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Elektrolytische Zelle.
In einer elektrolytischen Zelle mit bipolar oder in Reihe geschalteten Elektroden wird die elektrische Leistung mit niedriger Stromstärke und hoher Spannung aufgenommen, während eine Zelle mit unipolar oder parallel geschalteten Elektroden die gleiche Leistung mit geringer Spannung und entsprechend hoher Stromstärke aufnimmt. Das bedeutet einen Vorteil für die bipolare Schaltung. Die Stromzuleitungen werden schwächer und darum billiger, und auch die elektrische Maschine wird billiger in Anschaffung und im Betrieb.
Man nutzt diesen Vorteil bei den bekannten Zellen, die nach dem Prinzip der Filterpresse gebaut
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der Dichtungen zwischen den Elektrodenplatten ; diese Bauart hat überdies den Mangel, dass zur Erneuerung eines gebrochenen Diaphragmas die Zelle auseinandergenommen werden muss. Diese Nachteile würden wegfallen, wenn man plattenförmige, wie bei der Parallelschaltung in einem Trog nebeneinander angeordnete Elektroden bipolar schalten könnte. Diese Anordnung ist schon vorgeschlagen worden, zu ihrer praktischen Anwendung ist es aber bisher noch nicht gekommen. Das entscheidende Hindernis liegt nicht darin, dass ein Teil des Stromes, der der einen Endelektrode zugeführt, von der
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Elektrolyse entzieht, denn dieser Stromverlust kann auf ein unschädliches Mass herabgedrückt werden.
Das Hindernis liegt vielmehr in der Schwierigkeit, für den Trog ein geeignetes Material zu finden. Der Trog darf den elektrischen Strom nicht leiten, und heisse Lauge-der übliche Elektrolyt, an den hier zunächst gedacht ist-darf ihn chemisch nicht angreifen. Der Baustoff des Troges muss billig sein ; Gummi, im besonderen Hartgummi, der einzige Stoff, der die beiden ersten Bedingungen wohl erfüllen könnte, ist zu teuer. Es wurde daher Zement als Baustoff gewählt.
Die vorliegende Erfindung soll einen Weg zur Überwindung dieses Hindernisses bieten und dadurch die praktische Anwendung der Trogzelle mit bipolargeschalteten Elektroden ermöglichen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in eine Masse, die bei Benetzung mit dem Elektrolyt den elektrischen Strom schwach leitet, chemisch gegen den Elektrolyt widerstandsfähig ist und an zwei Stellen von Metallteilen des Zellenstromkreises mit verschiedenen Potentialen berührt wird, wenigstens eine Metallschicht so einzubetten, dass sie in der Masse eine Zwischenelektrode zwischen den genannten Metallteilen des Zellenstromkreises bildet.
Diese Zwischenelektrode soll sich polarisieren, und die elektromotorische Kraft der Polarisation, die der aufgedruckten Spannung entgegenwirkt, soll den Strom durchgang durch die Masse verhindern oder wenigstens auf ein unschädliches Mass herabdrücken. Diese Wirkung tritt auch tatsächlich ein ; der Versuch mit der unten beschriebenen Zelle, deren Trog aus Zement mit eisernen Zwischenelektroden hergestellt ist, hat es erwiesen.
Auf der Zeichnung sind in den Fig. 1, 2 und 3 drei verschiedene Arten ihrer Ausführung veranschaulicht. Die Figuren zeigen einen Teil der Trogwand nebst Teilen einiger Elektroden und Diaphragmen im Schnitt. Die Fig. 4,5 und 6 zeigen eine vollständige Zelle mit einem Trog, der gemäss Fig. 3 ausgeführt ist, und mit einer ihm angepassten inneren Einrichtung. Fig. 4 ist ein Aufriss im Schnitt nach der Ebene V-W von Fig. 5. Fig. 5 ist ein Grundriss, gewisse innere Teile der Zelle sind durch Wegbrechen der darüberliegenden Teile freigelegt. Fig. 6 ist ein Seitenriss im Schnitt nach der Ebene X-Y von Fig. 4.
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In den Fig. 1-3 ist T die Trogwand, e1, e2, e3 sind Arbeitselektroden, , d2 Diaphragmen, in Metallrahmen h, r,. Die Elektroden und Diaphragmarahmen sind möglichst genau passend in Nuten t der
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Nuten t angeordnet, reichen mit ihren Stegen bis an die Aussenfläche t2 der Trogwand und bilden mit ihren Köpfen k3 bis les eine eiserne Bewehrung des grössten Teiles der Innenfläche it, die den nicht metallischen Teil (Zement) der Trogwand gegen den Angriff des Elektrolyts schützt und ihn nur in unmittelbarer Nähe der Nuten t unbedeckt lässt. Diese Bewehrung darf mit den Elektroden e"e"e, nicht in metallischer Berührung stehen.
Die Rahmen)'i, ra der Diaphragmen d1, d2 darf sie metallisch berühren, aber nur so, dass die Diaphragmarahmen keine metallische Verbindung zwischen den benachbarten Zwischenelektrodenköpfen herstellen. Beispielsweise darf also von den Köpfen k4 und 7c3 nur einer den Rahmen 1'1 des Diaphragmas c berühren.
Nach Fig. 3 sind als Zwischenelektroden in der Trogwand U-Eisen in zwei Reihen angeordnet. Die U-Eisen der inneren Reihe, z9 bis z14, liegen mit ihren Stegen ebenfalls an der Innenfläche t1 der Trogwand und bilden damit zugleich deren metallene Bewehrung. Die U-Eisen der äusseren Reihe, Zr5 bis Z19, liegen mit ihren Stegen an der Aussenfläche t2 der Trogwand. Die Schenkel der U-Eisen erstrecken sich in die Wand hinein, und jedes Eisen der einen Reihe reicht mit seinen Schenkeln in die Höhlungen von zwei Eisen der andern Reihe, so dass die Eisen kettengliederähnlich ineinandergreifen. Die Eisen stehen aber nirgends in metallischer Berührung miteinander ; alle Zwischenräume zwischen ihnen sind mit Zement ausgefüllt.
Zur Erklärung der Wirkungsweise der Zwischenelektroden sei angenommen : Das Potential falle zwischen den Arbeitselektroden von e1 nach e2 und von e. 2 nach es je um 2'4 Volt. Jede dieser Elektroden sei demnach auf der linken Seite Kathode, auf der rechten Seite Anode. Die Zersetzungsspannung, d. i. die Summe der EMKe der Polarisation an einer Anodenfläche und der gegenüberliegenden Kathodenfläche sei 1'7 Volt, so dass der Spannungsabfall im Elektrolyten zwischen benachbarten Arbeitselektroden 0-7 Volt beträgt. Diese Zahlen gelten für eiserne Elektroden in heisser Natronlauge bei einigen Zentimetern Elektrodenabstand und etwa 10 Ampere pro Quadratdezimeter Elektrodenfläche.
Wenn man die Anordnung nach Fig. 1 in dieser Weise unter Spannung setzt, so wird im ersten Augenblick vom unteren Rande der Elektrode er, der in die Nut der Trogwand eingreift, ein Strom durch die Trogwand zum unteren Rand der Elektrode e2 fliessen. Um diesen Strom durch die Trogwand zu treiben, steht aber nur eine EMK von 0-7 Volt zur Verfügung, weil die Polarisation der Arbeitselektroden schon 1-7 Volt von den 2'4 Volt der Elektrodenspannung aufzehrt. Der anfänglich durch die Trogwand fliessende Strom polarisiert nun aber auch die Zwischenelektrode z1 und die wachsende Gegen-EMK dieser Polarisation zehrt die aufgedruckte Spannung von 0-7 Volt nach und nach auf, so dass der Strom verschwindet.
Die Spannung zwischen den Elektroden er und e2 müsste auf mehr als das Doppelte der Zersetzungsspannung, also auf mehr als 3'4 Volt, gesteigert werden, wenn dauernd ein Strom durch die Trogwand sollte fliessen können. Analoges gilt für die Zwischenelektrode Z2 und für jede andere gemäss Fig. 1 angeordnete Zwischenelektrode.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind in der Wand zwei Zwischenelektroden hintereinander zwischen je zwei Arbeitselektroden angeordnet, beispielsweise die Zwischenelektroden -Z4 und Ss zwischen den Arbeitselektroden er und e2. Hier ist die Sicherheit gegen den Stromdurchgang durch die Wand noch erhöht ; denn es wäre mehr als die dreifache Zersetzungsspannung, nämlich 5-1 Volt, zwischen den
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Zugleich bietet diese Anordnung den Vorteil, dass der Zement der Trogwand dem Angriff des Elektrolyts weniger ausgesetzt ist wie bei der Anordnung nach Fig. 1.
Bei der Ausführung nach Fig. 3 sind drei parallel geschaltete Stromwege in der Trogwand denkbar.
Der erste geht von e über die Eisen o und der inneren Reihe nach Ez. Der zweite geht von e1 über die Eisen z15, z16, z17 nach e2, der dritte geht von e. in mäandrischen Windungen durch den Zement zwischen den U-Eisen nach 13z, Analoges gilt für jedes Paar von Arbeitselektroden.
Die beiden ersten Wege werden in der geschilderten Weise durch die EMKe der Polarisation gesperrt, aber auf dem dritten Wege kann ein Strom dauernd fliessen. Dieser Strom ist aber schwach und unschädlich, denn als treibende Kraft stehen nur 0-7 Volt zur Verfügung, die Strombahn ist lang und ihr Querschnitt ist klein.
Übrigens kann auch der dritte Stromweg noch gesperrt werden, wenn man zwischen je zwei benachbarte U-Eisen der äusseren Reihe noch ein Blech in die Trogwand einbettet, das von ihrer Aussenfläche bis zum Steg eines U-Eisens der inneren Reihe reicht. Beispielsweise müsste ein zwischen den äusseren U-Eisen zu und z17 eingebettetes Blech bis zum Steg des inneren U-Eisens Zi reichen.
Die Ausführung nach Fig. 3 bietet noch einen besonderen Vorteil, wenn Zement als Füllmaterial zwischen den U-Eisen verwendet wird. In den Zwischenräumen zwischen den Eisen erfährt der Zement,
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Die Gesamtzahl der Gassammelglocken ist bei dieser Zelle ebenso gross wie die Gesamtzahl der in die Trogwand eingebetteten U-Eisen der inneren Reihe zwischen den Endelektroden e4, es. Sind die Gassammelglocken aus Metall-sie konnten auch aus Isoliermaterial sein-, so bilden sie in dem Elektrolyt über den Gesimsen der Arbeitselektroden und Diaphragmen Zwischenelektroden zwischen den Endelektroden. Ihre Polarisations-EMKe verbindet n den Stromdurchgang durch die Schichten des Elektrolyts, die sich zwischen den Sammelglocken befinden. Der Strom kann im Bereich der
Glocken nur durch die Spalte zwischen den Glocken und den Seitenwänden des Troges hindurchfliessen und so für die Elektrolyse verlorengehen.
Man kann diesen Verlust aber ganz vermeiden, indem man die Glocken gegen die Seitenwände des Troges abdichtet. Dabei kann jede Glocke mit dem in die Trogwand eingebetteten U-Eisen der inneren Reihe, zwischen dessen Schenkeln sie liegt, in metallische Berührung gebracht werden, da diese Teile im Betrieb das gleiche Potential annehmen.
Auch dieser Aufbau der Gassammelvorriehtung der Zelle mit bipolar geschalteten Arbeitselektroden ist neuartig, und er bietet wichtige Vorteile. Für eine Zelle dieser Art ist eine vielzellige Glocke aus einem isolierenden keramischen Material, die unter dem Elektrolytspiegel auf den Arbeitselektroden und Diaphragmarahmen sitzt und für jede zwischen einer Arbeitselektrode und einem ihr benachbarten Diaphragma liegende Kammer der Zelle einen besonderen Sammelraum enthält, als Gassammelvorriehtung vorgeschlagen worden. Bei der praktischen Ausführung dieses Vorschlages stösst man aber auf Schwierigkeiten.
Die bekannten keramischen Materialien sind entweder in heisser Lauge, dem gebräuchlichen Elektrolyt für Zellen der hier fraglichen Art, chemisch nicht beständig oder sie saugen den Elektrolyt ein und verlieren dadurch ihr Isolations vermögen, mit der Folge, dass ein Strom quer durch-die über den Arbeitselektroden stehende Elektrolytmasse und die Scheidewände der vielzelligen Sammelgloeke hindurchfliesst und so für die Elektrolyse verlorengeht. Das Auftreten eines solchen Verluststromes wird durch den beschriebenen Aufbau der Gassammelvorrichtung aus einzelnen, mit Elektrolytschichten abwechselnden Metallglocken, die sich im Betriebe polarisieren, verhindert. Die Glocken können dabei aus Eisenblech bestehen, das billig, leicht zu verarbeiten und in heisser Lauge praktisch unbegrenzt haltbar ist.
Bei Zellen mit unipolargeschalteten Arbeitselektroden sind zwar Gassammelgloeken aus Metall, die in den Elektrolyt eintauchen und von den zugehörigen Arbeitselektroden isoliert sind, bekannt. Bei Zellen dieser Art dienen diese Metallglocken aber nur dem Zwecke des Sammelns der Gase ; der andere Zweck, dem sie hier dienstbar gemacht sind, nämlich die Unterdrückung eines Verluststromes in der Elektrolytmasse, spielt bei den Zellen mit unipolar geschalteten Arbeitselektroden keine Rolle, denn er ist an die bipolare Schaltung der Arbeitselektroden geknüpft.
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der Widerstand, d3n der Strom im Elektrolyt findet, vermindert.
Bei dieser Zelle haben alle Kammern, die je von einer Elektrodenplatte, einem Diaphragma, der Trogwand und einer Gassammelglocke gebildet werden, gleichen Rauminhalt. Für einen Versuch war einer der Elektroden einer solchen Zelle die in Fig. 4 bei e6 angegebene Auswölbung gegeben worden, um den Rauminhalt der Wasserstoffkammer H grösser zu machen wie den Rauminhalt der Sauerstoffkammer 0.
Dabei wurde nicht nur eine grössere Ausbeute an Wasserstoffgas, sondern auch eine grössere Reinheit des Sauerstoffgases in den Sal11melglocken der Kammern Hund 0 gefunden, Die schlechtere Wirkung bei gleichem Rauminhalt der beiden Kammern wird darauf zurückgeführt, dass infolge der Ungleichheit der Volumina von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, die sich als feine Bläschen dem Elektrolyt beimengen und dabei Mischungen von ungleicher Dichte ergeben, der Spiegel des Elektrolyts in der Kammer B'höher steigt wie in der Kammer 0, mit der Folge, dass der Elektrolyt durch die Fugen zwischen den Gassammelglocken und dem Gesimse, auf dem sie ruhen, aus der Kammer H in die Kammer 0 überströmt.
Die Wasserstoffkammern sollen einen ungefähr doppelt so grossen Rauminhalt haben wie die Sauerstoffkammern. Man kann dies mit Elektroden erreichen, die wie die Elektrode eG in Fig. 4 seitlich ausgewölbt sind. Man kann auch die Diaphragmen aus den Mittelebenen der Nuten, in die ihre Rahmen eingeschoben sind, seitlich herausrücken, indem man ihre Rahmen aus Z-Eisen herstellt. Endlich kann man auch die Elektrodenplatten und die Diaphragmen mit ihren Rahmen so ausführen, wie bei der beschriebenen Zelle, aber die Nutenteilung der Tiogwand so ändern, dass der Abstand zwischen Elektrodenplatte und Diaphragma auf der Wasserstoffseite grösser ist wie auf der Sauerstoffseite.
Man wird dann für die innere Reihe und für die äussere Reihe der U-Eisen in der Trogwand zwei verschiedene Profile verwenden.
Die zum Aufbau der Trogwand verwendeten Profile brauchen nicht notwendig gewalzt zu sein. Sie können auch aus Blechstreifen gebogen werden, im besonderen für kleinere Tröge, Für grosse Tröge, beispielsweise solche, die zur Aufnahme von Elektroden mit Normalblechgrösse bestimmt sind, empfiehlt sich aber die Verwendung von gewalzten Profilen, um dem Trog die nötige Festigkeit zu verleihen und besondere Stützkonstruktionen für den Boden und die Seitenwände entbehrlich zu machen.
Es muss noch bemerkt werden, dass der beschriebene Trog, wenn er auch zunächst für eine Zelle mit bipolar geschalteten Elektroden geschaffen worden ist, sich doch für eine Zelle mit unipolar geschal-
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neten Zelle liegenden Arbeitselektroden müssten Stromzuleitungen erhalten, die etwa an den Nuten in den Seitenwänden des Troges herausgeführt werden könnten. Die beiden auf derselben Arbeitselektrode aufruhenden Gassammelgloeken könnten in eine vereinigt werden. Der Anschluss der Glocken an die Sammelleitungen wäre entsprechend zu ändern.
Als nicht metallischer Bestandteil der Trogwand ist bisher Portlandzement vorausgesetzt worden.
Es ist aber klar, dass irgendein anderer schlechtleitender oder nichtleitender Stoff, der gegen den Elektrolyt genügend widerstandsfähig ist, bei der Verarbeitung die nötige Bildsamkeit hat und sich mit Metall, im besonderen mit Eisen, fest verbindet, an Stelle des Portlandzementes Verwendung finden könnte.
"Zement" ist hier als Sammelnamen für alle diese Stoffe gebraucht. Es würde auch möglich sein, in den Zement Füllstücke, beispielsweise aus Kalkkiesen, einzubetten, um dadurch den Trog zu verbilligen
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrolytische Zelle mit einem Trog aus Zement, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trogwand zwischen Gebieten, die von benachbarten Arbeitselektroden berührt werden, wenigstens eine Metallschicht als Zwischenelektrode zwischen den Arbeitselektroden eingebettet ist.