DE102005003527A1

DE102005003527A1 - Elektrolysezelle mit erweiterter aktiver Membranfläche

Info

Publication number: DE102005003527A1
Application number: DE102005003527A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Beckmann; Karl-Heinz Dulle; Randolf Dr. Kiefer; Peter Woltering
Original assignee: Uhdenora SpA
Current assignee: Thyssenkrupp Nucera Italy SRL
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-07-27
Also published as: KR101246121B1; RU2007139782A; BRPI0607237A2; EP1844183B1; RU2373305C2; US20080245661A1; JP2008528794A; ATE548484T1; WO2006079522A3; WO2006079522A2; CN101107385B; JP5420841B2; CA2593311C; US7901548B2; PL1844183T3; CA2593311A1; CN101107385A; ES2384576T3; KR20070103470A; EP1844183A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat in Einzelzellenbauweise zur Herstellung von Chlor aus wässrigen Alkalihalogenidlösungen, die im wesentlichen aus zwei Halbschalen, einer Anode, einer Kathode und einer zwischen den Elektroden angeordneten Ionenaustauschmembran (Membran) besteht. Dabei sind zwischen der Ionenaustauschmembran und den Elektroden zur Fixierung der Membran und zur Kraftdurchleitung Distanzelemente angeordnet und diese Distanzelemente sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens auf einer der beiden Seiten der Ionenaustauschmembran aus einem elektrisch leitenden und korrosionsfesten Material hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Chlor aus wässrigen Alkalihalogenidlösungen, die im wesentlichen aus zwei Halbschalen, einer Anode, einer Kathode und einer zwischen den Elektroden angeordneten Ionenaustauschmembran (Membran) besteht. Dabei sind auf der Innenseite der Halbschalen Stege aus elektrisch leitendem Material angeordnet, welche die jeweilige Elektrode stützen und zur Durchleitung der von außen wirkenden Anpresskraft dienen, wobei zwischen der Ionenaustauschmembran und den Elektroden zur Fixierung der Membran und zur Kraftdurchleitung Distanzelemente angeordnet sind. Diese Distanzelemente sind in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mindestens auf einer der beiden Seiten der Ionenaustauschmembran aus einem elektrisch leitenden und korrosionsfesten Material hergestellt.

Elektrolyseapparate in der Einzelzellenbauweise zur Herstellung von Halogengasen sind im Stand der Technik bekannt. In der Einzelzellenbauweise sind bis zu 40 Einzelzellen in einem Reck parallel eingehängt und elektrisch leitend über die Zellwände beziehungsweise entsprechende Kontaktstreifen verbunden. Dabei ist die Ionenaustauschmembran einer hohen mechanischen Belastung unterworfen, da durch diese hindurch die von außen anliegende Anpresskraft geleitet werden muss.

Es ist im Stand der Technik bekannt, die Elektroden über Stege mit der Innenwand der zugehörigen Halbschale zu verschweißen, wobei die Stege senkrecht zur Elektrode und der Halbschalenrückwand stehen, also in Richtung der Presskraft ausgerichtet sind. Im Bereich zwischen der Membran und den Elektroden werden Distanzstücke eingelegt, so dass die Membran unter Einwirkung der von außen anliegenden Presskraft zwischen einer Vielzahl von Distanzstücken eingeklemmt und somit fixiert ist. Dabei liegen sich je zwei Distanzstücke paarweise gegenüber und die vorgenannten Stege sind im Auflagebereich der Distanzstücke auf der gegenüberliegenden Elektrodenseite positioniert.

Derartige Elektrolyseapparate sind aus DE 196 41 125 A1 und aus EP 0 189 535 B1 bekannt. Dabei sind die Distanzstücke, wie in DE 25 38 414 A1 beschrieben, aus elektrisch isolierendem Material hergestellt. Auch EP 1 073 780 B1 und EP 0 189 535 B1 lehren, dass zu den metallischen und elektrisch leitenden Komponenten die Distanzelemente nicht gehören. Dies hat seine Ursache darin, dass im Bereich der Membranpressung durch die sich paarweise gegenüber liegenden Distanz elemente, eine Verringerung der Membrandicke resultiert. Wären nun die berührenden Distanzelemente aus einem elektrisch leitenden Material, könnte sich aufgrund der mechanischen Belastung und der verringerten Membrandicke Brücken in der Membran ausbilden.

Die Überdeckung der Membran mit isolierenden Distanzstücken führt zu einer Inaktivierung der Membran in diesen Bereichen hinsichtlich des Stromflusses. Weiterhin ist es beim Einbau nicht hundertprozentig sicherzustellen, dass eine exakte gegenseitige Überdeckung der Distanzstücke erreicht wird. Somit ist die derart gebildete Membranfläche sogar etwas größer, als dies theoretisch aufgrund der konstruktiven Vorgaben zwingend vorgegeben ist.

Aus dem bekannten Stand der Technik ist somit die Aufgabe zu erkennen, eine Elektrolysezelle bereitzustellen, bei welcher der Mangel behoben ist und die aktive Membranfläche besser ausgenutzt wird.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass eine Elektrolysezelle zur Herstellung von Chlor aus wässrigen Alkalihalogenidlösungen vorgesehen wird, welche zwei Halbschalen, eine Anode, eine Kathode und eine zwischen den Elektroden angeordneten Ionenaustauschmembran umfasst, wobei auf der Innenseite der Halbschalen stegartige und aus elektrisch leitenden Material bestehende Vorrichtungen angeordnet sind, welche die jeweilige Elektrode stützen und zur Durchleitung der von außen wirkenden Anpresskraft dienen. Weiterhin sind zwischen der Ionenaustauschmembran und den Elektroden zur Fixierung der Membran und zur Kraftdurchleitung Distanzelemente angeordnet sind, wobei die Distanzelemente auf einer der beiden Seiten der Ionenaustauschmembran aus einem elektrisch leitenden und korrosionsfesten Material bestehen.

In einer idealen Ausformung der Erfindung sind auf der Seite des Stromeintritts, der Anodenseite der Membran, die Distanzelemente aus einem elektrisch leitenden und korrosionsfesten Material gebildet. Die elektrisch isolierenden Distanzelemente sind auf der Kathodenseite angeordnet.

Es ist weiterhin von der Erfindung eine Elektrolysezelle umfasst, bei welcher die Durchmesser der auf der Membran aufliegenden und elektrisch isolierenden Kontaktflächen der Distanzelemente kleiner als 6 mm und idealerweise kleiner als 5 mm beträgt. Es konnte nämlich überraschender Weise gefunden werden, dass bei Abdeckung der Membran durch die Auflage von Distanzelementen mit einem Durchmesser von ca. 6 mm und darunter, sich kein von Stromfäden undurchflossener Bereich mehr ausbildet.

Ein wesentlicher Vorteil besteht weiterhin darin, dass es bisher sehr schwierig war, beim Einbau eine exakte Überdeckung der sich gegenüberliegenden Distanzstücke zu realisieren. Dies hat sich stark vereinfacht, da jetzt ein schmales Distanzstück einem etwas breiteren gegenüberliegen kann, ohne dass das breite den überdeckten Membranbereich inaktivieren würde, weil dieses erfindungsgemäß elektrisch leitend ist. Oder es können breite Distanzelemente mit einer entsprechend offenen Struktur eingesetzt werden, solange der Durchmesser von sich direkt gegenüberliegenden Kontaktflächen unter 6 mm bleibt. Dadurch vereinfacht sich die Herstellung der Zusammenbau der Zellen erheblich.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, die Elektrode im Auflagebereich des Steges derart zu formen, dass ein integriertes Distanzelement auf der Seite der Membran gebildet wird und die Auflage eines separaten Distanzelementes entfallen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden für die erfindungsgemäße Elektrolysezelle als elektrisch leitendes und korrosionsfestes Material der Distanzstücke Metalle eingesetzt, welche ganz oder teilweise aus Titan oder Nickel bestehen oder mit Titan oder Nickel beschichtet sind.

Weiterhin ist von der Erfindung eine Elektrolysezelle umfasst, bei welcher die Membran im Bereich der Auflage der elektrisch leitenden Distanzelemente eine um mindestens 10% erhöhte Dicke gegenüber der sonstigen Membrandicke aufweist und die Erhöhung der Dicke der Membran nur durch zusätzlichen Materialauftrag (Coating) auf einer Seite der Membran bewirkt wurde und idealerweise der zusätzliche Materialauftrag auf der Kathodenseite der Membran angeordnet ist. Durch diese lokale Verstärkung der Membran ist es möglich die mechanische Belastung durch den geringen Querschnitt der Distanzelemente zu kompensieren, ohne den Widerstand der gesamten Membran erhöhen zu müssen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind beide der sich paarweise gegenüberliegenden Distanzstücke metallisch und elektrisch leitend, und die Membran weist im Bereich der Auflage der elektrisch leitenden Distanzelemente eine um mindestens 10% erhöhte Dicke gegenüber der sonstigen Membrandicke auf. Die Erhöhung der Dicke der Ionenaustauschmembran beträgt maximal das Zweifache der sonstigen Membrandicke.

Noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass bei Einsatz einer ebenmäßigen Membran auf beiden Seiten metallische und elektrisch leitende Distanzelemente eingesetzt werden, von denen die Distanzelemente auf der Kathoden- oder der Anodenseite im Kontaktbereich mit der Membran mit dem selben oder einem in den Eigenschaften mit der Ionenaustauschmembran vergleichbarem Material belegt sind.

Nachstehend soll beispielhaft und nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt die Erfindung anhand von Darstellungen näher erläutert werden. In 1 ist in einer perspektivischen Darstellung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ein Teil der innen liegenden Komponenten dargestellt. Die Membran 1 ist zwischen den beiden Distanzstücken 2 und 3 eingeklemmt, welche direkt auf der Membran 1 aufliegend. Auf dem Distanzstück 2 liegt die Anode 4 kraftschlüssig an, welche auf der Rückseite mit dem Steg 6 verschweißt ist. Dieser Steg 6 wiederum ist mit der Rückwand der Halbschale 8 verschweißt. Auf der Rückwand 8 ist der Kontaktstreifen 10 auf Höhe des Steges 6 lokalisiert, welcher als hier als Nut geformt ist und die den Kontaktstreifen (Feder) der nachfolgenden und nicht dargestellten Nachbarzelle aufnimmt.
Der Aufbau auf der Kathodenseite ist analog, so dass am Distanzstück 3 die Kathode 5 anliegt, welche auf der Rückseite mit dem Steg 7 verschweißt ist. Das Distanzstück 3 weist eine offene Struktur auf, welche in 3 detailliert dargestellt ist. Der Steg 7 wiederum ist mit der Rückwand der Halbschale 8 verschweißt.
In 2a ist der Aufbau einer im Stand der Technik bekannten Zelle als Schnitt gezeigt, wobei die Dicke der Membran zur besseren Darstellung überproportional breit dargestellt ist. Die Pfeile 9 zeigen die Richtung der wirkenden Presskraft an, welche von außen über die benachbarten Zellen beziehungsweise über die von außen aufgebrachte Spannkraft, welche die Elektrolysezellen zusammenpresst, wirkt.
Die Membran 1 weist einen hochohmigen Bereich 1a auf der Kathodenseite und einen niedrigohmigen Bereich 1b auf der Anodenseite auf, in welche der Strom eintritt. Diese Schichtung der Membran dient der Vergleichmäßigung der Stromverteilung in der Membran 1. Aufgrund der Überdeckung der Membran durch die isolierenden Distanzelemente 2 und 3 werden, wie in 2a gezeigt, die Stromlinien im Nahbereich der Distanzelemente 2 und 3 stark abgelenkt und es bilden sich im Bereich der Distanzelemente 2 und 3 vom elektrischen Strom undurchflossene Membranbereiche aus. Dieser Bereich ist durch eine gepunktete Fläche hervorgehoben. Durch diese e lektrisch inaktiven Breiche wird die Spannung in der Membran und die Stromdichte in den aktiven Bereichen erhöht.
2b zeigt den Verlauf der Stromlinien in der Membran bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Elektrolysezelle. Das Distanzstück 2 auf der Anodenseite ist metallisch und Teil der Anode, so dass die Stromlinien ohne Ablenkung parallel in den niederohmigen Bereich 1b der Membran 1 ein treten. Diese Parallelität wird bis durch den hochohmigen Bereich 1a im Schatten des Distanzelementes 3 auf der Kathodenseite beibehalten und es findet keine Ausbildung eines von Stromlinien freien Blindbereiches statt.
Die Struktur einer möglichen Gestaltung der Distanzelemente ist in 3 dargestellt. Das stabförmige Distanzstück 2 auf der Anodenseite hat auf der der Membran zugewandten Seite eine profilierte Oberfläche, die in dem dargestellten Beispiel rautenförmige Erhöhungen 11 und Vertiefungen 12 aufweist. Das aus einem isolierenden Material bestehende Distanzstück 3 für die Kathodenseite wurde derart durch Materialaussparungen durchbrochen, dass die beiden Distanzstücke 2 und 3 im eingebauten Zustand nie Membranflächen überdecken, die größer als 5mm im Durchmesser sind.
In einer Testzelle wurde die Stromdichte für die erfindungsgemäßen Distanzelemente untersucht. In einer Elektrolysezelle werden in 17 Reihen je 4 Distanzelemente eingesetzt, die eine Breite von 8 mm und eine Länge von 295 mm haben. Diese Distanzelemente wurden zur Einstellung eines Durchmessers von maximal 5 mm für die Auflagefläche mit den in 3 dargestellten Öffnungen versehen. Bezogen auf die Gesamtfläche der Distanzstücke wurde die Fläche um 50 % durch Aussparungen geöffnet.
Hieraus erfolgte eine Änderung der aktiven Membranfläche von 2,72 m² auf 2,80 m², also um 0,08 m². In Folge dessen sank die Stromdichte um 2,9 % ab.
Damit wird die Betriebsspannung der Elektrolysezelle mit einer üblichen Hochleistungsmembran N982, die einen k-Faktor von 80 mV/(kA/m²) aufweist, um 2,3 mV/(kA/m²) gesenkt, was zu einer Spannungserniedrigung von 14 mV bei einer Stromdichte von 6 kA/m² führt, dies entspricht einer Energieeinsparung von 10 kWh pro erzeugter Tonne NaOH.
Ist der Spacer der Gestalt, dass die gesamte Membranfläche genutzt wird, so ergibt sich die doppelte Spannungserniedrigung von 28 mV, was einer Einsparung von 20 kWh pro produzierter Tonne NaOH entspricht.

Claims

Elektrolysezelle zur Herstellung von Chlor aus wässrigen Alkalihalogenidlösungen, umfassend zwei Halbschalen, eine Anode, eine Kathode und eine zwischen den Elektroden angeordnete Ionenaustauschmembran, wobei auf der Innenseite der Halbschalen stegartige und aus elektrisch leitendem Material bestehende Vorrichtungen angeordnet sind, welche die jeweilige Elektrode stützen und zur Durchleitung der von außen wirkenden Anpresskraft dienen, wobei zwischen der Ionenaustauschmembran und den Elektroden zur Fixierung der Membran und zur Kraftdurchleitung Distanzelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente auf einer der beiden Seiten der Ionenaustauschmembran aus einem elektrisch leitenden und korrosionsfesten Material bestehen.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Distanzelemente, welche auf der Anodenseite angeordnet sind, aus einem elektrisch leitenden und korrosionsfesten Material bestehen.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode im Auflagebereich des Steges derart geformt ist, dass ein integriertes Distanzelement auf der Seite der Membran gebildet wird.
Elektrolysezelle nach einem der beiden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächenbreite der auf der Membran aufliegenden und elektrisch isolierenden Distanzelemente kleiner als 7 mm und idealerweise kleiner als 5 mm beträgt.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch leitendes und korrosionsfestes Material ein Metall eingesetzt wird, welches ganz oder teilweise aus Titan oder Nickel besteht oder damit beschichtet ist.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran im Bereich der Auflage der elektrisch leitenden Distanzelemente eine um mindestens 10% erhöhte Dicke gegenüber der sonstigen Membrandicke aufweist und die Erhöhung der Dicke der Membran nur durch zusätzlichen Materialauftrag (Coating) auf einer Seite der Membran bewirkt wurde und der zusätzliche Materialauftrag auf der Anodenseite der Membran angeordnet ist.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide der sich paarweise gegenüberliegenden Distanzstücke metallisch und elektrisch leitend sind, und die Membran im Bereich der Auflage der elektrisch leitenden Distanzelemente eine um mindestens 10% erhöhte Dicke gegenüber der sonstigen Membrandicke aufweist.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide der sich paarweise gegenüberliegenden Distanzstücke metallisch und elektrisch leitend sind, von denen die Distanzelemente auf der Kathoden- oder der Anodenseite im Kontaktbereich mit der Membran mit dem selben oder einem in den Eigenschaften der Ionenaustauschmembran vergleichbarem Material belegt sind.
Elektrolysezelle nach einem der beiden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Dicke der Ionenaustauschmembran maximal das Zweifache der sonstigen Membrandicke beträgt.