DE198626C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

-Jig 19862.6-KLASSE 12«. GRUPPE

Dr. GOTTFRIED AIGNER in ZÜRICH.

durch Elektrolyse.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 13. November 1906 ab.

Die immer zunehmende technische Bedeutung der Gase, Sauerstoff und Wasserstoff hat es mit sich gebracht, daß in neuerer und neuester Zeit in erheblicher Anzahl Methoden angegeben worden sind, welche der Herstellung dieser Gase dienen. Unter diesen Methoden ist aus Gründen mannigfacher Art gerade in neuester Zeit die elektrolytische Methode wesentlich in den Vordergrund des

ίο Interesses getreten.

Jedes technisch in Frage kommende elektrolytische Verfahren zur Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff beruht auf einer sekundären Zersetzung des Wassers, welche dadurch hervorgerufen wird, daß geeignete Elektrolyse in wässeriger Lösung durch den elektrischen Strom zerlegt werden, wonach sekundär die Zersetzungsprodukte einerseits unter sich selbst, anderseits mit dem Wasser derart reagieren, daß der ursprüngliche Elektrolyt chemisch immer von gleicher Beschaffenheit bleibt und schließlich nur Wasser zersetzt bleibt, dessen chemische Bestandteile, Sauerstoff und Wasserstoff, gasförmig an den entsprechenden Elektroden abgeschieden werden.

Die unbedingte Notwendigkeit, die sich bildenden Gase getrennt auffangen und weiterleiten zu müssen, hat den Ubelstand im Gefolge, daß die Elektroden einander entweder nicht unmittelbar gegenübergestellt werden können oder aber durch ein Diaphragma getrennt werden müssen. In beiden Fällen wird der vom elektrischen Strom auf seinem

Wege von der Säuerstoffelektrode zur Wasserstoffelektrode zu überwindende Leitungswiderstand verhältnismäßig bedeutend zu groß, wodurch es namentlich unmöglich wird, ohne bedeutende Kraftverluste und andere Unzukömmlichkeiten, wie übermäßige Erwärmung usw., die Zellen mit wirklich hoher Stromdichte zu betreiben.

Diese Unmöglichkeit der Anwendung einigermaßen hoher Stromdichten bildete ■ aber wegen der dadurch bedingten Apparaten ■ dimensionen und des hohen Preises solcher Apparate mit verhältnismäßig geringer Leistungsfähigkeit ein Haupthindernis ausgedehnter Anwendung des elektrolytischen Verfahrens zur gleichzeitigen Darstellung von Sauerstoff und Wasserstoff.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, welches die genannten Übelstände völlig vermeidet, welches ohne Schaden die Anwendung sehr hoher Stromdichten zuläßt und gestattet, durch elektrochemische Zersetzung von Wasser unter Verwendung gleicher oder ähnlicher Elektrolyte wie bisher^ jedoch unter grundsätzlicher Umgestaltung des sich hierbei abspielenden elektrochemischen Prozesses, Sauerstoff und Wasserstoff gleichzeitig darzustellen.

Der grundsätzliche Unterschied zwischen dem die vorliegende Erfindung kennzeichnenden Verfahren und den bisher bekannten besteht darin, daß der Prozeß der gleichzeitigen, nach dem normalen Volumverhältnis 1 : 2 vor sich gehenden Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklung in zwei elektrolytisch völlig getrennt funktionierende Zellen verlegt wird,

während bei den bisherigen Verfahren zur gleichzeitigen elektrolytischen Darstellung von Sauerstoff und Wasserstoff das System: sauerstoffabscheidende Elektrode — Elektrolyt — wasserstoffabscheidende Elektrode immer nur einen einzigen elektrolytischen Trog darstellt, unbeschadet aller räumlichen Trennungsvorrichtungen zwischen den beiden Elektroden, zwecks Trennung der beiden sich abscheidenden Gase.

In Ausübung dieses neuen Verfahrens erscheint demgemäß sowohl die sauerstoffabscheidende als auch die wasserstoffabscheidende Elektrode durch je ein Elektrodenpaar ersetzt, in jedwelchem Paare einer der beiden Elektroden die Funktion zufällt, eine Ionenart des Elektrolyten unter Gasabscheidung zu entladen, während der anderen Elektrode die chemische Bindung der zweiten Ionenart des Elektrolyten obliegt, und zwar ohne daß hierbei eine wesentliche Gasabscheidung stattfindet. Des weiteren muß die Beschaffenheit der nicht gasabscheidenden Elektrode in den beiden Elektrodenpaaren identisch und so gestaltet sein, daß sie zur chemischen Bindung beider Ionenarten des Elektrolyten dienen kann, so daß deren abwechselnde Verwendung unter je einer der beiden gasabscheidenden Elektroden möglich wird. Letzterer Umstand ist für das vorliegende Verfahren charakteristisch und bedingt die einfache praktische Anwendung dieses neuen Verfahrens, indem die Durchführung desselben einfach in der Weise erfolgen kann, daß man einen in vorbezeichnetem Sinne geeigneten Elektrodenkörper von vornherein einheitlicher chemischer Beschaffenheit unter den beiden gasabscheidenden Elektroden derart auf und ab bewegt, daß ein und dieselbe Stelle dieses Elektrodenkörpers abwechselnd unter der sauerstoffabscheidenden und der wasserstoffabscheidenden Elektrode zur Verwendung gelangt, durch welchen Umstand die chemische Beschaffenheit dieses Elektrodenkörpers durchschnittlich gleich erhalten bleibt.

Besonders geeignet erweist sich zur Herstellung dieses nicht gasabscheidenden Elektrodenkörpers eine mit Alkaliamalgam überdeckte Metallplatte, die Verwendung alkalischer Elektrolyte vorausgesetzt. Jedoch erweist sich die Anwendung jedes Materials zur Herstellung dieses Elektrodenkörpers als möglich, welches in dem verwendeten, sei es sauren oder alkalischen Elektrolyten elektrochemisch als Akkumulatorenplatte funktionieren kann. Durch letzteren Umstand wird eine Erhöhung der von der Wahl der Stromdichte unabhängigen Größe der elektrolytischen Zersetzungsspannung zwischen den beiden gasabscheidenden Elektroden vermieden, denn obwohl bei dem die vorliegende Erfindung kennzeichnenden neuen Verfahren Sauerstoff und Wasserstoff wenn auch in einem Stromkreis, so doch in zwei elektrolytisch völlig getrennt funktionierenden Zellen erzeugt werden, welche vermittels der nicht gasabscheidendeh Elektroden durch Leitung erster Klasse in Serienschaltung gebracht sind, beträgt dennoch die zum Stromdurchgang von der sauerstoffabscheidenden zur wasserstoffabscheidenden Elektrode erforderliche Minimalspannung nicht mehr als den einfachen Wert der normalen Zersetzungsspannung des verwendeten· Elektrolyten unter Berücksichtigung des Materials, aus welchem die gasabscheidenden Elektroden bestehen, da sich als algebraische Summe der Zersetzungsspannungen in der Sauerstoffzelle und in der Wasserstoffzelle stets der gewöhnliche Wert der einfachen Zersetzungsspannung des verwendeten Elektrolyten ergibt.

In deutlicher Weise zeigt die beiliegende Zeichnung, wie das vorstehend beschriebene Verfahren u. a. ausgeübt werden kann.

In dem eisernen Gefäß G, welches zur Aufnahme eines alkalischen Elektrolyten dient, rotiert die eiserne Trommel T, welche an ihrem ganzen Umfang U gut und zusammenhängend amalgamiert ist. Diese Trommel wird mittelbar durch den vorteilhaft aus isolierendem Material bestehenden Zylinder J³ durch die Welle W in Rotation erhalten, welche Welle im Gefäß G gelagert und zum Zweck ihres Antriebes durch eine Stopfbüchse nach außen durchgeführt ist.

Durch eine nahezu bis zur Trommel T herabreichende Scheidewand S ist das Gefäß G in zwei Räume R und R¹ geteilt, welche einerseits durch das Niveau N des Elektrolyten, also durch Flüssigkeitsverschluß, anderseits durch den mittels der Dichtung d hermetisch befestigten und mit entsprechender Scheidewand 1S¹ versehenen Deckel D gasdicht gegeneinander abschließen. Der Deckel D enthält auch die Rohransätze, welche der Fortleitung der getrennt aufgefangenen Gase dienen. Der Trommel T sind, wie aus der Figur ersichtlich, die Elektroden A und K gegenübergestellt, der Form nach so gewählt, daß deren Abstand von der Trommeloberfläche U ein gleichmäßiger und möglichst geringer ist, und daß das Entweichen der sich an denselben abscheidenden Gase unbeunbehindert geschehen kann.

Durch die in.den Tuben T¹ bzw. T² eingebauten isolierenden Körper J und J¹ sind die der Stromzuleitung dienenden Teile der Elektroden E und E¹ hindurchgeführt. Durch ein Flanschstück F erfolgt die Befestigung von J bzw. J¹ in T¹ bzw. T². Ein am Boden von G angebrachter Rohransatz L ermöglicht den Anschluß einer Leitung zum

Einfüllen, Nachfüllen oder auch Ablassen der Elektrolyten.

Beim Betriebe dieses Apparates spielt sich nun unter der beispielsweisen Voraussetzung, daß Natronlauge als Elektrolyt zur Verwendung gelangt, der elektrolytische Vorgang in folgender Weise ab:

An der Anode A, der Eintrittsstelle des elektrischen Stromes, werden die O H-Ionen

ίο unter Bildung von H₂ O und O depolarisiert, welch letzterer gasförmig abgeschieden wird. Gleichzeitig wird an dem A gegenüber befindlichen Teile der amalgamierten Trommeloberfläche eine äquivalente Menge von Na-Ionen depolarisiert, welch letztere von der amalgamierten Trommeloberfläche chemisch gebunden werden. Zufolge der Rotation von T gelangt die unter A auf die Trommeloberfläche U unter chemischer Bindung an

ao letztere niedergeschlagene Menge Natrium unter K, woselbst auf U unter Rücklösung der unmittelbar vorher niedergeschlagenen iVa-Menge Oif-Ionen unter Rückbildung von Na OH depolarisiert werden, während an der den Stromaustritt vermittelnden Kathode K Depolarisation von Natriumionen unter sekundärer Bildung von Na OH und gasförmigem H erfolgt.

Nachdem jeder Teil der amalgamierten Trommeloberfläche U abwechselnd zu zwei genau inversen elektrochemischen Funktionen herangezogen wird, bleibt die" chemische Beschaffenheit von U durchschnittlich konstant und findet im vorliegenden Falle nur eine periodische Anreicherung bzw. Verarmung der Amalgamschicht U an Natrium statt. .

Der hervorragende technische Vorteil dieses neuen Verfahrens gegenüber allen anderen elektrolytischen Verfahren, welche demselben Zweck gelten, ergibt sich daraus, daß man in dem neubeschriebenen Systeme durch Zuhilfenahme der durch Leitung erster Klasse von zu vernachlässigendem Widerstände miteinander verbundenen, nicht gasabscheidenden Elektroden, welche durch die Trommeloberfläche U verkörpert sind, den zwischen den gasabscheidenden Elektroden notwendig eingeschalteten Elektrolyten von erheblichem spezifischen Widerstände in seiner den Leitungswiderstand bestimmenden Schichthöhe durch Annäherung der gasabscheidenden Elektroden an die nicht gasabscheidenden auf ein Minimum in weitgehendster Weise reduzieren kann, wodurch die Anwendung hoher und höchster Stromdichten bei verhältnismäßig minimaler Erhöhung der Badspannung und ohne sonstige Unzukömmlichkeiten möglich wird, während der Prozeß unter Anwendung normaler Stromdichten mit bisher nie erreichter Ökonomie arbeitet.

Des weiteren liefert dieses Verfahren sehr reine Gase, indem der Wegfall von Diaphragmen das Auftreten von nennenswerten Diffusionserscheinungen nicht zuläßt. Aus diesem Grunde ist auch die Anwendung desselben einfach und vollkommen gefahrlos.

Auch der Ubelstand, welcher verwandten Verfahren auf dem Gebiete der Elektrolyse von Alkalisalzen immer mehr oder weniger anhaftet, und welcher darin besteht, daß das elektrolytisch abgeschiedene Anion mit dem auf der beweglichen Kathode temporär niedergeschlagenen Kation reagiert und dadurch die Stromausbeute vermindert, fehlt bei dem vorliegenden Verfahren gänzlich, welches in der Tat quantitative Stromausbeuten ergibt.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Verfahren zur gleichzeitigen Darstellung von Sauerstoff und Wasserstoff durch Elektrolyse in einem einzigen in sich geschlossenen Stromkreise, gekennzeichnet durch die Zerlegung des bisher angewendeten Prozesses der Wa.sserzersetzung durch einfache Elektrolyse saurer oder alkalischer Lösungen .in deren zwei, jedoch in ein und demselben Stromkreise sich abspielende, -welche gleichzeitig und parallel . verlaufen, dadurch, daß den beiden gasabscheidenden Elektroden zwei miteinander elektrisch in sich durch Leitung erster Klasse verbundene, unter sich gleichgeartete, an dem elektrolytischen Vorgang ohne oder ohne wesentliche Gasentwicklung teilnehmende Elektroden in der Weise gegenübergestellt werden, daß sie während des ununterbrochenen Ganges der Elektrolyse abwechselnd unter je einer der beiden gasabscheidenden Elektroden zur Verwendung gelangen, wodurch die chemische Beschaffenheit dieser nicht gasabscheidenden Elektroden durchschnittlich erhalten und nur zeitweise verändert wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.