DE102006046807A1

DE102006046807A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE102006046807A1
Application number: DE102006046807A
Authority: DE
Inventors: Peter Woltering; Karl-Heinz Dulle; Randolf Dr. Kiefer; Stefan Oelmann; Ulf-Steffen Dr. Bäumer
Original assignee: Uhdenora SpA
Current assignee: Thyssenkrupp Nucera Italy SRL
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse, die im Wesentlichen aus einer Anodenhalbschale und einer Kathodenhalbschale gebildet wird, wobei in jeder der beiden Halbschalen neben weiteren Einbauten die jeweilige Elektrode angeordnet ist, und jede Elektrode über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden ist. Durch diese Stege werden die Elektroden in mehrere Kompartimente unterteilt. Erfindungsgemäß ist dabei mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise, bezogen auf die Makrostruktur dieser Teilelektrode, in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt. Ein flächiges Einpressen der Membran zwischen den beiden Elektroden kann dabei erfolgen. Für diese Wölbung werden idealerweise eine Mehrzahl von Federn eingesetzt.

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse, die im Wesentlichen aus einer Anodenhalbschale und einer Kathodenhalbschale gebildet wird, wobei in jeder der beiden Halbschalen neben weiteren Einbauten die jeweilige Elektrode angeordnet ist, und jede Elektrode über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden ist. Durch diese Stege werden die Elektroden in mehrere Kompartimente unterteilt. Erfindungsgemäß ist dabei mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise, bezogen auf die Makrostruktur dieser Teilelektrode, in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt. Ein flächiges Einpressen der Membran zwischen den beiden Elektroden kann dabei erfolgen. Für diese Wölbung werden idealerweise eine Mehrzahl von Federn eingesetzt.
Chlor-Alkali-Elektrolyseure in Einzelzellenbauform sind im Stand der Technik weitreichend beschrieben und in vielfachem industriellen Einsatz. Derartige Elektrolysezellen sind beispielsweise aus DE 198 16 334 A1 , DE 44 14 146 A1 oder EP 0 095 039 A1 bekannt.
Wie beispielsweise in DE 10 2005 003527 A1 oder DE 10 2005 006555 A1 gezeigt, wurde bisher immer versucht, die beiden Elektroden optimal planparallel einander anzunähern und in Position zu halten, indem man diese mit immer geringeren Toleranzen fertigt. Diese planparallele Annäherung kommt aber aufgrund der zu wählenden geringen Wandstärken der dünnen Elektrodenbleche an Grenzen. Kommt es bei beiden Elektroden zu einer gegenläufigen Toleranzabweichung hinsichtlich der Ebenheit, entstehen lokale Spannungsspitzen und die Wirtschaftlichkeit sinkt. Ganz grundsätzlich ist es wirtschaftlich nachteilig, eine Vielzahl von sehr kleinen Toleranzen einhalten zu müssen.
Ein weiteres Problem stellt bei starker Annäherung die Gasbildung vor allem auf der Seite der anodischen Elektrode dar, wie in DE 10 2005 006555 A1 detailliert beschrieben. Das Gas verstopft den Spalt zwischen Elektrode und Membran, so dass das Nachströmen des frischen Elektrolyten gehemmt wird. Hier konnten Profile für Hochleistungselektroden entwickelt werden, in dem entsprechende Mikrostrukturen vorgesehen werden, die aber das Problem der unvermeidbaren Fertigungstoleranzen in makroskopischer Hinsicht nicht lösten.
Somit ist es Aufgabe der Erfindung, die verbleibenden Probleme zu lösen und eine wirtschaftliche vorteilhafte Elektrolysezelle zu offenbaren, bei welcher Spannungsschwankungen aufgrund gegenläufiger Toleranzabweichungen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse gelöst. Die Elektrolysezelle umfasst eine Anodenhalbschale und eine Kathodenhalbschale, wobei jede Halbschale aus einer Rückwand, einem umlaufenden Rand und einem umlaufenden Flansch gebildet wird, und weiterhin in jeder der beiden Halbschalen die jeweilige Elektrode angeordnet ist. Beide Elektroden weisen eine Struktur mit einer Vielzahl von Öffnungen auf und sind jeweils über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden, wodurch die Elektroden und auch der jeweilige Rückraum in mehrere Kompartimente unterteilt werden. Besonderes Merkmal dieser erfindungsgemäßen Elektroden ist, dass mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise zwischen zwei Stegen in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt ist.
Dabei soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter Wölbung eine großflächige, makroskopische Formgebung oder Verformung verstanden werden. Dies ist in Abgrenzung zum im Stand der Technik und den dort bekannten kleinflächigen und zum Teil im μ-Bereich angesiedelten Formen und Strukturen der Elektroden zu sehen, wie diese beispielsweise in DE 10 2005 006555 A1 beschrieben sind.
Dabei ist die Wölbung idealerweise derart, dass die gewölbte Elektrode in einem Bereich, welcher sich links und rechts der Scheitellinie der Wölbung erstreckt, die zwischen den Elektroden befindliche Membran an die jeweils gegenüberliegende Elektrode flächig anpresst, wobei die Breite der Anpressfläche mindestens 20 % der Kompartimentbreite ausmacht. Es konnte überraschenderweise beobachtet werden, dass eine Beabstandung der Elektroden voneinander nicht mehr erforderlich ist, wenn die Flächenpressung derart begrenzt wird, dass keine Verletzung der Membran erfolgt. Durch die Abkopplung von Kontaktpressung der Membran zwischen den Elektroden einerseits und Kraftdurchleitung durch die parallelen Zellen mittels der Stege andererseits, kann das bekannte Prinzip der planparallelen Elektroden aufgegeben werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Elektrolysezelle wird die bauchige Verformung mittels einer oder mehrerer Federn erzeugt, welche in einem oder mehreren Kompartimenten angeordnet sind. Diese Federn sind so angebracht, dass diese auf die Rückseite mindestens einer der beiden Elektroden einwirken. Dabei soll unter Rückseite immer die der Membran abgewandte Seite der jeweiligen Elektrode verstanden werden.
In einer besonders geeigneten Ausführungsform sind eine oder mehrere U- oder V-förmige Federn vorgesehen, die im Bereich der Stege angeordnet sind. Die Federarme sind derart angeordnet, dass je ein Arm auf jeder Seite eines Steges ragt und dort auf die Elektrode einwirkt, wodurch diese kompartimentweise in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt wird. Die Elektrode selbst hat dabei analog einer Blattfeder eine federnde Eigenschaft. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die einzelnen Federarme, an denen die Elektrode fixiert ist, eine definierte seitliche Bewegung ausführen kann, wenn durch den Anpressdruck die Längskanten der Elektrode nach außen geschoben werden.
Eine alternative Variante besteht darin, dass eine oder mehrere Federn mittig auf die Rückseite der Elektrode drücken und diese somit kompartimentweise in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode wölben. Eine geeignete Ausführungsform kann dabei eine Blattfeder oder L-Feder sein, die zwischen zwei Stegen oder dem Wannenrand und einem Steg eingespannt ist.
Eine verbesserte Variante besteht darin, dass auf der Rückseite der zu wölbenden Elektrode in dem jeweiligen Kompartiment mindestens ein Lastverteilungselement in Form einer Leiste oder Schiene vorgesehen ist, welches parallel zu den Stegen in der Mitte des Kompartiments angeordnet ist und auf welches die eine oder mehrere Federn einwirken. Diese Bauform hat den Vorteil, dass sie in bekannten Elektrolysezellen nachgerüstet werden kann, ohne weitere konstruktive Änderungen vornehmen zu müssen. Idealerweise besteht das Lastverteilungselement mindestens teilweise aus einem nicht leitenden Kunststoff.
Vorteilhafterweise weisen die Federn ein strömungsoffenes Profil auf, so dass die im bestimmungsgemäßen Betrieb vorherrschende vertikale Strömung nicht oder nur minimal beeinflusst wird.
Eine verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass die Elektrode nicht einstückig geformt ist, sondern aus einer Mehrzahl von unabhängigen Teilelektroden oder Elektrodensegmenten gebildet ist. Dabei werden die Elektrodensegmente nicht durch Stege, sondern durch Federn getragen. Die im Regelfall noch vorhandenen Stege dienen dann nur noch der Kraftdurchleitung durch die parallel angeordneten Elektrolysezellen. In einer Ausführungsvariante ist in jedem Kompartiment ein einstückiges Elektrodensegment vorgesehen.
Eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Zu sehen ist die Kathodenhalbschale einer Elektrolysezelle (1) in einer horizontalen Schnittdarstellung. Die Kathodenhalbschale besteht im Wesentlichen aus der Rückwand (2), einer umlaufenden Seitenwand (3) und einem sich anschließenden und umlaufenden Flansch (4). Durch die Stege (5), über welche die Anpresskräfte durch die im bestimmungsgemäßen Betrieb parallel angeordneten Einzelzellen geleitet werden, teilen die Halbschale in vertikal ausgerichtete Kompartimente (6). Die nicht gezeigte Anodenhalbschale ist analog aufgebaut. An der U-Feder (7) und der Z-förmigen Feder (8) ist das Kathodensegment (9) befestigt. Die Z-förmige Feder (8) ist nur entlang der Seitenwand (3) vorgesehen, im Inneren der Kathodenhalbschale sind die Kathodensegmente (9) an zwei baugleichen U-Federn (7) befestigt.
1 zeigt die Kathodenhalbschale einer Elektrolysezelle (1) vor dem Zusammenbau, so dass die maximale Wölbung eines Kathodensegments (9) deutlich wird. Die gestrichelte Linie (10) markiert die Nulllage ohne Wölbung, und die gestrichelte Linie (11) die Höhe der Scheitellinie im Abstand (12) von der Nulllage (10).
Die in 2 gezeigte Schnittzeichnung zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle (1). Die Kathodenhalbschale entspricht der in 1 beschriebenen, wobei nun das Kathodensegment (9) an zwei benachbarten Stegen (5) befestigt ist. Mittels einer in der Mitte des Kompartiments (6) angeordneten Feder, welche hier als Spiralfeder (13) ausgeführt und nur skizzenhaft dargestellt ist, wird das Kathodensegment (9) gewölbt. Die Spiralfeder (13) ist dabei zur gleichmäßigeren Kraftübertragung zwischen einem Fußelement (14) und einem Kopfelement (15) eingespannt.

1: Elektrolysezelle
2: Rückwand
3: Seitenwand
4: Flansch
5: Steg
6: Kompartiment
7: U-Feder
8: Z-Feder
9: Kathodensegment, Teilelektrode
10: Nulllage
11: Lage der Scheitellinie
12: Abstand, Höhe
13: Spiralfeder
14: Fußelement
15: Kopfelement

Claims

Elektrolysezelle in Einzelzellenbauweise für die Chlor-Alkali-Elektrolyse, umfassend eine Anodenhalbschale und eine Kathodenhalbschale, wobei jede Halbschale aus einer Rückwand, einem umlaufenden Rand und einem umlaufenden Flansch gebildet wird, und weiterhin in jeder der beiden Halbschalen die jeweilige Elektrode angeordnete ist, wobei jede Elektrode eine Vielzahl von Öffnungen aufweist und über zueinander parallele Stege mit der Rückwand der jeweiligen Halbschale verbunden ist, wodurch die Elektroden in mehrere Kompartimente unterteilt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Elektroden kompartimentweise zwischen zwei Stegen in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode gewölbt ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbte Elektrode in einem Bereich, welcher sich links und rechts der Scheitellinie der Wölbung erstreckt, die zwischen den Elektroden befindliche Membran an die jeweils gegenüberliegende Elektrode flächig anpresst.
Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Anpressfläche mindestens 20 % der Kompartimentbreite ausmacht.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bauchige Verformung mittels einer oder mehrerer Federn erzeugt wird, welche in einem oder mehreren Kompartimenten angeordnet sind und auf die Rückseite mindestens einer der beiden Elektroden einwirken, wobei unter Rückseite die der Membran abgewandten Seite der jeweiligen Elektrode verstanden werden soll.
Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Feder eine oder mehrere U-förmige Federn vorgesehen sind, die im Bereich der Stege angeordnet sind, wobei je ein Federarm auf jeder Stegseite auf die Elektrode einwirkt und diese kompartimentweise in Richtung der gegenüber liegenden Elektrode wölbt.
Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn mittig auf die Rückseite der Elektrode drücken und diese somit kompartimentweise in Richtung der gegenüberliegenden Elektrode wölben.
Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn in der Art einer Blattfeder oder L-Feder zwischen zwei Stegen oder dem Wannenrand und einem Steg eingespannt ist.
Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite der zu wölbenden Elektrode in dem jeweiligen Kompartiment mindestens ein Lastverteilungselement in Form einer Leiste oder Schiene vorgesehen ist, welches parallel zu den Stegen in der Mitte des Kompartiments angeordnet ist und auf welches die eine oder mehrere Federn einwirken.
Elektrolysezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastverteilungselement mindestens teilweise aus einem nicht leitenden Kunststoff besteht.
Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder hinsichtlich der vertikalen Strömung in der Elektrolysezelle ein strömungsoffenes Profil aufweist.
Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode aus unabhängigen Teilelektroden gebildet ist, wobei die Teilelektroden nicht durch die Stege, sondern durch die Federn getragen werden.
Elektrolysezelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Kompartiment eine einstückige Teilelektrode vorgesehen ist.