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Elektrodenanordnung für elektrolytische Zersetzerzellen.
Bei zahlreichen elektrolytischen Vorgängen, so z. B. bei der Wasserzersetzung mittels des elektrischen Stromes, besteht eine sehr erhebliche Schwierigkeit darin, den inneren Widerstand der elektrolytischen Zelle möglichst klein zu halten-damit sich der Stromverbrauch verringert und sich die Strommenge bei gegebener Gesamtabmessung der Zelle und damit auch die Stromdichte, d. h. der Stromdurchgang pro Flächeneinheit der Elektrode erhöht-und doch dafür zu sorgen, dass die Produkte der Zersetzung, also z. B. Wasserstoff und Sauerstoff, getrennt voneinander in völliger Reinheit aufgefangen werden.
Der innere Widerstand der Zelle hängt in ausschlaggebendem Masse von dem Stromweg in dem Elektrolyten selbst ab ; wird aber der Stromweg klein gewählt, werden also die Elektroden einander möglichst genähert, so steigt hiedurch die Gefahr der Mischung der in der Regel gasförmigen Zersetzungsprodukte.
Es entsteht also die Aufgabe, einen möglichst kleinen Stromwiderstand und grosse Stromdichte bei guter Trennung und Abführung der zur Abscheidung kommenden Produkte zu schaffen. Es besteht also das Ziel, möglichst grosse Elektrodenflächen bei geringstem elektrolytischen Widerstand, also bei
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geordnete Abzugsmögliehkeiten zu schaffen, dass sich die Abscheidungen nicht mischen.
Diese Aufgabe wird nun gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Elektroden der Zelle dicht aneinander gestellt, mit Durchbrechungen versehen und an den einander benachbarten Seiten isoliert sind.
Durch die Isolierung der einander gegenüberstehenden Seiten der beiden zusammenarbeitenden Elektroden können sich an diesen isolierten Seiten keine Gase durch die Elektrolyse abscheiden ; die
Elektroden arbeiten also mögliehst nicht mit den einander zugekehrten Seiten, sondern mit ihren Rücken- seiten. Obwohl demnach, im wesentlichen um den Stromdurchgangswiderstand zu verringern und grosse
Stromdichten zu erzielen, die Elektroden dicht aneinander gestellt und mit Durchbrechungen versehen sind, verhindert die besondere Art der Isolierung dieser dicht stehenden, durchbroehenen Elektroden die Ausscheidung der Gase an den Stellen, an denen die Gefahr einer Mischung dieser Gase besteht.
Hiebei wird gemäss der Erfindung die Möglichkeit der Gasmischung auch fernerhin dadurch ausgeschaltet, dass für geordnete Abzugswege der sieh besonders bei der hohen Stromdichte sehr lebhaft entwickelnden
Gase gesorgt wird. Besonders die Durchbrechungen der Elektroden und ihre Wandungen werden durch ihre besondere Formgebung wesentlich zu einer geordneten Gasabführung herangezogen.
Infolge der hohen Stromdichte, mit welcher die Elektroden zu arbeiten vermögen, eignen sie sich auch besonders gut für Elektrolyse in druckfesten Gefässen, da hiebei eine möglichst grosse Elektroden- oberfläche in einem durch den Inhalt des Druckgefässes gegebenen verhältnismässig kleinen Elektrolyt- raum unterzubringen ist. Hiebei können die Elektroden auch unter Beibehaltung ihrer guten Wirkungen zylinderförmig ausgebildet werden, wobli ihr äusserer Durchmesser mit Rücksicht auf die Festigkeit des Druckgefässes klein gehalten werden kann. Wichtig ist auch hiebei, durch geeignete Ausbildung I der Elektrodenwandungen für eine geordnete Abführung der sieh kräftig entwickelnden Gase zu sorgen.
Es können hiebei in jedem Druckgefäss entweder nur eine Anode und eine Kathode angeordnet sein, wodurch infolge der grossen Elektrodenflächen mit sehr grossen Stromstärken gearbeitet werden kann, oder es können auch die einzelnen zylindrischen Elektroden zweckmässig in Gruppen übereinander gestellt in einem Druckgefäss untergebracht sein.
Einige Ausführungsformen des Eifindungsgedankens sind als Beispiele auf der Zeichnung veran- schaulicht.
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Fig. 1 zeigt im Längsschnitt zwei dickere, plattenförmige, zusammenarbeitende Elektroden. Fig. 2 in gleicher Weise zwei Blechele1. --troden mit besonders geformten Durchbrechungen. Fig. 3 stellt einen Teil einer ähnlich ausgebildeten Elektrode schaubildlich dar. Fig. 4 zeigt eine etwas andere Form der Fig. 3.
Fig. 5 ist die Teilansicht einer Elektrodenfläche besonderer Art und Fig. 6 zeigt schematisch eine etwas andere Anordnung der Elektroden im Schnitt.-Fig. 7 stellt schematisch und schaubildlich und Fig. 8 in einem Teillängsschnitt eine ringförmige Elektrodenausbildung, besonders für Druckelektro- lyse bei grossen Stromstärken dar, während Fig. 9 in einem Längsteilschnitt durch ein Zersetzer- druckgefäss die besonders für Hintereinanderschaltung geeignete ringförmige Anordnung der neuen Elektroden zeigt.
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Erleichterung des Stromdurchganges einander gegenüberstehen. Um die Gasabführung zu erleichtern, erweitern sich diese Durchbrechungen zweckmässig nach der von der andern Elektrode abgewendeten Seite 14 bzw. 15.
Die Elektroden sind in dem Ausführungsbeispiel an der der andern Elektrode benaehbarten Seite 16 bzw. 17 durch einen Emaille-, Hartgummi-, Lack-, Farbe-od. dgl. Überzug oder in beliebiger anderer Weise isoliert. Die Elektroden können mit diesen isolierten Seiten 16, 17 unmittelbar, oder, wie dies Fig. 1 zeigt, unter Zwischenfügung eines Diaphragmas 18 belibiger Art aneinander gelegt werden. Besonders bei Verwendung eines Diaphragmas könnten die Elektroden auch in geringem Abstand voneinander bzw. von dem Diaphragma stehen. Ebenso könnten in diesem Falle die Seiten 16, 17 der Elektroden nur teilweise isoliert sein, doch ist es empfehlenswerter, diese Seiten vollständig zu isolieren.
Es kann im Gegenteil vorteilhafter sein, die Isolierung ganz oder teilweise auch noch auf die Durch- brechungen 12, 13 zu erstrecken, insbesondere auf den der andern Elektrode nächstliegenden Teil der Durchbrechungen. Ist das Diaphragma selbst, insbesondere in trockenem Zustande isolierend, so kann
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dass die Elektroden mit den Flächen 16, 17 stark gegen das Diaphragma 18 gepresst werden.
Die Fig. 2-6 zeigen blechförmige Elektroden 10, 11. Bei diesen ist es in noch viel intensivere
Masse und leichter möglich, durch geeignete Formgebung der Durchbrechungen bzw. deren Wandungen für eine gute Gasabführung zu sorgen und dadurch auch die Gefahr der Gasmischung weiter zu ver- ringern. Die Durchbrechungen 19, 20 sind hier zweckmässig durch Stanz-od. dgl. Schnitte der Elektroden- bleche gebildet und die durch den Schnitt getrennten Teile 21, 22 der Bleche 10, 11 sind aus der Blech- fläche herausgebogen. Eine gute Gasabführung wird dadurch erreicht, dass sich die geneigt stehenden
Wände 21, 22 in der Richtung der Gasströmung von der Fläche der Elektroden 10, 11 entfernen.
Statt lappenförmig aus der Elektrodenfläche herausstehender, durch Stanzen od. dgl. hergestellter Wände können diese Wände auch durch Herausdrücken von Teilen der Bleche gebildet sein.
Man erhält dadurch leicht die besonders vorteilhafte tüten-oder taschenformige Aussenbegrenzung der Durchbrechungen 19, 20, eine Form, wie sie die Beispiele der Fig. 3-6 in verschiedenen Arten zeigen.
Diese Form ist deswegen so vorteilhaft, weil sie-neben einer vorzüglichen Gasabführung-durch die beiden Seitenwandungen 23 der Taschen eine nicht unwesentliche Vergrösserung der Elektroden- fläche ergeben, die zur Steigerung der Strommenge sehr erwünscht ist.
An sich wäre es möglich, jede Elektrode als eine einzige grosse Tasche auszubilden, jedoch ist es, wie man leicht erkennt, zur Schaffung einer möglichst grossen, vom Elektrolyten benetzten, also dem
Stromübergang zur Verfügung stehenden Elektrodenfläche vorteilhafter, jede Elektrode mit einer grossen
Anzahl möglichst eng gestellter tuten-oder taschenförmiger Gebilde zu besetzen, beispielsweise derart, dass, wie dies Fig. 3 zeigt, die der andern Elektrode gegenüber stehende bzw. sich gegen das Diaphragma legende Fläche 24 die Form eines Gitters annimmt.
Die Taschen oder Töten können ganz nach den Ansprüchen bester Gasabzugsmöglichkeit geformt sein. Sie können sich nach oben oder nach unten erweitern, je nachdem die sich entwickelnden Gase oder ausscheidende Produkte leichter oder schwerer als der Elektrolyt sind. Auch der Winkel, unter dem die äussere Tütenwand 25 gegenüber der Elektrodenfläche geneigt steht, wird so gewählt, wie dies für die rasche Abführung der Abscheidungen am zweckmässigsten ist. Da die Menge der Abscheidungen häufig bei den beiden einander gegenüber stehenden Elektroden verschieden gross ist, kann auch der
Neigungswinkel dieser Tütenwand 25 bei der einen Elektrode anders sein, als bei der gegenüberliegenden.
Die Schräglage dieser Tütenwand 25 gibt beispielsweise bei Ausscheidung eines Gases mit leichterem spezifischen Gewicht, als dem des Elektrolyten, den unter dieser Wand entstehenden Gasbläschen eine Richtung, die das entstandene Gas vom Diaphragma bzw. dem Gasentstehungsort wegführt und so für das neu zu entwickelnde Gas Raum schafft, ohne dass das entstandene Gas die Möglichkeit hätte, zur andern Elektrode überzutreten und das Gas dieser Elektrode zu verunreinigen ; vielmehr wird jedes
Gas stets in geordneter Weise seinem Sammelraum zugeführt.
Anstatt die Tüten oder Taschen aus der Elektrodenfläche selbst durch Herausdrücken od. dgl. zu formen, können die ttiten-oder tasehenförmigen Gebilde durch besondere, mit der Elektrodenfläche in beliebiger Weise verbundene Wände gebildet sein. Beispielweise können sie aus vertikal, horizontal oder in beliebiger anderer Weise verlaufende Streifen gebildet werden, wie dies später an Hand der Fig. 7
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und 8 ausführlicher erläutert werden wird. Gegebenenfalls kann sich auch jede Tüte oder Tasche, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist, über die ganze Breite der Elektrode erstrecken.
Es ist nicht unbedingt notwendig, dass die Wände der Tüten oder Taschen unter einem rechten Winkel zusammenstossen, vielmehr ist die Form der Tasche beliebig ; sie kann z. B. eine Dreieck-, Trapez-, Bogen-oder irgendeine andere Form haben. Ebenso brauchen die Taschen nicht reihenweise nebenoder übereinander zu liegen, insbesondere können sie, namentlich bei nicht rechteckiger, z. B. dreieckiger Form, versetzt zueinander angeordnet sein, wie dies die Fig. 5 als Draufsicht auf eine solche Elektrodenfläche andeutet.
Die Isolierung dieser Elektrodenformen kann in derselben Weise durchgeführt sein, wie dies ausführlich an Hand der Fig. 1 beschrieben worden ist ; sie kann sich nur auf die Fläche 24 oder auch teilweise auf die taschenförmigen Durchbrechungen, insbesondere auf einen Teil der Innenwand 25 dieser Taschen erstrecken. Die Isolierung kann jedoch auch von der Elektrode selbst unabhängig sein. So zeigt das Beispiel der Fig. 6, wie zwischen den mit Taschen besetzten Elektroden 10 und 11 ausser dem Diaphragma 18 ein besonderer, aus Hartgummi oder einem andern geeigneten Material bestehender Körper 26 angeordnet ist, welcher Durchbrechungen besitzt, die denen der Elektrode entsprechen. Gegebenenfalls kann neben der Verwendung eines solchen besonderen Isolierkörpers auch die Elektrode selbst, z.
B. die Innenwand der Taschenseiten 24, 25 eine Isolierschicht tragen.
Man kann auch die Elektroden mit einem Leim oder Kitt an der zu isolierenden Fläche bestreichen, diesen Leim od. dgl. alsdann durch Andrücken der Platten auf das Diaphragma 18 übertragen und nun an die noch genetzten Stellen pulverförmiges Isoliermaterial, etwa Glas od. dgl. aufbringen. Dieses Pulver wird dann bei dem Andrücken der Platten in das Diaphragma hineingepresst und isoliert dauernd.
Ein grosser Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass das Diaphragma, z. B. ein Asbesttuch, auf der ganzen Fläche vollständig durch Pressung festgehalten und geschützt wird, dementsprechend nicht
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oder ausgefranzt werden kann.
In dem Beispiel der Fig. 7 und 8 sind, wie bereits erwähnt, die Tüten oder Taschen nicht durch Pressen oder Stanzen je eines die Elektrode bildenden Bleches hergestellt, sondern bestehen aus durch Löten, Pressen oder in beliebiger anderer Weise verbundenen Einzelstücken. Das Beispiel der Fig. 7 und 8 zeigt möglichst eng aneinander gestellte lotrechte Blechstreifen 27 bzw. 28, die, um sich der zweckmässigsten, der zylindrischen Form des Zersetzerdruckgefässes 29 anzupassen, am besten radial im Ringe angeordnet sind. Die Streifen 27, 28 können z. B. oben und unten oder an anderer geeigneter Stelle durch Metallringe 30 bzw. 31 gehalten werden.
An jedem dieser Ringe sitzt eine Reihe schmaler Zähne 32,33, die bei dem Ring 31 durch radiale Einschnitte von innen, beim Innenring 30 durch radiale Schnitte von aussen hergestellt sind, und deren Abstand gleich der Dicke eines Elektrodenstreifens 27, 28 ist. Die langen Streifen 27, 28 werden in die Zahnlücken mit ihrem einen Ende eingeklemmt oder in beliebiger anderer Weise befestigt. Der Ring 31 ! gehört zu der einen, der Ring 30 zu der andern Elektrode. Sie liegen daher zweckmässig konzentrisch in einem geringen Abstand voneinander, wie er für den Strom- übergang zwischen den beiden Gruppen von Elektrodenstreifen erwünscht ist. Zweckmässig sind die einander zugekehlten Stirnseiten der Elektrodenstreifen 27, 28 und gegebenenfalls ein Teil der radial stehenden Längsseiten dieser Streifen isoliert.
Auch kann der Raum zwischen den beiden Elektroden-
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ringförmigen Diaphragma 35 fortsetzen kann.
Bei dieser Anordnung können, wie ersichtlich, ausserordentlich grosse Elektrodenflächen auf engem Raum einander gegenübergestellt werden, insbesondere dann, wie die Stärke der Zähne 32,33 sowohl, wie die der Streifen 27, 28 möglichst schwach gewählt ist. Um die Gasbläschen schon von ihrer Entstehungsstelle an in geeigneter Weise zu führen, sind wiederum in geeigneten Höhenabständen von-
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gesehen. Bei einer ringförmigen Ausbildung der Elektroden, wie sie das Beispiel der Fig. 7 und 8 erläutert, setzen sich diese schrägstehenden Streifen 36,37 zu kegelstumpf-oder kragenförmigen Blechen zusammen, die in entsprechenden Schlitzen von den Elektrodenstreifen 27, 28 durchsetzt werden. Die Neigung der kegelförmigen Blechwände 36,37 hängt von den an Hand der Fig. 3 geschilderten Faktoren ab.
So könnte beispielsweise auch die Neigung der kegelförmigen Bleche 37 sich umkehren, also die Gasblasen schräg abwärts geführt werden, wenn sie spezifisch schwerer sein sollten als der Elektrolyt.
In jedem Falle wird das sich entwickelnde Gas durch die kegelförmigen Bleche 36,37 abgelenkt, so dass es aus dem Gasbildungsraum zwischen den Streifen 27, 28 abgeführt wird, u. zw. bei der äusseren Elektrode nach aussen zur druckfesten Wandung 29 des Gefässes hin, bei der Innenelektrode mittels der Wände 36 in den zylindrischen Hohlraum dieser Elektrode. Zweckmässig haben die Kegelstumpfbleche 36,37 eine von. unten nach oben abnehmende Länge, so dass die durch die Bleche 36,37 weggeführten Gasströme möglichst schichtweise nebeneinander aufwärts in den Sammelraum steigen.
Um anderseits auch eine möglichst geordnete, durch den Gasstrom nicht beeinträchtigte Zuführung des Elektrolyten zu den Gaserzeugungsstellen zu erreichen, sind die Wände 36,37 von Rohrstücken 38 durchsetzt. Diese Rohrstücke können bis zu dein Boden des Gefässes, wo sich die Zuführung des frischen
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Elektrolyten befindet, verlängert werden, doch genügt es auch, dass sie, wie dies Fig. 8 zeigt, nur eine kurze Hülsenform besitzen, falls nur ihre untere Mündung 39 tiefer liegt als die Dicke des Gasstromes beträgt, der auf der Unterseite der Wände 56, 57 nach oben streicht.
Die beschriebenen Elektrodenformen, besonders auch diejenigen nach Fig. 2-6, lassen sich, wie dies das Beispiel der Fig. 9 andeutet, auch sehr bequem hintereinander schalten, wobei zweckmässig sämtliche Zellen oder wenigstens eine geeignete Anzahl derselben, satzweise derart konzentrisch zueinander angeordnet werden, dass die Sätze der konzentrischen Zellen übereinander bequem und unter bester Raumausnutzung in dem Druckgefäss Platz finden. Gemäss Fig. 9 umschliesst das Druckgefäss 29 die sämtlichen turmartig übereinander gelegten Sätze der konzentrisch zueinander liegenden ringförmigen Zersetzerzellen, von denen die Fig. 9 einen Satz veranschaulicht.
Die gemäss Fig. 3-6 die Taschen tragenden oder gemäss Fig. 7 und 8 aus Streifen und Kegelstumpfringen zusammengesetzten Elektroden sind hier als konzentrische, rohrformige Teile 40, 41, 42, 43 usf. ausgebildet, deren Durchmesser so gewählt ist, dass die jeweils zusammenarbeitenden Elektroden sich unmittelbar gegenüber stehen und gegebenenfalls nur durch das gleichfalls rohrförmige Diaphragma 44, 45 usf. getrennt sind. Zwischen je zwei benachbarten Zellen liegt eine gleichfalls rohrförmige leitende Scheidewand 46, 47 usf.
In diesem Ausführungsbeispiel sammeln sich die Abscheidungen der Kathode, also z. B. bei Wasserzersetzung der Wasserstoff in einem Behälter 48 an, der zwischen der den Satz nach oben abschliessenden Deckplatte 49 aus isolierendem Stoff und der zweckmässig gleichfalls isolierenden Bodenplatte 50 des nächst höheren Satzes liegt, während der Raum 51 unmittelbar oberhalb der Zellen, den die Zwischenwand 49 oben begrenzt, zur Aufnahme der Abscheidungen der Anode, also z. B. des Sauerstoffs dient.
Von den Kathodenräumen führen zum Sammelraum 48 kurze Rohrstücke 52, die den Sammelraum 51 und die Zwischenwand 49 durchsetzen. Die Abscheidung der Kathode wird aus sämtlichen Sammelräumen 48 einem bzw. mehreren in der Mitte des druckfesten Gefässes angeordneten Abströmrohren 53 zugeführt, während die Anodenabscheidung aus dem Sammelraum 51 nach einem in der Nähe der druckfesten Wandung liegenden Abzugsrohr 54 strömt.
Bei Hintereinanderschaltung sämtlicher übereinander angeordneter Sätze gelangt der Strom von der innersten rohrförmigen Kathode 55 des nächst höheren Satzes durch in den Zwischenwandungen 49 angeordnete Leitungen (z. B. wie bei 56 angedeutet) zur äussersten rohrförmigen Anode 57. Der Strom durchfliesst dann sämtliche Zellen in der Richtung von aussen nach der Mitte des Gefässes und gelangt von der innersten Elektrode 40 zur äussersten Elektrode des nächst unter ihmliegenden Satzes. Gegebenenfalls können auch ein oder mehrere der inneren rohrförmigen Zellen parallel geschaltet werden, was sich besonders dann empfiehlt, wenn sämtliche Elektrodenfläehen möglichst die gleiche Belastung haben sollen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrodenanordnung für elektrolytische Zersetzerzellen, in denen die mit Durchbrechungen versehenen Elektroden dicht aneinander gestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden an den einander benachbarten Seiten am Arbeiten durch ein Isoliermittel verhindert sind, das an der Andichtung des Gefässes unbeteiligt ist.