DD279274A1 - Geteilte bipolare mehrfachzelle zur durchfuehrung unter gasentwicklung ablaufender elektrochemischer prozesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine geteilte bipolare Mehrfachzelle in Filterpressenbauart zur Durchfuehrung unter Gasentwicklung ablaufender elektrochemischer Prozesse, insbesondere geeignet fuer die Wasserelektrolyse. Vorgeschlagen wird eine Gas-Lift-Zelle mit in die Einzelzellen integrierten gasblasenbedingten Elektrolytumlaufsystemen. Diese werden durch bipolare Elektroden ausgebildet, die aus je zwei einseitig profilierten Elektrodenblechen bestehen, die mit den Profilseiten nach aussen in der Weise angeordnet sind, dass im Innern senkrechte Rueckstroemkanaele ausgebildet werden. Diese sind durch untere und obere Ueberstroemoeffnungen in jeweils einem der beiden Elektrodenbleche mit dem angrenzenden, durch die Profilierung in parallel durchstroemte Elektrolysekanaele aufgeteilten Elektrodenraeumen verbunden. Hohe Raum-Zeit-Ausbeuten bei minimalem mittleren Elektrodenabstand und geringstmoeglichem Spannungsabfall sind damit realisierbar.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung betrifft eine geteilte, bipolare Elektrolysezelle in Filterpressenbauart zur Durchführung unter Gasentwicklung ablaufender elektrochemischer Prozesse. Die erfindungsgemäße Dipolarzelle kann für verschiedene elektrochemische Reaktionen mit Gasentwicklung an mindestens einer Elektrode verwendet werden, insbesondere aber für die Wasserelektrolyse.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Durchführung unter Gasentwicklung ablaufender elektrochemischer Prozesse können Gas-Lift-Zellen Verwendung finden, bei denen der gasblasenbedingte Auftrieb zielgerichtet zur Kreislaufführung des Elektrolyten über intern oder extern angeordnete Rückströmkanäle genutzt wird. Je größer der im Kreislauf geförderte Volumenstrom. um so geringer ist der stationäre Gasphasenanteil und die dadurch bedingte Zeilspannungserhöhung. Interne, innerhalb der bipolaren Einzelzellen angeordnete Rückströmkanäle ermöglichen minimale Abständezwischen den Elektrodenräumen und den Rückströmkanälen. In der DD-PS 144427 sind solche Gas-Lift-Zellen mit hinter oder innerhalb der Elektroden angeordneten internen Rückströmkanälen beschrieben. Dabei wird aus Stabilitätsgründen für die bipolaren Einzelzellen im allgemeinen ein starrer Elektrodenkörper mit seitlicher Elektrolytzuführung verwendet, wodurch die Abstände zweier bipolarer Einheiten relativ groß sind und dadurch die erreichbaren Raum-Zeit-Ausbeuten begrenzt werden. Eine weitere Bipolarzelle, bei der die internen Rückströmkanäle seitlich von der elektrochemisch aktiven Zone angeordnet sind und die gesamte Stärke einer bipolaren Einheit einnehmen, wurde in der DD-PS 224059 vorgeschlagen. Obwohl die Rückströmkanäle dadurch auch im Falle optimaler Elektrodenabstände eine Stärke von 5 bis 7 mm und damit einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, verbleibt das konstruktive Problem zur Durchführung der Elektrolytlösungen durch die nur 2 bis 3mm starken Dichtrahmen. Bei solchen elektrochemischen Prozessen, die durch eine große Gasbildungsdichte gekennzeichnet sind (z. B. Wasserelektrolyse), bereitet auch die Abtrennung der dispergierten Gasphase in den relativ enge" spaltförmigen Gasabtrennzonen Schwierigkeiten. Die zur Stabilisierung der Umlaufströmung erforderliche Aufteilung der Elektrodenräume in parallel durchströmte Kanäle (nachfolgend als Elektrolysekanäle bezeichnet) kann durch Anordnung von Abstandsstreifen auf der Elektrode erfolgen, was allerdings mit dem Nachteil der Blockierung eines Teiles der Elektrodenoberfläche verbunden ist. Günstiger ist die Verwendung nicht durchgehend profilierter Diaphragmen nach DD-PS 141 463, deren poröse mit Elektrolyt gefüllte Rippen einen Beitrag zur Leitfähigkeit liefern. Aber auch dabei ist ein Teil der verfügbaren Elektroden- bzw. Diaphragmentfläche nur in geringerem Maße wirksam. Au ;h läßt sich diese Methode bei Verwendung von lonenaustauschermembranen als Trennsystem nicht anwenden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist deshalb eine solche konstruktive Lösung, die eine größere elektrochemische Wirksamkeit der verfügbaren Elektrodenfläche bei minimalem Elektrodenabstand unter Beibehaltung optimal dimensionierter Rückströmkanäle für den Elektrolytumlauf ermöglicht, wodurch bei vergleichbar hoher Raum-Zeit-Ausbeute die Nachteile der bekannten technischen Lösungen vermieden werden.

Darlegung dos Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei minimalen Abständen zw'schen Trennsystem und Elektroden in der elektrochemisch aktiven Zone einen größeren Abstand für die internen Rückströmkanäle konstruktiv zu ermöglichen und damit günstigere Voraussetzungen für einen hohen Elektrolytumlauf und eine gute Gasabtrennung zu schaffen. Die Erfindung beinhaltet eine geteilte bipolare Mehrfachzelle zur Durchführung unter Gasentwicklung ablaufender elektrochemischer Prozesse, bestehend aus bipolaren Einzelzellen mit durch Trennsysteme (Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen) geteilten und von inneren Dichtrahmen begrenzten elektrochemisch aktiven Bereichen. Sie ist gekennzeichnet dadurch, daß die bipolaren Elektroden aus je zwei einseitig nicht durchgehend profilierten Elektrodenblechen bestehen, die in den elektrochemisch aktiven Bereichen mit den Profilseiten nach außen in der Weise angeordnet sind, daß im Innern senkrechte Rückströmkanäle ausgebildet werden, die durch untere und obere Überströmöffnungen in jeweils einem der beiden Elektrodunbleche mit den angrenzenden, durch die Profilierung in parallel durchströmte Elektrolysekanäle aufgeteilten, Elektrodenräumen w internen Elektrolytumlaufsystemen verbunden sind. Die Elektrolysekanäle für den Gegenelektrolyten, die durch die profilierten Elektrodenbleche ohne Überströmöffnungen ausgebildet werden, sind erfindungsgemäß bevorzugt durch untere und obere Überströmöffnungen in den inneren Dichtrahmen mit den parallel zu den elektrochemisch aktiven Bereichen zwischen inneren und äußeren Dichtrahmen angeordneten, die gesamte Stärke der bipolaren Einheit einnehmenden, Rückströmkanälen zu verbinden. Die Querschnitte der durch die Profilierung erfindungsgemäß ausgebildeten parallel durchströmten Elektrolysekanäle sind vorzugsweise dreieckig bis halbkreisförmig. Die Überströmöffnungen zu de.ι Rückströmkanälen im Innern der Bipolarelektrode können in einfacher Weise dadurch realisiert werden, daß das eine der beiden profilierten Elektrodenbleche unten und oben so mit Ausschnitten versehen wird, daß die angrenzenden äußeren Elektrolysekanäle mit den inneren Rückströmkanälen eine ausreichend dimensionierte Umlenk- bzw. Gasabtrennzone ausbilden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Profiltiefe der beiden, die bipolare Elektrode bildenden profilierten Elektrodenbleche 2 bis 10, vorzugsweise 4 bis 6mm beträgt. Die profiliei te elektrochemisch wirksame Höhe der Elektrodenbleche soll vorzugsweise 500 bis 2000mm betragen. Damit wird auch bei dieser speziellen erfindungsgemäßen konstruktiven Lösung den bekannten allgemeinen Forderungen hinsichtlich solcher optimal dimensionierter Gas-Lift-Zellen Rechnung getragen. Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäß aufgebauten Gas-Lift-Zelle soll anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

Fig. 1: Einen Querschnitt durch die elektrochemisch aktiven Zonen zweier bipolarer Einheiten. Fig. 2: Einen Längsschnitt im Schnittverlauf A-A durch den im Fig. 1 dargestellten Querschnitt.

Aus Gründen der Vereinfachung wurde auf sämtliche Kanäle für die Zu- und Abführung der Elektrolysemedien und auf alle Zellenbaugruppen außerhalb der elektrochemisch aktiven Zone verzichtet. Aus Fin. 1 ist ersichtlich, wie die bipolaren Elektroden durch die beiden erfindungsgemäß profilierten Elektrodenbleche 1,2 ausgebildet werden. Zwei benachbarte bipolare Elektroden werden durch geeignete Trennsysteme 3 (lonenaustauschermembranen oder Diaphragmen) voneinander abgegrenzt. Sowohl die Bipolarelektroden als auch die Trennsysteme sind in den geteilten inneren Dichtrahmen 4 eingelassen. Es wird deutlich, wie beim hier angewandten rechtwinkligen Dreiecksprofil sowohl dreieckige Elektrolysekanäle für den intern umlaufenden Elektrolyten 5 bzw. den Gegenelektrolyten 6 als auch annähernd quadratische Rückströmkanäle 7 innerhalb der bipolaren Elektrode ausgebildet werden.

Fig. 2 verdeutlicht, wie durch die im profilierten Elektrodenblech 1 angebrachten Ausschnitte untere und obere Überströmöffnungen 8,9 für den intern umlaufenden Elektrolyten ausgebildet werden, welche die Elektrolysekanäle 5 mit den Rückströmkanälen 7 zu internen Umlaufsystemen verbinden. Der gasblasenbedingte Elektrolytumlauf wird durch Pfeilt verdeutlicht.

Aus dieser Prinzipdarstellung ist auch ersichtlich, daß der mittlere geometrische Abstand Elektrode-Trnnnsystem der halben Profiltiefe entspricht, da er vom Nullabstand an den Auflageflächen bis zum maximalen Abstand bei voller Profiltiefe variiert. Der mittlere elektrochemisch wirksame Abstand ist noch geringer, da die Stromdichte im Bereich des Nullabstandes am größten ist und bis zur maximalen Profiltiefe stetig abnimmt, wobsi die Stromdichteverteilung vom konkreten Stofsystem in bekannter Weise abhängig ist.

Im Vergleich zu einer Zelle mit Planelektroden nach DD-PS 224059 ist es deshalb durch die erfindungsgemäße konstruktive Lösung möglich, bei gleichermaßen niedrigem elektrochemisch wirksamen Abstand zweier bipolarer Elektroden von 5 bis 7 mm den Abstand zweier bipolarer Einheiten und damit die Stärke der Dichtrahmen zu verdoppeln. Dadurch ergeben sich entscheidende konstruktive Vorteile bei der Gestaltung der Überströmöffnungen zu den seitlich angeordneten Rückströmkanälen für den Kreislauf des Gegenelektrolytei. und für die Strömungsbedingungen im gesamten Rückströmsystem. Trotz dieses vergrößerten Abstandes zweier bipolarer Einheiten kann die hohe Raum-Zeit-Ausbeute der Bipolarzelle nach DD-PS 224059 aufrecht erhalten werden, da die wirksame freie Elektrodenoberfläche durch die Profilierung und durch Wegfall der einen Teil der Elektrodenfläche blockierenden Abstandsstreifen annähernd verdoppelt werden kann, bezogen auf gleiche Gesamtflächen der elektrochemisch wirksamen Bereiche.

Insgesamt kann also davon ausgegangen werden, daß es durch die erfindungsgemäße Bipolarzelle gelingt, entweder bei gleicher Raum-Zeit-Ausbeute und gleichem mittleren Abstand zweier bipolarer Elektroden die geometrischen Verhältnisse für die gasblasünbedingten Elektrolytumläufe weiter zu verbessern oder aber bei vergleichbaren geometrischen Bedingungen Kr die Elektrolytumläufe die Raum-Zeit-Ausbeute weiter zu erhöhen und dabei den elektrochemisch wirksamen Elektrodenabstand sogar noch zu verringern.

Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Bipolarzelle zur Durchführung der Wasserelektrolyse verwendet werden, wobei als Elektrodenmaterial in bekannter Weise Nickel eingesetzt werden kann. Der eine Elektrolyt, z. B. der Anolyt, kann innerhalb dfer Elektrode, der Gegenelektrolyt, z. B. der Katolyt, in einem parallel zur Elektrode angeordneten Rückströmkanal rückgeführt werden. Im folgenden Ausführungsbeispiel wird eine vorzugsweise Ausführungsforrri für einen solchen erfindungsgemäßen Elektrolyseur beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Der konstruktive Aufbau eines bipolaren Elektrolyseurs, insbesondere geeignet für die Wasserelektrolyse, soll anhand der Figur 3 erläutert werden. Dargestellt ist ein Block von 6 bipolaren Einzelzellen in folgenden Ansichten:

a) Eine Vorderansicht einer bipolaren Einheit, bestehend aus den Dichtrahmen, der bipolaren Elektrode und der dahinter angeordneten Trennplatte mit dem Diaphragma bzw. der Ionenaustauschermembran.

b) Ein Längsschnitt durch ein aus 6 bipolaren Einzelzellen bestehendes Zellensegment, wobei je zwei bipolare Einheiten in unterschiedlichen Ebenen geschnitten dargestellt sind.

c) Ein Querschnitt durch das gleiche aus 6 bipolaren Einzelzellen bestehende Zellensegment, ebenfalls in unterschiedlichen Ebenen geschnitten dargestellt.

Jede bipolare Einheit wird durch äußere Dichtrahmen 10 und innere Dichtrahmen 4 in je einen elektrochemisch aktiven und inaktiven Bereich aufgeteilt. Die inneren Dichtrahmen sind in Dichtrahmen für den intern umlaufenden Elektrolyten (im vorliegenden Fall der Anolyt) und Dichtrahmen für den Gegenelektrolyten (im vorlief enden Fall der Katolyt) unterteilt. Dazwischen eingelagert befindet sich die bipolare Elektrode. Sie besteht aus den beiden mit Dreiecksprofilen versehenen Elektrodenblechen 1,2. Das in der Ansicht Fig.3a sichtbare Elektrodenblech 2, im vorliegenden Fall die Katodenseite der bipolaren Elektrode, bildet im profilierten Teil die Elektrolysekanäle für den Gegenelektrolyten 6 mit annähernd dreieckigem Querschnitt aus.

Dg dieses Elektrodenblech keinerlei Durchbrüche enthält, hat der Gegenelektrolyt auch keine Verbindung zu den innerhalb der bipolaren Elektrode erfindungsgemäß ausgebildeten Rückströmkanälen 7. Durch die mit Stützgliedern versehenen unteren und oberen Überströmöffnungen 11,12 in den inneren Dichtrahmen sowie die unteren und oberen Querkanäle 13,14 werden die Elektrolysflkanäle für den Gegenelektrolyten bei gleichzeitiger Querschnittserweiterung mit den zwischen inneren und äußei en Dichtrahmen angeordneten Rückströmkanälen 15 zu geschlossenen Umlaufsystemen verbunden. Das in der Ansicht Fig. 3a verdeckte EKiktrodenblech 1, im vorliegenden Fall die Anodenseite der bipolaren Elektrode, bildet im profilierten Teil die Elektrolysekanäle 5 für den irtern umlaufenden Elektrolyten aus. Im unteren und oberen Übergangsbereich zwischen profilierter und unprofilierter Zone sind die Überströmöffnungen δ, 9 angeordnet, durch die die Elektrolysekanäle für den intern umlaufenden Elektrolyten bei gleichzeitiger Querschnittserweiterung mit den Rückströmkanälen innerhalb der bipolaren Elektrode 7 zu Umlaufsystemen verbunden sind. Die Zu- und Abführung des intern umlaufenden Elektrolyten erfolgen über untere und obere (jberströmöffnungen 16,17 im inneren Dichtrahmen, die wiederum mit Stützgliedern ausgestattet sind, sowie durch untere und obere senkrechte Überströmkanäle 18,19.

Zwischen Anoden- und Katodenrahmen eingelassen, befindet sich im elektrochemisch aktiven Bereich das Trennsystem 3 im vorliegenden Fall ein poröses Diaphragma. Es verhindert weitgehend den Austausch der Gase, ermöglicht aber in gewissem Umfang den Elektrolytdurchtritt. Die Ausrüstung einer bipolaren Einheit wird vervollständigt durch eine in der Ebene des Trennsystems außerhalb des elektrochemisch aktiven Bereiches angeordnete Trennplatte 20, welche die für den Elektrolyt- und Gastransport zwischen den einzelnen bipolaren Einheiten erforderlichen Durchbrüche enthält. So erfolgt die Zu- bzw. Abführung des intern umlaufenden Elektrolyten zu bzw. von den Einzelzellen durch die Durchbrüche 21,22. Die in beiden Elektrodenräumen gebildeten Gase, im vorliegenden Fall Wasserstoff und Sauerstoff, werden durch die oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnete Durchbrüche 23, 24 abgeführt. Durch außerhalb des Elektrolyseurs angeordnete Tauchungen wird in den internen Elektrolytumlaufsystemeii ein geringer Überdruck eingestellt, wodurch ständig ein Anteil des intern umlaufenden Elektrolyten durch das poröse Diaphragma tritt. Dieser Anteil verläßt den Elektrolyseur über die Durchbrüche 25 in der Trennplatte 2OaIs Gegenelektrolyt.

Claims (5)

1. Geteilte bipolare Mehrfachzelle zur Durchführung unter Gasentwicklung ablaufender elektrochemischer Prozesse, bestehend aus bipolaren Einzelzellen mit durch Trenr.systeme (3) (Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen) geteilten und von inneren Dichtrahmen (4) begrenzten elektrochemisch aktiven Bereichen, gekennzeichnet dadurch, daß die bipolaren Elektroden aus je zwei einseitig nicht durchgehend profilierten Elektrodenblechen (1, 2) bestehen, die in den elektrochemisch aktiven Bereichen mit den Profilseiten nach außen in der Weise angeordnet sind, daß im Innern senkrechte Rückströmkanäle (7) ausgebildet werden, die durch untere und oDere Überströmöffnungen (8.. 9) in jeweils einem der beiden Elektrodenbleche (1) mit den angrenzenden, durch die Profilierung in parallel durchströmte Elektrolysekanäle (5) aufgeteilten Elektrodenräumen zu internen Elektrolytumlaufsystemen verbunden sind.

2. Zelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrolysekanäle für den Gegenelektrolyten (6), die durch die profilierten Elektrodenbleche (2) ohne Überströmöffnungen ausgebildet werden, durch untere und obere Überströrnöffnungen in den inneren Dichtrahmen (11,12) mit den parallel zu den elektrochemisch aktiverten Bereichen zwischen inneren und äußeren Dichtrahmen (4,10) angeordneten, die gesamte Stärke der bipolaren Einheiten einnehmenden, Rückströmkanälen (15) verbunden sind.

3. Zelle nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Querschnitte der durch die Profilierung ausgebildete^parallel durchströmten Elektrolysekanäle (5, 6) vorzugsweise dreieckig

• bis halbkreisförmig sind.

4. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Profiltiefe der beiden die bipolare Elektrode bildenden profilierten Elektrodenbleche 2 bis 10, vorzugsweise 4 bis 6mm beträgt.

5. Zelle nach den Ansprüchen 1 bis A₁ gekennzeichnet dadurch, daß die profilierte, elektrochemisch wirksame Höhe der clektrodenbleche vorzugsweise 500 bis 2000mm beträgt.