EP0095039B1 - Membran-Elektrolysezelle - Google Patents

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EP0095039B1
EP0095039B1 EP83103915A EP83103915A EP0095039B1 EP 0095039 B1 EP0095039 B1 EP 0095039B1 EP 83103915 A EP83103915 A EP 83103915A EP 83103915 A EP83103915 A EP 83103915A EP 0095039 B1 EP0095039 B1 EP 0095039B1
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membrane
electrode
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grid bars
anode
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Helmut Ing. Schmitt (Grad.)
Helmuth Dipl.-Ing. Schurig
Wolfgang Dr. Strewe
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ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Uhde GmbH
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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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a membrane electrolysis cell of the filter press type with pairs of planar electrodes, each of which contains at least one perforated active middle part, with a membrane arranged between the paired electrodes and lying against them and in each case between the electrode edge and membrane edge, the perforated middle part of an electrode being one has a grid-like structure, the bars of the electrodes assigned in pairs each by max. 1/2 bar width are offset from each other and the membrane is stretched smooth by the bars.
  • the electrolysis cell is suitable for the electrolysis of an aqueous, halide-containing electrolyte (brine) in order to produce an aqueous alkali metal hydroxide solution (cell liquid) and halogen and hydrogen.
  • the filter press-type electrolysis cell described therein consists of a plurality of vertically and alternately arranged flexible anode and cathode plates, each with a membrane permeable to cations installed between adjacent anode and cathode plates.
  • Anode plates, membrane and cathode plates are fixed in their distance from each other by means of non-conductive, flexible spacer plates.
  • the thickness of the spacer plates which are either covered with sealing material or themselves consist of almost incompressible sealing material, is selected so that the membrane is freely between the anode plates and cathode plates. Since the anode or cathode plates are thin, i. H.
  • electrolysis cells of the filter press type consist of planar electrodes arranged in pairs with a perforated active middle part. It is not possible to install or remove a cell unit. There is a diaphragm between the electrodes, which can be in the form of a blind, which is not stretched by the electrodes. Such an electrolysis cell thus does not achieve low voltage losses.
  • a membrane electrolysis cell with rod-shaped round electrodes is known. These round electrodes run horizontally and lie against the membrane. A wedge-shaped gas collecting space remains between the lower curve and the membrane, which greatly reduces the current transfer to the counterelectrode or increases the voltage loss. Round electrodes are not very suitable for the optimization of a membrane cell.
  • the invention has for its object to provide a monopolar filter press cell that has improved properties compared to known filter press cells.
  • the invention relates to a membrane electrolysis cell of the filter press type with pairs of planar electrodes, each of which contains at least one perforated active central part, with a membrane arranged between the paired electrodes and lying between them, and between the electrode edge and membrane edge, the perforated central part of an electrode being one has a grid-like structure, the bars of the electrodes assigned in pairs by max.
  • the bars are slats in a blind-like arrangement, such that their distance from each other is smaller than the projection of their width, the slats on that of the membrane facing side have a convex curvature and with this lie against the membrane in such a way that the distance between anode plates and cathode plates is constant in the convex area.
  • both seals between a respective electrode edge and a membrane edge can also be combined to form a seal in a modification of the invention. This then results in a seal between only one membrane edge and one electrode edge of a paired electrode with the same or less thickness than twice the height of the lattice rod portion projecting over the electrode edge. In this way, the number of parts of the membrane electrolysis cell of the filter press type can be reduced and, at the same time, the number of sealing surfaces and any leakage points.
  • the elimination of components for the supporting structure improves the gas extraction from the cells and at the same time reduces the overall length of each individual electrolysis cell.
  • the convex design of the bars on the side facing the membrane and their displacement by max. half a rod width also has the advantage that the distance between the rods between the anode plates and the cathode plates is constant in the convex region and thus a high effective electrode area is available.
  • the grid bars of the electrode plates can have any shape on the side facing away from the active side, they can also be welded to the frame of the electrode plate or attached in some other way. Ultimately, the decisive factors for the final design are the choice of materials, manufacturing costs and voltage loss in the electrolysis cell.
  • the electrode plates, anode and cathode are made of a material or coated according to the prior art.
  • the seals used also correspond to the state of the art in terms of design and material.
  • the end plates of the electrolytic cell and the required anchor bolts are designed in a known manner. So-called flags on each electrode plate are used for power supply and discharge.
  • the unit shown in Figures 1 and 2 consists of the anode plate 1 and the cathode plate 2 in a completely identical design, from the membrane 3 between the plates and from the seals 4 for clamping the membrane and the seals 5 with insert 6 for dimensional stability and with the openings 7 for different reaction media.
  • the reaction medium between two electrode packs in a mixture with product media such as hydrogen and chlorine gas does not experience any impairment of the optimal distribution concentration by any support structure elements.
  • the structure of the electrolysis cell can be seen.
  • the gaseous product media escape upwards from the louvre-like lattice bars 8, which are designed as lamellas.
  • the membrane 3, made of commercially available material, is fastened in a known manner with the seal 4, so that it is tensioned between the electrode plates according to the invention after the second electrode plate has been installed.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten, mit einer zwischen den paarweisen Elektroden angeordneten an ihnen anliegender Membran und jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung, wobei der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist, die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden je um max. 1/2 Stabbreite gegeneinander versetzt sind und die Membran durch die Gitterstäbe glatt gespannt ist. Die Elektrolysezelle ist geeignet für die Elektrolyse eines wässrigen, halogenidhaltigen Elektrolyts (Sole), um eine wässrige Alkalymetallhydroxidlösung (Zellenflüssigkeit) und Halogen und Wasserstoff herzustellen.
  • Eine solche Elektrolysezelle ist bereits bekannt aus der DE-OS 28 09 332. Die dort beschriebene Elektrolysezelle vom Filterpressentyp besteht aus einer Vielzahl vertikal und abwechseln angeordneter flexibler Anoden- und Kathodenplatten mit jeweils zwischen benachbarten Anoden- und Kathodenplatten eingebauter, für Kationen durchlässiger Membran. Anodenplatten, Membran und Kathodenplatten werden mittels nichtleitenden, flexiblen Abstandsplatten in ihrem Abstand zueinander fixiert. Die Dicke der Abstandsplatten, die entweder mit Dichtungsmaterial belegt sind oder selbst aus fast unkompressiblem Dichtungsmaterial bestehen, ist so gewählt, dass die Membran frei zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten sich befindet. Da die Anoden- bzw. Kathodenplatten dünn sind, d. h. keine hohe Flächenstabilität besitzen, ist ihr Abstand über die aktive Fläche zur Membran unterschiedlich. Diese Eigenart hat zur Folge, dass der Abstand von Anodenplatte zu Kathodenplatte ebenfalls unterschiedlich ist und sich hieraus eine unterschiedliche Flächenbelastung (Spannungsverlust, elektrochemischer Wirkungsgrad) ergibt. Darüber hinaus ist es schwierig, die Membran von den Rändern der Zelle her vollkommen glatt zu spannen. Zu den eventuell welligen Anoden- bzw. Kathodenplatten kann dann noch additiv eine Membran mit nicht völliger Ebenheit kommen, d. h. im Raum zwischen Anoden- und Kathodenplatten liegen keine eindeutig gleichmässigen Abstände und damit Verhältnisse vor.
  • Nach FR-A-2 070 757 sind Elektrolysezellen vom Filterpressentyp bekannt, die aus paarweise angeordneten flächenhaften Elektroden bestehen mit durchbrochenem aktivem Mittelteil. Der Ein- bzw. Ausbau einer Zelleneinheit ist nicht möglich. Zwischen den Elektroden, die jalousieartig sein können, liegt ein Diaphragma, das nicht von den Elektroden gespannt wird. Somit erzielt solch eine Elektrolysezelle nicht geringe Spannungsverluste.
  • Nach FR-A-2 406 674 ist eine Membran-Elektrolysezelle mit stabförmigen Rundelektroden bekannt. Diese Rundelektroden verlaufen waagerecht und liegen an der Membran an. Zwischen unterer Rundung und Membran verbleibt ein keilförmiger Gassammelraum, der den Stromübergang zur Gegenelektrode stark reduziert, bzw. den Spannungsverlust erhöht. Rundelektroden sind wenig geeignet für die Optimierung einer Membranzelle.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monopolare Filterpressenzelle zu schaffen, die verbesserte Eigenschaften aufweist, gegenüber bekannten Filterpressenzellen.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten, mit zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter an ihnen anliegender Membran und jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung, wobei der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist, die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um max. eine halbe Stabbreite gegeneinander versetzt sind und die Membran durch die Gitterstäbe glatt gespannt ist, die sich dadurch auszeichnet, dass die Gitterstäbe Lamellen sind in jalousieartiger Anordnung, derart, dass ihr Abstand untereinander kleiner ist als die Projektion ihrer Breite, die Lamellen auf der der Membran zugewandten Seite eine konvexe Wölbung haben und mit dieser dergestalt an der Membran anliegen, dass der Abstand zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten im konvexen Bereich konstant ist.
  • Da die Membran selbst als Dichtung wirkt, können in einer Abwandlung der Erfindung auch beide Dichtungen zwischen jeweils einem Elektrodenrand und einem Membranrand zu einer Dichtung zusammengefasst werden. Danach ergibt sich dann eine Dichtung zwischen nur einem Membranrand und einem Elektrodenrand einer paarweisen Elektrode in der gleichen oder geringeren Dicke als die doppelte Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils. Auf diese Weise lässt sich die Anzahl der Teile der Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mindern und damit gleichzeitig die Anzahl der Dichtflächen und evtl. Leckagestellen.
  • Um das sich bildende Elektrolyseprodukt, wie z. B. H2-Gas und Chlor, sicher nach oben abzuführen, weisen die Gitterstäbe an. der Seite der konvexen Wölbung eine Vielzahl von Quereinbuchtungen auf.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Abstand der Elektrodenplatten zur Membran zu Null wird, und dass damit der Spannungsverlust in der vollständigen Elektrolysenzellenanlage wesentlich gemindert wird. Es ist nicht wie bisher erforderlich, aufwendige Stützkonstruktionen vorzusehen, damit die Membran glatt gespannt wird und im Betrieb auch bleibt.
  • Durch den Wegfall von Bauelementen für die Stützkonstruktion wird einerseits der Gasabzug aus den Zellen verbessert und gleichzeitig die Baulänge jeder einzelnen Elektrolysezelle gemindert.
  • Die konvexe Gestaltung der Gitterstäbe auf der der Membran zugewandten Seite und ihre Versetzung um max. eine halbe Stabbreite hat weiterhin den Vorteil, dass der Abstand der Stäbe zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten im konvexen Bereich konstant ist und somit eine hohe wirksame Elektrodenfläche zur Verfügung steht. Die Gitterstäbe der Elektrodenplatten können im übrigen an der der aktiven Seite abgewandten Seite jegliche Form haben, auch können sie auf den Rahmen der Elektrodenplatte aufgeschweisst oder anderweitig befestigt sein. Ausschlaggebend für die endgültige Ausgestaltung sind letztlich Materialwahl, Herstellungskosten und Spannungsverlust in der Elektrolysezelle.
  • Die Elektrodenplatten, Anode sowie Kathode sind aus einem Material hergestellt bzw. beschichtet gemäss dem Stand der Technik. Die verwendeten Dichtungen entsprechen ebenfalls nach Ausbildung und Material dem Stand der Technik. Die Endplatten der Elektrolysezelle und die erforderlichen Spannanker sind in bekannter Weise ausgeführt. Zur Stromzufuhr und Stromableitung dienen sogenannte Fahnen an jeder Elektrodenplatte.
  • Die Erfindungen eignen sich besonders für Membranzellen, die für die Herstellung von Chlor und Natriumhydroxid durch Elektrolyse von wässrigen Natriumchloridlösungen verwendet werden. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Figur 1: Schnitt einer Anodenplatte-Membran-Kathodenplatten-Einheit im Betriebszustand,
    • Figur 2: Schnitt einer Anodenplatte-Membran-Kathodenplatten-Einheit im Betriebszustand mit nur einer Dichtung zum Festklemmen der Membran,
    • Figur 3: perspektivische auseinandergezogene Darstellung eines Teils einer erfindungsgemässen Membranzelle.
  • Die in Figur 1 und 2 dargestellte Einheit besteht aus der Anodenplatte 1 und der Kathodenplatte 2 in vollkommen gleicher konstruktiver Ausgestaltung, aus der Membran 3 zwischen den Platten und aus den Dichtungen 4 zum Festklemmen der Membran und den Dichtungen 5 mit Einlage 6 für Formstabilität und mit den Öffnungen 7 für verschiedene Reaktionsmedien. Das jeweils zwischen zwei Elektrodenpaketen befindliche Reaktionsmedium im Gemisch mit Produktmedien wie Wasserstoff und Chlorgas erfährt keine Beeinträchtigung der optimalen Verteilungskonzentration durch irgendwelche Stützkonstruktionselemente.
  • Gemäss der perspektivischen Darstellung nach Figur 3 ist der Aufbau der Elektrolysezelle zu erkennen. Aus den jalousieartig gestellten Gitterstäben 8, die als Lamellen gestaltet sind, entweichen die gasförmigen Produktmedien störungsfrei nach oben. Die Membran 3, aus handelsüblichem Material hergestellt, wird in bekannter Weise mit der Dichtung 4 befestigt, so dass sie nach Einbau der zweiten Elektrodenplatte erfindungsgemäss zwischen den Elektrodenplatten gespannt ist.

Claims (4)

1. Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit
a) paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten,
b) zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter, an ihnen anliegender Membran,
c) jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung,
d) der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist,
e) die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden je um max. 1/2 Stabbreite gegeneinander versetzt sind und die Membran durch die Gitterstäbe glatt gespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
f) die Gitterstäbe Lamellen sind in jalousieartiger Anordnung, derart, dass ihr Abstand untereinander kleiner ist als die Projektion ihrer Breite,
g) die Lamellen auf der der Membran zugewandten Seite eine konvexe Wölbung haben und mit dieser dergestalt an der Membran anliegen, dass der Abstand zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten im konvexen Bereich konstant ist.
2. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstäbe waagerecht verlaufen.
3. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die waagerecht verlaufenden Gitterstäbe Quereinbuchtungen aufweisen.
EP83103915A 1982-05-26 1983-04-21 Membran-Elektrolysezelle Expired EP0095039B1 (de)

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