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Druckgefässsystem fiir elektrolytische Prozesse, insbesondere für die Erzeugung von
Wasserstoff und Sauerstoff.
Gegenstand der Erfindung ist ein Druckgefässsystem für elektrolytische Prozesse, insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff. Druckgefässe für elektrolytische Prozesse mit paarweise angeordneten Elektroden und mit oder ohne besondere Seheidewände sind bekannt. Diese Gefässe sind für das atmosphärische Volumen der aufsteigenden Gase berechnet. Die vorliegende Erfindung verwendet lediglich so geringe Querschnitte für die Räume, in denen z. B. im Elektrolyten die Gase aufsteigen, wie sie sich aus der Kompression der Gase bei dem normalen hohen Betriebsdruck oder allenfalls bei einem Im Betriebe vorkommenden hohen Teildruck ergeben. Immer sind sie geringer, als dem Gasvolumen bei atmosphärischem Druck entspricht.
Dadurch werden die Durchmesser und damit die Wandstärken der Druckgefässe, d. h. ihre Grösse und ihr Gewicht ausserordentlich verkleinert, was bei Anlagen für hohen Druck von grosser Bedeutung ist. Zudem bedeuten die durch die Verkleinerung der Dingensionen bedingten Verkürzungen der Elektrolytwege erhöhten Nutzeffekt. Die weiter unten an Hand der Figuren beschriebenen Anordnungen dienen denselben Zwecken.
Im Sinne der Erfindung wird unter Trennungswand jeder Trennungskörper verstanden, welcher in einem beliebigen Teil des Zersetzersystems die Produkte der Elektrolyse, z. B. Wasserstoff und Sauerstoff, trennt.
Besonders eignet sich die Erfindung für Serienschaltung innerhalb eines Zersetzers oder der zu einem Zersetzersystem gehörigen Zellen, wodurch die Vorteile z. B. einer normalen Gleiehstromspannung voll ausgenutzt werden können.
Ein weiterer Ausbau der Erfindung, der zur Erhöhung des Nutzeffektes und zur Verringerung der Dimensionen in ähnlichem Sinne beiträgt, besteht darin, dass die gegenpoligen Elektroden so geformt und so angeordnet sind, z. B. 1llittels V orsprii'ngen und Aussparungen, dass der Auftrieb des Elektrolyten die Vereinigung der Gase verhindert, wenn keine Scheidewand zwischen den Elektroden vorhanden ist oder der Trennungskörper gar nicht oder nur teilweise zwischen die Elektroden hineinragt. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung, wenn die Entfernung zwischen gegenpoligen Elektroden unten grösser ist als oben, oder die Entfernung der nächstliegenden Teile gegenpoliger Elektroden unten grösser ist als oben.
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Flüssigkeit, z. B.
Wasser, in diese Ausgleichsleitung hinein erfolgt und diese einen so geringen Querschnitt besitzt, dass die Strömungsgeschwindigkeit des geförderten Wassers der Geschwindigkeit des Eindringens der Gase in das Wasser mindestens gleichkommt oder sie übertrifft. Dabei kann die Speisung bei Niederdruckperioden erfolgen. Während der Zeit der Speisung ist die Ausgleichsleitung nicht abgesperrt. Weitere Verbesserungen liegen in Verbindungsräumen oder-Leitungen, welche zwischen den reinen Elektrolytund Elektrodenräumen Ansehlussleitungen an Teile der Elektrodenräume besitzen, von denen überschüs- sige Gase abströmen.
Wesentlich sind Rückstromwege für den durch Erwärmung oder durch Pumpen oder auf andere beliebige Weise in Zirkulation gesetzten Elektrolyten, insbesondere, wenn der zu einer Elektrodenpolarität gehörige Elektrolyt von dem Zirkulationssystem das Elektrolyten, das die gegenpoligen Elektroden berührt, getrennt ist.
Vorteilhaft sind solche Gefässe, welche mehrere vollständige Elektrodenzellen enthalten oder mit verschiedenen Elektrodenzellen verbunden sind, wobei die Verbesserung besonders wesentlich wird, wenn die Längsdimension der Zellen bedeutend grösser, mindestens das Fünf-bis Zehnfache, bis hinauf zum Dreissigfachen einer oder (besser noch) beider Querdimensionen ist und die Scheidewände in der Längsrichtung der Zellen angeordnet sind. Die Einzelzellen können z. B. rohr-oder trogförmig sein, beliebige
Querschnittsgestaltung haben und an gewissen Stellen offen sein oder Öffnungen enthalten, wobei ebenfalls eine konzentrische Anordnung der Zellen möglich ist. Eine besondere Anwendung der Erfindung besteht in der Verwendung von zusätzlichen Elektrolyträumen in den Elektrodengefässen selbst.
Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass die Elektrolyt-und Gasräume aus hochdruckfesten Röhren von z. B. zylindrischer Form gebildet werden, welche die Struktur eines Gebäudes oder eines Teiles desselben, z. B. eines Turmes, bilden. So ergibt sich z. B. eine Apparatur für Energieakkumulierung an Ort und Stelle, d. h. ohne Gasdruckflaschenversand, insbesondere in Verbindung mit sekundären, an Ort und Stelle befindlichen, z. B. von den Gasen angetriebenen Wärmekraftmaschinen beliebiger Art (Kesselfeuerungen, Gasmotoren u. dgl.).
Eine besondere Rolle spielt bei der Erfindung der oder die Trennungskörper, namentlich wenn sie als Scheidewand zwischen Elektroden verwendet werden. Als Scheidewände werden Körper mit Verbindungswegen für den Elektrolyten verwendet, die entweder kapillare oder semikapillare Dimension haben. Im Falle der semikapillaren Querschnittsdnension muss die Längsdimension des lonenweges und der Scheidewand das Mehrfache der kapillaren Dimension sein. Im Sinne der Erfindung bedeutet kapillare Dimension"eine solche, bei der eine Kapillarwirkung stattfindet. Z. B. ist der Abstand zweier Platten ein kapillarer, wenn der Elektrolyt zwischen ihnen haftet.
Eine semikapillare Dimension ist grösser, so dass eine Kapillarwirkung nicht voll eintreten könnte, aber immerhin noch so gering, dass die Adhäsionswirkung dem Durchgang des Elektrolyten einen beträchtlichen Widerstand entgegensetzt.
Eine Verbesserung tritt ein, wenn die Zwischenwände so angeordnet sind, dass sie den durch Druckdifferenzen zwischen zwei Gasen bedingten Volumenänderungen in z. B. benachbarte Elektrolytteilräume ausweichen können, dass sie beispielsweise beweglich verschiebbar oder schwingend ausgeführt sind oder bewegliche Teile enthalten, insbesondere, dass sie ganz oder teilweise elastisch sind oder elastisch befestigt sind.
Es können auch z. B. in die Scheidewand Kolben oder Membranen oder andere Vorrichtungen eingesetzt werden, welche diesem Druckausgleich dienen, u. zw. entweder unmittelbar, indem die Volumen- änderung selbst durch Bewegung des Kolbens usw. bewirkt wird, oder auch allein oder zusätzlich dazu, indem die Kolben, Membranen usw. einen mechanischen, elektrischen usw. Regulier-oder Gasabsperrmechanismus betätigen.
Besondere Formen solcher Scheidewände sind Asbestschnüre, die z. B. auf mit Vorsprüngen versehenen, z. B. sternförmigen Elektroden etwa rohrförmig aufgewickelt sein können. Oder es können Schichtungen sehr dünnen Materials in sehr geringen Abständen sein, ebenso wie die Elektroden aus ziemlich nah aneinanderliegenden Schichtungen bestehen können, wobei jeweils zweckmässig die Elektroden unten eine grössere Entfernung voneinander haben als oben.
Fig. 1 und 2 zeigen ein elektrolytisches Drucksystem gemäss der Erfindung, wobei 1-8 die einzelnen Zellen, 9 und 10 die Elektroden, 11 die Scheidewand, 12 und 13 die Zuführung zu den Elektroden darstellen.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Form mit Gefässwand a, Elektroden b, bl und c, c, sowie einer Scheidewand d, dol, welche sich der Kontur der Elektrode anpasst.
Das Anpassen einer Scheidewand an die Kontur der Elektroden kann auch so geschehen, dass sie auf eine sternförmige Elektrode oder eine ringförmige Elektrode mit Vorsprüngen, wie Fig. 3 zeigt, aufgewickelt sein kann, während die umschliessende Elektrode ringförmig ist, so dass die Scheidewand eine Kontur annimmt, welche bei ungefährer Anpassung an die Konturen der beiden Elektroden dennoch von deren Kontur abweicht. Es kann auch z. B. die äussere Ringelektrode mit nach innen gerichteten Vorsprüngen versehen sein, welche z. B. die Elektrodenwand etwas eindrücken können.
Fig. 4,5 und 6 sind Längsschnitte von Gefässen mit nur rudimentären Trennkörpern. Die Wände sind a, die Elektroden und ihre Vorsprünge b, bl, e, cl, die Trennungswände d. Diese Figuren zeigen die
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gegenpoligen Elektroden besonders klar, da sie oben einen grösseren Abstand voneinarder haben als unten.
In Fig. 6 ist dazu noch ein elektrolytischer Teil der Scheidewand gezeigt.
Fig. 7 und 8 zeigen ähnliche Gefässe mit Wandungen a, stufenförmigen, ringförmigen usw. Elektroden b und e und der Scheidewand d.
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die gezeichneten gesonderten Vorsprünge weit in das Gefäss hineinragen. e ist die Scheidewand, an der Befestigungsstelle sind die Gefässteile gleichzeitig voneinander getrennt. e1 und e2 sind v-förmige Ablenker des Gases.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt, Fig. 12 eine Ansicht, Fig. 13 einen Längsschnitt eines elektrolytischen Drucksystems, das aus einer Reihe von Zellen besteht, deren Elektrolytraum durch die Anordnung gemeinsam wird.. Es ist besonders geeignet für Hintereinanderschaltung der Elektrodenpaare. a stellt die Gefässwandungen dar, b und e die Elektroden, f eine Form der Verbindung hohen Widerstandes, hier in Gestalt eines Rohres, zwischen benachbarten Zellen.
Fig. 14 zeigt eine ähnliche Anordnung mit einem die Gase trennenden Behälter a3, dessen Trennungwand d und Elektroden bund c.
Fig 15 zeigt Gefässe von hohem Druck mit einer Gefässwand a, Elektroden bund c, Scheidewand (1.
Fig. 16 zeigt ein Gefäss, dessen Deckel gegen den von innen auf ihm lastenden Druck durch den Anker c verstärkt ist. Die Gefässwandung ist a, die Elektroden bund c, der Deekel a4 und der Boden a5.
Fig. 17 und 18 stellen ein horizontal liegendes Gefäss dar mit Wandung a, Elektroden b und bi, Seheidewand d und Zwischenwänden h.
Fig. 19 zeigt ein Gefäss, dessen rechtsliegender Teil, wie durch die Doppellinie angedeutet, gegen den Elektrolyten isoliert ist. h sind die ineinandergreifenden Elektroden, hl ein Gestänge, um die Entfernung der Elektroden voneinander zu verändern oder sie sonst in bezug auf Spannung zu regulieren.
Fig. 20 zeigt ein Gefäss mit Gefässwand s,'Elektroden b und c und Scheidewand d, welche sich den Konturen der Elektroden anpasst.
Fig. 21 und 22 zeigen ein Seriengefäss mit Gasbehältern x und y und je einer einzigen Verbindungsleitung v und w nach den Elektrodenzellen, die zusammen einen langen Elektrolytraum bilden. Diese Anordnung eignet sich ebenfalls für Hintereinanderschaltung der Zellen oder vereinigte Hintereinanderund Parallelschaltung. Die Elektroden sind b und c, die Scheidewände dz die Verbindungsleitung hohen Widerstandes zwischen den Zellen t, s und u.
In den Fig. 23-34 ist 21 der Körper des z. B. rohrförmig ausgestalteten Gefässes.
Die Scheidewand 22 ist bei den Ausführungsformen nach Fig. 23 und 24 völlig aus undurchlässigem Stoff gebildet und lässt am unteren Ende einen Durchgang 24 frei, der zweckmässig kapillar, bei der Ausführungsformnach Fig. 25 semikapillar oder noch kleiner, etwa 0#1 mm, sein kann. Die Scheidewand 22 ist bei der Ausführungsform nach Fig. 23 dick und unten am Durchgang 24 zugeschärft oder nach Fig. 24 so dünn, dass sie keiner Zuschärfung bedarf und federnd oder nach Fig. 25 ohne Zuschärfung am unteren Ende.
Fig. 26 und 28 zeigen zusammengesetzte Scheidewände. Nach Fig. 26 und 27 besteht die Scheidewand zum Teil aus undurchlässigem. Material 23 und zum Teil aus durchlässigem Material 26, hier aus mehreren übereinandergelegten Asbestschnüre, die durch Nasen 27 der festen Wand gehalten werden.
Fig. 28 zeigt eine Scheidewand, die aus einer durchlässigen Grundmasse 28 und einem beiderseits angebrachten Gitter 29 besteht, das als Elektrode dienen kann.
Ein ähnliches Gebilde ist nach Fig. 29 an einer kurzen, festen Wand 25 befestigt, zu der es sich bei Druckunterschieden gegen die Wirkung von Federn 30 verstellen kann.
Fig. 30, 31 und 32 geben Beispiele für"gewellte"Durchgänge 24, u. zw. ist in Fig. 30 der Durchgang zwischen zwei gewellten Platten 31 und 32 ausgebildet, von denen 31 an einer ein-oder zweiseitig aufgehängten, beispielsweise federnden Scheidewand 22 befestigt ist, während 32 an einem kurzen Ansatz der Rohrwand gehalten wird. Fig. 31 zeigt den Durchgang 24 zwischen zwei Teilen 33, 3. 3' und 34 einer Scheidewand nach Abb. 25. In Fig. 32 deuten die punktierten Linien das Verschliessen des Spaltes durch
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die Scheidewand 22 durch. Ähnliche Vorgänge ergeben sich bei Fig. 24,30 und 31.
Die Scheidewand kann auch aus lamellenförmig zusammengesetzten, z. B. v-förmigen Blättchen 36,
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Elektroden 23 und davor angeordnete kleinere Elektroden 23'dargestellt, die eine nur geringe Stirnwirkung haben.
Fig. 35-38 geben Beispiele für Scheidewände von ringförmigem Querschnitt. In Fig. 35 bildet die mit Vorsprüngen 3 versehene Wand des Gefässes 21 die äussere Elektrode. Die Scheidewand 39 besteht aus auf einen durchbrochenen Träger 40 gewickelter Asbestschnur.-In der Scheidewand liegt die mit Vorsprüngen 42 versehene zweite Elektrode.
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Bei der Ausbildung nach Fig. 37 und 38 besteht die ringförmige Scheidewand aus Lamellen 43, die zum Teil als Abstandsstücke 44 ausgebildet sind. Die punktierten Linien zeigen ein elastisches Zwischenstück, das längs eingeschaltet sein kann. Die Lamellen können geradlinig, ringförmig oder in beliebig anderer Art verlaufen.
Die Anordnung ist besonders wertvoll ohne Seheidewände und bei Elektrolyse ohne Gaserzeugung.
Fig. 39 zeigt eine Anordnung mit mehreren, z. B. geschichteten Scheidewänden aus durchgehenden Lamellen 36 und Zwischenstücken 37, die z. B. mit Hilfe einer durchgehenden Leiste 45 und Vorsprüngen 46 befestigt sind. Der Elektrode 48 liegen die Elektroden 47 gegenüber.
Fig. 40 zeigt eine ähnliche Anordnung ohne Elektroden im Mittelraum. Das dort etwa entstehende unreine Gas wird durch die Verbindung 49 abgeführt.
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ganz mit Elektrolyt zu füllen und für das Sammeln von Gas besondere Gefässe vorzusehen.
In diesem Beispiel'enthält der Druckzersetzer rohrförmige Zellen 66 und ebene Elektroden, freie
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ausserhalb des Gefässes geführt werden können.
71 und 72 sind Ruckstromventile beliebiger Konstruktion, 73 und 74 die Verbindungsleitungen, 75 der Ausgleichsraum, der in diesem Falle Rohrgestalt hat, 76 und 77 die zusätzlichen Verbindungen zu den gegenpoligen Gasräumen, 78 und 79 Verbindungen mit der Ausgleichsleitung, 80 und 81 Gitter zwecks besserer Abscheidung der Gase.
Die Absperrungsmöglichkeiten sind durch die verschiedenen gezeichneten Ventile angegeben.
Die Erfindung ist besonders dahin ausgestaltet, dass das Druckgas zum Betrieb von Kesselanlagen für Kraftmaschinen oder für Kraftmaschinen direkt verwendet wird, wobei entweder eine starre Verbindung zwischen den Gaserzeugungsanlagen und den Motoren, z. B. bei Fahrzeugen beliebiger Art,
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oder andern Behältern besteht.
Die neuen Gefäss- und Elektrodenformen sind mit den dargestellten Beispielen nicht erschöpft.
Es ist z. B. häufig nebensächlich, ob die Gefässe und Elektroden stehend, liegend oder in irgend einer andern Anordnung aufgestellt werden, ob man ihnen während des Betriebes Elektrolyt zuführt oder nicht, und ob ihre Form nach irgend einer oder nach gar keiner Achse symmetrisch ist. Vorteilhaft ist eine Ausbildung, bei der das Volumen der Gasräume zueinander in demselben Verhältnis steht wie d : e Volumina der erzeugten Gase. Wenn die Gefässe sehr hoch Amperebelastungen fuhren müssen, können sie mit Kühlrippen versehen werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Druckgefässsystem für elektrolytische Prozesse, insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytraumquerschnitt, in dem die Gasblasen aufsteigen, wesentlich kleiner ist als der Querschnitt, den die Gase allein beim Aufsteigen im Elektrolyten bei atmosphärischem Druck einnehmen würden.
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