DE472398C

DE472398C - Electrolyser designed for the electrolytic production of hydrogen and oxygen

Info

Publication number: DE472398C
Application number: DES60457D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1922-07-25
Filing date: 1922-07-26
Publication date: 1929-02-27

Description

Zur elektrolytischen Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff bestimmter Elektrolysierapparat Die Erfindung betrifft einen Elektrolysierapparat zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff im Wege der elektrolytischen Zersetzung von Wasser, bei dem in an sich bekannter Weise durchlässige, durch ein Diaphragma voneinander getrennte Elektroden Verwendung finden. Der neue Apparat ermöglicht ein Arbeiten mit einer gegenüber den bisher üblichen ganz außerordentlich gesteigerten Stromdichte und ergibt infolgedessen eine sehr erheblich höhere Ausbeute sowie auch eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades des Betriebes.Designed for the electrolytic production of hydrogen and oxygen Electrolyzer The invention relates to an electrolyzer for extraction of hydrogen and oxygen by way of the electrolytic decomposition of water, in which, in a manner known per se, is permeable, separated by a diaphragm separate electrodes are used. The new apparatus enables work with a very extraordinarily increased current density compared to the previously customary and as a result gives a very much higher yield as well as a substantial one Improvement of the efficiency of the operation.

Die Vorteile, die die Verwendung hoher Stromdichten in bezug auf Steigerung der Ausbeute und des Wirkungsgrades bietet, sind ebenso wie der günstige Einfluß einer erhöhten Elektrolyttemperatur seit langem bekannt. Es war aber bisher nicht möglich, aus dieser Erkenntnis praktischen Nutzen zu ziehen, da die mit übermäßig hohen Stromdichten betriebenen Wasserzersetzungsapparate als unwirtschaftlich und auch nicht als dauernd betriebsfähig galten.The advantages of using high current densities in terms of boosting the yield and the efficiency offers are as well as the favorable influence an increased electrolyte temperature has long been known. But it hasn't been so far possible to derive practical benefit from this knowledge, since those with excessive high current densities operated water decomposition apparatus as uneconomical and were also not considered to be permanently operational.

Dem Erfinder ist es nun gelungen, durch gleichzeitige Anwendung mehrerer zum Teil an sich bekannter Mittel eine sehr erhebliche Steigerung der Stromdichte über das zur Zeit praktisch in Frage kommende Höchstmaß von etwa o,o8 Amp. je Ouadratzentimeter zu ermöglichen und dadurch die spezifische Ausheut(- und den Wirkungsgrad ganz außerordentlich zu erhöhen, ohne die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens durch ungünstige Begleiterscheinungen wie insbesondere geringe Lebensdauer der Elektroden in Frage zu stellen.The inventor has now succeeded in using several partly known means a very considerable increase in the current density over the currently practically possible maximum of about 0.08 amps per square centimeter to enable and thereby the specific appearance (- and the efficiency quite extraordinary to increase without the economic efficiency of the process due to unfavorable side effects how to question especially the short service life of the electrodes.

Wesentlich für die Erzielung so hoher Stromstärken ist nach den Feststellungen des Erfinders vor allen Dingen die schnelle Beseitigung der durch die Elektrolyse gebildeten Gase aus dem Bereich der Elektrolysierungszonen. Es hat sich gezeigt, daß, wenn man durchlässige Elektroden benutzt, deren Durchbrechungen im Verhältnis zur Längenausdehnung der Elektroden geringen Querschnitt haben, z. B. aus Drahtgewebe, und diese Elektroden ganz dicht einander gegenüber anordnet, sie z. B. unmittelbar an dem gemeinsamen, zweckmäßig möglichst dünnen Diafragma anliegen läßt und außerdem dafür sorgt, daß die Rückseiten der Elektroden frei sind, .so daß hier der Elektrolyt ungehindert aufwärts strömen kann, daß dann unter der Voraussetzung einer passend gewählten Elektrolyttemperatur, die mindestens 5o° C betragen soll, die Gase unmittelbar nach ihrer Ent= stehung mit großer Heftigkeit durch die Elektroden hindurchgetrieben, auf deren Rückseite von den hier in starker Aufwärtsströmung vorbeistreichenden Elektrolyten mitgerissen und so fast augenblicklich aus der Elektrolysierungszone entfernt werden. Bei Innehaltung dieser Bedingungen läßt sich die Stromdichte bis auf 0,4 Amp. je Quadratzentimeter und darüber hinaus steigern, ohne daß, wie man es bisher für unvermeidlich hielt, die Elektroden und die zwischen ihnen angebrachten D:aphragmen auch im Dauerbetriebe zerstört würden oder daß eine Vermischung der an den Elektroden erzeugten verschiedenen Gase stattfindet.According to the findings, it is essential to achieve such high currents of the inventor, above all, the rapid elimination of the electrolysis formed gases from the area of the electrolysis zones. It has shown, that, if one uses permeable electrodes, their perforations in proportion have a small cross-section for the longitudinal expansion of the electrodes, e.g. B. made of wire mesh, and arranges these electrodes very close to each other, they z. B. immediately can rest on the common, appropriately as thin as possible diaphragm and also ensures that the backs of the electrodes are free, so that the electrolyte is here can flow upwards unhindered, provided that one is suitable selected electrolyte temperature, which should be at least 5o ° C, the gases immediately after their formation driven through the electrodes with great violence, on the back of those passing here in a strong upward current Electrolytes carried away and so almost instantly out of the electrolyte zone removed. If these conditions are observed, the Current density up to 0.4 Amp. per square centimeter and beyond, without knowing how it was previously believed to be inevitable, the electrodes and those placed between them D: aphragms would also be destroyed in continuous operation or that a mixture of the different gases generated at the electrodes takes place.

Die Verringerung der Elektrodenabstände hat also nicht nur die Wirkung der unmittelbaren Herabsetzung des inneren Widerstandes der Zelle, sie hat vielmehr in Verbindung mit den erwähnten weiteren Faktoren darüber hinaus noch die besondere, bisher nicht bekannte Wirkung, daß die Elektrolysierungsgase bei der Entstehung geradezu zurückgeschleudert und durch dieElektroden hindurch auf deren Rückseite getrieben werden, was mittelbar zu einer weiteren Verringerung des inneren Widerstandes der Zelle beiträgt. Wichtig ist dabei, daß die Aufwärtsströmung des Elektrolyten auf den einander zugekehrten Elektrodenseiten möglichst erschwert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Abstand der Elektroden vom Diaphr agma möglichst gering hält.So reducing the electrode spacing doesn't just have the effect the immediate lowering of the internal resistance of the cell, it rather has in connection with the other factors mentioned, the special, previously unknown effect that the electrolyzing gases in the formation downright thrown back and through the electrodes on the back be driven, which indirectly leads to a further reduction in internal resistance contributes to the cell. It is important that the upward flow of the electrolyte is made as difficult as possible on the mutually facing electrode sides. this will achieved by keeping the distance between the electrodes and the diaphragm as small as possible holds.

Die Temperatur des Elektrolyten soll, wie gesagt, wenigstens 5o° betragen. Oft empfehlen sich auch höhere Temperaturen bis etwa 95°. Diese hohen Temperaturen tragen besonders dazu bei, daß die Gasblasen den Elektrolyten schnell durchdringen und aus ihm entweichen. Auf jeden Fall soll aber die Temperatur etwa unter dem Siedepunkt des Elektrolyten beim Betriebsdrucke liegen, um die durch Erzeugung von Dampf bedingten großen Energieverluste zu vermeiden. Der normale Siedepunkt des Elektrolyten kann dadurch erhöht werden, daß man unter Überdruck arbeitet, wodurch die Anwendung noch höherer Stromdichten ermöglicht wird. Innerhalb gewisser Grenzen kann die Temperatur des Elektrolyten durch Änderung der Detriebsspannung beeinflußt werden. Eine Erhöhung der Spannung hat eine solche der Stromstärke und damit der Heizwirkung zur Folge, die ihrerseits eine Erhöhung der Elektrolyttemperatur nach sich zieht. Durch diese Temperaturerhöhung wird der Widerstand des Elektrolyten verringert und dementsprechend die Stromstärke weiter erhöht. Die Wirkung ist also eine kumulative. Der Gleichgewichtszustand tritt ein, wenn die Wärmeverluste durch Strahlung, Ableitung usw. die Wärmeerzeugung durch den elektrischen Strom ausgleichen.As mentioned, the temperature of the electrolyte should be at least 50 °. Often, higher temperatures of up to around 95 ° are also recommended. These high temperatures particularly contribute to the fact that the gas bubbles quickly penetrate the electrolyte and escape from it. In any case, the temperature should be about below the boiling point of the electrolyte at operating pressures are around those caused by the generation of steam to avoid large energy losses. The normal boiling point of the electrolyte can be increased by working under overpressure, which makes the application even more higher current densities is made possible. The temperature can be within certain limits of the electrolyte can be influenced by changing the operating voltage. An increase the voltage results in a current intensity and thus the heating effect, which in turn leads to an increase in the electrolyte temperature. Through this As the temperature increases, the resistance of the electrolyte is reduced and accordingly the amperage increased further. So the effect is cumulative. The state of equilibrium occurs when the heat loss due to radiation, dissipation, etc. heat generation compensate by the electric current.

Bei der praktischen Ausführung der Erfindung hat sich der Betrieb mit Stromdichten von % bis 1/, Amp: je Quadratzentimeter freier Elektrodenfläche, d. h. des Querschnitts der Strombahn zwischen zwei zusammenwirkenden Elektroden eines Elektrodenpaares, als besonders vorteilhaft erwiesen. Arbeitet man mit Stromdichten von über o,6 bis 0,78 Amp. je Quadratzentimeter, so ist es im allgemeinen nötig, für einen besonders schnellen Umlauf des Elektrolyten, beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe, zu sorgen.In the practical implementation of the invention, operation with current densities of% to 1 /. Amp: per square centimeter of free electrode area, ie the cross section of the current path between two interacting electrodes of an electrode pair, has proven to be particularly advantageous. When working with current densities of over 0.6 to 0.78 amps per square centimeter, it is generally necessary to ensure that the electrolyte circulates particularly quickly, for example with the aid of a pump.

In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand eines für die Durchführung des neuen Verfahrens besonders geeigneten Apparates beispielweise veranschaulicht. In den Zeichnungen ist Abb. i eine Seitenansicht einer vollständigen Anlage, wobei einzelne Teile weggebrochen und geschnitten dargestellt sind.In the drawings, the invention is illustrated by means of one for implementation of the new process particularly suitable apparatus illustrated for example. In the drawings Fig. I is a side view of a complete plant, wherein individual parts are shown broken away and cut.

Abb. 2 zeigt in der gleichen Darstellungsweise die Einrichtung von einem Ende aus gesehen. -Der Darstellung ist ein Sechszellenelement zugrunde gelegt. io sind die Zellenwandungen, die mit doppelten Leisten ii versehen sind. Zwischen diesen Leisten sind die Ränder der aus Asbestgewebe bestehenden Diaphragmen 12 eingelassen. Die Verbindung erfolgt mittels isolierter Bolzen 13, die durch mit Löchern versehene Lappen 1q. der Leisten der Endwände der Zelten hindurchgehen und die Leisten mit dem Asbestgewebe zusammenklemmen.Fig. 2 shows the device viewed from one end in the same manner of representation. -The representation is based on a six-cell element. io are the cell walls, which are provided with double strips ii. The edges of the diaphragms 12 made of asbestos fabric are let in between these strips. The connection is made by means of insulated bolts 13, which are secured by lugs 1q provided with holes. pass through the ledges of the end walls of the tents and clamp the ledges together with the asbestos fabric.

Die durchlässigen Elektrodenkörper 16a und 16b' jedes zusammenwirkenden Paares werden von Verbindungsschienen 15 getragen, die ihrerseits durch Vermittlung von Laschen 16 an den Zellenwänden befestigt sind. Bei der dargestellten Ausführungsform bestehen die Elektrodenkörper aus Drahtgewebe; sie liegen im wesentlichen an den gegenüberliegenden Seiten des trennenden Diaphragmas unmittelbar an und weisen einen Abstand von den betreffenden Zellenwandungen auf, der den freien Umlauf des Elektrolyten sowie den Durchgang der Gase zwischen jedem einzelnen Elektrodenkörper und der betreffenden Zellenwand gestattet. Jede Halbzelle steht durch Ableitungen 17 und 18 für das Gas und den Elektrolyten mit Sammelrohren i9 bzw. 2o in Verbindung.The permeable electrode bodies 16a and 16b 'of each cooperating pair are carried by connecting rails 15 , which in turn are fastened to the cell walls by means of tabs 16. In the embodiment shown, the electrode bodies are made of wire mesh; they are essentially directly on the opposite sides of the separating diaphragm and are spaced from the cell walls in question, which allows the electrolyte to circulate freely and the gases to pass between each individual electrode body and the cell wall in question. Each half-cell is connected to manifolds i9 and 2o by discharge lines 17 and 18 for the gas and the electrolyte.

Nimmt man an, daß die Elektroden 16a die Anoden und die Elektroden 16b die Kathoden sind, so gehen der Anolyt und der Sauerstoff aufwärts durch die Leitung 17 in das Sammelrohr i9, während der Katholyt und der Wasserstoff durch die Leitung i8 in das Sammelrohr 2o strömen. Aus dem Sammelrohr i9 fließen Anolyt und Sauerstoff durch die Leitung 2i in einen Scheidebehälter 22, in dessen oberem Teil sich der Sauerstoff sammelt, der dann durch den Auslaß 23 zu einer beliebigen geeigneten Sammel- oder Verbrauchsstelle geführt wird, während der abgeschiedene Elektrolyt durch die vom Boden des Scheidebehälters ausgehende Leitung 24 in eine Sammelleitung 25 und von hier durch einzelne Rohre 26 in den unteren Teil der einzelnen Anodenabteilungen oder Zellen zurückgeführt wird. In entsprechender Weise strömt der Wasserstoff und der Katholyt vom Sammelrohr 2o durch die Leitung 27 in den oberen Teil eines Scheidebehälters 28, aus dein der Wasserstoff durch ein Auslaßrohr 29 abgeführt wird, während der Elektrolyt durch eine Leitung 3o, ein Sammelrohr 31 und durch Einzelrohre 32 in den unteren Teil der einzelnen Kathodenabteilungen oder Halbzellen zurückgeleitet wird. Die Scheidebehälter sind mit Meßgläsern 33 versehen. Die verschiedenen Einlaß- und Auslaßleitungen müssen von dem Hauptzellengebilde isoliert sein. Die Abteilungen 17 und 18 können nötigenfalls im Verhältnis zu ihrer Länge einen so kleinen Durchmesser erhalten, daß die Hubwirkung der entwickelten Gase dazu ausgenutzt wird, eine besonders lebhafte Zirkulation sowohl des Anolyten wie auch des Katholyten durch die Zellenabteilungen zu veranlassen. Stromzuführungen 34 und 35 sind zum AnschluB an eine geeignete Speiseleitung vorgesehen.Assuming that electrodes 16a are the anodes and electrodes 16b are cathodes, the anolyte and oxygen go up through line 17 into manifold i9, while catholyte and hydrogen flow through line i8 into manifold 20 . From the collecting tube i9 anolyte and oxygen flow through the line 2i into a separating container 22, in the upper part of which the oxygen collects, which is then led through the outlet 23 to any suitable collection or consumption point, while the separated electrolyte is passed through the Bottom of the separating container outgoing line 24 into a collecting line 25 and from here through individual tubes 26 is returned to the lower part of the individual anode compartments or cells. In a corresponding manner, the hydrogen and the catholyte flow from the collecting tube 2o through the line 27 into the upper part of a separating container 28, from which the hydrogen is discharged through an outlet tube 29, while the electrolyte flows through a line 3o, a collecting tube 31 and individual tubes 32 is returned to the lower part of each cathode compartment or half-cell. The separating containers are provided with measuring glasses 33. The various inlet and outlet lines must be isolated from the main cell structure. The compartments 17 and 18 can, if necessary, have such a small diameter in relation to their length that the lifting action of the gases evolved is used to induce a particularly brisk 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 einem besonderen Falle, wo ein 17prozentiges Ätznatron enthaltender Elektrolyt benutzt wurde, der auf einer Temperatur von 75 bis 85°C gehalten wurde, und wo. die Elektroden durch ein Diaphiagma aus Asbestgewebe in einem Abstande von etwa 3 mm voneinander gehalten wurden, erforderte der Betrieb bei einer Stromdichte von etwa 0,3 Amp. je Ouadratzentimeter wenig mehr als 2 Volt je Zelle. Die Ausbeute an Sauerstoff und Wasserstoff ist ganz vorzüglich sowohl hinsichtlich der Menge wie auch hinsichtlich der Reinheit. Läßt man den Elektroryten eine Temperatur von- go bis g5° C annehmen, so wird durch eine verhältnismäßig geringfügige Erhöhung der Spannung, auf etwa 2,5 Volt, ein Betrieb mit ungefähr 0,45 Amp. Stromdichte ermöglicht, der eine entsprechende Zunahme der Ausbeute ergibt.In a special case where a 17 percent caustic soda Electrolyte was used, which was kept at a temperature of 75 to 85 ° C, and where. the electrodes through a diaphiagma of asbestos fabric at a distance of were held about 3 mm apart, required operation at a current density of about 0.3 amps per square centimeter little more than 2 volts per cell. The yield of oxygen and hydrogen are excellent both in quantity as well as in terms of purity. If the electrorytes are allowed to reach a temperature of go up to g5 ° C, a relatively small increase of voltage, to about 2.5 volts, operating at about 0.45 amps. current density allows, which gives a corresponding increase in the yield.

Claims

PATENT CLAIM: For the electrolytic production of hydrogen and Oxygen of certain, with permeable electrodes separated by a diaphragm g C, equipped elec trolysierapparat, characterized by directly on the diaphragm adjacent, z. B. made of wire mesh or of sieve-like perforated metal plates Electrodes that are free on the back.