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.
Process for the production of hydrogen and oxygen by the electrolytic decomposition of water. The invention relates to a process for the production of hydrogen and oxygen by means of the electrolytic decomposition of water. In the present method, higher current densities are used than previously used for this purpose, whereby a considerable increase in the performance of the Elektrolysiera.pparate, based on the unit area of the cross section of the current path between two interacting electrodes is achieved.
The electrical decomposition of water to generate hydrogen and oxygen was previously characterized by the use of relatively low current densities, which generally did not exceed 0.03 or 0.04 amps per square centimeter of free electrode area. Occasional proposals have been made to work with a current density of up to 0.08 amperes. To the knowledge of the inventor, these proposals have never found their way into practice.
On the basis of detailed investigations, the inventor has established that it is permissible to work with current densities that significantly exceed those previously used. It is essential that the electrolyte is kept warm; the passage of current is the suitable means for heating. As a result of the high. Large amounts of gas occur at current densities.
So that they can be removed from the active surfaces of the electrodes as quickly as possible, electrics are preferably used which are permeable to the gases developed, especially those which are arranged in such a way that the gas-bearing electrolyte is unimpeded upwards and somewhat backwards inclined, but can rise up to the active electrode surfacesi adjoining openings.
The expression "permeable electrode" is used here in the general sense to denote an electrode that is made of such a material or has such a mechanical structure that the gas can penetrate it from the front or active side towards the back. the material forming the electrode can itself be sufficiently porous to allow the un indirect passage of gas, or the electrode can be provided with appropriate openings to facilitate passage of the gas, as is the case with strips made of wire mesh or metal Electrodes is the case.
It is also desirable that the electrodes are as close together as is practically possible. In practical operation, it has been found to be advantageous not to distance them from each other by more than about 0.6 a. A smaller gap, about (0 cm, is much cheaper.
If the hydrogen is to be collected separately from the oxygen, the use of a separating slide phrase is practically indispensable. Find a non-conductive junction. Use. it can be made of a porous material that is resistant to the action of the electrolyte, for example an asbestos fabric about 0.3 cm thick. In this hall, the electrodes can lie directly on the opposite sides of the diaphragm.
The application of high current dielectric has how. said, on the prerequisite that relatively hot electrolytes are used.
This not only increases the conductivity of the electrolyte and thus enables the use of a lower voltage to achieve a certain current strength, but also greatly favors the rapid detachment of the generated carbon dioxide from the electrodes and the accelerated separation of the gas bubbles from the electrolyte.
The electrolyte used will usually be an aqueous solution of a base or an acid. A solution of caustic soda with approximately 17% NaOH is currently preferably used. In order to maintain the desired temperature of the electrode warmed by the passage of the current, the electrolyte cells can be insulated to reduce the heat losses caused by radiation, etc.
In certain cases, however, it may also be necessary or desirable to provide heating devices in order to keep the temperature of the electrolyte at the desired level. The temperature of the electrolyte becomes advantageous. held at 50 to <B> 60 '</B> C. The use of temperatures higher than <B> 60 '</B> C is often recommended.
These high temperatures particularly contribute to the fact that the gas bubbles quickly penetrate the electrolyte and escape from it. However, illaii will regularly keep the temperature below the boiling point of the electrolyte at operating pressure in order to avoid the large energy losses caused by the generation of steam in large quantities. The normal boiling point of the electrolyte can be increased by working under pressure, which enables even higher current densities to be used.
Operation at the usual atmospheric pressure with temperatures of up to 5 ° C. is generally preferable in practice. The temperature of the electrolyte can be changed within certain limits by changing the operating voltage.
An increase in voltage has a. loses: iltnisig big increase of the stronist: irl @ e result, there. the increased heating effect in turn leads to an increase in the temperature of the electrolyte. This increase in temperature reduces the resistance of the electrolyte: and accordingly further increases the amperage.
The state of equilibrium is of course achieved when the heat losses due to radiation etc. offset the generation of heat due to the electricity.
When carrying out the new process, the bel-rieb at current densities is approximately full. 0.95 to 0.5 amperes per square centimeter of free electrode surface, that is to say the cross section of the current path between two interacting electrodes of an electrode pair, is shown to be particularly advantageous.
If you are working with current wires of over 0.66 or 0.83 amps per square centimeter, it is generally necessary to ensure that the electrolyte circulates particularly quickly, for example by using a pump.
As can be seen from the above, electrolytic apparatus with gas-permeable electrodes are primarily suitable for carrying out the present process. In particular, the method can advantageously be carried out using the apparatus described below with reference to the drawing, which corresponds to the American patent No. 1269566 by Mac Dougall and Middleton. ' In the drawing, Fig. 1 is a side view of a complete apparatus,
where individual parts break away "'(' break and cut intended Darge presents; Fig. 2 shows in the same representation as the apparatus, see from one end of ge.
The apparatus shown comprises six cells. 10 are the cell walls, which are provided with double strips 11. Between these strips the edges of the diaphragms 12 made of asbestos fabric are embedded. The mechanical connection is made by means of insulated bolts 13, which pass through lugs 14 provided with holes in the strips of the end walls of the first and last cells and clamp the strips together with the asbestos fabric.
The permeable electrode bodies 16a and 16b of each cooperating pair are supported by connecting rails 15 which in turn are supported by the cell walls through the intermediary of brackets 16. In the embodiment shown, the electrode bodies are made of wire mesh.
By virtue of the arrangement described, they are supported in such a way that they rest essentially on the opposite sides of the separating diaphragm and walls of the cells in question! Maintain a distance that allows the free circulation of the electrolyte as well as the passage of gas between each individual electrode body and the relevant cell wall on which it is mounted.
Each half cell is through lines 17 and 18 for the gas and the electrolyte with collecting heads 19 respectively. 20 in connection. Assuming that the electrodes 16a are the anodes and the electrodes 16b are the cathodes, the anolyte carrying oxygen (electrolyte of the anodic cell half) goes up through the line 17 into the collecting head 19, while the catholyte carrying hydrogen (Electrolyte of the cathodic cell half)
Flow upwards through the lines 18 into the collecting head 20. From the collecting head 1.9 anolyte and oxygen flow through the line 21 into a separating container 22, in the upper part of which the oxygen collects, which is then fed through the outlet 23 to any suitable collection or consumption point, while the separated electrolyte passes through the from the bottom of the separating container outgoing Lei device 24 into a collecting line 25 and from here through individual tubes 26 in the lower part - individual anode departments or half-cells is returned.
In a corre sponding manner, the hydrogen and the catholyte flows from the collecting head 20 through the line 27 in the upper part of a sheath container 28, from which the hydrogen is discharged through an outlet pipe 29, while the electrolyte through a line 30, a collecting pipe 31 and 31 is fed back through individual tubes 32 in the lower part of the individual cathode compartments or half-cells. The separating containers are provided with water standing glasses 33. Lines 17, 18, 26 and 32 must be suitably insulated from the cell structure.
The outlets 17 and 18 are expediently given a length and a diameter such that the stroke effect of the gases developed is used to achieve the most vigorous possible circulation of both the anolyte and the catholyte through the cell compartments.
Power supply lines 34 and 35 are provided for connection to a suitable feed line. In a special case where an electrolyte containing 17% caustic soda was used in an apparatus according to the drawing, which was at a temperature of 75 to 85 C:
was held, and where the electrodes were held in a diaphragm of asbestos fabric at a distance of about 0.3 cm from each other, operation at a current density of about 0.33 amperes per square inch required little more than 2 volts per cell The yield of oxygen and hydrogen was excellent, both in terms of quantity and purity.
As already mentioned, the process is not restricted to the operating conditions specified here. If, for example, the electrolyte is allowed to reach a temperature of 90 to 95 C, a relatively slight increase in voltage to about.
2.5 volts, an operation with approximately 0.5 ampere current kn enables, which results in a corresponding increase in the performance of the apparatus.