DE2548699A1 - Vorrichtung zur elektrolyse einer fluessigkeit unter druck - Google Patents

Vorrichtung zur elektrolyse einer fluessigkeit unter druck

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Description

LINDE AKTIENGESELUSGHAfT
(η 848) njLl
jLlM
Ke/bd 28.10.1975
Vorrichtung zur Elektrolyse einer Flüssigkeit unter Druck
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Elektrolyse einer Flüssigkeit unter Druck mit bipolaren Elektroden, die zu einem Zellenblock angeordnet sind,sowie Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten.
Bei den nach dem Stand der Technik gebräuchlichen Vorrichtungen zur Druckelektrolyse im großtechnischen Maßstab sind die Zellenpakete wegen des Druckes rund ausgebildet und werden zu einem zylinderförraigen Block zusammengesetzt. In Richtung der Längsachse wird hierbei der Zellenblock durch Zuganker gegen den Innendruck zusammengehalten. Dabei müssen die Abdichtungen zwischen den Zellen so konstruiert sein, daß sie
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dem Innendruck standhalten können. Bei dieser Konstruktionswelse können die Apparate praktisch nur bis zu Drücken von ca. 30 bar mit vernünftigem Aufwand realisiert werden. Außerdem werden für die Herstellung der runden Elektroden und insbesondere der Trennbleche, die im allgemeinen noppenartige Einprägungen aufweisen, teurere Prägewerkzeuge notwendig, da diese Teile in einem Stück geprägt werden müssen. Aus diesen Gründen unterliegen die bis jetzt verwendeten Apparate hinsichtlich ihrer Größe und Durchsat zmenge relativ engen Grenzen. Zum Beispiel liefern die größten bekanntgewordenen Apparate zur Druckelektrolyse von Wasser ca. 1000 Nnr Wasserstoff pro Stunde.
Der vorliegenden Patentanmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die für wesentlich größere Durchsatzmengen als die bisher bekannten geeignet ist und trotzdem die Investitionskosten bei der Auslegung auch für größere Drücke niedrig zu halten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Zellenblook und zumindest ein Teil der Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten in einem Druckbehälter angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Maßnahme die Nebenapparate zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten zusammen mit dem Zellenblock in einem Druckbehälter unterzubringen, führt zu einer beachtlichen Senkung der Herstellungskosten des Geräts.
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Da bei Unterbringung aller Nebenapparate im Druckbehälter das GerSt auch im Freien aufgestellt werden kann, werden überdies die Kosten für die Vorrichtung der gesamten Anlage erheblich vermindert.
Dadurch, daß erfindungsgemäß der Zellenblock in einem Druckbehälter angeordnet ist, muß er keinem Druckunterschied standhalten. Dank dieses günstigen Umstandes kann der Zellenblock aus quaderförmigen Zellenpaketen bausteinartig zusammengesetzt werden. Außerdem können die Trennbleche, die im allgemeinen noppenartige Einprägungen aufweisen, im Schrittprägeverfahren hergestellt werden. Dadurch werden die Herstellungskosten für die Zellen deutlich herabgesetzt. Außerdem steigen die Investitionskosten bei Auslegung für größere Drücke nicht mehr so drastisch an wie das bei den bis jetzt bekannten Torrichtungen der Fall war.
Zweckmäßigerweise werden die Halterungen für den Zellenblock und die Stromzuführungsleitungen ausschließlich mit einer Seite des Druckmantels fest verbunden, damit sich der Zellenblock bei Erwärmung ungehindert ausdehnen kann. Diese Konstruktionsweise wird ermöglicht, in dem in besonders vorteil hafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens die Zellen in c-:i-nor U-förraigen Kehre angeordnet werden .
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Anmeldungsgegenstandes sind an der Unterseite des Zellenblockes
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* - Jf -
Eintrittsöffnungen für die Elektrolyseflüssigkeit angeordnet. An der Oberseite des Zellenblockes befinden sich die Austrittsöffnungen für die Produktgase und die Flüssigkeit. Durch die aufsteigenden Elektrolysegase wird die Flüssigkeit mitgerissen. Auf diese Weise wird für den notwendigen Umlauf des Elektrolyten gesorgt.
Infolge der Tatsache, daß die Dichtungen zwischen den Zellen keinem Druckunterschied standhalten müssen, werden diese in einer weiteren Ausführungsform des Anmeldungsgegenstandes aus keramischem Material gefertigt. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, die Anlage bei wesentlich höheren Temperaturen als die herkömmlichen Anlagen zu betreiben.
Die Unterbringung der Reinigungsanordnung im Druckbehälter führt zu einer wesentlichen Verbilligung der Anlage. Dabei entsteht Jedoch das Problem, die Filtermassen von Zeit zu Zeit zu erneuern.Besonders vorteilhaft, ist eine AusfUhrungsform, bei der mattenförmige Filter verwendet werden, die kontinuierlich während des Betriebs von einer Trommel abgewickelt und auf eine andere Trommel aufgewickelt werden. Auf diese Weise wird für eine lange Zeitdauer der unterbrechungsfreie Betrieb der Anlage gesichert.
Die Unterbringung der Kühleinrichtung für die Elektrolyseflüssigkeit im Druckbehälter trägt ebenfalls zur Senkung der Investitionskosten bei.
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Nach einer weiteren vorteilhaften AusfUhrungsform wird dasjenige der Elektrolysegase, das im Raum zwischen Zellenblock und Druckmantel gesammelt wird, vorher in mindestens einem besonderen Kühler gekühlt, um die Temperatur des Druckmantels niedrig zu halten. Eine niedrige Temperatur des Druckmantels wirkt sich günstig auf dessen Festigkeit aus. Darüber hinaus wird durch die Kühlung der mit dem Gas vermischte Dampf der Elektrolyseflüssigkeit ausgeschieden und dem Kreislauf zurückgeführt.
Dank der Tatsache, daß der Zellenblock bausteinartig aus Zellenpaketen zusammengesetzt werden kann, kann das Problem der Reinigung und Wartung auf sehr einfache Weise gelöst werden. Besonders vorteilhaft erscheint eine Ausführungsform, bei der der mit der Abdeckplatte fest verbundene Kühler durch eine Luke aus dem Druckmantel gezogen werden kann. Durch die freiwerdende Öffnung kann ein Mann in das Innere des Druckbehälters gelangen und mit Unterstützung eines Lastkrans die Zellenpakete einzeln aus dem Druckbehälter fördern.
Die Hauptanwendungsgebiete der beschriebenen Vorrichtung sind die elektrolytische Zerlegung von Wasser und Salzsäure. Genaue Berechnungen haben jedoch ergeben, daß bei der Zerlegung von Salzsäure der oben beschriebene selbsttätige Umlauf des Elektrolyten wegen des großen spezifischen Gewichtes des Chlorgases nicht gewährleistet 1st. Für derartige Zwecke wird erfin-
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dungsgemäß der Umlauf des Elektrolyten durch eine sich innerhalb des Druekraantels befindliche Pumpe erreicht. Die Anwendung einer derartigen Pumpe ist jedoch nicht nur auf Anlagen zur Zerlegung von Salzsäure beschränkt. Auch bei Anlagen zur Zerlegung von \ Wasser ist sie von Vortei 1, da durch einen verstärkten Elektrolytumlauf die Effektivität der Elektrolyse gesteigert wird.
Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Anmeldung sind in den Figuren 1 bis 8 schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 Längsschnitte durch eine Elektrolysevorrichtung für Wasser;
Figur 5a, b Teile von Zellen der Elektrolysevorrich-. , tung;
Figur 4 ein Zellenpaket von oben;
Figuren 5 und β Querschnitte durch die Elektrolysevorrichtung;
Figur 7 Längsschnitt durch eine Elektrolysevorrichtung für Salzsäure;
Figur Ό Querschnitt durch die Elektrolysevorrichtung für Salzsäure.
Ein quaderförmiger Zellenblock 1 befindet sich in
einem Druckbehälter 2 (Figur 1, 2, 5, 6). An beiden Seiten des
Zellenblockes 1 sind Kühler 3 sowohl für die Kühlung des Elektro-
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no -/-
lyten als auch für das Wasserstoffgas angebracht. Die Zellen (Figur 3a, b und 4) sind so konstruiert, daß die Öffnungen 4a an der Anodenseite des Diaphragmas (Öffnungen für Sauerstoff) am zur Mitte gelegenen Teil des Zellenblockes 1 und die kathodenseitigen Öffnungen 4b an wanäseitigen Teil des Zellenblockes 1 liegen. Der Produktsauerstoff wird durch den Raum 5 geführt (Figur 1, 2, 6), im Raum β gegen eintretendes Speisewasser gekühlt und durch den Stutzen 7 aus dem Druckmantel geführt. Der Führungsweg des Produkt Sauerstoffs ist von einem Hohlmantel 8 umgeben, in dem der hohe Druck des Speisewassers herrscht, um bei einem eventuellen Leck eine Vermischung des Sauerstoffs mit dem VJasserstoffgas auf jeden Fall zu vermeiden. Das Wasserstoffgas wird durch eine Trennplatte 9 gezwungen, den oberen Teil der Kühler 3 zu passieren, bevor es in den Außenraum 10 gelangt; es wird über den Stutzen 11 aus der Anlage geführt. Die Elektrolyseflüssigkeit wird durch die in den Zellen aufperlenden Produktgase selbsttätig umgewälzt. Die Flüssigkeit, die durch die Sauerstoff Öffnungen den Zellenblock verläßt, wird im Raum 6 mit j Frischwasser versetzt und durch die beiden Rohre 12 geleitet. Durch entsprechend Leitbleche wird dafür gesorgt, daß die Elektrolyseflüssigkeit die beiden Kühler passieren muß, bevor sie von unten wieder in den Zellenblock durch die Öffnungen 17 (Figur 3, 4) eintritt. Vor den Kühlern 3 befinden sich Filtermatten 13 zur Reinigung des Elektrolyten, die permanent ge-
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wechselt werden, indem sie von Rolle 14 ab- und auf Rolle 15 aufgewickelt werden. Durch zwei Luken 16 können die Kühler 5 herausgenommen werden. Dadurch wird ein Mannloch für Wartungsarbeiten freigegeben. Der Zellenblock 1 der aus Jfc Zellenpaketen (Figur 4) besteht, kann zu Wartungszwecken paketweise aus dem Druckbehälter herausgehoben werden.
In den Figuren 7 und 8 ist eine Vorrichtung zur Zerlegung von Salzsäure dargestellt. Der Umlauf der Säure wird durch Pumpen erreicht. Außer durch diese Pumpen und eine andere räumliche Aufteilung unterscheidet sich diese Anordnung prinzipiell nicht von der in den Figuren 1 bis 6 dargestellten. Es ist deswegen nur der Teil dargestellt, aus dem die genannten Unterschiede deutlich werden.
Zwei Pumpenmotoren tragen das Bezugszeichen 100. Die Bezugszeichen 101 und 102 kennzeieh nen die Antriebswellen bzw. zwei Flügelradpumpen.
Die Salzsäure, die über dem Zellenblock 103 austritt sowie die Salzsäure, die aus Raum 104 über Leitung 105 abfließt, j fließt weiter über Leitung 106 zu den Pumpen 102 und wird von Ihnen in den Raum 107 gedrückt. Die Druckerhöhung im Raum 107 hat eine Erhöhung des Flüssigkeitsstandes im Raum 108 zur Folge. Durch die Niveaudifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstand im Raum 108 und demjenigen im Raum über dem Zellenblock 105 wird der nötige Flüssigkeitsumlauf herbeigeführt.
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Bei einer Elektrodenfläche von 6 m pro Zelle und
einer Stromdichte von 15 000 A/m produziert das Gerät zur Wasserelektrolyse in 512 hintereinander geschalteten Zellen 20 000 Nm-5 Wasserstoff und 10 000 Nm^ Sauerstoff pro stunde. Bei Auslegung auf einen Betriebsdruck von 30 bar betragen die Investitionskosten weniger als ein viertel der Kosten für die herkömmlichen Geräte derselben Leistung. Wird das Gerät mit einer Elektrolyttemperatur von 300 0C betrieben, ist für die Zersetzung von 1 Nnr Wasser eine Energie von 4,1 KWh erforderlich, gegenüber 4,6 bis 4,8 KWh bei herkömmlichen Geräten.
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Claims (1)

  1. LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    - 10 (H 848) H 75/077
    i7 28.10.1975
    Patentans prüche
    1. Vorrichtung zur Elektrolyse einer Flüssigkeit unter Druck mit bipolaren Elektroden, die zu einem Zellenblock angeordnet sind,sowie Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock (1) und zumindest ein Teil der Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten in einem Druckbehälter (2) angeordnet sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock (l) quaderförmig ist.
    J3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekeinzelehnet, daß die elektrisch verbundenen Elektrolysezellen in mindestens einer Kehre angeordnet sind und die Halterung für den Zellenblock (l) sowie die beiden Stromzuführungsleitungen aus-
    ; schließlich an einer Seite des Druckmantels (2) befestigt sind.
    i4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daduroh gekenn-
    zeichnet, daß an der Unterseite des Zellenblockes Eintrittsöffnungen (17) für die Elektrolysenflüssigkeit und an seiner Oberseite Austrittsöffnungen (4a, 4b) angeordnet sind.
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    , LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    λ - Vi -
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen zwischen den Zellen aus keramischem Material bestehen.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Elektrolyseflüssigkeit mindestens eine mit einer Auf- und einer Abwickeltrommel (1Λ, 15) verbundene Filtermatte (13) angeordnet ist.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg der Elektrolyseflüssigkeit mindestens ein Kühler (3) angeordnet ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß eine Auffangvorrichtung für eines der Elektrolysegase zwischen dem Zellenblock und mindestens einem Kühler angeordnet ist, wobei über einen Strö'mungsweg für das Elektrolysegas der Kühler (j5) mit einem den Seilenblock (l) umgebenden Außenraum (10) verbunden ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler (3) fest mit den über ihnen befindlichen Abdeckplatten verbunden sind und diese Abdeckplatten abnehmbar sind.
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    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    10.Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Abdeckplatten abgedeckten Luken für die Entnahme der Kühler (j5) mindestens die Abmessungen eines Mannloches aufweisen.
    !.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock (l) in einzelne Pakete zerlegbar ist, die durch eine Luke aus dem Druckbehälter herausziehbar sind.
    .Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine sich im Inneren des Druckmantels (2) befindliche Pumpe (102) zur Umwälzung der ElektrolyseflUssigkeit.
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