DE51998C - Vorrichtung zur Gewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff auf elektrolytischem Wege - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung besteht in einer Apparatcombination zur Massenproductipn von Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Zersetzung von Wasser.

Einrichtung der elektrischen Apparate. Als Elektricitätsquelle kann man sich einer Gleichstrommaschine beliebiger Construction bedienen; zur besseren Erklärung der Grundidee mit Hülfe von Zahlen sei eine Thury-Maschine angenommen, welche einen Strom von 600 Amperes und eine elektromotorische Kraft (Potentialdifferenz) von 100 Volts liefert; diese Maschine werde durch einen Motor von 100 Pferdekräften betrieben. Der Strom dieser Maschine wird durch eine Folge von Reservoirs oder elektrolytischen Bädern (von später beschriebener Construction) geleitet, um hier die Zersetzung von Wasser zu veranlassen. Da die Zersetzung des Wassers 1 Y₂ Volts erfordert, so könnte man 73 elektrolytische Bäder in Hintereinanderschaltung anwenden; in Anbetracht der Steigerung der Polarisation bei sehr starken Strömen und des Flüssigkeitswiderstandes selbst ist es indefs zweckmäfsiger, den Strom nur durch 44 Bäder zu leiten, so dafs auf jedes derselben 2Y₂ Volts kommen. Aus meinen Versuchen hat sich ergeben, dafs man die Zersetzung von Wasser mit Leichtigkeit durch einen Strom bewirken kann, der pro Quadratdecimeter Elektrodenfläche eine Dichte von 14 Amperes erreicht. Aus diesem Grunde kann man bei Elektroden von 3 Decimeter Breite und 5 Decimeter Höhe einen Strom von 200 Amperes durch das Wasser leiten; da aber die Maschine 600 Amperes liefert, so erhellt aus dem Obigen klar, dafs man den Strom durch drei parallel geschaltete Reihen von Zellen leiten kann, von denen jede deren 44 enthält, d. h. durch 142 Zellen. In diesem Falle fliefst durch jede Gefäfsreihe ein Strom von 200 Amperes, und die Gesammtmasse der innerhalb 24 Stunden entwickelten Gase ist:
Wasserstoff 132X2 = 264 cbm und
Sauerstoff 132 X 1 = 132 cbm.
Um also 640 cbm für einen Areostaten zu erzeugen, sind 2Y₂ Tage oder 60 Stunden erforderlich.

Herstellung des Wasserstoffes und
Sauerstoffes.

Die vollständige Unterhaltung einer Dampfmaschine kostet in St. Petersburg etwa 20 Centimes pro Stunde und Pferdekraft; zur Darstellung von 640 cbm Wasserstoff und 320 cbm Sauerstoff sind demnach für die mechanische Arbeit 1 160 Franken zu verausgaben. Die übrigen Ausgaben: Ueberwachung der elektrischen Einrichtung, Verzinsung und Amortisation eines Kapitals von 4 800 Franken monatlich zugerechnet, so hat man eine Totalausgabe von ι 560 Franken. Nun kostet aber eine Ballonfüllung nach der üblichen Verfahrungsweise ungefähr 2 800 Franken, ohne dafs man dabei noch Sauerstoff gewinnt. Hieraus ergiebt sich klar, dafs die Erzeugung des Wasserstoffes durch Elektrolyse dem üblichen Verfahren auch ökonomisch überlegen ist.

Der entwickelte Wasserstoff wird zunächst in einen Gasometer geleitet und dann, wie später beschrieben, in stählernen Cylindern comprimirt.

Bezüglich des Sauerstoffes ist zu bemerken, dafs sein Werth nach dem herrschenden Preise (141 Franken 3 Centimes pro Cubikmeter) die enorme Summe von 38 400 Franken repräsentirt. Zugegeben indefs, dafs der Preis desselben auf 7 Centimes pro Cubikmeter heruntergehe, so bietet das davon erhaltene Quantum immer noch einen Werth von 1 920 Franken, d. h. einen Werth, der mehr als hinreicht, um die Erzeugungskosten für den Wasserstoff zu decken, so dafs man diesen gleichsam als Zugabe erhält. Den Sauerstoff als Handelsartikel betrachtet, so darf man die verschiedenen Anwendungen nicht übersehen, die derselbe wegen seines billigen Preises ermöglicht, z. B. zur Erzeugung des sogen. Drummond'schen Lichtes; zur Steigerung der Lichtstärke von Petroleum und Leuchtgas; zur Luftverbesserung in Hospitälern und an anderen mit Menschen überfüllten Oertlichkeiten, wobei der Sauerstoff gleichzeitig durch seinen Ozon Desinfection bewirkt; zur Heilung von Lungenaffectionen, wobei man ihn indefs seines Ozongehaltes (durch Leiten durch heifse Röhren) berauben mufs; zur Einathmung für die Luftschiffer beim Aufstieg in grofsen Höhen; mit Luft gemischt zur Steigerung der Temperatur in Schmelzöfen; zur Erzeugung heifser Löthrohrflammen, zur Beschleunigung des Trocknens von Oelfarben und Firnissen, zum experimentellen Gebrauch bei chemischen Vorlesungen u. a. m.

Construction der elektrolytischen
Batterie.

Die Zellen für die elektrolytischen Bäder werden aus Thon, Glas, Porcellan oder einem anderen nicht leitenden Stoff hergestellt. Sie können beispielshalber wie folgt bemessen sein: 32 cm lang, 60 cm hoch und 10 cm tief (Fig. i, 2). Sie werden entweder mit schwacher Schwefelsäure (10 bis 1 5 pCt.) oder mit kaustischer Natronlösung (iopCt.) so weit gefüllt, dafs die Elektroden bedeckt sind. Im ersteren Falle bestehen dieselben aus zwei Kohlenkathoden α α und einer zwischen diesen eingehängten Bleianode. Diese Combination ist darum sehr empfehlenswerth, weil Kohle und Blei ein galvanisches Element bilden, welches von selbst das Bestreben äufsert, einen Strom in der Richtung des Maschinenstromes zu veranlassen. Im zweiten Falle bestehen die drei Platten aus Eisenblech und haben entweder glatte Seiten oder sind mit verticalen Riffen versehen, an denen die Gasbläschen leicht in die Höhe steigen; an Stelle von Blech verwendet man in gewissen Fällen vortheilhaft Drahtgaze (Drahtgewebe, Drahtgeflecht). Das bezüglich der Eisenelektroden Gesagte gilt auch für die Bleielektroden.

Statt drei Platten kann man auch, wie in Fig. 3, deren nur zwei anwenden; nur ist alsdann an beiden Elektroden die Gasmenge eine sehr verschiedene.

Um eine vollkommene Isolirung zu erzielen, ist jede Zelle auf dem Boden mit drei Porcellanfüfschen versehen. Die Füllung jeder Zelle beträgt etwa ι ο 1. An der einen Seite der Zelle ist eine Art Halbtrichter c zur Beobachtung des Flüssigkeitsstandes gebildet; die Flüssigkeit mufs, wie in den Fig. 1, 2 und 3 durch die punktirte Horizontallinie angedeutet, so hoch stehen, dafs sie diesen Schautrichter bis zur halben Höhe füllt. Fällt das Niveau merklich, so füllt der Wärter durch den beregten Trichter entweder reines oder schwach angesäuertes (bezw. schwach natronkaustisches) Wasser entsprechend nach. 1 1 Wasser liefert durch seine Zersetzung 20 cbm der beiden Gase (bei 20⁰ C. gemessen). Im Falle der Nachfüllung von angesäuertem bezw. alkalischem Wasser darf dasselbe nur so viel Säure bezw. Natron enthalten, als nöthig ist, um die von dessen Stoffen aus dem Elektrolyten zufällig durch die Gasbläschen in Gestalt von feinem Staub mitgerissene Menge zu ersetzen. Die Dichte der Flüssigkeit wird von Zeit zu Zeit mittelst eines Areometers geprüft.

Zum Auffangen der Gase ordnet man im oberen Theil jeder Zelle eine Haube d aus Porcellan an, die mit einem Rand f zum Aufsetzen versehen und durch innere Scheidewände in drei getrennte Räume getheilt ist (Fig. 2). Jede dieser Hauben taucht mit ihrem unteren Rande etwa 6 cm tief in den Elektrolyten ein. Von den beiden äufseren Theilräumen jeder Haube leiten zwei kleine Röhren q nach rechts ab (Fig. 1), während von dem mittleren Theilraum eine Röhre h nach links ableitet. Die Ableitungen g sämmtlicher Zellen werden mittelst Röhren aus Kautschuk (Blei) oder vulcanisirter Faser mit einem gemeinschaftlichen Trockenapparat verbunden, aus welchem dann der getrocknete Wasserstoff nach einem Gasometer gewöhnlicher Construction geleitet wird.

Dasselbe gilt für die Sauerstoffableitungen h.

Damit sich die Gase bei lebhafter Entwickelung nicht zufällig mit einander vermischen, kann man in die Zellen zwei Rahmen aus paraffingetränktem Holz senkrecht einsetzen, welche mit einem Gewebe aus Asbest oder mit vegetabilischem Pergament bezogen sind. Diese Rahmen reichen vom Boden der Zellen bis an die Scheidewände der Haube heran. Das Asbestgewebe kann auch durch gewöhnliche Segelleinwand oder Filz ersetzt werden, nur mufs man alsdann die Rahmen jeden Monat zwei- bis dreimal auswechseln.

Wird die Operation mit Vorsicht geleitet, so kann man übrigens von der Anwendung der beregten Rahmen ganz absehen.

Die ganze elektrolytische Batterie besteht aus 44 Zellen, und stehen diese auf niedrigen Bänken oder auf einem gemeinsamen, mit Asphalt bedeckten Boden.

Die Batterien sind mit einander in Parallelschaltung verbunden.

Der Trockenapparat hat zugleich die Bestimmung, die Gase von den mechanisch aus dem Elektrolyten mitgerissenen, sehr fein zertheilten Säure- bezw. Alkalipartikelchen zu reinigen. Er besteht in einer Röhre oder vielmehr einem langen rechteckigen Kasten (Fig. 4) von 25 cm Höhe bei 25 cm Tiefe, der sich längs der ganzen Batterie hinzieht. Er ist in zwei gleiche Theile durch eine Längsscheidewand getheilt, welche unten nicht ganz den Boden erreicht und oben nicht höher als die Seitenwände ist. Um den oberen Rand des Kastens zieht sich eine Rinne, in welche sich der Deckel mit entsprechenden Rändern einsetzt; nach dem Einsetzen des Deckels wird dann durch Ausgiefsen der Rinne mit Gyps dichter Verschluss hergestellt. In die der Batterie zugekehrte Seitenwand sind unmittelbar unterhalb der beregten Rinne Stutzen g¹ eingesetzt, mit denen man die Ableitungen g durch Kautschuk- oder Bleiröhren verbindet; von der Aufsenseite geht dagegen ein weiter Stutzen zur Verbindung mit dem Gasometer ab. Da, wo der Deckel sich auf die Mittelwand aufsetzt, sieht man eine Dichtungslage aus Kautschuk oder Filz vor, um beide Abtheilungen von einander isolirt zu halten. Der Trockenapparat wird bis zu ³/₄ seiner Höhe mit zerstücktem Aetzkalk oder mit Schwefelsäure getränkten Bimssteinstücken angefüllt, je nachdem man als Elektrolyten angesäuertes oder alkalisches Wasser verwendet. Wegen der Mittelwand ist das durch g¹ einströmende Gas gezwungen, durch die wasserabsorbirende Schicht hindurchzudringen, wobei es seine Feuchtigkeit an diese abgiebt und so getrocknet wird. Der Trockenapparat wird am zweckmäfsigsten aus Blei hergestellt, kann indefs auch aus Kupfer oder getheertem Holz bestehen. Anstatt als Kasten kann er auch als Cylinder gestaltet werden. In der Praxis wendet man anstatt eines einzigen Trockners für die ganze Batterie zweckmäfsigerweise für jede Batterie vier Trockner, je einen für je elf Zellen, an.

Die allgemeine Apparatanordnung ist aus Fig. 8 zu ersehen. A ist die durch eine Abzweigung erregte Dynamomaschine, b^x ein Voltmeter; a^x a^x _t a^x ₂ sind Umschalter, k k¹ k² Sicherheitsschlüsse aus Blei, welche bei 350 Amperes abschmelzen, c^x c^x _l c^x ₂ Amperemeter, (Jd¹Cl² elektrolytische Batterie, g¹ kurze Stutzen zur Verbindung der Zellen mit den Trocknern, e e¹ e² Wasserstofftrockner, r Sauerstofftrockner, /Gasometer, g² Ableitungen für den getrockneten Wasserstoff, q Ableitung für den getrockneten Sauerstoff.

Der Gasometer (Fig. 8) ist wie gewöhnlich construirt; man kann ihn mittelst Gegengewichte so ausbalanciren, dafs der darin herrschende Druck etwas niedriger als der Atmosphärendruck ist und er also etwa ansaugend wirkt, was den Durchgang des Wasserstoffes durch den Trockner erleichtert und das Ueberfliefsen des Elektrolyten über die Zellenrä'nder verhindert.

Compression der Gase.
Aus dem Gasometer wird der Wasserstoff mittelst starker Pumpen (nach Denayrouze, Golas oder Schwartzkopf) in Stahlcylinder von 2Y₂ m Höhe, 14 cm Durchmesser und 266 kg Gewicht gefördert und darin bis zu 12 Atmosphären verdichtet. Jeder Cylinder fafst unter gewöhnlichem Druck 4 cbm Wasserstoffgas. Die Cylinder sind mittelst Schraubhähne verschlossen und können mittelst Eisenbahn oder durch Pferde an den Ort geschafft werden, wo die Füllung des Areostaten stattfinden soll. Zur Füllung eines Feldballons sind 160 solcher Cylinder nöthig. Der Sauerstoff kann entweder in zweimal kleineren Cylindern oder in Kautschuksäcken nach dem Verbrauchsort befördert werden.

Modification der Zellenconstruction.

Die Zellen können auch cylindrisch gestaltet werden, und bestehen dann die Elektroden aus zwei concentrisch in einander gesteckten Röhren, von denen die äufsere die Kathode bildet. Zum Auffangen des Gases wird eine Haube angewendet, die sich aus zwei concentrisch in einander gesteckten Hauben zusammensetzt, so dafs ein innerer und ein äufserer Auffangraum entsteht; jeder dieser beiden Räume hat sein besonderes Ableitungsrohr.

Vereinfachung der elektrolytischen
B atterie.

In Fällen, wo man einer verhältnifsmäfsig geringen Gasmenge bedarf, kann man die in Fig. 6 dargestellte vereinfachte Batterie anwenden. Dieselbe besteht aus einem mit Paraffin getränkten und getheerten Holzkasten bezw. einem Kasten aus gebranntem Thon von ungefähr 2 m Länge. Derselbe wird durch die darin befestigten vollen und dichten Eisenoder Kohlenelektroden, welche zugleich als Scheidewände dienen, in einzelne Abtheilungen getheilt; zwischen diese Elektroden werden kürzere Scheidewände aus nicht leitendem Material so angeordnet, dafs ihre Oberkante in gleichem Niveau mit dem Kastenrande liegt. Der Kasten wird bis zu ³/₄ seiner Höhe mit Flüssigkeit gefüllt und dann mit einer grofsen Kautschukplatte bedeckt, auf welche man einen

Deckel aus Gufseisen oder Holz aufprefst. Zum Abführen der Gase ordnet man in der einen Seite Stutzen /i für das Wasserstoffgas und in der anderen Seite Stutzen ο für das Sauerstoffgas in der durch Kreise und Kreuze angedeuteten Ordnung an. Wenn für nöthig erachtet, kann man die Scheidewände b auch durch solche aus Asbest oder Pergament, wie mit punktirten Linien angedeutet, ersetzen.

Zellen mit selbsttätiger Druckregulirung.

In Fig. 7 ist die Zelleneinrichtung dargestellt, mittelst deren comprimirtes Gas ohne Zuhülfenahme von Pumpen erhalten werden kann. Die Zelle besteht aus einem Gufsstahlcylinder a mit herausgekrümmtem Boden; sie wird oben nach Zwischenlage einer Bleidichtung mit einem flachen oder convexen aufgeholzten Deckel verschlossen. Auf dem Boden des Hohlcylinders steht auf einer nicht leitenden Unterlage n° ein Eisenrohr b, das mit einem durch die Zellenwand geführten isolirten Leiter k° verbunden und um seinen Fufs herum mit einem Ablenkungskonus g° versehen ist. Im Deckel ist ein centraler Stutzen a° und ein seitlicher Stutzen e°. Unter der Mündung jedes Stutzens ist an einem langen und dicken cylindrischen Schwimmer aus Holz oder paraffingetränktem Kork a^l e¹ ein Ventilkonus angeordnet; der Schwimmer führt sich in einem kurzen Rohr (oder Ring), das seitlich von Löchern durchbrochen ist. Diese Führung ist auf der Zeichnung weggelassen. An der Unterseite des Deckels sitzt eine weite, cylindrische Haube d° aus nicht leitendem Material (z. B. aus Ebonit), welche die beiden Gase getrennt zu halten hat. Die Zelle wird zu ³/₄ ihrer Höhe mit einer wässerigen Lösung von Aetznatron angefüllt und dann der Deckel aufgesetzt. Wenn der Strom durchgeht, entwickelt sich der Wasserstoff an den Wänden des äufseren Stahlcylinders, der Sauerstoff an dem Rohr b; hierbei lenkt der Konus g° den am Boden des Stahlcylinders entwickelten Wasserstoff nach den Wänden hin. Jedes der beiden Gase wird durch den betreffenden Stutzen in den speciellen Trockner — ein innen mit Blei gefüttertes und mit schwefelsäurehaltigen Bimssteinstücken gefülltes Stahlrohr — geleitet und strömt von hier nach einem Recipienten, wo es im gewollten Mafse verdichtet wird. Die Dimensionen des Apparates (für 20 1 Fassungsraum) sind so berechnet, dafs er in einer Operation 4 cbm Wasserstoffgas und 2 cbm Sauerstoffgas liefert; hierzu genügt es, 3 1 Wasser zu zersetzen, d. h. ein genügendes Quantum, um jeden der beiden Gasrecipienten zu füllen. Da die Sauerstoffrecipienten zweimal kleiner sind als die Wasserstoffrecipienten, so mufste der Druck der in beiden accumulirten Gase beständig gleich sein. In der Praxis ist es unmöglich, leichte Variationen zu vermeiden; diese können indefs eine nachtheilige Rückwirkung auf die Flüssigkeit der Zelle insofern ausüben, als sie dieselbe in der einen oder anderen Abtheilung emportreiben und dadurch Ausspritzen von Flüssigkeit und selbst Vermischung der beiden entwickelten Gase veranlassen können. Dies zu vermeiden, ist Aufgabe der Schwimmerventile ^¹C¹. Steigt das Flüssigkeitsniveau in der mittleren Abtheilung, so verengert bezw. schliefst das Ventil a^l den Gasabflufs; das Gas häuft sich also an und drückt das Niveau zurück. Infolge Eingreifens der Ventile wird also in beiden Abtheilungen der Zelle immer der Gasdruck gleich bleiben, trotzdem er in den Recipienten variiren kann.

Im Falle die Zelle mit schwacher Schwefelsäure gefüllt wird, mufs man ihre Innenwand mit Blei verkleiden und auch die centrale Elektrode b aus Blei bestehen lassen.

Claims (1)

1. Patent-Anspruch:

   Eine apparative Anordnung (Fig. 8) zur Massengewinnung von Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Zersetzung von (angesäuertem oder schwach alkalisch gemachtem) Wasser, bestehend in der Combination einer Gleichstrommaschine (A), einer oder mehreren (parallel geschalteten) Batterien von Zersetzungszellen d d¹ d² . . . mit Einrichtungen zur getrennten Ableitung der entwickelten beiden Gase (Fig. 1 bis 3 und 6 und 7), Trockenapparate e bezw. r (Fig. 4 und 5) für jedes der beiden Gase, sowie Gasometer f zur Aufspeicherung der letzteren, und wobei gleichzeitig in den Zellen die Gasableitungen, wie in Fig. 7, so mit Schwimrnerventilen (a¹ bezw. c¹) versehen sind, dafs sich Druckverschiedenheiten in den Zellenabtheilungen selbsttätig ausgleichen.

   ■ Hierzu ι Blatt Zeichnungen.