DE582725C - Anordnung an mehrzelligen Elektrolyseuren, insonderheit Druckelektrolyseuren - Google Patents

Description

Elektrolyseure, bei welchen eine Mehrzahl von Zellen zu einer Einheit vereinigt sind, und die mehrere oder allen Zellen gemeinsame Elektrolytumläufe besitzen, haben den Nachteil, daß nach längerer oder kürzerer Betriebszeit an einzelnen Zellen starke Korrosionen auftreten, die, abgesehen von der durch sie verursachten Gasverunreinigung und Verschlechterung des Wirkungsgrades, ein häufiges Ersetzen von Zellen notwendig machen. Beispielsweise treten bei dem bekannten Filterpressensystem, wie es im größten Ausmaß zur Wasserzerlegung verwendet wird, und das allen Zellen gemeinsame Umläufe besitzt, sehr häufig Zerstörungen der hinteren Zellen, d. h. der Zellen, die von der Mündung der Gassammelkanäle in das Gasabscheidegefäß am entferntesten liegen, auf. Bei den bekannten senkrecht stehenden Zersetzern, bei denen beispielsweise alle übereinandergesetzten Zellen oder eine Mehrzahl durch davon gemeinsame Elektrolytumläufe verbunden sind, tritt diese Korrosion in den obersten Zellen auf.

Der Erfinder hat nun festgestellt, daß die Ursache dieser starken Korrosionserscheinung hauptsächlich in den bei der üblichen Anordnung des Elektrolytumlaufs auftretenden Gasstauungen und der dadurch hervorgerufenen Entblößung der Elektrodenoberflächen von Elektrolyt bei weiterem Stromdurchgang zu suchen ist. Demgemäß besteht das Ziel der Erfindung darin, diese Schwierigkeiten zu beseitigen durch Schaffung gleichmäßiger Arbeitsbedingungen für sämtliche Zellen mittels einer neuartigen Anordnung für den Elektrolytumlauf.

Demgemäß ist nach der Erfindung eine Anordnung an mehrzelligen Elektrolyseuren, insonderheit Druckelektrolyseuren, zur gleichmäßigen Durchspülung der in der Längsachse des Zellenblockes aufgereiht angeordneten und an innerhalb des Zellenblockes verlaufende gemeinsame Elektrolytumlaufwege angeschlossene Zellen mit über dem Zellenblock angeordnetem Abscheidegefäß dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelpunkt der Elektrolytumlaufwege in solcher Höhe über dem Zellenblock angeordnet ist und seine Verbindungswege mit dem Zellenblock und den Zellen so dimensioniert sind, daß eine hinreichende Elektrolytumlaufgeschwindigkeit erzielt wird, um eine wirksame Teilnahme der dem Scheitelpunkt näheren als auch der ihm entfernter liegenden Zellen an dem Elektrolytumlauf zu erreichen.

Hierbei ist es besonders zweckmäßig, daß die Elektroden senkrecht zur Längsachse des Zersetzers stehen. Um die gestellte Aufgabe zu lösen, soll nach der Erfindung die Zersetzereinheit z. B. -beim Filterpressensystem nicht mehr wie früher waagerecht oder ganz schwach geneigt, sondern so schräg gestellt sein, daß ihre Längsachse mit der Waagerechten einen Winkel einschließt, der mindestens 5° beträgt und zweckmäßig zwischen io° und 90⁰ liegt. Die besten Ergebnisse wurden er-

zielt, wenn der Winkel zwischen 20 und 45° lag, jedoch kann in gewissen Fällen der Zellenblock bzw. seine Längsachse senkrecht stehen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Länge der Verbindungswege zwischen Zellenblock und' Scheitelpunkt der Elektrolytumlauf wege mindestens einhalb- bis einmal die Länge des Zellenblockes beträgt. Zweckmäßig macht man die Verbindungswege sogar länger als den Zellenblock.

Es hat sich herausgestellt, daß trotz der Schrägstellung der Diaphragmen bei solchen Zersetzern die Gase überraschenderweise nicht verschlechtert, sondern eher etwas verbessert werden, gegenüber den von einem normal waagerecht angeordneten Zersetzer erzeugten Gasen.

Durch die Schrägstellung wird erreicht, ao daß die Reibungswiderstände des Elektrolyten und des Elektrolyt-Gas-Gemisches in den schräg aufsteigenden Kanälen durch die nunmehr auch hier wirkende Auftriebskraft des Gas-Elektrolyt-Gemisches zum Teil ausgeglichen oder bei entsprechender Neigung sogar überwogen wird. Bei dem beispielsweise genannten Elektrolyseur nach Filterpressenbauart treten dann in den hinteren Zellen Gasstauungen und Umlaufstörungen nicht mehr auf, vielmehr fließt der Elektrolytstrom dort bei geeigneter Neigung des Elektrolyseurs mit der gleichen Geschwindigkeit wie in den vorderen Zellen. Die im Einzelfall besonders geeignete Neigung kann mit bekannten Hilfsmitteln für jede Konstruktion besonders festgestellt werden, da sie natürlich abhängig ist von dem Verhältnis der Antriebskraft zu dem Widerstand des Elektrolytumlaufes. Bekanntlich sind die Widerstände bei Strömungen des Elektrolyten und des Elektrolyt-Gas-Gemisches abhängig von Temperatur, Zähigkeit und Umlaufsgeschwindigkeit des Elektrolyten, von der Rauheit der Kanalwandungen, von den Querschnitten und Längen der Kanäle und Umläufleitungen und von der Konstruktion der Zellen. Die Antriebskraft, die in dem schräg gestellten Gas-Elektrolyt-Kanal erzeugt wird, soll durch entsprechende Einstellung der Neigung des Elektrolyseurs mindestens so groß bemessen werden, daß sie zur Durchspülung der schwächsten Zellen ausreicht. Die günstigste Neigung ist die, bei der die Strömungsgeschwindigkeiten in allen Zellen annähernd gleich groß sind.

An senkrecht stehenden Zersetzern, bei denen beispielsweise alle übereinandergesetzten Zellen oder mehrere davon durch gemeinsame Elektrolytumläufe verbunden sind, lassen sich nun gleichmäßige Arbeitsbedingungen für sämtliche Zellen mittels eines geeigneten Elektrolytumlaufes durch Anbringung von Elektrolytumlaufleitungen erreichen, deren Steigrohre auf die oberen Zellen aufgesetzt sind. Damit kann man dem Elektrolyt in den oberen Zellen eine ungefähr ebenso starke Antriebskraft zum Umlauf erteilen, wie sie in den mittleren oder unteren Zellen vorhanden ist.

Hat man es nun mit einem Elektrolyseur zu tun, bei dem auf Kathoden- und Anodenseite verschieden große Gasvolumina entstehen, wie dies z. B. bei der Wasserzersetzung der Fall ist, so sind, auch wenn eine erfindungsgemäße Anordnung für den Elektrolytumlauf vorhanden ist, von vornherein auf Grund der verschieden großen abzuführenden Gasvolumina die Arbeitsverhältnisse auf Katholyt- und Anolytseite ungleich. Um nun zusätzlich auch die Arbeitsverhältnisse dieser beiden Seiten gleichzumachen, derart, daß keine Druckunterschiede zwischen den beiden Diaphragmenseiten auftreten, wählt man gemäß .der Erfindung vorteilhaft die Querschnitte der nach aufwärts führenden Leitungen, in denen das Gas-Elektrolyt-Gemisch strömt, verschieden groß, so· daß für Kathoden- und Anodenseite die gleichen Strömungsverhältnisse gewonnen! werden.

Haben beispielsweise bei einem Wasserelektrolyseur Wasserstoff- und Sauerstoffzellen gleicih große Querschnitte, so muß auf der Sauerstoffs eite annähernd soviel Elektrolyt gefördert werden! wie auf der Wasserstoffseite, um gleiche Strömungsverhältnisse und damit gleiche Drücke beiderseits der Diaphragmen zu erzielen, obwohl nur halb soviel Sauerstoffgas entsteht. Dies läßt sich nach der oben gegebenen Regel entweder durch Vergrößerung der Querschnitte jener von dem Elektrolyt - Sauerstoff - Gas - Gemisch durchflossenen ,aufsteigenden Leitungen oder aber durch Querschnittsverkleinerung der entsprechenden Leitungen auf der Wasserstoffseite erreichen.

Durch Anwendung dieser Mittel gelingt es, die Strömungsverhältnisse und damit die Arbeitsverhältnisse in allen Zellen, also Anoden- und Kathodenzellen, einander gleichzumachen.

Damit ist ungeheuer viel gewonnen. Vor allem wird, wie schon eingangs betont, die Lebensdauer der Apparate erhöht. Sie hängt jetzt nur mehr von der chemischen Widerstandskraft der verwendeten Baustoffe und von dem rein physikalischen Vorgang des Auswaschens durch den strömenden Elektrolyten ab, aber nicht mehr von abnorm hohen Temperaturen, lokalen Elektrolytkonzentrationsanreicherungen, Druckdifferenzen oder Entblößungen der Elektrodenoberflächen von Elektrolyt. Sodann steigt der elektrische

Wirkungsgrad der Anlage, weil alle Zellen jetzt mit gleichmäßig niedriger Spannung arbeiten. Die Apparate können, viel stärker überlastet werden, 'da die Grenzlast nicht mehr durch einzelne schlecht arbeitende Zellen bestimmt wird. Die Gase werden reiner gewonnen; die Betriebssicherheit steigt. Außerdem kann man zufolge besserer Raumausnutzung an Baustoffen sparen, weil das bisher übliche und notwendige Gasdichtmachen des Oberteils der Diaphragmen überflüssig wird; diese Flächen werden zusätzlich als Arbeitsflächen gewonnen. Die Elektrolyseure können zu bedeutend längeren und da-

»5 mit billigeren Einheiten ausgebaut werden. Besonders wertvoll ist jedoch der Erfindungsgegenstand in seiner Anwendung auf die Druckelektrolyse. Sämtliche Vorteile kommen ihr im verstärkten Maße zugute, auch spielt die Erhöhung der Betriebssicherheit hier eine entscheidende Rolle. Die Kosten für die Druckgefäße sinken infolge besserer Raumausnutzung und insbesondere wegen der durch die Erfindung ermöglichten Verwendung längerer Zersetzereinheiten, da lange Rohre, auf das KW eingebauter Zersetzer umgerechnet, viel billiger sind als kurze Rohre. Vor allem aber wird die Korrosion, die bei höherem Druck viel stärker auftritt, auf ein Minimum reduziert. Besonders verderblich waren bisher Gasstauungen bei Druckzersetzern, weil diese eine gegenüber der atmosphärischen Elektrolyse ums Vielfache erhöhte Korrosion mit sich brachten. Außerdem wird beispielsweise bei Wasserelektrolyse unter Hochdruck das destillierte Wasser, das als Ersatz des im elektrochemischen Prozeß verbrauchten dauernd nachgefüllt wird, nunmehr gleichmäßig in alle Zellen geleitet, was besonders wichtig ist, da bei Druckzersetzern die Elektrolytmenge, bezogen auf die Leistung, sehr gering ist, also durch ungleichmäßige Verteilung des Speisewassers in einer Zelle äußerst niedrige und in einer anderen äußerst hohe Konzentrationen entstehen. Die Entstehung solcher stellenweisen Konzentrationsanreicherungen oder -Verarmungen hat eine verderbliche Wirkung auf die Spannung (Spannungserhöhung) und Widerstandsfähigkeit der Werkstoffe zur Folge. Erst durch Anwendung des Erfindungsgegenstandes kann die durch den hohen Druck gegebene hohe Belastungsmöglichkeit bei Druckelektrolyseuren voll ausgenutzt werden. Bisher konnte man infolge stellenweiser Temperatursteigerungen und des Ausfallens einzelner Zellen dies nicht erreichen. Da die wirtschaftliche Belastungsgrenze bei Druckelektrolyseuren wegen der flacheren Stromspannungscharakteristik viel höher als bei Niederdruckelektrolyseuren liegt, bedeutet hier das Heraufrücken der Belastungsgrenze einen besonders großen Gewinn.

Zwei Ausführungsformen der neuen Anordnung sind beispielsweise schematisch in der Zeichnung dargestellt, es zeigen Fig. 1 die eine Ausführungsform, Fig. 2 ein dazugehöriges Diagramm, Fig. 3 die zweite Ausführungsform.

Fig. ι zeigt einen mehrzelligen Zersetzer mit einem allen Zellen gemeinsamen Elektrolytumlauf. Die Zersetzereinheit bildet mit der Waagerechten einen Winkel von 27⁰. Die Elektroden stehen senkrecht zur Längsachse der Zersetzereinheit und sind in den einzelnen Zellenräumen e enthalten. Das Gas-Elektrolyt-Gemisch steigt aus den Zellen e in den Sammelkanal d und von dort in das Steigrohr a. Der Elektrolyt fließt durch das Rücklaufrohr b (oder auch b') in den Verteilungskanal c und von dort in die einzelnen Zellen e. Das Gas wird in dem Gasabscheidegefäß f ausgeschieden.

Aus dem Diagramm nach Fig. 2 ergibt sich an Hand von Kurven die durch Zusammenwirken der Schrägstellung und der besonderen Anordnung des Elektrolytumlaufs erzielte Wirkung.

Die gerade Linie e gibt den Druckverlauf in dem Elektrolytrücklauf kanal c an; die Stellen, an denen dieser Kanal in die einzelnen Zellen einmündet, sind durch die Zahlen 1 bis 6 bezeichnet.

Die Kurve/ gibt den Druckverlauf im Gassammeikanal d an, wenn die verlängerten Verbindungswege nicht vorhanden sind. Die Differenz der Drücke ergibt sich aus dem jeweiligen Verlauf der Kurven e und /.

Aus dem Kurvenbild ist nun zu entnehmen, daß beim Arbeiten ohne verlängerte Verbindungs wege die Zellen 1, 2, 3 und 4 in der Gasrichtung durchströmt werden, und daß die Zelle S keine Elektrolytströmung aufweist, weil am Ein- und Ausgang die Drücke gleich sind, während die Zelle 6 eine Elektrolytströmung von 6' nach 6, also in umgekehrter Richtung, aufweist.

Den Druckverlauf im Gassammeikanal d, der allein durch die verlängerten Verbindungswege erzielt wird unter der Annahme, daß der Zersetzer waagerecht liegt, gibt die Kurve g an. Die Differenz der Drücke an den einzelnen Zellenein- und -ausgängen ist, wie aus dem Kurvenverlauf zu ersehen ist, derart, daß nur die Zellen 2 bis 6 im richtigen Sinn vom Elektrolyten durchströmt werden. Also kann auch durch Anwendung der verlängerten Verbindungswege allein der gewünschte Umlauf nicht erzielt werden.

Die Kurve h endlich gibt an, wie sich der Druckverlauf im Gassammelkanal d ausbildet, wenn der schräg gestellte Zersetzer mit

Claims (9)

1. verlängerten Verbindungswegen, versehen wird. Diese Kurve wird gewonnen durch Addition der Kurven f und g und gibt ein getreues Bild des Druckverlaufs bei Anwendung der erfindungsgemäßen Bauweise.

   Aus einem Vergleich der Kurven e und h kann man ersehen, daß alle Zellen ι bis 6 im richtigen Sinn von der Lauge durchströmt werden. Dies ist nur durch Schrägstellung in

   ίο Verbindung mit den verlängerten. Verbindungswegen zu erreichen.

   Fig. 3 zeigt einen mehrzelligen Zersetzer stehender Bauart, der einen allen Zellen gemeinsamen Elektrolytumlauf besitzt. Die Elektroden stehen parallel zur Längsachse, und die einzelnen Zellen sind übereinandergelagert. Die Längsachse bildet mit der Waagerechten einen Winkel von 90⁰. Das in den Zellen m entwickelte Gas strömt unter Mitführung von Elektrolyt in den Gassammelkanal 1 und von hier durch das Steigrohr h in den Gasabscheidetopf n. Der Elektrolyt fließt durch das Rücklaufrohr i (bzw. i') in den Verteilungskanal k und von dort in die Zellen m.

   Patentan3pr1jche :

   i. Anordnung an mehrzelligen Elektrolyseuren, insonderheit DTUckelektrolyseuren, zur gleichmäßigen Durchspülung der in der Längsachse des Zellenblockes aufgereiht angeordneten und an innerhalb des Zellenblockes verlaufende gemeinsame Elektrolytumlaufwege angeschlossene ZeI-len, mit über dem Zellenblock angeordnetem Abscheidegefäß, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelpunkt der Elektrolytumlaufwege in solcher Höhe über dem Zellenblock angeordnet ist und seine Verbindungswege mit dem Zellenblock und den Zellen so dimensioniert sind, daß eine hinreichende Elektrolytumlaufgeschwindigkeit erzielt wird, um eine wirksame Teilnahme der dem Scheitelpunkt näheren als auch der ihm entfernter liegenden Zellen an dem Elektrolytumlauf zu erreichen.
2. 2. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden senkrecht zur Längsachse des Zersetzers stehen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Zellenblocks mit der Waagerechten einen Winkel einschließt, der mindestens 5° beträgt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Längsachse des Zellenblocks mit der Waagerechten eingeschlossene Winkel zwischen io° und 90⁰ liegt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Längsachse des Zellenblocks mit der Waagerechten eingeschlossene Winkel zwischen 20⁰ und 45 ° liegt.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock bzw. seine Längsachse senkrecht steht. .
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Verbindungswege zwischen Zellenblock und Scheitelpunkt der Elektrolytumlaufwege einhalb- bis einmal die Länge des Zellenblocks beträgt.
8. 8. Anordnung nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungswege zwischen Zellenblock und Scheitelpunkt der Elektrolytumlauf wege länger sind als der Zellenblock.
9. 9. Ausführungsform der Anordnung nach Anspruch 1 bis 5 für Zersetzer mit verschieden großen Gasvolumina auf der Kathoden- und Anodenseite, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Strömungsverhältnisse auf beiden Seiten die Querschnitte der nach aufwärts führenden Gemischleitungen verschieden groß gewählt werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen