Hochdruckzersetzer mit bipolaren Elektroden. Elektrolytische Zellen, zum Beispiel für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauer stoff, besitzen Zersetzungsspannungen in der Grösse von zirka 2 Volt. In technischen An lagen schaltet man eine grössere Anzahl von elektrolytischen Einzelzellen oder Gruppen parallel geschalteter Zellen in Serie und er- bält damit höhere, für die Erzeugung bezw. Zuleitung des elektrischen Stromes wirt- schaftlichere Betriebsspannungen. Elektrisch am einfachsten sind solche Anordnungen,
bei denen innerhalb eines Elektrolyseurs bezw. eines- Elektrolytbehälters nur parallel ge schaltete Zellen vorkommen und eine Vielzahl derartiger Apparate in Reihe geschaltet sind. Die einzelnen Behälter haben dann kein oder nur geringe durch Elektrolytnachfülleitun- gen bedingte Flüssigkeitsverbindungen, und es sind daher unproduktive elektrolytische Nebenschlussströme ausgeschlossen. Diese An ordnungen haben aber den Nachteil, dass eine sehr grosse Zahl von Einzelelektrolyseuren aufgestellt werden muss.
Man ist daher be- strebt, in einem Apparat nicht nur parallel geschaltete Zellen unterzubringen, sondern auch möglichst viele Zellen in Serie zu schal ten. Man erhält,dadurch erst die Möglichkeit, in einem Apparat, und das ist bei Verwen dung druckfester Gehäuse besonders wichtig, grosse Leistungen unterzubringen, ohne un wirtschaftlich hohe Stromstärken anwenden zu müssen.
Macht aber diese Reihenschaltung schon bei der offenen Niederdruckelektrolyse erhebliche I olationssichwierigkeiten, ,so. sind diese bei der Hochdruckelektrolyse wesentlich grösser, weil bei diesen die Behälter unter allen Umständen aus Metall bestehen und vollständig geschlossen sein müssen.
Es sind Systeme bekannt, bei denen in ,einem stehenden Druckgefäss Gruppen pa rallel geschalteter Elektroden in Serie ge schaltet sind; es sind auch Systeme bekannt, bei denen m einem liegenden Druckrohr bi polare Elektrodenplatten nach der sogenann- ten Filterpressen-Bauart verwandt werden.
Alle diese Konstruktionen haben gemeinsam, dass das Spannungsgefälle gleichlaufend ist mit der Richtung der Achse der aus Festig keitsgründen stets als rundes Rohr aus geführten Druckgefässe. Das bedeutet, dass die Elektroden an dem einen Ende des Druck rohres eine der Serienschaltung entsprechend höhere Spannung besitzen als die am andern Ende. Es muss also bei allen .diesen Systemen sorgfältig vermieden werden, dass -ein zu .gro sser Teil des Stromes von den Elektroden an dem einen Ende des Druckgefässes zu der Ge fässwand übertritt, von dieser metallisch zum andern Ende geleitet wird, und von da zu den Elektroden zurückkehrt.
Die Isolierung dieser verhältnismässig grossen Wandfläche verursacht erhebliche Schwierigkeiten. Der Lösungsvorschlag, die Isolation durch An ordnung einer nicht Zeitenden; Gasschicht zwi schen der Druckgefässwand und der eigent lichen. Elektrodenkonstruktion zu erzielen, bedeutet, ebenso wie der Vorschlag, die Iso lation gegen die Druckgefässwand mittelst Beton, Quarz oder dergleichen zu erhalten, eine erhebliche Raumverschwendung inner halb des teuren Gefässgehäuses und das noch dort, wo das Gefäss den grössten Durchmesser hat und daher für die Unterbringung von Elektroden am besten ausnutzbar ist.
Diesen Nachteil besitzen in gleicher Weise alle Kon- struktionen, die zwischen Druckgefässrohr- wand und Elektrodenkonstruktion eine strom hindernde Schicht anordnen.
Vorliegende Erfindung betrifft einen Hochdruckzersetzer mit mehreren konzen trisch ineinander in einem zylindrischen Druckgefäss angeordneten Elektroden. Ohne auf .die Vorteile einer Serienschaltung von mehreren Zellen innerhalb eines Druck gefässes zu verzichten, kann mit vorliegender Erfindung die Isolierung der grossen vom Elektrolyt benetzten Wandflächen des Druck gefässes vermieden werden.
Der Hochdruck- zersetzer ist dadurch gekennzeichnet, dass er mit Ausnahme der Mündungsstellen von Gas und Elektrolytleitungen geschlossene Zellen mit bipolar mit einem Spannungsgefälle senkrecht zur Längsachse des Druckgefässes arbeitenden Elektroden enthält, so dass ein Nebenstrom zwischen den äussern und innern Elektroden nur in - äusserst beschränktem Masse auftritt.
Auf den Zeichnungen sind mehrere Aus führungsbeispiele des Hochdruckzersetzers schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt die erste Ausführungsform in vertikalem Schnitt, und Fig. 2 dasselbe in horizontalem Schnitt; Fig. d zeigt einen Teil der zweiten Aus führungsform in horizontalem Schnitt, und Fig. 4 einen Teil einer dritten Ausfüh rungsform in entsprechender Darstellung; F'ig. 5 zeigt die vierte Ausführungsform in vertikalem Schnitt; Fig. 6 und 7 zeigen Einzelheiten in schaubildlicher Darstellung.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 und 2 sind konzentrisch mit dem Druckgefäss a die bipolar arbeitenden zylindrischen Elek- trodengefässe b2, b3, b4, b5, b6 angeordnet, zwischen denen sich die zur Trennung der Gase dienenden Diaphragmen ei, c2, c3, c4, c5, e6 befinden.
Das Druckgefäss selbst dient als erste Elektrode bi, so dass an ihm in ein facher Weise die eine Stromleitung ei an geschlossen werden kann, während die zweite Stromleitung e2 an den innern gern blt des Zersetzers angelegt ist, der auf geeignete Art oben isoliert durch das Druckgefäss hindurch geführt ist. Der gern ist hohl und weist einen Kanal t auf, der der Zuführung von Ersatzflüssigkeit dient, oder aber auch als Rücksträmkanal für den umlaufenden Elek trolyt benutzt werden kann.
Die grösste Spannung liegt also zwischen dem Druckgefäss bi und dem innern Kern b1,. Diese sind aber mit Ausnahme der obern und der untern Teile durch die Metallflächen ,der Elektrodenzylinder getrennt. Um die Böden der Elektrodengefässe am Gasentwickeln zu verhindern. würde es an und für sich ge nügen, sie durch eine geeignete Isolations schicht zu trennen.
Wird jedoch zum Beispiel Kalilauge als Elektrolyt verwandt, so ist es schwierig, haltbare Isolationsmaterialien zu finden, die zugleich etromdicht sind. Es sind deshalb die Böden der Elektrodengefässe da- durch an der Gasabscheidung verhindert, dass ausser den durchgehenden Elektrodengefässen b1-b6 zwischen diesen noch zahlreiche kurze Zusatzgefässe<B>11,</B> 12, h, 14, 1s, 1s angeordnet sind.
Wird die Gesamtzahl der auf diese Weise dem Strom zwischen Kern und Druck gefäss im Wege stehenden Blechwände so gross gewählt, dass der Wert: Gesamtspan nung dividiert durch die Gesamtzahl dieser Mittelleiter, kleiner ist als die zur Gasab- scheidung notwendige Zersetzungsspannung, so kann sich an diesen Stellen kein direkter Strom vom Druckgefäss zum Innenkern bezw. umgekehrt ausbilden. Es entsteht eine Iso lation durch Polarisation, deren Wirkung auf folgendem beruht Durch die an den Elektroden sich bilden den Zersetzungsprodukte entsteht ein gal vanisches Element von entgegengesetzter elektromotorischer Kraft -(Polarisationsspan nung).
Erst wenn diese Polarisationsspan nung durch die angelegte Spannung über schritten wird, kann eine ungehindert an dauernde Zersetzung eintreten. Da die Zer setzungsspannung für Wasser zirka 1,6 Volt beträgt, kann bei einem Spannungsunter schied zwischen den Elektroden kleiner als 1,6 Volt demnach keine Zersetzung ein treten. Die Elektroden laden sich dann viel mehr auf eine gewisse Spannung (unterhalb 1,6 Volt) mit einer rein statischen Elektri zitätsmenge auf.
Diese Art der "Palarisa- tions-Isolation" wird zweckmässig analog auch am obern Ender der Elektrodenkon- struktion verwendet, ohne dass diese Iso- liermethode als Voraussetzung für die Ver wendung der zylindrischen bipolaren Elek- trodenanordnug zu gelten hat. Vielmehr kann auch hier jede andere, geeignete Isolations art gebraucht werden, die sich den Vorteil der kleinen zu isolierenden Flächen zu Nutze macht.
Die Elektrodenzylinder sind am obern Ende der Elektrodenkonstruktion ebenfalls durch dazwischen angeordnete Zusatzgefässe <I>m1, m2, ms,</I> m4, ms so stark vermehrt"dass die sich darin ausbildenden Spannungen zu einer Gasa:bscheidung nicht mehr ausreichen, Die bipolaren Elektroden besitzen somit in ihrem elektrolytisch aktiven Hauptteil je eine volle, undurchbrochene zylindrische Wandung, während ihre in der Nähe der Enden des Druckgefässes liegenden Teile der Gasent wicklung entzogen sind.
Dies kann auch un ter Zwischenfügung isolierender Schichten in der Weise erfolgen, dass die genannten Elek- trodenteile zu einem kompakten Körper ver einigt sind, etwa dadurch, dass die zwischen den Elektroden liegenden Diaphragmen c1-c4 usw. jeweils fest an den betreffenden Elek- trodenteilen anliegen und mit diesen zu sammen eine massive Isolierwand zwischen einer zentralen Stromzuführung und dem als zweite Stromzuführung dienenden Druck gefäss bilden.
Hierbei können die fest an den Diaphragmen anliegenden Elektrodenteile zum mindesten teilweise im Durchmesser verengt oder erweitert .sein. Zwischen den nicht Gas erzeugenden Elektrodenteilen kön nen Gaskanäle oder Elektrolytkanäle ein gebettet sein. Es empfiehlt sich ferner, die Enden bezw, Böden der Elektroden zu wölben oder derart schräg oder trichterförmig zur Zylinderachse zu legen, dass sich geringe Mengen an ihnen ausbildender Gasblasen nicht ansammeln können,
sondern nach oben abgleiten.
An Stelle nur oben kann der Elektroden kern auch nur unten oder auch oben und un ten isoliert,durch ,das Druckgefäss hindurch geführt sein. Anstatt nur einen Kanal kann der Kern auch mehrere Kanäle aufweisen. Um einen beträchtlichen Nebenstrom vom innern Elektrodenkern direkt zum Druck gefäss' zu vermeiden, empfiehlt es .sich ferner, für eine gute Isolation (elektrolytfreie Masse) ausserhalb der Metallzylinder (insbesondere über der Bodenfläche des Zersetzens) zu sor gen.
Dies gilt besonders. für die im folgenden noch zu beschreibende Ausführungsform des Zersetzers. Die zweckmässig aus sehr dünnem Blech hergestellten Elektroden müssen möglichst geschlossene Zylinderwände darstellen, damit zum Beispiel der Strom von der Aussenelek- trode bi zur Innenelektrode b1; nicht über gehen kann, ohne ebenso oft zu polarisieren, wie Elektroden dazwischen geschaltet sind.
Dabei ist es nicht notwendig, dass die Elek troden mathematische Zylinder mit kreis färmigen Grundriss und glatten Mantelflä chen sind, vielmehr ist es in vielen Fällen vorteilhaft, die Elektrodengefässe zur Ver grösserung der Elektrodenfläche mit zahl reichen Ausbuchtungen, Falten oder :der gleichen zu versehen. Gemäss Fig. 3 weisen die Elektrodenzylinder durchgehende Falten auf, so dass .sie nicht kreisförmigen, sondern zahn radähnlichen Grundriss haben. Die Falten dieser riffelblech- oder wellblechförmigen Elektroden b2, b3 usw. bilden mit ,den Dia phragmen c2, es usw.
Kanäle hi und h2, die eine geordnete Strömung des aufsteigenden Gas- oder Elektrolytgemisches gewährleisten und zwar so, :dass die Kanäle hi von dem einen Gas, zum Beispiel Wasserstoff benutzt werden, während die andern k2 in dem Falle Sauerstoff führen.
Es wird dadurch die Ge fahr beseitigt, dass an den 'Stellen zufällig geringerer Stromdichte eine Abwärtsströ- mung auftritt und sich so lokale Wirbel strömungen ausbilden, die durch Andrängen der Gasblasen an die Diaphragmen unter Umständen hohe Gasverunreinigungen zu verursachen vermögen.
Der gleiche Vorteil kann auch, wie Fig. 4 zeigt, dadurch erreicht werden, dass man die bipolaren glatten Elektrodenzylinder bz, b3, b4 <B>USW.</B> mit zahlreich gelochten Well- oder Riffelblechen oder wellblechartig geformten Drahtgeweben d1, d2 belegt, wodurch gleich zeitig noch eine ausserordentliche starke Ver grösserung der wirksamen Elektrodenfläche erzielt wird.
Führt man dagegen die aufgelegten Well bleche nicht gelocht aus, so ergeben sich ausser den oben genannten Kanälen hi und h2 noch von diesen getrennte Kanäle loi und 192, in denen kein Gas entsteht,
und die daher vorteilhaft für den im Kreislauf abwärts strömenden Elektrolyt verwendet werden können. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ist der gern bk oben direkt mit dem vom Druckgefäss a isolierten Deckel verbunden. Die in der obern Verengungszone vorhande nen, im wesentlichen durch die Diaphragmen Cl, c2, c3, <I>c4</I> usw.
ausgefüllten Zwischenräume ri, <I>r2,</I> r3, r4 usw. sind für die Überleitung der Gase aus den einzelnen Elektrodenzellen zu den Gasabscheideräumen qi, q2 verwendet.
Es sind längere oder kürzere Kanäle gi, g2, g3, g4, <I>g5</I> vorgesehen, die zur Verlängerung der sich durch sie ergebenden Nebenstromwege teilweise ein Stück dem Umfange einer Elek trode entlanggeführt sind, ehe sie zu Elek- trodenzellen höherer oder geringerer Span nung übertreten.
Auf der Zeichnung sind die Gaskanäle gi, g2 usw. schematisch verkürzt eingezeichnet, aber so, dass zu erkennen ist, dass der Nebenstromweg umso länger ist, je grösser die Spannungsdifferenz zwischen zwei durch ihn in Verbindung stehenden Elek- trodenzellen ist. Analog sind in diesem Aus führungsbeispiel schematisch Elektrolytrück- laufkanäle <B><I>f l, f2,</I></B> f s usw. eingezeichnet.
Die Elektroden können nahtlos gezogen oder zusammengenietet, geschweisst oder der gleichen werden bezw. gefalzt sein. Sie kön nen aber auch aus ringförmigen schwach konischen Stücken bestehen, die ineinander b setzt :sind.
Um die gesamte Elektrodenkon- struktion einschliesslich der wichtigen beiden Endstücke einheitlich fabrikatorischbesonders einfach herstellen zu können, erweisen sich Elektrodenzylinder als vorteilhaft, die aus einem oder mehreren Blechbändern bestehen, welche, wie in :der Fig. 6 dargestellt, schrau- benförmig aufgewickelt bezw. gespult sind, derart, dass@ sie eine geschlossene Zylinder fläche bilden.
Es können eine oder mehrere Lagen gleich oder gegenläufig gewickelt wer den, wobei sich die Windungen auch teilweise überlappen können. Die Bänder können glatt oder gewellt oder mit Ausbuchtungen bezw. Prägungen versehen sein, sie können auch, soweit es sich um die Diaphragmenstützen und Elektrodenflächenvergrösserungen han delt, zahlreich gelocht sein oder aus Draht gewebe bestehen. Als Elektrodenmaterial wird zweckmässig Reinnickel verwendet, es kann aber auch Eisen oder vernickeltes Eisen benutzt werden.
Die Diagraphmen c können aus nahtlos gewebten oder gepressten Asbestzylindern be stehen, zweckmässig werden auch sie band förmig hergestellt und wie die Elektroden b in Fig. 6 schraubenförmig in einer oder meh reren Lagen direkt auf die Elektrodenkanten oder auf besondere, dafür vorgesehene Stüt zen aufgewickelt bezw. aufgespult, derart, dass eine genügend dichte Diaphragmenfläche entsteht.
Hiermit gewinnt man den Vorteil, dass die bei der Herstellung der E;lektroden- konstruktion besonders in den Massen der Durchmesser leicht auftretenden Ungenauig keiten durch Regulierung der Diaphragmen- lagenzahl bezw. Diaphragmenstärke ausge glichen werden können und so eine einwand freie Trennung der Gase gewährleistet wer den kann.
In gleicher Weise wird man auch stromundurchläs ige Isolierungen, wie sie zum Beispiel an den Enden der Elektrodenkon- struktion vorgesehen sind, bandförmig und schraubenförmig aufbringen, so dass die Her stellung des gesamten Elektro:
denkörpers systematisch nach derselben Methode erfolgen kann. Fig. 5 lässt erkennen, dass sich diese Wickelungsmethode auch bei den Enden der E.lektrodenkonstruktion anwenden lässt, so dass die Elektroden nicht nur aus Gefässen mit gemäss dem Ausführungsbeispiel der F ig. 1 gezogenen bezw. gepressten Böden zu bestehen brauchen. die ineinander gesetzt und dann am obern Ende eingezogen sind.
Dabei werden für die Enden der Elektrodenzylinder die aus r'ig. 3 und 4 ersichtlichen Ausbuch tungen, Faltungen oder dergleichen fort gelassen, so dass die Elektroden an den Enden nicht mehr riffelblech- oder wellblechförmig, sondern als glatte Wände ausgebildet sind.
Dadurch beanspruchen nie Elektroden ins gesamt an den Enden einen kleineren Raum, so dass' sie sich, wie F'ig. 5 unten erkennen lässt, insgesamt zu einem etwas spitzig zu laufenden Vollkörper wickeln lassen, in dem nur kurze Einlege- bezw. Zwischenelektro- denteile entsprechend den Zusatzgefässen 1i, 12,<B>13</B> usw. der Fig. 1 und Elektrolytrück- laufkanäle <B><I>f l, f2,</I></B> f 3 usw.
analog zu den Gas abführungskanälen gi, g2, g3 usw. eingelegt werden.
Gemäss Fig. 7 sind die Elektroden zur Vergrösserung der Elektrodenfläche mit zahl reichen länglichen Ausbuchtungen i versehen, die scharfkantig oder abgerundet sein, kön nen. Diese Ausbuchtungen werden zweck mässig so ausgebildet, dass sie das Dia phragma stützen bezw. in seiner Lage halten, zu welchem Zweck eine grössere Anzahl von ihnen noch mit dünnen, zahlreich durch brochenen Blechbändern oder Drahtgewebe streifen verbunden werden können.
Derartige Blechbänder sind in geeigneter Anzahl kreis förmig oder spiralig um die Elektrodenzylin- der herumgelegt und sind vorteilhaft so ge bogen oder geformt, dass sie Gasblasen, die sich in der Nähe des Diaphragmas entwickeln oder befinden, von diesen wegleiten. Die Aus buchtungen können anstatt länglich zu sein, jede andere geeignete Form aufweisen, zum Beispiel halbkugelig sein.
Die innerste bipolare Elektrode kann un mittelbar auf einem gern aufgewickelt sein (Fig. 6). Jede weiter nach aussen liegende Elektrode kann unter Zwischenschaltung je eines Diaphragmas auf die nächst innere Elektrode aufgewickelt sein.