DE2548699C3

DE2548699C3 - Vorrichtung zur Elektrolyse einer Flüssigkeit unter Druck

Info

Publication number: DE2548699C3
Application number: DE2548699A
Authority: DE
Inventors: Gamal El Din 8031 Puchheim Nasser
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1975-10-30
Filing date: 1975-10-30
Publication date: 1980-06-26
Also published as: DE2548699A1; JPS5254684A; FR2329769B1; US4077863A; FR2329769A1; GB1518234A; DE2548699B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Elektrolyse einer Flüssigkeit unter Druck mit bipolaren Elektroden, die zu einem Zellenblock zusammengefaßt und in einem Druckbehälter untergebracht sind, sowie mit Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 22 14 920 vorbekannt. Die dort beschriebene Eiektrolysevorrichtung dient insbesondere zur Zerlegung von Wasser unter Freisetzung von gasförmigem Sauerstoff und gasförmigem Wasserstoff. Die Elektrolysezelle« sind in einem zylindrischen Druckbehälter untergebracht Der Elektrolysebetrieb findet innerhalb dieses Druckbehälters bei überatmosphärischem Druck statL Die Wände des Druckbehälters müssen allerdings keine sehr großen Druckdifferenzen aufnehmen, da dieser in einer Umgebung aufgestellt wird, die ebenfalls überatmosphärischen Druck aufweist, so daß die Druckdifferenzen zwischen Innen- und Außenraum des Druckbehällers im Vergleich zu den Absolutwerten der auftretenden Drücke klein sind. So kann dieser Druckbehälter beispielsweise im Meer oder in einem See in einer gewissen Wassertiefe aufgestellt oder aufgehängt sein. Bei der bekannten Elektrolysevorrichtung wird die Eleklrolyseflüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe umgewälzt, die mit dem Druckbehälter durch Leitungen verbunden und in einer Umgebung atmosphärischen Drucks, speziell außerhalb des Wassers, an Land oder auf einem Schiff, aufgestellt ist. Außerdem weist die bekannte Elektrolysevorrichtung Filter zum Zwecke der Reinigung der Elektrolyseflüssigkeit auf, die strömungsmäßig noch oberhalb der Pumpe angeordnet sind. Die bekannte Elcktrolysevorrichtung ist somit in ihrem Aufbau eng an die vorgegebene besondere

M Problemstellung angepaßt. Die Vorrichtung besteht aus mehreren gesonderten Komponenten, die bezüglich des Druckes an unterschiedliche Umgebungen angepaßt sein müssen. Die Verwendbarkeit der bekannten Vorrichtung ist damit stark eingeschränkt, die Vielzahl

Vi der gesonderten Komponenten wirkt sich nachteilig auf die Transportierburkeil der Anlage aus. und bezüglich der /wischen den einzelnen Komponenten vorzusehenden Leitungen ist ein gewisser Mindestaufwand unumgänglich.

4» Der Erfindung liegt daher die Aufgabe /ugrunde. eine Elektrolysevorrichtung der eingangs genannten An bereitzustellen, die hinsichtlich Materialaufwand. Rauinbedarl und Transporticrbarkeit möglichst wirtschaftlich ist.

4^r> Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auch die Einrichtungen zur Reinigung. Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten in dem Druckbehälter angeordnet sind.

Die crfindungsgcmäße Elcklrolyscvorrichlung /eichen net sich somit durch einen hohen Grad der Kompaktheit aus. Der Materialaufwand ist insoweit auf ein Minimum reduziert, als besondere Leitungen /wischen den Einzelkomponenien entfallen, die nunmehr alle innerhalb eines einzigen Druckbehälters untergebracht sind.

Ti Der Raumbedarf der gesamten Vorrichtung wird dadurch ebenfalls erheblich vermindert, was wiederum der Transporlierbarkeit zugute kommt. Außerdem müssen alle Komponenten für denselben Druck ausgelegt sein. Insgesamt liegt bei der erfindungsgcmä-

bo ßen Elektrolysevorrichtung somii eine durch Integration der Einzelkomponentcn besonders kompakte und einheitliche Bauweise vor. Die Vorrichtung ist, anders als die bekannte, in ihrer Aufstellung nicht an bestimmte örtliche Gegebenheiten gebunden. Sie kann auch ohne weiteres in ihrer Gesamtheit im Freien aufgestellt werden, eventuell erforderliche Korrosionsschutzmaßnahmen müssen dann nur noch für die Außenwand des Druckbehälters getroffen werden, da die übrigen

Komponenten in dessen Innenraum vor schädigenden atmosphärischen Einflüssen geschützt sind.

im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung wird der Zellenblock bei der Vorrichtung gemäß de^r Erfindung mit Vorteil quaderförmig ausgebildet Da der Druckbehalter zweckmäßig eine kreiszylindrische Form aufweist, ist dann in seinem Inneren noch ausreichend Raum für die dort unterzubringenden Komponenten.

Zweckmäßigerweise sind die Halterungen für dm Zellenblock sowie die beiden Stromzufühmngsleitungen ausschließlich an einer Seite des Druckbehälters befestigt, damit sich der Zellenblock bei Erwärmung ungehindert ausdehnen kann. Dazu sind die den Zellenblock bildenden, elektrisch verbundenen Elektrolysezellen in mindestens einer Kehre angeordnet.

Eintrittsöffnungen für die Elektrolyseflüssigkeit angeordnet. An der Oberseite des Zellenblockes befinden sich die Austrittsöffnungen für die Produktgase und die Flüssigkeit. Durch die aufsteigenden Elektrolysegase wird die Flüssigkeit mitgerissen. Auf diese Weise wird für den notwendigen Umlauf des Elektrolyten gesorgt.

Die Dichtungen zwischen den Elektrolysezellen sind gemäß einer weiteren Ausführungsform des Anmeldungsgegenstandes aus keramischen Material gefertigt. Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, die Anlage bei wesentlich höheren Temperaturen als die herkömmlichen Anlagen zu betreiben.

Die Unterbringung der Reinigungsanordnung im Druckbehälter führt zu einer wesentlichen Verbilligung der Anlage. Dabei entsteht jedoch das Problem, die Filiermassen von Zeit zu Zeit /u erneuern. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform. bei der matienförmige Filter verwendet werden, die kontinuierlich während des Betriebs von einer Trommel abgewickelt und auf eine andere Trommel aufgewickelt werden. Auf s^r> diese Weise wird für eine lange Zeitdauer der unterbrechungsfreie Beirieb der Anlage gesichert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird dasjenige der F.lektrolysegase. das im Raum zwischen dem Zellenblock und dem Mantel des ·)() Druckbehälter gesammelt wird, vorher in mindestens einem besonderen Kühler gekühlt, um die Temperatur des Mantels niedrig /u halten. Fine niedrige Temperatur des Mantels wirkt sich günstig aul dessen Fesiigkcit aus. Darüber hinaus wird durch die Kühlung der mit dem Gas vermischte Dampf der Flektrolyseflüssigkeit ausgeschieden und dem Kreislauf zurückgeführt.

Dank der Talsache, daß der Zellenblock bauileinarlig aus Zellenpakeien zusammengesetzt werden kann, kann das Problem der Reinigung und Wartung auf sehr ¹K) einfache Weise gelöst werden. Besonders vorteilhaft erscheint eine Ausführungsform, bei der der mit der Abdeckplatte fest verbundene Kühler durch eine Luke aus dem Druckmantel gezogen werden kann. Durch die freiwerdende Öffnung kann ein Mann in das Innere des Druckbehälters gelangen und mit Unterstützung eines Lastkrans die Zellenpakete einzeln aus dem Druckbehälter fördern.

Die Hauptanwendungsgebiete der beschriebenen Vorrichtung sind die elektronische Zerlegung von w> Wasser und Salzsäure. Gen. ;,. Berechnungen haben jedoch ergeben, daß bei der Zerlegung von Salzsäure der oben beschriebene selbsttätige Umlauf des Elektrolyten wegen des großen spezifischen Gewichtes des Chlorgases nicht gewährleistet ist. Für derartige Zwecke wird erfindungsgemäß der Umlauf des Elektrolyten durch eine sich innerhalb des Druckmantels befindliche Pumpe erreicht. Die Anwendung einer derartigen Pumpe ist jedoch nicht nur auf Anlagen zur Zerlegung von Salzsäure beschränkt Auch bei Anlagen zur Zerlegung von Wasser ist sie von Vorteil, da durch einen verstärkten Elektrolytumlauf die Effektivität der Elektrolyse gesteigert wird.

Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Anmeldung sind in den Fig. 1 bis 8 schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 und 2 Längsschnitt durch eine Elektrolysevorrichtung für Wasser;

F i g. 3a, b Teile von Zellen der Elektrolysevorrichtung;

F i g. 4 ein Zellenpaket von oben;

F i g. 5 und 6 Querschnitte durch die Elektrolysevorrichtung;

F i g. 7 Längsschnitt durch eine Elektrolysevorrichtung für Salzsäure;

F i g. 8 Querschnitt durch die Elektrolysevorrichtung für Salzsäure.

Ein quaderförmiger Zellenblock 1 befindet sich in einem Druckbehälter2(Fig. 1,2,5,6). An beiden Seilen des Zellenblockes 1 sind Kühler 3 sowohl für die Kühlung des Elektrolyten als auch für das Wasserstoffgas angebracht. Die Zellen (Fig. 3a, b und 4) sind so konstruiert, daß die Öffnungen 4a an der Anodenseite des Diaphragmas (Öffnungen für Sauerstoff) am zur Mitte gelegenen Teil des Zellenblockes 1 und die kathodenseitigen Öffnungen 4£> am wandseitigen Teil des Zellenblockes 1 liegen. Der Produktsauerstoff wird durch den Raum 5 geführt (Fig. 1, 2, 6), im Raum 6 gegen eintretendes Speisewasser gekühlt und durch den Stutzen 7 aus dem Druckbehälter geführt. Der Führungsweg des Produktsauerstoffs isl von einem Hohlnianiel 8 umgeben, in dem der hohe Druck des Speisewassers herrscht, um bei einem eventuellen Leck eine Vermischung des Sauerstoffs mit dem Wasserstoffgas auf jeden Fall zu vermeiden. Das Wasserstoffgas wird durch eine Trennplatte 9 gezwungen, den oberen Teil der Kühler i zu passieren, bevor es in den Außenraum 10 gelangt; es wird über den Stutzen 11 aus der Anlage geführt. Die Elektrolyseflüssigkeit wird durch die in den Zellen aufperlend.cn Produktgase selbsttätig umgewälzt. Die Flüssigkeit, die durch die Sauerslofföffnungen den Zellenblock verläßt, wird im Raum 6 mil Frischwasser versetzt und durch die beidtn Rohre 12 geleitel. Durch entsprechende Leitbleche wird dafür gesorgt, daß die F.lekliOlyseflüssigkeil die beiden Kühler passieren muß. bevor sie von unten wieder in den Zellenblock durch die Öffnungen 17 (Fig. 3, 4) eintritt. Vor den Kühlern 3 befinden sich Filtermatten 13 zur Reinigung des Elektrolyten, die permanent gewechselt werden, indem sie von Rolle 14 ab- und auf Rolle I^ aufgewickelt werden. Durch zwei Luken 16 können die Kühler 3 herausgenommen werden. Dadurch wird ein Mannloch für Wartungsarbeiten freigegeben. Der Zellenblock 1 der aus 32 Zellenpakeien (F i g. 4) besteht, kann zu Wartungszwecken paketweise aus dem Druckbehälter herausgehoben werden.

In den Fig. 7 und 8 isl eine Vorrichtung zur Zerlegung von Salzsäure dargestellt. Der Umlauf der Säure wird durch Pumpen erreicht. Außer durch diese Pumpen und eine andere räumliche Aufteilung unterscheidet sich diese Anordnung prinzipiell nicht von der in den f i g. 1 bis 6 dargestellten. Es ist deswegen nur der Teil dargestellt, aus dem die genannten Unterschiede deutlich werden.

Zwei Pumpenmotoren tragen das Bezugszeichen 100. Die Bezugszeichen 101 und 102 kennzeichnen die

Antriebswellen bzw. zwei Flügelradpumpen.

Die Salzsäure, die über dem Zellenblock 103 austritt sowie die Salzsäure, die aus Raum 104 über Leitung 105 abfließt, fließt weiter über Leitung 106 zu den Pumpen 102 und wird von Ihnen in den Raum 107 gedruckt. Die Druckerhöhung im Raum 107 hat eine Erhöhung des Flüssigkeitsstandes im Raum 108 zur Folge. Durch die Niveaudifferenz zwischen dem Flüssigkeitsstand im Raum 108 und demjenigen im Raum über dem Zellenblock 103 wird der nötige Flüssigkeitsumlauf herbeigeführt.

Bei einer Elektrodenfläche von 6 m² pro Zelle und

einer Stromdichte von 15 000 A/m² produziert das Gerät zur Wasserelektrolyse in 512 hintereinander geschalteten Zellen 20 000Nm³ Wasserstoff und 10 000Nm³ Sauerstoff pro Stunde. Bei Auslegung auf einen Betriebsdruck von 30 bar betragen die Investitionskosten weniger als ein viertel der Kosten für die herkömmlichen Geräte derselben Leistung. Wird das Gerät mit einer Elektrolyttemperatur von 300⁰C betrieben, ist für die Zersetzung von 1 Nm³ Wasser eine Energie von 4,1 KWh erforderlich, gegenüber 4,6 bis 4,8 KWh bei herkömmlichen Geräten.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zur Elektrolyse einer Flüssigkeit unter Druck mit bipolaren Elektroden, die zu einem Zellenblock zusammengefaßt und in einem Druckbehälter untergebracht sind, sowie mit Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Einrichtungen zur Reinigung, Kühlung und Umwälzung des Elektrolyten in dem Druckbehälter angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock (1) quaderförmig ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Zellenblock bildenden elektrisch verbundenen Elektrolysezellen in mindestens einer Kehre angeordnet sind und die Halterung für den Zellenblock (1) sowie die beiden Stromzuführungsleitungen ausschließlich an einer Seite des Druckbehälter (2) befestigt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des Zellenblockes Eintrittsöffnungen (17) für die Elektrolysenflüssigkeit und an seiner Oberseite Austrittsöffnungen (4a,4b)angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen zwischen den Elektrolysezellen aus keramischem Material gefertigt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Slrömungswcg der Elcktrolyseflüssigkei! mindestens eine mit einer Auf- und einer Abwickelirommcl (14, 15) verbundene Filtermatte (13) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auffangvorrichtung für eines der Elektrolvscgase /wischen dem Zellenblock und mindestens einem Kühler angeordnet ist, wobei über einen Slrömungswcg für das Elektrolysegas der Kühler (3) mit einem den Zellenblock (1) umgebenden Außenraum (10) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühler (3) fest mit den über ihnen befindlichen Abdeckplatien verbunden sind und diese Abdeckplatten abnehmbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Abdeckplattcn abgedeckten Luken für die Entnahme der Kühler (3) mindestens die Abmessungen eines Mannloches aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenblock (1) in einzelne Pakete zerlegbar ist, die durch eine Luke aus dem Druckbehälter herausziehbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 8, gekennzeichnet durch eine sich im Inneren des Druckbehälters (2) befindliche Pumpe (102) zur Umwälzung der Elektrolyseflüssigkeit.