-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrolyseanlagen oder -zellen. 1 zeigt schematisch eine Elektrolyseanlage 100, die für die Fluorerzeugung verwendet wird. Die Anlage 100 besteht aus einer Wanne 101, die einen Elektrolyten 102, beispielsweise eine Flusssäurelösung (HF) enthält und in den zwei Reihen von Elektroden, nämlich eine erste Reihe von Kathoden 103 und eine zweite Reihe von Anoden 104 eingetaucht sind. Die Anoden 104 sind auf jeder Seite einer Sammelschiene (oder „bus bar”) 105 befestigt und elektrisch verbunden. Die Sammelschiene 105 dient sowohl als Träger als auch als Elektrolysestromverteiler für die Anoden 104. In wohl bekannter Weise ist die Sammelschiene 105 über Leiter 106, die in Gewindestangen 107 angeordnet sind, mit dem positiven Anschluss eines (in der Fig. nicht dargestellten) Gleichstromgenerators verbunden, während die Kathoden 103 mit dem negativen Anschluss des Generators verbunden sind. Die Anoden 104 sind auf jeder Seite der Sammelschiene 105 in Längsrichtung verteilt und erstrecken sich über die Unterseite 105a der Sammelschiene hinaus.
-
2 zeigt die Elektrolyseanlage 100 während ihres Betriebs, d. h. wenn die Elektroden 103, 104 in den Elektrolyt eingetaucht sind und über den Gleichstromgenerator versorgt werden. Im Fall beispielsweise eines aus Flusssäure bestehenden Elektrolyts führt die Elektrolyse zu einer Freisetzung von Blasen aus gasförmigem Fluor 108 im Bereich der Anoden 104 sowie zu einer Freisetzung von Wasserstoffblasen 109 im Bereich der Kathoden 103. Die Blasen dieser beiden gasförmigen Spezies steigen zur Oberfläche des Elektrolyten auf und werden durch (in der Fig. nicht dargestellte) unabhängige Leitungen im Bereich des oberen Teils der Elektrolyseanlage 100 gesammelt.
-
Die Blasen aus gasförmigem Fluor 108 führen zur Korrosion sowie zur Erosion oder zum Verschleiß der Elemente der Anlage, mit denen sie während der Elektrolyse in Kontakt gelangen. Wegen ihrer chemischen Beschaffenheit sind die Blasen 108 nämlich sehr korrosiv, und ihr Aufsteigen zur Oberfläche des Elektrolyten führt zu einem Erosionsphänomen an den Anoden 104 und ganz besonders an der Sammelschiene 105, deren Unterseite 105a gewissermaßen alle an den Innenwänden der Anoden 104 freigesetzten Fluorblasen aufnimmt, wobei sich diese Blasen anschließend entlang der Unterseite 105a bewegen, bis sie einen Weg zur Oberfläche des Elektrolyten 102 finden.
-
Demzufolge ist es in jeder Elektrolyseanlage, die eine oder mehrere korrosive gasförmige Spezies erzeugt, aufgrund der durch die Gasabgabe hervorgerufenen Korrosion und Erosion erforderlich, die Sammelschiene und die Anoden häufig auszuwechseln.
-
Um dieses Problem zu beheben, besteht eine Lösung darin, die Sammelschiene sowie eventuell die Anoden aus Graphit auszubilden, ein Material, das dafür bekannt ist, eine gute Korrosionsbeständigkeit aufzuweisen. Selbst wenn Graphit im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten metallischen Materialien eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Korrosions-Erosions-Phänomen aufweist, ermöglicht dieser jedoch nicht, die Zerstörung der Anoden und vor allem der Sammelschiene im Laufe der Elektrolysen zu verhindern. Auch wenn die Sammelschienen aus Graphit bestehen, müssen sie häufig ausgewechselt werden. Bei jedem Auswechselvorgang müssen die Elektrolyseanlage angehalten und folglich die Erzeugung gasförmiger Spezies gestoppt werden. Der Verschleiß der Sammelschienen durch das Korrosions-Erosions-Phänomen führt demzufolge zu Stillstandszeiten der Elektrolyseanlage, die wünschenswerterweise verkürzt werden sollen, um den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern.
-
Die
US 3,041,266 A zeigt eine Tragvorrichtung für Elektroden in einer Elektrolyseanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gestaltungslösung vorzuschlagen, die ermöglicht, eine Sammelschiene einer Elektrolyseanlage vor dem durch die Freisetzung gasförmiger Spezies während der Elektrolyse hervorgerufenen Korrosions-Erosions-Phänomen zu schützen und somit ihre Lebensdauer zu erhöhen.
-
Zu diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung eine Tragvorrichtung für Elektroden in einer Elektrolyseanlage, wobei der Träger eine Sammelschiene aufweist, an der Elektroden befestigt sind, wobei die Elektroden auf jeder Seite der Sammelschiene angeordnet sind und sich vertikal unterhalb der Schiene erstrecken, wobei die Sammelschiene und die Elektroden dazu bestimmt sind, wenigstens teilweise in einen Elektrolyten eingetaucht zu werden, der eine oder mehrere gasförmige Spezies korrosiver Art freisetzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner ein Schutzelement umfasst, das unter der Sammelschiene angeordnet ist sowie eine Länge und eine Breite aufweist, die wenigstens gleich denjenigen der Sammelschiene sind, und dass das Schutzelement aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff besteht.
-
So wird durch Anordnen eines aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gefertigten Schutzelements unter der Sammelschiene letztere gegenüber den während der Elektrolyse durch die Elektroden freigesetzten Blasen korrosiver Spezies geschützt. Da nämlich das Schutzelement wenigstens die Unterseite der Sammelschiene bedeckt, hindert es die zur Oberfläche des Elektrolyten aufsteigenden Blasen korrosiver Spezies daran, auf die Sammelschiene zu treffen und schützt somit letztere vor dem Verschleiß, der auf das zuvor erläuterte Korrosions-Erosions-Phänomen zurückzuführen ist. Auf diese Weise wird die Lebensdauer der Sammelschiene erheblich verlängert.
-
Das Schutzelement ist außerdem aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gefertigt; dies ist ein Material, das gegenüber dem Korrosions-Erosions-Phänomen besonders widerstandsfähig ist. Zudem hält bei Vorliegen einer korrosiven Gasabgabe die Einheit aus Sammelschiene und Schutzelement dem Korrosions-Erosions-Phänomen wesentlich länger stand als eine Sammelschiene allein, und dies sogar dann, wenn diese aus Graphit besteht. Demzufolge wird mit der erfindungsgemäßen Tragvorrichtung für Elektroden die Häufigkeit des Abschaltens der Elektrolyseanlagen, die üblicherweise für das Auswechseln der verschlissenen Sammelschienen erforderlich ist, erheblich reduziert.
-
Das Schutzelement kann in Nuten gehalten werden, die in den Elektroden ausgebildet sind, oder kann mittels Befestigungsmitteln an der Sammelschiene befestigt werden.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Seite des Schutzelements, die von derjenigen, welche der Sammelschiene gegenüberliegt, abgewandt ist, ein konkaves Profil auf. Dieses Profil ermöglicht, die durch die Elektroden freigesetzten Blasen korrosiver gasförmiger Spezies zu kanalisieren und sie zu den Längsenden des Schutzelements zu führen. Die konkave Seite kann ferner eine zu einem der Längsenden des Schutzelements geneigte leichte Schräge aufweisen, um die Blasen zu diesem Ende zu leiten.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Schutzelement an seinen beiden Längskanten Rippen, die sich oberhalb der Seite des Elements erstrecken, welche der Sammelschiene gegenüberliegt. Die Rippen weisen eine Breite auf, die im Wesentlichen dem zwischen zwei benachbarten Elektroden ausgesparten Raum entspricht, und sind um einen Abstand voneinander beabstandet, der im Wesentlichen der Breite der Elektroden entspricht. Mit diesen Rippen schützt das Schutzelement außerdem die zwischen zwei Elektroden exponierten Flanken der Sammelschiene.
-
Das Schutzelement kann aus einem einzigen Stück (einteilige Struktur) oder aus mehreren benachbarten, durch Überlappungsteile verbundenen Abschnitten gebildet sein.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Elektrolyseanlage, die wenigstens eine Tragvorrichtung für Elektroden, wie sie zuvor beschrieben ist, umfasst.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung von besonderen Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigen:
-
1 eine schematische Explosionsansicht einer Elektrolyseanlage,
-
2 eine Schnittansicht der zusammengesetzten und in Betrieb befindlichen Elektrolyseanlage der 1,
-
3 eine schematische Perspektivansicht einer Tragvorrichtung für Elektroden nach einer Ausführungsform der Erfindung,
-
4 eine Schnittansicht der Tragvorrichtung für Elektroden der 3, wenn Blasen korrosiver Spezies sich von den Elektroden lösen,
-
5 eine schematische perspektivische Teilansicht einer Tragvorrichtung für Elektroden nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
6 eine schematische Perspektivansicht einer Tragvorrichtung für Elektroden nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
7 eine Schnittansicht der Tragvorrichtung für Elektroden der 6, wenn Blasen korrosiver Spezies sich von den Elektroden lösen,
-
8 und 9 schematische Perspektivansichten einer Tragvorrichtung für Elektroden nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
10 eine Ausführungsvariante der Tragvorrichtung für Elektroden der 3.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Ein besonderer, aber nicht ausschließlicher Anwendungsbereich der Erfindung ist der für die Herstellung gasförmiger Spezies korrosiver Art, wie zum Beispiel Fluor oder Chlor, bestimmten Elektrolyseanlagen. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Sammelschienen, die in derartigen Anlagen als Elektrodenträger verwendet werden, vor dem zuvor beschriebenen Korrosions-Erosions-Phänomen zu schützen, wenn eine korrosive gasförmige Spezies sich von den Elektroden last. Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung vor, ein aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bestehendes Schutzelement zu verwenden, das ermöglicht, die Sammelschiene während der Elektrolyse von der korrosiven Gasabgabe zu trennen. Es werden nun Ausführungsformen von Tragvorrichtungen für Elektroden, die ein solches Schutzelement verwenden, beschrieben.
-
Jedes nachfolgend vorgestellte Tragelement ist aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff (C/C) gefertigt, der bekannterweise ein Material ist, das von einer durch eine Kohlenstoffmatrix verdichteten Kohlenstoffaserverstärkung gebildet ist. Der C/C-Verbundwerkstoff weist eine sehr gute Korrosions- sowie Erosionsbeständigkeit auf.
-
Die Herstellung von Teilen aus C/C-Verbundwerkstoff ist wohl bekannt. Sie umfasst im Allgemeinen die Ausbildung eines Kohlenstofffaservorformlings, dessen Form derjenigen des herzustellenden Teils nahe kommt, sowie die Verdichtung des Vorformlings durch die Matrix.
-
Der Faservorformling bildet die Verstärkung des Teils, dessen Aufgabe hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften unerläßlich ist. Der Vorformling wird aus Faserstrukturen, also Fäden, Seilen, Geflechten, Geweben, Filzen etc. erhalten. Die Formung erfolgt durch Wickeln, Weben, Schichten und eventuell durch Nadeln von zweidimensionalen Gewebeschichten oder von Seillagen etc.
-
Die Verdichtung der Faserverstärkung kann auf flüssigem Weg (Imprägnieren der Kohlenstoffmatrix mit einem Vorläuferharz und Umwandlung durch Vernetzen und Pyrolyse, wobei der Vorgang wiederholt werden kann) oder auf gasförmigem Weg (chemische Gasphaseninfiltration der Kohlenstoffmatrix) erfolgen.
-
3 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tragvorrichtung 10. Die Tragvorrichtung 10 umfaßt eine quaderförmige Sammelschiene 11 (auch als „Schiene” oder „bus bar” bezeichnet), die eine Oberseite 11a, eine Unterseite 11b sowie zwei Seitenflächen 11c und 11d aufweist. In dem hier beschriebenen Beispiel besteht die Sammelschiene 11 aus Kupfer. Sie kann jedoch aus anderen leitenden Materialien, wie Graphit, bestehen. Eine erste Reihe von Elektroden 12 und eine zweite Reihe von Elektroden 13 sind an den Seitenflächen 11c bzw. 11d der Sammelschiene 11 befestigt. Die Elektroden 12 bzw. 13 sind entlang der Sammelschiene 11 mit einem Abstand zwischen zwei benachbarten Elektroden gleichmäßig verteilt. Die Elektroden 12 und 13 sind aus Graphit gefertigt. Jede Elektrode besteht aus einer rechteckigen Platte, die sich unter der Unterseite 11d der Sammelschiene 11 erstreckt. Die Elektroden 12 und 13 sind mit der Sammelschiene 11, die dazu bestimmt ist, die Elektroden für die Elektrolyse mit Strom zu versorgen, elektrisch verbunden. Zu diesem Zweck können die Elektroden durch Verbindungsmittel, welche eine elektrische Leitung sicherstellen, an der Sammelschiene befestigt sein. Die Elektroden können vor allem durch Löten oder durch leitfähiges Kleben an der Sammelschiene befestigt sein. Die Sammelschiene 11 stellt folglich sowohl die Funktion eines Elektrodenträgers als auch die Funktion der Verteilung des Elektrolysestroms an diese Elektroden sicher.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Tragvorrichtung ein Schutzelement 14, das von einer aus C/C-Verbundwerkstoff bestehenden Platte gebildet ist. Das Schutzelement 14 ist unter der Sammelschiene 11 in der Nähe ihrer Unterseite 11b angeordnet. Genauer gesagt wird das Schutzelement 14 dadurch angebracht, dass es in Nuten 12a und 13a gleitet, die in den Elektroden 12 bzw. 13 ausgebildet sind. Dank dieser Nuten kann das Schutzelement in einem bestimmten Abstand unter der Sammelschiene in Position gehalten werden. Vorzugsweise wird ein Spiel zwischen dem Schutzelement und der Sammelschiene aufrechterhalten, um das Ausgleichen der differentiellen Ausdehnungen zwischen dem Material der Sammelschiene (Kupfer oder anderes metallisches Material) und dem Material des Schutzelements (C/C-Verbundwerkstoff) zu ermöglichen.
-
Das Schutzelement 14 weist eine Länge und eine Breite auf, die geringfügig größer als die der Sammelschiene 11 sind. Demzufolge bildet das Schutzelement einen Schutzschild vor der gesamten Unterseite 11b der Schiene und schützt diese vor dem Korrosions-Erosions-Phänomen, wenn sich eine korrosive gasförmige Spezies von den Elektroden löst. Denn, wie in 4 dargestellt, werden während der Elektrolyse, d. h. wenn die Elektroden 12 und 13 in einen Elektrolyten 16 eingetaucht sind und mit einem Elektrolysestrom versorgt werden, die Blasen korrosiver Spezies 15, die sich an den Innenteilen der Elektroden lösen, durch das Schutzelement 14, das einen Schutzschild vor der Unterseite 11b der Sammelschiene bildet, in ihrem Aufsteigen gestoppt. Die Blasen 15 werden dann die Kanten des Schutzelements 14 entlanglaufend zur Oberfläche des Elektrolyten abgeführt. Mit dem Schutzelement 14 werden so die freigesetzten Blasen korrosiver Spezies nicht mehr auf die Unterseite der Sammelschiene treffen, was den Einfluß des Korrosions-Erosions-Phänomens auf letztere erheblich verringert.
-
5 zeigt eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Tragvorrichtung 20, die sich von der zuvor beschriebenen dadurch unterscheidet, dass sie ein Schutzelement 24 aufweist, das unter einer Sammelschiene 21 und zwischen Elektroden 22 und 23 durch Schrauben 25 in Position gehalten ist. Das Schutzelement weist Langlöcher 24a auf, um das Durchgreifen der Schrauben 25 und das Justieren des Elements in seiner Position zu ermöglichen, wobei die Schrauben in in der Sammelschiene 21 ausgebildeten Gewinden 21a festgezogen werden.
-
Die Seite des Schutzelements, die dazu bestimmt ist, die durch die Elektroden freigesetzten Blasen korrosiver gasförmiger Spezies aufzunehmen, kann – wie in den 3 bis 5 dargestellt – eine ebene Fläche aufweisen. Wie in 6 gezeigt kann das Schutzelement jedoch auch eine Unterseite mit einer vertieften Oberfläche aufweisen. Genauer gesagt zeigt 6 eine Tragvorrichtung 30, die – wie bei der Vorrichtung der 3 – ein Schutzelement 34 aufweist, das durch in Elektroden 32 bzw. 33 ausgebildete Nuten 32a bzw. 33a unter einer Sammelschiene 31 gehalten ist, dessen Unterseite 34a jedoch ein konkaves Profil aufweist. Wie in 7 dargestellt ermöglicht die Hohlform der Unterseite 34a des Schutzelements, die durch die Elektroden 32 freigesetzten Blasen korrosiver gasförmiger Spezies 35 zu kanalisieren und sie zu den Längsenden des Schutzelements 34 zu führen. Auf diese Weise wird die Menge an Blasen 35, die über die zwischen den Elektroden 32 oder 33 ausgesparten Zwischenräume entweichen, reduziert, wodurch ermöglicht wird, die in diesen Zwischenräumen exponierten Flanken der Sammelschiene besser zu schützen. Die vertiefte Oberfläche der Unterseite des Schutzelements kann überdies eine leichte Neigung aufweisen, um die Blasen besser zu einem Längsende des Schutzelements zu leiten.
-
Die 8 und 9 zeigen vor bzw. nach Einbau des Schutzelements eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tragvorrichtung. Die in diesen Figuren dargestellte Tragvorrichtung 40 unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen dadurch, dass das Schutzelement 44 ferner mit Rippen für den seitlichen Schutz 45 ausgestattet ist. Der Ort und die Breite der Rippen 45 werden gewählt, um die Freiräume auszufüllen, die zwischen den Elektroden 42 einerseits und den Elektroden 43 andererseits ausgespart sind. Das Schutzelement 44 kann an der Sammelschiene 41 durch Kleben oder durch schraubenartige Befestigungsmittel befestigt sein. Sobald das Schutzelement 44 unter der Sammelschiene 41 angebracht ist, bedecken die Rippen 45 die zwischen den Elektroden exponierten Flanken der Sammelschiene, wodurch diese vor den Blasen korrosiver Spezies, die zwischen zwei Elektroden entweichen, geschützt werden. Das Schutzelement 44, das in den 8 und 9 dargestellt ist, weist eine Unterseite 44a mit einem konkaven Profil auf, das ermöglicht, die durch die Elektroden freigesetzten Blasen in Richtung der Längsenden des Schutzelements zu kanalisieren. Das Schutzelement 44 kann jedoch auch eine ebene Unterseite aufweisen.
-
Die zuvor vorgestellten erfindungsgemäßen Schutzelemente können aus einem einzigen Teil aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gefertigt sein. Jedoch kann vor allem im Falle der Ausbildung eines großen Schutzelements dieses aus einer Verbindung einer Vielzahl von Abschnitten gebildet sein, die jeweils einzeln aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gefertigt sind. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schutzelements 140 ähnlich dem Schutzelement 14 der 3, das sich jedoch dadurch von diesem unterscheidet, dass es durch Zusammensetzen mehrerer Abschnitte 141 gebildet ist. Die Abschnitte sind vorzugsweise mit einem (für die Endabschnitte) oder zwei (für die Zwischenabschnitte) Überlappungsteilen 141a, 141b ausgebildet, die das Verbinden, beispielsweise durch Löten, zwischen den Abschnitten ermöglichen.