DE4325705A1 - Elektrolysezellenanordnung in Filterpressenbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezellenanordnung in Filterpressenbauart, bestehend aus einer Vielzahl aneinandergereihter Einzelzellen, wobei jeder der Einzelzellen eine Anolyt- und eine Katolytkammer sowie ein dazwischen angeordnetes Diaphragma aufweist und gegen die Nachbarzellen durch undurchlässige Zellenwände, sogenannte Bipolarbleche, abgeschlossen ist.

In den Elektrolytkammern ist jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Bipolarblech und Elektroden herzustellen. Der die Anode umgebende Elektrolyt wird als Anolyt, der die Katode umgebende als Katolyt bezeichnet.

Die Elektrolyse ist ein Verfahren zur elektrochemischen Gewinnung bestimmter Kom­ ponenten aus einer wäßrigen Lösung ihrer Verbindungen. Insbesondere die Elektrolyse des Wassers und die damit verbundene Gewinnung von Wasserstoff stellt ein wichtiges Element einer zukünftigen Wasserstoff-Energiewirtschaft dar. Je nach Anwendungsfall kommen dafür die unterschiedlichsten Bauarten von Elektrolysezellen in Betracht. So sind beispielsweise Elektrolysezellen mit Flüssigelektroden 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. Im Zellblock muß daher trotz fertigungsbedingter Toleranzen eine einwandfreie elektrische Kontaktierung gewährlei­ stet werden. Diese Forderung hat die wechselnde Anordnung von starren und elasti­ schen Konstruktionselementen in der Zelle zur Folge. Aus Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, Band 24, "Wasserstoff", Kapitel: Zellkonstruktionen, Seite 278, ist eine Ausbildung von Zellentrennwänden in waffelartig geprägter Form bekannt. Da­ bei wird die vormals plane Zellentrennwand durch geeignete Maßnahmen mit einer Prägung versehen, die nach beiden Seiten zu noppenartigen Erhöhungen führt. Be­ trachtet man eine Seite der Zellentrennwand, wechseln sich im regelmäßigen Abstand Vertiefungen und Erhebungen ab.

Aus der EP-A 0 297 315 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus einer Cermet-Schicht und einer porösen Metallschicht auf einer oder beiden Seiten der Cer­ met-Schicht als Diaphragma mit Elektrode(n) bekannt. Bei einer solchen Verbundein­ heit von Elektrode(n) und Diaphragma, kurz (E)DE-Verbundschicht genannt, besteht das Diaphragma aus einer Oxidkeramik mit Calziumtitanat als Ausgangsmaterial, die Elektroden aus porösem Nickel, wobei hier als Ausgangsmaterial Nickeloxid verwendet wird. Aus diesen Ausgangsmaterialien wird mit einem Lösungs- bzw. Bindemittel eine dreischichtige Folie hergestellt, die dann in reduzierender Atmosphäre bei rund 1200°C versintert wird. So erhält man eine Membran von weniger als 1 mm Dicke. Eine derar­ tige Membran realisiert einen "0-Abstand" und enthält ein Diaphragma, das in 40 Mas­ sen-% KOH bis zu Temperaturen von 150°C stabil ist. Diese EDE-Verbundschicht ist wenig duktil, muß jedoch von beiden Seiten elektrisch kontaktiert und mechanisch stabilisiert werden.

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion einer Elektrolysezelle, die die genannten Anforderungen erfüllt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Anolyt- und die Katolytkammer durch eine Elektroden-Diaphragma-Elektroden (EDE)-Verbundschicht voneinander getrennt sind, das anodenseitig angeordnete Bipolarblech zusammen mit einem in der Anolytkammer angeordneten Wellnetz sowie mit einem auf der Anode der EDE- Verbundschicht plan aufliegendem Lochblech, wobei Bipolarblech, Wellnetz und Lochblech aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sind, durch Versintern bzw. Verschweißen eine steife, ebene Stützkonstruktion bildet und die EDE-Verbundschicht mittels eines zwischen ihr und dem nächsten Bipolarblech auf der Katodenseite angeordneten flexiblen, elektrisch leitenden Elements an das Lochblech angedrückt wird.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ermöglicht nun auf verhältnismäßig einfache Weise eine elektrische Kontaktierung sowie eine mechanische Stabilisierung der EDE- Verbundschicht. Wegen der oxidierenden Wirkung des Sauerstoffes müssen auf der Anodenseite die Kontaktstellen versintert oder verschweißt werden, da sonst durch Oxidbildung die Übergangswiderstände zu hoch würden. Beim Sintern entsteht dann ein "Sandwich", gebildet aus Bipolarplatte, Wellnetz und Lochblech, das sehr steif ist. Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Nickel würde bei größeren Zellen, bei denen die EDE-Verbundschicht direkt mit dem Wellnetz versintert bzw. verschweißt wäre, nach dem Abkühlen eine räumliche Krümmung entstehen, welche im Zellblock zu unzulässigen mechanischen Spannungen führen würde. Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezellenkonstruktion wird dies mittels des zwischen Wellnetz und EDE-Verbundschicht angeordneten Lochbleches verhindert. Dieses wird nur mit dem Wellnetz, nicht jedoch mit der EDE-Verbundschicht versintert bzw. verschweißt. Auf diese Weise führen die Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten der EDE-Verbundschicht und des "Sandwiches" aus Bipolarblech, Wellnetz und Lochblech nun nicht zu einer unzulässigen, räumlichen Krümmung innerhalb des Zellblockes. Mittels des auf der Katodenseite angeordneten flexiblen, elektrisch leitenden Elements wird ein festes Andrücken der EDE- Verbundschicht an das Lochblech erreicht.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Bipolarblech, Wellnetz und Lochblech aus Rein-Nickel und das flexible, elektrisch leitende Element aus einem Nickeldrahtgewebe bestehen.

Insbesondere die Verwendung von Rein-Nickel für Bipolarblech, Wellnetz und Lochblech sowie die Verwendung eines Nickeldrahtgewebes für das flexible, elektrisch leitende Element haben sich in der Praxis, bei vergleichsweise geringen Kosten, als besonders günstig erwiesen.

Die Erfindung weiterbildend wird vorgeschlagen, daß die Verbundschicht nur aus dem Diaphragma und der Katode besteht.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung erfüllt das auf der Anodenseite plan an der Verbundschicht anliegende Lochblech die Aufgabe der Anode.

Die erfindungsgemäße Elektrolysenzellenanordnung in Filterpressenbauart sei anhand der Fig. 1 näher erläutert. Jede der einzelnen Elektrolysezellen wird durch zwei Bipo­ larbleche 1 begrenzt. Auf der EDE-Verbundschicht 2 ist auf der Anodenseite das Lochblech 3 aus Rein-Nickel aufgelegt. Eine mechanische Stabilisierung der EDE- Verbundschicht 2 erfolgt durch das Wellnetz 4. Mittels des flexiblen Nickeldrahtgewebes 5 auf der Katodenseite werden die EDE-Verbundschicht 2 und das Lochblech 3 plan aneinandergedrückt.

Claims (3)

1. Elektrolysezellenanordnung in Filterpressenbauart, bestehend aus einer Vielzahl aneinandergereihter Einzelzellen, wobei jede der Einzelzellen eine Anolyt- und eine Katolytkammer sowie ein dazwischen angeordnetes Diaphragma aufweist und gegen die Nachbarzellen durch undurchlässige Zellenwände, sogenannte Bipo­ larbleche, abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anolyt- und die Katolytkammer durch eine Elektroden-Diaphragma-Elektroden (EDE)- Verbundschicht voneinander getrennt sind, das anodenseitig angeordnete Bipolarblech zusammen mit einem in der Anolytkammer angeordneten Wellnetz sowie mit einem auf der Anode der EDE-Verbundschicht plan aufliegendem Lochblech, wobei Bipolarblech, Wellnetz und Lochblech aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sind, durch Versintern bzw. Verschweißen eine steife, ebene Stützkonstruktion bildet und die EDE-Verbundschicht mittels eines zwischen ihr und dem nächsten Bipolarblech auf der Katodenseite angeordneten flexiblen, elektrisch leitenden Elements an das Lochblech angedrückt wird.

2. Elektrolysezellenanordnung in Filterpressenbauart nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bipolarblech, Wellnetz und Lochblech aus Rein-Nickel und das flexible, elektrisch leitende Element aus einem Nickeldrahtgewebe bestehen.

3. Elektrolysezellenanordnungen in Filterpressenbauart nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbundschicht nur aus dem Diaphragma und der Katode besteht.