DE102005003526A1

DE102005003526A1 - Elektrolysezellen mit einer segmentierten und monolithischen Elektrodenkonstruktion

Info

Publication number: DE102005003526A1
Application number: DE102005003526A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Beckmann; Karl-Heinz Dulle; Frank Funck; Randolf Dr. Kiefer; Peter Woltering
Original assignee: Uhdenora SpA
Current assignee: ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers Italia SRL
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-07-27
Also published as: WO2006079523A2; WO2006079523A3; US7780822B2; EP1841900A2; US20080093214A1; EP1841900B1; KR101246123B1; CA2593271A1; RU2362840C1; CN101107386A; BRPI0607236B1; KR20070095449A; BRPI0607236B8; JP5264179B2; CA2593271C; BRPI0607236A2; CN101107386B; RU2007139769A; JP2008528795A

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysezelle, die aus zwei Halbschalen besteht und im wesentlichen Zu- und Ableitungen sowie diversen Einbauten zur Strömungsführung, eine Membran und eine Anode und ein Kathode umfasst. Die Elektrode weist hierbei eine beliebige Oberflächenstruktur auf und ist weiterhin auf der der Membran abgewandten Seite über Stege elektrisch leitend mit der jeweiligen Halbschale verbunden. Dabei ist das Hauptmerkmal der Erfindung, dass die Elektroden segmentiert sind und jedes Elektrodensegment mit den tragenden, angrenzenden Stegen aus einem einzigen Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet ist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysezelle, die aus zwei Halbschalen besteht und im wesentlichen Zu- und Ableitungen sowie diverse Einbauten zur Strömungsführung, eine Membran und eine Anode und eine Kathode umfasst. Die Elektrode weist hierbei eine beliebige Oberflächenstruktur auf und ist weiterhin auf der der Membran abgewandten Seite über Stege elektrisch leitend mit der jeweiligen Halbschale verbunden. Dabei ist das Hauptmerkmal der Erfindung, dass eine oder beide Elektroden segmentiert sind und jedes Elektrodensegment mit den tragenden, angrenzenden Stegen aus einem einzigen Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet ist.

Es ist im Stand der Technik bekannt, die Elektroden über Stege mit der Innenwand der zugehörigen Halbschale zu verschweißen, wobei die Stege senkrecht zur Elektrode und der Halbschalenrückwand stehen, also in Richtung der Presskraft ausgerichtet sind. Im Bereich zwischen der Membran und den Elektroden werden elektrisch isolierende Distanzstücke eingelegt, so dass die Membran unter Einwirkung der von außen anliegenden Presskraft zwischen einer Vielzahl von Distanzstücken eingeklemmt und somit fixiert ist. Dabei liegen sich je zwei Distanzstücke paarweise gegenüber und die vorgenannten Stege sind im Auflagebereich der Distanzstücke auf der gegenüberliegenden Elektrodenseite positioniert.

Derartige Elektrolyseapparate sind aus DE 196 41 125 A1 und aus EP 0 189 535 B1 bekannt. Die Komponenten der Zelle sind unter anderem dahingehend optimiert, dass der Materialverbrauch minimiert ist und gleichzeitig auch die benötigte Steifheit und Festigkeit der fertigen Zelle sichergestellt sind. Bei der Herstellung einer Vorrichtung nach DE 196 41 125 A1 ist es erforderlich, die einzelnen zum Teil relativ dünnwandigen Elemente vorzufertigen, auf einer Richtbank zu positionieren und dort zu verschweißen. Dies ist bei Aufträgen mit großen Stückzahlen bei mehreren tausend Einzelzellen pro Zellensaal ein sehr zeitaufwendiger und kostenintensiver Vorgang.

An die Maßhaltigkeit der Zelleneinbauten sind dabei hohe Anforderungen gestellt, da schon geringe Abweichungen, welche beispielsweise aufgrund von thermisch bedingter Materialdehnung, fehlerhafter Positionierung der Komponenten oder Schwankungen der Abmessungen der einzelnen Einbauteile, zu Problemen beim Einbau oder Problemen im Betrieb der Zellen führen können.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, den Mangel im Stand der Technik zu beheben und einen Elektrolyseapparat zu offenbaren, der Zelleneinbauten umfasst, bei welchen die Maßhaltigkeit verbessert und der Einbau dieser Komponenten vereinfacht ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Elektrolysezelle, welche aus zwei Halbschalen besteht und im wesentlichen Zu- und Ableitungen sowie diverse Einbauten zur Strömungsführung, eine Membran und eine Anode und eine Kathode umfasst. Die Elektroden weisen beliebige Oberflächenstrukturen, -profile und/oder Perforationen auf. Auf der der Membran abgewandten Seite sind die Elektroden über Stege elektrisch leitend mit der jeweiligen Halbschale verbunden und weisen sich dadurch aus, dass die Elektroden segmentiert sind und jedes Elektrodensegment mit mindestens einem tragenden, angrenzenden Steg aus einem einzigen Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet ist, wobei idealerweise jedes Elektrodenelement mindestens mit zwei tragenden, angrenzenden Stegen aus einem einzigen Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet ist.

Somit liegt ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass das Toleranzfeld von üblicherweise 2,7 m², der Größe einer Standardelektrode, mehrfach verkleinert wurde und weiterhin bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die Toleranz der Höhe des Formkörpers nur noch von einem Bauteil beziehungsweise Bearbeitungsschritt abhängig ist. Im Stand der Technik sind hinsichtlich der Höhe von Steg und Elektrode noch die Maßhaltungen von zwei Bauteilen wichtig, nämlich die Steglänge und die Materialstärke des Elektrodenbleches, wobei die Verbindung dieser Komponenten dem thermischen Einfluss des Schweißverfahrens unterworfen ist.

Die Positionierung der Elektrode parallel zur Membranebene ist vereinfacht, da die Stege bereits mit der Elektrode verbunden sind. Durch entsprechend große Toleranzen im Auflagebereich der Stegfüße und in der Ebene parallel zur Membran, ist die Möglichkeit zum Verschieben während der Ausrichtung sehr leicht vorzusehen. Ein thermischer Verzug bei der Fixierung der Stege an der Elektrode entfällt, da diese nicht mehr angeschweißt werden, sondern in kaltem Zustand über Biege- oder Stanzverfahren gebildet werden. Ein weiterer Vorteil liegt natürlich auch in der Verringerung der Anzahl an Einzelkomponenten gegenüber dem bekannten Stand der Technik.

In einer verbesserten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle weisen die Stege einen oder mehrere parallel zur Elektrode ausgerichtete Standfüße auf, welche aus dem selben Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet sindund welche im eingebauten Zustand mit der jeweiligen Halbschale der Elektrolysezelle verschweißt sind. Derartige Füße vereinfachen das Schweißverfahren und fördern die Steifigkeit des monolithischen Elektrodensegments und der Zelle als Ganzes.

Vorteilhafterweise sind diese Standfüße der Elektrodensegmente in einer optimierten Variante der Zelle als Zähne ausgebildet, so dass diese in das gegenüberliegende Zahnprofil eines benachbarten Elektrodensegments passen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Standfüße im eingebauten Zustand auf der gesamten Länge der Stege derart abgewinkelt, dass alle parallel zur Elektrode verlaufen und in die selbe Richtung weisen. Diese Variante erlaubt eine beliebige Breite der Standfüße der monolithischen Elektrodensegmente.

Weiterhin ist von der Erfindung eine Vorrichtung umfasst, bei welcher zwischen den Stegen benachbarter Elektrodensegmente und auf den Übergangskanten zwischen Elektroden und den Stegen Formstücke positioniert sind, welche die Membran fixieren und zur Kraftdurchleitung dienen. Dabei werden diese Formstücke und die Übergangsbereiche der Elektrodensegmente derart geformt, dass diese eingesteckt oder eingerastet werden können. Das Distanzstück ist dabei idealerweise derart geformt, dass es einen Teil aufweist, der oberhalb der Membran liegt und sich auf die Elektrode stützt und einen weiteren Teil aufweist, welcher sich als Feder oder Zapfen in die Nut einfügt, welche durch den Zwischenraum zwischen die angrenzenden Stege gebildet wird.

Ein wichtiger Vorteil dieser gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbesserten Plazierung der Distanzstücke konnte überraschenderweise darin erblickt werden, dass diese Distanzstücke durch die Elektrodensegmente exakter mit dem jeweiligen Gegenstück in Deckung gebracht werden. Jedes der elektrisch isolierenden Distanzstücke inaktiviert die Membran im Kontaktbereich, so dass paarweise Distanzstücke, welche nicht exakt in Deckung positioniert sind, die inaktive Membranfläche zusätzlich vergrößern.

In einer weiteren verbesserten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stege eine Kehlung aufweisen, in welche mindestens ein Blech zur Strömungsführung und/oder Versteifung der Konstruktion eingeführt werden kann.

Diese Möglichkeit und dieser Vorteil für die Strömungsführung stand im vorveröffentlichten Stand der Technik aus fertigungstechnischen Gründen nicht zur Verfügung, da durch ein derartiges Einschubblech ein erforderlicher Freiheitsgrad für die Ausrichtung der Stege verloren gegangen wäre. Da in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die Stege aber fixiert sind und die Distanzelemente an den Übergangskanten der Elektroden zu den Stegen ausgerichtet werden, ist dies sehr einfach möglich.

In einer verbesserten Ausführungsform weist die Kehlung zur Aufnahme eines Bleches einen Winkel bis zu 15° zur Elektrode auf. Im Betrieb der Zelle steigt das gebildete Halogengas als Gasblase auf, so dass im oberen Bereich der Elektrolysezelle durch Schaum und Gasblasen ein größeres Volumen eingenommen wird. Durch ein geneigtes Leitblech, welches im oberen Bereich der Elektrode einen größeren Querschnitt freigibt, kann der Abfluss des Schaumes aus der Zelle und die Rückströmung der unverbrauchten Lauge zum unteren Bereich der Elektrode optimiert werden.

Nachstehend soll beispielhaft und nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt die Erfindung anhand von Darstellungen näher erläutert werden. In 1 sind in einer perspektivischen Darstellung zwei Segmente A und B der erfindungsgemäßen Elektrode 1 dargestellt. Die Elektrode 1 ist mit den Stegen 2 über einen Übergangsbereich 3 auf beiden Seiten verbunden.
Die Standfüße 4 am Ende der Stege 2 sind parallel zur Elektrode 1 und senkrecht zum Steg 2 nach außen abgewinkelt. Die Standfüße 4 liegen im eingebauten Zustand auf der Rückwand 10 der Zellenwand an. In der in 1 gezeigten Darstellung sind die Standfüße 4 durchgehend geformt.
In 2 ist das Distanzstück 7 dargestellt, welches im Übergangsbereich 3 zwischen Elektrode 1 und Steg 2 eingesetzt ist. Dabei liegt der obere Teil des Formstückes 8 auf dem Übergangsbereich 3 auf und der untere Teil des Formstückes 9 ragt in die durch die benachbarten Stege 2 entstehende Lücke. Die Standfüße 4 sind in 2 ebenfalls als durchgehende Füße dargestellt.
Eine Ausführungsart, in welcher die Standfüße 4 als Zähne ausgeführt sind, ist in 3 dargestellt. Die Zahnreihen werden im eingebauten Zustand bis unter den benachbarten Steg eingeschoben, so dass eine möglichst kleine Auflagefläche entsteht. Dabei sind die Abmessungen der einzelnen Zähne derart gewählt, dass im eingeschobenen Zustand und vor dem Verschweißen etwas Spielraum für eine gegebenenfalls notwendige Ausrichtung vorhanden ist.
Weiterhin zeigt 3 zwei Elektrodensegmente, wobei die Elektrode in diesem Beispiel eine Lamellenstruktur aufweist. In den Stegen 2 ist eine Kehlung 5 vorgesehen, worin das Blech 6 eingelegt ist. Dieses Blech 6 erhöht einerseits die Steifigkeit des Elektrodensegments und erzeugt zusätzlich zwei definierte Strömungsräume, in welchen sich entgegengesetzt fließende Strömungen ausbilden. In dem Strömungsraum zwischen der Elektrode 1 und dem Blech 6 liegt im Betrieb der Zelle eine aufwärts gerichtete Strömung vor und im Strömungsraum zwischen der Zellenrückwand 10, welche hier gestrichelt dargestellt ist, und dem Blech 6, liegt im Betrieb der Zelle eine abwärts gerichtete Strömung vor. Der Strömungswechsel erfolgt im Raum am Fuß und am Kopf der Elektrolysezelle. In einer Versuchszelle wurde die flächige und im Stand der Technik bekannte Elektrode, mit einer Gesamtfläche von 2,7 m² auf der Anodenseite durch die segmentierte erfindungsgemäße Elektrode ersetzt, welche aus 18 Segmenten zusammengesetzt wurde. Jedes der Einzelsegmente hat eine Elektrodenfläche von 0,15 m². Die Zelle wurde bei Stromdichten von 3 kA/m² und von 6 kA/m² betrieben.
Beim Einsatz der vorgenannten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle konnte die Zellspannung bei einer Stromdichte von 3 kA/m² um 8 mV und bei einer Stromdichte von 6 mV um ca. 16 mV gesenkt werden.

Claims

Elektrolysezelle bestehend aus zwei Halbschalen, umfassend im wesentlichen Zu- und Ableitungen sowie diverse Einbauten zur Strömungsführung, eine Membran und eine Anode und eine Kathode, wobei die Elektroden beliebige Oberflächenstrukturen, -profile und/oder Perforationen aufweisen, und die Elektroden auf der der Membran abgewandten Seite über Stege elektrisch leitend mit der jeweiligen Halbschale verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden segmentiert sind und jedes Elektrodensegment mit mindestens einem tragenden, angrenzenden Steg aus einem einzigen Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet ist, wobei idealerweise jedes Elektrodenelement mindestens mit zwei tragenden, angrenzenden Stegen aus einem einzigen Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege einen oder mehrere parallel zur Elektrode ausgerichtete Standfüße aufweisen, welche aus dem selben Halbzeug monolithisch, fugenlos gebildet sindund welche im eingebauten Zusand mit der jeweiligen Halbschale der Elektrolysezelle verschweißt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Standfüße der Elektrodensegmente als Zähne ausgebildet sind und diese in das gegenüberliegende Zahnprofil eines benachbarten Elektrodensegments passen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Standfüße im eingebauten Zustand auf der gesamten Länge der Stege derart abgewinkelt sind, dass alle parallel zur Elektrode verlaufen und in die selbe Richtung weisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stegen benachbarter Elektrodensegmente und auf den Übergangskanten zwischen Elektroden und den Stegen Formstücke positioniert sind, welche die Membran fixieren und zur Kraftdurchleitung dienen, und diese Formstücke idealerweise einen breiteren und im eingebauten Zustand oberhalb der Elektrode liegenden Teil und eine schmaleren, im eingebauten Zustand zwischen den Stegen gelegenen Teil aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege eine Kehlung aufweisen, in welche mindestens ein Blech zur Strömungsführung und/oder Versteifung der Konstruktion eingeführt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kehlung zur Aufnahme des Bleches einen Winkel von bis zu 15° zur Elektrode aufweist.