EP1409769A2 - Electrolysis device - Google Patents

Electrolysis device

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Publication number
EP1409769A2
EP1409769A2 EP02716647A EP02716647A EP1409769A2 EP 1409769 A2 EP1409769 A2 EP 1409769A2 EP 02716647 A EP02716647 A EP 02716647A EP 02716647 A EP02716647 A EP 02716647A EP 1409769 A2 EP1409769 A2 EP 1409769A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolyte
electrolysis device
anode
electrolysis
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02716647A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karl Lohrberg
Dirk Lohrberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1409769A2 publication Critical patent/EP1409769A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70Assemblies comprising two or more cells

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis device with at least one horizontally lying electrolysis cell, which has a housing and the anode of which is equipped with a membrane or a diaphragm and the cathode of which is equipped with a gas diffusion electrode, and with means for supplying and removing gas into or from the gas space of the cathode and means for supplying and removing electrolytes into and out of a first electrolyte chamber and into and out of a second electrolyte chamber, the electrolyte chambers being separated from one another by means of the membrane or the diaphragm ,
  • Such an electrolysis device is known for example from EP-A-182 144.
  • the electrolyte is introduced and removed via openings which are arranged at the edge between the electrodes. Because of this, the cross-sectional area of the openings is limited by the dimensions and the distance between the electrodes. Since the distance between the electrodes is only a few millimeters, the cross-sectional area available for the feeding and removal of the electrodes is relatively small.
  • Such electrolysis devices are therefore only suitable for electrolytically connected electrolytic cells, since these are penetrated by small amounts of electrolyte.
  • the tolerance range of the permissible hydraulic pressure is determined here by the overall height of the cell. This is usually a few centimeters to save material and space.
  • One way of generating only correspondingly low hydraulic pressures is therefore to constructively enlarge the inlet and outlet openings. This can be achieved in that the inlet and outlet openings are not arranged between the electrodes, but next to the electrodes, as in EP-A-0 168 600, EP-A-0 330 849 and EP-B-0 865 516 proposed.
  • the cross-sectional area of the openings is then no longer limited by the spacing of the electrodes from one another, but can be adapted to the increased amounts of electrolyte in an electrolytic series connection via the appropriate design of the frame geometry.
  • a disadvantage of such an arrangement of the openings is the additional production of a sealing frame, which connects the membrane or the diaphragm to the frame in a gas-tight and liquid-tight manner, so that mixing of the quantities in the individual chambers is prevented.
  • a sealing frame also, because it lies between the electrodes, means that the distance between the electrodes is increased by the frame thickness. This increases the voltage drop in the electrolyte and thus the energy consumption.
  • This object is inventively z. B. solved in that the anode and membrane or the diaphragm each have at least one opening for supplying electrolytes in the second electrolyte chamber and at least one further opening for discharging electrolytes from the second electrolyte chamber.
  • the membrane or the diaphragm in the area of the electrolyte supply opening and the electrolyte discharge opening is clamped in a gas-tight and liquid-tight manner by means of a sealing frame, the thickness of which does not exceed the thickness of the anode, as well as on the sealing frame and the anode.
  • a sealing frame the thickness of which does not exceed the thickness of the anode, as well as on the sealing frame and the anode.
  • Electrolysis cells today are constructed from metal, since the appropriate alloys ensure long-term resistance of the cells to chemical and mechanical loads at very high temperatures. Disadvantages of metal structures, however, are the mostly high costs for the material and the production, which usually include complex welding work. This is particularly true for cells that use different materials for the anode and cathode, such as. B. a chlor-alkali membrane cell, in which the anode consists of a ruthenium oxide-coated titanium-palladium alloy and the Nickel cathode.
  • Such cells are basically made up of an anode and a cathode tub with the respective electrodes. In the case of an electrical series connection, the individual tubs are welded to one another, for example, by means of explosively plated, bipolar strips.
  • the welding of the cells over such strips is ideally carried out with a laser, in which the welding area or the temperature zone can be spatially arranged in such a way that mixing of the different alloys and thus corrosion is prevented.
  • the manufacture of an electrolytic cell is easier if the anode and cathode are made of the same material as, for example, a cell for producing hydrogen peroxide in an alkaline solution using a gas diffusion cathode. In this case, nickel can be used as the material.
  • the electrodes are simply electrically connected to one another via bridges made of nickel or the cell walls themselves.
  • the partition must therefore be welded to the webs and the cell walls using continuous welds.
  • this usually leads to a delay because the material should be as thin as possible for economic reasons and the welding heat is not dissipated.
  • laser welding is also an option here, since the temperature zone can be determined very precisely in terms of space. Through a However, complex welding, long preparation times and high quality requirements make laser welding very cost-intensive.
  • the housing of the electrolytic cell is formed by two plastic plates, between which are Use of frame-like seals, the electrolyte chambers and the gas space are limited.
  • the middle plastic plate (s) forms the base of the upper electrolysis cell and the cover of the electrolysis cell located below.
  • the electrolyte supply and discharge channels of the second electrolyte chamber can be introduced, in particular milled, into these plastic plates in a simple manner. The same applies to electrolyte supply and discharge channels of the first electrolyte chamber.
  • PP, PVC and post-chlorinated PVC are suitable as plastics. These plastics are resistant to many chemicals, even at temperatures up to approx. 80 ° C.
  • the plastic plates can be covered with seals in such a way that the required electrolyte and gas spaces are created between the electrodes and the plastic plate without great effort. This eliminates the need for a material-intensive version with two trays or the welding in of a partition.
  • the plastic plates can preferably consist of different materials, since the anolyte and catholyte consist of different compounds. Since the anlolyte and catholyte are introduced via the same plastic plate, this can expediently consist of two different plastics.
  • the respective electrolyte discharge channels of the upper electrolysis cell can be in flow communication with the respective electrolyte feed channels of the electrolysis cell located underneath via external connecting pipelines.
  • the anode and the cathode extend beyond the seals which delimit the electrolyte chambers and the gas space and are provided with their electrical connections or connections from the anode to the cathode outside the chambers.
  • the electrical connections and connections can also still be in the plastic plate, for which edge recesses or openings can be provided; but they can also be arranged outside.
  • the material of the electrical connections and connections can be chosen freely since they no longer bear the chemical-thermal load on the electrolyte are exposed. It is therefore also possible to use highly conductive copper, for example, which is normally not used at this point due to its poor chemical-thermal resistance. This leads to a cost-effective reduction in the number and dimensions of the electrical connections and connections, including corresponding busbars to which the electrical connections are connected.
  • connections and / or connections are pressed with clamping elements with anode and cathode. Expensive welding is then unnecessary.
  • the gas requirement also plays a major role in the use of gas diffusion electrolysis. This must be a multiple of the stoichiometric requirement for the reaction taking place in gas diffusion electrolysis, so that there are no losses in efficiency.
  • oxygen is converted into a gas diffusion cathode with the hydrogen generated at the cathode to generate energy.
  • air is usually used instead of oxygen.
  • This requires inlet and outlet pipes with a correspondingly large cross section, as a result of which the thickness of the cell frame must disadvantageously be increased. A reduction in the cross-section while increasing the number of pipes is usually precluded for economic reasons.
  • a gas supply channel and a gas discharge channel penetrate the plastic plates delimiting the electrolytic cell (s) and possibly the anode and the cathode, sealing against the electrolyte chambers and in flow connection with the respective gas space from top to bottom.
  • the cross section of the feed and Discharge openings can thus be determined regardless of the plate thickness.
  • openings with the same dimensions are present in the individual plastic plates and possibly the electrodes, which are aligned with one another so that the gas, for example the air, is distributed in an energetically favorable manner with the smallest possible pressure loss in the cell stack.
  • the openings are designed so that the required cross-section is available, but there is still enough material for the current flow.
  • the air flow from top to bottom allows electrolyte, which penetrates the gas diffusion electrode, for example, through small leaks, to be removed.
  • Another advantage of the possibility of converting large amounts of gas is the increased absorption of the evaporation heat generated at the gas diffusion electrode, so that an internal cooling is created which replaces an external one and saves the costs for a heat exchanger.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an electrolysis device constructed from four electrolysis cells according to the invention
  • FIG. 3 is a top view of a sealing frame as shown in FIG. 2
  • the electrolysis device shown in FIG. 1 has four horizontally stacked electrolysis cells, with a housing 6 formed by plastic plates 6 ', 6 ", the uppermost plastic plate 6' a cover and the bottom plastic plate 6" a bottom of the top or bottom Form electrolysis cell, while the middle plastic plates 6 "simultaneously form the bottom of the electrolysis cell above and the lid of the electrolysis cell underneath.
  • Each electrolytic cell has an anode 8 with a membrane or a diaphragm 18 and a cathode 9 with a gas diffusion electrode 17, with corresponding seals 11, 12, 13 a first electrolyte chamber 4 as the anode space, a second electrolyte chamber 5 as the cathode space and on the outside of the cathode 9 a gas space 22 are formed.
  • Electrolyte 1 becomes the uppermost via an electrolyte supply channel 19 '
  • the electrolyte 1 flows laterally outward from the electrolyte discharge channel 20' into a connecting pipeline 10 adjoining there to the second plastic plate 6 ", which is the uppermost one
  • the electrolysis cell is delimited as the bottom and there into an electrolyte feed channel, which corresponds to the feed channel 19 'of the uppermost plastic plate 6', etc., until the electrolyte is discharged from the side of the penultimate plastic plate 6 "via an outlet pipe 25.
  • Gas such as Oxygen or air are supplied from above into a gas supply channel 21 which passes through all the plastic plates 6 ', 6 "of the housing 6 from top to bottom and which is sealed gas and liquid-tight against the electrolyte chambers 4, 5, but in each case in flow connection with the corresponding one
  • the gas supply channel 21 opens into the lowermost gas space at the bottom, and on the opposite side of the electrolysis cell stack a vertical gas discharge channel 23 extends from the uppermost gas space 22 into a lower outlet opening in the lowermost plastic plate 6 '.
  • the plastic plates 6 ′, 6 ′′ are provided with edge recesses 24 which are aligned with one another.
  • Electrical connections 7 for the anode 8 (top) and the cathode 9 (bottom) are provided on both sides at the top and bottom with current strips 2 , and in the middle plastic plates 6 "electrical connections 7 'between cathode 9 and anode 8 of successive electrolysis cells.
  • the busbars 2 and the connections 7 and connections 7 'can be made of a material that conducts electricity well, such as copper.
  • the connections 7 and the connections 7 'can furthermore be pressed with anode 8 and cathode 9 via clamping elements (not shown), so that welding is unnecessary.
  • FIG. 2 illustrates how sealing takes place in the area of an electrolyte supply opening 19 or an electrolyte discharge opening 20.
  • the membrane or the diaphragm 18 is angled upward in the area of the openings 19, 20 and is supported on one Sealing frame 15 guided, which has no greater thickness than the anode 8.
  • the sealing frame 15 is housed in a larger recess 27 of the anode 8 and delimits the openings 19, 20 inside.
  • Above the angled area of the membrane or diaphragm 18 is a Sealing element 14 over the anode 8 and up over the sealing frame 15. In the vicinity of the openings 19, 20, the membrane or the diaphragm 18 is clamped in a gas-tight and liquid-tight manner with the edge facing the openings 19, 20 between the sealing frame 15 and the sealing element 14.
  • the sealing frame 15, which is shown in vertical section II in FIG. 2, has a narrow shape, the short sides of which are designed as arches, and thus surrounds the openings 19, 20.
  • busbars e.g. made of copper 3 gas, e.g. 0 2 or air

Landscapes

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Abstract

The invention relates to an electrolysis device, comprising at least one horizontal electrolytic cell with a housing (6) and an anode (8) that has a membrane or a diaphragm (18), and a cathode (9) that has a gas diffusion electrode (17). The device further comprises supply (21) and discharge (23) means for gas (3) which lead to or away from the gas chamber (22) of the cathode (9), and supply (16; 19) and discharge (16; 20) means for electrolytes (1) which lead to or away from the first electrolytic chamber (4) and to or away from the second electrolytic chamber (5). The anode (8) and the membrane or the diaphragm (18) have at least one respective opening for the supply (19) of electrolytes (1) to the second electrolytic chamber (5), and at least one further opening for the discharge (20) of electrolytes from the second electrolytic chamber.

Description

Elektrolyseeinrichtungelectrolyzer
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolyseeinrichtung, mit mindestens einer horizontal liegenden Elektrolysezelle, welche ein Gehäuse aufweist und deren Anode mit einer Membran oder einem Diaphragma und deren Kathode mit einer Gasdiffususionselektrode ausgestattet sind, sowie mit Mitteln zur Zufuhr und Abfuhr von Gas in den bzw. aus dem Gasraum der Kathode sowie Mitteln zur Zufuhr und Abfuhr von Elektrolyten in eine bzw. aus einer erste(n) Elektrolytkammer und in eine bzw. aus einer zweite(n) Elektrolytkammer, wobei die Elektrolytkammern mittels der Membran bzw. dem Diaphragma voneinander abgeteilt sind.The invention relates to an electrolysis device with at least one horizontally lying electrolysis cell, which has a housing and the anode of which is equipped with a membrane or a diaphragm and the cathode of which is equipped with a gas diffusion electrode, and with means for supplying and removing gas into or from the gas space of the cathode and means for supplying and removing electrolytes into and out of a first electrolyte chamber and into and out of a second electrolyte chamber, the electrolyte chambers being separated from one another by means of the membrane or the diaphragm ,
Eine derartige Elektrolyseeinrichtung ist beispielsweise aus der EP-A-182 144 bekannt. Hierbei erfolgt das Einführen und Ausführen des Elektrolyten über Öffnungen, welche am Rand zwischen den Elektroden angeordnet sind. Aufgrund dessen wird die Querschnittsfläche der Öffnungen durch die Abmessungen und den Abstand der Elektroden zueinander begrenzt. Da der Abstand der Elektroden zueinander nur wenige Millimeter beträgt, ist die zur Verfügung stehende Querschnittsfläche für die Eiektoiytzufuhr- und -abfuhr relativ klein. Derartige Elektrolyseeinrichtungen sind daher nur für elektrolytisch parallel geschaltete Elektrolysezellen geeignet, da diese von geringen Elektrolytmengen durchsetzt werden. Bei einer elektrolytischen Reihenschaltung der Zellen, wie sie beispielsweise aus der EP-B-0 865 516 bekannt ist, wird die durchzusetzende Elektrolytmenge entsprechend der Zellenanzahl größer und es können infolge von hohen Elektrolytgeschwindigkeiten nicht tolerierbare Druckverluste an den Öffnungen entstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Elektrode mit einer porösen Gasdiffusionseiektrode belegt ist. Entsprechend den Druckverlusten an den Öffnungen wirkt auf die Gasdiffusionseiektrode ein hydraulischer Druck, welcher zur Flutung der Elektrode führen kann, wenn der Gasdruck auf der anderen Seite der Elektrode nicht ausreichend groß ist. Gasdiffusionselektroden gelten zwar allgemein als hydrophob, da sie einen erheblichen Anteil Teflon zur Bindung des Kohlenstoffs enthalten. So können sie teilweise mit Wassersäulen über 500 mm belastet werden, ohne dass Wasser in die Poren eindringt. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass dies in einer Elektrolyseeinrichtung nicht der Fall ist, da unter Stromfluss und der Anwesenheit von Ionen eine Benetzung der Oberfläche bereits bei Drücken unter 40 mm Wassersäule statt findet. Gleich dem Ansteigen des hydraulischen Druckes mit wachsender Länge einer durchströmten Rohrleitung steigt der auf die Gasdiffusionseiektrode wirkende Druck bei elektrolytischer Reihenschaltung mit wachsender Zellenzahl. Dies führt zum höchsten Druck in der ersten und zum kleinsten Druck in der letzten Zelle. Ein Fluten der Gasdiffusionseiektrode ist in diesem Fall nur zu verhindern, wenn in jeder einzelnen Zelle ein spezifischer Gasdruck aufrechterhalten wird.Such an electrolysis device is known for example from EP-A-182 144. The electrolyte is introduced and removed via openings which are arranged at the edge between the electrodes. Because of this, the cross-sectional area of the openings is limited by the dimensions and the distance between the electrodes. Since the distance between the electrodes is only a few millimeters, the cross-sectional area available for the feeding and removal of the electrodes is relatively small. Such electrolysis devices are therefore only suitable for electrolytically connected electrolytic cells, since these are penetrated by small amounts of electrolyte. In the case of an electrolytic series connection of the cells, as is known, for example, from EP-B-0 865 516, the amount of electrolyte to be enforced increases in accordance with the number of cells and, as a result of high electrolyte speeds, pressure losses at the openings which cannot be tolerated can occur. This applies in particular if an electrode is covered with a porous gas diffusion electrode. According to the pressure losses at the openings, a hydraulic pressure acts on the gas diffusion electrode, which can lead to the electrode being flooded if the gas pressure on the other side of the electrode is not sufficiently high. Gas diffusion electrodes are generally considered to be hydrophobic because they contain a considerable amount of Teflon to bind the carbon. In this way, they can be partially loaded with water columns over 500 mm without water penetrating into the pores. However, practice has shown that this is not the case in an electrolysis device, since under current flow and the presence of ions, the surface is wetted even at pressures below 40 mm water column. As the hydraulic pressure increases with the length of a pipeline through which it flows, the pressure acting on the gas diffusion electrode increases with an increasing number of cells in an electrolytic series connection. This leads to the highest pressure in the first and the lowest pressure in the last cell. In this case, flooding of the gas diffusion electrode can only be prevented if a specific gas pressure is maintained in each individual cell.
Um einen technisch weniger aufwendigen und damit wirtschaftlich höheren Betrieb der Zellen mit nur einem Gasdruck zu ermöglichen, muss eine kaskadische Strömung erzeugt werden, d. h. der Elektrolyt läuft im Überfall aus dem Auslassrohr einer Zelle in das Einlassrohr der nächsten Zelle. An der Stelle eines Überfalls, welcher einen höhenverstellbaren Überlauf nach EP-B-0 865 516 entspricht, reißt der hydraulische Druck ab, so dass in jeder Zelle der gleiche Druck anliegt. Bei Zellen mit vertikal stehenden Elektroden kann dies in einfacher Weise durch die den hydraulischen Drücken entsprechende Länge der Ein- und Auslassrohre realisiert werden. Bei Zellen mit horizontal liegenden Elektroden, wie solchen nach der EP-A-0 182 114 oder der EP-B- 0 856 516, ist dies dagegen nicht möglich. Der Toleranzbereich des zulässigen hydraulischen Drucks wird hier durch die Bauhöhe der Zelle bestimmt. Diese beträgt in der Regel wenige Zentimeter, um Material- und Raumbedarf zu sparen. Eine Möglichkeit, nur entsprechend geringe hydraulische Drucke zu erzeugen, liegt daher in der konstruktiven Vergrößerung der Ein- und Auslassöffnungen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Ein- und Auslassöffnungen nicht zwischen den Elektroden angeordnet werden, sondern neben den Elektroden, wie in der EP-A-0 168 600, EP-A-0 330 849 und der EP-B-0 865 516 vorgeschlagen. Die Querschnittsfläche der Öffnungen ist dann nicht mehr durch den Abstand der Elektroden zueinander begrenzt, sondern kann über die entsprechende Auslegung der Rahmengeometrie den erhöhten Elektrolytmengen bei einer elektrolytischen Reihenschaltung angepasst werden. Nachteilig an einer solchen Anordnung der Öffnungen ist jedoch die zusätzliche Fertigung eines Dichtrahmens, welche die Membran bzw. das Diaphragma mit dem Rahmen gas- und flüssigkeitsdicht verbindet, so dass eine Vermischung der Mengen in den einzelnen Kammern verhindert wird. Auch bedingt ein solcher Rahmen, da er zwischen der Elektroden liegt, dass der Abstand der Elektroden zueinander um die Rahmendicke vergrößert wird. Dadurch erhöht sich der Spannungsabfall im Elektrolyten und damit der Energieverbrauch.In order to enable a technically less complex and therefore economically higher operation of the cells with only one gas pressure, a cascade flow must be generated, ie the electrolyte runs from the outlet pipe of one cell into the inlet pipe of the next cell. At the point of a hold-up, which corresponds to a height-adjustable overflow according to EP-B-0 865 516, the hydraulic pressure drops, so that the same pressure is present in each cell. In the case of cells with vertically standing electrodes, this can be done in a simple manner by the length of the hydraulic pressures Inlet and outlet pipes can be realized. In contrast, this is not possible for cells with horizontally lying electrodes, such as those according to EP-A-0 182 114 or EP-B-0 856 516. The tolerance range of the permissible hydraulic pressure is determined here by the overall height of the cell. This is usually a few centimeters to save material and space. One way of generating only correspondingly low hydraulic pressures is therefore to constructively enlarge the inlet and outlet openings. This can be achieved in that the inlet and outlet openings are not arranged between the electrodes, but next to the electrodes, as in EP-A-0 168 600, EP-A-0 330 849 and EP-B-0 865 516 proposed. The cross-sectional area of the openings is then no longer limited by the spacing of the electrodes from one another, but can be adapted to the increased amounts of electrolyte in an electrolytic series connection via the appropriate design of the frame geometry. A disadvantage of such an arrangement of the openings, however, is the additional production of a sealing frame, which connects the membrane or the diaphragm to the frame in a gas-tight and liquid-tight manner, so that mixing of the quantities in the individual chambers is prevented. Such a frame also, because it lies between the electrodes, means that the distance between the electrodes is increased by the frame thickness. This increases the voltage drop in the electrolyte and thus the energy consumption.
Eine Vergrößerung des Abstandes kann dadurch verhindert werden, dass die Membran bzw. das Diaphragma, oder wie in der US-A 4 436 608 vorgeschlagen, sogar die Gasdiffusionseiektrode an den Seiten umgebogen wird. Dies birgt jedoch die Gefahr, dass an den Ecken des Rahmens eine zu große Scherkraft wirkt und die Membran bzw. das Diaphragma aufgrund von Beschädigung nicht mehr dicht ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseeinrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welcher die zuvor genannten Probleme des Standes der Technik beseitigt sind und insbesondere eine solche Elektrolyseeinrichtung, welche einfach aufgebaut und wirtschaftlich betrieben werden kann.An increase in the distance can be prevented by bending the membrane or the diaphragm or, as suggested in US Pat. No. 4,436,608, even the gas diffusion electrode on the sides. However, this entails the risk that too great a shear force acts at the corners of the frame and that the membrane or the diaphragm is no longer sealed due to damage. The invention is therefore based on the object of proposing an electrolysis device of the type mentioned at the outset in which the aforementioned problems of the prior art have been eliminated, and in particular an electrolysis device of this type which can be constructed simply and can be operated economically.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß z. B. dadurch gelöst, dass die Anode sowie Membran bzw. das Diaphragma jeweils wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr von Elektrolyten in die zweite Elektrolytkammer und wenigstens eine weitere Öffnung zur Abfuhr von Elektrolyten aus der zweiten Elektrolytkammer aufweisen.This object is inventively z. B. solved in that the anode and membrane or the diaphragm each have at least one opening for supplying electrolytes in the second electrolyte chamber and at least one further opening for discharging electrolytes from the second electrolyte chamber.
Hierbei ist insbesondere von Vorteil, wenn die Membran bzw. das Diaphragma im Bereich der Elektrolytzufuhröffnung und der Elektrolytabfuhröffnung mittels eines Dichtungsrahmens, dessen Dicke die Dicke der Anode nicht übersteigt, sowie an den Dichtungsrahmen und die Anode anliegenden Dichtungen gas- und flüssigkeitsdicht eingespannt ist. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass der Abstand der Elektroden zueinander durch die Einspannung nicht beeinflusst wird und die auf die Membran bzw. das Diaphragma wirkenden Scherkräfte minimiert sind.It is particularly advantageous here if the membrane or the diaphragm in the area of the electrolyte supply opening and the electrolyte discharge opening is clamped in a gas-tight and liquid-tight manner by means of a sealing frame, the thickness of which does not exceed the thickness of the anode, as well as on the sealing frame and the anode. Such an arrangement has the advantage that the distance between the electrodes is not influenced by the clamping and the shear forces acting on the membrane or the diaphragm are minimized.
Die meisten Elektrolysezellen werden heute aus Metall konstruiert, da bei Verwendung entsprechender Legierungen eine langfristige Beständigkeit der Zellen gegen chemische und mechanische Belastungen bei sehr hohen Temperaturen gewährleistet ist. Nachteile von Metallkonstruktionen sind jedoch die meist hohen Kosten für das Material und die Fertigung, welche in der Regel aufwendige Schweißarbeiten mit einschließt. Dies gilt insbesondere für Zellen, welche unterschiedliche Materialien für Anode und Kathode verwenden, wie z. B. eine Chlor-Alkali-Membranzelle, bei welcher die Anode aus einer mit Ruthiniumoxid beschichteten Titan-Paladium-Legierung besteht und die Kathode aus Nickel. Solche Zellen sind grundsätzlich aus einer Anoden- und einer Kathodenwanne mit den jeweiligen Elektroden aufgebaut. Die einzelnen Wannen werden bei einer elektrischen Reihenschaltung z.B. über sprengplatierte, bipolare Leisten miteinander verschweißt. Das Verschweißen der Zellen über solche Leisten wird idealerweise mit einem Laser durchgeführt, bei dem der Schweißbereich bzw. die Temperaturzone räumlich so angeordnet werden kann, dass ein Vermischen der unterschiedlichen Legierungen und damit eine Korrosion verhindert wird. Die Fertigung einer Elektrolysezelle gestaltet sich einfacher, wenn Anode und Kathode aus dem gleichen Material bestehen, wie z.B. bei einer Zelle zur Herstellung von Wasserstoffperoxid in alkalischer Lösung unter Verwendung einer Gasdiffusionskathode. In diesem Fall kann Nickel als Material verwendet werden. Um eine bipolare Zelle zu erhalten, werden die Elektroden einfach über Stege aus Nickel oder die Zellenwände selbst elektrisch miteinander verbunden. Wichtig ist bei dieser Zelle, dass bei Verwendung eines Diaphragmas an der Anode eine gasdichte Trennwand zwischen Anode und Kathode besteht, wie bei der EP-B-0 865 516, damit der Gasdruck, welcher eine Flutung der Gasdiffusionseiektrode durch den Katholyten verhindern soll, nicht auch auf den Anolyten wirkt. Denn im Gegensatz zu einer Membran ist ein Diaphragma flüssigkeitsdurchlässig, so dass ein auf den Anolyten wirkender Druck auch auf den Katholyten wirkt. Ohne Trennwand würde somit eine Druckdifferenz an der Gasdiffusionseiektrode anliegen und zur Flutung führen. Das Einbringen einer solchen Trennwand erfordert jedoch einen hohen fertigungstechnischen Aufwand, da die Forderung einer Abdichtung gegen Gas eine punktuelle Schweißung nicht erlaubt. Die Trennwand muss also über durchgehende Schweißnähte mit den Stegen und den Zellwänden verschweißt werden. Dies führt jedoch meist zu Verzug, da das Material aus wirtschaftlichen Gründen so dünn wie möglich zu wählen ist und die Schweißwärme nicht abgeführt wird. Wie bei der Chlor-Alkali-Membran- Elektrolyse bietet sich auch hier eine Schweißung mit Laser an, da die Temperaturzone räumlich sehr genau bestimmt werden kann. Durch einen aufwendigen Vorrichtungsbau, lange Vorbereitungszeiten und eine hohe Anforderung an die Qualität ist das Laserschweißen jedoch sehr kostenintensiv.Most electrolysis cells today are constructed from metal, since the appropriate alloys ensure long-term resistance of the cells to chemical and mechanical loads at very high temperatures. Disadvantages of metal structures, however, are the mostly high costs for the material and the production, which usually include complex welding work. This is particularly true for cells that use different materials for the anode and cathode, such as. B. a chlor-alkali membrane cell, in which the anode consists of a ruthenium oxide-coated titanium-palladium alloy and the Nickel cathode. Such cells are basically made up of an anode and a cathode tub with the respective electrodes. In the case of an electrical series connection, the individual tubs are welded to one another, for example, by means of explosively plated, bipolar strips. The welding of the cells over such strips is ideally carried out with a laser, in which the welding area or the temperature zone can be spatially arranged in such a way that mixing of the different alloys and thus corrosion is prevented. The manufacture of an electrolytic cell is easier if the anode and cathode are made of the same material as, for example, a cell for producing hydrogen peroxide in an alkaline solution using a gas diffusion cathode. In this case, nickel can be used as the material. In order to obtain a bipolar cell, the electrodes are simply electrically connected to one another via bridges made of nickel or the cell walls themselves. It is important in this cell that when using a diaphragm on the anode there is a gas-tight partition between the anode and cathode, as in EP-B-0 865 516, so that the gas pressure, which should prevent the gas diffusion electrode from flooding through the catholyte, does not also acts on the anolyte. In contrast to a membrane, a diaphragm is permeable to liquid, so that a pressure acting on the anolyte also acts on the catholyte. Without a partition, a pressure difference would therefore be present at the gas diffusion electrode and lead to flooding. The introduction of such a partition wall, however, requires a high level of manufacturing expenditure, since the requirement for a seal against gas does not permit spot welding. The partition must therefore be welded to the webs and the cell walls using continuous welds. However, this usually leads to a delay because the material should be as thin as possible for economic reasons and the welding heat is not dissipated. As with chlor-alkali membrane electrolysis, laser welding is also an option here, since the temperature zone can be determined very precisely in terms of space. Through a However, complex welding, long preparation times and high quality requirements make laser welding very cost-intensive.
Um diese Fertigungs- und Materialkosten durch zwei metallene Wannen zu vermeiden, wie sie bspw. nach der EP-A-0 182 114 vorgesehen sind, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass das Gehäuse der Elektroysezelle von zwei Kunststoffplatten gebildet ist, zwischen welchen unter Verwendung von rahmenartigen Dichtungen die Elektrolytkammern und der Gasraum begrenzt sind.In order to avoid these manufacturing and material costs by means of two metal tubs, such as are provided, for example, according to EP-A-0 182 114, it is proposed in a further development of the inventive concept that the housing of the electrolytic cell is formed by two plastic plates, between which are Use of frame-like seals, the electrolyte chambers and the gas space are limited.
Dabei bildet bzw. bilden bei mehreren übereinander angeordneten Elektrolysezellen die mittlere(n) Kunststoffplatte(n) jeweils den Boden der oberen Elektrolysezelle und den Deckel der darunter befindlichen Elektrolysezelle.In the case of a plurality of electrolysis cells arranged one above the other, the middle plastic plate (s) forms the base of the upper electrolysis cell and the cover of the electrolysis cell located below.
In diese Kunststoffplatten können auf einfache Weise die Elektrolytzufuhr- und - abfuhrkanäle der zweiten Elektrolytkammer eingebracht, insbesondere eingefräst sein. Das Gleiche trifft für Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanäle der ersten Elektrolytkammer zu.The electrolyte supply and discharge channels of the second electrolyte chamber can be introduced, in particular milled, into these plastic plates in a simple manner. The same applies to electrolyte supply and discharge channels of the first electrolyte chamber.
Als Kunststoff kommen bspw. PP, PVC und nachchloriertes PVC in Frage. Diese Kunststoffe sind gegen viele Chemikalien, auch bei Temperaturen bis ca. 80° C beständig. Die Kunststoffplatten können so mit Dichtungen belegt werden, dass zwischen den Elektroden und der Kunststoffplatte die erforderlichen Elektrolyt- und Gasräume ohne großen Aufwand entstehen. Eine materialaufwendige Ausführung mit zwei Wannen oder das Einschweißen einer Trennwand entfällt dadurch.For example, PP, PVC and post-chlorinated PVC are suitable as plastics. These plastics are resistant to many chemicals, even at temperatures up to approx. 80 ° C. The plastic plates can be covered with seals in such a way that the required electrolyte and gas spaces are created between the electrodes and the plastic plate without great effort. This eliminates the need for a material-intensive version with two trays or the welding in of a partition.
Bei anderen Elektrolysen als der Peroxidelektrolyse können die Kunststoff platten bevorzugt aus voneinander verschiedenem Material bestehen, da Anolyt und Katholyt aus unterschiedlichen Verbindungen bestehen. Da Anlolyt und Katholyt über die gleiche Kunststoffplatte eingeleitet werden, kann diese zweckmäßigerweise aus zwei verschiedenen Kunststoffen bestehen.In the case of electrolyses other than peroxide electrolysis, the plastic plates can preferably consist of different materials, since the anolyte and catholyte consist of different compounds. Since the anlolyte and catholyte are introduced via the same plastic plate, this can expediently consist of two different plastics.
Bei mehreren Elektrolysezellen können die jeweiligen Elektrolytabfuhrkanäle der oberen Elektrolysezelle mit den jeweiligen Elektrolytzufuhrkanälen der jeweils darunter befindlichen Elektrolysezelle über äußere Verbindungsrohrleitungen in Strömungsverbindung stehen.In the case of a plurality of electrolysis cells, the respective electrolyte discharge channels of the upper electrolysis cell can be in flow communication with the respective electrolyte feed channels of the electrolysis cell located underneath via external connecting pipelines.
Bei der Verwendung von Kunststoffplatten als Gehäuse ist eine Stromversorgung der Elektroden über die Gehäusewand nicht möglich, da diese dann nicht leitend ist. Eine konventionelle elektrische Verbindung über Stege, welche im Elektrolytbereich liegen, ist auch zu vermeiden, da diese gegen die Kunststoffplatte zusätzlich abgedichtet werden müssten. Auch müssten hierzu Durchgänge in die Kunststoffplatte eingefräst werden, welche die Steifigkeit der Platte mindern würden.When using plastic plates as the housing, it is not possible to supply the electrodes with power via the housing wall, since this is then non-conductive. A conventional electrical connection via webs, which are located in the electrolyte area, should also be avoided, since these would have to be additionally sealed against the plastic plate. For this purpose, passages would also have to be milled into the plastic plate, which would reduce the rigidity of the plate.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die Anode und die Kathode über die die Elektrolytkammern und den Gasraum nach außen begrenzenden Dichtungen hinausgeführt sind und außerhalb der Kammern mit ihren elektrischen Anschlüssen bzw. Verbindungen von Anode zu Kathode versehen sind.According to the invention, it is therefore proposed that the anode and the cathode extend beyond the seals which delimit the electrolyte chambers and the gas space and are provided with their electrical connections or connections from the anode to the cathode outside the chambers.
Die elektrischen Anschlüsse und Verbindungen können auch noch in der Kunststoffplatte liegen, wofür Randaussparungen oder -Öffnungen vorgesehen sein können; sie können aber auch außerhalb angeordnet sein. EineThe electrical connections and connections can also still be in the plastic plate, for which edge recesses or openings can be provided; but they can also be arranged outside. A
Verminderung der Steifigkeit der Kunststoffplatte findet in diesem Fall nicht statt.In this case, the rigidity of the plastic plate is not reduced.
Das Material der elektrischen Anschlüsse und Verbindungen kann frei gewählt werden, da sie nicht mehr der chemisch-thermischen Belastung des Elektrolyten ausgesetzt sind. Es kann daher z.B. auch hochleitendes Kupfer verwendet werden, das wegen seiner schlechten chemisch-thermischen Beständigkeit an dieser Stelle normalerweise nicht zum Einsatz kommt. Dies führt zu einer kostengünstigen Reduzierung der Anzahl und der Abmessungen der elektrischen Anschlüsse und Verbindungen, wozu auch entsprechende Stromschienen zählen, an welche die elektrischen Anschlüsse angeschlossen sind.The material of the electrical connections and connections can be chosen freely since they no longer bear the chemical-thermal load on the electrolyte are exposed. It is therefore also possible to use highly conductive copper, for example, which is normally not used at this point due to its poor chemical-thermal resistance. This leads to a cost-effective reduction in the number and dimensions of the electrical connections and connections, including corresponding busbars to which the electrical connections are connected.
Eine besonders einfache Montage ist dann gewährleistet, wenn die Anschlüsse und/oder Verbindungen über Spannelemente mit Anode und Kathode verpresst sind. Ein kostenintensives Schweißen ist dann entbehrlich.A particularly simple assembly is ensured if the connections and / or connections are pressed with clamping elements with anode and cathode. Expensive welding is then unnecessary.
Eine große Bedeutung bei der Anwendung der Gasdiffusionselektrolyse spielt auch der Gasbedarf. Dieser muss das Vielfache des stöchiometrischen Bedarfs für die in der Gasdiffusionselektrolyse ablaufenden Reaktion betragen, damit keine Wirkungsgradverluste entstehen. In den meisten Fällen wird Sauerstoff in eine Gasdiffusionskathode mit dem an der Kathode erzeugten Wasserstoff unter Energiegewinnung umgesetzt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird an Stelle von Sauerstoff in der Regel Luft verwendet. Da Luft bekanntlich nur 21% Sauerstoff enthält, müssen entsprechend hohe Mengen in die Elektrolysezelle eingeführt werden. Dies erfordert Ein- und Abfuhrrohre mit entsprechend großem Querschnitt, wodurch die Stärke des Zellenrahmens ungünstigerweise vergrößert werden muss. Ein Verringern des Querschnitts bei gleichzeitiger Erhöhung der Rohranzahl schließt sich meist aus wirtschaftlichen Gründen aus.The gas requirement also plays a major role in the use of gas diffusion electrolysis. This must be a multiple of the stoichiometric requirement for the reaction taking place in gas diffusion electrolysis, so that there are no losses in efficiency. In most cases, oxygen is converted into a gas diffusion cathode with the hydrogen generated at the cathode to generate energy. For economic reasons, air is usually used instead of oxygen. As air is known to contain only 21% oxygen, correspondingly large amounts have to be introduced into the electrolytic cell. This requires inlet and outlet pipes with a correspondingly large cross section, as a result of which the thickness of the cell frame must disadvantageously be increased. A reduction in the cross-section while increasing the number of pipes is usually precluded for economic reasons.
Gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag durchsetzen daher ein Gaszufuhrkanal und ein Gasabfuhrkanal die die Elektrolysezelle(n) begrenzenden Kunststoffplatten und ggf. die Anode und die Kathode unter Abdichtung gegen die Elektrolytkammern und in Strömungsverbindung mit dem jeweiligen Gasraum von oben nach unten. Der Querschnitt der Zufuhr- und Abfuhröffnungen kann somit unabhängig von der Plattendicke bestimmt werden. Hierzu sind Öffnungen mit gleichen Abmessungen in den einzelnen Kunststoffplatten und ggf. den Elektroden vorhanden, welche zueinander fluchten, damit sich das Gas, bspw. die Luft, energetisch günstig mit kleinstmöglichen Druckverlust im Zellenstapel verteilt. Die Öffnungen sind dabei so ausgelegt, dass der geforderte Querschnitt vorhanden ist, aber noch genügend Material für den Stromfluss verbleibt. Durch die Luftströmung von oben nach unten kann Elektrolyt, der z.B. über kleine Leckagen durch die Gasdiffusionseiektrode dringt, abgeführt werden. Ein weiterer Vorteil der Möglichkeit zur Umsetzung hoher Gasmengen liegt in der erhöhten Aufnahme der an der Gasdiffusionseiektrode entstehenden Verdunstungswärme, so dass eine innere Kühlung entsteht, die eine externe ersetzt und die Kosten für einen Wärmetauscher einspart.According to a further proposal of the invention, therefore, a gas supply channel and a gas discharge channel penetrate the plastic plates delimiting the electrolytic cell (s) and possibly the anode and the cathode, sealing against the electrolyte chambers and in flow connection with the respective gas space from top to bottom. The cross section of the feed and Discharge openings can thus be determined regardless of the plate thickness. For this purpose, openings with the same dimensions are present in the individual plastic plates and possibly the electrodes, which are aligned with one another so that the gas, for example the air, is distributed in an energetically favorable manner with the smallest possible pressure loss in the cell stack. The openings are designed so that the required cross-section is available, but there is still enough material for the current flow. The air flow from top to bottom allows electrolyte, which penetrates the gas diffusion electrode, for example, through small leaks, to be removed. Another advantage of the possibility of converting large amounts of gas is the increased absorption of the evaporation heat generated at the gas diffusion electrode, so that an internal cooling is created which replaces an external one and saves the costs for a heat exchanger.
Erfindungsgemäß lassen sich somit auf einfache und wirtschaftliche WeiseAccording to the invention can thus be simple and economical
Elektrolyseeinrichtungen für den Einsatz bei der Gasdiffusionselektrolyse aufbauen. Aufwendige Schweißungen entfallen. Die einzelnen Teile können unmittelbar am Einsatzort zusammengefügt werden, wodurch die Kosten für eine Zwischenmontage entfallen und die Transportkosten gesenkt werden. Durch Kombination verschiedener Elektroden- und Kunststoffmaterialien lassen sich Zellen in kostensparender Baukastenweise für unterschiedliche Elektrolyseprozesse zusammenstellen.Set up electrolysis equipment for use in gas diffusion electrolysis. There is no need for complex welds. The individual parts can be put together directly at the place of use, which eliminates the costs for an intermediate assembly and reduces the transport costs. By combining different electrode and plastic materials, cells can be assembled in a cost-saving modular way for different electrolysis processes.
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschrieben und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:Further objectives, features, advantages and possible uses of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. All of the described and / or illustrated features, alone or in any combination, form the subject matter of the invention, regardless of their combination in individual claims or their relationship. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aus vier Elektrolysezellen aufgebauten Elektrolyseeinrichtung nach der Erfindung,1 is a schematic representation of an electrolysis device constructed from four electrolysis cells according to the invention,
Fig. 2 demgegenüber vergrößert, den Ausschnitt eines Elektrodenpaares im Bereich einer Elektrolytzufuhröffnung oder2, on the other hand, enlarged, the detail of a pair of electrodes in the region of an electrolyte feed opening or
Elektrolytabfuhröffnung, undElectrolyte discharge opening, and
Fig. 3 in Draufsicht einen Dichtungsrahmen, wie er gemäß Fig. 23 is a top view of a sealing frame as shown in FIG. 2
Anwendung findet.Application.
Die in Fig. 1 dargestellte Elektrolyseeinrichtung weist vier horizontal liegende übereinander gestapelte Elektrolysezellen auf, mit einem von Kunststoffplatten 6', 6" gebildeten Gehäuse 6, wobei die oberste Kunststoffplatte 6' einen Deckel und die unterste Kunststoffplatte 6" einen Boden der obersten bzw. untersten Elektrolysezelle bilden, während die mittleren Kunststoffplatten 6" gleichzeitig den Boden der daruberliegenden Elektrolysezelle und den Deckel der darunterliegenden Elektrolysezelle bilden.The electrolysis device shown in FIG. 1 has four horizontally stacked electrolysis cells, with a housing 6 formed by plastic plates 6 ', 6 ", the uppermost plastic plate 6' a cover and the bottom plastic plate 6" a bottom of the top or bottom Form electrolysis cell, while the middle plastic plates 6 "simultaneously form the bottom of the electrolysis cell above and the lid of the electrolysis cell underneath.
Jede Elektrolysezelle hat eine Anode 8 mit einer Membran oder einem Diaphragma 18 und eine Kathode 9 mit einer Gasdiffusionseiektrode 17, wobei durch entsprechende Dichtungen 11 , 12, 13 eine erste Elektrolytkammer 4 als Anodenraum, eine zweite Elektrolytkammer 5 als Kathodenraum und auf der Außenseite der Kathode 9 ein Gasraum 22 gebildet sind.Each electrolytic cell has an anode 8 with a membrane or a diaphragm 18 and a cathode 9 with a gas diffusion electrode 17, with corresponding seals 11, 12, 13 a first electrolyte chamber 4 as the anode space, a second electrolyte chamber 5 as the cathode space and on the outside of the cathode 9 a gas space 22 are formed.
Elektrolyt 1 wird über einen Elektrolytzufuhrkanal 19' der oberstenElectrolyte 1 becomes the uppermost via an electrolyte supply channel 19 '
Kunststoff platte 6' einer Öffnung 19 in der Anode 8 und der zugehörigenPlastic plate 6 'an opening 19 in the anode 8 and the associated
Membran bzw. dem zugehörigen Diaphragma 18 und damit der zweiten Elektrolytkammer 5 zugeführt. Die Abfuhr des Elektrolyten 1 aus der zweiten Elektrolytkammer 5 erfolgt über eine Elektrolytabfuhröffnung 20 in einen Elektrolytabfuhrkanal 20', welcher analog dem Elektrolytzufuhrkanal 19' in der obersten Kunststoffplatte 6' von der zweiten Elektrolytkammer 5 aus kommend zunächst senkrecht und dann horizontal in der Kunststoffplatte 6' eingefräst verläuft. Entsprechende Kanäle und Öffnungen sind auch in den übrigen Kunststoffplatten, Anoden und Membranen bzw. Diaphragmas vorgesehen. Ebenso wie der Elektrolyt 1 über ein seitliches Zuführungsrohr 26 dem äußeren Rand der obersten Kunststoffplatte 6' zugeführt wird, strömt der Elektrolyt 1 aus dem Elektrolyabfuhrkanal 20' seitlich nach außen in eine sich dort anschließende Verbindungsrohrleitung 10 zu der zweiten Kunststoffplatte 6", welcher die oberste Elektrolysezelle als Boden begrenzt und dort in einen Elektrolytzufuhrkanal, welcher dem Zufuhrkanal 19' der obersten Kunststoffplatte 6' entspricht usw. bis der Elektrolyt aus der Seite der vorletzten Kunststoffplatte 6" über ein Auslassrohr 25 abgegeben wird.Membrane or the associated diaphragm 18 and thus the second electrolyte chamber 5 supplied. The removal of the electrolyte 1 from the second Electrolyte chamber 5 takes place via an electrolyte discharge opening 20 into an electrolyte discharge channel 20 ', which, like the electrolyte feed channel 19' in the uppermost plastic plate 6 'from the second electrolyte chamber 5, initially runs vertically and then milled horizontally in the plastic plate 6'. Corresponding channels and openings are also provided in the other plastic plates, anodes and membranes or diaphragms. Just as the electrolyte 1 is supplied to the outer edge of the uppermost plastic plate 6 'via a lateral feed pipe 26, the electrolyte 1 flows laterally outward from the electrolyte discharge channel 20' into a connecting pipeline 10 adjoining there to the second plastic plate 6 ", which is the uppermost one The electrolysis cell is delimited as the bottom and there into an electrolyte feed channel, which corresponds to the feed channel 19 'of the uppermost plastic plate 6', etc., until the electrolyte is discharged from the side of the penultimate plastic plate 6 "via an outlet pipe 25.
Gas, wie z.B. Sauerstoff oder Luft werden von oben in einen Gaszufuhrkanal 21 zugeführt, welcher sämtliche Kunststoffplatten 6', 6" des Gehäuses 6 von oben nach unten durchsetzt und welcher gegen die Elektrolytkammern 4, 5 gas- und flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, jedoch jeweils in Strömungsverbindung mit dem entsprechenden Gasraum 22 der jeweiligen Elektrolysezelle steht. Unten mündet der Gaszufuhrkanal 21 in dem untersten Gasraum. Auf der gegenüberliegenden Seite des Elektrolysezellenstapels erstreckt sich ein vertikaler Gasabfuhrkanal 23 von dem obersten Gasraum 22 bis in eine untere Auslassöffnung in der untersten Kunststoffplatte 6'.Gas such as Oxygen or air are supplied from above into a gas supply channel 21 which passes through all the plastic plates 6 ', 6 "of the housing 6 from top to bottom and which is sealed gas and liquid-tight against the electrolyte chambers 4, 5, but in each case in flow connection with the corresponding one The gas supply channel 21 opens into the lowermost gas space at the bottom, and on the opposite side of the electrolysis cell stack a vertical gas discharge channel 23 extends from the uppermost gas space 22 into a lower outlet opening in the lowermost plastic plate 6 '.
In der Mitte der Kunststoffplatten 6', 6" sind jeweils eine Elektrolysezufuhr- bzw. -abfuhröffnung 16 der ersten Elektrolysekammer 4 (Anodenraum) und der zugehörigen Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanäle 16' angedeutet. Die entsprechenden Kanäle 16' können ebenfalls in die Kunststoffplatten 6', 6" eingefräst sein, wie die Kanäle 19', 20' sowie die zueinander fluchtenden Gasdurchtrittsöffnungen im Randbereich der jeweiligen Kunststoff platten 6', 6", welche die vertikalen Gaskanäle 21, 23 bilden.In the middle of the plastic plates 6 ', 6 "are each a Elektrolysezufuhr- or -abfuhröffnung 16 of the first electrolytic chamber 4 (anode space) and the associated Elektrolytzufuhr- and -abfuhrkanäle 16' are indicated. The respective channels 16 'may also in the plastic plates 6 ', 6 "can be milled in, like the channels 19', 20 'and those aligned with one another Gas passage openings in the edge region of the respective plastic plates 6 ', 6 ", which form the vertical gas channels 21, 23.
Aus Fig. 1 ist ferner zu erkennen, dass die Elektroden 8, 9 seitlich über die Elektrolytkammern 4, 5 und den Gasraum 22 begrenzenden Dichtungen hinausgeführt und auf diese Weise auch von den vertikalen Gaskanälen 21 , 23 durchsetzt sind.From FIG. 1 it can also be seen that the electrodes 8, 9 extend laterally beyond the seals delimiting the electrolyte chambers 4, 5 and the gas space 22 and in this way are also penetrated by the vertical gas channels 21, 23.
Im äußersten Randbereich sind die Kunststoff platten 6', 6" mit zueinander fluchtenden Randaussparungen 24 versehen. In diesen sind beidseits oben und unten mit Stromleisten 2 in Verbindung stehende elektrische Anschlüsse 7 für die Anode 8 (oben) und die Kathode 9 (unten) vorgesehen, sowie in den mittleren Kunststoffplatten 6" elektrische Verbindungen 7' zwischen Kathode 9 und Anode 8 aufeinander folgender Elektrolysezellen. Die Stromschienen 2 sowie die Anschlüsse 7 und Verbindungen 7' können aus einem gut stromleitenden Material bestehen, wie Kupfer. Die Anschlüsse 7 und die Verbindungen 7' können ferner über (nicht dargestellte) Spannelemente mit Anode 8 und Kathode 9 verpresst sein, so dass ein Verschweißen entbehrlich ist.In the outermost edge region, the plastic plates 6 ′, 6 ″ are provided with edge recesses 24 which are aligned with one another. Electrical connections 7 for the anode 8 (top) and the cathode 9 (bottom) are provided on both sides at the top and bottom with current strips 2 , and in the middle plastic plates 6 "electrical connections 7 'between cathode 9 and anode 8 of successive electrolysis cells. The busbars 2 and the connections 7 and connections 7 'can be made of a material that conducts electricity well, such as copper. The connections 7 and the connections 7 'can furthermore be pressed with anode 8 and cathode 9 via clamping elements (not shown), so that welding is unnecessary.
Fig. 2 veranschaulicht, wie im Bereich einer Elektrolytzufuhröffnung 19 bzw. einer Elektrolytabfuhröffnung 20 eine Abdichtung erfolgt. Während der Gasdiffusionselektrodenbelag 17 auf der Kathode 9 durchgehend bis in den Randbereich der Kathode 9 verläuft, wo er von einem Dichtungselement 12 abgedeckt ist, ist die Membran bzw. das Diaphragma 18 im Bereich der Öffnungen 19, 20 nach oben abgewinkelt und zur Auflage auf einen Dichtungsrahmen 15 geführt, welcher keine größere Dicke hat als die Anode 8. Der Dichtungsrahmen 15 ist in einer größeren Aussparung 27 der Anode 8 untergebracht und begrenzt innen die Öffnungen 19, 20. Oberhalb 'des abgewinkelten Bereichs der Membran bzw. des Diaphragmas 18 liegt ein Dichtungselement 14 über der Anode 8 und bis über dem Dichtungsrahmen 15. In Nachbarschaft der Öffnungen 19, 20 ist die Membran bzw. das Diaphragma 18 mit dem den Öffnungen 19, 20 zugewandten Rand zwischen Dichtungsrahmen 15 und Dichtungselement 14 gas- und flüssigkeitsdicht eingeklemmt.FIG. 2 illustrates how sealing takes place in the area of an electrolyte supply opening 19 or an electrolyte discharge opening 20. While the gas diffusion electrode covering 17 runs continuously on the cathode 9 into the edge area of the cathode 9, where it is covered by a sealing element 12, the membrane or the diaphragm 18 is angled upward in the area of the openings 19, 20 and is supported on one Sealing frame 15 guided, which has no greater thickness than the anode 8. The sealing frame 15 is housed in a larger recess 27 of the anode 8 and delimits the openings 19, 20 inside. Above the angled area of the membrane or diaphragm 18 is a Sealing element 14 over the anode 8 and up over the sealing frame 15. In the vicinity of the openings 19, 20, the membrane or the diaphragm 18 is clamped in a gas-tight and liquid-tight manner with the edge facing the openings 19, 20 between the sealing frame 15 and the sealing element 14.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Dichtungsrahmen 15, welcher in Fig. 2 im Vertikalschnitt II dargestellt ist, eine schmale Gestalt hat, dessen kurze Seiten als Bögen ausgeführt sind, und so die Öffnungen 19, 20 umschließt. It can be seen from FIG. 3 that the sealing frame 15, which is shown in vertical section II in FIG. 2, has a narrow shape, the short sides of which are designed as arches, and thus surrounds the openings 19, 20.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Elektroyt1 electroyt
2 Stromschiene, z.B. aus Kupfer 3 Gas, z.B. 02 oder Luft2 busbars, e.g. made of copper 3 gas, e.g. 0 2 or air
4 erste Elektrolytkammer (Anodenraum)4 first electrolyte chamber (anode compartment)
5 zweite Elektrolytkammer (Kathodenraum)5 second electrolyte chamber (cathode compartment)
6 Gehäuse6 housing
6', 6" Kunststoffplatten 7, 7' elektrische Anschlüsse bzw. Verbindungen6 ', 6 "plastic plates 7, 7' electrical connections or connections
8 Anode, gemusterter Bereich mit Membran oder Diaphragma belegt8 anode, patterned area covered with membrane or diaphragm
9 Kathode, gemusterter Bereich mit Gasdiffusionseiektrode belegt9 Cathode, patterned area covered with gas diffusion electrode
10 Verbindungsrohrleitung 11, 12, Dichtungselemente 13, 14 Dichtungselemente10 connecting pipeline 11, 12, sealing elements 13, 14 sealing elements
15 Dichtungsrahmen15 sealing frame
16 Elektrolytzufuhr- und -abfuhröffnung der ersten Elektrolytkammer (Anodenraum)16 electrolyte supply and discharge opening of the first electrolyte chamber (anode space)
16' Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanal der ersten Elektrolytkammer (Anodenraum)16 'Electrolyte supply and discharge channel of the first electrolyte chamber (anode space)
17 Gasdiffusionseiektrode17 gas diffusion electrode
18 Membran bzw. Diaphragma18 membrane or diaphragm
19 Elektrolytzufuhröffnung der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum) 19' Elektrolytzufuhrkanal der zweiten Elektrolytkammer19 Electrolyte feed opening of the second electrolyte chamber (cathode compartment) 19 'Electrolyte feed channel of the second electrolyte chamber
(Kathodenraum) 0 Elektrolytabfuhröffnung der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum) 0' Elektrolytabfuhrkanal der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum) Gaszufuhrkanal(Cathode space) 0 electrolyte discharge opening of the second electrolyte chamber (cathode space) 0 'electrolyte discharge channel of the second electrolyte chamber (cathode space) Gas supply channel
Gasraumheadspace
GasabfuhrkanalGas discharge channel
Randaussparungenedge cutouts
Auslassrohroutlet pipe
Zuführungsrohrfeed pipe
Aussparung recess

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrolyseeinrichtung, mit mindestens einer horizontal liegenden Elektrolysezelle, welche ein Gehäuse (6) aufweist und deren Anode (8) mit einer Membran oder einem Diaphragma (18) und deren Kathode (9) mit einer Gasdiffusionseiektrode (17) ausgestattet sind, mit Mitteln zur Zufuhr (21) und Abfuhr (23) von Gas (3) in den bzw. aus dem Gasraum (22) der Kathode (9) sowie Mitteln zur Zufuhr (16; 19) und Abfuhr (16; 20) von Elektrolyten (1) in eine bzw. aus einer erste(n) Elektrolytkammer (4) und in eine bzw. aus einer zweite(n) Elektrolytkammer (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (8) sowie die Membran bzw. das Diaphragma (18) jeweils wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr (19) von Elektrolyten (1 ) in die zweite Elektrolytkammer (5) und wenigstens eine weitere Öffnung zur Abfuhr (20) von Elektrolyten (1) aus der zweiten Elektrolytkammer (5) aufweisen.1. Electrolysis device, with at least one horizontally lying electrolysis cell, which has a housing (6) and the anode (8) with a membrane or a diaphragm (18) and the cathode (9) with a gas diffusion electrode (17) are equipped with means for supplying (21) and removing (23) gas (3) into and from the gas space (22) of the cathode (9) and means for supplying (16; 19) and removing (16; 20) electrolytes (1 ) into or out of a first (n) electrolyte chamber (4) and into or out of a second (n) electrolyte chamber (5), characterized in that the anode (8) and the membrane or the diaphragm (18) each have at least one opening for supplying (19) electrolytes (1) into the second electrolyte chamber (5) and at least one further opening for discharging (20) electrolytes (1) from the second electrolyte chamber (5).
2. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran bzw. das Diaphragma (18) im Bereich einer Elektrolytzufuhröffnung (19) und einer Elektrolytabfuhröffnung (20) mittels eines Dichtungsrahmens (15), dessen Dicke die Dicke der Anode (8) nicht übersteigt, sowie an den Dichtungsrahmen (15) und die Anode (8) anliegenden Dichtungen (14) gas- und flüssigkeitsdicht eingespannt ist.2. Electrolysis device according to claim 1, characterized in that the membrane or the diaphragm (18) in the region of an electrolyte supply opening (19) and an electrolyte discharge opening (20) by means of a sealing frame (15), the thickness of which is not the thickness of the anode (8) exceeds, and on the sealing frame (15) and the anode (8) adjacent seals (14) is clamped gas and liquid-tight.
3. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) der Elektrolytzelle von zwei Kunststoffplatten (6, 6', 6") gebildet ist, zwischen welchen unter Verwendung von rahmenartigen Dichtungen (11 bis 13) die Elektrolytkammern (4, 5) und der Gasraum (22) begrenzt sind.3. Electrolysis device according to claim 1 or 2, characterized in that the housing (6) of the electrolyte cell of two plastic plates (6, 6 ', 6 ") is formed, between which the electrolyte chambers (11 to 13) using frame-like seals (11 to 13) 4, 5) and the gas space (22) are limited.
4. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffplatten (6', 6") aus voneinander verschiedenem Material bestehen. 4. Electrolysis device according to claim 3, characterized in that the plastic plates (6 ', 6 ") consist of different material.
5. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kunststoffplatte (6") aus zwei unterschiedlichen Materialien besteht.5. Electrolysis device according to claim 3 or 4, characterized in that a plastic plate (6 ") consists of two different materials.
6. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren übereinander angeordneten Elektrolytzellen die mittlere(n) Kunststoffplatte(n) (6, 6") jeweils den Boden der oberen Elektrolytzelle und den Deckel der darunter befindlichen Elektrolytzelle bildet (bilden).6. Electrolysis device according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the case of a plurality of electrolyte cells arranged one above the other, the middle (n) plastic plate (s) (6, 6 ") in each case forms the bottom of the upper electrolyte cell and the lid of the electrolyte cell located underneath ( form).
7. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kunststoffplatten (6', 6") Elektrolytzufuhr (19')- und -abfuhrkanäle (20') der zweiten Elektrolytkammer (5) eingebracht, insbesondere eingefräst sind.7. Electrolysis device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the plastic plates (6 ', 6 ") electrolyte supply (19 ' ) and discharge channels (20 ' ) of the second electrolyte chamber (5) are introduced, in particular milled.
8. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kunststoff platten (6', 6") Elektrolytzufuhr- und - abfuhrkanäle (16') der ersten Elektrolytkammer (4) eingebracht, insbesondere eingefräst sind.8. Electrolysis device according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the plastic plates (6 ', 6 ") electrolyte supply and discharge channels (16') of the first electrolyte chamber (4) are introduced, in particular milled.
9. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren übereinander angeordneten Elektrolysezellen die jeweiligen Elektrolytabfuhrkanäle (16', 20') der oberen Elektrolysezelle mit den jeweiligen Elektrolytzufuhrkanälen (16', 19') der darunter befindlichen Elektrolysezelle über äußere Verbindungsrohrleitungen (10) in Strömungsverbindung stehen.9. Electrolysis device according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the case of a plurality of electrolysis cells arranged one above the other, the respective electrolyte discharge channels (16 ', 20 ' ) of the upper electrolysis cell with the respective electrolyte supply channels (16 ' , 19 ' ) of the electrolysis cell located below via external ones Connection pipes (10) are in flow connection.
10. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (8) und die Kathode (9) über die die Eletrolytkammem (4, 5) und den Gasraum (22) nach außen begrenzenden rahmenartigen Dichtungen (11 bis 14) hinausgeführt sind und außerhalb der Kammern (4, 5; 22) mit ihren elektrischen Anschlüssen (7) bzw. Verbindungen (7') untereinander versehen sind.10. Electrolysis device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the anode (8) and the cathode (9) via the Eletrolytkammem (4, 5) and the gas space (22) outwardly bounding frame-like seals (11 to 14) and outside the chambers (4, 5; 22) with their electrical connections (7) or connections (7 ' ) to each other are provided.
11. Elektrolyseeinrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse (7) an obere und untere Stromschienen (2), z. B. aus Kupfer, angeschlossen sind.11. Electrolysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical connections (7) to upper and lower busbars (2), for. B. made of copper.
12. Elektrolyseeinrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7) und /oder die Verbindungen (7') in Randaussparungen (24) der Kunststoffplatten (6', 6") aufgenommen sind.12. Electrolysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the connections (7) and / or the connections (7 ' ) are received in edge recesses (24) of the plastic plates (6', 6 ").
13. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7) und/oder die Verbindungen (7') über Spannelemente mit Anode (8) und Kathode (9) verpresst sind.13. Electrolysis device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the connections (7) and / or the connections (7 ' ) are pressed via clamping elements with anode (8) and cathode (9).
14. Elektrolyseeinrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaszufuhrkanal (21) und ein Gasabfuhrkanal (23) die die Elektrolysezelle(n) begrenzenden Kunststoffplatten (6', 6") und gegebenenfalls die Anode (8) und die Kathode (9) unter Abdichtung gegen die Elektrolytkammern (4, 5) und in Strömungsverbindung mit dem jeweiligen Gasraum (22) von oben nach unten durchsetzen. 14. Electrolysis device according to one of the preceding claims, characterized in that a gas supply channel (21) and a gas discharge channel (23) which delimit the electrolysis cell (s) plastic plates (6 ', 6 " ) and optionally the anode (8) and the cathode ( 9), sealing against the electrolyte chambers (4, 5) and in flow connection with the respective gas space (22) from top to bottom.
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