MEMBRAN-ELEKTROLYSEZELLE MIT AKTIVER GAS-/FLÜSSIGKEITSTRENNUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Halbzelle wenigstens bestehend aus einer Membran, einer Gas entwickelnden Elektrode als Anode oder Kathode, einem Auslass für das Gas und einer Tragstruktur, welche die Elektrode mit der Halbzellenrückwand verbindet, wobei die Tragstruktur ein gefaltetes, elektrisch leitfähiges Blech ist, welches den Innenraum der Halbzelle in senkrecht angeordnete Kanäle aufteilt, wobei der Elektrolyt in den der Elektrode zugewandten Elektrodenkanälen aufwärts strömt und in den der Elektrode abgewandten Kanälen abwärts strömt, die Elektrodenkanäle und die der Elektrode abgewandten Kanäle an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und alternierend nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind und die Elektrodenkanäle an ihrem oberen Ende eine Querschnittsverengung aufweisen.

[0002] Die unvollständige bzw. falsch durchgeführte Gastrennung im oberen Bereich aus dem Stand der Technik bekannter Elektrolysezellen führt an dieser Stelle zu unzureichender Benetzung der Membran mit Erhöhung des elektrischen Widerstands der Membran. Dies bewirkt eine Erhöhung der integralen Zellspannung und birgt darüber hinaus die Gefahr lokaler Membranschäden infolge sog. "Verblisterung". Die Schädigung der Membran geht bis hin zum Durchtritt von Elektrodengas und unter Umständen zur Bildung explosiver Gasgemische. Darüber hinaus können durch fehlerhafte Gastrennung pulsierende Druckstöße im Elektrolytraum ausgelöst werden, die Membranbewegungen mit der Gefahr von vorzeitiger Alterung durch mechanische Beschädigung zur Folge haben.

[0003] Ein weiteres Problem besteht darin, die Elektrolysezelle mit möglichst homogener vertikaler und horizontaler Temperatur- sowie Konzentrationsverteilung (Salzkonzentration oder pH-Wert des Elektrolyten) im Bereich des Elektrolytraumes vor der Membranfläche zu betreiben, ebenfalls um eine vorzeitige Membranalterung zu vermeiden. Dies ist allgemein wünschenswert für den Betrieb aller gasentwickelnden Elektrolyseure, insbesondere jedoch für den Einsatz von Gasdiffusionselektroden, bei denen die Wärmeabfuhr (Abfuhr der Verlustwärme) überwiegend oder vollständig über den Elektrolytkreislauf auf der anderen, gaserzeugenden Seite erfolgen muss, je nachdem, ob jenseits der Membran mit endlichem Elektrolytspalt (finite gap) oder mit aufliegender Gasdiffusionselektrode gearbeitet wird. Dies bedingt unter Umständen eine Absenkung der Temperatur des einströmenden frischen Elektrolyten für die gaserzeugende Seite, die hier nicht zu lokaler Überkühlung führen darf.

[0004] Es hat in der Vergangenheit einige Vorschläge zur Minderung dieser Probleme, allerdings nur für die klassische Wasserstoff-entwickelnde NaCl-Elektrolyse gegeben. So wird in der Europäischen Offenlegungsschrift EP 0579910 A1 ein System zur Anregung eines internen Naturumlaufes beschrieben, insbesondere, um eine Ansäuerung von Sole für die NaCl-Elektrolyse wirksamer zu machen und zu starke Schaumbildung im oberen Bereich der Elektrolysezelle zu verringern.

[0005] In der Europäischen Offenlegungsschrift EP 0599363 A1 wird auf verschiedene Methoden der Behandlung prozessbedingter Gasblasen eingegangen, ohne dass die entscheidenden Elemente genannt werden, die eine vollständige Trennung von Gas und Elektrolyt bei völlig pulsationsfreiem, auch gemeinsamem Ablauf der getrennten Phasen aus der Zelle sowie eine Vergleichmäßigung von Temperatur und Konzentration bis in die Ecken der Zelle ermöglichen.

[0006] EP-A-0 412 600 beschreibt eine elektrochemische Halbzelle mit senkrecht angeordneten Kanälen, in denen keine Chlorentwicklung stattfindet, da der Elekrolyt von den Elektroden abgeschirmt ist. Diese Kanäle werden aus vertikalen Profilen gebildet, die paarweise mit Hilfe von vertikal angeordneten Platten verbunden sind. Die Kanäle sind zusätzlich mit Hilfe von horizontalen Verstrebungen elektrisch leitend mit dem Gehäuse der Halbzelle verbunden.

[0007] Die Lösung dieser Probleme der bekannten Elektrolysehalbzellenanordnungen wird durch eine Halbzelle gemäß Oberbegriff mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruches erreicht.

[0008] Gegenstand der Erfindung ist eine elektrochemische Halbzelle wenigstens bestehend aus einer Membran, einer Gas entwickelnden Elektrode als Anode oder Kathode, einem Auslass für das Gas und einer Tragstruktur, welche die Elektrode mit der Halbzellenrückwand verbindet, wobei die Tragstruktur ein gefaltetes, elektrisch leitfähiges Blech ist, welches den Innenraum der Halbzelle in senkrecht angeordnete Kanäle aufteilt, wobei der Elektrolyt in den der Elektrode zugewandten Elektrodenkanälen aufwärts strömt und in den der Elektrode abgewandten Kanälen abwärts strömt, die Elektrodenkanäle und die der Elektrode abgewandten Kanäle an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und alternierend nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind und die Elektrodenkanäle an ihrem oberen Ende eine Querschnittsverengung aufweisen.

[0009] Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine elektrochemische Halbzelle wenigstens bestehend aus einer Membran, einer Gas entwickelnden Elektrode als Anode oder Kathode, einem Auslass für das Gas und einer Tragstruktur, welche die Elektrode mit der Halbzellenrückwand verbindet, wobei die Tragstruktur aus senkrecht in die Halbzelle eingebaute Strukturelementen, welche die Elektrode elektrisch mit der Halbzellenrückwand kontaktieren und halten, sowie aus Strömungsleitstrukturen, welche zwischen die Strukturelemente eingesetzt sind, gebildet wird, wobei die Tragstruktur den Innenraum der Halbzelle in senkrecht angeordnete Kanäle aufteilt, wobei der Elektrolyt in den der Elektrode zugewandten Elektrodenkanälen aufwärts strömt und in den der Elektrode abgewandten Kanälen abwärts strömt, die Elektrodenkanäle und die der Elektrode abgewandten Kanäle an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und alternierend nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind und die Elektrodenkanäle an ihrem oberen Ende eine Querschnittsverengung aufweisen.

[0010] Dabei können die Kanäle mit Abwärtsströmung und die Elektrodenkanäle einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

[0011] Eine vertikal ausgerichtete parallele Tragestruktur trennt in einer besonderen Anordnung die zur Elektrode hin offenen Kanäle, in denen das leichtere Elektrolyt-Gasgemisch aufsteigt, von zur Rückwand hin offenen Kanälen, in denen der entgaste schwerere Elektrolyt wieder abwärts fließt. Wesentlich für die Verbesserung der Gastrennung ist hierin eine oben an den Elektrolytkanälen befindliche Verengung, die durch ein tragflügelähnliches Strömungs-Umlenkprofil erzeugt wird, das zur Elektrode hin gebogen ist. Die Zweiphasenströmung wird in der Verengung zwischen Elektrode und Profil beschleunigt, über der nach hinten gebogenen Oberkante des Profils entspannt und auf der Rückseite des Profils unter Trennung der Phasen entgast. Auf seiner Rückseite gibt das Profil Öffnungen in die Abwärtskanäle frei, so dass der schwerere, weil entgaste Elektrolyt abwärts fließt und am Halbzellenboden über Verbindungsöffnungen gemeinsam mit frisch zugespeistem Elektrolyten wieder als Gas aufnehmende Fraktion in die zur Elektrode offenen Kanäle einfließt und so den internen Naturumlauf des Elektrolyten bewirkt.

[0012] Vorzugsweise beträgt die Querschnittsfläche der Elektrodenkanäle im schmalsten Bereich der Verengung im Verhältnis zur Querschnittsfläche der Elektrodenkanäle unterhalb der Verengung von 1 zu 2,5 bis 1 zu 4,5.

[0013] Die Verengung der Elektrodenkanäle kann beispielsweise durch eine gewinkelte Leitstruktur gebildet werden.

[0014] Die Verengung der Elektrodenkanäle weist insbesondere einen Bereich mit gleichbleibendem Querschnitt auf, wobei die Höhe dieses Bereiches höchstens 1 : 100 im Verhältnis zur Höhe der aktiven Membranfläche beträgt.

[0015] Die Herstellung der Halbzelle ist besonders vereinfacht möglich, wenn die Leitstruktur mit der Tragstruktur einstückig ausgebildet ist.

[0016] Ebenso vorteilhaft ist eine Ausführung der Halbzelle, bei der die Tragstruktur über die ganze Höhe der Elektrodenkanäle und der Kanäle mit Abwärtsströmung einstückig ausgebildet ist.

[0017] Vorteilhaft für die Gastrennung vom Elektrolyten ist eine Ausführung, bei der die Elektrodenkanäle oberhalb der Verengung eine Aufweitung ihres Querschnitts aufweisen.

[0018] Der die Zelle verlassende überschüssige Elektrolyt kann hinter dem Strömungs-Umlenkprofil entweder oben seitlich oder aber über ein vertikales Standrohr nach unten abgeführt werden.

[0019] Besonders vorteilhaft ist also eine Halbzelle, die einen Auslass für den entgasten Elektrolyten und das bei der Elektrolyse gegebenenfalls gebildete Gas, insbesondere ein Standrohr mit Durchführung im Zellenboden oder einen an einer Seitenwand der Zelle angeordneten Auslass, aufweist, der knapp oberhalb des oberen Endes der Elektrodenkanäle angeordnet ist.

[0020] Wie die experimentelle Erfahrung zeigt, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn die Gesamtstruktur - bis auf die Verbindungsöffnungen ganz unten und den wenige mm breiten Verbindungsspalt über dem Profil ganz oben - aus einer funktionalen Einheit besteht, um folgende Funktionen zu erfüllen:

• Trennung der Gasblasen vom Elektrolyten über den sog. "bubble jet" oben, um eine Abfuhr von Elektrolyt und Produktgas getrennt oder aber phasengetrennt gemeinsam, vor allem aber ohne jegliche Druckpulsationen zu ermöglichen
• Vergleichmäßigung des vertikalen Temperaturprofils durch einen lebhaften Naturumlauf über die volle Höhe zur Optimierung der Membranfunktion
• Vergleichmäßigung des vertikalen Konzentrationsprofils über den gleichen Mechanismus zur Optimierung der Membranfunktion
• Vergleichmäßigung des vertikalen pH-Profils z.B. bei der gezielten Ansäuerung der Sole bei der NaCl-Elektrolyse zur Verbesserung von Chlorausbeute und -qualität. Lokale Übersäuerung der Sole wäre schädlich für die Membran

[0021] Neben der hydraulischen Funktion übernimmt die Tragestrukur die Funktion der mechanischen Halterung der Elektrode und darüber hinaus die Funktion der niederohmigen Verbindung der Elektrode mit der Zellrückwand.

[0022] Die Tragstruktur mit den Elektrodenkanälen und den Abströmkanälen füllt den Innenraum der Halbzelle in einer bevorzugten Variante zu mindestens 90 % aus.

[0023] Vorzugsweise ist die Tragstruktur elektrisch leitend und ist elektrisch leitend mit der Elektrode und mit insbesondere mit der Rückwand der Halbzelle verbunden.

[0024] Bevorzugt ist dann die Elektrode elektrisch leitend mit der Tragstruktur der Halbzelle verbunden und auf der Tragstruktur befestigt.

[0025] Zur Temperierung des Elektrolyten wird vorzugsweise dem Einlass des Elektrolyten ein Wärmetauscher vorgeschaltet, durch den frischer Elektrolyt und gegebenenfalls vom Auslass rückgeführter entgaster Elektrolyt in die Halbzelle eingeleitet wird, so dass gegebenenfalls ein temperatursteuernder Elektrolytkreislauf gebildet wird.

[0026] Die druckstoßfreie und vollständige Abtrennung der Gasblasen, verbunden mit der Vergleichmäßigung von Temperatur-, Konzentrations- und pH-Profil bekommt eine besondere Bedeutung beim Einsatz von Gasdiffusionselektroden in einer der Halbzellen, sei es anoden- oder kathodenseitig, bei gasentwickelndem Prozess auf der anderen Seite der Membran. In diesen Fällen muss die Abfuhr der ohmschen Verlustwärme zu einem großen Teil oder vollständig über den Elektrolyten aus der gaserzeugenden Seite des Elektrolyseurs erfolgen, je nach Art des Betriebs der Gasdiffusionselektrode.

[0027] Der in der Anodenkammer umgesetzte Elektrolyt ist beispielsweise eine wässrige Natriumchloridlösung oder eine Salzsäurelösung und als Anodengas fällt hierbei Chlor an. Die Gegenelektrode ist eine Sauerstoffverzehrkathode.

[0028] Wird z.B. bei der NaCl-Elektrolyse kathodenseitig eine Sauerstoffverzehrkathode mit schmalem Katholytspalt betrieben, wie in EP 0717130 B1 und Folgepatenten beschrieben, kann die kathodenseitige Wärmeabfuhr nur über eine Pfropfenströmung ohne Turbulenz erfolgen, was die Wärmebilanz mehr auf die Anodenseite verlagert, will man nicht mit zu hohen kathodenseitigen Aufwärmspannen arbeiten, die bekanntlich der Membran nicht zuträglich sind. Hier muss also entweder mit gekühltem Elektrolyten in einfacher Bespeisung oder aber gegebenenfalls mit einem ebenfalls gekühlten Anolytkreislauf gefahren werden, um die zellinternen Temperaturverteilungen auf dem optimalen Niveau zu halten.

[0029] Wird z.B. eine NaCl- oder aber HCl-Elektrolyse mit aufliegender Sauerstoffverzehrkathode betrieben, ist die kathodenseitige Wärmeabfuhr marginal; die Wärme muss praktisch vollständig über den Anolyten abgeführt werden. Dies bedingt i.a. einen externen Anolytkreislauf mit Kühlung.

[0030] In all diesen Fällen kommt einer internen Vergleichmäßigung von Temperatur, Konzentration und gegebenenfalls pH-Wert besondere Bedeutung zu, weil die in die Zelle eingespeiste Elektrolytmenge im Vergleich zur internen Zirkulation zunimmt, so dass letztere besonders intensiv sein muss, um eine auch nur lokale Schieflage zu vermeiden. Dies gilt insbesondere auch für ein durchaus wünschenswertes kräftiges Ansäuern der Sole im Falle der NaCl-Elektrolyse, das sich normalerweise nach dem niedrigsten lokalen pH-Wert richten muss.

[0031] Wird also die Halbzelle mit endlichem Katholytspalt (finite gap) vor einer Sauerstoffverzehrkathode betrieben, kann ein Teil der Verlustwärme kathodenseitig über die Durchströmung dieses Katholytspaltes und externe Kühlung abgeführt werden, während der überwiegende Teil der Verlustwärme mit dem Anolytstrom abgeführt wird

[0032] Wird dagegen die Halbzelle mit einer auf der Membran aufliegenden Sauerstoffverzehrkathode (zero gap) betrieben, wird die gesamte Verlustwärme über den Anolytstrom abgeführt.

[0033] Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Halbzelle sind also die vertikale Vergleichmäßigung der Temperatur des Elektrolyten und die vertikale Vergleichmäßigung der Elektrolytkonzentration.

[0034] Die erfindungsgemäße Halbzelle ist generell bei allen gasentwickelnden Elektrolysen anwendbar. Sie bekommt eine besondere Bedeutung bei Elektrolysen, bei denen sich Elektrolyt und Gas schwerer voneinander trennen lassen.

[0035] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert ohne dass dadurch die Erfindung im einzelnen eingeschränkt ist.

[0036] Es zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Halbzelle ohne Stromzuleitung entsprechend der Linie B-B' in Fig. 3

Fig. 2

einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Halbzelle entsprechend der Linie A-A' in Fig. 3

Fig. 3

Die Vorderansicht der erfindungsgemäßen Halbzelle mit abgenommener Elektrode

Fig. 4

Alternativstrukturen zur Strömungsführung in der erfindungsgemäßen Halbzelle

Beispiele

[0037] In einer Halbzelle 1 ist eine Strömungs- und Tagesstruktur 12 elektrisch leitend eingeschweißt (Fig. 1). Sie trägt die Elektrodenstruktur 3, auf der wiederum die Membran 4 entweder aufliegt oder mit einem kleineren Abstand von der Elektrodenstruktur 3 positioniert ist.

[0038] Die Tragestruktur 12 ist aus trapezförmig geformten Blechen aufgebaut, die senkrechte Kanäle formen, die abwechselnd zur Elektrode hin offen sind oder als Abströmkanäle 5 zur Rückwand 15 gerichtet sind.

[0039] Der Frischelektrolyt 17 strömt über ein Eintrittsrohr 10 und durch Öffnungen 11 in den Halbzelleninnenraum 13 ein, wobei die Öffnungen 11 so verteilt sind, dass sie jeden der zur Elektrode hin offenen Kanäle 9 mit Frischelektrolyt versorgen. Je nach Anwendungen können die Öffnungen 11 auch unter den Abströmkanälen 5 angeordnet sein, um eine Vermischung zwischen dem Frischelektrolyten und dem in den Abströmkanälen 5 abströmenden Elektrolyten zu verbessern (siehe Fig. 2).

[0040] Die Gasentwicklung an der Elektrode 3 führt zu einem Auftrieb des Elektrolyten in den zur Elektrode offenen Kanälen 9. Der mit Gasblasen durchsetzte Elektrolyt 14 strömt hier aufwärts, wird an einer Profilstruktur 2, die aus dem Trapezblech hervorgeht, zur Elektrode hin umgelenkt. Er wird im Spalt 7 zwischen Elektrode 3 und Profilstruktur 2 beschleunigt und im sich oberhalb der Profilstruktur wieder aufweitenden Querschnitt des Kanals 9 entspannt. Durch den Wechsel zwischen Beschleunigung und Entspannung wird eine sehr wirkungsvolle Blasentrennung erreicht, so dass auf der Rückseite der Profilstruktur bereits eine weitestgehende Trennung zwischen Elektrolyt und Elektrodengas erfolgt ist. Die Profilstruktur 2 ragt nur in die Aufströmkanäle 9, ist jedoch offen in Richtung der Abströmkanäle 5. So kann der entgaste schwerere Elektrolyt in den Abströmkanälen 5 abwärtsfließen, sich mit dem unten einfließenden Frischelektrolyten vermischen und durch die Gasentwicklung an der Elektrodenstruktur wieder in eine Aufwärtsströmung umwandeln, so dass sich eine intensive Naturkonvektion ergibt (siehe Fig. 3).

[0041] Der Überschusselektrolyt 18 verlässt die Halbzelle 1 gemeinsam mit dem hinter dem Profil 2 abgetrennten Gas entweder über ein Standrohr 8, wie in Fig. 1 und 3 dargestellt ist oder aber über einen seitlichen Auslass 16, wie in Fig. 2 sowie in Fig. 3 alternativ eingezeichnet ist.

[0042] Alternativ zu der aus trapezförmig gestalteten Blechen gestalteten Strömungsstruktur sind mit vergleichbarem Erfolg auch folgende Varianten einsetzbar (vgl. Fig. 4). Für den Fall, dass die gasentwickelnden Elektroden 3, seien es Anoden oder Kathoden, über senkrecht eingesetzte Strukturelemente 29 mit der Rückwand der Halbschalen 1 verbunden sind, können zwischen diese Strukturelemente Strömungsleitstrukturen in halbrunder Form 28 mit dem Blasen-Aufströmbereich 20 und dem Abströmbereich 21, als Diagonalelement 27 mit dem Blasen-Aufströmbereich 24 und dem Abströmbereich 25 oder als parallel zur Rückwand laufendes Trennelement 26 mit dem Blasen-Aufströmbereich 22 und dem Abströmbereich 23 eingesetzt werden. Insbesondere das Trennelement 26 kann auch als eine durchgehende Platte die Strukturelemente 29 in geeigneter Weise durchdringen und sich über die gesamte Elementbreite erstrecken. Es kann sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn diese Trennelemente jeweils einzeln zwischen die Strukturelemente 29 eingesetzt werden, bevor die Elektroden 3 eingeschweißt werden und die Trennelemente fixieren.

[0043] Wesentlich ist, dass sich die jeweiligen Strömungskanäle analog der Trapezstrukturen über die gesamte Höhe des Elementes erstrecken und im oberen Bereich die Blasen-Aufströmbereiche - hier nicht dargestellt - analog der Profilstruktur 2 verengen, um eine Entgasung des Elektrolyten nach Passieren der Verengung auszulösen. Da die Trennelemente 26, 27, 28 keine elektrische Funktion haben, können sie nicht nur metallisch, sondern auch nichtleitend aus geeigneten Kunststoff-Formteilen, die geeignete chemische Stabilität und Temperaturfestigkeit aufweisen, ausgeführt werden. Hier bietet sich je nach Anwendung z.B. Halar® oder Telene® an.

Beispiel 1

[0044] In einer NaCl-Elektrolyse-Pilotzelle mit 4 bipolaren Elementen mit einer Fläche von jeweils 1224 × 254 mm², wobei die Höhe der vollen technischen Höhe entspricht, sind bei einer Tiefe der Anodenhalbzelle 1 von 31 nun zwei volle und zwei halbe Aufwärtskanäle 9 sowie drei Abwärtskanäle 5 mit einem gefalteten Blech 12 als Tragstruktur, das den Halbzelleninnenraum 13 teilt, verwirklicht worden (Figur 1 zeigt eine Anordnung mit einem halben und vier vollen Aufwärtskanälen 9 und einem halben und vier vollen Abwärtskanälen 5). Der Stromkontakt zur Anode 3 erfolgte von der Halbzellenrückwand 15 über die Tragstruktur 12. Die Profilstruktur 2 deckt die Aufwärtskanäle 9 am oberen Ende unter ca. 60° ab und verengt den Strömungsquerschnitt bis auf einen 6 mm breiten Spalt 7 zur Anode 3 hin. Der zurückgebogene Teil 6 des Profils 2 lässt einen 8 mm Spalt zur Oberkante der Halbzelle 1 für den Durchtritt der Zweiphasenströmung nach hinten frei (siehe Fig. 2). Die Durchtrittsöffnungen zu den Abwärtskanälen 5 sind offen für ein ungehindertes Abströmen des entgasten Elektrolyten 14. Am unteren Ende bleibt ein ca 20 mm breiter Spalt, durch den die abwärts strömende entgaste Sole 14 gemeinsam mit der aus den Öffnungen 11 der Leitung 10 zugespeisten Frischsole 16 wieder in die Aufstiegskanäle 9 einfließen kann, wo sie erneut mit Anodengas angereichert wird. Die überschüssige Anolytsole wird über ein Standrohr 8, das etwas unterhalb der Oberkante des Profils 2 endet, aufgenommen und nach unten aus der Zelle 1 abgeführt. In der nicht dargestellten Kathoden-Halbschale sind Sauerstoffverzehrkathoden im finite gap modus bei einem Katholytspalt von 3 mm im Einsatz.

[0045] In einem Dauertest wurde untersucht, inwieweit die Phasentrennung erfolgt und ob Zelle frei von Druckpulsationen betrieben werden kann. Es zeigte sich, dass die Halbzellen im Arbeitsbereich zwischen 3 und 7 kA/m² mit vollständiger Trennung von Gas und Elektrolyt betrieben werden können, d. h. der ablaufende Anolyt war vollständig blasenfrei und lief völlig gleichmäßig und ohne jede fühlbare oder sichtbare Pulsation ab.

Beispiel 2:

[0046] Es wurde eine Betriebsweise getestet, bei der mit angepasstem Katholytkreislauf die Wärmebilanz über vorgekühlte Sole dergestalt eingestellt wurde, dass die Austrittstemperatur auf 85°C begrenzt wurde. In Abhängigkeit von der eingestellten Stromdichte ergaben sich folgende Aufwärmspannen:

Stromdichte (kA/m2)	Sole (°C)	Lauge (°C)	Umpump Lauge (l/h)	Umpump Sole (l/h)
3	77 - 85	77 - 85	250	-
4,5	68 - 85	75 - 85	250	-
6	44 - 85	77 - 86	400	50

[0047] Es zeigte sich, dass bei den sehr hohen Stromdichten für die Wärmeabfuhr zusätzlich ein moderater Anolytkreislauf mit entsprechender Vorkühlung angebracht ist. Nur so und mit technisch realistischen Sole-Einlauftemperaturen lässt sich die katholytseitige Aufwärmspanne auf <10 K drücken.

Ansprüche

1. Elektrochemische Halbzelle (1) wenigstens bestehend aus einer Membran (4), einer Gas entwickelnden Elektrode (3) als Anode oder Kathode, einem Auslass (8; 16) für das Gas und einer Tragstruktur (12), welche die Elektrode (3) mit der Halbzellenrückwand (15) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (12) ein gefaltetes, elektrisch leitfähiges Blech ist, welches den Innenraum (13) der Halbzelle (1) in senkrecht angeordnete Kanäle (5, 9) aufteilt, wobei der Elektrolyt (14) in den der Elektrode (3) zugewandten Elektrodenkanälen (9) aufwärts strömt und in den der Elektrode (3) abgewandten Kanälen (5) abwärts strömt, die Elektrodenkanäle (9) und die der Elektrode (3) abgewandten Kanäle (5) an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und alternierend nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind und die Elektrodenkanäle an ihrem oberen Ende eine Querschnittsverengung (7) aufweisen.

2. Elektrochemische Halbzelle (1) wenigstens bestehend aus einer Membran (4), einer Gas entwickelnden Elektrode (3) als Anode oder Kathode, einem Auslass (8; 16) für das Gas und einer Tragstruktur (12), welche die Elektrode (3) mit der Halbzellenrückwand (15) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (12) aus senkrecht in die Halbzelle (1 ) eingebaute Strukturelementen (29), welche die Elektrode (3) elektrisch mit der Halbzellenrückwand (15) kontaktieren und halten, sowie aus Strömungsleitstrukturen (26;27;28), welche zwischen die Strukturelemente (29) eingesetzt sind, gebildet wird, wobei die Tragstruktur (12) den Innenraum (13) der Halbzelle (1) in senkrecht angeordnete Kanäle (5, 9) aufteilt, wobei der Elektrolyt (14) in den der Elektrode (3) zugewandten Elektrodenkanälen (9) aufwärts strömt und in den der Elektrode (3) abgewandten Kanälen (5) abwärts strömt, die Elektrodenkanäle (9) und die der Elektrode (3) abgewandten Kanäle (5) an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende miteinander verbunden sind und alternierend nebeneinander oder hintereinander angeordnet sind und die Elektrodenkanäle an ihrem oberen Ende eine Querschnittsverengung (7) aufweisen.

3. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (5) mit Abwärtsströmung und die Elektrodenkanäle (9) einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

4. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Elektrodenkanäle (9) im Bereich der Verengung (7) im Verhältnis zur Querschnittsfläche der Elektrodenkanäle (9) unterhalb der Verengung (7) von 1:2,5 bis 1:4,5 beträgt.

5. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (7) der Elektrodenkanäle (9) einen Bereich mit gleichbleibendem Querschnitt aufweist und dass die Höhe dieses Bereiches höchstens 1:100 im Verhältnis zur Höhe der aktiven Membranfläche beträgt.

6. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung (7) der Elektrodenkanäle (9) durch eine gewinkelte Leitstruktur (2) gebildet wird.

7. Elektrochemische Halbzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gewinkelte Leitstruktur (2) in Form eines Umlenkprofils gestaltet ist.

8. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur (2) mit der Tragstruktur (12) einstückig ausgebildet ist.

9. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenkanäle (9) oberhalb der Verengung (7) eine Aufweitung (6) des Querschnitts aufweisen.

10. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (12) über die ganze Höhe der Elektrodenkanäle (9) und der Kanäle (5) mit Abwärtsströmung einstückig ausgebildet ist.

11. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbzelle einen Auslass (8; 16) für den entgasten Elektrolyten und das bei der Elektrolyse gebildete Gas, insbesondere ein Standrohr (8) oder einen an einer Seitenwand der Zelle angeordneten Auslass (16), aufweist, der knapp oberhalb des oberen Endes der Elektrodenkanäle (9) angeordnet ist.

12. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (12) mit den Elektrodenkanälen (9) und den Abströmkanälen (5) den Innenraum (13) der Halbzelle (1) zu mindestens 90 % ausfüllt.

13. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (14) eine wässrige Natriumchloridlösung oder eine Salzsäurelösung ist und die Elektrode (3) eine Chlor entwickelnde Anode, während die zugehörige Kathode als Sauerstoffverzehrkathode betrieben wird.

14. Elektrochemische Halbzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlass (10, 11) des Elektrolyten (14) ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist, durch den frischer Elektrolyt und gegebenenfalls vom Auslass (8; 16) rückgeführter entgaster Elektrolyt in die Halbzelle (1) eingeleitet wird.

15. Elektrochemische Halbzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstrukturen (26; 27; 28) aus Metall oder Kunststoff bestehen.

16. Elektrochemische Halbzelle nach Anspruch 2 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstruktur (26) einschließlich der Profilstruktur einstückig über die ganze Elementfläche ausgeführt ist.

Claims

1. Electrochemical half-cell (1) at least comprising a membrane (4), an electrode (3), which generates gas, as anode or cathode, an outlet (8; 16) for the gas, and a supporting structure (12) which connects the electrode (3) to the half-cell rear wall (15), characterized in that the supporting structure (12) is a folded, electrically conductive metal sheet which divides the interior (13) of the half-cell (1) into vertically arranged channels (5, 9), the electrolyte (14) flowing upwards in the electrode channels (9) facing the electrode (3) and flowing downwards in the channels (5) facing away from the electrode (3), the electrode channels (9) and the channels (5) facing away from the electrode (3) being connected to one another at their top ends and at their bottom ends and being arranged alternately next to one another or one behind the other, and the electrode channels having a cross-sectional constriction (7) at their top ends.

2. Electrochemical half-cell (1) at least comprising a membrane (4), an electrode (3), which generates gas, as anode or cathode, an outlet (8; 16) for the gas, and a supporting structure (12) which connects the electrode (3) to the half-cell rear wall (15), characterized in that the supporting structure (12) comprises structural elements (29) installed perpendicularly in the half-cell (1) which make contact electrically between the electrode (3) and the half-cell rear wall (15) and hold the electrode (3), and comprises flow guide structures (26; 27; 28) which are inserted between the structural elements (29), the supporting structure (12) dividing the interior (13) of the half-cell (1) into vertically arranged channels (5, 9), the electrolyte (14) flowing upwards in the electrode channels (9) facing the electrode (3) and flowing downwards in the channels (5) facing away from the electrode (3), the electrode channels (9) and the channels (5) facing away from the electrode (3) being connected to one another at their top ends and at their bottom ends and being arranged alternately next to one another or one behind the other, and the electrode channels having a cross-sectional constriction (7) at their top ends.

3. Electrochemical half-cell according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the channels (5) carrying a downward flow and the electrode channels (9) have a trapezoidal cross section.

4. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the cross-sectional area of the electrode channels (9) in the region of the constriction (7) in proportion to the cross-sectional area of the electrode channels (9) below the constriction (7) is from 1:2.5 to 1:4.5.

5. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that the constriction (7) of the electrode channels (9) has a region of constant cross section and in that the height of this region is at most 1:100 in proportion to the height of the active membrane surface.

6. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the constriction (7) of the electrode channels (9) is formed by an angled guide structure (2).

7. Electrochemical half-cell according to Claim 6, characterized in that the angled guide structure (2) is designed in the form of a deflector profile.

8. Electrochemical half-cell according to either of Claims 6 and 7, characterized in that the guide structure (2) and the supporting structure (12) form one piece.

9. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 8, characterized in that the electrode channels (9) above the constriction (7) have an expansion (6) of their cross sections.

10. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 9, characterized in that the supporting structure (12) is in the form of one piece over the entire height of the electrode channels (9) and the channels (5) carrying a downward flow.

11. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that the half-cell has an outlet (8; 16) for the degassed electrolyte and the gas formed during the electrolysis, in particular a vertical pipe (8) or an outlet (16) disposed on a side wall of the cell, said outlet being disposed just above the top ends of the electrode channels (9).

12. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 11, characterized in that the supporting structure (12) together with the electrode channels (9) and the downflow channels (5) fills the interior (13) of the half-cell (1) to at least 90%.

13. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 12, characterized in that the electrolyte (14) is an aqueous sodium chloride solution or a hydrochloric acid solution and the electrode (3) is a chlorine-generating anode, while the corresponding cathode is operated as an oxygen-consuming cathode.

14. Electrochemical half-cell according to any one of Claims 1 to 13, characterized in that upstream of the inlet (10, 11) of the electrolyte (14) there is a heat exchanger via which fresh electrolyte and optionally degassed electrolyte recirculated from the outlet (8; 16) are introduced into the half-cell (1).

15. Electrochemical half-cell according to Claim 2, characterized in that the flow guide structures (26; 27; 28) are made of metal or plastic.

16. Electrochemical half-cell according to Claim 2 or 15, characterized in that the flow guide structure (26) including the profile structure is in the form of one piece covering the entire element area.

Revendications

1. Demi-cellule électrochimique (1) au moins constituée d'une membrane (4), d'une électrode (3) qui dégage un gaz et qui sert d'anode ou de cathode, d'une évacuation (8; 16) pour le gaz et d'une structure porteuse (12) qui relie l'électrode (3) à la paroi arrière (15) de la demi-cellule, caractérisée en ce que la structure porteuse (12) est une tôle électriquement conductrice pliée qui divise l'espace intérieur (13) de la demi-cellule (1) en canaux (5, 9) disposés verticalement, l'électrolyte (14) s'écoulant vers le haut dans les canaux d'électrode (9) tournés vers l'électrode (3) et vers le bas dans les canaux (5) non tournés vers l'électrode (3), les canaux d'électrode (9) et les canaux (5) non tournés vers l'électrode (3) étant reliés les uns aux autres à leur extrémité supérieure et à leur extrémité inférieure et étant disposés en alternance l'un à côté de l'autre ou l'un derrière l'autre, les canaux d'électrode présentant à leur extrémité supérieure un rétrécissement (7) de leur section transversale.

2. Demi-cellule électrochimique (1) au moins constituée d'une membrane (4), d'une électrode (3) qui dégage un gaz et qui sert d'anode ou de cathode, d'une évacuation (8; 16) pour le gaz et d'une structure porteuse (12) qui relie l'électrode (3) à la paroi arrière (15) de la demi-cellule, caractérisée en ce que la structure porteuse (12) est formée d'éléments structurels (29) incorporés dans la demi-cellule (1) et qui mettent l'électrode (3) en contact électrique avec la paroi arrière (15) de la demi-cellule et soutiennent cette électrode, ainsi que de structures (26; 27; 28) conductrices de courant qui sont insérées entre les éléments structurels (29), la structure porteuse (12) divisant l'espace intérieur (13) de la demi-cellule (1) en canaux (5, 9) disposés verticalement, l'électrolyte (14) s'écoulant vers le haut dans les canaux d'électrode (9) tournés vers l'électrode (3) et vers le bas dans les canaux (5) non tournés vers l'électrode (3), les canaux d'électrode (9) et les canaux (5) non tournés vers l'électrode (3) étant reliés les uns aux autres à leur extrémité supérieure et à leur extrémité inférieure et étant disposés en alternance l'un à côté de l'autre ou l'un derrière l'autre, les canaux d'électrode présentant à leur extrémité supérieure un rétrécissement (7) de leur section transversale.

3. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les canaux (5) traversés par un écoulement vers le bas et les canaux d'électrode (9) ont une section transversale trapézoïdale.

4. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le rapport entre la surface de la section transversale des canaux d'électrode (9) dans la région du rétrécissement (7) et la surface de la section transversale des canaux d'électrode (9) en dessous du rétrécissement (7) est de 1:2,5 à 1:4,5.

5. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le rétrécissement (7) des canaux d'électrode (9) présente une zone de section transversale constante et en ce que le rapport entre la hauteur de cette zone et la hauteur de la surface active de la membrane est d'au moins 1:100.

6. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le rétrécissement (7) des canaux d'électrode (9) est formé par une structure conductrice (2) coudée.

7. Demi-cellule électrochimique selon la revendication 6, caractérisée en ce que la structure conductrice coudée (2) présente la forme d'un profil de renvoi.

8. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que la structure conductrice (2) est réalisée d'un seul tenant avec la structure porteuse (12).

9. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les canaux d'électrode (9) présentent au-dessus du rétrécissement (7) un agrandissement (6) de leur section transversale.

10. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la structure porteuse (12) est formée d'un seul tenant sur toute la hauteur des canaux d'électrode (9) et des canaux (5) balayés par l'écoulement vers le bas.

11. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la demi-cellule présente une sortie (8; 16) pour l'électrolyte dégazé et pour le gaz formé lors de l'électrolyse, en particulier un tube debout (8) ou une sortie (16) disposée sur une paroi latérale de la cellule et juste au-dessus de l'extrémité supérieure des canaux d'électrode (9).

12. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la structure porteuse (12) avec les canaux d'électrode (9) et les canaux d'écoulement vers le bas (5) remplit au moins 90% de l'espace intérieur (13) de la demi-cellule (1).

13. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que l'électrolyte est une solution aqueuse de chlorure de sodium ou une solution d'acide chlorhydrique, l'électrode (3) étant une anode qui dégage du chlore, la cathode correspondante utilisée étant une cathode consommable à oxygène.

14. Demi-cellule électrochimique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'un échangeur de chaleur par lequel l'électrolyte frais et éventuellement de l'électrolyte dégazé renvoyé depuis l'évacuation (8; 16) est introduit dans la demi-cellule (1) est raccordé en amont de l'entrée (10, 11) de l'électrolyte (14).

15. Demi-cellule électrochimique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les structures (26; 27; 28) conductrices de courant sont réalisées en métal ou en matière synthétique.

16. Demi-cellule électrochimique selon les revendications 2 ou 15, caractérisée en ce que la structure (26) qui conduit l'écoulement est réalisée d'un seul tenant avec la structure profilée sur toute la surface de l'élément.

Zeichnung