DE102004019671A1

DE102004019671A1 - Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Durchströmung eines Elektrolytraumes einer Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE102004019671A1
Application number: DE102004019671A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. Böhnke; Hermann Dr. Pütter; Torsten Dr. Mattke
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-11-17
Also published as: WO2005103336A2; EP1743051A2; JP2007533855A; CN1973062A; WO2005103336A3; US20070221496A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Durchströmung eines Elektrolytraumes einer Elektrolysezelle, bei dem durch geeignete konstruktive Maßnahmen eine maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von kleiner 1% bis 25% erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Elektrolysezelle mit mindestens zwei Elektrolyträumen, in denen jeweils mindestens eine Elektrode angeordnet ist und die jeweils einen Eintritts- und einen Austrittsbereich aufweisen, wobei im Eintritts- und/oder Austrittsbereich der Strömungsquerschnitt so verkleinert wird, dass ein zusätzlicher Druckverlust erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Durchströmung eines Elektrolytraumes einer Elektrolysezelle sowie eine Elektrolysezelle.

Elektrolysen sind in der chemischen Industrie von großer Bedeutung. Einsatzgebiete für Elektrolyse sind zum Beispiel die Synthese vom Chlor durch Chlor-Alkali-Elektrolyse oder Chlorwasserstoff-Elektrolyse, elektrolytische Chromsäureregenerierung, elektrochemische Herstellung von Natrium-Dithionit sowie elektrochemische Abwasserreinigung und Metallabscheidung zur Gewinnung reiner Metalle.

Für eine Vielzahl elektrochemischer Zellen ist es erwünscht, eine Elektrodenoberfläche verfügbar zu haben, deren aktive Oberfläche größer ist, als deren rein geometrische Dimensionen.

Prominenteste Beispiele hierzu sind in der Brennstoffzellentechnologie zu finden. So besteht zum Beispiel bei einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle die aktive Elektrodenfläche aus einer auf Ruß basierenden Gasdiffusionsschicht, die mit speziellen Methoden aktiviert, mit Ionomeren gesättigt und hydrophobisiert wird, um den Reaktionsgasen eine vielfach höhere Reaktionsfläche zu bieten, als es den Abmessungen der Gasdiffusionsschicht entspräche.

In der organischen Elektrochemie werden zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche der Elektroden insbesondere für mediatisierte Prozesse, d.h. für Prozesse, in denen geringe Mengen eines elektrokatalytisch wirkenden Redoxsystems in der Reaktionslösung vorliegen, zum Beispiel Elektroden aus Filz verwendet. Ähnliche Anordnungen werden auch in der Elektroenzymatik verwendet. Für die elektrochemische Reduktion von Küpenfarbstoffen wird zum Beispiel eine Multikathodenzelle eingesetzt, die Kathoden enthält, die aus mehreren zusammengefügten Netzlagen bestehen.

Die Oxidation von Zuckern zu Zuckersäuren wird in einem speziellen, mit Anodengittern ausgerüsteten Rührreaktor durchgeführt.

Für die Reduktion von Phthalsäure zu Dihydrophthalsäure werden Kathoden verwendet, denen zur Erhöhung der Umsätze einer Rillenstruktur aufgeprägt wird.

Für Nickeloxid-katalysierte Reaktionen wurde die sogenannte Swiss-Roll-Cell entwickelt. Hierbei sind Anode und Kathode spiralförmig aufgewickelt.

Elektroden, deren aktive Oberfläche größer ist, als deren rein geometrische Dimensionen, werden häufig als auch dreidimensionale Elektroden bezeichnet.

Weiterhin sind auch Anordnungen bekannt, bei denen auf einen Elektrodengrundkörper Schichten mit Materialien großer Oberfläche angeschwemmt wurden.

Für organische und anorganische Elektrolysen sind weiterhin lamellenartige Konstruktionen bekannt, die zum Beispiel aus Bändern mit metallischen Gläsern zusammengesetzt wurden.

In der anorganischen Elektrolyse finden solche dreidimensionalen Elektroden zum Beispiel bei der Abscheidung von Metallspuren aus Abwässern Verwendung. Hierzu werden zum Beispiel filzartige Elektroden oder Elektroden aus Partikelschüttungen eingesetzt.

Für die Herstellung von Natriumdithionit können zum Beispiel Elektroden in Form netzartiger Konstruktion verwendet werden.

Für die derzeit eingesetzten Elektrolysezellen ist die Tatsache von Nachteil, dass die Hydrodynamik auf der Elektrodenfläche, d. h. die 2-Phasenströmung des Flüssigkeit/Gas-Gemisches, durch die konstruktive Festlegung der Gesamtelektrode und des Elektrolytraumes oft nur unzureichend definiert wird. So ist zum Beispiel bei Brennstoffzellen die Gasführung durch sogenannte Flow-Fields genau festgelegt, jedoch ist die Bildung einer flüssigen Phase ein gefürchtetes Phänomen, da dadurch die Gasversorgung, sowie die Potential- und Stromdichteverteilung empfindlich gestört wird. Diese Störung kann zur Zerstörung der Zelle führen.

Die konstruktive Festlegung der Gesamtelektrode und des Elektrolytraumes anhand des Flow-Fields ist in einigen Fällen relativ unkritisch, wie zum Beispiel bei der Chloralkalielektrolyse nach dem Membranverfahren, bei der sich zwei durch eine Membran getrennte, gasentwickelnde Gitterelektroden gegenüberstehen. Durch den Mammutpumpeneffekt, der durch die sich entwickelnden Gasblasen entsteht, ist für eine ausreichende Gleichverteilung in den beiden Elektrolyträumen gesorgt. Es ist weder eine starke, noch eine definierte Umwälzung der Elektrolyte erforderlich.

Bei Elektrolysen, bei denen eine hohe Selektivität bei hohem Umsatz eine kritische Größe ist, treten bei Elektrolysezellen ohne definierte Hydrodynamik Probleme auf. Um Toträume zu vermeiden, in denen es zur unkontrollierten Bildung von Nebenkomponenten kommen kann, und eine optimale Ausnutzung der Elektrodenoberfläche zu erreichen, muss eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Reaktionsflüssigkeit im Elektrolytraum und auf diese Weise eine möglichst homogene Stromdichteverteilung gewährleistet sein. Hierzu ist es erforderlich, die Flüssigkeitsströme auch außerhalb der unmittelbaren Nähe zur Elektrodenoberfläche zu beeinflussen. Toträume sind zum Beispiel Gaspolster (d.h. festsitzende Gasblasen) oder Bereiche in denen keine Flüssigkeitsdurchströmung erfolgt. Solche Bereiche entstehen beispielsweise durch Wirbelbildungen, Rückströmungen oder Aufstauen an Hindernissen im Strömungsweg.

Beim Einsatz von durchströmten porösen Elektroden in Membranelektrolysezellen kann eine ungleichmäßige Druckverteilung im Anolytraum und Katholytraum dazu führen, dass sich zwischen der Membran und der porösen Elektrode ein Bypass ausbildet, durch welchen der Elektrolyt strömt. Dies führt zu einer Verringerung des Umsatzes. Unter Bypass wird dabei bei durchströmten Elektroden eine Strömung verstanden, die an der Elektrode vorbei und nicht durch diese hindurch strömt.

Aus US 4,204,920 ist es bekannt, in einer Membranelektrolysezelle im Anolytraum einen höheren Druck einzustellen als im Katholytraum, so dass die Membran von der Anode weg hin zur Kathode gedrückt wird.

Eine enge Verweilzeitverteilung und damit eine gleichmäßige Durchströmung des Querschnitts, die zur gleichmäßigen Umsetzung in den Elektrolyträumen erforderlich ist, wird durch das Einstellen unterschiedlicher Gegendrücke dem Anolytraum und Katholytraum jedoch nicht erreicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, welches eine gleichmäßige Durchströmung eines Elektrolytraumes einer Elektrolysezelle und damit eine enge Verweilzeitverteilung gewährleistet.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Durchströmung eines Elektrolytraumes einer Elektrolysezelle, bei dem durch geeignete konstruktive Maßnahmen eine maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von kleiner 1 % bis 25% erzeugt wird.

Bevorzugt bilden mindestens zwei Elektrolyträume eine Elektrolysezelle. Dabei ist mindestens ein Elektrolytraum ein Anolytraum und mindestens ein Elektrolytraum ein Katholytraum. Jeweils ein Anolytraum und ein Katholytraum sind benachbart und durch mindestens eine Membran voneinander getrennt.

Die maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit wird vorzugsweise durch den Aufbau eines zusätzlichen Druckverlustes erhalten. Dieser beträgt vorzugsweise das 1 bis 10 fache des Druckunterschiedes im Eintrittsbereich des Elektrolytraumes (d.h. dem Druckverlust im Eintrittsbereich zwischen dem Zulauf zum Eintrittsbereich und der Elektrode im Elektrolytraum, wenn kein zusätzlicher Druckverlust aufgebracht wird). Die Berechnung erfolgt durch Gleichung (1):

wenn der Zulauf in den Eintrittsbereich des Elektrolytraums derart erfolgt, dass sich der eintretende Volumenstrom annähernd gleichmäßig auf zwei Teilströme mit entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung im Eintrittsbereich aufteilt. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn der Zulauf mittig zum Elektrolytraum bezogen auf die Breite des Elektrolytraums erfolgt. Dabei gilt als Breite des Elektrolytraums die Dimension, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung im Elektrolytraum und senkrecht zur Hauptrichtung des elektrischen Feldes (Spaltweite) steht.

Wenn der Zulauf auf eine andere als die oben beschriebene Art erfolgt, wird die Berechnung nach Gleichung (2) durchgeführt:

Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn der Zulauf seitlich zum Elektrolytraum bezogen auf die Breite des Elektrolytraums erfolgt.

Hierin bedeuten:

Δp_DV =: zusätzlicher Druckverlust,
Δp_V =: Reibungsdruckverlust im Eintrittsbereich,
p_dyn=: dynamischer Druck im Eintrittsbereich,
Δp_E =: Gesamtdruckverlust im Elektrolytraum und
A =: maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, wobei 0 keine Abweichung und 1 eine Abweichung von 100 % bedeutet.

Mittig zum Elektrolytraum bezieht sich dabei auf die Mitte des Querschnitts senkrecht zur Strömungsrichtung auf der Anströmseite der Elektrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der zusätzliche Druckverlust durch Druckverlustelemente (d.h. konstruktive Maßnahmen, durch die ein zusätzlicher Druckverlust erzeugt wird) im Eintritts- und/oder Austrittsbereich des Elektrolytraumes erzeugt. Eintrittsbereich ist dabei der Bereich zwischen dem Zulauf zum Elektrolytraum und der Elektrode. Generell erweitert sich dort der Strömungsquerschnitt auf den Querschnitt des Elektrolytraumes und wird die Strömung zur Durchströmung des Elektrolytraumes umgelenkt, sofern der Zulauf nicht in Strömungsrichtung fluchtend mit dem Elektrolytraum ausgerichtet ist. Der Austrittsbereich ist entsprechend der Bereich zwischen der Elektrode und dem Ablauf aus dem Elektrolytraum. Der Eintrittsbereich kann zum Beispiel als Verteiler und der Austrittsbereich als Sammler ausgebildet sein. Durch die Druckverlustelemente wird vorzugsweise eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Druckverlustelemente Einbauten im Eintrittsbereich und/oder Austrittsbereich des Elektrolytraumes.

Durch die Druckverlustelemente im Eintrittsbereich und/oder im Austrittsbereich werden Unterschiede in der Strömungsgeschwindigkeit, die z.B. durch Druckgradienten im Eintrittsbereich oder im Austrittsbereich entstehen, ausgeglichen. Die Druckgradienten resultieren z. B. daraus, dass der Zulauf zum Eintrittsbereich senkrecht zur Strömungsrichtung in der Elektrode angeordnet ist. Hierdurch wird die Flüssigkeit im Eintrittsbereich umgelenkt. Auf der dem Zulauf gegenüberliegenden Seite ist der Eintrittsbereich verschlossen. Die Flüssigkeit strömt zunächst in die Richtung, die durch den Zulauf vorgegeben ist. An der dem Zulauf gegenüberliegenden Seite staut sich die Flüssigkeit auf, wodurch sich der Druck erhöht. Aufgrund des erhöhten Druckes wird die Flüssigkeit dann in die Elektrode umgelenkt. Durch den Einsatz des mindestens einen Druckverlustelementes wird erreicht, dass der Druck nach dem Durchströmen des Druckverlustelementes gleichmäßig verteilt ist. Dies führt zu einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit.

Weitere Komponenten, die zu einer Ungleichverteilung des Druckes im Eintrittsbereich beitragen, sind Trägheitseffekte der Flüssigkeit sowie Reibungsverluste im Eintrittsbereich.

Druckgradienten im Austrittsbereich resultieren zum Beispiel daraus, dass sich am Austritt aus den Elektrolyträumen die Flüssigkeit bzw. das bei der Elektrolyse entstandene Gas im Austrittsbereich sammelt. Der Austrittsbereich verläuft vorzugsweise parallel zur Ausströmseite des Elektrolytraumes. Bei gleich bleibender Querschnittsfläche des Austrittsbereichs nimmt die Geschwindigkeit in Strömungsrichtung aufgrund der zunehmenden Flüssigkeit bzw. Gasmenge zu. Der Austrittsbereich ist ebenso wie der Eintrittsbereich vorzugsweise auf einer Seite verschlossen. Aufgrund der in Strömungsrichtung zunehmenden Flüssigkeits- bzw. Gasmenge im Austrittsbereich, ändert sich auch hier der Druck. Weitere Einflußfaktoren auf die Druckverteilung im Austrittsbereich sind ebenso wie im Eintrittsbereich Trägheitseffekte und Reibung. In einer bevorzugten Ausführungsform sind deshalb zur Gleichverteilung in den Elektrolyträumen Druckverlustelemente im Austrittsbereich angeordnet.

Eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit lässt sich auch erreichen, wenn der Zulauf in den Eintrittsbereich dem Zulauf des Elektrolytraumes gegenüberliegt und sich der Eintrittsbereich in Form eines Diffusors erweitert. Aufgrund der geringen Öffnungswinkel von Diffusoren ist hierfür jedoch viel Platz erforderlich, der häufig zum Einbau der Elektrolysezelle nicht zur Verfügung steht. Auch führt der langsame Übergang von einem Querschnitt zum anderen im Diffusor zu hohen Verweilzeiten und einem entsprechend großen Hold-up. Der Einsatz von Druckverlustelementen im Eintrittsbereich und/oder im Austrittsbereich ermöglicht durch die Anordnung des Zulaufs an beliebiger Stelle des Eintrittsbereichs und des Ablaufs an beliebiger Stelle des Austrittsbereichs einen im Vergleich zum Einsatz von Diffusoren deutlich reduzierten Platzbedarf. Gleichzeitig wird durch das kleinere Volumen des Eintrittsbereichs und des Austrittsbereichs der Hold-up reduziert.

Im Eintrittsbereich bzw. im Bereich des Austrittsbereichs im Sinne der Erfindung bedeutet, dass das Druckverlustelement zwischen dem Zulauf und dem Elektrolytraum bzw. zwischen dem Elektrolytraum und dem Ablauf angeordnet ist.

Für viele Anwendungen werden zur Erzielung höherer Umsätze mehrere, jeweils einen Anolytraum und einen Katholytraum umfassende Elektrolysezellen zu Stapelzellen verbunden. Die Flüssigkeitszufuhr in die einzelnen Elektrolysezellen erfolgt über ein Verteilsystem, welches vorzugsweise einen Kanal, von dem jeweils ein Zulauf zum Eintrittsbereich zu jedem Elektrolytraum abzweigt, umfasst. Auf der Ablaufseite der Elektrolyträume ist jeweils der Austrittsbereich mit einem Ablauf verbunden, der in einen Ablaufkanal mündet.

Dem Fachmann sind Einbauten bekannt, die aufgrund ihrer konstruktiven Gegebenheiten als Druckverlustelemente dienen können. Ein Beispiel für ein Druckverlustelement sind Lochbleche. Die Öffnungen in den Lochblechen können jeden beliebigen Querschnitt annehmen. Bevorzugte Öffnungen in den Lochblechen sind Bohrungen.

Weiterhin eignen sich als Druckverlustelemente auch Platten mit mindestens einem darin aufgenommenen Kanal. Bei mehreren Kanälen sind diese vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Kanäle einen kreisförmigen Querschnitt, da dieser mit herkömmlichen Werkzeugen am einfachsten herzustellen ist. Die Kanäle können aber auch elliptisch oder in Form eines Polygons mit mindestens drei Ecken ausgebildet sein. Auch ist jede weitere dem Fachmann bekannte Querschnittsgeometrie für die in den Platten aufgenommen Kanäle denkbar. Bevorzugt ist auch ein Spalt im Druckverlustelement.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Druckverlustelemente als Gewebe oder als Schaumstruktur oder als Platte mit darin aufgenommenen Kapillaren ausgebildet.

Insbesondere bei Verwendung von Lochblechen oder von Platten mit darin aufgenommenen Kanälen als Druckverlustelemente, kann die Strömung aus dem Druckverlustelement in Form eines Strahles austreten. Dieser Strahl sollte nicht direkt in die Arbeitselektrode übergehen, welche dem Druckverlustelement nachgeschaltet ist, da sonst durch den Strahl ein hoher Druckverlust in der Arbeitselektrode erzeugt wird. Aus diesem Grund wird in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen dem Druckverlustelement und der Arbeitselektrode eine Beruhigungsstrecke zur Verteilung des austretenden Strahls vorgesehen.

Da der Austrittsbereich im Wesentlichen wie der Eintrittsbereich gestaltet ist, kann die Auslegung im wesentlichen wie für den Eintrittsbereich erfolgen. Im Austrittsbereich dominieren jedoch häufig die Reibungseffekte. Auch hat sich gezeigt, dass das gleichmäßige Ausströmen aus den Elektrolyträumen häufig größere Druckverluste für eine Vergleichmäßigung der Strömung erfordert.

Bei Verwendung von porösen Elektroden muß der aufgrund der Durchströmung der Elektrode entstehende Druckverlust ebenfalls bei der Dimensionierung der Druckverlustelemente berücksichtigt werden.

Bei Verwendung einer porösen Elektrode ist zur gleichmäßigen elektrolytischen Umsetzung erforderlich, dass der Elektrolyt gleichmäßig die Elektrode durchströmt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Membran zwischen dem Anolytraum und Katholytraum gegen die poröse Elektrode fixiert wird. In einer bevorzugten Verfahrensvariante erfolgt dies dadurch, dass der Druck in dem Elektrolytraum mit der porösen Elektrode auf einem niedrigeren Niveau gehalten wird, als der Druck im anderen Elektrolytraum. Der Elektrolytraum mit der porösen Elektrode kann dabei abhängig von der Verwendung der Elektrolysezelle der Anolytraum oder der Katholytraum sein. Das in den Elektrolyträumen zum Anpressen der Membran an die poröse Elektrode erforderliche Druckniveau wird bevorzugt durch das Einstellen eines Gegendrucks im Austrittsbereich erzielt.

Der Gegendruck im Austrittsbereich ist dabei so zu wählen, dass der Druck im Elektrodenraum mit der porösen Elektrode an jeder Stelle niedriger ist, als der Druck im anderen Elektrolytraum.

Insbesondere bei der Verwendung von Geweben oder Schaumstrukturen als Druckverlustelemente sind diese in einer weiteren Ausführungsform zusätzliche Elektroden.

Bei Verwendung von Geweben oder Schaumstrukturen bzw. Füllkörpern oder strukturierten Packungen als Druckverlustelemente, kann auf eine Beruhigungsstrecke hinter den Druckverlustelementen verzichtet werden, da sich bereits im Druckverlustelement aufgrund von Querströmungen ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil einstellt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Hierin zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Elektrolysezelle,
2 einen Schnitt durch einen Katholytraum einer Elektrolysezelle,
3 einen Schnitt durch einen Zellenstapel,
4 einen Ausschnitt eines Katholytraumes mit Verteiler und darin aufgenommenen Druckverlustelementen,
5 einen Ausschnitt aus einem Katholytraum mit Verteiler und einem Druckverlustelement mit Kapillaren,
1 zeigt einen Schnitt durch eine Elektrolysezelle.
Eine Elektrolysezelle 1 umfasst einen Anolytraum 2 und einen Katholytraum 3. In der hier dargestellten Ausführungsform ist im Anolytraum 2 eine Anode 4 in Form einer Platte aufgenommen. Neben der plattenförmig ausgebildeten Anode 4 im Anolytraum 2 kann auch die Wand 14 des Anolytraumes 2 als bipolare Platte ausgebildet sein und so die Funktion der Anode 4 übernehmen.
Im Katholytraum 3 ist eine Kathode 5 aufgenommen, die eine poröse Struktur aufweist und den gesamten Katholytraum 3 ausfüllt.
Der Katholytraum 3 ist vom Anolytraum 2 durch eine Membran getrennt. Um eine gleichmäßige Durchströmung der Kathode 5 im Katholytraum 3 zu erreichen, ist die Membran 6 gegen die Kathode 5 fixiert. Hierzu ist vorzugsweise der Druck im Anolytraum 2 an jeder Stelle höher als im Katholytraum 3. Dadurch wird die Membran 6 an die Kathode 5 gepresst. Auf diese Weise werden Bypässe zwischen der Kathode 5 und der Membran 6 vermieden und der gesamte Katholyt strömt durch die als poröse Struktur ausgebildete Kathode 5.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform wird der Anolyt von einem als Anolytverteiler 10 ausgebildeten Eintrittsbereich über ein Druckverlustelement 9.1 dem Anolytraum 2 zugeführt. Über ein weiteres Druckverlustelement 9.3 strömt der Anolyt in einen als Sammler 12 ausgebildeten Austrittsbereich. Die Strömungsrichtung des Anolyten ist durch einen Pfeil mit Bezugszeichen 7 gekennzeichnet.
Der Katholyt strömt von einem als Katholytverteiler 11 ausgebildeten Eintrittsbereich über ein Druckverlustelement 9.2 in den Katholytraum 3, durchströmt dort die Elektrode 5 und strömt schließlich durch ein Druckverlustelement 9.4 in einen als Katholytsammler 13 ausgebildeten Austrittsbereich.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Katholytraum einer Elektrolysezelle. Der Katholytraum ist dabei im Vergleich zu 1 um 90° gedreht.
Der Katholyt gelangt entweder über einen mittigen Zulauf 15 oder einen seitlichen Zulauf 17 in den Katholytverteiler 11. Von dort strömt der Katholyt über das Druckverlustelement 9.2 in den Katholytraum 3, welcher vollständig von der porösen Kathode 5 ausgefüllt ist. Der Katholyt durchströmt die poröse Kathode 5 und gelangt über das Druckverlustelement 9.4 in den Katholytsammler 12. Über einen mittigen Ablauf 16 oder einen seitlichen Ablauf 18 wird der Katholyt aus dem Katholytsammler 12 abgezogen.
3 zeigt einen Schnitt durch einen Zellenstapel.
Ein Zellenstapel 19 umfasst mindestens zwei Elektrolysezellen 1. Es lassen sich jedoch abhängig vom geforderten Durchsatz beliebig viele Elektrolysezellen 1 zu einem Zellenstapel 19 verbinden.
Bei einem Zellenstapel 19 wechseln sich jeweils Anolyträume 2 und Katholyträume 3 ab. In einer Elektrolysezelle 1 sind Anolytraum 2 und Katholytraum 3 durch die Membran 6 getrennt. Zwei Elektrolysezellen sind durch die Wand 14 getrennt, welche zum Beispiel als bipolare Platte ausgebildet sein kann.
Aus 3 ist zu entnehmen, dass jeder Anolytraum 2 und jeder Katholytraum 3 des Zellenstapels 19 über einen Verteiler 10, 11 mit dem entsprechenden Elektrolyt, d.h. Katholyt oder Anolyt, versorgt wird. Der Elekrolyt durchströmt hierzu das Druckverlustelement 9.1, 9.2 und gelangt so in den Anolytraum 2 bzw. Katholytraum 3. Auf der Auslassseite durchströmt der Elektrolyt die Druckverlustelemente 9.3, 9.4 und gelangt so in den jeden Anolytraum 2 bzw. Katholytraum 3 zugeordneten Sammler 12, 13. Die Strömungsrichtung des Elektrolyten ist hier durch die Pfeile 7, 8 gekennzeichnet.
Neben der in den 1 bis 3 dargestellten Strömungsrichtung, bei der der Elektrolyt von unten nach oben durch die Elektrolysezelle 1 strömt, kann der Elektrolyt auch in entgegengesetzter Richtung von oben nach unten durch die Elektrolysezelle 1 strömen. Weiterhin kann die Elektrolysezelle 1 auch so angeordnet sein, dass sich die Verteiler 10, 11 und die Sammler 12, 13 auf einer Höhe befinden. Auch kann die Elektrolysezelle 1 in jedem beliebigen Winkel geneigt sein.
4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Katholytraum mit Verteiler und Druckverlustelement.
Aus 4 ist zu entnehmen, dass der Katholyt im Katholytverteiler 11 quer zur Strömungsrichtung im Katholytraum 3 strömt. Ein Teil des Katholyten strömt über Öffnungen 23 im Druckverlustelement 9.2. Dies führt zu einer Abnahme der Flüssigkeitsmenge und somit zu einer Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit im Verteiler 11. Wenn der Verteiler nur einen Zulauf 15, 17 und keinen Ablauf aufweist, staut sich die Flüssigkeit im Verteiler 11 auf und führt so zu einem mit zunehmenden Abstand vom Zulauf 15, 17 zunehmenden Druck. Ein höherer Druck führt dazu, dass an dieser Stelle mehr Flüssigkeit in den Katholytraum 3 strömt. Durch das Druckverlustelement 9.2, welches einen nach Gleichung (1) oder Gleichung (2) berechneten Druckverlust aufweist, kann eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit über die gesamte Breite der Kathode 5 erreicht werden. Damit der durch die Öffnungen 23 im Druckverlustelement 9.2 strömende Flüssigkeitsstrahl nicht direkt auf die Kathode 5 auftrifft, ist hinter dem Druckverlustelement 9.2 eine Beruhigungsstrecke 21 ausgebildet. In der Beruhigungsstrecke weitet sich der durch die Öffnung 23 tretende Flüssigkeitsstrahl entsprechend der mit dem Pfeil 22 gekennzeichneten Strömungsrichtung. In der Beruhigungsstrecke 21 wird so eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung mit nahezu konstantem Druck und somit mit gleicher Eintrittsgeschwindigkeit in die Kathode 5 erreicht.
Bei Einsatz eines Druckverlustelementes 9.1 im Verteiler 10 zum Anolytraum 2 entspricht der Aufbau dem in 4 für den Katholytraum 3 dargestellten.
Auch auf der Austrittsseite ist vorzugsweise zwischen die poröse Kathode 5 und das Druckverlustelement 9.4 eine Beruhigungsstrecke 21 zwischengeschaltet. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein Aufstauen der Flüssigkeit an den undurchlässigen Bereichen des Druckverlustelementes 9.4 nicht zu einem Aufstauen in der porösen Kathode 5 führt, sondern dass in der Kathode 5 eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit bis in die Beruhigungsstrecke 21 erhalten wird.
Bei Einsatz einer porösen Anode 4 ist auch hier analog zur porösen Kathode 5 eine Beruhigungsstrecke 21 zwischen der porösen Anode 4 und dem Druckverlustelement 9.3 vorzusehen.
Die Öffnungen 23 im Druckverlustelement 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 können zum Beispiel Bohrungen in einem Lochblech sein. Neben dem üblichen kreisrunden Querschnitt von Bohrungen können die Öffnungen 23 auch jeden beliebigen anderen Querschnitt annehmen.
Die Öffnung 23 kann zum Beispiel auch ein Spalt über die gesamte Länge des Elektrolytraumes sein. Unter Länge ist hierbei die größere Ausdehnung der Elektrode senkrecht zur Strömungsrichtung des Elektrolyten zu verstehen.
Weiterhin können – wie in 5 dargestellt – auch Kapillare 24 im Druckverlustelement 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 aufgenommen sein. Hier wird der Druckverlust im Druckverlustelement 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 primär durch Reibungskräfte erzeugt.
Neben den Öffnungen 23 oder den Kapillaren 24 im Druckverlustelement 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 eignen sich als Druckverlustelemente 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 auch Gewebe oder Schaumstrukturen sowie Füllkörper oder strukturierte Packungen.
Beispiel
Eine Plattenelektrolysezelle hat einen durchströmten Querschnitt von 5 mm x 500 mm. Für die Verteilung des Elektrolyten ist ein Verteiler von 20 × 20 × 500 mm vorgesehen. Der Volumenstrom des Elektrolyten beträgt 720 l/h bei einer Elektrolytdichte von 1000 kg/m³. Die Vergleichmäßigung der Strömung soll durch ein Druckverlustelement mit Bohrungen erreicht werden. Dabei soll die maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit 5 % betragen. Die Fehlverteilung soll durch Trägheit bestimmt sein.
Aus Volumenstrom und Querschnitt des Verteilkanals ergibt sich eine maximale Strömungsgeschwindigkeit v von
Daraus ergibt sich ein dynamischer Druck von pdyn = 0,5·p·v2 = 1,25 mbarbei einer Elektrolytdichte p von 1000 kg/m³.
Für die angestrebte Abweichung von 5 % resultiert dann aus Gleichung (1) ein erforderlicher Druckverlust über die Druckverlustelemente von 12,2 mbar. Ein derartiger Druckverlust ergibt sich unter Berücksichtigung des gegebenen Druckverlustbeiwertes nur bei einer Strömungsgeschwindigkeit in der Öffnung v_ö von
bei einem Druckverlustbeiwert ζ = 1,5 der Öffnungen.
Unter Berücksichtigung des Volumenstroms von 720 l/h ergibt sich ein notwendiger maximaler Gesamtdurchflussquerschnitt A_Q von
Bei Bohrlöchern mit jeweils 3 mm Durchmesser entspricht das 17,4 Bohrlöchern. Gewählt werden sollte demzufolge ein Druckverlustelement mit 17 Bohrlöchern.

1: Elektrolysezelle
2: Anolytraum
3: Katholytraum
4: Anode
5: Kathode
6: Membran
7: Strömungsrichtung des Anolyten
8: Strömungsrichtung des Katholyten
9.1, 9.2, 9.3, 9.4: Druckverlustelement
10: Anolytverteiler
11: Katholytverteiler
12: Anolytsammler
13: Katholytsammler
14: Wand
15: mittiger Zulauf
16: mittiger Ablauf
17: seitlicher Zulauf
18: seitlicher Ablauf
19: Zellenstapel
20: Strömungsrichtung im Verteiler 11
21: Beruhigungsstrecke
22: Strömungsrichtung der Beruhigungsstrecke 21
23: Öffnung
24: Kapillare

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Durchströmung eines Elektrolytraumes einer Elektrolysezelle, bei dem durch geeignete konstruktive Maßnahmen eine maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von kleiner 1 % bis 25% erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit durch den Aufbau eines zusätzlichen Druckvelrusts erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Druckverlust das 1 bis 10-fache des Druckunterschiedes im Eintrittsbereich des Elektrolytraumes beträgt, berechnet nach einer der folgenden Gleichungen:
wenn der Zulauf in den Eintrittsbereich des Elektrolytraumes derart erfolgt, dass sich der eintretende Volumenstrom annähernd gleichmäßig auf zwei Teilströme mit entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung im Eintrittsbereich aufteilt, oder
wenn sich der Zulauf nicht gleichmäßig auf zwei Teilströme mit entgegengesetzter Hauptströmungsrichtung im Eintrittsbereich aufteilt, worin p_dyn = dynamischer Druck im Eintrittsbereich, Δp_V = Reibungsdruckverlust im Eintrittsbereich, A = maximale Abweichung von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, wobei 0 keine Abweichung und 1 eine Abweichung von 100 %, Δp_DV = zusätzlicher Druckverlust und Δp_E = Gesamtdruckverlust im Elektrolytraum bedeuten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Druckverlust durch Druckverlustelemente im Eintritts- und/oder Austrittsbereich des Elektrolytraumes erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Druckverlust durch eine Verkleinerung des Strömungsquerschnitts erzeugt wird.
Elektrolysezelle mit mindestens zwei Elektrolyträumen, in denen jeweils mindestens eine Elektrode angeordnet ist und die jeweils einen Eintritts- und einen Austrittsbereich aufweisen und wobei mindestens ein Elektrolytraum ein Anolytraum und ein Elektrolytraum ein Katholytraum ist und jeweils ein Anolytraum und ein Katholytraum benachbart und durch mindestens eine Membran voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Eintritts- und/oder Austrittsbereich der Strömungsquerschnitt so verkleinert wird, dass ein zusätzlicher Druckverlust erzeugt wird.
Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Druckverlust durch den Einbau mindestens eines Druckverlustelementes erzeugt wird.
Elektrolysezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Druckverlustelement eine poröse Struktur aufweist oder ein Lochblech ist oder eine Platte mit darin aufgenommenen Kanälen ist.
Elektrolytraum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Druckverlustelement als Gewebe, Schaumstruktur oder Platte mit darin aufgenommenen Kapillaren ausgebildet ist.
Elektrolytraum nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckverlustelement Füllkörper oder strukturierte Packungen verwendet werden.
Elektrolytraum nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Druckverlustelement eine Elektrode ist.
Elektrolytraum nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode eine poröse Struktur aufweist.
Elektrolytraum nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsbereich parallel zur Anströmrichtung des Elektrolytraumes ausgerichtet ist.
Elektrolytraum nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich parallel zur Ausströmseite des Elektrolytraumes ausgerichtet ist.