DE19740673A1 - Elektrolyseapparat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zur Durch­ führung elektrochemischer Prozesse mit wenigstens einer plattenförmigen Elektrolysezelle, die ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse Einrichtungen zum Zuführen des Elektroly­ sestromes und der Elektrolyseeingangsstoffe und Einrichtun­ gen zum Abführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyse­ produkte und eine Anode und Kathode aufweist, wobei die Ano­ de und die Kathode von einer Trennwand voneinander getrennt und mit der jeweils zugeordneten Rückwand des Gehäuses elek­ trisch leitend verbunden ist.

Ein solcher Elektrolyseapparat mit mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten und in elektrischem Kontakt ste­ henden plattenförmigen Elektrolysezellen mit jeweils eigenem Gehäuse ist beispielsweise aus der EP 0 189 535 B1 der An­ melderin bekannt. Dieser Elektrolyseapparat dient zur Her­ stellung von Chlor aus wäßriger Alkali-Halogenidlösung. Grundsätzlich sind solche Elektrolyseapparate aber allgemein zur Durchführung elektrochemischer Reaktionen geeignet, bei denen Gase entwickelt werden, beispielsweise bei der Chlor­ alkalielektrolyse, der Wasserelektrolyse oder der Salzsäure­ elektrolyse oder bei galvanischen Prozessen, bei denen Schichten auf Trägermaterialien abgeschieden werden sollen, bei denen häufig ebenfalls eine Gasbildung stattfindet, bei­ spielsweise die kathodische Wasserstoffentwicklung als Ne­ benreaktion oder als Reaktion an der Gegenelektrode.

Für diese Zwecke werden nicht nur Elektrolyseure in Hänge­ stapelbauweise, sondern auch Elektrolyseapparate in Filter­ pressenbauart eingesetzt.

Bei der Gasentwicklung während eines solchen elektrochemi­ schen Prozesses werden in der Regel kleine Primärblasen mit einem Blasendurchmesser von etwa 1 µm bis 20 µm gebildet, die sich aufgrund dieses geringen Blasendurchmessers durch eine geringe Auftriebsgeschwindigkeit auszeichnen. Dies führt insbesondere bei koaleszenzgehemmten Stoffsystemen zu einer hohen Verweilzeit der Gase im Elektrolytraum bzw. im aktiven Elektrodenbereich. Wird die Stromdichte erhöht, so füllt sich der Elektrolytraum zunehmend mit Gas. Aufgrund der steigenden Schwarmbehinderung der Gasblasen untereinan­ der infolge höherer Gasgehalte werden die Blasen noch lang­ samer. Deshalb füllt sich die Zelle vom Zellenkopf her mit steigender Stromdichte immer mehr mit Schaum, wodurch die Zirkulation bzw. die Vermischung der Flüssigkeit, insbeson­ dere im Schaumbereich, immer mehr behindert wird und schließlich nahezu vollständig zum Erliegen kommt. In jedem Fall bedingt der Schaum eine verminderte Vermischungsleistung des frisch eintretenden Elektrolyten mit dem im Elek­ trodenraum vorhandenen Elektrolyten. Somit sind diese Elek­ trochemischen Reaktoren bezüglich ihrer maximalen Stromdich­ te aufgrund geringer Gasvolumenstromdichten begrenzt.

Die Schaumbildung kann sich darüber hinaus noch unterschied­ lich auswirken. Zum einen bedingt die mit zunehmender Strom­ dichte sinkende Elektrolytmenge im betreffenden Zellenvolu­ men eine ungleichmäßige Konzentrationsverteilung, wodurch die Stromdichteverteilung aufgrund des zunehmenden Elektro­ lytwiderstandes in Bereichen mit hohen Schaumanteilen inho­ mogen wird. Das hat unmittelbar eine höhere Zellspannung zur Folge. Zum anderen ist die maximale Stromdichte durch den hohen Gasgehalt in der Zelle ebenso limitiert wie die Le­ bensdauer von aktiven Zellenkomponenten, wie Diaphragmen, Membranen oder Elektrolytkatalysatoren zur Verminderung von Überspannungen.

In Diaphragmaelektrolyseverfahren kann Schaum zu einer man­ gelnden Benetzung des Diaphragmas führen, wodurch sich bei­ spielsweise in der Chloralkali-Elektrolyse oder der alkali­ schen Wasserelektrolyse die Produktgase in der Zelle vermi­ schen und explosive Gemische entstehen können. Bei Membran­ elektrolyseverfahren wird die Membran in Schaumzonen nur un­ zureichend benetzt, was eine geringere Lebensdauer und in der Regel eine geringere Stromausbeute bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist des deshalb, eine Lösung zu schaf­ fen, mit der mit möglichst einfachen Mitteln eine Schaumbil­ dung verhindert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektrolyseapparat der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Ge­ häuse der jeweiligen Elektrolysezelle wenigstens in einer von der Trennwand begrenzten Gehäusehälfte hydrophobe Ein­ bauten vorgesehen sind.

Mit der Erfindung wird auf überraschend einfache Weise eine Lösung zur Verfügung gestellt, mit der die vorerwähnte schädliche Schaumbildung verhindert werden kann. Die hydro­ phoben Einbauten haben den Effekt, die Gasgehalte in den elektrochemischen Reaktoren drastisch zu verringern, was da­ zu führt, daß das im Reaktor befindliche Elektrolytvolumen erhöht wird. Dadurch wird die Lebensdauer der aktiven Teile der Reaktoren, wie Elektroden, Diaphragmen oder Membranen erhöht, da die Stromdichteverteilung, verglichen mit Reakto­ ren ohne solche koaleszenzfördernden Einbauten, homogener wird. Ein weiterer positiver Effekt ist, daß durch die hy­ drophoben Einbauten das Reaktorvolumen kleiner werden kann. Liegen nämlich hohe Schaumgehalte in elektrochemischen Zel­ len ohne hydrophobe Einbauten vor, dann darf ein kritisches Volumen nicht ,unterschritten werden, da sonst die Stromdich­ teverteilung noch inhomogener und die Lebensdauer aktiver Zellenkomponenten zu klein wird. Dieses kritische Volumen ist bei Elektrolysen mit koaleszenzfördernden hydrophoben Einbauten kleiner. Dadurch können aufgrund des sinkenden Ma­ terialeinsatzes die Investitionskosten für die Elektrolyse­ zelle selbst gesenkt und der Platzbedarf der elektrochemi­ schen Reaktoren minimiert werden.

Ein weiterer positiver Effekt ist, daß durch die Verringe­ rung des Schaumgehaltes in der Elektrolysezelle Druckschwan­ kungen vermindert werden, die sich auf eine Membran oder ein Diaphragma lebensdauermindernd auswirken, da diese Druck­ schwankungen zu einer mechanischen Belastung dieser Zellen­ komponenten führen. Hierzu gibt es bereits andere Lösungsan­ sätze, wie die Integration eines Gas/Elektrolyt-Separations­ kanales im Kopf der Elektrolysezelle (US-PS 5,571,390). Die­ ser Lösungsansatz hat aber den entscheidenden Nachteil, daß nur Druckschwankungen minimiert werden, alle anderen Vortei­ le, wie beispielsweise die Homogenisierung der Stromdichte und eine damit verbundene Verlängerung der Lebensdauer akti­ ver Zellenkomponenten, werden nicht beeinflußt, da das eigentliche Problem, die Schaumbildung im elektroaktiven Be­ reich, unverändert bestehen bleibt. Weiterhin hat der Ein­ satz von hydrophoben Einbauten den Vorteil, daß sich die Stromspannungscharakteristik verbessert. Dadurch wird der spezifische Energiebedarf der Verfahren gesenkt, der in der Regel den größten Anteil an den Produktkosten ausmacht.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die hydrophoben Einbauten im Bereich der Entstehung der Pri­ märblasen angeordnet sind. Die Einbauten sind grundsätzlich in die Elektrolysezelle integriert, wobei diese sowohl zwi­ schen der Elektrode und der Membran bzw. dem Diaphragma hin­ ter der Elektrode oder im Rückraum der Elektrode angeordnet sein können. Wesentlich ist lediglich, daß das entwickelte Gas mit den hydrophoben Einbauten sofort nach dessen Bildung in Kontakt kommt, wobei der optimale Zustand dann erreicht wird, wenn die Konzentration der hydrophoben Einbauten am Ort der Entstehung der Primärblasen besonders hoch ist.

So kann, wie experimentell nachgewiesen wurde, der Schaum­ gehalt im Anodenraum einer Chloralkalielektrolysezelle bei einer Stromdichte von 7 kA/m² um rund 55% von 70 bis 75% auf unter 20% gesenkt werden.

Die hydrophoben Einbauten sind bevorzugt in Form von Siebge­ weben, Drahtgestricken, Netzen oder Füllkörpern ausgebildet. Dabei sind die Anforderungen an das Material der hydrophoben Einbauten chemische, mechanische und thermische Beständig­ keit in Bezug auf die in der Elektrolysezelle auftretenden Temperaturen, Drücke und eintretenden bzw. gebildeten Me­ dien.

Es ist desweiteren bevorzugt, eine möglichst gleichmäßige räumliche Verteilung der hydrophoben Einbauten in der Elek­ trolysezelle zu erreichen. Dabei soll ein möglichst großer freier Strömungsquerschnitt bzw. ein hoher Lückengrad erhal­ ten bleiben. Deshalb sollten die Einbauten ein geringes Eigenvolumen einnehmen. Dazu ist vorteilhaft vorgesehen, daß der Leerraumanteil im Gehäuse der Elektrolysezelle etwa zwi­ schen 60 bis 98% beträgt.

Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, daß die offene Sieb­ fläche der Siebgewebe, Drahtgestricke oder Netze im Bereich von 30 bis 80% liegt.

Hydrophobe Einbauten dieser Art können auch in ggf. der Elektrolysezelle nachgeschaltete Gas/Elektrolyt-Separations­ einrichtungen eingebracht werden. Da die wesentliche Separa­ tion bereits in der Zelle selbst erfolgt, können die Appa­ ratdimensionen kleiner werden, wodurch ebenfalls die Inve­ stitionskosten und der Platzbedarf kleiner werden.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß zusätzlich zu den hydrophoben Einbauten strömungsbeeinflussende Einbauten vor­ gesehen sind. Diese Einbauten können beispielsweise als Strömungsplatten ausgebildet sein, von denen eine beispiels­ weise im oberen Bereich angeordnet sein kann, um die Be­ nutzung der Trennwand zu verbessern, während im unteren Be­ reich eine Strömungsplatte angeordnet sein kann, die auf­ grund der Dichtdifferenz eine interne Zirkulation und somit eine Vermischung des Elektrolyten zur Folge hat. Dies ver­ bessert die Konzentration zur Verteilung in der jeweiligen Kammer.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 einen Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Elektrolysezellen eines Elektrolyseapparates,

Fig. 2 bis 4 verschiedene Beispiele für hydrophobe Ein­ bauten in einer Elektrolysezelle.

Ein allgemein mit 1 bezeichneter Elektrolyseapparat zur Durchführung elektrochemischer Prozesse weist mehrere, ne­ beneinander in einem Stapel angeordnete und in elektrischem Kontakt stehende plattenförmige Elektrolysezellen 2 auf, von denen beispielhaft zwei solche Elektrolysezellen 2 nebenein­ ander angeordnet dargestellt sind. Jede dieser Elektrolyse­ zellen 2 weist ein Gehäuse aus zwei Halbschalen 3, 4 auf, die mit flanschartigen Rändern versehen sind, zwischen denen mittels Dichtungen 5 jeweils eine Trennwand (Membran oder Diaphragma) 6 eingespannt ist. Die Einspannung der Trennwand 6 kann ggf. auch auf andere Weise erfolgen.

Über der gesamten Tiefe der Gehäuserückwände 4A der jeweili­ gen Elektrolysezelle 2 sind beim dargestellten Ausführungs­ beispiel parallel zueinander eine Mehrzahl von Kontaktstrei­ fen 7 angeordnet, die durch Schweißen oder dergl. an der Außenseite der betreffenden Gehäuserückwand 4A befestigt oder aufgebracht sind. Diese Kontaktstreifen 7 stellen den elektrischen Kontakt zur benachbarten Elektrolysezelle 2, nämlich zur betreffenden Gehäuserückwand 3A, her, an welcher kein eigener Kontaktstreifen vorgesehen ist.

Innerhalb des jeweiligen Gehäuses 3, 4 sind jeweils an die Trennwand 6 angrenzend eine ebenflächige Anode 8 und eine ebenflächige Kathode 9 vorgesehen, wobei die Anode 8 bzw. die Kathode 9 jeweils mit fluchtend mit dem Kontaktstreifen 7 angeordneten Versteifungen verbunden sind, die als Stege oder sonstige Verbindung ausgebildet sind und der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Diese Stege stellen gleichzeitig die elektrische Verbindung der Anode bzw. Kathode 8, 9 zur jeweiligen Gehäuserückwand her.

Die Gehäusehälfte 3 bildet gemeinsam mit der Trennwand 6 und der Kathode 9 eine Kathodenkammer, die Gehäusehälfte 4 mit der Trennwand 6 und der Anode 8 eine Anodenkammer.

Zur Zuführung der Elektrolyseprodukte ist eine geeignete Einrichtung für die jeweilige Elektrolysezelle 2 vorgesehen, eine solche Einrichtung ist in den Zeichnungen nicht darge­ stellt. Ebenfalls ist in jeder Elektrolysezelle eine Ein­ richtung zum Abführen der Elektrolyseprodukte vorgesehen, diese ist jedoch ebenfalls nicht angedeutet.

Die Elektroden (Anode 8 und Kathode 9) sind derart gestal­ tet, daß sie das Elektrolyseeingangsprodukt bzw. die Aus­ gangsprodukte frei durchfließen bzw. durchströmen lassen, wozu Schlitze oder dergl. vorgesehen sein können. Die Anein­ anderreihung mehrerer plattenförmiger Elektrolysezellen 2 geschieht in einem Gerüst, dem sogenannten Zellengerüst. Die plattenförmigen Elektrolysezellen werden zwischen den beiden oberen Längsträgern des Zellengerüstes so eingehängt, daß ihre Plattenebene senkrecht zur Längsträgerachse steht. Da­ mit die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 ihr Gewicht auf den Oberflansch des Längsträgers übertragen können, besitzen sie an der oberen Plattenkante auf jeder Seite einen krag­ armartigen oder vergleichbaren Halter.

Der Halter erstreckt sich horizontal in Richtung der Plat­ tenebene und ragt über die Randung der Flansche hinaus. Bei den in das Gerüst eingehängten plattenförmigen Elektrolyse­ zellen liegt die Unterkante des kragarmartigen Halters auf dem Oberflansch auf.

Die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 hängen vergleichs­ weise wie Ordner in einer Hängekartei im Zellengerüst. Im Zellengerüst stehen die Plattenflächen der Elektrolysezellen in mechanischem und elektrischem Kontakt, so als ob sie ge­ stapelt seien. Elektrolyseure dieser Bauform werden Elektro­ lyseure in Hängestapelbauart genannt. In einer anderen Aus­ führungsform werden die Elektrolysezellen nach dem Filter­ pressenprinzip im Zellengerüst eingehängt und mittels ent­ sprechender Spannvorrichtungen gegeneinander gepreßt.

Durch Aneinanderreihung von mehreren Elektrolysezellen 2 in Hängestapelbauweise mittels bekannter Spanneinrichtungen werden die Elektrolysezellen 2 über die Kontaktstreifen 7 jeweils mit benachbarten Elektrolysezellen in einem Stapel elektrisch leitend verbunden. Von den Kontaktstreifen 7 fließt der Strom dann durch die Halbschalen über Stege oder Wellbänder in die Anode 8. Nach Durchtritt durch die Trenn­ wand 6 wird der Strom von der Kathode 9 aufgenommen, um über Stege oder Wellbänder in die andere Halbschale bzw. deren Rückwand 3A zu fließen und hier in den Kontaktstreifen 7 der nächsten Zelle überzutreten. Auf diese Art und Weise durch­ setzt der Elektrolysestrom den gesamten Elektrolysezellen­ stapel, wobei er an der einen Außenzelle eingeleitet und an der anderen Außenzelle abgeleitet wird.

Um während der Durchführung des elektrochemischen Prozesses in dem Elektrolyseapparat 1 eine Schaumbildung zu vermeiden, ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, daß im Gehäuse der je­ weiligen Elektrolysezelle 2 hydrophobe Einbauten angeordnet sind. Diese hydrophoben Einbauten können beispielsweise in Form von Siebgeweben, Drahtgestricken, Netzen oder Füllkör­ pern ausgebildet sein, wie im einzelnen aus den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Diese hydrophoben Einbauten sind in Fig. 2 bis 4 angedeutet und dort allgemein mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.

Diese hydrophoben Einbauten 12 sind vorzugsweise in der Ano­ denkammer angeordnet. Sie können verschiedene geometrische Gestaltungen aufweisen, diese sind im einzelnen in Fig. 2 bis 4 dargestellt.

Zusätzlich zu diesen hydrophoben Einbauten 12 können auch noch strömungsbeeinflussende Einbauten vorgesehen werden, wie am besten aus Fig. 1 hervorgeht. Diese Einbauten können mit den erfindungsgemäßen hydrophoben Einbauten 12 sinnvoll kombiniert werden. Beispielhaft sind zwei verschiedene Strö­ mungsplatten gezeigt. Im oberen Bereich der Anodenkammer ist eine Strömungsplatte 13 angeordnet, die die Benetzung der Trennwand 6 verbessert, während im unteren Teil der Anoden­ kammer eine Strömungsplatte 14 dargestellt ist, die aufgrund der Dichtedifferenz eine interne Zirkulation und somit eine Vermischung des Elektrolyten zur Folge hat. Dies verbessert die Konzentrationsverteilung in der betreffenden Kammer.

Claims (6)

1. Elektrolyseapparat zur Durchführung elektrochemischer Prozesse mit wenigstens einer plattenförmigen Elektrolyse­ zelle, die ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse Einrich­ tungen zum Zuführen des Elektrolysestromes und der Elektro­ lyseeingangsstoffe und Einrichtungen zum Abführen des Elek­ trolysestromes und der Elektrolyseprodukte und eine Anode und Kathode aufweist, wobei die Anode und die Kathode von einer Trennwand voneinander getrennt und mit der jeweils zu­ geordneten Rückwand des Gehäuses elektrisch leitend verbun­ den sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (3, 4) der jeweiligen Elektrolysezelle (2) wenigstens in einer von der Trennwand (6) begrenzten Gehäu­ sehälfte hydrophobe Einbauten (12) vorgesehen sind.

2. Elektrolyseappparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophoben Einbauten (12) im Bereich der Entstehung der Primärblasen angeordnet sind.

3. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophoben Einbauten (12) in Form von Siebgeweben, Drahtgestricken, Netzen oder Füllkörpern ausgebildet sind.

4. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Leerraumanteil im Gehäuse der Elektrolysezelle etwa zwischen 60 bis 98% beträgt.

5. Elektrolyseapparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Siebfläche der Siebgewebe, Drahtgestricke oder Netze im Bereich von 30 bis 80% liegt.

6. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den hydrophoben Einbauten (12) strömungsbeeinflussende Einbauten (13, 14) vorgesehen sind.