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Zelle für die Elektrolyse von Wasser Gegenstand der Erfindung ist
eine Zelle zur Elektrolyse von Wasser, deren Elektroden aus Metallblechplatten bestehen,
die, Kante gegen Kante gestellt, mit ihren größeren Oberflächen in: der gleichen
Richtung liegen, in der der Strom über die Zwischenspalten geht. Die Elektroden
besitzen abwechselnde Polarität, und es fließen Ströme von gleicher Intensität an
entgegengesetzten Kanten jeder Zwischenelektrode in entgegengesetzten Richtungen,
so daß entgegengesetzte Kanten ihrer größeren Oberfläche gleichartig wirken, wenn
die Elektrode mit seitlichem Abstande - zwischen zwei andere Elektroden von entgegengesetzter
Polarität gestellt wird. Auf diese Weise werden in einer einzigen Zelle von verhältnismäßig
kleinen räumlichen Abmessungen in so enger Beziehung zueinander stehende große Elektrodenoberflächen
geschaffen, daß sie bei. niedriger Spannung wirksam arbeiten und eine Höchstproduktion
und dadurch ein höchster Wirkungsgrad der Zelle bei geringen Betriebskosten erhalten
wird.
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Der im vorstehenden gebrauchte Ausdruck »größere Oberfläche« bezieht
sich auf die äußere Oberfläche eines einzigen Elektro,dengliedes, im Gegensatz zur
Querschnittsoberfläche einer Gruppe derartiger Glieder. Die ebenfalls verwendete
Bezeichnung »entgegengesetzte Kanten< soll sich auf die Begrenzungen beziehen,
die entsprechenden Begrenzungen der benachbarten Elektroeden gegenüberstehen.
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Wird zwecks Schaffung großer aktiver Elektrodenoberlächen jede Elektrode
aus einer Gruppe miteinander verbundener Metallblechplatten hergestellt, die im
Abstand in paralleler Beziehung angeordnet sind, und die Platten jeder Gruppe Kante
gegen Kante den Platten der angrenzenden Gruppen gegenübergestellt, wobei sie mit
ihren größeren Oberflächen in derselben Richtung liegen, in der der Strom über die
Zwischenspalten geht, so wird eine solche Gruppe mit bestimmter Polarität mit Abstand
zwischen zwei andere Elektroden entgegengesetzter Polarität eingebaut, so daß die
Elektroden abwechselnde Polarität besitzen. Es können zwei oder mehr solcher Gruppen
in der Zelle untergebracht werden, wobei die größeren Oberflächen der Elektroden
jeder Grüppe Kante gegen Kante und vorzugsweise in gleiche Linie mit den größeren
Oberflächen der entsprechenden Elektroden der benachbarten Gruppe oder Gruppen gesetzt
sind, und die Enden der Elektrodenoberflächen jeder Gruppe von den Enden der Elektrodenoberflächen
der benachbarten Gruppe oder Gruppen durch Zwischenräume zum Einschalten einer Zwischenwand
und zur Verhinderung von Kurzschlüssen getrennt werden können.
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Eine gemäß der Erfindung gebaute .Zelle
kann irgendeine
beliebige Anzahl von Elektroden oder Elektrodengruppen enthalten, die z. B. aus
Metallblech von etwa o; 5 mm Dicke bestehen, das in Streifen von etwa 37 mm Breite
und etwa i-5 ao mm Höhe gaschmitten und alsdann geprägt worden ist, uni als Abstandhalter
dienende Buckel von etwa 2,5 mm Höhe zu bilden. Jeder Streifen kann oben
und zwischen seinen Seitenkanten an einer Klemme von etwa 2,5 bis i 2 mm
Querschnitt befestigt werden, und an diesen Klemmen lassen sich die Streifen in
dem Elektrolyten senkrecht aufhängen. Beim Aufbau der Zellen können Gruppen dieser
Elektrodenoberlächen in beliebiger Zahl angewendet werden, und zur Erläuterung der
Erfindung sowie als Grundlage für die Berechnungen ist im nachstehenden als Beispiel
eine Zelle angenommen worden, die 13 Gruppen solcher Elektroden enthält. Die Elektroden
,jeder Gruppe können seitlich etwa 2,5 mm voneinander entfernt sein, bei. einem
Abstande von 2,5 mm zwischen den Gruppen.. jede Gruppe möge 60o Streifen enthalten,
was bei 13 Gruppen einer Gesamtzahl von 7 800 Elektroden entspricht. In einer
etwa 0,6m breiten, 1,8 m langen und i,8 m hohen Zelle beträgt die Gesamtoberffache
der Zwischenwände zwischen den Gruppen bei zwölf Zwischenwänden etwa 28 qm, während
die Gesaxutelektrodenoberfläche etwa 886 qm oder das 3i,5fache der Oberfläche der
Zwischenwände beträgt. Außer diesen billigenElektroden undden'zurTrennung der Gase
nötigen Zwischenwänden hängt nichts in dem Elektrolyten, so daß letzterer. vollkommen
frei umlaufen kann. In einer Wasserzersetzungszelle vermindert diese Elektrodenanordnung
den inneren Widerstand auf ein Mindestmaß, und die großen Oberflächen beseitigen
in Verbindung mit dem freien Umlauf des Elektrolyten praktisch die Polarisation
durch Gasblasen, während die Zwischenräume zwischen den Streifen den raschen Austritt
der Gase zulassen und die hebende Wirkung des Gases eine wirksame Zirkulation des
Elektrolyten an den Oberflächen der Elektroden empor aufrechterhält.
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Eine zu einer Batterie vereinigte Anzahl dieser Zellern kann gemeinsam
untergebracht werden, um die Wärme zusammenzuhalten, so daß durch geeignete Regelung
der Luftströmungen zwischen den Zellen deren Temperatur auf irgendeiner gewünschten
Höhe gehalten werden kann. Es hat sich als praktisch erwiesen, die Zellen bei ungefähr
65° C zu betreiben. Bei dieser Temperatur wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:
| Wirkuris- Am p. pro cbm Gas pro Stunde auf |
| Volt pro grad g cbm pro qcm d r i qm Scheidewandfläche |
| Zelle i kWh Zwischen- zusammen |
| wandfläche H O H und O |
| 1,6 93,75 0,122 0,022 0,0091 0,0046 0,0137 |
| 1,7 88,89 o,116 0,045 0,0182 0,0091 - 0,0273 |
| 1,8 8333 0,=o8 0,090 0,0364 0,o182 0,0546 |
| =.9 78,95 0103 0,121 0,0502 0;0310 0,08I1 |
| 2,0 75,00 0,o98 o;183 0,0755 00375 0,1130 |
| 2,1 7443 0093 0239 0,0975 0,0488 0,1463 |
Bei einer firn der beschriebenen Weise aufgebauten Zelle sind die Kosten für einen
Quadratmeter Oberfläche der Scheidewand so herabgemindert, daß sie tragbar werden,
wenn elektrische Kraft kostspielig ist, um diese Zellen bei 1,6 Volt oder einem
elektrischen Wirkungsgrad von 93,75 0,l0 zu betreiben, wobei sich eine Erzeugung
bis zu o, 12 2 cbm Gas pro verbrauchte i Kilowattstunde und eine beträchtliche Gaserzeugung
pro Quadratmeter der Zwischenwandoberfläche ergibt. Die vorstehend beschriebene
Zelle finit einer Zwischenwandoberfläche von 28 qm wird daher folgende Werte ergeben:
Bei 1,6 Volt 6,0o0 Amp. gesamte Gaserzeugung pra Stunde q.,08 cbm, bei 47 Volt i2,ooo
Amp. gesamte Gaserzeugung .pro Stunde 8,i6@cbm.
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Sowohl wegen der Herstellungskosten als auch wegen der geringen Gaserzeugungsfähigkeit
bei niedriger Spannung war es bisher wirtschaftlich nicht möglich, Zellen bei weniger
:als 2,2 Volt Spannung oder mit einem höheren Wirkungsgrad als 68,2 % und mit einer
Gesamterzeugung von mehr als 0,3 i cbm pro Kilowattstunde zu betreiben.
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Bisweilen sind die Kosten elektrischer Energie von geringer Bedeutung,
so z. B. bei der Ausnutzung von Wasserkraftanlagen, oder bei Verwendung der elektrischen
Energie am Orte der Afilage. In solchen. Fällen ist es nicht nötig, die Zellen bei
hohen Wirkungsgraden
'zu betreiben, und es kann, um die Anlagekosten
zu vermindern, wünschenswert sein, Zellen zu benutzen, die vielleicht nur eine Zwischenwandoberfläche
von 4,7 qm besitzen und ebenso-viel Gas wie die beschriebene größere Zelle erzeugen,
jedoch bei niedrigeren Wirkungsgraden. Eine solche Zelle mit 4,7 qm Zwischenwandoberfläche
arbeitet folgendermaßen:
| Bei 1,8 Volt 4,ooo Amp. 2,72 cbm gesamte Gaserzeugung
pro Stunde |
| - z,9 - 5,500 - 3,74 - - - - - |
| - 2,0 - 8,250 - 5,6 - - - - - |
| - 2,1 - 10,750 - 7,31 - - - - - |
Bisher bestand eine große Schwierigkeit für den Betrieb von Zellen in dem Zerfressen
der Elektroden, und es war nicht nur nötig, den kostspieligen Ersatz der Anoden
in regelmäßigen Zeitzwischenräumen vorzunehmen. sondern das zerstörte Material verursachte
auch Kurzschlüsse und andere Störungen. Beim Erfindungsgegenstand werden alle Störungen
in dieser Richtung durch das Arbeiten bei niedriger Spannung in der beschriebenen
Weise und durch die besondere Elektrodenanordnung vermieden.
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Der Vorteil vorliegender Bauart, Lagerung und elektrischen Verbindung
der Elektrode besteht darin, daß in einer einzelnen Zelle von verhältnismäßig kleinen
kubischen Abmessungen große Flächen der Elektrodenoberflächen in so enger Beziehung
zueinander zusammengebaut werden können, daß alle diese Oberflächen an dem Prozeß
aktiv teilnehmen und die oben beschriebenen Ergebnisse liefern. Gegenüber allen
bekannten Elektrodenanordnungen können hier weit höhere elektrische Wirkungsgrade
und größere Kapazitäten bei niedrigeren Anlagekosten erreicht werden, und zwar dadurch,
daß Elektrodenoberflächen von entgegengesetzter Polarität abwechselndKante gegenüber
Kante mit ihren größeren Oberflächen in die gleiche Richtung gestellt werden, in
der der Strom über die Zwischenräume geht, wobei beide Kanten, jeder Elektrodenoberfläche
in gleicher Weise wirken.
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Die Zeichnung veranschaulicht mehrere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.
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Abb. i zeigt einen schematischen Grundriß von drei Elektroden, die
mit ihren größeren Oberflächen in der gleichen Richtung angeordnet sind, in der
der Strom über die Zwischenräume geht, wobei gegenüberliegende Enden der zwischenliegenden
Elektrodenoberfiäche in: gleicher Weise arbeiten.
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Abb. z ist eine schematische Seitenansicht der in Abb. i veranschaulichten
Anordnung. Abb. 3 ist ein schematischer Grundriß einer Mehrzahl- von Elektrodengruppen.
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Abb. 4 stellt einen der Abb. 3 entsprechenden schematischen Grundriß
dar, mit zwischen den Seitenkanten benachbarter Gruppen angeordneten Zwischenwänden.
Abb.5 zeigt einen schematischen Grundriß einer Vielheit von, Gruppen paralleler
Elektroden, wobei die Elektroden nicht benachbarter Gruppen mit dem einen Pol und
die Elektroden der anderen Gruppen mit dem anderen Pol elektrisch verbunden sind.
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Abb.6 entspricht der Abb.5 und veranschaulicht, wie die Gruppen einer
Polarität von Scheidewänden eingeschlossen sein können.
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Abb.7 zeigt in Sonderansicht einen senkrechten Schnitt einer Einheits-S:auerstoff-Wasserstoff-Zelle
und veranschaulicht die hier bevorzugte Art des Zusammenbaues. Der Schnitt ist nach
Linie 7-7 der Abb. 8 geführt.
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Abb. $ zeigt einen wagerechten Schnitt nach Linie 8-8 der Abb. 7 in
Sonderansicht, und Abb.9 ist ein Grundriß des Zellendeckels, aus dem die Anordnung
der Klemmen ersichtlich ist.
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In der Zeichnung sind die Elektroden i, ja, ia,
je , id, je , it abwechselnd als positive und negative
Elektroden angeordnet und in der Zelle Kante an Kante gestellt, wobei ihre größeren
Oberflächen, in derselben Richtung liegen, in der der Stromlauf durch den Elektrolyten
geht. Vermöge dieses Zusammenbaues läuft der Strom über die Zwischenräume oder elektrolytischen
Spalten zwischen Elektroden von entgegengesetzter Polarität, und es wirken entgegengesetzte
Enden der größeren Oberfläche jeder Elektrode in gleicher Weise, wobei der Strom
am einen Ende jeder größeren Oberfläche in, entgegengesetzter Richtung fließt wie
der Strom am anderen Ende. Gemäß der Zeichnung besteht jede Elektrode aus einem
verhältnismäßig schmalen und dünnen Metallstreifen. Die Erfindung ist jedoch nicht
auf diese Elektrodenform beschränkt, da auch Elektroden von netzartiger, geriefter,
blätteriger oder gerippter Gestalt oder solche mit Vorsprüngen benutzt werden können,
wie z. B. leitende Drähte, Gaze, Stäbe, Stangen, Platten, Röhren u. dgl., deren
Anordnung in derselben Weise erfolgen kann wie die der dünnen Metallstreifen.
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Wie aus Abb. i bis 8 ersichtlich, kann eine beliebige Anzahl von Elektroden
gleicher Polarität zu einer Gruppe vereinigt werden,
und diese Gruppen
sind abwechselnd als positive und negative Elektroden angeordnet. Werden Elektroden
zu einer Gruppe vereinigt, so werden sie durch Buckel 6 voneinander im Abstand gehalten,
die zickzackförmlg angeordnet sein: können. Die Elektroden werden durch Stangen
7 zusammengehalten, die durch Löcher 8 der Elektroden eingeführt werden. Die Elektroden
jeder Gruppe sind mit einem Leiter elektrisch verbunden, und zu diesem Zwecke ist
jede Elektrode zwischen ihren Kanten mit einem elektrischen Kontakt oder einer Klemme
a versehen. Die Klemmen aller positiven Elektroden sind mit Leitern 3 und die Klemmen
aller negativen Elektroden sind mit Leitern q. verbunden, die ihrerseits vom Zellendeckel
i o mittels Haltern oder Muttern 9 bzw. 9- getragen werden.
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Vermöge dieser Bauart können die Elektroden unterhalb des Spiegels
des Elektrolyten aufgehängt werden. Bei der Benutzung in einer Sauerstoff-Wasserstoff-Zelle
wird jede Elektrodengruppe einer Polarität zweckmäßig in geeigneter Weise von einem
oben offenen Mantel s umschlossen, der durch den Zwischenraum zwischen benachbarten
Gruppen hindurchgeht und diesen ungefähr ausfüllt, um das innerhalb des Mantels
bzw. der Zwischenwände erzeugte Gas von dem außerhalb desselben bzw. derselben erzeugten
Gase zu sondern. An der Unterseite des Zellendeckels io ist eine Gaskammer i i befestigt,
in der mit Flanschen versehene Öffnungen i ia ausgebildet sind, durch die das Gas
in die Kammer eintritt. Die Zwischeilwände oder Mäntel 5 hängen von der Unterseite
der Gaskammer i i herab und umschließen die mit Flansch versehenen Öffnungen i ia,
so daß das innerhalb der Mäntel erzeugte Gas in die Kammer eintreten kann. Zwischen
den mit Flanschen versehenen Öffnungen i ia befinden sich wagerechte Kanäle 12,
die das außerhalb der Mäntel erzeugte Gas nach den Seiten der Gaskammer ableiten,
wo es zum Zellendeckel io emporsteigt.
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Von den Kammern i i zweigt eine Rohrleitung 13 ab. Von der
äußeren Zellenoberfläche der Kammer geht eine Leitung i q. aus. Beide Leitungen
führen die Gase zu besonderen Hauptleitungen. Aus dem Behälter 15 können der Zelle
der Elektrolyt und Speisewasser zugeführt werden.
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Ein mittels der Leitung 3 und: der Klemmen a den positiven Gruppen
zugeführter elektrischer Strom fließt von jeder Klemme nach außen über den ganzen
Körper, und zwar gegen beide Kanten jeder positiven Elektrode, die- zwischen zwei
negativen Elektroden liegt, in entgegengesetzter Richtung. Alsdann gelangt er über
die elektrolytischen Spalten zu den benachbarten negativen Elektroden. Jede negative,
zwischen zwei positiven Elektroden liegende Elektrode nimmt den über die elektrolytischen
Spalten fließenden Strom an beiden Kanten auf. Von beiden Kanten fließt der Strom
über den -ganzen Körper jeder negativen, Elektrode nach innen in entgegengesetzten
Richtungen zu deren zugehöriger Klemme und dem Leiter q..
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Die Elektroden bestehen zweckmäßig aus Metall von solchem Querschnitt,
daß der sich dem Fließen des Stromes entgegensetzende Widerstand im Vergleich zu
dem Widerstande über die elektrolytischen Spalten vernachlässigt werden kann. Sind
in der Zelle positive und negative Elektroden abwechselnd angeordnet und mit gleichförmigen
Abständen Kante gegen Kante gestellt, so teilt sich der Strom in der Mittellinie
jeder positiven Elektrode und fließt annähernd gleich und gleichförmig nach außen
zu deren entgegengesetzten Enden oder Kanten, um über die elektrolytischen: Spalten
zu den benachbarten Enden oder Kanten der negativen Elektroden und dann von diesen
Kanten nach innen zur Mittellinie jeder zwischenliegenden negativen Elektrode ebenfalls
annähernd gleich und gleichförmig zu fließen. Auf diese Weise wirken die einander
entgegengesetzten Kanten oder Enden der größeren Oberfläche jeder zwischen zwei
negativen Elektroden liegenden positiven Elektrode gleich, und ebenso ist dies bei
den entgegengesetzt liegenden Kanten oder Emden der größeren Oberfläche jeder zwischen
zwei poeitiven Elektroden liegenden negativen Elektrode der Fall.
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Da über jede Elektroden$äche nur ein zu vernachlässigender Spannungsabfall
stattfindet, und da das Potential über die elektrolytischen Spalten auf die Ausdehnung
jeder Elektrodenoberläche nahezu das gleiche ist, so erzeugen entgegengesetzt liegremde
Kanten sowohl der positiven als auch der negativen Elektroden. äquivalente Gasmengen.
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Auf allen positiven Oberflächen wird Sauerstoff erzeugt, jedoch am
stärksten an den Kanten und Oberflächen nahe der Zwischenwand. Gemäß der Zeichnung
wird der Sauerstoff innerhalb der oben offenen, ummantelnden und die mit Flansch
versehenen öffnungen der Sauerstoffkammer umschließenden Zwischenwände erzeugt,
während der Wasserstoff an allen negativen Oberflächen entsteht und außerhalb der
Sauerstoffkammer gesammelt wird.
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Infolge der Bauaxt der -Elektroden und der hebenden Wirkung der Gasblasen
läuft der Elektrolyt frei um. Der Umlauf erfolgt in den Elektrodenzwischenränmen
schnell aufwärts nach denn Flüssigkeitsspiegel, alsdann in beiden Richtungen seitlich
nach den Enden
der Elektrodengruppen und darauf abwärts und zwischen
die Gruppen zu den Zwischenräumen zwischen den Elektroden.
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Aus vorstehender Beschreibung folgt, daß, da jede Elektrode verhältnismäßig
schmal ist, ihre ganze Oberfläche aktiv wirkt, und daß entgegengesetzte Enden jeder
Elektrodenoberfiäche einer jeden zwischenliegenden Gruppe gleich wirken, und däß
an beiden Enden jeder zwischenliegenden Elektrodenoberfläche gleiche Ströme in entgegengesetzten
Richtungen fließen. Infolgedessen kann jede Elektrode doppelt soviel Arbeit leisten,
als wenn nur ein. Ende der Elektrodenoberfläche arbeiten würde.