DE19959079A1 - Elektrochemische Zelle für Elektrolyseure mit Einzelelementtechnik - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren für Elektrolyseure mit Einzelelementtechnik beschrieben. Die Zelle besteht wenigstens aus 2 Halbschalen (8, 10), die einen Anolytraum (16) und einen Kathodenraum (22) mit dazwischen angeordneter Membran (5) umgeben, einer Anode (6) im Anolytraum (16), wobei der Kathodenraum (22) mit einer Sauerstoffverzehrkathode (4), mit mehreren übereinander angeordneten druckkompensierten Gastaschen (15), einem Katholytspalt (14) und gegebenenfalls einem Rückraum (19) versehen ist, wobei elektrisch leitende Stützelemente (7) im Anolytraum (16) und Stützelemente (3, 2, 1) im Kathodenraum (22) auf gleicher einander gegenüberliegender Position vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrochemische Zelle für Elektrolyseure mit Einzelele­ menttechnik für das Membranelektrolyseverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Zelle besteht wenigstens aus 2 Halbschalen, die einen Anolyt­ raum und einen Kathodenraum mit dazwischen angeordneter Membran umgeben, einer Anode im Anolytraum, wobei der Kathodenraum mit einer Sauerstoffver­ zehrkathode, mit mehreren übereinander angeordneten druckkompensierten Gasta­ schen, einem Katholytspalt und gegebenenfalls einem Rückraum versehen ist, wobei elektrisch leitende Stützelemente im Anolytraum und Stützelemente im Kathoden­ raum auf gleicher einander gegenüberliegender Position vorgesehen sind.

Elektrolyseure z. B. für die NaCl-Elektrolyse sind für die bipolare Fahrweise in zwei grundsätzlich bekannten Basistechniken bekannt.

Bei der Filterpressentechnik sind die Zellenelemente innerhalb des Rahmens halb­ schalig Rücken an Rücken verschweißt angeordnet, wobei Anode und Kathode jeweils freistehend außen liegen und die zwischen zwei Elemente eingelegte Ionen­ austauschermembran die elektrochemische Zelle bildet. Der Strom von Zelle zu Zelle fließt hier über die Schweißnähte zwischen den Halbschalen.

Bei der Einzelelementtechnik wird die elektrochemische Zelle durch zwei einzelne Elektrodenhalbschalen, zwischen die eine Membran gelegt wird, und die dann zu einem Einzelelement verschraubt werden, gebildet. Die elektrische Kontaktierung von Einzelelement zu Einzelelement erfolgt hier durch Zusammenpressen eines Pakets von Einzelelementen, die über geeignete Kontaktstreifen elektrisch mit einan­ der verbunden werden. Die von außen wirkenden Presskräfte müssen hierbei inner­ halb der Elementstrukturen weitergeleitet werden.

Der Einsatz von Sauerstoffverzehrkathoden im Druckkompensationsbetrieb mit sog. Gastaschen, wie in der Patentschrift US 5 963 202 im Grundprinzip sowie in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 196 22 744 A1 für aktiv gasdurchströmte Gasta­ schen beschrieben, erfolgt mit einem Elektrolytspalt zwischen Sauerstoffver­ zehrkathode und Membran. Gleichzeitig stellt die Gastasche selbst ein Leervolumen dar. Beide für die Krafidurchleitung undefinierte Strukturen müssen mit einem für die Durchleitung der Spannkräfte geeigneten System überbrückt werden. Gleichzeitig soll die Spannkraft für eine weitere Verbesserung der Stromverteilung in die Sauer­ stoffverzehrkathode über Presskontakte genutzt werden.

Die Gastaschen mit den Sauerstoffverzehrkathoden erstrecken sich üblicherweise über die gesamte Breite der Elektrolysezelle. Die Strukturen zur Durchleitung der Spannkräfte sind wie bei der wasserstoffproduzierenden Elektrolyse aus hydrau­ lischen Gründen vertikal angeordnet. Für die sich hierbei kreuzenden Funktionen musste eine pragmatisch einfache Lösung gefunden werden, die sowohl in neue Elektrolyseelemente von vorneherein integriert werden kann, als auch eine Nach­ rüstung von derzeit im Wasserstoffbetrieb arbeitenden Elektrolysen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren, bestehend wenigstens aus 2 Halbschalen, die einen Anolytraum und einen Kathodenraum mit dazwischen angeordneter Membran umge­ ben, einer Anode im Anolytraum, wobei der Kathodenraum mit einer Sauerstoffver­ zehrkathode, mit mehreren übereinander angeordneten druckkompensierten Gasta­ schen, einem Katholytspalt und gegebenenfalls einem Rückraum versehen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass elektrisch leitende Stützelemente im Anolytraum und weitere Stützelemente im Kathodenraum auf gleicher, einander gegenüber­ liegender Position vorgesehen sind, die die auf die Halbschalenwände wirkenden Presskräfte aufnehmen.

Eine bevorzugte Ausführung der elektrochemische Zelle ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung im Kathodenraum mittels eines mehrteiligen Stützelementes erfolgt, wobei ein Stützteil im Katholytspalt, ein weiteres Stützteil in der Gastasche und, bei Anwesenheit eines Rückraums, ein drittes Stützteil im Rückraum hinter den Gastaschen angeordnet ist.

Die Rückseite der Gastaschen ist insbesondere mit den vertikalen Stützelementen zur Kraft- und Stromdurchleitung verschweißt. In die Gastasche werden bevorzugt ülber diese Schweißnähte beispielsweise Strukturbalken oder andersartige, vertikal verlau­ fende Strukturbrücken als Stützelemente eingeschweißt, die so hoch sind, dass sie mit dem umlaufenden Außenrand der Gastasche das gleiche Niveau haben.

Ungeachtet der gewählten Ausführungsform müssen diese Einbauten einen horizon­ talen Gasdurchfluss durch die Gastasche sowie am unteren Rand auch einen hori­ zontalen Abfluss von möglichem Kondensat ermöglichen.

Nach Einbau der Sauerstoffverzehrkathoden liegen diese zum Beispiel flach auf den Strukturbalken bzw. -brücken und dem Rand der Gastaschen auf und bilden eine ebene Fläche über die volle Breite sowie die jeweilige Höhe der Gastasche.

Zur Überbrückung des Katholytspaltes zwischen Sauerstoffverzehrkathode und Membran wird insbesondere ein Stützelement als Stützelement aus elektrolyt- und wärmebeständigem Material als Gegenstück zu den o. g. Strukturbalken bzw. -brücken eingebaut, der sich einerseits über die Sauerstoffverzehrkathode sowie andererseits über die Membran an der in diesem Bereich ebenfalls unterstützten Anodenstruktur abstützt und so die Kraftdurchleitung durch die elektrochemische Zelle ermöglicht.

Das Stützelement (Abstandshalter) wird aus folgenden Gründen bevorzugt nicht in einem Stück in die Zelle eingebaut. Erstens ist eine sichere Positionierung gegenüber den o. g. Strukturbalken bzw. -brücken über die volle Höhe nicht sichergestellt, wobei schon kleine seitliche Verbiegungen zu einem Abrutschen mit der Gefahr der Zerstörung der Sauerstoffverzehrkathode führen kann und zweitens unterscheiden sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten so sehr, dass ein seitliches Ausbie­ gen, begünstigt durch den Gleiteffekt durch den Katholyten wahrscheinlich ist. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, das Stützelement zu stückeln und in Segmente zu unterteilen, die der Höhe der jeweiligen einzelnen Gastaschen entsprechen. Die Seg­ mente der Stützelemente werden insbesondere oben und unten nach folgendem Schema befestigt bzw. geführt: am oberen Ende werden sie am Rand der Gastasche befestigt. Dies kann entweder über einen Stift oder eine Art Druckknopf entweder am Abstandshalter oder aber am oberen Rand der Gastasche erfolgen, wobei das jeweils gegenüberliegende Teil eine entsprechend Bohrung enthalten muss.

Eine bevorzugte Variante der Erfindung ist folglich dadurch gekennzeichnet, dass das Stützteil im Katholytspalt aus mehreren senkrecht übereinander angeordneten Barren gebildet wird, die gegebenenfalls an ihrem oberen Ende mit einem lösbaren Verbindungsmittel, zum Beispiel einem Schnappverbinder an Querstreben befestigt sind, die die Elektrode tragen.

Am unteren Ende läuft das Stützelement in eine schwalbenschwanzförmige Struktur aus, die das spitz auslaufende obere Ende des darunterliegenden nächsten Stützele­ ments umschließt und so die horizontale Positionierung des Stützelements sicher­ stellt. Der Spalt zwischen diesen beiden Segmenten wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass die größere thermische Dehnung des Stützelements gegenüber den metallischen Strukturen kompensiert wird.

In einer bevorzugten Variante der elektrochemischen Zelle sind daher die jeweils angrenzenden Enden der Stützteile als Nut-Federkombination ausgebildet, wobei das obere Ende des jeweils unteren Stützteils insbesondere als Feder ausgebildet ist.

Eine gute Kraftverteilung ergibt sich in der Zelle, wenn die Stützelemente sich über die gesamte Höhe der Halbschalen ausdehnen.

Das zweite Stützteil in den Gastaschen weist besonders bevorzugt an ausgewählten Stellen, insbesondere in ihrem oberen und unteren Bereich der jeweiligen Gastasche Durchbrüche auf oder lässt Durchgänge frei.

Das zweite Stützteil ist besonders bevorzugt entweder als massiver elektrisch leiten­ der Barren oder als U-Profil ausgebildet.

Um eine noch sicherere Positionierung des Stützelements zu gewährleisten, können die Strukturbalken bzw. -brücken mit leichten vertikalen Aufwölbungen entweder rechts und links oder aber in der Mitte versehen werden, denen eine entsprechende Formgebung der Stützelemente entspricht, so dass dieser beim Verspannen des Elektrolyseurs immer wieder auf die gegenüberliegende Struktur zentriert wird.

Die Sauerstoffverzehrkathode sollte auf ihrer Rückseite insbesondere elektrisch leitend sein. Hierdurch wird neben der metallischen Verbindung der Sauerstoffver­ zehrkathode mit dem Rand der Gastasche eine weitere elektrische Verbindung durch Presskontakt über die elektrisch leitenden Stützelemente geschaffen, die zu einer weiteren Minimierung der ohmschen Verluste führt. Darüber hinaus verhindert der Einsatz des Stützelements ein großflächiges Ausbeulen der Sauerstoffverzehrkathode in den Katholytspalt mit der Gefahr der lokalen Blockade des Katholytdurchflusses durch Kontakt mit der Membran. Dies gilt insbesondere bei der o. g. Strukturierung der Stützelemente, durch die die Sauerstoffverzehrkathode gespannt wird.

Die Stützelemente im Katholytspalt werden insbesondere im Fall der Chloralkalielektrolyse zweckmäßigerweise aus ECTFE, FEP, MFA oder PFA gefertigt, während die elektrisch leitenden Stützelemente, zum Beispiel Strukturbalken bzw. -brücken aus Nickel oder einer anderen laugebeständigen Metalllegierung bestehen sollten.

Für den Fall einer auf ihrer Vorderseite metallisch oder elektrisch leitenden Sauerstoffverzehrkathode können die Stützelemente im Katholytspalt auf der der Sauerstoffverzehrkathode zugewandten Seite metallisch sein, um über den Presskontakt eine Verbesserung der Stromverteilung in die Sauerstoffverzehrkathode hinein zu erhalten. Vorzugsweise werden in diesem Fall die Stützelemente zweischichtig aufgebaut, wobei die der Membran zugewandte Seite aus ECTFE, FEP, MFA oder PFA besteht, während der metallische Teil aus laugenbeständigem Metall besteht.

Die Anwendung der beschriebenen Krafidurchleitung in der Einzelelementtechnik ist nicht nur auf die Chlor-Alkali-Elektrolyse beschränkt, sie ist vielmehr auf alle Elektrolysen mit Gasdiffusionselektroden im direkten Kontakt mit flüssigen Elektrolyten, die eine Druckkompensation benötigen, anwendbar, wie z. B.

• - Wasserstoff-Peroxid-Produktion mit Sauerstoffverzehrkathode,
• - Natriumdichromatelektrolyse mit Wasserstoff verzehrender Anode und Sauerstoffverzehrelektrode
• - Alkalische Brennstoffzellen zur Natronlaugenanreicherung
• - Salzsäureelektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kathodenhalbschale einer erfindungs­ gemäßen Zelle als Ausschnitt der linken oberen Ecke.

Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend der Linie A-A' in Fig. 1 durch die elektrochemische Zelle.

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Kathodenhalbschale entsprechend der Linie B-B' in Fig. 1.

Beispiele

In Fig. 1 ist der Blick auf die Kathodenhalbschale mit der linken oberen Ecke als Ausschnitt gezeigt, in Fig. 2 ein horizontaler Schnitt A-A' durch eine Gastasche 15. In der Kathodenhalbschale 10 wird die Gastaschenstruktur mit der Rückwand 11 und der seitlichen Umrandung 9 über die Tragestruktur 3 getragen.

Der vertikale Strukturbalken 2a bzw., gemäß einer in derselben Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Variante, die vertikale Strukturbrücke 2b sind in die Gastasche 15 einge­ schweißt. Um den Sauerstoffquertransport in der Gastasche 15 sicherzustellen sind beide Strukturen durchbrochen und stehen nicht auf der horizontalen Begrenzung 12 der Gastasche 15 auf, um ein Abfließen möglicherweise anfallenden Kondensates aus der Sauerstoffverzehrkathode zu ermöglichen. Die Sauerstoffverzehrkathode 4 ist auf und an der seitlichen Umrandung 9 sowie der horizontalen Begrenzung 12 elektrisch leitfähig und gasdicht befestigt und liegt auf den Strukturbalken bzw. -brücken auf. Der Katholytspalt 14 zwischen Membran 5 und Sauerstoffverzehrkathode 4 wird durch die Abstandselemente 1 definiert, die sich wiederum über die Membran an der Anode 6 abstützen, die in der Anodenhalbschale 8 über die Tragestruktur 7 definiert gehaltert wird (vergl. Fig. 2).

Anodenhalbschale 8 und Kathodenhalbschale 10 werden flüssigkeitsdicht miteinan­ der verbunden und bilden ein Einzelelement (Elektrolysezelle). Beim Zusammen­ pressen des Elektrolyseurs werden viele solcher Einzelelemente zusammengepresst, wobei die jeweils nächste Anodenhalbschale 8' benachbarter Einzelelemente auf die Kathodenhalbschale 10 und die nächste Kathodenhalbschale 10' eines benachbarten Einzelelementes auf der anderen Seite des Einzelelementes auf die Anodenhalbschale 8 drücken. Die Zusammenpressung des Einzelelements belastet über die Kathoden­ halbschale 10 die Tragestruktur 3, den vertikalen Strukturbalken 2a bzw. die verti­ kale Strukturbrücke 2b und den Abstandshalter 1, der einerseits gegen die Sauer­ stoffverzehrkathode 4 und andererseits über die Membran 5 gegen die Anode 6 drückt. Diese gibt Spannkräfte über die Tragestruktur 7 an die Anodenhalbschale 8 weiter. Durch Anpressen an die Kontaktstreifen 21a und 21b erfolgt die elektrische Kontaktierung von Einzelelement zu Einzelelement.

Die Abstandselemente 1a, 1b selbst sind oben spitz zulaufend ausgebildet und unten mit einer entsprechenden Schwalbenschwanzstruktur versehen (Fig. 1). Sie werden oben mit einem Stift oder einer Druckknopf-ähnlichen Haltevorrichtung 13 an der horizontalen Begrenzung 12 der Gastasche 15 befestigt. Der Schwalbenschwanz des. Abstandselementes 1b greift über die Spitze des darunterliegenden nächsten Abstandselementes 1a und wird so eindeutig positioniert. Gleichzeitig ermöglicht ein definierter Spalt zwischen den Abstandselementen 1a, 1b deren freie thermische Ausdehnung, die, materialbedingt, größer als die der metallischen Strukturen ist.

Claims (10)

1. Elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren, bestehend wenigstens aus 2 Halbschalen (8, 10), die einen Anolytraum (16) und einen Kathodenraum (22) mit dazwischen angeordneter Membran (5) umgeben, einer Anode (6) im Anolytraum (16), wobei der Kathodenraum (22) mit einer Sauerstoffverzehrkathode (4), mit mehreren übereinander angeordneten druckkompensierten Gastaschen (15), einem Katholytspalt (14) und gegebe­ nenfalls einem Rückraum (19) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitende Stützelemente (7) im Anolytraum (16) und Stützelemente (3, 2, 1) im Kathodenraum (22) auf gleicher einander gegenüberliegender Position vorgesehen sind.

2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung im Kathodenraum (22) mittels eines mehrteiligen Stützelementes (3, 2, 1) erfolgt, wobei ein Stützteil (1) im Katholytspalt (14), ein weiteres Stützteil (2a; 2b) in der Gastasche (15) und, bei Anwesenheit eines Rück­ raums (19), ein drittes Stützteil (3) im Rückraum (19) hinter den Gastaschen (15) angeordnet ist.

3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützteil (1) im Katholytspalt (14) aus mehreren senkrecht übereinander angeordneten Barren (1) gebildet wird, die gegebenenfalls an ihrem oberen Ende mit einem lösbaren Verbindungsmittel (13), zum Beispiel einem Schnappverbinder (13) an Querstreben (12) befestigt sind, die die Elektrode (4) tragen.

4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils angrenzenden Enden der Stützteile (1a, 1b) als Nut-Federkombination ausgebildet sind, wobei das obere Ende des jeweils unteren Stützteils (1a) insbesondere als Feder ausgebildet ist.

5. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Stützelemente (3, 2, 1) sich über die gesamte Höhe der Halbschale (10) ausdehnen, denen ein durchgehendes Stützelement 7 in der zweiten Halbschale 8 gegenübersteht.

6. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das zweite Stützteil (2a) bzw. (2b) in den Gastaschen (15) an ausgewählten Stellen, insbesondere in ihrem oberen und unteren Bereich der jeweiligen Gastasche (15) Durchbrüche (22a, 22b, 23a) aufweisen oder Durchgänge (24) freilassen.

7. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das zweite Stützteil (2) entweder als massiver elektrisch leiten­ der Barren (2a) oder als U-Profil (2b) ausgebildet ist.

8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Stützelemente (7, 3 und 2) aus laugebeständigen Metallen oder Legierungen, insbesondere aus Nickel oder aus säurefesten Metallen oder Legierungen, insbesondere aus Titan oder Legierungen aus Titan und Palladium hergestellt sind.

9. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (1, 1a bzw. 1b) aus einem temperatur- und elektrolytbeständigen Kunststoff bestehen.

10. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Stützelemente (1, 1a, 1b) auf der der Sauerstoffver­ zehrkathode (4) zugewandten Seite metallisch leitend ausgeführt sind.