DE3829901A1

DE3829901A1 - Elektrolysezellenanordnung in filterpressenbauart

Info

Publication number: DE3829901A1
Application number: DE3829901A
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl Ing Kliem
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1990-03-15
Also published as: DE3829901C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezellenanordnung in Filterpressenbauart, bestehend aus einer Vielzahl aneinandergereihter Einzelzellen, welche aufgebaut sind aus einer Kathode, einer Anode und einem zwischen diesen liegendem Diaphragma, mit je einer Anolyt- und einer Katholytkammer, die gegen die Nachbarzellen durch undurchlässige Zellentrennwände abgeschlossen sind, wobei die Zellentrennwände beidseitig mit noppenartigen Vertiefungen und Erhebungen versehen sind, die derart angeordnet sind, daß sie die dazwischen befindlichen Elektroden an direkt einander gegenüberliegenden Stellen abstützen.

Die Elektrolyse ist ein Verfahren zur elektro chemischen Gewinnung bestimmter Komponenten aus einer wäßrigen Lösung ihrer Verbindungen. Je nach Anwendungsfall kommen dafür die unterschiedlichsten Bauarten von Elektrolysezellen in Betracht. So sind beispielsweise Elektrolysezellen mit Flüssig elektroden oder rotierenden Elektroden bekannt. Meist werden der besseren Einträglichkeit wegen mehrere Einzelzellen zu einer Einheit zusammengefaßt.

Elektrolysezellenanordnungen in Filterpressenbauart zeichnen sich durch schichtartige Anordnung der Einzelzellen, mit ständiger Wiederholung einzelner Elemente, aus, die in einer Gesamtanordnung miteinander verspannt werden. Jede Einzelzelle besteht aus den Elektroden, der Anode und Kathode sowie einem zwischen diesen liegenden Diaphragma für den Ionentransport. In vielen Fällen sind, zur Verringerung des Elektrodenabstandes sowie der besseren Stabilität wegen die Elektroden beidseitig direkt auf das Diaphragma aufgebracht. Um dabei den Stofftransport weiterhin zu gewährleisten, sind sie porös. Zu beiden Seiten der Elektroden- Diaphragma-Anordnung befindet sich der Elektrolyt, der je nach Elektrodenseite Anolyt oder Katholyt genannt wird. Der Elektrolyt gewährleistet die bessere Dissoziation der aufzutrennenden Komponenten. Gegen über den Nachbarzellen ist jede Einzelzelle durch eine gas- wie elektrolytundurchlässige Zellentrennwand abgeschlossen. Die Zellentrennwand ist damit im Gesamtverband gesehen ein Zwitter, da je eine Zellentrennwand zu zwei Einzelzellen gehört. Im Laufe der Entwicklung kamen Bestrebungen in Gang, die Zellentrennwand in stützender Funktion für die Elek troden und das Diaphragma zu verwenden.

Aus Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, Bd. 24, "Wasserstoff", Kapitel: Zellkonstruktionen, Seite 278, ist eine Ausbildung von Zellentrennwänden in waffelartig geprägter Form bekannt. Dabei wird die vormals plane Zellentrennwand durch geeignete Maßnahmen mit einer Prägung versehen, die nach beiden Seiten zu noppenartigen Erhöhungen führt. Betrachtet man eine Seite der Zellentrennwand, wechseln sich in regelmäßigem Abstand Vertiefungen und Erhebungen ab.

Benachbarte Zellentrennwände werden dabei so angeordnet, daß die Elektroden von direkt einander gegenüberliegenden Noppen abgestützt werden. Auf diese Weise erreicht man eine bessere mechanische Stabilität der Gesamtanordnung im Vergleich zu derjenigen, die plane Zellentrennwände verwendet.

Sind die Zellentrennwände außerdem aus leitendem Material aufgebaut, ist bekannt, sie sowohl für die unipolare wie die bipolare Betriebsweise der Elektrolysezellenanordnung zu nutzen.

In bipolarer Betriebsweise wird die Elektrolysespannung zu beiden Seiten der schichtartig angeordneten Einzelzellen über Kondensatorplatten angelegt. Die leitende Verbindung der Elektroden zweier benachbarter Zellen über die Zellentrennwand führt damit zu einer Reihenschaltung von Kapazitäten zwischen den Kondensatorendplatten. Die Elektrolytkammern der Einzelzellen wechseln in dieser Betriebsart ab wie folgt: - Anolyt/Katholyt - Anolyt/Katholyt - etc.

Bei der unipolaren Betriebsweise wird die Elektrolyse spannung direkt an die Einzelelektrode geführt. Dies kann bei leitender Verbindung mit der Zellentrenn wand durch diese geschehen. Hiermit erfolgt allerdings eine Spiegelung der Elektrolytkammern an der Ebene der Zellentrennwand von einer Einzelzelle zur nächsten in der Form: - Anolyt/Katholyt - Katholyt/Anolyt - Anolyt/Katholyt - etc.

Die bekannte Elektrolyseanordnung hat, wie bereits erwähnt, den Vorteil guter mechanischer Stabilität der Gesamtanordnung. Dieser ist jedoch nur in dem Maße gegeben wie genau die Fertigung und Justierung der Zellentrennwände erfolgen kann. Die waffelartige Prägung bildet Noppen mit punktförmiger Auflagefläche an den Elektroden. So können selbst geringe Fertigungsfehler oder Verschiebungen benachbarter Zellentrennwände untereinander zu unzulässigen Biegemomenten an der zwischen den Abstützpunkten befindlichen Elektroden-Diaphragma-Anordnung führen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zellentrennwand zu gestalten, deren Noppenstruktur das Auftreten unzulässiger Biege momente vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Noppen in länglicher Form, mit ihren Längsachsen im wesentlichen parallel zur Ebene der Zellentrennwand liegend, ausgebildet sind.

Mit dieser Struktur wird die Auflagefläche jeder Noppe von einem Punkt auf eine Linie, bei deren nahezu halb zylindrischer Gestalt, oder eine plane Fläche, beispielsweise rechteckig, rautenförmig oder oval, erweitert, wodurch Fertigungstoleranzen der einzelnen Zellentrennwände untereinander ausgeglichen werden.

Die Noppen können der Zellentrennwand dabei durch Tiefziehpressen oder Verformung in erhitztem Zustand eingeprägt werden. Es kann sich allerdings auch um längliche Stücke, wie beispielsweise Halbzylinder, Hohl- und Vollzylinder oder quaderförmige Werkstücke handeln, die auf die plane Zellentrennwand aufgebracht werden.

In vorteilhafter Weiterbildung sind dabei die Noppen einer Zellentrennwand abwechselnd als Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet, deren Längsachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.

Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, die Noppen einer Zellentrennwand abwechselnd als Erhebungen und Vertiefungen auszubilden, wobei die Längsachsen der die Erhebungen bildenden Noppen im wesentlichen senkrecht zu den Längsachsen der die Vertiefungen bildenden Noppen stehen.

Beide vorgenannten Ausrichtungen der Noppenlängsachsen finden sich bei der Prägung der Zellentrennwand mit Erhebungen und Vertiefungen. Ebenso können aber auch die auf eine plane Zellentrennwand aufgebrachten Noppen zu beiden Seiten der Zellentrennwand in der erfindungsgemäßen Weise ausgerichtet werden.

Erfindungsgemäß werden benachbarte Zellentrennwände derart angeordnet, daß sich die Längsachsen der einander gegenüberliegenden Noppen kreuzen. Diese Maßnahme gewährleistet, Auswirkungen von Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von Zellentrennwänden als Ursache mechanischer Belastungen der Elektroden-Diaphragma-Anordnung auszuschließen.

Sind die Noppen der Zellentrennwände parallel zueinander ausgerichtet, wird eine Kreuzung der Noppen benachbarter Zellentrennwände durch relative Drehung dieser zueinander erreicht. Berühren die Noppen beider Zellentrennwände die Elektroden linienförmig, so entsteht durch die Kreuzung beider Linien ein gemeinsamer Abstützpunkt. Liegen die Noppen flächig an den Elektroden an, entsteht durch die Kreuzung jener eine gemeinsame Abstützfläche.

Fertigungs- und Justierungstoleranzen wirken sich nicht mehr aus, da der gemeinsame Abstützpunkt, respektive die Abstützfläche, entlang der Auflage linien bzw. Auflageflächen der Noppen verschiebbar ist, ohne daß eine unzulässige Belastung, z.B. in Form von Biegemomenten, der Elektroden-Diaphragma-Anordnung auftreten kann.

Besonders günstig ist eine Anordnung gegen überliegender Zellentrennwände in einer Weise, daß die Längsachsen der Noppen im wesentlichen senkrecht aufeinanderstehen.

Bei zueinander parallel ausgerichteten Längsachsen der Noppen wird dies beispielsweise durch eine 90°- Drehung benachbarter Zellenwände relativ zueinander erreicht.

In Ausgestaltung der Erfindung werden die Zellen trennwände derart ausgerichtet, daß die Längsachsen der Noppen gegenüber der Strömungsrichtung von Anolyt und Katholyt um 15°-80°, vorzugsweise 45°, geneigt angeordnet sind.

Sind die Noppen in einem flacheren Winkel gegen die Elektrolysenströmung geneigt, können sich unerwünschte Gasblasen an den Noppen bilden, die bei größerem Volumen zu einer Verringerung der aktiven Oberfläche der Elektrode und damit Verminderung der Effizienz der Elektrolyse führen könnten.

Die erfindungsgemäße Zellentrennwand sei weiterhin beispielhaft anhand der Figuren beschrieben.

Figurenbezeichnung
Kurzbeschreibung
1A:
Zellentrennwand - Noppenlängsachsen parallel ausgerichtet
1B:	Schnitt entlang der Horizontalen N und Vertikalen M zu Fig. 1A
2A:	Zellentrennwand - Noppenlängsachsen senkrecht aufeinanderstehend
2B:	Schnitt entlang der Horizontalen N und Vertikalen M zu Fig. 2A
3A:	Abwandlung zu Fig. 2A
3Bk:	Schnitt entlang der Horizontalen N und Vertikalen M zu Fig. 3A
4A:	Noppenanordnung wie in Fig. 1A mit Längsachsen um 45° zur Horizontalen N gedreht
4B:	Schnitt entlang der Horizontalen N und Vertikalen M zu Fig. 4A
5A:	Aufbau einer Einzelelektrolysezelle mit Zellentrennwand nach Fig. 2A
5B:	Elektrolysezellenanordnung nach Fig. 4A mit Elektrolyse von H₂O zu H₂ und O₂
6A:	Darstellung der Noppenanordnung benachbarter Zelltrennwände mit 45° Neigung der Noppenlängsachsen gegenüber der Strömungsrichtung des Elektrolyten
6B:	Seitliche Darstellung zu Fig. 6A

Die Fig. 1A, 2A und 3A zeigen in Draufsicht einen Ausschnitt einer Zellentrennwand mit geprägten Noppen.

Die mit + versehenen Noppen bezeichnen Erhebungen aus der Zeichenebene, während die mit - versehenen Noppen Vertiefungen in die Ebene darstellen. Mit N und M sind die Schnittebenen der in den Fig. 1B, 2B und 3B dargestellten Quer- und Längsschnitte durch die Noppen bezeichnet.

Die Fig. 1A und 1B zeigen eine Noppenanordnung, bei welcher die Längsachsen der Noppen parallel zueinander ausgerichtet sind.

Die Fig. 2A und 2B sowie 3A und 3B geben eine Noppenanordnung wieder, bei welcher die Längsachsen der Vertiefungen und Erhebungen senkrecht aufeinander stehen.

Die Fig. 4A zeigt eine Abwandlung der Fig. 1A. In diesem Beispiel sind die parallelen Noppenlängsachsen gegen die Horizontale um 45° geneigt. Fig. 4B zeigt die Schnitte entlang der Horizontalen N und der Vertikalen M entsprechend Fig. 4A.

In allen obigen vier Beispielen werden benachbarte Zellentrennwände derart zur Deckung gebracht, daß sich die Längsachsen der zur Elektroden-Diaphragma- Anordnung hinweisenden Noppen kreuzen.

Fig. 5A zeigt schematisch den Längsschnitt einer Einzelzelle, die unter Verwendung der Zellentrennwand entsprechend den Fig. 2A und 2B aufgebaut ist.

Die Zelle besteht aus einer Zellentrennwand 1 mit den aus der Zellentrennwandebene (dünne Linie) sich beiseitig erhebenden länglichen Noppen 2, deren Längsachsen senkrecht zueinander stehen. Die zur Zelleninnenseite gerichteten Noppen stützen die Elektrode 4 mit dem Diaphragma 3. Die Elektroden-Diaphragma-Anordnung 3/4 wie die Zellentrennwand 1 sind in einem Rahmen 5, 11 verankert. Dieser Rahmen umgibt die Elektrolyseanordnung als Stützkonstruktion und um ein unkontrolliertes Austreten des Elektrolyten bzw. der Produkte zu verhindern. Der Rahmen kann aus Metall, Kunststoff oder Keramik bestehen, sollte allerdings gegenüber der Elektrolytlösung beständig sein. Ist der Rahmen metallisch, also leitend, sind die Einzelzellen durch geeignete Maßnahmen voneinander zu isolieren. Im unteren Teil des Rahmens sind Bohrungen 9 für die Zufuhr von Elektrolytlösung angelegt. Diese sind durch Verbindungskanäle mit der Anolyt- und der Katholytkammer der Elektrolysezelle verbunden. Im oberen Teil des Rahmens sind Abzugseinrichtungen 8 für Elektrolyt und Produkte vorgesehen. Die zu den Abzugseinrichtungen führenden Kanäle aus der Anolyt- bzw. der Katholytkammer sind gegeneinander versetzt, so daß der Abzug der Produkte in getrennte Abzugseinrichtungen vorgenommen werden kann und deren Vermischung vermieden wird.

Fig. 5B zeigt eine Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelzellen mit erfindungsgemäßen Zellentrennwänden und deren Anordnung. Speziell wird hier das Beispiel einer Wasserelektrolyse zur Erzeugung von H₂ und O₂ veranschaulicht. Der Aufbau jeder Elektrolysezelle entspricht dem der Fig. 5A. Die Hintereinander schaltung mehrerer Einzelzellen erfolgt durch Aneinanderreihung, wobei die Einzelzellen über ein Dichtmaterial 7 miteinander verbunden werden, das im Falle eines metallischen Rahmens 5/11 nichtleitend sein sollte. Benachbarte Zellentrennwände werden derart ausgerichtet, daß die Längsachsen einander gegenüberliegender Noppen 6 sich an der Abstützstelle der Elektroden-Diaphragma-Anordnung 3/4 kreuzen.

Eine Elektrolytlösung 10, bei der Wasserelektrolyse eine Lauge, wird durch die verbundenen Bohrungen 9 über die Verbindungskanäle in die Anolyt- und die Katholytkammern der Einzelzellen geleitet. Bei bipolarem Betrieb der Elektrolyseanordnung entsteht unter der dissoziativen Wirkung der Lauge wie der von außen angelegten Spannung in der Anolytkammer O₂ und in der Katholytkammer H₂. Diese Produkte werden zusammen mit Elektrolyt durch Kanäle in voneinander getrennten Abzugseinrichtungen 8 aus der Elektrolyseanordnung abgezogen.

Fig. 6A zeigt schematisch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Noppenlängsachsen in einem Winkel von 45° geneigt gegenüber der Strömungsrichtung des Elektrolyten, angedeutet durch den großen Pfeil, unter Verwendung der Zellentrennwände der Fig. 1A bzw. 4A. Die mittels durchgezogener Linien dargestellten Noppen 6 gehören zu einer Zellentrennwand, während die gestrichelt gezeichneten Noppen 6′ der benachbarten Zelltrennwand 1′ angehören. Außerdem ist die Blickrichtung für die Schnitte X und Y der Fig. 6B dargestellt. Fig. 6B zeigt die Ansichten X bzw. Y der sich kreuzenden Noppenlängsachsen entsprechend der Fig. 6A. In Ansicht X sind die Noppen 6 und 6′ der benachbarten Zellentrennwände 1 und 1′ einander und der Elektroden-Diaphragma-Anordnung 3/4 zugewandt.

In Ansicht Y sind die Noppen der Elektroden- Diaphragma-Anordnung abgewandt. Daraus ersichtlich resultiert für Fig. 6A, daß die einander abgewandten Noppenpaare mit den einander zugewandten Noppenpaaren abwechseln.

Claims

1. Elektrolysezellenanordnung in Filterpressenbauart, bestehend aus einer Vielzahl aneinandergereihter Einzelzellen, welche aufgebaut sind aus einer Kathode, einer Anode und einem zwischen diesen liegendem Diaphragma, mit je einer Anolyt- und einer Katholytkammer, die gegen die Nachbarzellen durch undurchlässige Zellentrennwände abgeschlossen sind, wobei die Zellentrennwände beidseitig mit noppenartigen Vertiefungen und Erhebungen versehen sind, die derart angeordnet sind, daß sie die dazwischen befindlichen Elektroden an direkt einander gegenüberliegenden Stellen abstützen, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen in länglicher Form, mit ihren Längsachsen im wesentlichen parallel zur Ebene der Zellentrennwand liegend, ausgebildet sind.

2. Elektrolysezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen einer Zellentrennwand abwechselnd als Erhebungen und Vertiefung ausgebildet sind, deren Längsachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.

3. Elektrolysezellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Noppen einer Zellentrennwand abwechselnd als Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet sind, wobei die Längsachsen der die Erhebungen bildenden Noppen im wesentlichen senkrecht zu den Längsachsen der die Vertiefungen bildenden Noppen stehen.

4. Elektrolysezellenanordnung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Zellentrennwände derart angeordnet werden, daß sich die Längsachsen der einander gegenüberliegenden Noppen kreuzen.

5. Elektrolysezellenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen einander gegenüberliegender Noppen im wesentlichen senkrecht aufeinander stehen.

6. Elektrolysezellenanordnung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Noppen gegenüber der Strömungsrichtung von Anolyt und Katholyt um 15°-80°, vorzugsweise um 45°, geneigt angeordnet sind.