DE1099515B - Vorrichtung zur Chlorkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren mit Quecksilbermittelleiterzellen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei den derzeit üblichen Quecksilberzellen für die Chloralkalielektrolyse wird das gebildete Amalgam in Zersetzerzellen unter gleichzeitiger Bildung von NaOH zerlegt, ohne daß die Amalgamzersetzungsenergie nutzbar gemacht wird. Letzteres wurde zwar oft versucht, doch ist es bisher noch nicht in technisch befriedigender Weise gelungen. Die Schwierigkeiten lagen vor allem darin, daß bei der zur Nutzbarmachung nötigen Serienschaltung von Elektrolysezelle und Zersetzerzelle (Quecksilber-Mittelleiter-System) im Anodenabteil (Elektrolysezelle) nur geringere Strornamsbeuten (90 bis 97 %) erreicht werden, als in der Kathodenkammer (Zerzetzerzelle), wo diese zumindest 100% erreicht, aber durch Spontanzersetzung des Amalgams sogar 100% überschreiten kann. Es müssen also Maßnahmen getroffen werden, die einen Ausgleich der Stromausbeute bewirken. Dies kann auf verschiedenste Art erreicht werden; z. B. Zugabe von Fremdamalgam, Zusatzstrom durch die Elektrolysezelle, periodisches Abschalten- und Überbrücken der Zersetzungszelle usw. Alle diese Maßnahmen funktionieren gut und sind einfach anzuwenden, solange nur eine Zelleneinheit im Betrieb steht. Die praktisch nur schwer oder nicht überwindlichen Schwierigkeiten treten erst auf, wenn man zu der in der Technik erforderlichen Serienschaltung der Zellen übergeht. Hier können die vorhin erwähnten Maßnahmen nicht immer angewendet werden, da sie meistens technisch zu kompliziert werden und daher viel zu störanfällig sind. Außerdem ist dann bei diesen Anordnungen die Wirtschaftlichkeit durch die erforderliche wesentlich höhere Investition, derart verringert, daß die erzielte Energieeinsparung praktisch wieder wettgemacht wird. Die zweifellos günstigste Methode bestünde darin, den überzähligen, der Stromausbeutedifferenz entsprechenden Anteil des Gesamtelektrolysestromes durch eine Überbrückung in Parallelschaltung zur Zersetzungszelle zur nachfolgenden Elektrolysezelle zu führen. Die energieliefernde Zersetzungszelle stellt praktisch eine EMk (einen »negativen« Widerstand) für den Hauptstromkreis dar. Eine Überbrückung der Zersetzungszelle erfüllt aber nur ihren Zweck, wenn auch hier ein energielieferndes Zwischenglied, also ebenfalls eine EMk (ein »negativer« Widerstand) vorgesehen ist, der für beide Stromkreise gleiche elektrische Bedingungen schafft. Es wäre also ohne weiteres durchführbar, zu jeder Zelle eine entsprechend dimensionierte Stromquelle, wie Gleichrichter, Primäroder Sekundärelement zu schalten. Derartige Stromquellen sind aber in der Anschaffung und auch im Betrieb verhältnismäßig kostspielig, erfordern außerdem Fremdenergie zu ihrem Betrieb und scheiden daher wegen Unwirtschaftlichkeit aus.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum Vorrichtung zur Chlorkalielektrolyse

nach dem Amalgamverfahren
mit Quecksilbermittelleiterzellen

Anmelder:

Siemens & Halske Gesellschaft m.b.H.,
Wien

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufinger Str. 8

Beanspruchte Priorität:
Österreich vom 24. Juli 1958

Dr. Rudolf Sommer, Wien,
ist als Erfinder genannt worden

Betrieb von Chloralkalielektrolyse-Quecksilber-Mittelleiterzellen mit im Kreislauf geführtem Amalgam, bei dem die vorerwähnten Nachteile dadurch beseitigt werden, daß erfindungsgemäß zum Ausgleich der durch die geringere Stromausbeute in der Elektrolysezelle gegenüber der Zersetzungszelle bedingten Verarmung des Amalgams an Alkalimetall der Zersetzungszelle ein ebenfalls energielieferndes Brennstoffelement parallel geschaltet ist.

Bei Verwendung eines geeigneten Brennstoffelements fallen die erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten weitgehend weg. Es ist in seinem Aufbau einfach und billig, und auch die Betriebskosten fallen nicht ins Gewicht. Darüber hinaus ergeben sich bei der Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich folgende Vorteile: Einfachste und leicht anzupassende Regelung durch Dosierung der Sauerstoff-(bzw. Luft-) zufuhr. Weiterhin wird der zum Betrieb notwendige Wasserstoff an Ort und Stelle erzeugt (von dem entsprechend der Stromausbeutedifferenz nur ein Teil verbraucht wird). Es sind mit Ausnahme der Leitung für die Preßluftzufuhr (0,2 bis 0,5 Atü) keinerlei zusätzliche technische oder elektrisch© Installationen erforderlich.

Da das erfindungsgemäß angeordnete Brennstoffelement im alkalischen Medium arbeitet, ergibt sich die Möglichkeit, es direkt in ein elektrisch getrenntes Abteil der Zersetzungszelle einzubauen, welches ebenfalls mit Lauge beschickt wird. Der Gasraum kann für die Zersetzungszelle und das Abteil des Brenn-

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Stoffelements gemeinsam.sein. Der Wasserstoff wird :, .das Rohr 11 in die Elektrode ein. Der nicht vervollständig über die entsprechenden den Wasserstoff brauchte Wasserstoff tritt durch 'das Rohr 12 aus und verarbeitenden Elektroden des Brennstoffelements ab- kann einer beliebigen Verwendung zugeführt werden, geführt, wobei ein der erforderlichen Leistung ent- _ .Das. -Brennstoffelement ist elektrisch einerseits über sprechender Anteil des Wasserstoffs verbraucht wird. 5 die Verbindung 13 an den negativen Pol der Haupt-Der Rest wird abgezogen 4nd kann anderwertig ver- "stromquelle 14 angeschlossen, andererseits wird mitwendet werden, tels der Leitung 15 die Verbindung mit dem Amalgam

Die erforderliche Leistung des Brennstoffelements der Mittelleiterzellen hergestellt.

kann dem tatsächlich vorhandenen und bei den einzel- Für den Betrieb ergeben sich folgende Verhältnisse:

nen Zellen der Serie nicht immer gleich großem Be- io Unter der Annahme, daß die Stromausbeute in der

darf (bedingt durch Schwankungen der Stromaus- Elektrolysezelle z. B. 95 % beträgt, muß durch Regeln

beute) entsprechend sehr bequem, leicht und raschest, der Luftzufuhr zur Elektrode 6 des Brennstoffele-

automatisch oder von Hand dadurch eingeregelt wer- ments die Stromverteilung in den beiden Zellen und den, daß den den Stauerstoff verarbeitenden Elektro- im-Brennstoffelement so eingestellt werden, daß nur

den des Brennstoffelements mehr oder weniger Sauer- 15 95 % des Elektrolysestromes, der durch die Elektro-

stoff bzw. Luft zugeleitet" wird. Als besonders ge- lysezellel fließt,, durch die Zersetzungszelle2 strömt

eignet für Sauerstoff verarbeitende Elektroden haben und 5% durch das Brennstoffelements geleitet wer-

sich poröse Elektroden erwiesen, bei denen der an den.

ihnen zur Abscheidung gelangende Wasserstoff in Ein weiteres Beispiel, indem eine Zelleden notwenstatu nascendi durch die von außen zugeführte Luft ao digen Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffoder den von außen zugeführten Sauerstoff, am besten elemente von sieben bis zehn weiteren Zellen liefert, unter Energiegewinn direkt zu OH-Ionen kalt ver- deren Amalgamzersetzerabteil aber mit porösen Elekbranntwird. . troden ausgerüstet ist, zeigt Fig. 2. Die Zellen A beste-

Da bei der Zerlegung des Amalgams mit normalen hen aus den Quecksilber-Mittelleiterzellen 1 und 2 mit Elektroden (wobei Wasserstoff entwickelt und gewon- 25 sauerstoffdepolarisierten Kathoden. Jede .dieser Zellen nen wird) die dem Verfahren zugute kommende elek- besitzt anschließend eine Brennstoffelementkammer 3. irische Energie mit einer Spannung von etwa 0,5 Volt Die Zelle B ist Quecksilbermittelleiterzelle mit wasanfällt, ist es aus den oben angeführten Gründen er- serstoffentwickelnder Kathode 18, die gleichfalls mit forderlich, daß der Parallelstromkreis ebenfalls mit einem Brennstoffelements baulich vereinigt ist. In einer Stromquelle von 0,5 Volt ausgerüstet wird. Diese 30 den Abteilen 2 der Amalgamzersetzungskammer beiSpannung kann von einem Brennstoffelement der an- der Zellenarten wird das in den Elektrolysezellen 1 gegebenen Bauart auch bei der aus Raumgründen gebildete Amalgam elektrolytisch zerlegt, wobei elekrelativ hohen Oberflächenbelastung (etwa 700 A/dm²) trische Energie gewonnen wird. Diese kommt der Genoch ohne weiteres geliefert werden. samtelektrolyse zugute. Bei den meist zur Anwendung

Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße 35 kommenden Stromdichten wird eine Energie gewon-Anordnung dann anzuwenden, wenn die Kathoden nen, die einer Potentialdifferenz von etwa 0,5 Volt entder Amalgamzersetzungszelle aus den obenerwähnten spricht. In der Fig. 2 sind Zellen beider Typen im porösen Elektroden bestehen. Hierbei wird der an- Schnitt dargestellt. In den Elektrolysezellen 1 beider fallende Sauerstoff ebenso unter Energiegewinn ver- Typen sind die Graphitanoden 16 und in den Zersetbrannt, wenn die Elektroden mit Luft oder Sauerstoff 40 zerzellen der Mittelleiterzelle vom Typ A die porösen begast werden. Bei dieser Anordnung fällt die dem Elektroden 17 ersichtlich. Durch die Verwendung die-Verfahren zugute kommende Energie mit 1 Volt, aller- ser Elektroden werden die normal in ihnen entladenen dings unter Verzicht auf den Wasserstoff, an. In die- Η-Ionen durch den von außen zugeführten Sauerstoff sem Falle müssen zwei in Serie geschaltete Brentir sofort zu OH-Ionen umgesetzt, wobei ein weiterer Stoffelemente verwendet werden, um die zur Parallel- 45 Energiegewinn entsprechend einer Potentialdifferenz schaltung dann nötige Spannung von etwa 1 Volt zu von 0,5 Volt erhalten wird. Gemäß der Erfindung wird erreichen. Außerdem ist es erforderlich, für eine be- die verschiedene Stromausbeute in den Elektrolysestimmte Anzahl von Zellen (etwa sieben bis zehn) im- zellen 1 einerseits und in den Zersetzerzellen 2 andemer eine Zelle mit normalen Elektroden zu verwenden, rerseits durch die den energieliefernden Zellen 2 parum den für den Betrieb der Brennstoffelemente erfor- 50 allel geschalteten Brennstoffelemente 4 ausgeglichen, derlichen Wasserstoff zu gewinnen. In diesem Fall muß Diese liegen in Serie mit der Hauptstromquelle 14. dann der in dieser mit normalen Elektroden ausgerüste- Die Brennstoffelemente sind in gleicher Weise aufgeten Zelle anfallende Wasserstoff auf die übrigen sieben baut wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Die Versorbis zehn gleichfalls mit Brennstoffelementen versehenen gung der Brennstoffelemente mit Wasserstoff erfolgt Zellen aufgeteilt werden. _{55 yO}n der Zelle 2, deren Zersetzerzelle mit gewöhnlichen

Eine erfindungsgemäße Zellenkombination ist bei- Metallkathoden 10 ausgerüstet ist. Diese Zelle ver-

spielsweise in Fig. 1 dargestellt. Mit 1 und 2 sind die sorgt sowohl das ihr angebaute Brennstoffelement als

Elektrolyse- und Zersetzungszelle der Mittelleiterzel- auch die Brennstoffelemente bis zu weiteren (bis zu

len bezeichnet. Das Amalgam 4 dieser Zellen wird zehn) mit porösen Elektroden ausgerüsteten Zellen des

durch die Pumpe 5 in Zirkulation gehalten. Anschlie- 60 Typs A. Für den Transport des Wasserstoffs ist eine

ßend an die Zersetzungszelle in einem elektrisch durch Förderpumpe20 vorgesehen. Der Sauerstoff für die

eine Trennwand getrennten Abteil befindet sich das zweite Elektrode 7 der Brennstoffelemente und für die

Brennstoffelements. Der Elektrode6 des Brennstoff- Elektroden 17 'der Zersetzerzellen wird durch eine elements wird durch das Rohr 8 Luft zugeführt; die weitere Leitung 8 von außen zugeführt. Sowohl die Regulierung der zugeführten Luft erfolgt mit Hilfe 65 Wasserstoff- als auch die Sauerstoffzufuhr kann von des Regelventils 9. Die zweite Elektrode 7 wird mit Hand aus oder aber automatisch mit den Regelven-

Wasserstoff gespeist, der in der Zersetzungszelle 2 tuen 9 dosiert werden. Die einzelnen Abschnitte der entsteht und durch eine Öffnung 10 der Trennwand Wasserstoff- und Sauerstoff leitungen werden zur zwischen Zersetzungszelle und Brennstoffelement in Stromleitung benützt, sie sind gegeneinander durch letzteres gelangen kann. Der Wasserstoff tritt durch 70 Isolierverbindungsstücke 19 isoliert. Da die Strom-

ausbeutedifferenzen max. 10% betragen, genügt, wie bereits erwähnt, eine Zelle vom Typ B für den Wasserstoffbedarf von zehn Zellen dtes Typs A. Die Strom- und Belastungsdaten sind für die Zellen des Typs A und B gleich, sie können: daher alle betriebsmäßig in Serie geschaltet werden, ohne daß eine sonst schwere Störungen verursachende Verarmung an Natrium in den Zersetzerzellen auftritt.

Claims (3)

Patentansprüche: IO

1. Vorrichtung zur Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren mit Quecksilbermittelleiterzellen, bei der die Stromausbeuten in der Elektrolyse- und in der Amalgamzersetzungszelle durch eine einer Zelle zugeschalteten Hilfsstromquelle aufeinander abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstromquelle ein oder zwei an sich bekannte mit Wasser- und Sauerstoff bzw. Luft betriebene Brennstoffelemente sind, die parallel zu der Amalgamzersetzungszelle und in Serie mit der Hauptstromquelle geschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amalgamzersetzungszelle aus zwei elektrisch getrennten, jedoch einen ge-

meinsamen Gasraum besitzenden Kammern besteht, von denen eine das Brennstoffelement enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer aus mehreren Mittelleiterzelleneinheiten bestehenden Anlage die Zersetzungszelle einer Mittelleiterzelleneinheit (B) als Kathode eine normale Metallelektrode (18) aufweist, während die Kathoden (17) der Zersetzungszellen der übrigen Zelleneinheiten (A) als mit von außen zugeführtem Sauerstoff gespeiste Elektroden ausgebildet sind und die Elektroden des der Zelleneinheit (B) zugeordneten Brennstoffelements aus mit von außen mit Sauerstoff und von der zur Zelleneinheit (B) zugehörigen Zersetzungszelle geliefertem Wasserstoff gespeisten Elektroden bestehen, während die Elektroden der den übrigen Mittelleiterzellen (A) zugeordneten Brennstoffelemente mit von außen zugeführtem Sauerstoff und von der Zelleneinheit (B) geliefertem Wasserstoff gespeiste Elektroden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 88 230.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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