DE3943362C2 - Bipolare Elektrolysezelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrolysezelle zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit hohem Wirkungsgrad durch hohe Prozeßtemperatur, mit hohen Prozeßdruck durch nickelplattierte Stahlflansche und hohe Raum-Zeit-Ausbeute durch hohe Stromdichte.

Spiegelbildlich angeordnete Mittelbleche aus Nickel mit ringförmigem Rand zur Elektrodenabstützung und als Korro­ sionsschutz der Zellenrahmen aus Stahl, durch das Mittel­ blech flexibel an die Elektroden gepreßte Kontakte, ein Zellenrahmen aus Stahl zur Aufnahme des hohen Prozeßdrucks von zwei bipolaren Elektrolysezellen und ringförmige, stirnseitig an den Kanalelementen angeordnete Elektrolytzu- und Gasableitkanäle zur Begrenzung der Nebenströme bei hoher Stromdichte sollen einen geringen apparativen Aufwand ermöglichen.

Nach DE 36 03 254 A1 ist eine Elektrolysezelleneinheit be­ kannt, die keramische Diapraghmen ohne mechanische Bean­ spruchung einsetzen kann, korrosionsbeständig ist, Strom­ dichten um 10 000 A/m², Betriebstemperaturen bis etwa 120°C und/oder Betriebsdrücke bis 6 bar zuläßt, bei Strom­ dichten um 10 000 A/m² eine Zellenspannung von 1,8 bis 1,9 V ermöglichen soll und das Gewicht pro Gaseinheitsleistung und den Kapitalbedarf pro kW Leistung gegenüber bekannten Elektrolyseuren verbessert.

Bei einer ersten Ausführungsform dieser Elektrolyse­ zelleneinheit bilden die Elektroden selbst die Rahmen der bipolaren Kammern. Beide Elektroden müssen im Randbereich des Zellenrahmens ungelocht sein und im gesamten Randbe­ reich mit dem Mittelblech gas- und elektrolytdicht ge­ schweißt sein. Der Prozeßdruck dieser Elektrolysezellen­ einheit beträgt max. 6 bar, weil die Randbereiche der Elek­ troden den Innendruck der Elektrolysezelleneinheit auf das Mittelblech übertragen müssen. Für die mechanische Festig­ keit und elektrische Leitfähigkeit sollten die Elektroden möglichst 1 mm oder stärker sein. Das hat aber neben höhe­ ren Kosten den prozeßtechnischen Nachteil, daß die Ablösung der Gasblasen und die Neubildung in der Perforation behin­ dert wird. Die prozeßtechnisch optimale Stärke der Elek­ troden beträgt 0,2 bis 0,4 mm.

Die Kanalelemente dieser Elektrolysezelleneinheit müssen unter Druck aufeinander liegen, damit eine Gasdiffusion von der Wasserstoffseite zur Sauerstoffseite und umgekehrt vermieden wird. Die Querkanäle der Kanalelemente für die Zuführung von Elektrolyt aus den Kanalelementen in die Zellen und die Abführung der Gase aus den Zellen in die Kanalelemente sind als Bohrungen ausgebildet. Die Länge dieser Bohrungen ist auf die Wandstärke der Kanalelemente begrenzt und verursacht insbesondere im Bereich der Elek­ trolytkanäle große Nebenströme.

Die Sicken zur Stromübertragung von der Anode über das Mittelblech zur Kathode sind gegeneinander versetzt ange­ ordnet und belasten die Elektroden und das Diaphragma. Um hohe Übergangswiderstände zu vermeiden, müssen die Elek­ troden im Bereich der Sicken miteinander verschweißt sein.

Die DE 31 01 120 A1 beschreibt einen Wasserelektrolyseur der Filterpressenbauart mit zweiteiligen Kanalelementen. Ein Kanalelement besteht aus Metall und wird mit dem Mittel­ blech verschweißt. Ein zweites Kanalelement besteht aus Kunststoff, um die Nebenströme zu begrenzen und weist Boh­ rungen für die Elektrolytzufuhr und Gasableitung auf. Die Länge dieser Bohrungen ist auf die Wandstärke der Kunst­ stoff-Kanalelemente begrenzt.

Die EP 02 12 240 A1 beschreibt Elektrolysezellen mit Zellen­ rahmen aus Kunststoff. Die Elektrolyt- und Gaskanäle sind im Zellenrahmen integriert. Die Querkanäle von den Elek­ trolyt- und Gaskanälen zu den Zellen sind stirnseitig im Zellenrahmen angeordnet. Die Zellenrahmen aus Kunststoff müssen den Prozeßdruck der Zellen und die Flächenpressung zur Abdichtung aufnehmen.

Das Material der Zellenrahmen begrenzt sowohl die Prozeß­ temperatur als auch den Prozeßdruck. Die Gas- und Elek­ rolytkanäle im druckbeanspruchten Teil der Zellenrahmen müssen durch eine wesentlich größere Wandstärke der Zellenrahmen ausgeglichen werden. Die Querkanäle liegen im Randbereich der Zellenrahmen, der dem Prozeßdruck der Zellen ausgesetzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energie- Verbrauch durch Erhöhung der Betriebstemperatur zu senken, die Gase mit Verbrauchs- oder Speicherdruck ohne nachträg­ liche Verdichtung zu erzeugen und die Raum-Zeit-Ausbeute durch hohe Stromdichte zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine bipolare Elektrolysezelle mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in der Fig. 1 dargestellt, die eine Schnittansicht von 6 bipolaren Elektrolysezellen mit allen Zellenkomponenten sowie auf der rechten Seite ein Mittelblech mit den Elektroden und links eine komplette Zelle in einer auseinandergezogenen Dar­ stellung zeigt.

Die hohe Temperatur erfordert große Korrosionsbeständig­ keit, der hohe Druck große Festigkeit und die hohe Strom­ dichte lange Gas- und Elektrolytquerkanäle, große An­ pressung der Stromkontakte an die Elektroden, große Leit­ fähigkeit des Mittelblechs und gleichmäßige Stromver­ teilung.

Das Mittelblech (106) und die Elektroden (108, 109) sind aus Nickel, das hohe Leitfähigkeit und große Korrosions­ beständigkeit besitzt. Der Druckrahmen (111) ist aus Stahl mit großer Streckgrenze und die Kanalelemente (101, 103) aus isostatisch gepreßtem PTFE mit geringen Kaltfließeigen­ schaften oder thermoplastisch gespritztem Polysulfon (PSU).

Der Druckrahmen (111) ist PTFE oder PSU beschichtet. Diese Beschichtung verhindert einen Kurzschluß über die Mittel­ bleche (106) und wirkt gleichzeitig als Korrosionsschutz. Das Mittelblech ist im Randbereich (107) nach zwei Seiten ringförmig geprägt. Dieser Randbereich stützt beide Elek­ troden (108, 109), überträgt den Strom vom Mittelblech auf die Elektroden und wirkt als Nickelplattierung für den Druckrahmen.

Die spiegelbildliche Anordnung der Mittelbleche (106) ermöglicht einen Druckrahmen (111) und eine Rahmendichtung (114) für jeweils zwei bipolare Elektrolysezellen. Der Druckrahmen nimmt den Prozeßdruck der Zellen und die Flächenpressung der Dichtung (114) auf.

Die PTFE-Dichtung (114) mit gereckter Faserstruktur dichtet die Zellen nach außen und gleicht Fertigungstoleranzen aus. Der Prozeßdruck kann über die Wandstärke des Druckrahmens (111) in einem großen Bereich dem Verbrauchs- oder Speicher­ druck der Gase angepaßt werden. Der Rücksprung (115) des Druckrahmens (111) ermöglicht die Einspannung von Diaphrag­ men (110) unterschiedlicher Dicke ohne mechanische Belastung.

Die Elektroden (108, 109) werden im Randbereich (107) durch die Dichtung (114) gegen das Mittelblech (106) gepreßt. Der Preßdruck kann über die Stärke der Dichtung dem Prozeßdruck und der Stomdichte angepaßt werden. Die Spannvorrichtung zur Erzeugung des Preßdrucks ist Stand der Technik und nicht dargestellt.

Bei hoher Stromdichte können die Elektroden (108, 109) im Randbereich (107) für eine verlustlose Stromübertragung von der Anode über das Mittelblech zur Kathode auch geschweißt werden.

Im Innenbereich der Zellen erfolgt der Stromübergang durch geprägte Kontakte (105) im Mittelblech (106). Die Kontakte (105) sind vom Mittelblech zu den beiden Elektroden gerich­ tet und federnd an diese gepreßt, die Federkraft wird vom Mittelblech aufgebracht. Die Kontakte sind auf der dem Diaphragma (110) zugewandten Seite gegenüberliegend angeordnet, so daß die Elektroden und das Diaphragma nicht belastet werden.

Fig. 2 zeigt die Anordnung und Lage der Gas- und Elek­ trolytkanalelemente (201, 203) und der Kontakte (205) für die Stromübertragung.

Erfolgt die Elektrolytzuführung aus dem rechten Elektro­ lytkanal (201) durch den Ringkanal (202) und die Gasab­ leitung über zwei Ringkanäle (204) in den linken Gaskanal (203), entsteht eine gerichtete Strömung von der Elek­ trolytzuführung zur Gasableitung durch die diagonal aus­ geführten Kontakte.

Der Ringkanal (202) vermindert den Nebenstrom durch die größere Länge gegenüber einer Bohrung in der Wandung des Elektrolytkanalelements (201). Für die Gasableitung sind wegen des größeren Gasvolumens zwei Ringkanäle (204) vorgesehen.

Der Zellenrand (107) und die sickenförmige Prägung der Kontakte (105) bewirken eine Versteifung des Mittelblechs (106). Die um 90° versetzte Richtung der Kontakte bewirkt einen großen Anpreßdruck des Mittelblechs an die Elektroden (108, 109).

In einer ersten Zelle sind dem Diaphragma (110) zugewandt kurze Kontakte in gleicher diagonaler Richtung und Lage zueinander und ergeben einen linienförmigen Stromübergang vom Mittelblech auf die Elektroden. In der jeweils nächsten Zelle bilden lange Kontakte einen linienförmigen Stromüber­ gang.

Die Aufteilung der Kontakte in zwei Kurze und einen Langen ergibt gleichlange Stromwege im Mittelblech und eine gleich­ mäßige Stromverteilung in den Elektroden. Das Mittelblech (106) unterliegt keiner prozeßbedingten Begrenzung der Dicke und kann in bezug auf die Kosten, elektrische Verluste, Anpreßkraft, Herstellungs- und Bezugsmöglich­ keiten optimiert werden. Der Stromübergang erfordert keine Schweißverbindung und die Elektroden können beim Nachlassen der katalytischen Wirkung der Aktivierung reaktiviert werden.

Das Diaphragma (110) ist im Randbereich (107) und im einge­ spannten Bereich der Kanalelemente (101, 103) durch PTFE- Dichtpaste und/oder PTFE-Emulsion undurchlässig gegen Gas­ diffusion und Elektrolytbenetzung, um in diesen Bereichen die Gaserzeugung zu unterdrücken.

Die Kanalelemente (101, 103) sind gas- und elektrolyt­ dicht mit einer Keramik-Dichtpaste oder einer Epoxidharz- Gießmasse mit dem Mittelblech (106) lösbar verbunden.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Erfindung.

Die Mittelbleche (306) dieser bipolaren Elektrolysezellen sind nicht spiegelbildlich angeordnet. Die Elektroden (308, 309) sind bis zum äußeren Durchmesser des Druckrahmens (311) durchgezogen und erhalten ungelochte Ränder (316). Die ungelochten Ränder der Elektroden sind mit dem Mittel­ blech gas- und elektrolytdicht geschweißt. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß der Druckrahmen (311) weder mit dem Elektrolyten noch mit den Gasen benetzt wird und eine PTFE- Beschichtung zur Isolation der Druckrahmen nicht notwendig ist. Für eine bipolare Elektrolysezelle ist ein Druckrahmen erforderlich, der durch die Schweißverbindung der Elektroden mit dem Mittelblech unlösbar mit der Zelle verbunden ist.

Werden die Elektroden (308, 309) nur bis zum äußeren Rand der Mittelbleche geführt, ist der Druckrahmen nicht mit dem Mittelblech verbunden, muß aber einen Korrosionsschutz erhalten. Bei dieser Ausführung können die Elektroden einen gelochten Rand erhalten.

Auch im Bereich der Kanalelemente (301, 303) sind die Elek­ troden ungelocht und mit dem Mittelblech gas- und elek­ trolytdicht geschweißt. Die Kanalelemente sind einteilig ausgeführt. Die Ringkanäle (302, 304) werden vom Kopfteil (314) und Fußteil (315) der Kanalelemente gebildet. Der geschlossene Ringkanal entsteht durch den Zusammenbau eines ersten Kanalelements mit dem nächsten Kanalelement.

Einteilige Kanalelemente (301) können auch für die Ausführung nach Fig. 1 eingesetzt werden.

Claims (3)

1. Bipolare Elektrolysezelle mit einem Mittelblech zur Trennung der Anoden- und Kathodenkammer, einem Diaphragma zur Trennung der erzeugten Gase, Elektrolytzuführungs- und Gasableitungskanäle, Elektroden zur Gaserzeugung, einem Druckrahmen zur aufnahme des Prozeßdrucks und Dichtungen zum sicheren Einschluß der Gase und des Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelblech (106) einen nach zwei Seiten ringförmig geprägten Randbereich (107) aufweist, der den korrosions­ beständigen Druckrahmen (111) bildet und die Elektroden (108, 109) abstützt, wobei zwei spiegelbildlich angeordnete Mittel­ bleche von einem den Prozeßdruck aufnehmenden Druckrahmen (111) eingefaßt sind.

2. Bipolare Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelblech (106) im Innenbereich der Elektrolysezelle abwechselnd zu beiden Elektroden (108, 109) sickenförmig geprägte elektrische Kontakte (105) aufweist, die einander genau gegenüberliegen, so daß die elektrischen Kontakte (105) flexibel vom Mittelblech (106) an die Elek­ troden (108, 109) preßbar sind, daß die anordnung der Kontakte (105) zur Anodenseite und Kathodenseite um 90° versetzt ist, wodurch eine gerichtete Elektrolytströmung von der Elektrolytzuführung (201) zur Gasableitung (203) resul­ tiert, daß ein Kontakt kurz und ein Kontakt lang ist, wobei zwei kurze Kontakte zusammen dieselbe Länge eines langen Konaktes haben, um eine hohe gleichmäßige Stromübertragung und gleichzeitig eine weitgehend homogene Elektrolytverteilung und Diaphragmabenetzung zu ermöglichen.

3. Bipolare Elektrolsezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kanalelemente (101, 103, 301, 303) für Elektrolyt und Gas an der Stirnseite jeweils einen Ringkanal (102, 104) aufweisen, der vom Kopfteil eines ersten Kanalelements und vom Fußteil eines nächsten Kanalelements gebildet wird.