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Vorrichtung für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff ' durch
Elektrolyse wäßriger Flüssigkeiten Man ist bekanntlich bestrebt, bei Vorrichtungen
für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse wäßriger Flüssigkeiten
den Wirkungsgrad dadurch zu verbessern, daß man die Elektroden verschiedener Polarität
unter Zwischenschaltung eines Diaphragmas einander möglichst weitgehend annähert.
Es ist auch bekannt, zwecks Verminderung des Spannungsabfalles in der Zelle den
Elektroden nach dem Diaphragma zu noch gasdurchlässige V orelektroden, z. B. in
Form von mehr oder weniger grobmaschigen Drahtnetzen, vorzuschalten, wobei diese
Vorelektroden auch durch vorspringende Teile, wie Spitzen oder Kanten der Hauptelektrode,
selbst gebildet sein können. Zwecks weiterer Verringerung des Spannungsverlustes
in der Zelle hat man auch bereits an Stelle der früher verwendeten licht- und gasundurchlässigen,
z. B. aus einem dichten Asbestgewebe bestehenden Diaphragmen lichtdurchlässige,
z. B. aus porösem Metall bestehende Diaphragmen verwendet. Es hat sich aber gezeigt,
daß hierbei in zunehmendem Maße mit der Durchlässigkeit des Diaphragmas die Reinheit
der auf der Kathoden- und Anodenseite erhaltenen Gase vermindert wird.
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Es wurde gefunden, daß es möglich ist, die wirtschaftlichen Vorteile
der Anwendung lichtdurchlässiger Diaphragmen auch für die elektrolytische Erzeugung
von Wasserstoff und Sauerstoff von technisch befriedigender Reinheit nutzbar zu
machen, wenn man bei Anwendung von Elektroden mit Vorelektroden den letzteren jeweils
eine mit den vorgenannten Elektroden leitend verbundene lichtdurchlässige, jedoch
feinporige Elektrode in einem vorteilhaft möglichst geringen Abstand vom Diaphragma
vorlagert. Diese Elektroden sollen im folgenden in Anbetracht ihrer ausgleichenden
Wirkung auf den Stromdurchgang als Ausgleichselektroden bezeichnet werden.
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Es hat sich gezeigt, daß es durch Anwendung solcher Ausgleichselektroden
gelingt, selbst bei bereits mit Vorelektroden ausgerüsteten Zellen, z. B. bei der
Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff; -gegenüber gewöhnlichen Pechkranzzellen
den Stromverbrauch um mindestens i o 0(o zu senken und außerdem die Reinheit der
Gase gegenüber
den ohne Ausgleichselektrode erhältlichen unzureichenden
Werten von 99,6 bis c)9,7'1, für den Wasserstoff und 96 bis 97 °/a für den Sauerstoff
auf mindestens 99,9°/o für den Wasserstoff und 98,8 bis 99°/o für den Sauerstoff
zu erhöhen.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Ausgleichselektroden können aus
jedem beliebigen leitenden, flächenhaften, feinporigen Material bestehen. Dabei
ist es wichtig, daß ihre Porung so fein und eng ist oder daß z. B. die Maschen eines
als Ausgleichselektrode verwendeten Metallgeflechtes so eng sind, daß die Oberfläche
der Elektrode stetig, d. h. bezüglich Durchlässigkeit, Oberflächenbeschaffenheit
und Feldausbildung wie eine von Unebenheiten freie Fläche wirkt und der Stromübergang
durch sie ein völlig gleichmäßiger ist.
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Als Diaphragma werden in Verbindung mit den Ausgleichselektroden nach
der Erfindung vorteilhaft flächenhafte, lichtdurchlässige Gebilde verwendet, die
dem Stromdurchgang einen möglichst geringen Widerstand entgegensetzen und sowohl
aus nichtleitendem Stoff, wie z. B. einem genügend weitmaschigen Asbestgewebe, als
auch aus leitendem Werkstoff, wie z. B. eine feinporige Metallplatte oder ein einseitig
feinporiges Drahtnetz, hergestellt sein können. Im letzteren Falle sollte die feinporige
Fläche der Wasserstoffseite zugekehrt sein. Vorteilhaft verwendet man auch für die
Diaphra,gmen ebenso wie für :die Ausgleichselektroden Gebilde mit derartig feiner
Porung oder von derartiger Feinheit des Gewebes, daß ihre Oberfläche in jeder Beziehung
wie eine von Unebenheiten freie Fläche wirkt. Bei Verwendung von Diaphragmen aus
leitendem Material müssen selbstverständlich die Haupt-, Vor- und Ausgleichselektroden
gegenüber dem Diaphragma isoliert sein.
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Die Ausgleichselektroden nach der Erfindung sowie auch die in Verbindung
mit diesen verwendeten lichtdurchlässigen Diaphragmen können z. B. dadurch hergestellt
werden, da.ß man in bekannter Weise einen porösen Metallüberzug auf eine besonders
präparierte Grundplatte auf galv anoplastischem Wege niederschlägt. Als gut geeignet
haben sich insbesondere auch Ausgleichselektroden und Diaphragmen erwiesen, wie
sie dadurch erhältlich sind, daß man ein Metalldrahtnetz auf einer Seite mit einem
flächenhaften, lichtdurchlässigen Überzug von genügender Feinporigkeit versieht,
während auf der anderen Seite die Rundung der Netzdrähte unverändert bleibt. Dies
kann z. B. derart geschehen, daß man gemäß dem Schweizer Patent 176017 mindestens
ein Metall aus einem Elektrolyten, der befähigt . ist, die Metallabscheidung auch
in die Vertiefungen der Kathode vorzutragen, auf einem auf einer leitenden Hilfsschicht
aus einem nicht adhärierenden Material aufliegenden Drahtnetz abscheidet. Auf dieselbe
Weise kann man ein Drahtnetz auch auf beiden. Seiten mit einem geeigneten feinporigen
Überzug versehen. In der vorbeschriebenen Weise hergestellte Ausgleichselektroden
sollen im folgenden der Einfachheit halber feinporige Drahtnetze genannt werden.
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Bei Verwendung eines einseitig feinporigen Drahtnetzes wird die feinporige
Seite zweckmäßig dem Diaphragma zugekehrt.
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In der Zeichnung sind beispielsweise Vorrichtungen nach der Erfindung
in verschiedenen Ausführungsformen in Horizontalschnitten schematisch dargestellt.
Darin sind immer e die bipolaren Hauptelektroden, h die z. B. aus bekannten normalen,
verhältnismäßig weitmaschigen Metallgeweben bestehenden V orelektroden. d sind die
lichtdurchlässigen Diaphragmen und a die Ausgleichselektroden nach der Erfindung.
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Abb. i zeigt eine besonders einfache Anordnung. Die Abb. 2 und 3 zeigen'
Anordnungen der Vorelektroden gegenüber den Ausgleichselektroden, wobei in Abb.
2 die Vorelektrode im Zickzack zwischen der Hauptelektrode und der Ausgleichselektrode
geführt ist. Abb. .I zeigt eine Ausbildung der Hauptelektrode mit vorstehenden Rippen,
wobei die dem Diaphragma zugekehrten Kanten der letzteren die Stelle einer Vorelektrode
vertreten. Abb. 5 zeigt die Kombination einer Ausgleichselektrode, bestehend aus
einem einseitig bzw. beiderseitig feinporigen Drahtnetz mit eineue lichtdurchlässigen
Asbestdiaphragma. Gemäß Abb.6 besteht das Diaphragma aus einem feinporigen Drahtnetz,
während als Ausgleichselektroden feinporige Platten verwendet sind und die Vorelektrode
im Zickzack zwischen der Haupt- und der Ausgleichselektrode geführt ist. Nach Abb.
7 bestellen sowohl die Ausgleichselektroden als auch das Diaphragma aus feinporigen
Drahtnetzen. Abb.8 zeigt bei Verwendung von lichtdurchlässigen Metalldiaphragmen
d ein Beispiel für die Befestigung der Ausgleichselektroden a auf der Hauptelektrode
e vermittels Flachmetallstäben p, die durch Schrauben oder Nieten s zusammengehalten
werden. za ist ein nicht metallisches Band im Strohschatten der Flachinetallstäbe.
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Aus den in der folgenden Tabelle zusammengestellten und durch Blatt
2 der Zeichnung erläuterten Vergleichsversuchen ergeben sich die mit Ausgleichselektroden
nach der Erfindung gegenüber Zellen ohne solche erzielbaren Vorteile hinsichtlich
der
Spannung und Reinheit' der gewonnenen Gase, insbesondere des
gewonnenen Sauerstoffs.
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Bei diesen Versuchen wurde im Versuch i eine den neueren Zellenkonstruktionen,
wie z. B. den Bämagzellen, entsprechende Anordnung mit einem licht- und gasundurchlässigen
Asbestdiaphragma verwendet, wobei zwar infolge der Gasundurchlässigkeit des Diaphragmas
ein - Gas von hoher Reinheit erhalten wurde, der Widerstand aber trotz Anwendung
einer gasdurchlässigen Vorelektrode zu hoch war.
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Bei Versuch 2 wurde eine Zelle derselben Anordnung wie bei Versuch
i verwendet, jedoch unter Ersatz des lichtundurchlässigen Asbestdiaphragmas durch
ein lichtdurchlässiges feinporiges Metalldiaphragma. Hierdurch wurde zwar der Widerstand
der Zelle, gleichzeitig aber- auch die Gasreinheit erheblich verringert.
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Versuch 3 wurde .durchgeführt mit einer Zelle nach Art der bekannten
Pechkranzzellen unter Verwendung eines lichtdurchlässigen Diaphragmas, aber ohne
Vorelektrolle. Die durch die Anwendung des lichtdurchlässigen Diaphragmas erzielte
Verringerung des Widerstandes wurde hier ausgeglichen durch den zwecks Erzielung
einer genügenden Gasreinheit erhöhten Abstand der Elektroden von dem Diaphragma.
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Im Versuch 4 ließ sich bei derselben Zelle durch Einführung einer
Vorelektrode zwar der Widerstand bis auf die Höhe der im Versuch-2 verwendeten Zellen
verringern. Die Gasreinheit wurde indessen hierdurch ganz wesentlich beeinträchtigt.
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Zum Versuch 5 wurde eine mit lichtdurchlässigem Diaphragma, Haupt-,
Vor- und Ausgleichselektroden ausgerüstete Vorrichtung verwendet.
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Der Abstand 'zwischen Hauptelektrode e und Diaphragma d betrug in
allen Fällen 14 mm. Der Abstand zwischen Diaphragina d und Vorelektrode k betrug
bei den Versuchen i,-2 und 4. 2 mm. Ebenso -groß war bei Versuch 5 der Abstand zwischen
Diaphragina
d und Ausgleichselektrode ac, während der Abstand zwischen dieser
und der Vorelektrode k 3 mm betrug. Die Versuche hatten das folgende Ergebnis:
| Zellenkonstruktion - Versuchs-Nr. |
| t f a 3 ( 4 5 |
| a) Diaphragma . . . . . . . . . . . . . . . . Asbest Metall
Metall Metall Metall |
| licht- lichtdurch- lichtdurch- lichtdurch- lichtdurch- |
| undurch- lässig lässig lässig lässig |
| lässig |
| b) Vorelektroden (Hilfselektroden) ja ja nein ja ja |
| c) Ausgleichselektroden . . . . . . . . . . nein nein nein
nein ja |
| d) Amp./qdm. ................. 25 25 25 25 25 |
| e) Volt/Zelle . . . . . . .. . . . . . . . . 2,51 2,22
2,87 2,22 2,22 |
| f) Gasreinheit (volumprozent) |
| H, ca..................... 99,9 99,4 99,9 99#4 9995 |
| O, ca. ................... 98,9 62,2 98;8 62,2 98,69 |