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Vorrichtung zur Verteilung des Elektrolyten auf die einzelnen
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Elemente von bipolaren Plattenzellen und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verteiiu des Elektrolyten auf die einzelnen
Elemente von bipolaren Plattenzellen und Abfuhr der Elektrolyseprodukte aus diesen
Elementen.
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Bipolare Elektrolysezellen haben gegenüber monopolaren Zellen den
Vorteil, daß keine Stromzuführungen zu den Elektroden benötigt werden und die Zelle
sehr kompakt gebaut werden kann. Sie finden z.B. für die Wasserelektrolyse breite
Anwendung, und auch ür die Chloralkali-Elektrolyse werden besonders für das mbranverfahren
bipolare Zellenkonstruktionen neuerdings eingejetzt.
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Die bipolare Schaltung von Zellenelementen innerhalb eines Zellenblocks
bringt aber auch die Gefahr, daß durch Nebenströme, die direkt zwischen den äußeren
Elementen fließen unter Umgehung der zwischengeschalteten Elemente, erhebliche Stromverluste
entstehen, oder daß es zu elektrolytischer Korrosion aufgrund unkontrollierter elektrischer
Potentiale kommt.
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Diese Probleme lassen sich am leichtesten beherrschen, wenn man die
einzelnen Elemente flüssigkeitsdicht voneinander trennt und mit äußeren Zu- und
Ableitungen aus elektrisch nicht leitendem Material versieht, die schon aus konstruktiven
Gründen so lang sein müssen, daß die Nebenstromverluste auch bei einer großen Anzahl
in Serie geschalteter Bipolarelemente nicht übermäßig groß werden. Äußere Zu- und
Ableitungen bedingen aber gewisse Mindestdicken der Elemente, die wesentlich größer
sind, als es von den Erfordernissen der Elektrolyse her gegeben ist. Die Elemente
werden wesentlich materialaufwendiger, die Zellenblöcke erreichen Baulängen, bei
denen die im Betrieb auftretenden thermischen Dehnungen und Schrumpfungen aufwendige
hydraulische Spannvorrichtungen erforderlich machen oder Einzelverschraubung der
Elemente.
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Bei innerer Verteilung und Sammlung der Elektrolyte und der Produkte
der Elektrolyse sind wesentlich geringere Baulängen möglich.
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Diese Bauweise ist daher vorzuziehen, wenn es gelingt, das Problem
der Nebenströme zu lösen. Bei Elektrolyseprozessen, bei denen
Anoden-
und Kathodenprodukte getrennt gehalten werden müssen, ist es außerdem wesentlich,
daß die inneren Verteileinrichtungen die sichere Abdichtung zwischen Anoden- und
Kathodenraum nicht beeinträchtigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung gemäß
der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie die aufgezeigten Anforderungen
zufriedenstellend erfeillt, Insbesondere wird in Verbindung mit einer Bipolarelektrode
gemäß der gleichzeitig eingereichten Patentenmeldung eine sehr Kompakte, materialsparende
Zellen' struktion angestrebt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elemente
mit doppelringförmigen Einsätzen aus elektrisch nicht leitendem Material versehen
sind, die aneinandergereiht. mit Ihren
inneren Bohrungen ale verteil- und rammeltanale für die Elektriolyseprodukte bilden,
wahrend sie mit der Elektrolysekanmier durch / versetzt angeordnete Bohrungen im
Innen- und Außenring so verbunden sind, daß der Ringraum zwischen dem äußeren und
dem inneren Ring als vergrößerte Widerstandsstrecke dient zur Begrenzung der elektrischen
Nebenströme.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben
sich aus den Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter
Weise eine verhältnismäßig
große Flüssigkeitsumwälzung durch den
Elektrolyseur, ohne daß die Nebenstromverluste übermäßig hoch werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nunmehr an Hand der Zeichnungen
im Einzelnen erläutert. In letzteren sind: Fig. 1 Ein Elektrolyseur mit bipolaren
Zellenelementen mit innerer Verteilung und Sammlung der Elektrolyten und der Elektrolyseprodukte
im Längsschnitt, Fig. 2 ein Zellenelement in der Ansicht, teilweise mit Blick auf
den Separator, teilweise mit Blick auf eine der Elektroden (bei abgenommenem Separator),
und Fig. 3 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Einsätze.
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Die bipolaren Zellenelemente bestehen im wesentlichen aus der Trennwand
(2), dem Rahmen (3), den perforierten Anoden (4) und Kathoden (5). Zwischen 2 Bipolarelementen
ist jeweils ein Separator (6) angeordnet, durch den Anoden- und Kathodenprodukte
von einander getrennt werden. Der Strom wird an dem ersten Zellenelement (7) eingeleitet,
das lediglich eine Anode besitzt, und am letzten Zellenelement (8) abgeführt, das
nur mit einer Kathode ausgeriistet ist.
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Abbildung 2 zeigt ein Zellenelement in der Ansicht, teilweise mit
Blick auf den Separator, teilweise mit Blick auf eine der Elektroden (bei abgenommenem
Separator).
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Erfindungsgemäß erhalten die Zellenelemente zur Zufuhr von Anolyt
und Katholyt und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte ringförmige Einsätze (9) aus
elektrisch nicht leitendem Material. Die Einsätze bilden, aneinandergereiht, mit
ihren inneren Bohrungen die Verteil- und Sammelkanäle für die Elektrolyte und die
Elektrolyseprodukte. Der Ringraum (10) zwischen dem inneren Ring (11) und dem äußeren
Ring (12) dient als Widerstandsstrecke zur Begrenzung der elektrischen Nebenströme.
Er ist d jh eine Reihe von Bohrungen (13) im Außenring mit der Elektrolysekammer
(14), im Innenring mit dem Verteil- bzw. Sammelkanal (15) verbunden. Um d ^ Widerstandsstrecke
möglichst groß zu machen, sind die Bohrungen im Innen- und im Außenring auf entgegengesetzten
Seiten angeordnet, bei den Eintrittskanälen die Bohrungen im Innenring oben, diejenigen
im Außenring unten, bei den Austrittskanälen die Bohrungen im Außenring oben, die
im Innenring unten.
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Abbildung 3 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Einsätze im Schnitt.
Die Einsätze sind aus zwei getrennten Teilen - Innen-und Außenring - zusammengesetzt
und mit der Trennwand aus Metall (2) fest zusammengebaut, z.B. wird der Innenring
mit einen Bund versehen in eine entsprechende Bohrung der Trennwand eingesetzt
und
der Außenring anschließend aufgeschrumpft. Die Einsätze erhalten entsprechende Dichtungen
(16), die nach Zusammenbau des Zellenblocks eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennung
von Anolyt-und Katholytraum gewährleisten. Die Membran erhält dort, wo sich die
Einsätze befinden, Ausschnitte von der GröBe der inneren Bohrung. Nach Zusammenbau
der Zellenelemente liegt sie zunächst lose über den Ringeinsätzen und wird erst
beim Zusammenbau des Blocks festgespannt.
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Ein Zellenelement enthält bei einer Zelle ohne Separator mindestens
2, bei einer Zelle mit Separator gemäß Abb. 2 mindestens 4 Einsätze: für Eintritt
des Anolyten (17), Eintritt des Katholyten (18), Austritt von Anolyt und Anodengas
(19), Austritt von Katholyt und Kathodengas (20).
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht bestehen die bipolaren Zellenelemente 1
des Elektrolyseurs im wesentlichen aus der Trennwand 2, dem Rahmen 3, den perforierten
Anoden 4 und Kathoden 5. Zwischen 2 Bipolarelementen ist Jeweils ein Separator 6
angeordnet, durch den Anoden- und Kathodenprodukte voneinander getrennt werden.
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Der Strom wird an dem ersten Zellenelement 7 eingeleit , das lediglich
eine Anode besitzt, und am letzten Zellenelement 8 abgeführt, das nur mit einer
Kathode ausgerüstet ist.
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Erfindungagemäß erhalten die Zellenelemente 1 zur Zufuhr von
Anolyt
und Katholyt und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte ringförmige Einsätze 9 aus elektrisch
nicht leitendem Material. Die Einsätze bilden, aneinandergereiht, mit ihren inneren
Bohrungen die Verteil- und Sammelkanäle für die Elektrolyte und die Elektrolyseprodukte.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht dient der Ringraum 10 zwischen dem inneren Ring 11 und
dem äußeren Ring 12 als Widerstandsstrecke zur Begrenzung der elektrischen Nebenströme.
Er ist durch eine Reihe von Bohrungen 13 im Außenring mit der Elekrolysekammer 14,
im Innenring mit dem Verteil- bzw. Sammelkanal 15 verbunden. Um die Widerstandsstrecke
moglichst groß zu machen, sind die Bohrungen im Ili;rzn- und ia atLuc lug auf entgegengesetzten
Seiten angeordnet, bei den Eincrittskanälen die Bohrungen im Innenring oben, diejenigen
im Außenring unten, bei den Austrittskanälen die Bohrungen im Außenring oben, die
im Innenring unten.
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Die Einsätze sind, wie aus Fig.3 hervorgeht, bei ihrer bevorzugten
Ausführungsform aus zwei getrennten Teilen - Innen- und Bußenring - zusammengesetzt
und mit der Trennwand aus Metall 2 fest zusammengebaut, z.B. wird der Innenring
mit einem Bund versehen in eine entsprechende Bohrung der Trennwand eingesetzt und
der Außenring anschließend aufgeschrumpft, Die Einsätze erhalten entsprechende Dichtungen
16, die nach Zusammenbau des Zellenblocks eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennung
von Anolyt- und gatholytraum gewährleisten. Die Membran erhält dort, wo sich die
Einsätze befinden, Ausschnitte von der Große der inneren Bohrung.
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Nach dem Zusammenbau der Zellenelemente liegt sie zunächst lose üher
den Bingeinsätzen und wird erst beim Zusammenbau des Blocks festgespannt.
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Ein Zellenelement enthält bei einer Zelle ohne Separator mindestens
2, bei einer Zelle mit Separator gemäß Fig. 2 mindestens 4 Einsätze: für Eintritt
des Anolyten 17, Eintritt des Katholyten 18, Austritt von Anolyt und Anodengas 19,
Austritt von Katholyt und Kathodengas 20.
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Mit dieser Ausführung ist es möglich, den Zu- und Ableitungen relativ
große Querschnitte zu geben und so eine große Flüssigkeitsumwälzung durch den Elektrolyseur
zu ermoglichen, ohne daß die Nebenstromverluste übermäßig hoch werden. Bei 20 in
Serie geschalteten Zellenelementen und Querschnitten, die den Durchsatz von mehr
als 200 1 Elektrolyt pro 1000 Ampere ermöglichen, bleibt z.B. der Energieverlust
durch Nebenströme unter 1 %.