EP0043370A1 - Vorrichtung zur verteilung des elektrolyten auf die einzelnen elemente von bipolaren plattenzellen und zur abfuhr der elektrolyseprodukte - Google Patents

Vorrichtung zur verteilung des elektrolyten auf die einzelnen elemente von bipolaren plattenzellen und zur abfuhr der elektrolyseprodukte

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EP0043370A1
EP0043370A1 EP80901795A EP80901795A EP0043370A1 EP 0043370 A1 EP0043370 A1 EP 0043370A1 EP 80901795 A EP80901795 A EP 80901795A EP 80901795 A EP80901795 A EP 80901795A EP 0043370 A1 EP0043370 A1 EP 0043370A1
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EP
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electrolysis
inserts
electrolyte
elements
cells
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Withdrawn
Application number
EP80901795A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Edgar Hausmann
Harald Will
Kurt Klein
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Krebskosmo Ges fur Chemie-Ingenieur-Technik Mbh
Original Assignee
Krebskosmo Ges fur Chemie-Ingenieur-Technik Mbh
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a device for distributing the electrolyte to the individual elements of bipolar plate cells and removing the electrolysis products from these elements.
  • Bipolar electrolysis cells have the advantage over monopolar cells that no current leads to the electrodes are required and the cell can be built very compactly. You will find e.g. for water electrolysis, and also for chlor-alkali electrolysis, bipolar cell constructions have recently been used especially for the membrane process.
  • the invention has for its object to develop a device according to the type mentioned in such a way that it satisfactorily meets the requirements shown.
  • a bipolar electrode according to the patent application filed at the same time a very compact, material-saving cell construction is sought.
  • the elements are provided with double-ring-shaped inserts made of electrically non-conductive material, which are strung together, with their inner bores form the distribution and collecting channels for the electrolysis products, while they are connected to the electrolyte.
  • trolysis chamber are connected by staggered bores in the inner and outer ring so that the annular space between the outer and inner ring serves as an enlarged resistance path to limit the electrical secondary currents.
  • the device according to the invention advantageously enables a relatively large liquid circulation through the electrolyzer without the bypass losses becoming excessively high.
  • Figure 1 is an electrolyzer with bipolar cell elements with internal distribution and collection of the electrolytes and the electrolysis products in longitudinal section.
  • FIG. 2 shows a cell element in the view, partly with a view of the separator, partly with a view of one of the electrodes (with the separator removed);
  • Fig. 3 is a sectional view of a preferred embodiment of the inserts.
  • the bipolar cell elements essentially consist of the partition (2), the frame (3), the perforated anodes (4) and cathodes (5).
  • a separator (6) is arranged between each of the two bipolar elements, by means of which the anode and cathode products are separated from one another.
  • the current is introduced at the first cell element (7), which has only one anode, and is discharged at the last cell element (8), which is only equipped with a cathode.
  • Figure 2 shows a cell element in the view, partly with a view of the separator, partly with a view of one the electrodes (with the separator removed).
  • the cell elements for the supply of anolyte and catholyte and for the removal of the electrolysis products are given annular inserts (9) made of electrically non-conductive material.
  • the annular space (10) between the inner ring (11) and the outer ring (12) serves as a resistance section to limit the electrical secondary currents. It is connected by a series of bores (13) in the outer ring to the electrolysis chamber (14), in the inner ring to the distribution or collection channel (15).
  • the bores in the inner and outer ring are arranged on opposite sides, for the inlet channels the bores in the inner ring at the top, those in the outer ring at the bottom, for the outlet channels the bores in the outer ring at the top and those in the inner ring at the bottom.
  • FIG. 3 shows the preferred embodiment of the inserts on average.
  • the inserts are composed of two separate parts - inner and outer ring - and firmly assembled with the metal partition (2), e.g. the inner ring with a collar is inserted into a corresponding hole in the partition and the outer ring is then shrunk on.
  • the inserts are provided with appropriate seals (16) which, after the cell block has been assembled, ensure a gas and liquid-tight separation of the anolyte and catholyte spaces.
  • the membrane receives cutouts the size of the inner bore. After assembling the cell elements, it initially lies loosely over the ring inserts and is only tightened when the block is assembled.
  • a cell element contains at least 2 for a cell without a separator, for a cell with a separator according to Fig. 2 at least 4 inserts: for entry of the anolyte (17), entry of the catholyte (18), exit of anolyte and anode gas (19), exit of catholyte and cathode gas (20).
  • the bipolar cell elements 1 of the electrolyzer essentially consist of the partition 2, the frame 3, the perforated anodes 4 and cathodes 5.
  • a separator 6 is arranged between each two bipolar elements, through which the anode and cathode products are separated from one another be separated.
  • the current is introduced at the first cell element 7, which has only one anode, and is discharged at the last cell element 8, which is only equipped with a cathode.
  • the cell elements 1 are provided with annular inserts 9 made of electrically non-conductive material for the supply of anolyte and catholyte and for the removal of the electrolysis products.
  • the annular space 10 between the inner ring 11 and the outer ring 12 serves as a resistance path for limiting the electrical secondary currents. It is connected by a series of bores 13 in the outer ring to the electrolysis chamber 14, in the inner ring to the distribution or collection channel 15.
  • the bores in the inner and outer ring are arranged on opposite sides, for the inlet channels the bores in the inner ring at the top, those in the outer ring at the bottom, for the outlet channels the bores in the outer ring at the top and those in the inner ring at the bottom.
  • the inserts are, as can be seen from FIG. 3, in their preferred embodiment composed of two separate parts - inner and outer ring - and firmly assembled with the partition made of metal 2, for example the inner ring provided with a collar in a corresponding hole in the partition and the outer ring then shrunk on.
  • the inserts are provided with appropriate seals 16 which, after the cell block has been assembled, ensure a gas and liquid-tight separation of the anolyte and catholyte spaces. Where the inserts are located, the membrane is cut out to the size of the inner bore. After the cell elements have been assembled, they initially lie loosely over the ring inserts and are only tightened when the block is assembled
  • a cell element contains at least 2 inserts in a cell without a separator, and at least 4 inserts in a cell with a separator according to FIG. 2: for entry of the anolyte 17, entry of the catholyte 18, exit of the anolyte and anode gas 19, exit of the catholyte and cathode gas 20.

Description

Vorrichtung zur Verteilung des Elektrolyten auf die einzelnen Elemente von bipolaren Plattenzellen und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verteilung des Elektrolyten auf die einzelnen Elemente von bipolaren Plattenzellen und Abfuhr der Elektrolyseprodukte aus diesen Elementen.
Bipolare Elektrolysezellen haben gegenüber monopolaren Zellen den Vorteil, daß keine Stromzuführungen zu den Elektroden benötigt werden und die Zelle sehr kompakt gebaut werden kann. Sie finden z.B. für die Wasserelektrolyse breite Anwendung, und auch für die Chloralkali-Elektrolyse werden besonders für das Membranverfahren bipolare Zellenkonstruktionen neuerdings eingesetzt.
Die bipolare Schaltung von Zellenelementen innerhalb eines Zellenblocks bringt aber auch die Gefahr, daß durch Nebenströme, die direkt zwischen den äußeren Elementen fließen unter Umgehung der zwischengeschalteten Elemente, erhebliche Stromverluste entstehen, oder daß es zu elektrolytischer Korrosion aufgrund unkontrollierter elektrischer Potentiale kommt.
Diese Probleme lassen sich am leichtesten beherrschen, wenn man die einzelnen Elemente flüssigkeitsdicht voneinander trennt und mit äußeren Zu- und Ableitungen aus elektrisch nicht leitendem Material versieht, die schon aus konstruktiven Gründen so lang sein müssen, daß die Nebenstromverluste auch bei einer großen Anzahl in Serie geschalteter Bipolarelemente nicht übermäßig groß v/erden. Äußere Zu- und Ableitungen bedingen aber gewisse Mindestdicken der Elemente, die wesentlich größer sind, als es von den Erfordernissen der Elektrolyse her gegeben ist. Die Elemente werden wesentlich materialaufwendiger, die Zellenblöcke erreichen Baulängen, bei denen die im Betrieb auftretenden thermischen Dehnungen und Schrumpfungen aufwendige hydraulische Spannvorrichtungen erforderlich machen oder Einzelverschraubung der Elemente.
Bei innerer Verteilung und Sammlung der Elektrolyte und der Produkte der Elektrolyse sind wesentlich geringere Baulängen möglich. Diese Bauweise ist daher vorzuziehen, wenn es gelingt, das Problem der Nebenströme zu lösen. Bei Elektrolyseprozessen, bei denen Anoden- und Kathodenprodukte getrennt gehalten werden müssen, ist es außerdem wesentlich, daß die inneren Verteileinrichtungen die sichere Abdichtung zwischen Anoden- und Kathodenraum nicht beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß der eingangs erwähnten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie die aufgezeigten Anforderungen zufriedenstellend erfüllt. Insbesondere wird in Verbindung mit einer Bipolarelektrode gemäß der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldun eine sehr kompakte, materialsparende Zellenkonstruktion angestrebt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elemente mit doppelringförmigen Einsätzen aus elektrisch nicht leitendem Material versehen sind, die aneinandergereiht, mit ihren inneren Bohrungen die Verteil- und Sammelkanäle für die Elektrolyseprodukte bilden, während sie mit der Elek- trolysekammer durch versetzt angeordnete Bohrungen im Innenund Außenring so verbunden sind, daß der Ringraum zwischen dem äußeren und dem inneren Ring als vergrößerte Widerstandsstrecke dient zur Begrenzung der elektrischen Nebenströme.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine verhältnismäßig große Flüssigkeitsumwälzung durch den Elektrolyseur, ohne daß die Nebenstromverluste übermäßig hoch werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nunmehr anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. In letzteren sind:
Fig. 1 ein Elektrolyseur mit bipolaren Zellenelementen mit innerer Verteilung und Sammlung der Elektrolyten und der Elektrolyseprodukte im Längsschnitt;
Fig. 2 ein Zellenelemente in der Ansicht, teilweise mit Blick auf den Separator, teilweise mit Blick auf eine der Elektroden (bei abgenommenem Separator); und
Fig. 3 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Einsätze.
Die bipolaren Zellenelemente bestehen im wesentlichen aus der Trennwand (2), dem Rahmen (3), den perforierten Anoden (4) und Kathoden (5). Zwischen 2 Bipolarelementen ist jeweils ein Separator (6) angeordnet, durch den Anoden- und Kathodenprodukte voneinander getrennt werden. Der Strom wird an dem ersten Zellenelement (7) eingeleitet, das lediglich eine Anode besitzt, und am letzten Zellenelement (8) abgeführt, das nur mit einer Kathode ausgerüstet ist.
Abbildung 2 zeigt ein Zellenelement in der Ansicht, teilweise mit Blick auf den Separator, teilweise mit Blick auf eine der Elektroden (bei abgenommenem Separator) .
Erfindungsgemäß erhalten die Zellenelemente zur Zufuhr von Anolyt und Katholyt und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte ringförmige Einsätze (9) aus elektrisch nicht leitendem Material. Die Einsätze bilden, aneinandergereiht, mit ihren inneren Bohrungen die Verteil- und Sammelkanäle für die Elektrolyte und die Elektrolyseprodukte. Der Ringraum (10) zwischen dem inneren Ring (11) und dem äußeren Ring (12) dient als Widerstandsstrecke zur Begrenzung der elektrischen Nebenströme. Er ist durch eine Reihe von Bohrungen (13) im Außenring mit der Elektrolysekammer (14), im Innenring mit dem Verteil- bzw. Sammelkanal (15) verbunden. Um die Widerstandsstrecke möglichst groß zu machen, sind die Bohrungen im Innen- und im Außenring auf entgegengesetzten Seiten angeordnet, bei den Eintrittskanälen die Bohrungen im Innenring oben, diejenigen im Außenring unten, bei den Austrittskanälen die Bohrungen im Außenring oben, die im Innenring unten.
Abbildung 3 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Einsätze im Schnitt. Die Einsätze sind aus zwei getrennten Teilen - Innen- und Außenring - zusammengesetzt und mit der Trennwand aus Metall (2) fest zusammengebaut, z.B. wird der Innenring mit einem Bund versehen in eine entsprechende Bohrung der Trennwand eingesetzt und der Außenring anschließend aufgeschrumpft. Die Einsätze erhalten entsprechende Dichtungen (16), die nach Zusammenbau des Zellenblocks eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennung von Anolyt- und Katholytraum gewährleisten. Die Membran erhält dort, wo sich die Einsätze befinden, Ausschnitte von der Größe der inneren Bohrung. Nach Zusammenbau der Zellenelemente liegt sie zunächst lose über den Ringeinsätzen und wird erst beim Zusammenbau des Blocks festgespannt .
Ein Zellenelement enthält bei einer Zelle ohne Separator mindestens 2, bei einer Zelle mit Separator gemäß Abb. 2 mindestens 4 Einsätze: für Eintritt des Anolyten (17), Eintritt des Katholyten (18), Austritt von Anolyt und Anodengas (19), Austritt von Katholyt und Kathodengas (20).
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, bestehen die bipolaren Zellenelemente 1 des Elektrolyseurs im wesentlichen aus der Trennwand 2, dem Rahmen 3 , den perforierten Anoden 4 und Kathoden 5. Zwischen 2 Bipolarelementen ist jeweils ein Separator 6 angeordnet, durch den Anoden- und Kathodenprodukte voneinander getrennt werden. Der Strom wird an dem ersten Zellenelement 7 eingeleitet, das lediglich eine Anode besitzt, und am letzten Zellenelement 8 abgeführt, das nur mit einer Kathode ausgerüstet ist.
Erfindungsgemäß erhalten die Zellenelemente 1 zur Zufuhr von Anolyt und Katholyt und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte ringförmige Einsätze 9 aus elektrisch nicht leitendem Material. Die Einsätze bilden, aneinandergereiht, mit ihren inneren Bohrungen die Verteil- und Sammelkanäle für die Elektrolyte und die Elektrolyseprodukte. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, dient der Ringraum 10 zwischen dem inneren Ring 11 und dem äußeren Ring 12 als Widerstandsstrecke zur Begrenzung der elektrischen Nebenströme. Er ist durch eine Reihe von Bohrungen 13 im Außenring mit der Elektrolysekammer 14, im Innenring mit dem Verteil- bzw. Sammelkanal 15 verbunden. Um die Widerstandsstrecke möglichst groß zu machen, sind die Bohrungen im Innen- und im Außenring auf entgegengesetzten Seiten angeordnet, bei den Eintrittskanälen die Bohrungen im Innenring oben, diejenigen im Außenring unten, bei den Austrittskanälen die Bohrungen im Außenring oben, die im Innenring unten.
Die Einsätze sind, wie aus Fig. 3 hervorgeht, bei ihrer bevorzugten Ausführungsform aus zwei getrennten Teilen - Innen- und Außenring - zusammengesetzt und mit der Trennwand aus Metall 2 fest zusammengebaut, z.B. wird der Innenring mit einem Bund versehen in eine entsprechende Bohrung der Trennwand eingesetzt und der Außenring anschließend aufgeschrumpft Die Einsätze erhalten entsprechende Dichtungen 16, die nach Zusammenbau des Zellenblocks eine gas- und flüssigkeitsdichte Trennung von Anolyt- und Katholytraum gewährleisten. Die Membran erhält dort, wo sich die Einsätze befinden, Ausschnit von der Größe der inneren Bohrung. Nach dem Zusammenbau der Zellenelemente liegt sie zunächst lose über den Ringein- sätzen und wird erst beim Zusammenbau des Blocks festgespannt
Ein Zellenelement enthält bei einer Zelle ohne Separator mindestens 2, bei einer Zelle mit Separator gemäß Fig. 2 mindestens 4 Einsätze: für Eintritt des Anolyten 17, Eintritt des Katholyten 18, Austritt von Anolyt und Anodengas 19, Austritt von Katholyt und Kathodengas 20.
Mit dieser Ausführung ist es möglich, den Zu- und Ableitungen relativ große Querschnitte zu geben und so eine große Flüssigkeitsumwälzung durch den Elektrolyseur zu ermöglichen, ohne daß die Nebenstromverluste übermäßig hoch werden. Bei 20 in Serie geschalteten Zellenelementen und Querschnitten, die den Durchsatz von mehr als 200 1 Elektrolyt pro 1000 Ampère ermöglichen, bleibt z.B. der Energieverlust durch Neben- ströme unter 1 % .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Verteilung des Elektrolyten auf die einzelnen Elemente von bipolaren Plattenzellen und zur Abfuhr der Elektrolyseprodukte aus diesen Elementen, gekennzeichnet dadurch, daß die Elemente (1) mit doppelringförmigen Einsätzen (1) aus elektrisch nicht leitendem Material versehen sind, die aneinandergereiht, mit ihren inneren Bohrungen die Verteil- und Sammelkanäle für die Elektrolyte und die Elektrolyseprodukte bilden, während sie mit der Elektrolysekammer 14 durch versetzt angeordnete Bohrungen im Innen- und Außenring so verbunden sind, daß der Ringraum 10 zwischen dem äußeren und dem inneren Ring (12 bzw. 11) als vergrößerte Widerstandsstrecke dient zur Begrenzung der elektrischen Nebenströme.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für die Anwendung in Elektro lyseuren mit metallischer Trennv/and, gekennzeichnet dadurch, daß die Einsätze (1) die Trennwand (2) soweit abdecken, daß an keiner Stelle größere Potentialdifferenzen zwischen der metallischen Trennwand (2) und dem Elektrolyten auftreten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 für die Anv/endung bei Elektrolyseuren mit Separator zur Trennung von Anolyt und Katholyt, gekennzeichnet dadurch, daß einzelne Einsätze für die Zu- und Ableitung des Anolyten, andere, ähnlich konstruierte Einsätze für die Zu- und Ableitung des Katholyten dienen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Einsätze mit Dichtungen (16) versehen sind, die nach Zusammenbau des Elektrolyseurs eine flüssigkeits- und gasdichte Trennung von Anolyt und Katholyt gewährleisten.
EP80901795A 1979-10-01 1980-09-22 Vorrichtung zur verteilung des elektrolyten auf die einzelnen elemente von bipolaren plattenzellen und zur abfuhr der elektrolyseprodukte Withdrawn EP0043370A1 (de)

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Inventor name: WILL, HARALD

Inventor name: KLEIN, KURT

Inventor name: HAUSMANN, EDGAR