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Die
vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektrolyseur für elektrochemische
Verfahren bei denen gasförmige
Produkte entstehen, der mehrere Elementarzellen umfaßt, wobei
jede Zelle mittels einer Ionenaustausch-Membran oder eines porösen Diaphragmas
in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt ist.
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Die
wesentlichen industriellen Elektrolyseverfahren zur Herstellung
sowohl von Chlor und Natriumhydroxid aus einer Salzsole oder von
Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser werden in modernen Elektrolyseuren
durchgeführt,
die üblicherweise
aus einer Anordnung von Elementarzellen bestehen, wobei jede Zelle
die Form eines im wesentlichen ebenen, senkrecht stehenden Kastens
besitzt, dessen größte Flächen Abmessungen
bis zu einigen Quadratmetern aufweisen.
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Jede
Elementarzelle ist in Längsrichtung
entweder mittels einer Ionenaustausch-Membran (beispielsweise bei
der Alkalichlorid-Elektrolyse)
oder mittels eines porösen
Diaphragmas (beispielsweise bei der Wasser-Elektrolyse) in zwei
Kammern unterteilt. Die Ionenaustausch-Membranen und die porösen Diaphragmen
bestehen aus geeigneten Polymeren und besitzen nur eine sehr geringe
Dicke, so daß sie
für Abrieb
und Beschädigungen
durch Schwingungseffekte empfindlich sind.
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Abrieb
und beispielsweise Schwingungsermüdungen der Membran entstehen
aufgrund von Druckschwankungen, die beispielsweise auftreten, wenn
bei der Elektrolyse gasförmige
Produkte entstehen, wie dies beispielsweise bei der Alkalichlorid-Elektrolyse (Bildung
von Wasserstoff an der Kathode und Chlor an der Anode) und der Wasserelektrolyse
(Bildung von Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode)
der Fall ist.
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Die
Entnahme des Flüssigkeits-Gas-Gemisches
aus der Elementarzelle ist ein sehr kritisches Unterfangen und kann leicht
zu Druckschwankungen führen.
Man nimmt an, daß die
Druckschwankungen als Folge der unvermeidbaren, nahezu vollständigen Entmischung
im oberen Bereich der Elementarzelle dadurch auftreten, daß im wesentlichen
gasförmige Phasen
und im wesentlichen flüssige
Phasen abwechselnd in die Abführleitungen
eintreten.
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Aus
der Literatur sind Versuche bekannt, dieses Problem durch geeignete
Konstruktion der Abführleitungen
zu lösen:
- – So
können
die Austrittsleitungen für
die Flüssigkeit-Gas-Gemische beispielsweise
aus einem Fallrohr bestehen, daß bei
jeder Elementarzelle entweder innen angeordnet oder außen angebracht
ist (K. Yamaguchi et al. in "Modern Chlor-Alkali
Technology", Bd.
4, S. 131, Society of Chemical Industry, Elsevier, 1990). Diese
Art Vorrichtung erzeugt einen Strom in Form eines fallenden Films,
der aus einem zeitlich konstanten Flüssigkeitsstrom (ein fallender
Film, der die Wand der Leitung benetzt) und Gasstrom (flüssigkeitsfrei, im
zentralen Bereich des Leitungsquerschnitts) besteht und die Druckschwankungen
wirksam dämpft.
Diese Vorrichtung benötigt
jedoch eine erzwungene Zirkulation, die üblicherweise mittels einer
Pumpe erzeugt wird und daher mit einem zusätzlichen Energieverbrauch verbunden
ist.
- –– Gemäß dem US-Patent
4,839,012 der Firma Dow Chemical Co. ist ein geeigneter Kollektor
im Inneren jeder Zelle im oberen bereich angeordnet. Dieser Kollektor
besteht aus einer horizontalen Röhrenleitung,
deren Länge
im wesentlichen der Breite der Zelle entspricht und ist mit der
Abführleitung
des Flüssigkeits-Gasgemisches
verbunden. Der Kollektor ist außerdem
entlang der Oberseite seines Umfangs mit geeigneten Löchern versehen,
wobei die Löcher
einen zum Dämpfen der
an der Abführleitung
erzeugten Schwankungen ausreichenden Durchmesser besitzt.
- – Die
europäische
Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs- Nr. 505 945 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Entfernung von Nr. 505 945 beschreibt eine
Vorrichtung zur Entfernung von Flüssigkeits-Gas-Gemischen aus
Elektrolysezellen, wobei zwei unterschiedliche Leitungen vorgesehen
sind, um getrennt eine im wesentlichen gasförmige, im oberen Bereich jeder
Elementarzelle entmischte Phase und eine im wesentlichen flüssige Phase,
die immer noch kleine Mengen Gas enthält, getrennt abzuführen.
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Diese
und andere bekannte Vorrichtungen üben zwar einen dämpfenden
Einfluß auf
die Druckänderungen
aus, beseitigen aber die in den Anoden- und Kathoden-Kammern der
Elementarzellen von industriellen Elektrolyseuren auftretenden Druckschwankungen
nicht vollständig.
Die anodischen und kathodischen Fluktuationen treten meist mit unterschiedlichen
Frequenzen auf und die Maxima und Minima dieser Fluktuationen fallen
im allgemeinen nicht zusammen. Folglich können sich im schlimmsten Fall die
Intensitäten
dieser Schwankungen addieren und so eine beträchtliche Differenzdruckschwankung über die
die Anoden- und Kathodenkammer trennende Ionenaustausch-Membran
oder das poröse
Diaphragma erzeugen. Diese Schwankung der Druckdifferenz erzeugt
eine periodische Biegung der Membran oder des Diaphragmas und kann
zu Schäden
aufgrund von Materialermüdung
oder Abrieb führen,
wobei diese Schäden
im wesentlichen entlang des Umfangs der Membran auftreten, und dabei
entweder in der Nähe
der Dichtungen, wo die Membran unbeweglich ist (d.h. im Bereich
der maximalen Biegespannung) oder in der Nähe der Kanten der Elektroden,
wo geometrische Unreqelmäßigkeiten
wie Spitzen oder Ecken auftreten können.
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Hauptaufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die vollständige Beseitigung von Schäden, die
an Ionenaustausch-Membranen oder porösen Diaphragmen aufgrund von
Druckschwankungen in den Kathoden- und Anodenkammern von Elektolysezellen auftreten
können.
Wenn diese Druckschwankungen durch die Entnahme der Flüssigkeits-Gas-Gemische aus
dem Elektrolyseur hervorgerufen werden, kann die vorliegende Erfindung
im Hinblick auf die Standzeit der Ionenaustausch-Membranen oder
der porösen
Diaphragmen besonders dann sehr vorteilhaft eingesetzt werden, wenn
sie zusammen mit den bekannten, oben beschriebenen Vorrichtungen
wie Fallrohren, inneren löchrigen
Kollektoren oder doppelten Austrittsleitungen für die getrennte Entnahme der
gasförmigen
und flüssigen
Phasen eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß wird der
Randbereich jeder Elementarzelle eines Elektrolyseurs mit einem Streifen
versehen, der so positioniert ist, daß die Kante einer der beiden
Elektroden bedeckt ist, so daß ein
direkter Kontakt zwischen der Ionenaustausch-Membran oder dem porösen Diaphragma
und eventuell vorhandene Unregelmäßigkeiten der Elektrode, wie
zum Beispiel scharfen Kanten oder Ecken verhindert wird. Insbesondere
schützt
der Streifen die Membran oder das Diaphragma vor Abrieb, der aufgrund
von Differenzdruckschwankungen hervorgerufene Schwingungen entstehen
könnte.
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Um
einen größtmöglichen
Nutzen zu erzielen, muß der
Streifen eine ausreichende Breite aufweisen, damit ein beträchtlicher
Teil der Dichtung und ein Teil der Randfläche der Elektrode bedeckt wird. Bevorzugt
ist der Streifen relativ dünn,
damit keine Stufen auftreten, die eine homogene Kompression der
Dichtungen verhindern würden
und zu gefährlichen
Diskontinuitäten
der Integrität
der Membran oder des Diaphragmas führen könnten.
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Die
Streifen können
aus einem korrosionsbeständigen
Metall oder einer Legierung bestehen oder um die Herstellungskosten
zu verringern, bevorzugt aus einem inerten Material.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, wenn eine Seite des Streifens mit einem Kleber
versehen ist, so daß der
Streifen beim Zusammenbau der Zelle leichter positioniert und dann
an seiner Position gehalten werden kann. Dies kann zusätzlich dadurch
erleichtert werden, daß man
eine Dichtung mit geeigneter Breite vorsieht, die mittels der anderen
in jeder Elementarzelle enthaltenen Elektrode gegen den Streifen
gedrückt
wird. So werden zwei Vorteile erreicht, nämlich daß einerseits Schäden aufgrund
von Materialermüdung
vermieden werden und andererseits der gesamte Randbereich der Membran
oder des Diaphragmas abgedichtet wird. Daher kann auch dann, wenn
in einem derartig abgedichteten Bereich Defekte wie Poren oder Brüche auftreten,
keine Vermischung der in den beiden Kammern jeder Elementarzelle
enthaltenen kathodischen und anodischen Elektrolyte stattfinden.
So werden Schäden
im Zusammenhang mit der Verunreinigung der Qualität der Elektrolyseprodukte
und einer Korrosion der Struktur der Elementarzellen vermieden.
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Darüber hinaus
verhindert das Andrücken des
Streifens auf die Oberfläche
der Trägerelektrode durch
die Dichtung sehr wirksam die Bildung von Gastaschen, die andernfalls
zwischen dem Streifen und der Membran oder dem Diaphragma gebildet werden
könnten.
Diese Gastaschen können
für bestimmte
Membran- oder Diaphragmatypen schädlich sein.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist also ein Elektrolyseur für elektrochemische
Verfahren bei denen gasförmige
Produkte entstehen, der mehrere Elementarzellen umfaßt, wobei
jede Zelle mittels einer Ionenaustausch-Membran oder eines porösen Diaphragmas
in eine erste und eine zweite Kammer unterteilt ist, von denen jede
eine Elektrode mit einem ebenen Randbereich und eine Randdichtung
umfaßt,
wobei die erste Kammer bei einem niedrigeren Druck als die zweite
Kammer arbeitet und die Kammern Mittel zum Zuführen von Elektrolyten und Mittel
zur Entnahme der Elektrolyte und von gasförmigen Produkten aufweisen
und der dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Streifen aus einem gegenüber den
Elektrolyten korrosionsbeständigen
Material auf dem ebenen Randbereich der Elektrode und auf der Randdichtung
der bei niedrigerem Druck arbeitenden ersten Kammer angebracht ist,
und daß die
Randdichtung der zweiten Kammer in diese Kammer hinein verbreitert
ist und durch die Elektrode der zweiten Kammer komprimiert wird.
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Vorteilhaft
besteht der Streifen aus Titan, er kann aber auch aus einem perfluorierten
Polymer bestehen.
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Der
Streifen ist vorteilhaft auf der Seite, die sich in Kontakt mit
dem ebenen Randbereich der Elektrode und der Randdichtung der bei
niedrigerem Druck arbeitenden Kammer befindet, mit einem Klebefilm
beschichtet.
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Bevorzugt
besitzt der Streifen eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm und
eine Breite im Bereich von 10 bis 30 mm. Der Streifen kann sich über die
gesamte Länge
der der Membran erstrecken.
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Vorteilhaft
koinzidieren die Innenkanten der Randdichtung und des Streifens,
d.h. ihre nach innen in die entsprechende Kammer ragenden Kanten
liegen auf gleicher Höhe.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
ist der Elektrolyseur für
die Alkalichlorid-Elektrolyse geeignet, wobei dann die bei niedrigerem
Druck arbeitende Kammer vorteilhaft die Anodenkammer ist und ihre Randdichtung
aus EPDM-Kautschuk besteht.
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Vorteilhaft
wird der erfindungsgemäße Elektrolyseur
in Verbindung mit den oben genannten Mittel zur Entnahme der Elektrolyte
und der gasförmigen Produkte
eingesetzt, die eine Dämpfung
der Druckschwankungen in den Kammern bewirken.
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Im
folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Elementarzelle
des erfindungsgemäßen Eletrolyseurs
entlang einer Ebene, die der Ebene A-A' der 3 entspricht.
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2 einen 1 entsprechenden
Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Elementarzelle
des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs.
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3 eine
Vorderansicht mit Teilen im Ausriß einer Elementarzelle eines
bekannten Elektrolyseurs.
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4 einen
Schnitt durch die bekannte Elektrolysezelle der 3 entlang
der Ebene A-A'.
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5 eine
Darstellung gemäß 4 einer weiteren
Ausführungsform
einer bekannten Elementarzelle, wobei sich die Elektroden in direktem
Kontakt mit der Membran oder dem Diaphragma befinden (Nullabstandszelle).
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6 eine
Darstellung gemäß 4 einer weiteren
Ausführungsform
einer bekannten Elementarzelle, wobei zumindest eine Elektrode von
der Membran beabstandet ist (Normalabstandszelle), wobei eine der
Elektroden gegen den Randflansch gedrückt wird und mit diesem, beispielsweise
durch Verschweißen,
verbunden sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit deren Hilfe
vermieden werden soll, daß Ionenaustausch-Membranen
oder poröse
Diaphragmen, wie sie in Elektrolyseuren verwendet werden, lokalisierte
Defekte entlang des Randbereichs der Elektroden ausbilden, wie sie
schon bei kleinen Druckschwankungen auftreten können.
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Der
Einfachheit halber beschränkt
sich die folgende Beschreibung auf die Alkalichlorid-Elektrolyse
und insbesondere auf die Alkalichlorid-Elektroyse mit Membranzellen,
die wohl das wichtigste industrielle, elektrochemische Verfahren
darstellt. Es ist jedoch offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung genauso
gut bei der Wasser-Elektrolyse, der Elektrolyse von anderen Salzen
als Chloriden, wie zum Beispiel Sulfaten, und allgemein bei jedem
elektrochemischen Verfahren eingesetzt werden kann, das mit Elektrolyseuren
durchgeführt
wird, die mit Ionenaustausch-Membranen oder porösen Diaphragmen arbeiten, und
das durch die Bildung von gasförmigen Produkten
gekennzeichnet ist.
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Zum
besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn zunächst der
Aufbau und die Betriebsweise der industriell eingesetzten Alkalichlorid-Membranelektrolyseure
betrachtet wird. Bei diesen Elektrolyseuren sind die Elementarzellen üblicherweise
nach Art einer Filterpresse zusammengefügt. Jede Elementarzelle hat
die Form eines flachen Kastens, der in Längsrichtung durch die Membran
in eine Anodenkammer und in eine Kathodenkammer unterteilt ist,
die eine Anode (positiver Pol) bzw. eine Kathode (negativer Pol)
enthalten. Die Anode und Kathode bestehen üblicherweise aus löchrigen
Elementen, wie zum Beispiel Netzen, Lochblechen oder Streckmetallblechen,
d.h. ebene Flächen
mit Löchern
unterschiedlichster Form und Abmessung, die dazu dienen, das Ablösen von
gasförmigen
Blasen in den flüssigen
Elektrolyt zu erleichtern. Die löchrigen
Elemente bestehen aus elektrisch leitfähigen und korrosionsbeständigen Materialien, typischerweise
Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Nickel oder dessen Legierungen für die Kathode
und Titan für
die Anode.
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Die
löchrigen
Elemente sind darüber
hinaus mit elektrokatalytischen Überzügen versehen,
so daß die
Betriebsspannung so niedrig wie möglich gewählt werden kann.
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3 zeigt
eine derartige typischerweise in Elektrolyseuren verwendete Elementarzelle.
Sie stellt eine Vorderansicht einer Kammer einer Elementarzelle
dar, wobei die wesentlichen Komponenten mit denselben Bezugsziffern
versehen sind, wie bei den übrigen
Figuren. Man erkennt insbesondere die Kammer 1, welche
die Form eines im wesentlichen flachen Tabletts aufweist und von
einem ebenen Randflansch 2 umgeben ist, in welchem sich
die Randdichtung 3 befindet. In der Kammer befindet sich
die Elektrode 4, die als Netz, Loch- oder Streckblech ausgebildet
sein kann. Mit der Elektrode 4 sind elektrisch leitfähige Träger 5 verbunden,
die eine elektrische Verbindung mit den Abschlu8wänden der Kammer
herstellen.
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4 stellt
einen Querschnitt entlang der Ebene A-A' der 3 dar, wobei
zusätzlich
ein Teil der zugehörigen
zweiten Kammer dargestellt ist, so daß ein im wesentlichen ebener
Kasten gebildet wird, der die typische Elementarzelle eines Membranelektrolyseurs
nach Art einer Filterpresse bildet. Zusätzlich zu den bereits in 3 bezeichneten
Elementen, sind in 2 die gleichen Komponenten für die zweite
Kammer dargestellt, d.h. die Kathodenkammer 6, der zugehörige Flansch 7,
die Dichtung 8 der Kathodenkammer, die Kathode 9 und
deren zugehöriger Träger 10.
Zwischen den beiden Kammern ist die Ionenaustausch-Membran 11 angeordnet.
Normalerweise wird dafür
gesorgt, daß der
Druck in der Kathodenkammer 6 etwas höher ist als der Druck in der
Anodenkammer 1. Aufgrund dieses Druckunterschieds wird
die Membran 11 gegen die Anode 4 gepreßt. Falls
der Randbereich dieser Elektrode umgebogen ist, kann die Membran
in dem Bereich, wo sie nicht unterstützt ist, d.h. in dem Freiraum
zwischen dem Rand der Elektrode 4 und der Dichtung 3,
eine Falte ausbilden. In 4 ist eine derartige bekannte
Elementarzelle dargestellt, wobei die Elektroden 4 und 9 einen
bestimmten Abstand voneinander besitzen, der üblicherweise im Bereich von
einigen Millimetern liegt. Diese Anordnung wird auch als "Normalabstandszelle" (finite-gap) bezeichnet.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch eine Elementarzelle, die als "Nullabstandszelle" (zero-gap) bekannt
ist, bei der beide Elektroden die Membran berühren. Zusätzlich zu den bereits im Zusammenhang
mit den vorangegangenen Figuren beschriebenen Elementen, ist eine
Elektrode 13 dargestellt, die sich in Kontakt mit der gegen
die Gegenelektrode 4 gepreßten Membran 11 befindet.
Die Elektrode 13 wird mittels eines elastischen, elektrisch
leitfähigen
Bauteils 12, das sich zwischen der Elektrode 13 und
dem Netz oder Loch- oder Streckblech 9 befindet, gegen
die Membran 11 gepreßt.
Das löchrige Element 9 wirkt
sowohl als Stromverteiler als auch als eine starre Struktur, die
dafür sorgt,
daß die
Anordnung aus elastischem Element 12 und Elektrode 13 unter
Druck gehalten wird. Das in 5 schematisch
dargestellte elastische Element 12 kann aus einer Reihe
Spiralen bestehen oder in Form einer Matte aus miteinander verwobenen
Metalldrähten
vorliegen (vgl. hierzu das italienische Patent Nr. 1,193,893 oder
das US-Patent 4,444,632).
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6 stellt
einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer herkömmlichen
Normalabstandszelle dar. In diesem Fall ist die gegen die Membran 11 gepreßte Elektrode 4 im
Randbereich nicht umgebogen und liegt am Flansch 2 an,
mit dem sie verschweißt
sein kann. Die Membran 11 ist also in ihrem Randbereich
besser unterstützt
und die bei den Ausführungsformen
der 4 und 5 auftretenden Falten sind weniger
ausgeprägt.
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Im
Fall der Alkalichlorid-Elektrolyse erfordern die hochaggressiven
Elektrolyte die Verwendung von speziellen Materialien zur Herstellung
der Elementarzellen (beispielsweise Titan für die Anodenkammer, Edelstahl
oder Nickel oder dessen Legierungen für die Kathodenkammer). Geeignete
Membranen sind perfluorierte Ionenaustausch-Membranen, wie zum Beispiel
Nafion®-Membranen
von Du Pont, USA oder Flemion®-Membranen von Asahi Glass,
Japan oder entsprechende Membranen.
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Die
Dichtungen 8 auf der kathodischen Seite in den 4,5 und 6 bestehen
aus EPDM (Ethylenpropylendienmonomer)-Kautschuken, während die
Dichtungen 3 auf der anodischen Seite in den 4,5 und 6 notwendigerweise
aus teureren Materialien bestehen, wie zum Beispiel fluorierten
Kautschuken oder alternativ EPDM-Kautschuken, die mit einem Film
aus korrosionsbeständigem Material
wie Polytetrafluorethylen beschichtet sind.
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Im
Betrieb werden die Elektrolyte, die Sole bzw. das Natriumhydroxid
im unteren Bereich der Anoden- und Kathodenkammern durch geeignete
(in den Figuren nicht dargestellten) Einlasse zugeführt und
das Gemisch aus Elektrolyten und gasförmigen Produkten (Chlor in
der Anodenkammer und Wasserstoff in der Kathodenkammer) wird durch
geeignete (in den Figuren nicht dargestellte) Mittel, wie zuvor beschrieben
entfernt.
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Wie
bereits angesprochen, gibt es dazu Vorrichtungen, die die in den
Auslaßleitungen
durch das Flüssigkeits-Gas-Gemisch,
das sowohl aus der Anoden- und Kathodenkammer jeder Elementarzelle
entfernt werden muß,
entstehenden Druckschwankungen beträchtlich dämpfen. Trotz diesen Verbesserungen
besteht jedoch immer noch eine gewisse Gefahr für die empfindlichen Ionenaustausch-Membranen, wenn
die Restschwankungen gelegentlich gegenphasig auftreten. In diesen
Fällen
kann der Druckunterschied so groß sein, daß ein beträchtlichen periodisches Biegen
der Membranen induziert wird, das insbesondere entlang des Randbereichs
in der Nähe der
Dichtungen zu einer starken Beanspruchung führt. Die Amplitude dieser periodischen
Biegungen hängt
von der Geometrie der Kante der Elektrode (üblicherweise der Anode) ab,
welche die Membran unterstützt.
Die Elektrode kann beispielsweise die in der 4 oder in 6 dargestellte
Form besitzen. Als Folge des periodischen Biegens der Membran kann
diese aufgrund von Materialermüdung
oder Abrieb beschädigt
werden. Um diese Gefahr zu verringern, muß die Oberfläche der
Elektrode, welche die Membran unterstützt (die Elektrode 4 in
den 3, 4, 5 und 6)
frei von Unebenheiten (beispielsweise ein gründlich abgeflachtes Streckmetallblech)
und in ihrem Randbereich sorgfältig
geglättet sein.
Es ist anzumerken, daß die
in 3 dargestellte Nullabstandanordnung einen zusätzlichen
Schutz der Membran bei Auftreten von verbleibenden Druckschwankungen
bietet, weil die zwischen die zwei Elektroden 4 und 13 eingepreßte Membran
besser befestigt ist, als im Fall einer Normalabstandszelle.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung näher
erläutert.
In 1 ist eine Normalabstandszelle eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
dargestellt, während
in 2 eine Nullabstandszelle einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Elektrolyseurs
dargestellt ist. Die bereits in bekannten Elementarzellen verwendeten
Bauteile, die auch im Zusammenhang mit den 3–6 näher beschrieben
worden sind, werden in den 1 und 2 mit denselben
Bezugsziffern bezeichnet.
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1 zeigt
als die beiden kennzeichnenden Komponenten der vorliegenden Erfindung
den Streifen 14 und die gegenüber der Dichtung 8 der
herkömmlichen
Zellen (vgl. 4, 5 und 6)
verbreiterte Dichtung 15.
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Der
Streifen 14 muß breit
genug sein, damit sowohl der ebene Randbereich der Elektrode 4,
gegen die die Membran gepreßt
wird, und ein Bereich der zugehörigen
Dichtung 3 abgedeckt wird. Der Streifen 14 dient
als Träger
und verhindert in dem diskontinuierlichen Bereich zwischen der Elektrode 4 und
der Dichtung 3 das Durchbiegen der Membran. Typische Breiten
dieses Streifens liegen zwischen 10 und 30 mm. Eine zu große Breite
sollte dabei vermieden werden, weil dies mit praktisch nutzlosen
zusätzlichen
Kosten verbunden und die freie, der Elektrolyse dienende Oberfläche der
Membran beschränkt. Andererseits
würde eine
zu geringe Breite den diskontinuierlichen Bereich zwischen der Elektrodenkante
und der Dichtung nicht zuverlässig überdecken.
Typische Dicken des Streifens liegen im Bereich von 0,05 bis 0,5
mm. Hier würde
eine zu geringe Dicke den Streifen schwächen und er könnte nicht als
Träger
oder Stütze
der Membran in dem diskontinuierlichen Randbereich wirken. Andererseits
würde eine
zu große
Dicke eine homogene Kompression der Dichtung verhindern und könnte durch
Ausbildung einer scharfen Kante in dem Bereich, der mit der Elektrode
verbunden ist, zu einer Beschädigung der
Membran führen,
und sollte daher vermieden werden.
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Bezüglich des
Streifenmaterials sind vor allem eine ausreichende Beständigkeit
gegenüber dem
Elektrolyt und die mechanische Festigkeit die wesentlichen notwendigen
Eigenschaften. Bei der Alkalichlorid-Elektrolyse kann beispielsweise
Titan als metallisches Material oder bevorzugt, aufgrund der niedrigeren
Kosten, perfluorierte Polymere, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen
verwendet werden.
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Für einen
leichteren Zusammenbau sollte der erfindungsgemäße Streifen auf der Seite,
mit der er gegen die Elektrode gepreßt wird, mit einem klebrigen
Film versehen sein. Bevorzugt sollte der Kleber gegenüber den
Elektrolyten widerstandsfähig
sein, so daß der
Streifen sowohl während
des Betriebs als auch während
einer möglichen Öffnung des
Elektrolyseurs bei der Wartung der inneren Komponenten in seiner
Position gehalten wird.
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Das
erste Ziel, d.h. die Fixierung des Streifens während des Betriebs wird auch
durch die zweite kennzeichnende Komponente der vorliegenden Erfindung,
nämlich
die vergrößerte Dichtung
unterstützt.
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Wie
in 1 dargestellt, befindet sich die Dichtung 15 auf
der bezüglich
des Streifens 14 gegenüberliegenden
Seite der Membran. Beispielsweise ist der Streifen 14 bei
Alkalichlorid-Elektrolyseuren,
bei denen der Druck der Kathodenkammer üblicherweise größer ist
als der der Anodenkammer, in der Anodenkammer angeordnet und ist
teilweise auf dem ebenen Randbereich der Anode 4 und teilweise auf
der anodischen Dichtung 3 angebracht, die üblicherweise
aus fluoriertem Kautschuk oder aus EPDM-Kautschuk besteht, der mit
einem Film aus perfluoriertem Polymer beschichtet ist.
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Die
vergrößerte Dichtung 15 befindet
sich in der Kathodenkammer und besteht aus EPDM-Kautschuk.
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Wie
aus 1 ersichtlich, erstreckt sich die vergrößerte Dichtung 15 von
dem Flansch 7 bis über einen
Teil der ebenen Oberfläche
der Elektrode 9 (üblicherweise
der Kathode bei Alkalichlorid-Elektrolyseuren).
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Wenn
man für
die vergrößerte Dichtung 15 eine
geeignete Dicke wählt,
die etwas größer ist
als der Abstand zwischen der Elektrode 9 und der Membran 11 und
wenn die Elektrode 4 eine geeignete Festigkeit besitzt,
wird die Dichtung 15 komprimiert und drückt dann selbst wieder die
Membran 11 und den Streifen 14 gegen den ebenen
Randbereich der Elektrode 4.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt, bei der eine Elementarzelle
eines Elektrolyseurs eine Nullabstandsanordnung besitzt, wie sie
bereits im Zusammenhang mit einem bekannten Elektrolyseur in 5 dargestellt
wurde. In diesem Fall ist die vergrößerte Dichtung 15 mit
einem geeigneten-Profil versehen, insbesondere einem Profil, das
in der Dicke vom Randbereich der Membran nach innen immer weiter
abnimmt, damit die Elektrode 13 und das elastische Element 12 kontinuierlich
an die Membran so herangeführt
werden, daß die
vergrößerte Dichtung 15 gegen
die Membran 11 und den Streifen 14 ohne übermäßigen Kontaktdruck
gepreßt
wird.
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Durch
die gemeinsame Verwendung des Streifens und der vergrößerten Dichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die folgenden Vorteile erreicht:
- – Der Streifen
wird für
längere
Betriebszeiten selbst dann in der richtigen Position gehalten, wenn
der Kleber, der den Streifen auf der Trägerelektrode fixiert, durch
den Elektrolyt aufgelöst oder
zersetzt wird.
- – Bewegungen
der Ionenaustausch-Membran werden vollständig unterdrückt, wenn
diese zwischen dem Streifen und der vergrößerten Dichtung eingeklemmt
ist.
- – Die
Kante zwischen dem Streifen und der vergrößerten Dichtung erhält eine
wirksame Versiegelung. Folglich verursachen etwaige Schäden, die
beim Zusammenbau des Elektrolyseurs aufgrund von Defekten auf dem
Elektrodenumfang (unzureichende Glättung, scharfe Kanten) auftreten
können,
keine merkliche Vermischung der Elektrolyte und der gasförmigen Produkte,
die in der Kathoden- bzw. Anodenkammer enthalten sind.
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Im
Spezialfall eines Alkalichlorid-Elektrolyseurs kann durch die angesprochene
Versiegelung sowohl die Bildung von potentiell gefährlichen Chlor-Wasserstoff-Gemischen
als auch die Wanderung von Natriumhydroxid in die aus Titan bestehende
Anodenkammer verhindert werden, was sonst zu beträchtlicher
Korrosion und einer Erhöhung
der Sauerstoffkonzentration im erzeugten Chlorgas führen würde.
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Darüber hinaus
verhindert die Versiegelung die Bildung von stagnierenden Gastaschen
zwischen der Membran und dem erfindungsgemäß angebrachten Streifen. Dieses
Ergebnis ist vor allem für
die Alkalichlorid-Elektrolyseure von Bedeutung, bei denen diese
Gastaschen aus Chlorgas bestehen würden. Ein längerer Kontakt des Chlorgases
mit den Ionenaustausch-Membranen,
auch den perfluorierten Membranen, führt nachgewiesenerweise zu
schweren Schäden
(T. Yamashita et al in Modern Chlor-Alkali Technology, Bd. 4, S.
109, Society of Chemical Industry, Elsevier, 1990).
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Betrachtet
man die Relativanordnung des Streifens und der vergrößerten Dichtung,
so ist die bevorzugte Ausführungsform
offensichtlich dadurch erhältlich,
daß die
Innenkanten (auf der Elektrolytseite) beider Elemente koinzidieren,
d.h. auf gleicher Höhe
liegen. Diese bevorzugte Ausführungsform
ist in der Praxis jedoch nur schwer zu realisieren. Die Erfahrung
hat jedoch gezeigt, daß auch
unter Bedingungen, wo diese beiden Kanten nicht exakt koinzidieren,
ein zufriedenstellender Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich
ist. Unter einem nicht exakten Aufeinanderfallen der Kanten versteht man,
daß entweder
der Streifen oder die vergrößerte Dichtung
einige Millimeter weiter in die elektrolytische Seite hineinragen.
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Als
weiterer Vorteil wurde auch festgestellt, daß bei der Alkalichlorid-Elektrolyse
der erfindungsgemäße Streifen
zu einem ausreichenden Schutz der Dichtung auf der Anodenseite führt, so
daß diese
einfach aus einem EPDM-Kautschuk ohne jeglichen Schutzfilm aus perfluoriertem
Polymeren bestehen kann, wodurch die Herstellungskosten verringert werden
können.
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Die
Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der der Streifen in Kombination mit einer vergrößerten Dichtung verwendet
wird, erlaubt eine längere
Standzeit der Membranen, ohne daß Schäden an diesen auftreten. Diese
verlängerte Standzeit
ist auch dann erhältlich,
wenn die Erfindung bei Elementarzellen eingesetzt wird, die nicht über die
oben erwähnten
bekannten Vorrichtungen zur Verringerung oder Dämpfung der Druckschwankungen
bei der Entnahme der Elektrolyseprodukte verfügen.