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(11) | EP 0 095 039 A2 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Membran-Elektrolysezelle |
| (57) Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paarweise
flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil
enthalten, mit einer zwischen den paarweisen Elektroden angeordneten Membran und jeweils
zwischen Elektrodenrand liegender Dichtung. Die Elektrolysezelle ist geeignet für
die Elektrolyse eines wässrigen, halogenidhaltigen Elektrolyts (Sole), um eine wässrige
Alkalimetallhydroxidlösung (Zellenflüssigkeit) und Halogen und Wasserstoff herzustellen. Der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode weist einen gitterähnlichen Aufbau auf, die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden sind um max. eine halbe Stabbreite gegeneinander versetzt, die Gitterstäbe haben mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung und die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranran ist gleich oder geringer als die Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten, mit einer zwischen den paarweisen Elektroden angeordneten Membran und jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung. Die Elektrolysezelle ist geeignet für die Elektrolyse eines wässrigen, halogenidhaltigen Elektrolyts (Sole), um eine wässrige Alkalymetallhydroxidlösung ( Zellenflüssigkeit) und Halogen und Wasserstoff herzustellen.
[0002] Eine solche Elektrolysezelle ist bereits bekannt aus der DE-OS 28 09 332. Die dort beschriebene Elektrolysezelle vom Filterpressentyp besteht aus einer Vielzahl vertikal und abwechselnd angeordneter flexibler Anoden- und Kathodenplatten mit jeweils zwischen benachbarten Anoden- und Kathodenplatten eingebauter, für Kationen durchlässiger Membran. Anodenplatten, Membran und Kathodenplatten werden mittels nichtleitenden, flexiblen Abstandsplatten in ihrem Abstand zueinander fixiert. Die Dicke der Abstandsplatten, die entweder mit Dichtungsmaterial belegt sind oder selbst aus fast unkompressiblem Dichtungsmaterial bestehen, ist so gewählt, daß die Membran frei zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten sich befindet. Da die Anoden- bzw. Kathodenplatten dünn sind, d.h. keine hohe Flächenstabilität besitzen, ist ihr Abstand über die aktive Fläche zur Membran unterschiedlich. Diese Eigenart hat zur Folge, daß der Abstand von Anodenplatte zu Kathodenplatte ebenfalls unterschiedlich ist und sich hieraus eine unterschiedliche Flächenbelastung (Spannungsverlust, elektrochemischer Wirkungsgrad) ergibt. Darüber hinaus ist es schwierig, die Membran von den Rändern der Zelle her vollkommen glatt zu spannen. Zu den eventuell welligen Anoden- bzw. Kathodenplatten kann dann noch additiv eine Membran mit nicht völliger Ebenheit kommen, d.h. im Raum zwischen Anoden- und Kathodenplatten liegen keine eindeutig gleichmäßigen Abstände und damit Verhältnisse vor..
[0003] 'Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monopolare Filterpressenzelle zu schaffen, die verbesserte Eigenschaften aufweist, gegenüber bekannten Filterpressenzellen.
[0004] Gegenstand der Erfindung ist eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mitteilteil enthalten, mit zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter Membran und jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung die sich dadurch auszeichnet, daß der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist, die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um max. eine halbe Stabbreite gegeneinander versetzt sind, die Gitterstäbe mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung haben und die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranrand gleich oder geringer ist als die Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils.
[0005] Da die Membran selbst als Dichtung wirkt, können in einer Abwandlung der Erfindung auch beide Dichtungen zwischen jeweils einem Elektrodenrand und einem Membranrand zu einer Dichtung zusammengefaßt werden. Danach ergibt sich dann eine Dichtung zwischen nur einem Membranrand und einem Elektrodenrand einer paarweisen Elektrode in der gleichen oder geringeren Dicke als die doppelte Höhe.des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils. Auf diese Weise läßt sich die Anzahl der Teile der Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mindern und damit gleichzeitig die Anzahl der Dichtflächen und evtl. Leckagestellen.
[0006] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Gitterstäbe auf dem Elektrodenblech ausgestanzt und geformt.
[0007] Um das sich bildende Elektrolyseprodukt, wie z.B. H2-Gas und Chlor, sicher nach oben abzuführen, weisen die Gitterstäbe an der Seite der konvexen Wölbung eine Vielzahl von Quereinbuchtungen auf.
[0008] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Abstand der Elektrodenplatten zur Membran zu Null wird, und daß damit der Spannungsverlust in der vollständigen Elektrolysenzellenanlage wesentlich gemindert wird. Es ist nicht wie bisher erforderlich, aufwendige Stützkonstruktionen vorzusehen, damit die.Membran glatt gespannt wird und im Betrieb auch bleibt..
[0009] Durch den Wegfall von Bauelementen für die Stützkonstruktion wird einerseits der Gasabzug aus den Zellen verbessert und gleichzeitig die Baulänge jeder einzelnen Elektrolysezelle gemindert.
[0010] Die konvexe Gestaltung der Gitterstäbe auf der der Membran zugewandten Seite und ihre Versetzung um max. eine halbe Stabbreite hat weiterhin den Vorteil, daß der Abstand der Stäbe zwischen Anodenplatten und Kathodenplatten im konvexen Bereich konstant ist und somit eine hohe wirksame Elektrodenfläche zur Verfügung steht.
[0011] Die Gitterstäbe der Elektrodenplatten können im übrigen an der der aktiven Seite abgewandten Seite jegliche Form haben, auch können sie auf den Rahmen der Elektrodenplatte aufgeschweißt oder anderweitig befestigt sein. Ausschlaggebend für die endgültige Ausgestaltung sind letztlich Materialwahl, Herstellungskosten und Spannungsverlust in der Elektrolysezelle.
[0012] Die Elektrodenplatten, Anode sowie Kathode sind aus einem Material hergestellt bzw. beschichtet gemäß dem Stand der Technik. Die verwendeten Dichtungen entsprechen ebenfalls nach Ausbildung und Material dem Stand der Technik. Die Endplatten der Elektrolysezelle und die erforderlichen Spannanker sind in bekannter Weise ausgeführt. Zur Stromzufuhr und Stromableitung dienen sogenannte Fahnen an jeder Elektrodenplatte.
[0013] Die Erfindungen eignen sich besonders für Membranzellen, die für die Herstellung von Chlor und Natriumhydroxid durch Elektrolyse von wässrigen Natriumchloridlösungen verwendet.
[0014] Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1: Schnitt einer Anodenplatte-Membran-Kathodenplatten-Einheit im Betriebszustand,
Figur 2: Schnitt einer Anodenplatte-Membran-Kathodenplatten-Einheit im Betriebszustand mit nur einer Dichtung zum Festklemmen der Membran.
Figur 3: perspektivische auseinandergezogene Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Membr'anzeile,
Figur 4: Elektrodenplatte mit verschieden geformten bzw. befestigten Gitterstäben.
[0015] Die in Figur 1 dargestellte Einheit besteht aus der Anodenplatte 1 und der Kathodenplatte 2 in vollkommen gleicher konstruktiver Ausgestaltung, aus der Membran 3 zwischen den Platten und aus den Dichtungen 4 zum Festklemmen der Membran und den Dichtungen 5 mit Einlage 6 für Formstabilität und'mit den Öffnungen 7 für verschiedene Reaktionsmedien. Das jeweils zwischen 2 Elektrodenpaketen befindliche Reaktionsmedium im Gemisch mit Produktmedien wie Wasserstoff und Chlorgas erfährt keine Beeinträchtigung der optimalen Verteilungskonzentration durch irgendwelche Stütztkonstruktionselemente.
[0016] Gemäß der perspektivischen Darstellung nach Figur 2 ist der Aufbau der Elektrolysezelle zu erkennen. Aus den jalousieartig gestellten Gitterstäben 8, die auch als Lamellen gestaltet sein können, entweichen die gasförmigen Produktmedien störungsfrei nach oben. Die Membran 3, aus handelüblichem Material hergestellt, wird in bekannter Weise mit der Dichtung 4 befestigt, so daß sie nach Einbau der zweiten Elektrodenplatte erfindungsgemäß zwischen den Elektrodenplatten gespannt ist.
[0017] Sollten fertigungstechnische Vorteile bestehen, können die Gitterstäbe auch Lamellen gemäß Figur 3 von verschiedener Form sein. Wesentlich ist, daß die der Membran zugewandte Seite erfindungsgemäß ausgestaltet ist und der Versatz der Gitterstäbe auf jeder Elektrodenplatte max. eine halbe Stabbreite beträgt.
1. Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit
dadurch gekennzeichnet, daß
a) paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten,
b) zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter Membran,
c) jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist,
e) die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um max. 1/2 Stabbreite gegeneinander versetzt sind,
f) die Gitterstäbe einer Elektrode so angeordnet sind, daß ihr Abstand untereinander kleiner als die Projektion ihrer Breite ist,
g) die Gitterstäbe mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung haben,
h) die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranrand gleich oder geringer ist als die Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils.
2. Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit
dadurch gekennzeichnet, daß
a) paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten,
b) zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter Membran,
c) jeweils zwischen einem Elektrodenrand und einem Membranrand liegender Dichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist,
e) die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um max. 1/2 Stabbreite gegeneinander versetzt sind,
f) die Gitterstäbe einer Elektrode so angeordnet sind, daß ihr Abstand untereinander kleiner als die Projektion ihrer Breite ist,
g) die'Gitterstäbe mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung haben,
h) die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranrand gleich oder geringer ist als die doppelte Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils.
3. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstäbe
aus dem Elektrodenblech ausgestanzt und geformt sind.
4. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die
Gitterstäbe waagerecht verlaufen.
5. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß waagerecht
verlaufende Gitterstäbe Einbuchtungen aufweisen.