DE102012013832A1

DE102012013832A1 - Isolierrahmen mit Eckenkompensatoren für Elektrolysezellen

Info

Publication number: DE102012013832A1
Application number: DE102012013832.6A
Authority: DE
Inventors: Dmitri Donst; Frank Funck; Peter Woltering; Philipp Hofmann; Gregor Polcyn; Peter Toros; Dirk Hoormann
Original assignee: Uhdenora SpA
Current assignee: ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers Italia SRL
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2014-01-16
Also published as: EP2872675A1; US20150167188A1; EA201590211A1; US10227701B2; CN104395504B; WO2014009549A1; JP6396899B2; CA2873930A1; BR112014031542A2; EP2872675B1; CA2873930C; JP2015525831A; KR102200638B1; CN104395504A; KR20150034246A; EA025913B1

Abstract

Diese Aufgabe betrifft einen Isolierrahmen für Elektrolysezellen, aufweisend eine geometrische Form, die Ecken besitzt, wobei der Isolierrahmen flächig ausgestaltet ist und eine Anoden- und einer Kathodenseite aufweist sowie eine äußere und eine innere Stirnfläche, und wobei der Isolierrahmen einen sich der inneren Stirnfläche direkt anschließenden Randbereich aufweist. Der Isolierrahmen zeichnet sich dadurch aus, dass der Randbereich im Bereich der Ecken Eckenkompensatoren in Form von Aussparungen aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass sie Längenausdehnungen des Isolierrahmens kompensieren können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Isolierrahmen für Elektrolysezellen, der sich dadurch auszeichnet, dass er einen inneren Randbereich aufweist, der in den Ecken Eckkompensatoren besitzt. Dabei ist die Ausgestaltung der Eckenkompensatoren derart, dass diese Längenausdehnungen des Isolierrahmens kompensieren können. Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Elektrolysezelle, die mit diesem Isolierrahmen ausgestattet ist.
Elektrolysezellen zur Produktion von elementarem Chlor, Wasserstoff und/oder Natronlauge sind bekannt und im Stand der Technik umfassend beschrieben. Im herkömmlichen Stand der Technik werden vor allem zwei Konstruktionsformen beschrieben, welche industriell weit verbreitet sind. Eine der beiden ist die Filterpressenbauform und die andere Bauform die Hintereinanderschaltung von elektrisch verbundenen Einzelzellen, den so genannten ”Single Cell Elements”.
Diese Elektrolysezellen in der Bauform von ”Single Cell Elements”, wie sie bspw. in DE 102 49 508 A1 oder DE 10 2004 028 761 A1 beschrieben sind, bestehen unter anderem aus einer kathodischen und anodischen Halbschale, in welchen die Kathode beziehungsweise die Anode angeordnet sind. Zwischen den Elektroden ist eine Ionenaustauschmembran lokalisiert, die zwischen Flanschen gehalten wird. Dabei ist, wie in der DE 10 2004 028 761 A1 offenbart, zwischen dem Flansch der Anodenhalbschale und der Membran ein Isolierrahmen aufgelegt, so dass die Membran im eingebauten Zustand zwischen den Oberflächen des Flansches der Kathodenhalbschale und des Isolierrahmens eingespannt ist und damit gehalten wird.
Der Isolierrahmen dient auch dazu, die im Betrieb der Elektrolysezelle eingesetzte Membran von den metallischen Oberflächen der Anodenhalbschale fernzuhalten. Von besonderer Bedeutung ist hier der Übergangsbereich der Anodenhalbschale zum Flansch, der vor dem Kontakt mit der Membran geschützt werden muss, da es sonst zu Kurzschlussströmen und Membranschädigungen kommen würde. Um dies zu verhindern, wird der Isolierrahmen etwas überdimensioniert und mit einem Randbereich versehen, so dass dieser einige Millimeter in den Innenraum der Elektrolysezelle ragt und die Membran von den angrenzenden Metallflächen der Halbschale fernhält.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Schädigung der Membran in den Eckbereichen des Randbereiches der Isolierrahmen zu verhindern:
Diese Aufgabe löst die vorliegende Erfindung durch einen Isolierrahmen für Elektrolysezellen, aufweisend eine geometrische Form, die Ecken besitzt, wobei der Isolierrahmen flächig ausgestaltet ist und eine Anoden- und einer Kathodenseite aufweist sowie eine äußere und eine innere Stirnfläche, und wobei der Isolierrahmen einen sich der inneren Stirnfläche direkt anschließenden Randbereich aufweist. Der Isolierrahmen zeichnet sich dadurch aus, dass der Randbereich im Bereich der Ecken Eckenkompensatoren in Form von Aussparungen aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass sie Längenausdehnungen des Isolierrahmens kompensieren können.
Dabei ist der Randbereich vorteilhaft umlaufend und ohne Unterbrechung entlang der inneren Stirnfläche angeordnet.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Isolierrahmens ist der Randbereich derart strukturiert, dass dieser bei vollständiger oder teilweiser Überdeckung von einem Elektrolyten durchströmt werden kann, wobei der Randbereich idealerweise eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist.
Diese Ausgestaltung des Rahmenbereichs des Isolierrahmens ist, wie in DE 10 2006 020 374 A1 ausgeführt wird, vorteilhaft um die Membran vor weiteren Schädigungen, wie Rissen, zu schützen. Wird im Rahmenbereich keine Mikrostrukturierung vorgesehen, kommt es zu nachfolgendem Szenario: Da in dem Kathodenraum ein höherer Druck als in dem Anodenraum herrscht, wird die Membran in Richtung des Anodenraumes gewölbt beziehungsweise an den freien Rahmenanteil gepresst und in diesem Auflagebereich nur einseitig benetzt. Aufgrund der anodenseitigen Überdeckung entzieht die hygroskopische Lauge der Membran in diesem Bereich das Wasser mit entsprechender Ausfällung von Salzen in der Carboxylschicht, was nachfolgend zur Blasenbildung, Dealminierung der beiden Membranschichten und/oder Rissen führt. Diese Schädigung ist zum Teil mit dem bloßen Auge zu erkennen oder kann aufgrund einer erhöhten Konzentration an Cl^– in der Lauge nachgewiesen werden, da die Chloridionen entlang des geschädigten Randbereichs diffusiv in den Kathodenraum gelangen können.
Dazu ist der Randbereich auf der Kathodenseite vorteilhaft als eine flachere Stufe ausgebildet, auf welcher eine Vielzahl von Erhebungen angeordnet sind. Diese Erhebungen können eine beliebige Form aufweisen, sind aber vorteilhafterweise als zylinderförmige oder halbkugelförmige Materialerhöhungen ausgebildet. Des Weiteren kann der Randbereich als eine Abfolge von wellenförmigen oder gezahnten Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet sein. Dabei ist die Struktur derart, dass die Wellen oder Zähne zur Rahmenmitte hin geöffnet sind, so dass der Anolyt aus dem Anodenraum einströmen oder eindiffundieren beziehungsweise diesen Bereich wieder verlassen kann. In einer verbesserten Ausführungsform sind die Wellen oder Zähne mit einer Vielzahl kleiner Öffnungen versehen, wodurch die Zu- und Ableitung des Anolyten verbessert wird. Diese Öffnungen können als Löcher, kanalartige Aussparungen oder in anderen geometrischen Formen ausgebildet sein.
Eine weitere Verbesserung des strukturierten Randbereichs des erfindungsgemäßen Isolierrahmens besteht darin, dass in dem Randbereich eine Vielzahl kleiner Öffnungen, Bohrungen oder Löcher angeordnet sind, die den Isolierrahmen vollständig durchdringen. Diese Öffnungen sind über Kanäle miteinander verbunden, welche in einer Oberfläche des Isolierrahmens eingebracht sind. Hierbei sind die Kanäle bevorzugt in der der Membran abgewandten Seite, der Anodenseite, vorgesehen. Diese Ausführungsform kann dahingehend verbessert werden, dass die Kanäle, die die Öffnungen miteinander verbinden und/oder hin zu oder weg von der inneren Stirnseite verlaufen, in beide Oberflächen des Isolierrahmens eingebracht sind. Durch eine zweiseitige Kanalstruktur wird die Zu- und Ableitung des Anolyten verbessert.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in den Bereichen der Ecken der Randbereich unstrukturiert. Bevorzugt weist der Randbereich in den Ecken jeweils 1 bis 10 Eckenkompensatoren, bevorzugt jeweils 3 bis 5 Eckenkompensatoren und besonders bevorzugt jeweils 3 Eckenkompensatoren auf. In weiterer bevorzugter Ausführungsform ist dabei jeweils einer der Eckenkompensatoren direkt in der Ecke des Randbereichs vorgesehen und weist einen spitzen Winkel zur äußeren Stirnseite des Isolierrahmens auf.
Alternativ sieht die Erfindung vor, dass die Eckenkompensatoren in einem rechten Winkel zur äußeren Stirnseite des Isolierrahmens angeordnet sind.
Erfindungsgemäß weisen die Eckbereiche, in denen die Eckenkompensatoren angeordnet sind, 1,5 bis 10 cm auf und bevorzugt 3 bis 6 cm.
Bevorzugt sind die Eckenkompensatoren als halbkugelförmige oder halbzylinderförmige Aussparungen ausgebildet.
Von der Erfindung ist ebenfalls eine Elektrolysezelle umfasst, die eine Anodenhalbschale und eine Kathodenhalbschale aufweist, die von einer Membran räumlich getrennt werden, und in welcher der erfindungsgemäße Isolierrahmen in einer der beschriebenen Ausführungsformen zur Abdichtung der beiden Zellenhalbschalen und/oder Fixierung der Membran vorgesehen ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand mehrerer Figuren näher erläutert werden:
1: Flanschbereich einer Elektrolysezelle in einer Schnittdarstellung aus dem Stand der Technik.
2: Draufsicht auf einen Eckausschnitt des erfindungsgemäßen Isolierrahmens.
In 1 ist nachstehend der Flanschbereich einer Elektrolysezelle in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Membran 1 wird zwischen den beiden Flanschhälften der Anodenhalbschale 2 und der Kathodenhalbschale 3 eingespannt, wobei zwischen der Anodenhalbschale 2 und der Membran 1 der Isolierrahmen 4 aufgelegt ist. Der Isolierrahmen 4 ragt bei normalem Einbau mit einem freien Rahmenanteil 5 in das Innere der Elektrolysezelle. Da in dem Kathodenraum 6 ein um circa 20–40 mbar höherer Druck als in dem Anodenraum 7 herrscht, wird die Membran 1 an den freien Rahmenanteil 5 gepresst. Beispielhaft sind, um eventuelle Schädigungen der Membran durch dieses Anpressen zu vermeiden, in dem Randbereich 8 eine Vielzahl von Noppen 9 in Form von Halbkugeln angeordnet, welche die Membran 1 tragen, ohne die dem Anodenraum 7 zugewandten Membranseite vollständig zu überdecken. Die vorliegende Aufgabe der Erfindung wird aber auch ohne die mikrostrukturierte Oberfläche im Randbereich 8 erfüllt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Isolierrahmen 4 und die Stufenkante 10 derart positioniert, dass die Stufenkante 10 im Flanschbereich der beiden Halbschalen liegt. Somit wird die Membran 1 an der Stufenkante 10 im eingebauten Zustand definiert abgequetscht und beidseitig deaktiviert. Beim Betrieb kommt es nun zu Längenausdehnungen des Isolierrahmens im Bereich der Ecken von Elektrolysezellen, was zu Schädigungen der Membran führt. Die Lösung dieses Problems hat sich die vorliegende Erfindung durch die Bereitstellung eines erfindungsgemäßen Isolierrahmens zur Aufgabe gemacht.
2 zeigt in einer Aufsicht einen Eckausschnitt des erfindungsgemäßen Isolierrahmens 4 in einer Ausführungsform mit drei Eckenkompensatoren 11, die in diesem Beispiel eine halbzylinderförmige Form aufweisen. Dabei sitzt der mittlere der drei Eckenkompensatoren direkt in der Ecke des Randbereichs und weist einen spitzen Winkel zur äußeren Stirnseite des Isolierrahmens auf. Zwischen der äußeren Stirnfläche 13 und der inneren Stirnfläche 12 ist der Randbereich 8 dargestellt, in welchem eine Vielzahl von Öffnungen 14 angeordnete sind. Außerhalb des Randbereiches 8 sind größere Öffnungen 15 dargestellt, die zur Durchleitung von nicht dargestellten Spannschrauben zum Verschließen des ebenfalls nicht dargestellten Flansches dienen. Durch die hier dargestellte Anordnung der Eckenkompensatoren 11 kann der Isolierrahmen 4 die Membran nicht mehr beschädigen, wenn dieser sich beim Betreib der Elektrolysezelle ausdehnt. Die Längenausdehnung des Isolierrahmens 4 wird durch die Eckenkompensatoren kompensiert, so dass dieser keine Aufwertungen mehr zeigt und somit die Membran nicht mehr beschädigt wird.
Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben:

– Verminderung des Problems der Aufwerfung des Isolierahmens im Elektrolysebetrieb
– Verminderung von Membranschäden durch Aufwerfung des Isolierrahmens
– Erhöhung der Membranstandzeit

Bezugszeichenliste

1: Membran
2: Anodenhalbschale
3: Kothodenhalbschale
4: Isolierrahmen
5: freier Rahmenteil
6: Kathodenraum
7: Anodenraum
8: Randbereich
9: Noppen
10: Stufenkante
11: Eckenkompensatoren
12: innere Stirnfläche
13: äußere Stirnfläche
14: Öffnungen
15: größere Öffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10249508 A1 [0003]
DE 102004028761 A1 [0003, 0003]
DE 102006020374 A1 [0008]

Claims

Isolierrahmen für Elektrolysezellen, aufweisend eine geometrische Form, die Ecken besitzt, wobei der Isolierrahmen flächig ausgestaltet ist und eine Anoden- und einer Kathodenseite aufweist sowie eine äußere und eine innere Stirnfläche, und wobei der Isolierrahmen einen sich der inneren Stirnfläche direkt anschließenden Randbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich im Bereich der Ecken Eckenkompensatoren in Form von Aussparungen aufweist, die derart ausgestaltet sind, dass sie Längenausdehnungen des Isolierrahmens kompensieren können.
Isolierrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich derart strukturiert ist, dass dieser bei vollständiger oder teilweiser Überdeckung von einem Elektrolyten durchströmt werden kann, wobei der Randbereich idealerweise eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist.
Isolierrahmen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen der Ecken der Randbereich unstrukturiert ist.
Isolierrahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich in den Ecken jeweils 1 bis 10 Eckenkompensatoren, bevorzugt jeweils 3 bis 5 Eckenkompensatoren und besonders bevorzugt jeweils 3 Eckenkompensatoren aufweist.
Isolierrahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils einer der Eckenkompensatoren direkt in der Ecke des Randbereichs vorgesehen ist und einen spitzen Winkel zur äußeren Stirnseite des Isolierrahmens aufweist.
Isolierrahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckenkompensatoren in einem rechten Winkel zur äußeren Stirnseite des Isolierrahmens angeordnet sind.
Isolierrahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckbereiche, in denen die Eckenkompensatoren angeordnet sind, 1,5 bis 10 cm aufweisen und bevorzugt 3 bis 6 cm aufweisen.
Isolierrahmen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eckenkompensatoren als halbkugelförmige oder halbzylinderförmige Aussparungen ausgebildet sind.
Elektrolysezelle, umfassend eine Anodenhalbschale und eine Kathodenhalbschale, die von einer Membran räumlich getrennt werden, aufweisend Isolierrahmen der vorstehenden Ansprüche.