DE102006046807A1 - Electrolysis cell used for chlor-alkali electrolysis comprises one electrode curved between two bars in the direction of the opposite-lying electrode - Google Patents

Electrolysis cell used for chlor-alkali electrolysis comprises one electrode curved between two bars in the direction of the opposite-lying electrode Download PDF

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Abstract

Electrolysis cell (1) comprises one electrode curved between two bars (5) in the direction of the opposite-lying electrode.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse, die im Wesentlichen aus einer Anodenhalbschale und einer Kathodenhalbschale gebildet wird, wobei in jeder der beiden Halbschalen neben weiteren Einbauten die jeweilige Elektrode angeordnet ist, und jede Elektrode über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden ist. Durch diese Stege werden die Elektroden in mehrere Kompartimente unterteilt. Erfindungsgemäß ist dabei mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise, bezogen auf die Makrostruktur dieser Teilelektrode, in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt. Ein flächiges Einpressen der Membran zwischen den beiden Elektroden kann dabei erfolgen. Für diese Wölbung werden idealerweise eine Mehrzahl von Federn eingesetzt.The The invention is directed to a single cell cell electrolysis cell for the Chlor-alkali electrolysis, which consists essentially of an anode half shell and a cathode half shell, wherein in each of the two Half shells in addition to other installations the respective electrode arranged is, and every electrode over mutually parallel webs connected to the rear wall of the respective half-shell is. Through these webs, the electrodes in several compartments divided. According to the invention is at least one of the two electrodes compartmentalized, based on the macrostructure of this partial electrode, in the direction of the opposite Electrode arched. A flat Pressing the membrane between the two electrodes can thereby respectively. For this vault Ideally, a plurality of springs are used.

Chlor-Alkali-Elektrolyseure in Einzelzellenbauform sind im Stand der Technik weitreichend beschrieben und in vielfachem industriellen Einsatz. Derartige Elektrolysezellen sind beispielsweise aus DE 198 16 334 A1 , DE 44 14 146 A1 oder EP 0 095 039 A1 bekannt.Chlorine-alkali electrolyzers in single-cell design are widely described in the art and in many industrial applications. Such electrolysis cells are for example made DE 198 16 334 A1 . DE 44 14 146 A1 or EP 0 095 039 A1 known.

Wie beispielsweise in DE 10 2005 003527 A1 oder DE 10 2005 006555 A1 gezeigt, wurde bisher immer versucht, die beiden Elektroden optimal planparallel einander anzunähern und in Position zu halten, indem man diese mit immer geringeren Toleranzen fertigt. Diese planparallele Annäherung kommt aber aufgrund der zu wählenden geringen Wandstärken der dünnen Elektrodenbleche an Grenzen. Kommt es bei beiden Elektroden zu einer gegenläufigen Toleranzabweichung hinsichtlich der Ebenheit, entstehen lokale Spannungsspitzen und die Wirtschaftlichkeit sinkt. Ganz grundsätzlich ist es wirtschaftlich nachteilig, eine Vielzahl von sehr kleinen Toleranzen einhalten zu müssen.Such as in DE 10 2005 003527 A1 or DE 10 2005 006555 A1 has been shown, has always been trying to bring the two electrodes optimally plane-parallel approach to each other and hold in position by making them with ever lower tolerances. However, this plane-parallel approach is limited due to the low wall thicknesses of the thin electrode sheets to be selected. If both electrodes produce an opposing tolerance deviation with regard to evenness, local voltage peaks occur and the economy decreases. In principle, it is economically disadvantageous to have to comply with a large number of very small tolerances.

Ein weiteres Problem stellt bei starker Annäherung die Gasbildung vor allem auf der Seite der anodischen Elektrode dar, wie in DE 10 2005 006555 A1 detailliert beschrieben. Das Gas verstopft den Spalt zwischen Elektrode und Membran, so dass das Nachströmen des frischen Elektrolyten gehemmt wird. Hier konnten Profile für Hochleistungselektroden entwickelt werden, in dem entsprechende Mikrostrukturen vorgesehen werden, die aber das Problem der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen in makroskopischer Hinsicht nicht lösten.Another problem is the close formation of gas, especially on the anodic electrode side, as in DE 10 2005 006555 A1 described in detail. The gas clogs the gap between the electrode and the membrane, so that the afterflow of the fresh electrolyte is inhibited. Here profiles for high-performance electrodes could be developed in which appropriate microstructures are provided, but which did not solve the problem of unavoidable manufacturing tolerances in macroscopic terms.

Somit ist es Aufgabe der Erfindung, die verbleibenden Probleme zu lösen und eine wirtschaftliche vorteilhafte Elektrolysezelle zu offenbaren, bei welcher Spannungsschwankungen aufgrund gegenläufiger Toleranzabweichungen vermieden werden.Consequently It is an object of the invention to solve the remaining problems and to disclose an economically advantageous electrolysis cell in which voltage fluctuations due to opposing tolerance deviations be avoided.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse gelöst. Die Elektrolysezelle umfasst eine Anodenhalbschale und eine Kathodenhalbschale, wobei jede Halbschale aus einer Rückwand, einem umlaufenden Rand und einem umlaufenden Flansch gebildet wird, und weiterhin in jeder der beiden Halbschalen die jeweilige Elektrode angeordnet ist. Beide Elektroden weisen eine Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen auf und sind jeweils über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden, wodurch die Elektroden und auch der jeweilige Rückraum in mehrere Kompartimente unterteilt werden. Besonderes Merkmal dieser erfindungsgemäßen Elektroden ist, dass mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise zwischen zwei Stegen in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt ist.These The object is achieved by the electrolysis cell according to the invention in single-cell construction for the Chlor-alkali electrolysis dissolved. The electrolytic cell comprises an anode half-shell and a cathode half-shell, each half-shell consisting of a back wall, a peripheral edge and a circumferential flange, and further in each the two half-shells the respective electrode is arranged. Both Electrodes have a structure with a plurality of openings up and over each mutually parallel webs with the rear wall of the respective half-shell connected, whereby the electrodes and also the respective back space in several Subdivided compartments. A special feature of these electrodes according to the invention is that at least one of the two electrodes is compartmentalized between two webs is curved in the direction of the opposite electrode.

Dabei soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter Wölbung eine großflächige, makroskopische Formgebung oder Verformung verstanden werden. Dies ist in Abgrenzung zum im Stand der Technik und den dort bekannten kleinflächigen und zum Teil im μ-Bereich angesiedelten Formen und Strukturen der Elektroden zu sehen, wie diese beispielsweise in DE 10 2005 006555 A1 beschrieben sind.It should be understood in the context of the present invention under curvature a large-scale, macroscopic shaping or deformation. This is in contrast to the known in the prior art and the small-area and partly located in the μ-range shapes and structures of the electrodes, as this example in DE 10 2005 006555 A1 are described.

Dabei ist die Wölbung idealerweise derart, dass die gewölbte Elektrode in einem Bereich, welcher sich links und rechts der Scheitellinie der Wölbung erstreckt, die zwischen den Elektroden befindliche Membran an die jeweils gegenüberliegende Elektrode flächig anpresst, wobei die Breite der Anpressfläche mindestens 20 % der Kompartimentbreite ausmacht. Es konnte überraschenderweise beobachtet werden, dass eine Beabstandung der Elektroden voneinander nicht mehr erforderlich ist, wenn die Flächenpressung derart begrenzt wird, dass keine Verletzung der Membran erfolgt. Durch die Abkopplung von Kontaktpressung der Membran zwischen den Elektroden einerseits und Kraftdurchleitung durch die parallelen Zellen mittels der Stege andererseits, kann das bekannte Prinzip der planparallelen Elektroden aufgegeben werden.there is the vault ideally such that the domed electrode is in a region which extends to the left and right of the vertex of the vault, the membrane located between the electrodes to the respective opposite electrode flat presses with the width of the contact surface at least 20% of the compartment width accounts. It could be surprising be observed that a spacing of the electrodes from each other is no longer necessary if the surface pressure so limited is that no injury to the membrane takes place. By decoupling of contact pressure of the membrane between the electrodes on the one hand and force transmission through the parallel cells by means of the webs On the other hand, the well-known principle of plane-parallel electrodes be abandoned.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Elektrolysezelle wird die bauchige Verformung mittels einer oder mehrerer Federn erzeugt, welche in einem oder mehreren Kompartimenten angeordnet sind. Diese Federn sind so angebracht, dass diese auf die Rückseite mindestens einer der beiden Elektroden einwirken. Dabei soll unter Rückseite immer die der Membran abgewandte Seite der jeweiligen Elektrode verstanden werden.In A preferred embodiment of the electrolytic cell is the bulbous deformation generated by means of one or more springs, which are arranged in one or more compartments. These Springs are mounted so that they touch the back of at least one of the act on both electrodes. It should under the back always the membrane opposite side of the respective electrode are understood.

In einer besonders geeigneten Ausführungsform sind eine oder mehrere U- oder V-förmige Federn vorgesehen, die im Bereich der Stege angeordnet sind. Die Federarme sind derart angeordnet, dass je ein Arm auf jeder Seite eines Steges ragt und dort auf die Elektrode einwirkt, wodurch diese kompartimentweise in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt wird. Die Elektrode selbst hat dabei analog einer Blattfeder eine federnde Eigenschaft. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die einzelnen Federarme, an denen die Elektrode fixiert ist, eine definierte seitliche Bewegung ausführen kann, wenn durch den Anpressdruck die Längskanten der Elektrode nach außen geschoben werden.In a particularly suitable embodiment, one or more U- or V-shaped springs are provided, which angeord in the region of the webs are net. The spring arms are arranged such that each one arm protrudes on each side of a ridge and there acts on the electrode, whereby it is compartments in the direction of the opposite electrode arched. The electrode itself has a spring property analogous to a leaf spring. This embodiment has the advantage that the individual spring arms on which the electrode is fixed, can perform a defined lateral movement when the longitudinal edges of the electrode are pushed to the outside by the contact pressure.

Eine alternative Variante besteht darin, dass eine oder mehrere Federn mittig auf die Rückseite der Elektrode drücken und diese somit kompartimentweise in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode wölben. Eine geeignete Ausführungsform kann dabei eine Blattfeder oder L-Feder sein, die zwischen zwei Stegen oder dem Wannenrand und einem Steg eingespannt ist.A alternative variant is that one or more springs centered on the back of the Press electrode and this thus compartmentalized in the direction of the opposite electrode bulge. A suitable embodiment may while a leaf spring or L-spring, between two webs or the tub rim and a bridge is clamped.

Eine verbesserte Variante besteht darin, dass auf der Rückseite der zu wölbenden Elektrode in dem jeweiligen Kompartiment mindestens ein Lastverteilungselement in Form einer Leiste oder Schiene vorgesehen ist, welches parallel zu den Stegen in der Mitte des Kompartiments angeordnet ist und auf welches die eine oder mehrere Federn einwirken. Diese Bauform hat den Vorteil, dass sie in bekannten Elektrolysezellen nachgerüstet werden kann, ohne weitere konstruktive Änderungen vornehmen zu müssen. Idealerweise besteht das Lastverteilungselement mindestens teilweise aus einem nicht leitenden Kunststoff.A improved version is that on the back the one to arch Electrode in the respective compartment at least one load distribution element is provided in the form of a bar or rail, which is parallel is arranged to the webs in the middle of the compartment and on which the one or more springs act. This design has the advantage that it can be retrofitted in known electrolysis cells, without further design changes to have to make. Ideally, the load distribution element is at least partially made of a non-conductive plastic.

Vorteilhafterweise weisen die Federn ein strömungsoffenes Profil auf, so dass die im bestimmungsgemäßen Betrieb vorherrschende vertikale Strömung nicht oder nur minimal beeinflusst wird.advantageously, the springs have a flow-open Profile so that the prevailing in normal operation vertical flow is not or only minimally influenced.

Eine verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass die Elektrode nicht einstückig geformt ist, sondern aus einer Mehrzahl von unabhängigen Teilelektroden oder Elektrodensegmenten gebildet ist. Dabei werden die Elektrodensegmente nicht durch Stege, sondern durch Federn getragen. Die im Regelfall noch vorhandenen Stege dienen dann nur noch der Kraftdurchleitung durch die parallel angeordneten Elektrolysezellen. In einer Ausführungsvariante ist in jedem Kompartiment ein einstückiges Elektrodensegment vorgesehen.A improved embodiment is that the electrode is not formed in one piece, but out a plurality of independent ones Partial electrodes or electrode segments is formed. It will be the electrode segments not supported by webs, but by springs. The usually still existing webs serve then only the Power transmission through the parallel electrolysis cells. In a variant In each compartment, a one-piece electrode segment is provided.

Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Zu sehen ist die Kathodenhalbschale einer Elektrolysezelle (1) in einer horizontalen Schnittdarstellung. Die Kathodenhalbschale besteht im Wesentlichen aus der Rückwand (2), einer umlaufenden Seitenwand (3) und einem sich anschließenden und umlaufenden Flansch (4). Durch die Stege (5), über welche die Anpresskräfte durch die im bestimmungsgemäßen Betrieb parallel angeordneten Einzelzellen geleitet werden, teilen die Halbschale in vertikal ausgerichtete Kompartimente (6). Die nicht gezeigte Anodenhalbschale ist analog aufgebaut. An der U-Feder (7) und der Z-förmigen Feder (8) ist das Kathodensegment (9) befestigt. Die Z-förmige Feder (8) ist nur entlang der Seitenwand (3) vorgesehen, im Inneren der Kathodenhalbschale sind die Kathodensegmente (9) an zwei baugleichen U-Federn (7) befestigt.A variant of the device according to the invention is in 1 shown. The cathode half-shell of an electrolytic cell ( 1 ) in a horizontal sectional view. The cathode half-shell consists essentially of the rear wall ( 2 ), a circumferential side wall ( 3 ) and a subsequent and circumferential flange ( 4 ). Through the bridges ( 5 ), over which the contact forces are passed through the individual cells arranged in parallel in the intended operation, divide the half-shell into vertically oriented compartments ( 6 ). The anode half-shell, not shown, is constructed analogously. On the U-spring ( 7 ) and the Z-shaped spring ( 8th ) is the cathode segment ( 9 ) attached. The Z-shaped spring ( 8th ) is only along the side wall ( 3 ), inside the cathode half-shell are the cathode segments ( 9 ) on two identical U-springs ( 7 ) attached.

1 zeigt die Kathodenhalbschale einer Elektrolysezelle (1) vor dem Zusammenbau, so dass die maximale Wölbung eines Kathodensegments (9) deutlich wird. Die gestrichelte Linie (10) markiert die Nulllage ohne Wölbung, und die gestrichelte Linie (11) die Höhe der Scheitellinie im Abstand (12) von der Nulllage (10). 1 shows the cathode half-shell of an electrolytic cell ( 1 ) before assembly, so that the maximum curvature of a cathode segment ( 9 ) becomes clear. The dashed line ( 10 ) marks the zero position without curvature, and the dashed line ( 11 ) the height of the crest line in the distance ( 12 ) from the zero position ( 10 ).

Die in 2 gezeigte Schnittzeichnung zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle (1). Die Kathodenhalbschale entspricht der in 1 beschriebenen, wobei nun das Kathodensegment (9) an zwei benachbarten Stegen (5) befestigt ist. Mittels einer in der Mitte des Kompartiments (6) angeordneten Feder, welche hier als Spiralfeder (13) ausgeführt und nur skizzenhaft dargestellt ist, wird das Kathodensegment (9) gewölbt. Die Spiralfeder (13) ist dabei zur gleichmäßigeren Kraftübertragung zwischen einem Fußelement (14) und einem Kopfelement (15) eingespannt.In the 2 1 shows an alternative embodiment of the electrolysis cell according to the invention ( 1 ). The cathode half shell corresponds to the one in 1 now described the cathode segment ( 9 ) on two adjacent webs ( 5 ) is attached. By means of a in the middle of the compartment ( 6 ) arranged spring, which here as a spiral spring ( 13 ) and only sketched, the cathode segment ( 9 ) arched. The spiral spring ( 13 ) is for more even force transmission between a foot element ( 14 ) and a header ( 15 ) clamped.

11
Elektrolysezelleelectrolysis cell
22
Rückwandrear wall
33
SeitenwandSide wall
44
Flanschflange
55
Stegweb
66
Kompartimentcompartment
77
U-FederU-spring
88th
Z-FederZ-spring
99
Kathodensegment, TeilelektrodeCathode segment, partial electrode
1010
Nulllagezero position
1111
Lage der Scheitellinielocation the crest line
1212
Abstand, HöheDistance, height
1313
Spiralfederspiral spring
1414
Fußelementfoot element
1515
Kopfelementheader

Claims (12)

Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse, umfassend eine Anodenhalbschale und eine Kathodenhalbschale, wobei jede Halbschale aus einer Rückwand, einem umlaufenden Rand und einem umlaufenden Flansch gebildet wird, und weiterhin in jeder der beiden Halbschalen die jeweilige Elektrode angeordnete ist, wobei jede Elektrode eine Vielzahl von Öffnungen aufweist und über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden ist, wodurch die Elektroden in mehrere Kompartimente unterteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise zwischen zwei Stegen in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt ist.Electrolysis cell in single-cell construction for the chlor-alkali electrolysis, comprising an anode half shell and a cathode half shell, each half shell is formed of a rear wall, a peripheral edge and a circumferential flange, and further in each of the two half-shells, the respective electrode is arranged, each Electrode having a plurality of openings and is connected via mutually parallel webs with the rear wall of the respective half-shell, whereby the electrodes are subdivided into several compartments, characterized in that at least one of the two electrodes is curved compartmentarily between two webs in the direction of the opposite electrode. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbte Elektrode in einem Bereich, welcher sich links und rechts der Scheitellinie der Wölbung erstreckt, die zwischen den Elektroden befindliche Membran an die jeweils gegenüberliegende Elektrode flächig anpresst.Electrolysis cell according to claim 1, characterized that the arched Electrode in an area which is located to the left and right of the apex line the vault extends, the membrane located between the electrodes to the each opposite Electrode flat presses. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Anpressfläche mindestens 20 % der Kompartimentbreite ausmacht.Electrolysis cell according to claim 2, characterized in that that the width of the contact surface at least 20% of the compartment width. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bauchige Verformung mittels einer oder mehrerer Federn erzeugt wird, welche in einem oder mehreren Kompartimenten angeordnet sind und auf die Rückseite mindestens einer der beiden Elektroden einwirken, wobei unter Rückseite die der Membran abgewandten Seite der jeweiligen Elektrode verstanden werden soll.Electrolytic cell according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bulbous deformation by means of one or more springs is generated, which in one or more Compartments are arranged and on the back of at least one of acting on both electrodes, wherein the rear side facing away from the membrane side the respective electrode should be understood. Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Feder eine oder mehrere U-förmige Federn vorgesehen sind, die im Bereich der Stege angeordnet sind, wobei je ein Federarm auf jeder Stegseite auf die Elektrode einwirkt und diese kompartimentweise in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode wölbt.Electrolysis cell according to claim 4, characterized in that in that one or more U-shaped springs are provided as a spring, which are arranged in the region of the webs, depending on a spring arm each web side acts on the electrode and these compartimentally in the direction of the opposite lying electrode arches. Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn mittig auf die Rückseite der Elektrode drücken und diese somit kompartimentweise in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode wölben.Electrolysis cell according to claim 4, characterized in that that the springs are centered on the back press the electrode and this thus compartmentalized in the direction of the opposite electrode bulge. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn in der Art einer Blattfeder oder L-Feder zwischen zwei Stegen oder dem Wannenrand und einem Steg eingespannt ist. Electrolysis cell according to claim 6, characterized that the springs in the manner of a leaf spring or L spring between two webs or the edge of the tub and a bridge is clamped. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite der zu wölbenden Elektrode in dem jeweiligen Kompartiment mindestens ein Lastverteilungselement in Form einer Leiste oder Schiene vorgesehen ist, welches parallel zu den Stegen in der Mitte des Kompartiments angeordnet ist und auf welches die eine oder mehrere Federn einwirken.Electrolytic cell according to one of claims 4 to 7, characterized in that on the back of the arching Electrode in the respective compartment at least one load distribution element is provided in the form of a bar or rail, which is parallel is arranged to the webs in the middle of the compartment and on which the one or more springs act. Elektrolysezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilungselement mindestens teilweise aus einem nicht leitenden Kunststoff besteht.Electrolysis cell according to claim 8, characterized in that that the load distribution element at least partially from a not conductive plastic. Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder hinsichtlich der vertikalen Strömung in der Elektrolysezelle ein strömungsoffenes Profil aufweist.Electrolysis cell according to one of the preceding claims 4 to 9, characterized in that the spring with respect to the vertical flow in the electrolytic cell an open-flow Profile. Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode aus unabhängigen Teilelektroden gebildet ist, wobei die Teilelektroden nicht durch die Stege, sondern durch die Federn getragen werden.Electrolysis cell according to one of the preceding claims 4 to 10, characterized in that the electrode is formed of independent sub-electrodes is, with the sub-electrodes not through the webs, but through the feathers are worn. Elektrolysezelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Kompartiment eine einstückige Teilelektrode vorgesehen ist.Electrolysis cell according to claim 11, characterized in that that provided in each compartment a one-piece part electrode is.
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