EP2652176B1 - Electrolyser having a spiral inlet tube - Google Patents
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- EP2652176B1 EP2652176B1 EP20110788370 EP11788370A EP2652176B1 EP 2652176 B1 EP2652176 B1 EP 2652176B1 EP 20110788370 EP20110788370 EP 20110788370 EP 11788370 A EP11788370 A EP 11788370A EP 2652176 B1 EP2652176 B1 EP 2652176B1
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Definitions
- Electrolysis converts electrical energy into chemical energy. This is achieved by the decomposition of a chemical compound under the action of an electric current.
- the solution used as electrolyte contains positively and negatively charged ions. Accordingly, the main electrolytes used are acids, bases or salts.
- the pressure of the electrolyte in the channel-shaped electrolyte inlet increases above the gap.
- the pressure in the electrolyte inlet can be adjusted. As the pressure increases, more electrolyte can therefore be passed through the gap and the flow velocity in the gap can be selectively varied.
- the pressure in the electrolyte inlet can be adjusted in a targeted manner.
- an electrolyzer 1 is considered below as an example, as in FIG Fig. 1 A , which consists of 160 individual electrolysis elements, which are arranged in two electrolyzer stacks 2 and 3.
- a polarization current of 27 A is fed on the anode side, so that a total voltage of theoretically about 250 V is obtained without stray current losses.
- An electrical model which takes into account the different ohmic resistances of the elemental components and the electrolytes as well as the corresponding electrochemical equations, can be used to calculate the current intensity per element.
- the results are in Fig. 1 B reproduced, which maps the current in the element relative to the element number, ie the position in the electrolyzer.
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Description
Die vorliegende Erfindung kann in den technischen Bereich der Elektrolysegeräte eingeordnet werden.The present invention can be classified in the technical field of electrolyzers.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyseur wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 charakterisiert ist.The present invention relates to an electrolyzer as characterized in the preamble of
Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Dies wird erreicht durch die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung eines elektrischen Stroms. Die als Elektrolyt eingesetzte Lösung enthält positiv und negativ geladene Ionen. Als Elektrolyte kommen demzufolge hauptsächlich Säuren, Basen oder Salze zur Anwendung.Electrolysis converts electrical energy into chemical energy. This is achieved by the decomposition of a chemical compound under the action of an electric current. The solution used as electrolyte contains positively and negatively charged ions. Accordingly, the main electrolytes used are acids, bases or salts.
Beispielsweise bei der Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung läuft auf Seiten der Anode die nachstehende Reaktion ab:
(1) 4 NaCl → 2 Cl2 + 4 Na+ + 4 e-
For example, in the production of halogen gases from aqueous alkali halide solution, the following reaction takes place on the anode side:
(1) 4 NaCl → 2 Cl 2 + 4 Na + + 4 e -
Die frei werden Alkali-Ionen gelangen zur Kathode und bilden mit den dort entstehenden Hydroxidionen Alkalilauge. Außerdem wird Wasserstoff gebildet:
(2) 4H2O+4e-→ 2H2+4OH-
The free alkali ions reach the cathode and form alkali hydroxide with the resulting hydroxide ions. In addition, hydrogen is formed:
(2) 4H 2 O + 4e - → 2H 2 + 4OH -
Dabei wird die entstehende Lauge vom Natriumchlorid, das der Anodenseite zugeführt wird, über eine Kationenaustauscher-Membran getrennt, und dadurch voneinander separiert. Derartige Membranen sind Stand der Technik und kommerziell von verschiedenen Anbietern erhältlich.In this case, the resulting liquor is separated from the sodium chloride, which is supplied to the anode side, via a cation exchange membrane, and thereby separated from each other. Such membranes are known in the art and commercially available from a variety of suppliers.
Das Standardpotential an der Anode, das sich bei Ablauf von oben stehender Reaktion ausbildet beträgt + 1,36 V, wobei das Standardpotential an der Kathode bei Ablauf von oben stehender Reaktion - 0,86 V beträgt. Ein derartiges Zellendesign ist beispielsweise aus der
(3) O2 + 2 H2O + 4 e- → 4 OH-
The standard potential at the anode, which forms at the end of the above reaction, is + 1.36 V, the standard potential at the cathode at the end of the above reaction being - 0.86 V. Such a cell design is for example from
(3) O 2 + 2 H 2 O + 4 e - → 4 OH -
Die der NaCl-GDE-Technologie zugrundeliegende Gesamtreaktion ist also wie folgt definiert:
(4) 4 NaCl + O2 + 2 H2O → 4 NaOH + 2 Cl2
The overall reaction underlying the NaCl GDE technology is thus defined as follows:
(4) 4 NaCl + O 2 + 2 H 2 O → 4 NaOH + 2 Cl 2
Da das Standardpotential der Reaktion (3) bei + 0,4 V liegt, führt die NaCl-GDE-Technologie im Vergleich zur herkömmlichen Technologie zu einer beträchtlichen Energieeinsparung.Since the standard potential of reaction (3) is + 0.4V, NaCl-GDE technology provides significant energy savings compared to traditional technology.
Gas-Diffusions-Elektroden werden seit vielen Jahren in Batterien, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen eingesetzt. Der elektrochemische Umsatz findet innerhalb dieser Elektroden nur an der sogenannten Drei-Phasen-Grenze statt. Als Drei-Phasen-Grenze wird der Bereich bezeichnet, bei dem Gas, Elektrolyt und metallischer Leiter aufeinander treffen. Damit die GDE effektiv arbeitet, sollte der metallische Leiter gleichzeitig ein Katalysator für die gewünschte Reaktion sein. Typische Katalysatoren in alkalischen Systemen sind Silber, Nickel, Mangandioxid, Kohlenstoff und Platin. Damit die Katalysatoren besonders wirksam sind, muss deren Oberfläche groß sein. Dies wird erreicht durch feine oder poröse Pulver mit innerer Oberfläche.Gas diffusion electrodes have been used for many years in batteries, electrolyzers and fuel cells. The electrochemical conversion takes place within these electrodes only at the so-called three-phase boundary. The three-phase limit is the range at which gas, electrolyte and metallic conductors meet. For the GDE to work effectively, the metallic conductor should simultaneously be a catalyst for the desired reaction. Typical catalysts in alkaline systems are silver, nickel, manganese dioxide, carbon and platinum. For the catalysts to be particularly effective, their surface area must be large. This is achieved by fine or porous powder with inner surface.
Probleme bei der Anwendung derartiger Gas-Diffusions-Elektroden, wie sie beispielsweise in der
Damit die Reaktion an der Drei-Phasen-Grenze effektiv ablaufen kann, muss oben genanntes Problem vermieden werden, indem die Druckverhältnisse entsprechend gewählt werden. Die Ausbildung einer Flüssigkeitssäule in einer ruhenden Flüssigkeit, wie dies in der Elektrolytlösung der Fall ist, bedingt beispielsweise, dass der hydrostatische Druck am unteren Ende der Säule am höchsten ist, was oben beschriebenes Phänomen verstärken würde.For the reaction to be effective at the three-phase boundary, the above-mentioned problem must be avoided by appropriately selecting the pressure ratios. For example, the formation of a liquid column in a quiescent liquid, as in the electrolyte solution, requires that the hydrostatic pressure at the bottom of the column is highest, which would enhance the phenomenon described above.
Dieses Problem wird, wie in der einschlägigen Literatur zu finden ist, in Form von Fallfilmverdampfern gelöst. Dabei lässt man die Lauge zwischen der Membran und der GDE durch ein poröses Medium laufen, womit die Ausbildung einer hydrostatischen Säule verhindert wird. Man spricht auch von Percolatortechnologie.This problem is solved in the form of falling-film evaporators, as can be found in the relevant literature. The liquor is allowed to pass between the membrane and the GDE through a porous medium, thus preventing the formation of a hydrostatic column. One speaks also of Percolatortechnologie.
In der
Ein derartiges Prinzip ist beispielsweise in der
Der Überlauf des Elektrolyten soll dabei eine gleichmäßige Bespeisung über die volle Breite der Zelle gewährleisten. Die Menge an Elektrolyt, die aus dem Vorlagebehälter in den Elektrolytzulauf strömt, ist von der Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitspegel des Elektrolyten in dem Vorlagebehälter und dem Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf abhängig. Der Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf wiederum ist von der Höhe des Überlaufs abhängig, welche bestimmt, wie stark der Elektrolyt in dem Elektrolytzulauf aufgestaut wird.The overflow of the electrolyte should ensure a uniform feeding over the full width of the cell. The amount of electrolyte flowing from the receiver tank into the electrolyte feed depends on the height difference between the liquid level of the electrolyte in the feed tank and the liquid level in the electrolyte feed. The liquid level in the electrolyte feed, in turn, depends on the height of the overflow, which determines how much the electrolyte in the electrolyte feed is dammed up.
Wird mehr Elektrolyt zugegeben, als über den Überlaufkanal und den Spalt ablaufen kann, erhöht sich der Druck des Elektrolyten in dem kanalförmigen Elektrolytzulauf oberhalb des Spaltes. Durch Wahl der Höhe des Überlaufkanals kann der Druck im Elektrolytzulauf eingestellt werden. Mit Erhöhung des Druckes kann also mehr Elektrolyt durch den Spalt geführt werden und die Strömungsgeschwindigkeit im Spalt kann gezielt variiert werden. Durch die Variation des Verhältnisses der beschriebenen Höhendifferenzen zueinander, kann der Druck in dem Elektrolytzulauf gezielt eingestellt werden.If more electrolyte is added than can flow through the overflow channel and the gap, the pressure of the electrolyte in the channel-shaped electrolyte inlet increases above the gap. By selecting the height of the overflow channel, the pressure in the electrolyte inlet can be adjusted. As the pressure increases, more electrolyte can therefore be passed through the gap and the flow velocity in the gap can be selectively varied. By varying the ratio of the described height differences to one another, the pressure in the electrolyte inlet can be adjusted in a targeted manner.
Aus
Unter einem Elektrolyseur wird nun ein Apparat verstanden, der aus mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten und in elektrischem Kontakt stehenden plattenförmigen Elektrolysezellen aufgebaut ist, die Einlässe und Auslässe für sämtliche benötigten und entstehenden Flüssigkeiten und Gase besitzt. Es handelt sich also um eine Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelelemente, die jeweils Elektroden besitzen, die über eine geeignete Membran voneinander getrennt werden und die in ein Gehäuse zur Aufnahme dieser Einzelelemente eingepasst werden. Derartige Elektrolyseure sind beispielsweise in der
Zum Schutz der metallischen Komponenten wie beispielsweise Nickel, Kupfer, Silber und Gold, aus denen eine Elektrolysezelle mit Gas-Diffusions-Elektrode besteht, kann im Stillstand, etwa bei Inbetriebnahme, Außerbetriebnahme, Betriebsunterbrechungen oder Störungen, eine Polarisation durchgeführt werden. Dies ist unter anderem der Fall, wenn eine Elektrolysezelle gefüllt und aufgeheizt wird, um in Betrieb genommen zu werden. Auch wenn die Zelle aus dem Elektrolysebetrieb genommen wird, ist die Polarisation bis zum chlorfreien Zustand der anodischen Flüssigkeit und erfolgter Abkühlung aufrecht zu erhalten.To protect the metallic components such as nickel, copper, silver and gold, which consists of an electrolytic cell with gas diffusion electrode, a polarization can be carried out at standstill, such as during startup, shutdown, interruptions or malfunctions. This is the case, inter alia, when an electrolysis cell is filled and heated to be put into operation. Even if the cell is taken out of the electrolysis operation, the polarization is to be maintained until the chlorine-free state of the anodic liquid and cooling has taken place.
Der Polarisationsstrom stellt sicher, dass sich die metallischen Komponenten der Elektrolysezelle in einem Potentialbereich befinden, in dem keine Korrosionsreaktionen stattfinden, die zur Auflösung der Metalle führen, aus denen einzelne Komponenten der Zellkathode bestehen. Der Polarisationsstrom muss so hoch gewählt werden, dass nach Verlust durch Streuströme durch die Elektrolytzu- und abläufe in der Elektrolyseurmitte noch ausreichend positive Stromstärke vorhanden ist, um einen definierten Potentialbereich zu gewährleisten, in dem keine kritischen Korrosionsreaktionen ablaufen.The polarization current ensures that the metallic components of the electrolysis cell are in a potential range in which no corrosion reactions take place, which lead to the dissolution of the metals that make up individual components of the cell cathode. The polarization current must be selected so high that after loss by stray currents through the Elektrolytzu- and processes in the Elektrolyseurmitte still sufficient positive current is present to ensure a defined potential range in which no critical corrosion reactions occur.
Im Folgenden sei eine elektrochemische Zelle für die konventionelle Wasserstoff-bildende Chlor-Alkali-Elektrolyse betrachtet, die entsprechend des Stands der Technik nach
Zur Quantifizierung dieser Ströme sei als Beispiel im Folgenden ein Elektrolyseur 1 betrachtet, wie in
Demnach kommen nur etwa 40% des Stroms in den Elementen an, die restlichen 60% werden über Streuströme verloren.
Die Verwendung der oben beschriebenen Technologien in einem derartigen Elektrolyseur ist also insofern problematisch, da die gleichmäßige Bespeisung mit Elektrolyt nicht nur eines Einzelelements, sondern aller hintereinander geschalteten Einzelelemente notwendig ist, um einen effektiven Betrieb zu gewährleisten. Oft kommt es dabei trotz der vorgesehenen Überlaufe an den Einzelelementen zu einer ungleichmäßigen Laugenverteilung im Elektrolyseurbetrieb durch ungleichmäßige Drücke, was zudem zum oben dargestellten Problem der Streustrombildung beiträgt, was wiederum zu Korrosion und einer Verringerung der Stromausbeute führt.The use of the above-described technologies in such an electrolyzer is therefore problematic insofar as the uniform feeding with electrolyte not only a single element, but all the individual elements connected in series is necessary to ensure effective operation. Often, despite the intended overflow of the individual elements, uneven liquor distribution in the electrolysis plant due to uneven pressures, which also contributes to the above-described problem of stray current formation, which in turn leads to corrosion and a reduction in current efficiency.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Konstruktion bereitzustellen, die eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten im Elektrolyseurbetrieb umfassend eine Vielzahl von Einzelelektrolyseelementen zu gewährleisten, indem ein konstanter Druck in der Elektrolytzufuhrkonstruktion sowie ausreichende Mengen an Elektrolyt bereitgestellt werden. Außerdem sollen dadurch erhöhte elektrische Streuströme, die unter anderem durch eine ungleichmäßige Elektrolytverteilung entstehen, vermieden werden, um notwendige Polarisationsströme möglichst gering halten zu können.It is therefore an object of the present invention to provide a construction which ensures a uniform distribution of the electrolyte in the electrolysis operation comprising a plurality of individual electrolysis elements, by providing a constant pressure in the electrolyte supply structure as well as sufficient amounts of electrolyte. In addition, it should increased electrical stray currents caused, inter alia, by an uneven electrolyte distribution can be avoided in order to keep necessary polarization currents as low as possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Einsatz eines Elektrolyseurs umfassend mindestens ein Einzelelektrolyseelement, das jeweils eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran umfasst, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Gas-Diffusions-Elektrode ist, zwischen der Gas-Diffusions-Elektrode und der Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei oberhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und unterhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gaseintritt und ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei der Elektrolytablauf in einen Ablaufsammelkanal mündet, und wobei der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist, und der Überlauf mit dem Ablaufsammelkanal verbunden ist, wobei zur Verbindung des Elektrolytvorlagebehälters und dem Elektrolytzulauf ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist und wobei zur Verbindung des Überlaufes mit dem Ablaufsammelkanal ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist.The object is achieved by the use of an electrolyzer comprising at least one individual electrolysis element which in each case comprises an anode half cell with an anode, a cathode half cell with a cathode and an ion exchange membrane arranged between anode half cell and cathode half cell, wherein the anode and / or the cathode comprises a gas diffusion Electrode is provided between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, a gap, wherein above the gap an electrolyte inlet and below the gap an electrolyte effluent and a gas inlet and a gas outlet are arranged, the electrolyte effluent discharges into a drain collection channel, and wherein Electrolyte inlet is connected to an electrolyte reservoir and has an overflow, and the overflow is connected to the drain collection channel, wherein for connecting the electrolyte reservoir and the electrolyte inlet, a spiral-shaped hose is provided and wherein the V Connection of the overflow with the drain collection channel a spiral-shaped hose is provided.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind spiral-förmige Schläuche einer Länge von 1,5 m bis 3,5 m, bevorzugt von 1,75 m bis 3 m, und besonders bevorzugt von 2,25 bis 2,75 m vorgesehen. Besonders von Vorteil sind dabei Schläuche einer Länge von 2,5 m.In a further embodiment of the invention, spiral-shaped tubes of a length of 1.5 m to 3.5 m, preferably from 1.75 m to 3 m, and particularly preferably from 2.25 to 2.75 m are provided. Especially advantageous are hoses with a length of 2.5 m.
Vorteilhaft sind spiral-förmige Schläuche vorgesehen, die einen Innendurchmesser von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt einen Innendurchmesser von 7,5 bis 12,5 mm, und besonders bevorzugt von 9 mm bis 11 mm aufweisen. Besonders von Vorteil sind dabei Schläuche, die einen Innendurchmesser von 10 mm aufweisen.Advantageously, spiral-shaped tubes are provided which have an inner diameter of 5 mm to 15 mm, preferably an inner diameter of 7.5 to 12.5 mm, and particularly preferably 9 mm to 11 mm. Especially advantageous are hoses which have an inner diameter of 10 mm.
Bevorzugt ist der Überlauf mit einer durchgehenden Öffnung versehen, die einen Durchmesser von 2 mm bis 4 mm, und bevorzugt von 2,5 bis 3,5 mm aufweist.Preferably, the overflow is provided with a through opening having a diameter of 2 mm to 4 mm, and preferably from 2.5 to 3.5 mm.
In bevorzugter Ausführungsform sind im Elektrolyseur 50 bis 200 Einzelelektrolyseelemente, bevorzugt 70 bis 180 Einzelelektrolyseelemente, und besonders bevorzugt 100 bis 160 Einzelelektrolyseelemente vorgesehen.In a preferred embodiment, 50 to 200 individual electrolysis elements, preferably 70 to 180 individual electrolysis elements, and particularly preferably 100 to 160 individual electrolysis elements are provided in the electrolyzer.
Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung die Elektrolyse einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung. Im Betrieb beträgt dabei der Druckabfall am mit dem spiral-förmigen Schlauch versehenen Überlauf bis zu 200 mbar, bevorzugt 100 bis 200 mbar.Furthermore, the present invention comprises the electrolysis of an aqueous alkali halide solution. In operation, the pressure drop at the overflow provided with the spiral-shaped hose is up to 200 mbar, preferably 100 to 200 mbar.
Weiterhin beträgt der Druckabfall in bevorzugter Ausführungsform am mit dem spiral-förmigen Schlauch versehenen Elektrolytzulauf 30 mbar bis 200 mbar, bevorzugt 80 bis 170 mbar, und besonders bevorzugt 100 mbar bis 150 mbar.Furthermore, in a preferred embodiment, the pressure drop at the electrolyte inlet provided with the spiral-shaped hose is 30 mbar to 200 mbar, preferably 80 to 170 mbar, and particularly preferably 100 mbar to 150 mbar.
Vorteilhaft sind die eingesetzten Schläuche aus PTFE gefertigt.Advantageously, the hoses used are made of PTFE.
Die vorliegende Erfindung soll anhand von Figuren näher erläutert werden:
- Fig. 1:
- Elektrolyseur aus dem Stand der Technik.
Fig. 1A zeigt einen schematischen Aufbau eines derartigen Elektrolyseurs.Fig. 1B zeigt den Verlauf der Stromstärke über die Einzelelemente, aus denen sich der Elektrolyseur zusammensetzt.Fig. 1C zeigt die Streuströme, die bei jedem Element über Sole- und Laugezulauf geleitet werden,Fig. 1D die Streuströme, die über Katholytablauf (Laugeablauf) sowie Anolytablauf geleitet werden. - Fig. 2:
- Erfindungsgemäßer Elektrolyseur.
Fig. 2A zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs.Fig. 2B zeigt den Verlauf der Elementspannung unter Polarisation über die Einzelelemente, aus denen sich der Elektrolyseur zusammensetzt.Fig. 2C zeigt den Verlauf der Stromstärke unter Polarisation über die Einzelelemente, aus denen sich der Elektrolyseur zusammensetzt.Fig. 2D zeigt die Streuströme, die bei jedem Element über Sole- und Laugezulauf abgeleitet werden. Dabei sind die Streuströme über die Solezuläufe über gefüllte Kreise dargestellt, die Streuströme über die Laugezuläufe über offene Kreise.Fig. 2E zeigt die Streuströme, die über Anolytablauf, Katholytablauf und Katholytüberlauf verloren werden. Die Streuströme über die Anolytablaufleitungen sind durch gefüllte Dreiecke dargestellt, die Streuströme über die Katholytablaufleitungen durch offene Quadrate, die Streuströme über die Katholytüberlaufleitungen durch offene Rauten. - Fig. 3:
- Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Einzelelektrolyseelements mit Anordnung der spiral-förmigen Schläuche.
- Fig. 1:
- Electrolyzer from the prior art.
Fig. 1A shows a schematic structure of such an electrolyzer.Fig. 1B shows the course of the current through the individual elements that make up the electrolyzer.Fig. 1C shows the stray currents that are conducted via brine and liquor feed for each element,Fig. 1D the stray currents, which are conducted via Katholytablauf (Laugeablauf) and anolyte effluent. - Fig. 2:
- Electrolyzer according to the invention.
Fig. 2A shows a schematic structure of an electrolyzer according to the invention.Fig. 2B shows the course of the element voltage under polarization over the individual elements that make up the electrolyzer.Fig. 2C shows the course of the current under polarization over the individual elements that make up the electrolyzer.Fig. 2D shows the stray currents, which are derived for each element via brine and lye feed. The stray currents via the brine inlets are shown by filled circles, the stray currents via the liquor inlets via open circles.Fig. 2E shows the stray currents that are lost through Anolyteablauf, Katholytablauf and Katholytüberlauf. The stray currents through the Anolytablaufleitungen are represented by filled triangles, the stray currents through the Katholytablaufleitungen by open squares, the stray currents through the Katholytüberlaufleitungen by open diamonds. - 3:
- Side view of a single electrolysis element according to the invention with arrangement of the spiral-shaped hoses.
Als Vergleichsversuch zum Stand der Technik ist ein erfindungsgemäßer Elektrolyseur, der mit den in Anspruch 1 beschriebenen spiral-förmigen Schläuchen ausgestattet ist, eingesetzt worden. Es wurde ein Elektrolyseur betrachtet, der aus vier Elektrolyseurstapeln, die mit je 60 Einzelelektrolyseelementen ausgestattet waren, gearbeitet. Die zunächst theoretische resultierende Gesamtspannung unter Polarisation ohne Streustromverluste liegt auch hierbei bei maximal 250V, d.h.der reine ohmsche Widerstand des Elektrolyseurs unter Polarisation liegt in dem Bereich des Elekrolyseurs nach Stand der Technik, dessen Ergebnisse in
In
Bei dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur ist ein eingespeister Strom von 27 A nicht ausreichend, um einen Minimalstrom in der Elektrolyseurmitte zu gewährleisten. Die Berechnungen haben gezeigt, dass durch die Zu- und Ablaufleitungen über die Elektrolyte so viel Strom abgeleitet wird, dass in den mittleren Elementen des Elektrolyseurs kein ausreichender positiver Strom mehr vorhanden ist. Daher wurde der eingespeiste Polarisationsstrom auf 50 A erhöht und die Zellspannung (
Wie im Beispiel eines konventionellen Elektrolyseurs aus
Während die Streuströme im Solezulauf und Anolytablauf gering sind und qualitativ nicht stark von den Mengen abweichen, die aus der Berechnung des konventionellen und in
Betrachtet man die in
Der Katholytüberlauf wird wie der Zulauf über einen spiralförmigen Zulaufschlauch aus PTFE einer Länge von 2,5 m sowie eines Innendurchmessers von 10 mm sichergestellt, der den vorgesehenen Überlauf mit dem Ablaufsammelkanal verbindet. Wie in
Die Anordnung von Elektrolytzu- und überlaufschläuchen in spiral-förmiger Ausführung führt daher dazu, dass Streuströme beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle möglichst gering gehalten werden, obwohl gegenüber der konventionellen Chlor-Alkali-Elektrolyse ein geringfügig höherer Polarisationsstrom eingespeist werden muss, um Korrosionsprozesse wirksam zu verhindern.The arrangement of electrolyte inlet and overflow hoses in a spiral-shaped design therefore results in that stray currents are kept as low as possible during operation of an electrochemical cell, although compared to the conventional chlor-alkali electrolysis, a slightly higher polarization current must be fed to effectively prevent corrosion processes ,
In
Die Befüllung des Elektrolyten geschieht über einen spiral-förmigen Schlauch 13. Dadurch strömt der Elektrolyt gleichmäßig über die gesamte Breite des Einzelelektrolyseelements 10. Der Elektrolytzulauf erfolgt dabei von oben nach unten über einen Fallfilm (nicht gezeigt).The filling of the electrolyte takes place via a spiral-shaped
Der Überlauf des Elektrolyten ist ebenfalls mit einem spiral-förmigen Schlauch 14 versehen. Dieser Überlauf ist im eingebauten Zustand beispielhaft mit dem Sauerstoffablaufkanal verbunden, aus dem überschüssiger Elektrolyt in den Ablaufsammelkanal des Elektrolyseurs (nicht gezeigt) abgeführt werden kann.The overflow of the electrolyte is also provided with a spiral-shaped
Durch die gleichzeitige Drosselwirkung der spiralförmigen Schläuche 13 und 14 wird eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten während des Elektrolyseurbetriebs gewährleistet, indem ein konstanter Druck in der Elektrolytzufuhrkonstruktion, sowie ausreichende Mengen an Elektrolyt bereitgestellt werden.By the simultaneous throttling action of the
Durch die Drosselwirkung des spiralförmigen Schlauchs 13 wird im Weiteren verhindert, dass ein erheblicher Teil des über den spiralförmigen Schlauch 14 eintretenden Elektrolyts über einen Siphoneffekt das Einzelelektrolyseelement verlässt, anstatt bestimmungsgemäß das Einzelelektrolyselement als Fallfilm zu durchströmen. Somit können durch die Ausgestaltung des spiralförmigen Schlauchs 13 Verarmungen an Elektrolyt in Bereichen der Einzelelektrolysezelle verhindert werden, welche die elektrolytische Funktionsweise der Einzelelektrolysezelle beeinträchtigen würden.The throttling effect of the
Optional lässt sich die Elektrolytmenge über ein Ventil und ein Durchflussmessgerät im Elektrolytzulauf vor Eintritt in den spiral-förmigen Schlauch 14 anpassen, wenn bei den im Elektrolyseurstapel angeordneten Elementen stark unterschiedliche Gegendrücke auftreten. Über Ventile und Durchflussmessgeräte wird der Durchfluss so eingestellt, dass ein minimaler Elektrolytstrom im spiral-förmigen Schlauch 14 aufrechterhalten wird, um einen notwendigen Eintrittsdruck durch die so entstehende hydrostatische Säule zu gewährleisten. Für die erzielte Streustromminimierung sowie die gleichmäßige Elektrolytverteilung ist das Zusammenspiel beider an den Elektrolyteinzelelementen angebrachten spiral-förmigen Schläuchen erforderlich.Optionally, the amount of electrolyte can be adjusted via a valve and a flow meter in the electrolyte inlet before entering the spiral-shaped
Vorteile der vorliegenden Erfindung:
- gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten im Elektrolyseur
- Sicherstellung ausreichender Mengen an Elektrolyt im Fallfilm durch Verhinderung von Elektrolytverlusten infolge eines Siphoneffektes im Elektrolytüberlauf eines jeden Einzelelektrolyselements
- Minimierung von Streuströmen, wodurch notwendige Polarisationsströme gering gehalten werden können
- einfach in bestehende Elektrolyseure zu integrierende Maßnahme
- uniform distribution of the electrolyte in the electrolyzer
- Ensuring sufficient amounts of electrolyte in the falling film by preventing electrolyte leakage due to a siphon effect in the electrolyte overflow of each individual electrolytic element
- Minimization of stray currents, whereby necessary polarization currents can be kept low
- easy to integrate into existing electrolyzers measure
- 11
- Elektrolyseurelectrolyzer
- 22
- ElektrolyseurstapelElektrolyseurstapel
- 33
- ElektrolyseurstapelElektrolyseurstapel
- 44
- Elektrolyseurelectrolyzer
- 55
- ElektrolyseurstapelElektrolyseurstapel
- 66
- ElektrolyseurstapelElektrolyseurstapel
- 77
- ElektrolyseurstapelElektrolyseurstapel
- 88th
- ElektrolyseurstapelElektrolyseurstapel
- 99
- PolarisationsgleichrichterPolarization rectifier
- 1010
- EinzelelektrolyseelementSingle electrolysis element
- 1111
- Aussenwandouter wall
- 1313
- spiral-förmiger Schlauchspiral-shaped hose
- 1414
- spiral-förmiger Schlauchspiral-shaped hose
Claims (7)
- Electrolyzer comprising at least one single electrolysis element, comprising an anode half-cell with an anode, a cathode half-cell with a cathode, and an ion exchange membrane arranged between the anode half-cell and the cathode half-cell, said anode and/or said cathode being a gas diffusion electrode, with a gap being provided between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, wherein an electrolyte inlet is arranged above the gap and an electrolyte outlet, a gas inlet and a gas outlet are arranged below the gap, wherein the electrolyte outlet ends in an outlet collection channel, and wherein the electrolyte inlet is connected to an electrolyte storage tank and has an overflow, and the overflow is connected to the outlet collection channel,
characterized in that
a spiral-shaped tube is provided for connecting the electrolyte storage tank and the electrolyte inlet, and that a spiral-shaped tube is provided for connecting the overflow and the outlet collection channel. - Electrolyzer according to claim 1, characterized in that spiral-shaped tubes are provided having a length of 1.5 m to 3.5 m, preferably from 1.75 m to 3 m, and particularly preferably 2.25 m to 2.75 m.
- Electrolyser according to one of claims 1 or 2, characterized in that spiral-shaped tubes are provided having an inner diameter of 5 mm to 15 mm, preferably an inner diameter of 7.5 mm to 12.5 mm, and particularly preferably from 9 mm to 11 mm.
- Electrolyser according to one of claims 1 to 3, characterized in that the overflow is provided with a through opening, which has a diameter of 2 mm to 4 mm, and preferably 2.5 mm to 3.5 mm.
- Electrolyser according to one of claims 1 to 4, characterized in that 50 to 200 individual elements, preferably 70 to 180 single electrolysis elements, and particularly preferably 100 to 160 individual electrolysis elements are provided.
- Electrolysis of an aqueous alkali halide solution using an electrolyser according to claim 1, characterized in that the pressure drop at the overflow, which is provided with the spiral-shaped tube, is up to 200 mbar, preferably 100 mbar to 200 mbar.
- Electrolysis of an aqueous alkali halide solution according to claim 6, characterized in that the pressure drop at the electrolytic inlet, which is provided with the spiral-shaped tube, is 30 mbar to 200 mbar, preferably 80 mbar to 170 mbar, and particularly preferably from 100 mbar to 150 mbar.
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