestellt ist, ist ähn lich, wie dies für die Elektroden gemäss der Patentschrift Nr. 1215"09 der Fall ist, jedoch können beliebige Elektroden und Diaphrag- men, die sich für Sauerstoffwasserstoffzellen eignen, verwendet werden.
Jede Elektrode weist einen elektrischen Anschluss und eine Gruppe von dünnen, schmalen Streifen auf, die vertikal in an nähernd parallelen Ebenen angeordnet sind und jeder von dem andern getrennt ist und alle gemeinsam mit dem elektrischen An schluss, verbunden sind. Die Anschlüsse 16 der in ungerader Anzahl vorhandenen Elek troden sind an den negativen Pol der Strom quelle angeschlossen, so dass alle diese Elek troden Kathoden sind. Die Anschlüsse 17 der in gerader Anzahl vorhandenen Elektro den sind an den positiven Pol der Strom quelle angeschlossen und sind somit Anoden.
Die Anschlüsse 16 und 17 sind oberhalb der Streifen angeordnet, sie könnten aber auch unterhalb der Streifen an einer Stelle ange ordnet ein, welche ihre vertikalen Agen ein schliesst. In der zusammengebauten Zelle sind die Anoden zwischen den Kathoden an geordnet.
Die streifenförmigen Elektroden sind Kante an gante gereiht, wobei die Oberflächen der Elektroden in der gleichen Richtung verlaufen, wie der Strom die Zwi schenräume oder Spalten für den Elektroly ten zwischen den Anoden und Kathoden durchläuft-und es hat jeder Spalt ungefähr die. .gleiche Breite wie die Dicke der Dia phiagmen beträgt.
Oberhalb jeder Kathode, dieselben über deckend, ist eine U-förmige Deckplatte 20 angeordnet und mit dem Umfang der CTe- samtheit der Deckplatten sind vier Schürzen oder Seitenplatten 22 verbunden, die dazu dienen, die Deckplatten an dem Deckel 22a der Zelle aufzuhängen. Die Seitenplatten 22 bilden zusammen mit der Gesamtheit der Deckplatten 20 ein Kopfstück 22c oberhalb der Elektroden. Zwischen den Deckplatten 20 befinden sich Öffnungen 22b, die sich je weils über den Anoden befinden, um dem Elektrolyten der Anoden und den an der Anode-sich bildenden Stoffen die Zirkulation in das Kopfstück zu ermöglichen.
Jede Anode ist von einem Diaphragma D um geben, welches röhrenartig und oben und un ten offen ist und sich von den Deckplatten 20 über die Unterseite der Elektroden hin aus erstreckt, um die an den Anoden und Kathoden sich bei der Elektrolyse bilden den Stoffe voneinander zu trennen. Jedes Diaphragnia ist mit den durchgehenden Sei ten zweier benachbarter Deckplatten 20 ver bunden und es entspricht die Dicke der Dia phragmen der Weite der Spalten für den Elektrolyten zwischen den Anoden und Ka thoden.
Die Diaphragmen trennen die Zelle in eine Mehrzahl von abwechselnd angeord neten Anoden- und Kathodenkammern A und C und führen in Verbindung mit den U-förmigen Deckplatten eine Trennung der Elektrolyten der Anoden und Kathoden und der sich an denselben bildenden Stoffe in den entsprechenden Kammern herbei.
Die Weite jedes ,Spaltes für den Elektrolyteg, indem sie annähernd der Dicke der Diaphragmen ent spricht, gestattet, dass die Kanten der Ano den und Kathoden der zusammengebauten Zelle die Diaphragmen ganz oder doch an nähernd berühren.
Der von dem positiven Pol herkommende Strom verteilt sich gleich mässig auf alle Anoden und fliesst von den Kanten jedes zwischenliegenden Anoden- streifens nach aussen und über den Spalt für den Elektrolyten nach den Kanten des ent sprechenden zwischenliegenden Kathoden streifens, von wo er nach einwärts fliesst. Bei dieser Anordnung hat jeder Streifen jeder Elektrode zwei aktive Kanten, welche Reak tionsflächen bilden, wobei Ströme gleicher Stärke in entgegengesetzter Richtung von den Kanten jeder zwischenliegenden Elek trode ausgehen, so dass gleiche Gasmengen an jeder Kante jeder zwischenliegenden Elek trode erzeugt werden.
Die maximale Strom dichte findet sich an den Kanten und die minimale zwischen den Kanten und die Stelle wechselnder Dichte bildet einen Kanal zwischen den Kanten jedes Streifens, der dem Elektrolyten und den Gasmeinen un gehinderten und raschen Aufstieg gewährt und die Bildung gefangener und an den Elektroden und Diaphragmen haftender Gas blasen auf einen vernachlässigbaren Betrag vermindert und auch Polarisation der Zellen verhindert.
Der ,Sauerstoff und der Elektrolyt von den Anoden steigen in den obern Teil der Anodenkammern auf und treten durch die Öffnungen 22u in das von den Deckplatten und Seitenplatten 22 gebildete Kopfstück 22e ein und es wird der Elektrolyt der Anoden und der Sauerstoff von dem Elektrolyt der Kathoden und dem Wasserstoff durch diese Deck- und Seitenplatten voneinander ge trennt. Die Deckplatten 20 erstrecken sich in der Längsrichtung .der Zelle und über die Enden des Kopfstückes 2.2e hinaus.
Der Elektrolyt der Kathoden füllt die Kathoden kammern und den obern Teil der Zelle ausser halb des Kopfstückes bis auf eine Distanz von einigen Zentimetern vom Zellendeckel.
Die sich an der Kathode bildenden Stoffe steigen in den Kathodenkammern nach oben zu den Deckplatten und werden durch diese dem obern Teil der Zelle ausserhalb des Kopfstückes zugeführt, von wo sie der Wasserstoffentnahme 23 zuströmen. Der Elektrolyt der Kathoden zirkuliert nach oben durch die Kathodenkammern gegen die Deckplatten von denen er nach den Seiten der Zelle abgelenkt wird, von wo er nach unten dem Boden zufliesst, während der Wasserstoff ausgeschieden wird und sich unter dem Deckel ansammelt. In dem Boden des Kopfstückes befindet sich eine Öffnung 24, die von einem Flansch 25 umschlossen ist, von dem eine Asbeströhre 26 auf den Boden der Zelle herabhängt.
Der Elektro lyt der Anode füllt die Anodenkammern und das Kopfstück bis auf einen Abstand von einigen Zentimetern von dem Deckel der Zelle und fliesst aus dem Kopfstück durch die Röhre 26 nach unten und mischt sich dann mit dem Elektrolyten unterhalb der Anoden- und Kathodenkammern. Zur Rege lung der Zirkulation des Elektrolyten kann die Öffnung des Kopfstückes mit einem Ven til oder einem Drosselorgan 30 versehen sein, das eine oder mehrere Stangen<B>31</B> aufweist, die über den Deckel der Zelle hinausragen und mit einer oder mehreren Verstellmuttern 32 zur Einstellung der Stangen ausgerüstet sind. Bei völligem Schliessen des Ventils oder Drosselorganes kann die Zirkulation des Elektrolyten der Anoden unterbunden werden.
Bei vollständigem Öffnen entsteht eine sehr rasche Zirkulation, und es kann die Geschwindigkeit der Zirkulation zwi schen diesen beiden Extremen durch Einstel lung des Ventils oder Drosselorganes ge regelt werden.
Bei dem Betrieb der Zelle fliesst der Strom von den Anschlüssen 1,7 nach den Anoden, aktiviert die Kanten der Streifen dieser Elektroden und erzeugt freien Sauer stoff, der in den Anodenkammern aufsteigt und in das Kopfstück übertritt, aus welchem er durch die Sauerstoffentnahme 27 ent weicht. Der Strom fliesst von den Kanten der Anodenstreifen auswärts nach den Kan ten der Kathodenstreifen, von wo er dann einwärts dem Anschluss 16 zuströmt. Der in den Kathodenkammern erzeugte Wasserstoff zieht nach oben gegen die Deckplatten ab und wird von diesen den Seiten der Zelle zu abgelenkt, von wo er .durch die Wasserstoff entnahme 23 entweicht.
Gemäss den Fig. 3 und 4 wird zwang läufig eine Zirkulation des Elektrolyten durch Verbinden der Röhre 26 mit dem Sammelraum 50 erzielt und durch Verbin den dieses Raumes mit dem Boden -jeder Kathodenkammer durch eine Röhre 51, so dass der in dem Rohr 26 herabsinkende Elek trolyt der Anoden, der dann den Raum 50 durchfliesst, gezwungen ist, in die Kathoden kammern C einzutreten. Die obern Enden der Kathodenkammern C sind durch Röhren 52 mit einem Rohr 53 verbunden, das eine Wasserstoffentnahme 54 besitzt.
Der Boden des Rohres 53 ist mit einem Sammelraum 55 verbunden, der seinerseits durch Röhren 56 mit den Anodenkammern A in Verbindung steht, so dass der Elektrolyt der Kathoden gezwungen ist, in die Anodenkammern ein zutreten. Zur Regelung der Geschwindig keit der Zirkulation durch die Röhren 52 dient ein Ventil oder ein Drosselorgan 57, das ähnlich dem Organ 30 ist. Beim Schlie ssen der Drosselorgane und daraus entstehen der Unterbrechung der Zirkulation, steigt die Spannung der Zelle sogleich an, wodurch der Wirkungsgrad der Zelle sinkt.
Beim -Öffnen der Drosselorgane stellt sich die Zirkulation wieder ein, die Spannung fällt wieder auf den normalen Stand und der Wirkungsgrad der Zelle wird wieder voll hergestellt.