[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrolyseur mit einer Diaphragma-Elektroden-Sandwichanordnung
mit einem formstabilen, elektrisch isolierenden Diaphragma und durchlässigen Elektroden
sowie auf eine dafür geeignete Montageeinrichtung.
[0002] Elektrolyseure bestehen aus einer oder insbesondere mehreren zu einem Zellenblock
zusammengefaßten Elektrolysezellen. Die einzelne Zelle wird durch Begrenzungsplatten
oder (bipolare) Trennplatten gebildet, die eine Elektrolysekammer begrenzen, welche
von einem Diaphragma in Anoden- und Kathodenkammer getrennt wird. Anode und Kathode
können sandwichartig am Diaphragma anliegen, soweit dieses nicht selbst elektrisch
leitend ist. Üblicherweise besteht jedoch ein Abstand von etwa 1 bis 3 mm zum Diaphragma.
[0003] Von besonderem technischen Interesse sind derzeit Elektrolyseure für die alkalische
Elektrolyse, insbesondere Wasserelektrolyse, auf die somit in der vorliegenden Beschreibung
besonders Bezug genommen wird.
[0004] Für die alkalische Wasserelektrolyse wurde von der Anmelderin eine Sandwichanordnung
aus einem porösen, elektrisch nichtleitenden Oxiddiaphragma und beidseits anliegenden
aktiven Elektroden entwickelt (DE-OSen 29 27 566, 30 31 064 und 33 18 758), das hier
als besonderes Beispiel zur Erläuterung der Erfindung dienen soll.
[0005] Solche Diaphragmen auf Nickeloxidbasis besitzen eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit
in heißer Lauge, hervorragende Trenneigenschaften hinsichtlich der Produktgase (0
2 und H
2 bei der Wasserelektrolyse) sowie elektrisch isolierende Eigenschaften, die einen
unmittelbaren Kontakt der Elektroden mit dem Diaphragma ("Nullabstand") gestatten.
[0006] Mit solchen Elektroden mit Nullabstand zum Diaphragma wird eine bestmögliche Wirtschaftlichkeit
der Elektrolyse in Anbetracht geringst möglicher Zellspannungen erreicht.
[0007] Ein solches Diaphragma-Elektroden-Sandwich hat allerdings einen Nachteil: Das Diaphragma
bleibt nur dann funktionsfähig, wenn sich an den Elektroden keine Ablagerungen bilden,
die sich dann weiter in das in unmittelbarer Nähe (Nullabstand) befindliche Diaphragma
fortpflanzen können. Das gesamte Zellsystem samt Peripherie muß also sehr korrosionsbeständig
sein: Anderenfalls würden sich Korrosionsprodukte entweder kathodisch als Metalle
oder anodisch als Oxidhydrate abscheiden und von den Elektroden in das Diaphragma
hinein übertreten und dieses zusetzen oder sogar zu Kurzschlüssen führen. In der Praxis
ist es nun jedoch sehr schwer oder doch zumindest sehr kostspielig, einen korrosionsfreien
Zustand aufrechtzuerhalten.
[0008] D.h., die einerseits energetisch günstige und damit wirtschaftliche Verminderung
der Elektrodenabstände ist mit dem Zwang zu kostspieligen Anlagen verbunden, während
die konstruktiv billigere mit merklichem Abstand Diaphragma-Elektroden arbeitende
Lösung energetisch nachteilig ist.
[0009] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen, d.h. eine konstruktive
Lösung zu finden, bei der die Energieverluste aufgrund des Abstandes Diaphragma-Elektroden
gering sind, aber trotzdem für Zelle und Peripherie Konstruktionsmaterialien verwendet
werden können, die bei tragbarem Preis einigermaßen korrosionsbeständig sind, ohne
jedoch jede Korrosion ausschließen zu müssen.
[0010] Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung erreicht durch dünne, sich in Gasabgaberichtung
erstreckende Kunststoff-Fäden mit 5 bis 50 mm Fadenzwischenraum und einer Fadenstärke
von 50 bis 500 um zwischen Diaphragma und Elektrode. Bevorzugte Fadenzwischenräume
liegen zwischen 10 und 20 mm, und Fadenstärken um etwa 200 pm sind besonders zweckmäßig.
[0011] Die Kunststoffäden müssen selbstverständlich unter Elektrolysebedingungen beständig
sein und bestehen insbesondere aus Polytetrafluoräthylen oder auch aus anderen geeigneten
beständigen Kunststoffmaterialien, wie z.B. Polysulfon.
[0012] Durch den Verlauf in Gasabgaberichtung kann vermieden werden, daß sich beständig
sperrende Gaspolster zwischen dem Diaphragma und den Elektroden ausbilden, die den
wirtschaftlichen Betrieb des Elektrolyseurs beeinträchtigen können.
[0013] Die Art der Anbringung der Fäden, die in (bei Zellbetrieb) Gasabgaberichtung verlaufen,
kann grundsätzlich auf beliebige Weise erreicht werden, da der Kontakt mit den angrenzenden
Elementen (Diaphragma und Elektroden) für ein Weiterbestehen der einmal erreichten
Anordnung sorgt. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Festlegung der Fäden am Zellrahmen,
insbesondere in einer Nut desselben, die speziell möglichst unmittelbar benachbart
zur Elektrolytkammer vorgesehen ist.
[0014] In einer solchen Nut können die Fadenenden mittels eines dünnen Drahtes oder Drahtringes
festgeklemmt werden.
[0015] Als besonders zweckmäßig erweist sich eine Montagevorrichtung für die Fäden, wie
sie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervorgeht, die auf
die angefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen schematisch:
Figur 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Diaphragma-Elektroden-Sandwich's im Schnitt
quer zur Gasabgaberichtung;
Figur 2 in Gasabgaberichtung gespannte Fäden während der Montage;
Figur 3 den mit Nuten versehenen Zellrahmen vor der Fadenmontage (im Schnitt);
Figur 4 einen in der Rahmennut festgelegten Faden zwischen Diaphragma und Elektrode
vor dem Zusammenschluß der Zelle (vergrößerter Ausschnitt) und Figuren
5 bis 7 unterschiedliche Phasen der Fadenmontage.
[0016] Gemäß Fig. 1 wird ein elektrisch isolierendes formstabiles Diaphragma 1, das insbesondere
aus porösem Nickeloxid 2 auf einen gerüstgebenden Träger 3 besteht, durch Fäden 4
aus einem unter Elektrolysebedingungen beständigen Kunststoff unter Bildung eines
Abstandes 5 von einer durchlässigen Elektrode 6 getrennt, die insbesondere durch eine
aktivierte Lochblechelektrode gebildet wird, aber auch eine Streckmetallelektrode,
Jalousieelektrode oder auch eine poröse aktivierte Elektrode sein kann.
[0017] Die Fäden 4 verlaufen in Gasabgaberichtung, so daß das an der Elektrodenvorderseite
gebildete Gas ungehindert zur Gassammelleitung des Elektrolyseurs hin entweichen kann,
ohne daß Gaspolster entstehen können.
[0018] Die angegebenen Abmessungen sind als Beispiel zu verstehen und können nach Bedarf
variiert werden.
[0019] Solche Kunststoffäden 4 werden zweckmäßigerweise, wie in Fig. 2 angedeutet ist, mit
Hilfe von versetzten Leitrollen 7, 7', über die der Faden 4 meanderförmig hin- und
herläuft, über den Elektroden 6 ausgespannt und in einer Nut 8 (s. Fig. 3) mit einem
über die Fäden gelegten und in die Nut gepreßten (z.B. gehämmerten) Draht oder Drahtring
9 festgeklemmt. Die überstehenden Fadenenden (jenseits der Nut 8) werden zweckmäßigerweise
weggeschnitten, bevor unter Aufbringung des Diaphragmas 1 die Zelle durch Zusammenspannen
des Zellrahmens 10, der die bipolare Platte 11 umfaßt, fertigmontiert wird.
[0020] Fig. 4 zeigt die Anordnung von Zellrahmen 10, Elektrode 6, Faden 4 und Diaphragma
1 mit Zell-und Diaphragmadichtung 12 in einem Ausschnitt in vergrößerter Form.
[0021] Eine für die Montage des erfindungsgemäß vorgesehenen Fadens 4 besonders geeignete
Vorrichtung ist in den Fig. 5 - 7 angedeutet:
Die daraus ersichtliche Vorrichtung umfaßt einen Rahmen 13 mit einer festen Rollenleiste
14 und einer beweglichen Rollenleiste 15 mit zueinander versetzten Gleitrollen 7,
7', über die der Faden 4 läuft. Die bewegliche Leiste 15 wird durch Führungen 16,
16' parallel zur Leiste 14 gehalten.
[0022] Die bewegliche Leiste 15 kann über die feste Leiste 14 hinweg bewegt werden (s. insbesondere
Fig. 7), und ihre Rollen 7' sind versetzt zu den Rollen 7 der festen Leiste hängend
angeordnet,
[0023] so daß sich die Rollen 7, 7' praktisch in einer Ebene befinden.
[0024] Wie in Fig. 5 angedeutet ist, wird der zunächst nur über die Rollen 7 der festen
Leiste 14 geführte Faden bei Verschiebung der beweglichen Leiste von den kammartig
dazwischen greifenden Rollen 7' mitgenommen und harfenartig über die Fläche der darunter
befindlichen Elektrode (oder ggf. des darunter befindlichen Diaphragmas) ausgezogen.
Während dieses Vorganges soll der Faden noch einen geringen Abstand zu dem darunter
befindlichen Element (Elektrode oder auch evtl. Diaphragma) haben, und er wird dann
nach Anschlag der beweglichen Leiste 15 (bei 17) oder deren Festlegung in gewünschter
Entfernung zur festen Leiste z.B. mit Klemmschrauben (wodurch eine Anpassung der Vorrichtung
an unterschiedliche Zellengrößen erreicht wird) durch ein- oder beidseitige Absenkung
des Rahmens mit der darunter befindlichen Elektrode (oder auch evtl. dem Diaphragma)
in Kontakt gebracht.
[0025] Die Anordnung entspricht dann der Fig. 2 - allerdings noch ohne Klemmdraht oder Klemmring,
der dann aufgesetzt und durch Anhämmern o.dgl. angepreßt wird, woraufhin die über
die Nut nach außen hinausragenden Fadenteile abgeschnitten werden sollten.
[0026] Als Führung für den Rahmen 13 relativ zur Elektrode, über die der Faden gespannt
wird, können z.B. die Montagebolzen eines Zellenblocks dienen.
[0027] Die durch Spreizung (bzw. Voneinanderentfernung) durch Rollenleisten 14, 15 voneinander
harfenartig ausgespannte Faden 4 läuft insbesondere von einer Vorratsrolle (21) ab,
die vom Rahmen 13 gehalten werden kann.
[0028] Das freie Ende des Fadens wird bei 18 festgelegt, beispielsweise mit Hilfe einer
Klemme festgeklemmt, und der Faden läuft über eine Spannrolle 19 zur Vorratsrolle
(21).
[0029] Für die Passung des Montagerahmens 13 auf den Zellrahmen 10 können entsprechende
Paßelemente, wie in 20 angedeutet, vorgesehen sein, die etwa um die Montagebolzen
des Zellenblocks greifen und somit eine einfache Ausrichtung des Montagerahmens 13
ermöglichen.
[0030] Für das Ausspannen des Fadens 4 über sehr großflächigen Elektroden kann der (bei
der Montage zusammenhängende) Faden 4 selbstverständlich in eine Serie von Fäden unterteilt
werden, die von einer Mehrzahl von Vorratsrollen ablaufen, so daß von einer einzelnen
Vorratsrolle jeweils nur ein um z.B. 10 Rollen laufendes Fadenstück abgezogen wird.
Dieser Mehrzahl von Vorratsrollen sind dann eine entsprechende Anzahl von Spannrollen
zugeordnet, und die jeweiligen Fadenenden der Fadenstücke werden ebenso durch eine
Mehrzahl von Festlegungselementen 18 festgelegt. Alternativ kann die Überspannung
größerer Flächen schrittweise erfolgen durch zeitlich aufeinanderfolgende (Teil)Ausspannung
von jeweils nur eines um z.B. 10 Rollen laufenden Fadenstücks.
[0031] Der einen Minimalabstand zwischen Elektrode und Diaphragma gewährleistende Faden
4 wird insbesondere anodenseitig vorgesehen, da ein gewisser Minimalabstand zwischen
Anode und Diaphragma besonders wichtig ist. Üblicherweise wird man jedoch den Faden
auch beidseits des Diaphragmas, also sowohl kathoden- als auch anodenseitig ausspannen.
1. Elektrolyseur mit einer Diaphragma-Elektroden-Sandwichanordnung mit einem formstabilen,
elektrisch isolierenden Diaphragma und durchlässigen Elektroden, gekennzeichnet durch
dünne, sich in Gasabgaberichtung erstreckende Kunststoff-Fäden (4) mit 5 bis 50 mm
Fadenzwischenraum und einer Fadenstärke von 50 bis 500 µm zwischen Diaphragma (1)
und Elektrode (6).
2. Elektrolyseur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Fadenzwischenraum von
10 bis 20 mm.
3. Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Fadenstärke um
200 pm.
4. Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (4) aus Polytetrafluoräthylen bestehen.
5. Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (4) zwischen den Elektroden (6) und dem Diaphragma
(1) am Zellrahmen (10) festgelegt sind.
6. Elektrolyseur nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die Fadenenden in einer Nut (8) im Zellrahmen (10) eingeklemmt
sind.
7. Elektrolyseur nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch eine zur Elektrolytkammer unmittelbar benachbarte Nut (8).
8. Elektrolyseur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Fadenenden
durch einen dünnen Draht bzw. Drahtring (9) in der Nut (8) festgeklemmt sind.
9. Vorrichtung zur Montage der Fäden in einer Sandwichanordnung nach einem der Ansprüche
5 bis 8,
gekennzeichnet durch einen auf den Zellrahmen (10) aufzupassenden Montagerahmen (13)
mit einer festen Rollenleiste (14) auf einer Seite des Zellrahmens und Seitenführungen
(16, 16'), die parallel zur Gasabgaberichtung der montierten Zelle verlaufen, für
eine über die Zellrahmenfläche verschiebliche Rollenleiste (15) mit zur festen Leiste
versetzten Rollen (7') und mit zumindest einem Mittel (18) zur Festlegung zumindest
eines Fadenendes und einer entsprechenden Anzahl von Spannrollen (19) für das jeweils
andere Ende des meanderförmig über die Rollen geführten Fadens (4).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch zumindest eine Vorratsrolle, von welcher der an dem einen Ende
festgelegte Faden abläuft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die bewegliche
Rollenleiste (15) über die feste Rollenleiste (14) übergreifend bewegbar ist, zwischen
deren Rollen (7) die in gleicher Ebene liegenden Rollen (7') der beweglichen Leiste
(15) hindurchführbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der
aufgepaßte Montagerahmen (13) den Zellrahmen (10) in Gasabgaberichtung überragt.