DE879543C - Druckelektrolyseur der Filterpressenbauart - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 15. JUNI 1953

L Q637 IV b j 12 i

Der Übergang vom unter Atmosphärendruck betriebenen Wasserelektrolyseur zum Druckelektrolyseur ermöglicht in der bekannten Filterpressenbauart eine wesentlich schmalere Ausbildung der einzelnen Zellen, weil sowohl die Größe der einzelnen Gasblasen als auch deren Gesamtvolumen durch den Druck auf einen Bruchteil des Volumens bei Atmosphärendruck reduziert wird, so daß der Elektrolytraum durch das gebildete Gas in sehr viel geringerem Maße beengt wird. Infolgedessen kann man als Zellenrahmen scheibenförmige Blechringe von etwa 6 bis io mm Stärke benutzen, welche die bipolar wirkenden Elektroden oder das Diaphragma tragen und unter Zwischenschaltung elektrisch isolierender Dichtungsschichten zu einer mehr oder weniger langen, durch Zuganker zusammengehaltenen Säule aneinandergereiht sind. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß die in radialer Richtung wirkende Druckkomponente von hochkant stehenden Blechen aufgenommen wird, so daß man diesen Zellenrahmenblechringen nur eine ausreichende Breite zu geben braucht, um durch ihre Aufeinanderschichtung dann im Ganzen zu einem Druckbehälter von sehr erheblicher, jede Sicherheit bietender Wandstärke zu kommen.

Die Erfindung bezieht sich auf Druckelektrolyseure dieser Art und betrifft die Ausgestaltung der zu jeder einzelnen Zelle notwendigen Kanäle, welche für die Ableitung der elektrolytisch gebildeten Gase und für

die Rückleitung des von diesen Gasen mitgerissenen in den üblichen Gasabscheidern zurückgehaltenen Elektrolyts dienen. Es sind dies für jede Zelle insgesamt vier Kanäle, nämlich je ein Gasableitungskanal für Wasserstoff und Sauerstoff, sowie je ein Elektrolytrücklaufkanal für den Katholyt und den Anolyt. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Zellenrahmen oben und unten je innerhalb eines Sektors von etwa 30° durch entsprechende Ansätze oder durch Stehenlassen eines Segmentes zu verbreitern und dann innerhalb dieser verbreiterten Zonen Ausschnitte vorzusehen, welche beim Aufeinanderschichten der Zellenrahmen dann die betreffenden Kanäle ergeben. Auf diese Weise wird man der Notwendigkeit enthoben, in jede Zelle von außen her vier druckfeste Rohre einzuführen und diese Rohre dann zu einem entsprechenden Zirkulationssystem zu verbinden.

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung für Elektrolyseure solcher Art, welche darin besteht, daß jeder dieser Kanäle in eine Reihe von Teilkanälen aufgegliedert wird, die sich aus parallel zueinander in einer gemeinsamen Ringzone der Zellenrahmen angebrachten engen Durchbrechungen zusammensetzen, welche ihrerseits in unverbreiterten Sektoren dieser Zellenrahmen liegen. Auf diese Weise wird es möglich, dem ganzen Zellenrahmen durchgehend gleiche Breite zu geben, so daß man ihn nicht aus Blechtafeln auszustanzen und dann durch entsprechende Nachbearbeitung in der erforderlichen Weise zu profilieren braucht, sondern aus fertig, eventuell profiliert, gezogenen Flacheisen herstellen kann, die lediglich gerundet, an den Stoßstellen verschweißt und an denen die notwendigen Kanäle nur noch eingestanzt oder gebohrt zu werden brauchen. Der Zellenrahmen besitzt einen Absatz, auf dem eine als bipolar wirkende Elektrode dienende dünne Blechscheibe Z. B. mittels elektrischer Punkt- bzw. Nahtschweißung befestigt ist. Dies führt natürlich zu einer ganz außerordentlichen Vereinfachung der Fertigung und Ersparnis an Arbeit und Materialabfall.

Voraussetzung dafür, daß man den druckbelasteten, ringförmigen Zellenrahmen durchgehend gleiche Breite geben kann, ohne sie durch die das Kanalsystem bildenden Ausschnitte in statisch unzulässiger Weise zu schwächen, ist die erfindungsgemäße Aufteilung der bisher üblichen, durchgehenden Kanäle in je eine Reihe von parallel zueinander in einer gemeinsamen Ringzone geführten Teilkanälen. Diese go legt man zweckmäßig möglichst nahe an-den Innenrand der Blechringe, da deren Innenfaser durch die Druckbelastung den geringsten Dehnungsspannungen unterworfen wird. Zur Vermeidung von Korrosionserscheinungen werden die einzelnen Bohrungen, aus denen sich die Teilkanäle zusammensetzen, mit Nickelr öhrchen ausgebuchst. Die zwischen den ringscheibenförmigen Zellenrahmen liegenden-Dichtungsschichten müssen natürlich mit entsprechenden Ausschnitten versehen und so eingelegt werden, daß diese Ausschnitte mit den Bohrungen der Zellenrahmen genau in Deckung zu liegen kommen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man mit ihrer Hilfe den durch das erwähnte Kanalsystem stets unvermeidbar gegebenen elektrolytischen Nebenschluß zwischen einzelnen Zellen und Zellengruppen merklich herabzusetzen in der Lage ist. Dies ist besonders für Druckelektrolyseure mit relativ schmalen Zellen und dementsprechend kurzen Nebenschlußwegen von besonderer Bedeutung. Es genügt nämlich, an jede Zelle nur einen Teilkanal jeder Leitungsgruppe anzuschließen, und wenn man hierbei so vorgeht, daß man die einzelnen Teilkanäle mit je einer Gruppe von unmittelbar aneinander anschließenden Zellen verbindet und dabei (von ihrem Anschlußpunkt an das zum Gasabscheider führende Sammelrohr aus gemessen) nur bis zur letzten Zelle der jeweils angeschlossenen Zellengruppe führt, so nimmt die Summe der Kanalquerschnitte von der dem Sammelrohr benachbarten Zellengruppe aus stufenweise ab, bis sie bei der entferntesten Zellengruppe nur noch der Querschnittsumme je eines Teilkanals für Wasserstoff, Sauerstoff, Katholyt und Anolyt entspricht. In entsprechendem Maße nimmt natürlich die Stromstärke des elektrolytischen Nebenschlusses ab.

. Bei unter Atmosphärendruck arbeitenden Wasserzersetzern ist es bereits üblich, in der Mitte der Zellensäule eine Zwischenkammer . vorzusehen, welche in zwei Räume getrennt ist, in deren einen die von den Zellen kommenden Wasserstoff- und Katholytrücklaufleitungen und in deren anderen die von den Zellen kommenden Sauerstoff- und Anolytrücklaufleitungen münden. An den erstgenannten Raum ist dann oben das zum Wasserstoffgasabscheider führende Gemischrohr und unten das von diesem Gasabscheider kornmende Katholytrücklaufrohr angeschlossen, während an den zweiten Raum oben das zum Sauerstoffgasabscheider führende Gemischrohr und unten das von diesem Gasabscheider kommende Anolytrücklaufrohr angeschlossen ist. Es hat sich nun als vorteilhaft erwiesen, bei einem Wasserzersetzer der erfindungsgemäßen Art nicht nur eine, sondern mehrere solche Zwischenkammern vorzusehen, welche die Zellensäule in eine Anzahl von Obergruppen unterteilen, von denen jede aus einer der Zahl der Teilkanäle jeder Kanalgruppe entsprechenden Zahl von je an einen Teilkanal angeschlossenen Zellengruppen der oben erläuterten Art besteht. Zu jeder dieser Zwischenkammern münden dann alle Teilkanäle der betreffenden, an beiden Seiten der Kammern angeschlossenen Zellenobergruppen. Auf diese Weise kommt man zu wesentlich kürzeren Kanallängen und kann auch die Kanäle entsprechend kleiner machen, ohne die Strömungsgeschwindigkeit unzulässig zu erhöhen. Kleinere Kanalquerschnitte bedeuten aber nicht nur elektrisch 11g eine Verminderung des Nebenschlusses, sondern auch statisch eine Erhöhung der Druckfestigkeit der von den Kanälen durchsetzten Rahmenringe. Zur Vermeidung von Nebenschlußströmen innerhalb der Gasabscheider bringt man die erwähnten Zwischenkammern auf gleiches Potential.

Ein weiterer Weg, um einen raschen Elektrolytumauf auch bei Verwendung relativ enger Kanäle sicherzustellen, besteht darin, daß man für einen entsprechend hohen hydrostatischen Förderdruck sorgt. Bisher war es üblich, die Gasabscheider, in die der

Elektrolyt von den abströmenden Gasen nach dem Prinzip der sog. Mammutpumpe mitgerissen wird, kaum mehr als 30 cm über der Oberkante der Zellensäule anzuordnen. Versuche ergeben jedoch, daß bei einem Druckelektrolyseur wegen der kleineren, die Pumparbeit leistenden Gasmengen wesentlich größere Förderhöhen erforderlich sind, und es hat sich daher als zweckmäßig erwiesen, die Gasabscheider bei Elektrolyseuren der erfmdungsgemäßen Art mindestens 500 mm über der Oberkante der Zellensäule anzuordnen. Auf diese Weise ergibt sich dann für den zurücklaufenden Elektrolyt ein hydrostatischer Förderdruck von etwa 700 bis 900 mm Wassersäule und mehr, so daß die notwendigen Elektrolytmengen auch durch ein relativ enges Kanalsystem mit entsprechender Strömungsgeschwindigkeit bewegt werden können.

Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen ergänzend erläutert. Von diesen zeigt Fig. ι die Draufsicht auf einen der ringscheibenförmigen Zellenrahmen, aus deren Aneinanderreihung die Zellensäule des Elektrolyseurs entsteht,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Randzone von drei aus solchen Zellenrahmen, den eingeschweißten Elektrodenblechen und den zwischengelegten, gleichzeitig als Dichtung wirkenden Diaphragmen zusammengesetzten Zellen der erwähnten Zellensäule, Fig. 3 eine schematische Überblickskizze des gesamten Elektrolyseurs,

Fig. 4 einen schematischen Diametralschnitt durch eine der aus Fig. 3 ersichtlichen Zwischenkammer sowie

Fig. 5 die schematische Draufsicht auf eine der an

eine solche Zwischenkammer angeschlossenen Zellenobergruppen, aus der deren Aufteilung in die den einzelnen Teilkanälen zugeordneten Zellengruppen zu ersehen ist.

Wie man aus Fig. 1 erkennt, besteht der Zellenrahmen aus einem Flacheisenring 1 von durchgehend gleicher Breite, welcher durch einen Absatz 2 profiliert ist und in dieser Form ohne weiteres aus einem profiliert gezogenen Flacheisen durch Runden und durch Verschweißen bei 3 hergestellt werden kann. Die vier zur Ableitung des Wasserstoffes und des Sauerstoffes sowie zur Rückleitung des Katholyts und des Anolyts dienenden Kanalsysteme H₂, O₂, K und A sind in je drei Teilkanäle aufgeteilt, welche aus Bohrungen 4", 4^δ, 4" und 5^a, 5^, 5^C sowie 6^a, 6^b, b^c und 7°, 7⁶, y" bestehen, die parallel zueinander in einer gemeinsamen Ringzone des durchgehend gleich breit gehaltenen Zellenrahmens 1 angeordnet sind. Da jede Zelle nur an je einen dieser Teilkanäle angeschlossen zu werden braucht, sind nur zu den Teilkanälen 4", 5^a, 6^a und y^a Radialbohrungen 8, g, 10 und 11 geführt, welche die Innenräume der zu dem betreffenden Zellenrahmen gehörigen Zelle mit den erwähnten Teilkanälen verbinden.

Den Aufbau der Zellen erkennt man aus Fig. 2, welche einen vergrößerten Teilschnitt durch zwei hintereinanderliegende Zellen in Richtung der Schnittlinie II-II (vgl. Fig. 1) darstellt. Zwischen den drei Zellenrahmen (i) liegen die Diaphragmen 12, die an der Randzone imprägniert sind, um gleichzeitig als isolierende und dichtende Zwischenschichten zu dienen. Auf den Absatz 2 eines jeden Zellenrahmens ist die als bipolar wirkende Elektrode dienende dünne Blechscheibe 13 aufgeschweißt. Der Dickeunterschied zwischen den Rahmenflacheisen 1 und den Elektrodenblechen 13 ergibt hierbei den freien Gas- und Elektrolytraum der einzelnen Zellen Z. In den rechts vom Diaphragma 12 liegenden Teil dieses Zellenraumes münden dabei die Radialbohrungen 8, welche diese Zellenräume mit dem angeschnittenen, zur Abführung des Wasserstoffes dienenden Teilkanal 4 verbinden. Diese sind mit Nickelbuchsen und eventuell mit zusätzlichen Isolierbuchsen 28 versehen. In die anderen Zellenräume münden die gestrichelt angedeuteten Radialbohrungen 9, welche zu dem Teilkanal 5 führen, der in Fig. 2 hinter dem Kanal 4 verdeckt liegt und den Sauerstoff abführt.

Wie man aus Fig. 3 erkennt, ist das gesamte, durch zwei schwere Endplatten 14, 15 sowie entsprechend kräftige Zuganker 16, 17 zu einer Säule zusammengespannte Zellenpaket durch eine Anzahl von Zwischenkammern 18 in Obergruppen unterteilt, welche je ihren selbständigen Elektrolytumlauf besitzen. Denn jede dieser Zwischenkammern 18 ist durch ein eigenes Rohrsystem mit den über der Zellensäule liegenden Gasabscheidern verbunden.

Den Diametralschnitt durch ein solche Zwischenkammer zeigt Fig. 4. Wie man erkennt, ist die Kammer 18 durch eine Trennwand 19 in zwei Räume H₂ und O₂ unterteilt, die beide etwa bis zum Niveau a-b mit Elektrolyt gefüllt sind. Dabei enthält der Raum H₂ den Katholyt und der Raum O₂ den Anolyt. An den Raum H₂ sind sämtliche Wasserstoffableitungskanäle 4 der zugehörigen Zellenobergruppe angeschlossen. Die entsprechenden Verbindungskanäle sind in der Zeichnung nicht ersichtlich. Gleichzeitig führt aus diesem Sammelraum das Gemischrohr 20 in den Wasserstoffgasabscheider 21. Über dieses Rohr 20 wird das aus den Zellen abströmende Gas-Elektrolyt-Gemisch in den Gasabscheider 21 eingesprüht. Der mitgerissene Elektrolyt sammelt sich dann innerhalb des Gasabscheiders 21 und füllt diesen etwa bis zum Niveau c-d mit Flüssigkeit. Aus dem Gasabscheider 21 fließt der Elektrolyt dann über das Katholytrücklaufrohr 22 wieder in die Kammer H_& ab, an welche unten sämtliche Katholytrücklaufteilkanäle 6 angeschlossen sind. In entsprechender Weise ist der Raum O₂ mit dem Sauerstoffgasabscheider 23 über das Gemischrohr 24 und das Anolytrücklaufrohr 25 verbunden. Die beiden Gasabscheider 21, 23 werden durch das U-Rohr 26 kommunizierend verbunden, das durch Diffusion einen gewissen Konzentrationsausgleich zwischen Anolyt und Katholyt herbeiführt.

Fig. 5 zeigt die Draufsicht einer solchen zwischen einer Zwischenkammer 18 und einer Mittelplatte 27 eingeschlossenen Zellenobergruppe mit den gestrichelt eingezeichneten Gasableitungskanalsystemen 4", 4*", 4^C und 5^α, 5⁶, 5^C. Wie mann erkennt, reichen die Teilkanäle 4^a und 5^a nur über die ersten fünf Zellen. Sie sind durch entsprechende Radialbohrungen 8, 9 (vgl. Fig. 2) mit diesen ersten fünf Zellen verbunden. Die Teilkanäle 4* und 5* reichen über die ersten zehn

Zellen und sind durch entsprechende Radialbohrungen mit der sechsten bis zehnten Zelle verbunden Die Kanäle 4" und 5" schließlich reichen bis an das Ende der ganzen Zellenobergruppe und sind mit der elften bis fünfzehnten Zelle verbunden. Es bilden also die erste bis fünfte, die sechste bis zehnte und die elfte bis fünfzehnte Zelle innerhalb der dargestellten Obergruppe je eine durch einen Teilkanal für jedes Leitungssystem in sich verbundene Zellenuntergruppe. Da der Nebenschlußstrom für jede Zelle dem Gesamtquerschnitt der parallel zu dieser Zelle liegenden Gas- und Elektrolytkanäle entspricht, nimmt dieser Nebenschluß also von Zellengruppe zu Zellengruppe schrittweise ab.
In der Praxis werden jedoch im allgemeinen mehr als 5 Zellen pro Untergruppe angeschlossen, beispielsweise 25 Zellen; eine Obergruppe besteht dann also aus 75 Zellen. Wie das Schaltschema in Fig. 3 zeigt, ist die Zellensäule in 8 Obergruppen unterteilt und jede Obergruppe bildet einen selbständigen Stromlcreis. Zwei solcher Obergruppen sind zu beiden Seiten an eine gemeinsame Zwischenkammer 18 angeschlossen.

Besteht die Obergruppe aus 75 Zellen, so würde bei einer Zellenspannung von etwa 2 Volt die Spannung des Stromkreises 150 Volt betragen. Insgesamt enthält die ganze Zellensäule dann 75 χ 8, also 600 Zellen. Die Zwischenkammern 18 führen gemeinsame, vorzugsweise negative Spannung, während die Teilungselektröden 27 den positiven Stromanschluß führen. Aus Fig. 3 geht ferner die Zirkulationsrichtung hervor. Das Gas-Elektrolyt-Gemisch strömt von beiden Zellengruppen zur Zwischenkammer in Richtung der Pfeile G, während der Elektrolyt aus der Zwischenkammer in Richtung der Pfeile E in die einzelnen Zellenuntergruppen zurückfließt.

Trotz der großen Zellenzahl bleiben in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Elektrolyseurs die einzelnen Horizontalkanäle viel kürzer und trotz des ungewöhnlich viel kleineren Querschnittes als bei den bisher üblichen Kanalbauarten bieten sie dem Gas- und Flüssigkeitsumlauf einen geringeren Strömungswiderstand, so daß selbst bei Ausführung der Teilkanäle von nur 10 bis 20 mm Durchmesser ein ausreichender und stetiger Kreislauf sichergestellt wird.

Um diesen Elektrolytumlauf noch zu beschleunigen bzw. durch die in den Teilkanälen auftretende Reibung noch weniger zu beeinträchtigen, sind die Gasabscheider 21, 23 (vgl. Fig. 4) in einer Höhe h von über 60 cm über der Oberkante der Zellensäule angeordnet. Hierdurch wird der hydrostatische Druck, unter dem der Elektrolyt aus den Gasabscheidern über die Rücklaufrohre 22, 25 den Zellen wieder zuströmt, auf denrelativ hohen WertiT gebracht, welcher der Differenz zwischen den Niveaus a-h und c-d (vgl. Fig. 4) entspricht.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Druckelektrolyseur der Filterpressenbauart mit getrennt an jede Zelle angeschlossenen Ableitungskanälen für Wasserstoff und Sauerstoff, welche zu Gasabscheidern führen, die den mitgerissenen Elektrolyt sammeln und aus denen der Elektrolyt durch ein weiteres Kanalsystem in die Zellen zurückgeführt wird, wobei die einzelnen Kanäle aus aneinandergereihten Durchbrechungen der ringförmigen, zu einer Säule aufeinandergeschichteten Zellenrahmen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Gasableitungskanäle (4, 5) als auch die Elektrolytrücklaufkanäle (6, 7) in eine Reihe von Teilkanälen (a, b, c) aufgegliedert sind, welche sich aus parallel zueinander in einer gemeinsamen Ringzone der Zellenrahmen angebrachten engen Durchbrechungen zusammensetzen, die in unverbreiterten Sektoren dieser Zellenrahmen (1) liegen (Fig. 1).
2. 2. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenrahmen (1) aus einem profilierten, gezogenen Flacheisen be- So steht, das durch Runden und Verschweißen hergestellt ist und auf dem auf einem nach innen liegenden Absatz (2) die als bipolar wirkende Elektrode dienende dünne Blechscheibe (13) z. B. mittels elektrischer Punkt- bzw. Nahtschweißung befestigt ist (vgl. Fig. 1 und 2).
3. 3. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur gleichen Leitungsgruppe (If₂ bzw. O₂ bzw. K bzw. A) gehörigen Teilkanäle nebeneinander in gleichen Sektoren go der ringförmigen Zellenrahmen (1) liegen (Fig. 1).
4. 4. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen von zylindrischen Bohrungen gebildet werden, welche mit Nickelröhrchen ausgebuchst werden.
5. 5. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jede Zelle nur ein Teilkanal (4*, 5°, 6^a, 7°) jeder Leitungsgruppe (H₂, O₂, K, A) angeschlossen ist, wobei die einzelnen Teilkanäle mit je einer Gruppe von unmittelbar aneinander anschließenden Zellen verbunden sind und, von ihrem Anschluß an das zum Gasabscheider führende Rohr 20, 24 (Fig. 5) aus gemessen, nur bis zur letzten Zelle der jeweils angeschlossenen Zellengruppe reichen (vgl. Fig. 5).
6. 6. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Einheit zusammengepreßte Zellensäule durch Zwischenkammern (18) in Obergruppen unterteilt ist, wobei jede dieser Zwischenkammern aus zwei, durch eine vertikale Wand (19) getrennten Räumen besteht, wobei in den einen Raum sämtliche Wasserstoffableitungsteilkanäle (4) der betreffenden Obergruppen und das zum gemeinsamen Wasserstoff gasabscheider (21) führende Gemischrohr (20) sowie unten alle zugehörigen Katholytrücklaufteilkanäle (6) und das vom Wasserstoffgasabscheider kommende Katholytrücklaufrohr (22) einmünden, und in den anderen Raum oben sämtliche Sauerstoffableitungsteilkanäle (5) der betreffenden Obergruppen und das zum gemeinsamen Sauerstoffgasabscheider (23) führende Gemischrohr (24) sowie unten alle zugehörigen Anolytrücklaufteilkanäle (7) und das vom Sauerstoffgasabscheider kommende Anolytrücldaufrohr (25) angeschlossen sind (vg. Fig. 3 und 4).
7. 7· Druckelektrolyseur nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabscheider durch mindestens ein kommunizierendes Rohr (26) großen Durchmessers miteinander verbunden sind (vgl. Fig. 3 und 4.).
8. 8. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasabscheider (21, 23) in einer Höhe (h) von mindestens 500 mm über der Oberkante der Zellensäule angeordnet sind (vgl. Fig. 4).
9. 9. Druckelektrolyseur nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zwischenkammern (18) die gleiche Spannung führen (vgl. Fig. 3)·

   Hierzu r Blatt Zeichnungen

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