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Elektrolytischer Wasserzersetzer Während der elektrolytischen Zersetzung
des Wassers tritt, wenn die entstehenden Produkte getrennt gewonnen werden sollen,
die einzelnen Zersetzungszellen also durch Scheidewände (Diaphragmen) in Kathoden-und
Anodenräume ""geteilt sind, in diesen Räumen eine graduelle Veränderung des Elektrolyten
hinsichtlich seiner Zusammensetzung, d. h. seines spezifischen Gewichtes, ein.
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Bei Verwendung von z. B. Kalilauge als Elektrolyt bei der elektrolytischen
Wasserzersetzung entstehen unter der Einwirkung eines gleichgerichteten elektrischen
Strome an den Elektroden die Gase Wasserstoff und Sauerstoff. Durch eine sogenannte
sekundäre Zersetzung des Wassers, die über die in der Lösung vorhandenen Kalium-
und, Hydroxylionen sich vollzieht, tritt eine Konzentrationsdifferenz zwischen den
Katholyten und Anolyten ein indem sich durch die Umsetzung der Ionen an den Elektroden
im Kathodenraum eine Vergrößerung und im Anodenraum eine Verkleinerung des Kaliumhydroxydgehaltes
ergibt. Da sowohl bei einer zu geringen als auch bei einer zu hohen Elektrolytkonzentration
die elektrolytische Leitfähigkeit desselben vermindert wird, sind diese Erscheinungen
nachteilig. Außerdem ergibt sich beim VTberschreiten der unschädlichen Konzentrationsgrenzen
ein weitgehender Verschleiß bzw. eine Zerstörung der Elektroden durch die teilweise
Aufhebung der.Passivität des Elektrodenmaterials. Somit werden durch diese Konzentrationsdifferenzen
die Betriebskosten für elektrolytische Wasserzersetzer erhöht und deren Betriebssicherheit
wesentlich vermindert.
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Nach der Erfahrung reicht der durch das Diaphragma hindurch erfolgte
Austausch der Flüssigkeiten des Anoden- und Kathodenraumes zur Verminderung bzw.
Aufhebung der Konzentrationsdifferenzen nicht aus. Das Diaphragma muß schon im Hinblick
auf seine Aufgabe der restlosen Trennung der gasförmigen Elektrolyseprodukte aus
sehr dichtem Gewebe bestehen. Diese große Dichte des Diaphragmas wird im Betrieb
noch durch Verunreinigungen des Elektrolyten, z. B. durch Eisenoxyd, sich ausscheidende
Kieselsäure u. a., weitererhöht. Hinzu kommen noch Stoffe, -die sich von den Elektroden
ablösen, z. B. die an der Anode gebildeten Oxyde, die ebenso wie die Elektrolytverunreinigungen
kataphoretisch zum Diaphragma geführt und dort wie von einem Filter zurückgehalten
werden. In manchen Fällen wird die Durchlässigkeit des Diaphragmas
auch
nach dadurch vermindert, daß dieses von Blechen eng umschlossen ist, so daß der
Elektrolyt nur zum Teil die Ober-" flache des Diaphragmas umspült.
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Es ist bereits bei Unipolarelektrolyse,; " bekannt, den durch die
Gasentwicklung im . ,j oben geführten Elektrolyten durch besonders angeordnete
Kanäle wieder in den Zersetzerraum, und zwar in dessen unteren Teil zurückzuführen.
Dabei sind Maßnahmen getroffen; daß die aus den Kathodenräumen aufsteigende Elektrolytfiüssigkeit
in die Anodenräume bzw. der aus den Anodenräumen aufsteigende Elektrolyt in die
Kathodenräume zurückfließt. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Elektroden mit porösen
Scheidewänden umgeben, wobei die dadurch gebildeten Räume durch entsprechende Leitungen
bzw. Kanäle miteinander in Verbindung stehen. Einrichtungen dieser Art, die eine
günstige Elektrolytführung bei Unipolarzersetzern ermöglichen können, sind bei Zersetzern
mit bipolar geschalteten Elektroden, bei denen zwischen den beiden Endelektroden
ein ziemlich großer Spannungsunterschied besteht, unbrauchbar bzw. bereiten, sofern
zwischen den hintereinandergeschalteten Zellenräumen Elektrolytleitungen angebracht
werden, hinsichtlich der erforderlichen Isolierungen außergewöhnlich große Schwierigkeiten.
Das Auftreten sehr beachtlicher Energieverluste -durch Schlupfströme - dürfte bei
Apparaten dieser Art überhaupt nicht zu vermeiden sein. Für elektrolytische Zwecke
wurden auch schon Apparate verwendet, bei denen zwischen zwei Elektroden eine Anzahl
von wenig flüssigkeitsdruchlässigen Scheidewänden angeordnet sind, die nacheinander
oben und unten Unterbrechungen aufweisen, so daß die zu behandelnde Flüssigkeit
z. B. bei der Chlorierung auf einem möglichst langen Weg mit dem durch die Elektrolyse
entstehenden Produkt in Berührung kommt. Derartige Einrichtungen sind für die Zwecke
elektrolytischer Wasserstoff- und Sauerstofferzeugung unbrauchbar, da bei ihnen
die wegen ihrer Gefährlichkeit zu vermeidende Vermischung der Gase Wasserstoff und
Sauerstoff in den Zellenräumen eintreten wird.
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Bei elektrolytischen Gasentwicklern mit bipolar geschalteten Elektroden
hat man schön in dem unteren Teil der die Elektroden tragenden Rahmen Schlitze angeordnet;
durch die der Elektrolytzufiuß, der durch einen Stutzen am Boden des Elektrolytgefäßes
erfolgt, in die einzelnen Zellen ermöglicht wird. Diese von oben nach unten senkrecht
zur Längsachse des Zersetzers laufenden Durchbrechungen leitenden z. B. in das Innere
des Druckgefäßes eines elektrolytischen Druckzersetzers zu führenden Elektrolyten
in das Innere des eigentlichen Zersetzers, d. h. des Zellenkörpers, wobei eine gewisse
Verteilung der neu zugekommenen Flüssigkeit in die ein-'°' lnen Zellenräume stattfindet.
Eine Zir-'`°@lati0n der Elektrolytflüssigkeit an sich erhalb der Zellen bzw. innerhalb
des .*Zellenkörpers kann durch diese bekannte Maßnähme nicht eintreten.
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Um die vorgenannten, durch den Elektrolyten während der Elektrolyse
eintretenden Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es erforderlich, die Verschiedenheiten
in den Konzentrationen der Elektrolytanteile soweit wie möglich auszugleichen. Dies
geschieht gemäß der Erfindung durch 'einen elektrolytischen Wasserzersetzer mit
bipolar geschalteten Elektroden, die Ausnehmungen in der Nähe des Zellenbodens aufweisen;
die bei benachbarten Elektroden im Grundriß gegeneinander versetzt sind. Dadurch
wird ein Konzentrationsausgleich von einem Elektrodenraum einer Zelle in den anderen
Elektrodenraum der nächstfolgenden Zelle ermöglicht, und zwar erfolgt die Elektrölytbewegung
in horizontaler, zickzackförmiger Richtung von einer - Seite des Elektrolyseurs
zur anderen. Selbstverständlich treten innerhalb des Zersetzers auch noch andere
Strömungen auf, die z: B, turbulent sein können und innerhalb eines Zellenraumes
bzw. von einem Zellenraum zum analeren stattfinden oder auch; wie es insbesondere
bei den- sog. Trog- bzw. Glockenapparaten der Fall ist, im oberen Teil der Elektrolytfüllung,
z. B. in der Nähe bzw. in den Glocken vor sich gehen. Im allgemeinen wird aber der
Elektrolytbewegung durch die Erfindung eine ganz bestimmte Richtung gegeben, bzw.
es tritt erst dadurch der besondere Vorteil ein, daß die Elektrolytanteile. von
Zellenraum zu Zellenraum ohne die Gefahr einer Gasvermischung und ohne das Auftreten
schädlicher Stromverluste bewegt werden' und sich in innigster Weise vermischen
können. Die Verschiedenheit der sich im Anoden- und Kathodenraum entwickelnden Gasvolumina
bewirkt einen Sog in Richtung desjenigen Raumes; in welchem in der Zeiteinheit die
größere Gasmenge entsteht. Hierdurch wird -Flüssigkeit aus dem Anodenraum durch
die erfindungsgemäßen Ausnehmungen in .den Kathodenraum befördert. Begünstigt wird
diese vorteilhafte Sogerscheinung noch durch den Umstand, daß der Wasserstoff zufolge
seines geringen spezifischen Gewichtes einen größeren Auftrieb besitzt als der Sauerstoff.
Durch die erfindungsgemäße Versetzung der Ausnehmungen wird durch den geschilderten
Sog eine erheblich größere Querschnittsfläche des Elektrolyten beeinflußt und damit
die Konzentrationsdifferenz schneller beseitigt.
Aus der Zeichnung,
in der die Elektroden-und Diaphragmenanordnung des bekannten Trogsystems für Wasserzersetzer
dargestellt ist, ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zu entnehmen.
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In einem Behälter T sind Elektroden E mit Vorblechen V und Diaphragmen
D in bekannter Weise angeordnet. Die erzeugten Gase Wasserstoff und Sauerstoff
werden in den Glocken G1 und G2 getrennt aufgefangen und durch die Abführungsleitungen
M1 und M2 weitergeführt. Der Flüssigkeitsspiegel ist innerhalb und außerhalb dieser
Glocken eingezeichnet. Stehen die Gase während des Betriebes unter Druck, so liegt
dieser Flüssigkeitsspiegel natürlich innerhalb der Glocken tiefer als außerhalb.
Bei verschiedenem Druck der Gase untereinander sind die Höhenunterschiede des Elektrolytspiegels
in den jeweiligen Glocken ebenfalls verschieden. Da diese Glocken nicht flüssigkeitsdicht
auf ihrer Unterlage aufliegen, kann zwischen dem Elektrolyten in ihnen und dem äußeren
Elektrolyten ein Ausgleich stattfinden. Dieser erfolgt auf dem geschilderten Weg
bei der durch die Erfindung erreichten Sogwirkung im Elektrolyseur dadurch, daß
ein dem in den Kathodenraum beförderten Anolytanteil äquivalenter Elektrolytanteil
durch die Glocke aus dem Kathodenraum in den Anodenraum gelangt. Demnach tritt zu
dem sehr geringen Austausch der Elektrolytflüssigkeit durch das Diaphragma innerhalb
einer Zelle, der die obengenannten Nachteile der Konzentrationsdifferenzen nicht
ausreichend vermeiden läßt, erfindungsgemäß ein Kreislauf des Elektrolyten von Zelle
zu Zelle.
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Diese Elektrolytbewegung zwischen zwei Zellen kann auch noch auf den
Inhalt jeder Zelle selbst ausgedehnt werden, wenn auch bei den Diaphragmen auf der
Unterseite oder seitlich Aussparungen oder Öffnungen angebracht werden (02). Die
bewegte Flüssigkeitsmenge richtet sich natürlich nach dem Querschnitt der zur Verfügung
stehenden Öff-
nungen.
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Weil jeder Kathodenraum gegenüber dem benachbarten Anodenraum der
anderen Zelle eine Sogwirkung ausübt, schreitet die Bewegung des Elektrolyten von
der einen Stirnwand des Wasserzersetzers aus nach der anderen Seite zu fort und
erfaßt alle Zellen. Dies hat gleichzeitig zur Folge, daß ein an irgendeiner Stelle
zwischen den Glocken zugegebener Ergänzungselekrolyt (z. B. destilliertes Wasser)
allmählich auf die ganze Elektrolytmenge des Zersetzers verteilt wird, d. h. in
die einzelnen Zellenräume gelangt.
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Die erfindungsgemäße Versetzung der Elektrodenöffnungen gegeneinander
hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß nahezu keine Schlupfströme fließen, die ja
an sich bei dem Potentialunterschied der Elektroden auftreten könnten. Der Weg des
evt1. Schlupfstromes im Elektrolyten wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung so
groß, daß praktisch keine Verluste auftreten.