Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Wasserzersetzung. Dio Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Sauer stoff imWege der elektrolytischenZersetzung von Wasser. Bei dem vorliegenden Verfahren werden höhere Stromdichten angewendet, als sie bisher zu diesem Zwecke benützt wur den, wodurch eine erhebliche Steigerung der Leistung der Elektrolysiera.pparate, bezogen auf die Einheitsfläche des Querschnittes der Strombahn zwischen zwei zusammenwirken den Elektroden erzielt wird.
Die elektrische Zersetzung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauer stoff war bisher durch die Verwendung von verhältnismässig niedrigen Stromdichten ge kennzeichnet, die im allgemeinen 0,03 oder 0,04 Ampere pro Quadratcentimeter freier Elektrodenfläche nicht überschritten., Es sind gelegentliche Vorschläge gemacht wor den, mit einer Stromdichte bis zu 0,08 Am pere zu arbeiten. Nach Kenntnis des Erfin ders haben diese Vorschläge aber niemals Eingang in die Praxis gefunden.
Der Er finder hat auf Grund eingehender Unter suchungen festgestellt, dass ein Arbeiten mit Stromdichten, die die früher benutzten er heblich überschreiten, zulässig ist. Unerläss- lich ist dabei, dass .der Elektrolyt warm ge halten wird; der Stromdurchgang ist das zur Erwärmung geeignete Mittel. Infolge der hohen. Stromdichten treten grosse Gas mengen auf.
Damit sie möglichst' schnell von den wirksamen Flächen der Elektroden ent fernt werden, finden vorzugsweise Elektro den Verwendung, .die für die entwickelten Gase durchlässig sind, insbesondere solche, die so angeordnet sind, da.ss der gasführende Elektrolyt ungehindert aufwärts in etwas nach hinten geneigten, aber an die aktiven Elektrodenflächeni anschliessende Öffnungen aufsteigen kann.
Der Ausdruck ,>durchläs sige Elektrode" ist hier im allgemeinen Sinne gebraucht, um eine Elektrode zu bezeichnen, die aus solchem Material besteht oder einen solchen mechanischen Aufbau besitzt, dass das Gas von der vordern oder aktiven Seite sie nach hinteü durchdringen kann Das heisst, das die Elektrode bildende Material kann selbst genügend porös sein, um den un mittelbaren Durchtritt von Gas zu gestatten, oder aber die Elektrode kann zur Erleich terung des Durchtrittes des Gases mit ent sprechenden Durchbrechungen versehen sein, wie es bei aus Drahtgewebe oder Metall streifen, hergestellten Elektroden der Fall ist.
Es ist ferner erwünselit, dass die Elek troden so dicht, wie es praktisch ausführbar ist, zusammenstehen. Im praktischen Betrieb hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, sie nicht mehr als etwa 0,6 ein voneinander zu ent fernen. Ein geringerer Zwischenraum, etwa (0 cm, ist aber noch wesentlich günstiger.
Soll der Wasserstoff vom Sauerstoff ge trennt gesammelt werden, so ist die Verwen dung eines trennenden Dia.phragmas prak tisch unerlä.sslich. Findet ein nicht leitendes Diaphragma. Verwendung. so kann es aus einem porösen, gegenüber der Wirkung des Elektrolyten widerstandsfähigen Material, beispielsweise aus einem Asbestgewebe von etwa 0,3 cm Stärke bestellen. In diesem halle können die Elektroden unmittelbar an den gegenüberliegenden Seiten der Dia phragmas anliegen.
Die Anwendung hoher Stromdieliten hat, wie. gesagt, zur Voraussetzung, dass mit t@inern verhältnismässig heissen Elektrolyten gearbeitet wird.
Dadurch wird nicht nur clie Leitfähigkeit des Elektrolyten erhöht und damit die Anwendung einer geringeren Spannung zur Erzielung einer bestimmten Stromstärke ermögliplit, sondern ausserdem auch die schnelle Ablösung des erzeugten Ctases von den Elektroden und die beschleu nigte Trennung der Gasblasen vom Elektro- lyten ausserordentlich begünstigt.
Der zur Anwendung kommende Elektrolyt wird regelmässig eine wässerige Lösung einer Base oder einer Säure sein. Eine Lösung von Xtznatron mit ungefähr 17 % NaOH wird zurzeit vorzugsweise benutzt. Um die ),cewiinschte holte Temperatur des durch den .Durchgang des Stromes erwärmten Elektro- h-ten aufrechtzuerhalten, können die Elel@- trolytzellen zwecks Verringerung der Wärme verluste durch Strahlung usw. isoliert wer den.
In gewissen Fällen kann es aber auch nötig oder wünschenswert sein, I3ilf.,;heiz- vorrichtungen vorzusehen, um die Tempera tur des Elektrolyten auf der gewünschten Höhe zu halten. Die Temperatur des Elek trolyten wird vorteilhaft. um 50 bis<B>60'</B> C gehalten. Oft empfiehlt sich auch die Be nützung von höheren Temperaturen als <B>60'</B> C.
Diese hohen Temperaturen tragen besonders dazu bei, dass die Gasblasen den Elektrolyten schnell durchdringen und aus ihm entweichen. illaii wird jedoch regelmüssig die Temperatur unter dem Siedepunkt des Elektrolyten beim Betriebsdrucli#e halten, um die durch Erzeugung von Dampf in gro sser Menge bedingten grossen Energieverluste zu vermeiden. Der normale Siedepunkt des Elehfrolyten kann dadurch erhöht werden, dass man unter Druck arbeitet, wodurch die Anwendung noch höherer Stromdichten er möglicht wird.
Ein Betrieb bei gewöhrliehem At-mosphii.rendrucli mit Temperaturen bis S)5 C ist aber in der Praxis im allgemeinen vorzuziehen. Innerhalb gewisser Grenzen kann die Temperatur des Elektrolyten durch Änderung der Betriebsspannung ver ändert werden.
Eine Erhöhung der Span nung hat eine. verli:iltnismüssiggrosse Er höhung der Stronist:irl@e zur Folge, da. die vermehrte Heiz -irkung ihrerseits eine Er höhung der Temperatur des Elektrolyten nach ,sich zieht. Durch diese Temperatur erhöhung wird der Widerstand des Elektro lyten verringert:. und dementsprechend die Stromstärke weiter erhöht.
Der Gleich- gewiclltszustand wird natürlich erreicht, wenn die Wärmeverluste durch Strahlun- usw. die Erzeugung von Wärme durch den Strom ausgleichen.
Bei Ausführung des neuen Verfahrens hat sieh der Bel-rieb bei Stromdichten voll etwa. 0,95 bis<B>0,5</B> Ampere pro Quadratcenti- meter freier Elektrodenfläche, das heisst des Querschnittes der Strombahn zwischen zwei zusammenwirkenden Elektroden eines Elek- frodenpaares, als besonders vorteilhaft her ausgestellt.
Arbeitet man mit Stromdiellten von über 0,66 oder 0,83 Ampere pro Quadrat- centimeter, so ist es im allgemeinen nötig, für einen besonders schnellen Umlauf des Elektrolyten, beispielsweise durch Anwen dung einer Pumpe, zu sorgen.
Zur Ausführung des vorliegenden Ver fahrens eignen sich, wie aus Obigem hervor geht, in erster Linie elektrolytische Appa rate mit gasdurchlässigen Elektroden. Ins besondere kann das Verfahren vorteilhafter -eise mittelst des im Nachstehenden anhand der Zeichnung beschriebenen Apparates aus- meführt werden, welcher dem amerikanischen Patent Nr.<B>1269566</B> von Mac Dougall and Middleton entspricht.' In der Zeichnung ist Fig. 1 eine Seitenansicht eines vollstän digen Apparates,
wobei einzelne Teile weg- "'('brechen und geschnitten gedacht darge stellt sind; Fig. 2 zeigt in der gleichen Darstellungs weise den Apparat, von einem Ende aus ge sehen.
Der dargestellte Apparab umfasst sechs Zellen. 10 sind die Zellenwandungen, die mit doppelten Leisten 11 versehen sind. Zwi schen diesen Leisten sind die Ränder der aus Asbestgewebe bestehenden Diaphragmen 12 eingelassen. Die mechanische Verbindung erfolgt mittelst isolierter Bolzen 13, die durch mit Löchern versehene Lappen 14 der Leisten der Endwandungen der ersten und letzten Zelle hindurchgehen und die Leisten mit dem Asbestgewebe zusammenklemmen.
Die durchlässigen Elektrodenkörper 16a und 16b jedes zusammenwirkenden Paares werden von Verbindungsschienen 15 gehal ten, die ihrerseits durch Vermittlung von Böcken 16 von den Zellenwänden getragen werden. Bei der dargestellten Ausführungs form bestehen die Elektrodenkörper aus Drahtgewebe.
Vermöge der beschriebenen Anordnung werden sie derart unterstützt, dass sie im wesentlichen an den gegenüber liegenden Seiten des trennenden Diaphragmas anliegen und von den betreffenden Zellen wandungen einen! Abstand innehalten, der die freie Zirkulation des Elektrolyten, so wie den Durchgang von Gas zwischen jedem einzelnen Elektrodenkörper und der betreffenden Zellenwand, an der er montiert ist, gestattet.
Jede halbe Zelle steht durch Leitungen 17-und 18 für das Gas und den Elektrolyten mit Sammelköpfen 19 bezw. 20 in Verbindung. Nimmt man an, die Elek troden 16a seien die Anoden und die Elek troden 16b die Kathoden, so, geht der Sauer stoff führende Anolyt (Elektrolyt der ano- dischen Zellenhälfte) aufwärts durch die Leitung 17 in den Sammelkopf 19, während der Wasserstoff führende Katholyt (Elek trolyt der kathodischen Zellenhälfte)
auf wärts durch die Leitungen 18 in den Sam- melkopf 20 strömen. Aus dem Sammelkopf 1.9 fliessen Anolyt und Sauerstoff durch die Leitung 21 in einen Scheidebehälter 22, in dessen oberem Teil sich der Sauerstoff sam melt, der dann durch den Auslass 23 zu einer beliebigen geeigneten Sammel- oder Verbrauchstelle geführt wird, während der abgeschiedene Elektrolyt durch die vom Bo den des Scheidebehälters ausgehende Lei tung 24 in eine Sammelleitung 25 und von hier durch einzelne Rohre 26 in den untern Teil - einzelner Anoden-Abteilungen oder -Halbzellen zurückgeführt wird.
In entspre chender Weise strömt der Wasserstoff und der Katholyt vom Sammelkopf 20 durch die Leitung 27 in den obern Teil eines Scheide behälters 28, aus dem der Wasserstoff durch ein Auslassrohr 29 abgeführt wird, während der Elektrolyt durch eine Leitung 30, ein Sammelrohr 31. und durch Einzelrohre 32 in den untern Teil der einzelnen Kathoden -Abteilungen oder -Halbzellen zurückgeleitet wird. Die Scheidebehälter sind mit Wasser standsgläsern 33 versehen. Die Leitungen 17, 18, 26 und 32 müssen von der Zellen konstruktion in geeigneter Weise isoliert sein.
Die Ableitungen 17 und 18 erhalten zweckmässigerweise eine solche Länge und einen solchen Durchmesser, dass die Hubwir kung der entwickelten Gase zur Erzielung einer möglichst lebhaften Zirkulation so wohl des Anolyten, wie auch des Katholyten durch die Zellenabteilungen ausgenützt wird.
Stromzuführungen 34 und 35 sind zum An- sehluss an eine geeignete Speiseleitung vor- gesehen, In einem speziellen Falle, wo in einem Apparat gemäss Zeichnung ein 17 ö Ätz natron enthaltener Elektrolyt benutzt wurde, der auf einer Temperatur von 75 bis 85 C:
';.ehalten wurde, und wo die Elektroden durch (-in Diaphragma aus Asbestgewebe in einem Abstande von etwa 0,3 cm voneinander ge halten wurde, erforderte der Betrieb bei einer Stromdichte von etwa 0,33 Ampere pro Qua- d-ateentimeter wenig mehr als 2 Volt pro Zelle. Die Ausbeute an Sauerstoff und Wasserstoff war .dabei vorzüglich, sowohl hinsichtlich der Menge, als auch hinsichtlich der Reinheit.
Wie schon gesagt, ist das Ver fahren nicht auf die hier angegebenen Be- triebsbedingungen beschränkt. Lässt man zum Beispiel den Elektrolyten eine 'Tempe- ratur von 90 bis 95 C annehmen, so wird durch eine verhältnismässi- geringfügige Er höhung der Spannung, auf etwa.
2,5 Volt, ein Betrieb mit ungefähr 0,5 Ampere Strom- kn ermöglicht, der eine entsprechende Zunahme der Leistung der Apparate ergibt.