DE2601065A1

DE2601065A1 - Elektrolysevorrichtung

Info

Publication number: DE2601065A1
Application number: DE19762601065
Authority: DE
Inventors: Louis Mas
Original assignee: Recherches Techniques et Industrielles Ste
Current assignee: Recherches Techniques et Industrielles Ste
Priority date: 1975-01-14
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-11-25
Also published as: FR2297672A1; DE2601065C2; JPS5196784A; DK12176A; NO148963C; NO148963B; GB1530352A; CH611939A5; NO760102L; FR2297672B1; US4076609A; IT1054049B; CA1067856A

Description

DIETRICH LEWINSKY

RElMER f^R'^EJ „ ,, 8817-IV/He.

societe de Recherches Techniques et Industrielles, Buc, Route de Guyancourt (Frankreich)

"Elektrolysevorrichtung"

Priorität vom 14. Januar 1975 aus der französischen Patentanmeldung 75 00993

Aus der französischen Patentschrift 1151 507 und den zwölf schweizerischen Patentschriften, deren Priorität in dieser französischen Patentschrift in Anspruch genommen wird, sind Elektrolysevorrichtungen bereits bekannt.

Solche Vorrichtungen bestehen aus einem Stapel von Zellen, die Elektroden umfassen, welche in einen Ringkranz eingespannt oder eingefaßt sind, der druckbeständig ausgeführt ist. Der Raum zwischen zwei Elektroden oder Zellen ist durch ein Diaphragma in zwei Kammern unterteilt, die mit dem Elektrolyten gefüllt sind und in denen sich jeweils der Sauerstoff und der Wasserstoff im Falle der Elektrolyse beim Wasser entwickeln. Die Ringkränze sind voneinander durch Dichtungen getrennt, die zwei Aufgaben haben:

- Zunächst sollen sie zwei aufeinanderfolgende Ringkränze elektrisch gegeneinander isolieren; die Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden liegt bei etwa 2 Volt.

- Des weiteren sollen sie die Abdichtung übernehmen, um zu

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verhindern, daß der Elektrolyt nach außen entweicht.

Dieser Zellenstapel wird zwischen zwei Kopfplatten durch äußere Zuganker eingespannt gehalten.

Derartig aufgebaute Elektrolysevorrichtungen arbeiten zufriedenstellend, solange Druck und Temperatur relativ gering sind. Steigt jedoch die Temperatur, so ergeben sich Dichtheitsfehler. Die Ringkränze und vor allem ihre Dichtungen befinden sich auf einer höheren Temperatur als die äußeren Zuganker und dehnen sich stärker aus als diese, wodurch die Dichtungen zwischen den Ringkränzen über ihre Elastizitätsgrenze hinaus gequetscht werden. Dies tritt selbst dann ein, wenn als Vorsichtsmaßnahme die Zuganker mit elastischen Unterlegscheiben versehen wurden, die indessen die unterschiedliche Ausdehnung zwischen den Ringkränzen und den Zugankern nur schwer ausgleichen können. Dieses Einquetschen der Dichtungen zwischen den Ringkränzen führt nicht augenblicklich zu Leckagen, sondern erst dann, wenn die Temperatur nach dem Abschalten wieder ihren normalen Wert erreicht hat.

Wenn man eine solche Klektrolysevorrichtung wieder in Betrieb nimmt, wird der Arbeitsdruck erreicht, lange bevor die Temperatur ansteigt und in diesem Augenblick erfüllen die zuvor gequetschten Dichtungen nicht mehr ihre Aufgabe und führen zu Leckverlusten, die um^o erheblicher sind, je höher der Betriebsdruck ist. Um eine solche Elektrolysevorrichtung zu betreiben ist es folglich notwendig, Unzunächst auf höhere Temperatur zu bringen, bevor er unter Druck gesetzt wird, das heißt bevor die Elektrolyse anläuft. Dies bedeutet aber eine Komplizierung der Vorrichtung, da eine besondere Heizeinrichtung unabhängig vom Elektrolysestrom vorgesehen werden mußj vor allem bedeutet dies aber auch einen Zeitverlust, der mehrere Stunden erreichen

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysevorrichtung gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, die rasch und ohne Vorheizzeit in Betrieb genommen werden kann und die nichts desto weniger bei relativ hohen Temperaturen und Drücken arbeitet.

Nach einem wesentlichen Merkmal der Erfindung sind die Ringkränze voneinander durch zwei Arten von Dichtungen getrennt, ■nämlich eine erste Dichtung, die aus einem dünnen, harten und isolierenden Werkstoff besteht und eine zweite,radial innerhalb der ersten gelegene Dichtung, die dicker sein kann und aus einem elastischen, isolierenden und gegenüber dem Elektrolyten chemisch neutralen Werkstoff besteht.

Die übereinander gestapelten Zellen müssen mittels Kanälen ver- und entsorgt werden, die den Elektrolyten zuführen und das Gemisch aus Glasblasen und Elektrolyt (Katholyt oder Anolyt) ableiten. Diese Kanäle bestehen im allgemeinen aus einem Stapel von Muffen. Jeder Zelle entspricht eine Muffe. Letztere sind mit öffnungen versehen, die sie mit der Zelle abwechselnd auf jeder Seite des Diaphragmas verbinden, wenngleich jede Kammer von vier Muffen durchquert wird, von denen zwei mit ihr in Verbindung stehen, während zwei andere lediglich durch sie hindurchlaufen und zu den benachbarten Kammern hin offen sind. Es ist möglich, die Zahl der Kanäle durch Verwendung desselben Kanals zur Zufuhr des Elektrolyten in jede der Zellen zu verringern.

Bei der Stapelung der Zellen greifen die Muffen ineinander und kommen beim Zusammenspannen gegen die Diaphragmen und die Elektroden zu liegen. Es ist unerläßlich, daß die Abdichtung sowohl zwischen Diaphragma und Muffen als auch zwischen Elektroden und Muffen vollkommen ist, damit jegliche gefährliche Mischung zwischen Katholyt und Anolyt vermieden wird.

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Zur Verwirklichung dieser Abdichtung kann nicht etwa vor dem Stapeln der Zellen jede Muffe gleichzeitig mit einem Diaphragma und einer Elektrode dicht verbunden werden, da jede Zelle eines dieser Elemente mit der anderen Zelle gemeinsam hat. Es ist folglich notwendig, daß die Abdichtung mit einem der Elemente durch einfachen Druck bei der Bildung des Zellenstapels hergestellt wird.

Man könnte auf den Gedanken kommen, die Muffen dicht auf die metallischen Elektroden vor dem Stapeln zu montieren und die Abdichtung zwischen Muffen und Diaphragmen durch Pressung derselben im Moment der Stapelung herzustellen.

Diese Lösung ist jedoch nicht angängig, da der Werkstoff, der für das Diaphragma verwendet werden muß, nicht aus Asbestkarton, dessen Handhabung schwierig ist, sondern aus Asbestgewebe oder Asbesttuch besteht, das bequem zu handhaben und mit gewünschten Eigenschaften herstellbar ist. Jedoch hat dieses Asbestgewebe im Unterschied zum Karton keine ausreichende Elastizität, um eine sichere Abdichtung durch einfache Kompression im Augenblick der Stapelung zu erreichen.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird jede Muffe vor der Stapelbildung der Zellen auf dem Diaphragma dicht montiert und die Abdichtung zwischen Muffen und Elektroden geschieht durch Druck der Ringkränze im Moment der Stapelung infolge der Einfügung einer elastischen Dichtung zwischen Muffe und Elektrode.

Im Inneren jeder Zelle soll im Betrieb der Elektrolyt in der Weise umlaufen, daß keine toten Zonen, also Bereiche, in denen keine Elektrolytströmung stattfindet, bestehen. In den bei relativ geringen Drucken von beispielsweise weniger als 5 Bar arbeitenden Vorrichtungen ist das Volumen der Blasen aus-

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reichend, um die Zirkulation des Elektrolyten durch Schwerkraft gegen den oberen Teil der Zellen sicherzustellen. Dies gilt jedoch nicht für diejenigen Drucke, die in der Elektrolysevorrichtung nach der Erfindung erreicht werden, und bei denen die Gasblasen zusammengedrückt werden und die Dichte— unterschiede des Elektrolyten in größerem Maße auf Temperaturdifferenzen als auf das Vorhandensein/bildender Blasen zurückzuführen sind. Die ElektrolytZuleitungen liegen im unteren Teil der Zellen und die Ableitungen im oberen Teil der Zelle, um die aufsteigende Tendenz des Elektrolyten auszunützen; dies ist jedoch nicht ausreichend. Es wurde nun gefunden, daß die Elektrolytzirkulation in den Zellen gleichförmig und ohne tote Zone erfolgt, wenn die Elektrolytzuführöffnungen nach unten gerichtet sind.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung sind die Elektrolyteintrittsöffnungen oder Leitungen in der Zelle nach unten im Inneren eines Pegels mit einem öffnungswinkel von 90° gerichtet, dessen Achse auf der Geraden liegt, die die Achse der Zelle mit der Achse des Kanals verbindet.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von beispielsweise gewählten Ausführungsformen des Elektrolysegeräte sowie dessen Einzelheiten schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt;

Pig. 1 eine Elektrolysevorrichtung,

Fig. 2 einen Ringkranzrand,

Pig. 3 eine Dichtung für den Ringkranz,

Pig. 4 eine andere Ausführungsform einer Dichtung für den Ringkranz ,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer solchen Dichtung,

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Fig. 6 einen mit einer Ringdichtung ausgerüsteten Ringkranzrand ,

Fig. 7 einen Ringkranzrand mit einer anderen Ausfuhrungsform der Dichtungj

Fig. 8 einen mit einer Metalldichtung ausgerüsteten Ringkranzrand,

Fig. 9 das Ineinandergreifen der Kanalmuffen,

Fig.10 eine Ausführungsform der Dichtung zwischen Muffe und Elektrode,

Fig.11 eine die Lage der Kanäle für die Elektrolytzirkulation veranschaulichende Elektrode,

Fig.12 die Hälfte einer Muffe zur Veranschaulichung deren Befestigung auf einem Diaphragma,

Fig.13 eine Kammer mit den Strömungswegen des Elektrolyten bei nach dem Stand der Technik angeordneten öffnungen,

Fig.l4 eine Kammer mit den Strömungswegen des Elektrolyten bei Anbringung der öffnungen nach der Erfindung und

Fig.15 eine Kammer mit nach der Erfindung gerichteten Öffnungen,

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine vollständige Elektrolysevorrichtung mit übereinandergestapelten und zwischen zwei Kopfplatten 5 durch Zuganker 6 zusammengespannten Ringkränzen 1.

Fig.2 zeigt eine der schematisch dargestellten Elektroden 2, die nach einem bekannten Verfahren, das hier nicht weiter erläutert wird, etwa in der Mitte der Höhe eines Ringkranzes 1 dicht befestigt ist. Die Diaphragmen 3_S die aus Asbestgewebe bestehen, sind zwischen zwei benachbarte Ringkränze eingespannt,

Durch diese Anordnung ergeben sich zu beiden Seiten der Elektroden und der Diaphragmen Kammern 4, in denen im Fall der Elektrolyse von Wasser Sauerstoff bzw. Wasserstoff sich entwickeln.

Die aufeinanderliegenden Ringkränze 1 sind durch eine erste Dichtung 8 voneinander getrennt. Diese Dichtung 8 hat ausschließlich die Aufgabe, die Ringkränze für eine Spannung von etwa 2 Volt elektrisch gegeneinander zu isolieren. Diese Dichtung besteht aus einem festen, mechanisch widerstandsfähigen Werkstoff. Sie spielt für die Abdichtung der Zellen keine Rolle und muß auch nicht unbedingt chemisch neutral in bezug auf den Elektrolyten sein. Mittels der Endplatten, der Zuganker und elastischer Unterlegscheiben wird diese Anordnung so zusamme nge spannt , daß die Ringkränze 1 stets auf den Dichtungen aufliegen, unabhängig von den im Inneren der Vorrichtung herrschenden Temperaturen und Drucken.

Die Abdichtung zwischen der Kammer 4 und der äußeren Umgebung erfolgt mittels einer zweiten Dichtung 9_S die aus einem elektrisch isolierenden, gegenüber dem Elektrolyten und den durch die Elektrolyse erzeugten Gasen chemisch beständigen Werkstoff besteht. Da die Ringkränze 1 ständig über die erste Dichtung 8 gegeneinander gepreßt gehalten werden und diese Dichtung 8 hart und wenig kompressibel ist, ist die zweite Dichtung 9 einem annähernd konstanten, von der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck unabhängigen Druck ausgesetzt, da der Abstand der Ringkränze sich praktisch nicht ändert.

Für diese zweite Dichtung 9 wird POlytetrafluoräthylen verwendet, das wenig elastisch, jedoch leicht fließfähig ist. Der Mangel an Elastizität beeinträchtigt die hergestellte Abdichtung nicht, da die Dicke der Dichtung praktisch konstant ist. ·

Um zu verhindern, daß diese Dichtung 9 nach außen gedrückt wird, ist sie in eine Ringnut 11 eingelassen, der eine Stufe 12 auf

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dem benachbarten Ringkranz entspricht. Eine Form dieser Dichtung 9 ist in Fig. 3 dargestellt. Wie ersichtlich, muß diese Dichtung zu beiden Seiten ihrer Grundfläche 13 zwei Lippen Ik haben, die zwischen den Seitenflächen der Ringnut 11 und den entsprechenden Flächen der Stufe 12 Platzjfinden müssen, um eine elektrische Berührung zwischen diesen zwei Teilen zu vermeiden. Beim Zusammenspannen des Zellenstapels fließt der Werkstoff der Dichtung 9 und die Lippen Ik verlängern sich. Sobald die Ringkränze 1 beidseitig auf der Dichtung 8 aufliegen, ist der Spannvorgang beendet.

Die Herstellung einer solchen Dichtung, sei es nun durch Gießen oder durch eine andere formgebende Bearbeitung, ist sehr kostspielig. Man könnte daher auch eine zunächst plane Dichtung verwenden, deren Lippen Ik sich durch Fließen beim Zusammenspannen bilden, jedoch erfordert dies eine äußerst genaue Zentrierung der verschiedenen Ringkränze, um jeden Kontakt zwischen den Seitenflächen der Ringnut 11 und den Seitenflächen der Stufen 12 zu vermeiden.

Eine andere Lösung besteht darin, der Dichtung 9 einen Fließansatz zu geben, wie in Fig. k bei 15 angedeutet, welcher für die Zentrierung der Ringkränze gegeneinander verwendet wird. Beim Zusammenspannen fließt der Werkstoff der Dichtung wie durch die gestrichelte Linie angegeben und läßt zwei Lippen Ik entstehen, die jeden elektrischen Kontakt zwischen Ringnut 11 und Stufe 12 vermeiden.

Eine wesentliche Verbesserung besteht darin, an einer Seiten- : fläche 12 der Ringnut 11 gemäß Fig. 5 eine Fase 16 vorzuse- hen, die es ermöglicht, daß der Materialüberschuß, der sich ^; ursprünglich in der Dicke der Dichtung befand, in Form eines ^!, Wulstes 17 Platz findet. Die Fase kann aber auch an jeder Sei- ; tenflache 12 vorgesehen sein. Dies ermöglicht die Herstellung der Dichtungen mit größeren Toleranzen und demzufolge zu niedrJLgeren Kosten. - 9 -

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Pig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Dichtung, bei der die Abdichtung durch eine in der Ringnut 11 liegende Ringdichtung 18 hergestellt ist. Diese Dichtung muß isolierend und beständig gegenüber den Elektrolyten und seinen Zerlegungsprodukten bei der Betriebstemperatur und dem Betriebsdruck sein. Es wurde gefunden, daß diese Dichtung aus einem Copolymeren aus Polytrifluorchloräthylen und Vinylidenfluorid hergestellt werden kann.

Pig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Dichtung. Der Umfang 19 des Diaphragmas 3 aus Asbest ist durch und durch mit Polytetrafluorathylen imprägniert bzw. getränkt und spielt diejenige Rolle, die in den anderen Ausführungsformen durch die Dichtungen übernommen wird. Kreisrillen 21 sorgen dafür, daß das Diaphragma über den Umfang des Ringkranzes sicher gehalten wird.

Nach einer anderen, ebenfalls in Pig. 7 dargestellten Ausführungsform tritt an die Stelle der Dichtung 8, deren einzige Aufgabe es ist, die elektrische Isolierung zwischen zwei Ringkränzen sicherzustellen, ein. überzug oder Niederschlag auf jeweils einer Fläche jedes Ringkranzes aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, der hinreichend hart ist, um bei den in Betracht kommenden Drucken nicht zu fließen. Beispielsweise kann eine Schicht von einigen Zehntel Millimeter Dicke aus Polypropylen oder Polytrifluorchloräthylen aufgebracht werden.

Schließlich wird bei einer weiteren, in Pig. 8 dargestellten Ausführungsform die Abdichtung durch ein in einer Ringnut 11 liegende Metallringdichtung 22 erzielt. Diese Ringdichtung besteht aus einem rohrförmig zusammengerollten Metallblech, wobei die seitliche öffnung des Rohres dem Inneren der Zelle zugewandt ist, so daß mit steigendem Druck das Rohr das Bestreben hat sich zu öffnen. Im Unterschied zu der anhand von Fig. beschriebenen Ausführungsform liegt hier die Ringdichtung, die

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- 10 leitend ist, auf der isolierenden, harten Schicht 8.

Fig. 9 zeigt das Ineinandergreifen der Muffen 2H₃ 25 und 26, die einen Kanal bilden. Die Muffe 25 ist dicht auf dem Diaphragma 3 aus Asbestgewebe mittels einer Mutter 27 befestigt. Die Abdichtung zwischen der Muffe und der Metallelektrode 2 erfolgt mittels einer elastischen Dichtung 28. Diese Dichtung wird vor der Montage in eine Nut 29 in derjenigen Fläche der Muffe 25j die sich in Berührung mit der Elektrode 2 befindet, eingelegt. Die Muffe 25 ist mit einer oder mehreren radialen Leitungen oder Öffnungen 31 versehen, die sie mit einer anodischen oder kathodischen, durch die Buchstaben A und C in der Figur bezeichneten Kammer verbinden. Im gezeichneten Fall erhalten die Muffen den Anolyten. Wie ersichtlich, ist bei dieser Art des Ineinandergreifens die Abdichtung mit den Diaphragmen durch eine Mutter und mit den Elektroden durch eine elastische Dichtung erreicht, wobei das Zusammenspannen der Dichtung beim Zusammenbau durch die äußeren Zuganker bewirkt wird, die die Ringkränze fest gegeneinandergedruckt halten. Zu bemerken ist, daß die Abdichtung nicht zwischen den Muffen selbst, sondern über ihre Dichtungen mit den Elektroden und Diaphragmen hergestellt wird. Die Leckverluste, die eventuell zwischen den Muffen und den Flächen der den Dichtungen gegenüberliegenden Elektroden entstehen könnten, sind ohne Bedeutung, da sie auf jeden Fall parallel zu den Leitungen 31 erfolgen. In Fig. 8 ist ein Kanal für den Anolyten dargestellt. Ein Kanal für den Katholyten wäre symmetrisch.

Fig. 10 zeigt die Form der zur Herstellung der Abdichtung zwischen Muffe und Elektrode ausgebildeten und angepaßten Dichtung 28. Die Muffen bestehen aus einem isolierenden Werkstoff, der einen beträchtlich größeren Ausdehnungskoeffizienten (in der Größenordnung des Zehnfachen) als das Metall hat. Bei der Erwärmung werden die Muffen daher über ihre Elastizitätsgrenze

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hinaus gequetscht und beim Anlaufen der Elektrolysevorrichtung würden Leckverluste zwischen Muffen und Elektroden auftreten. Um dies zu vermeiden, haben die Dichtungen eine besondere Form, die ihnen eine große Elastizität trotz der geringen Elastizität des normalerweise verwendeten Werkstoffes (Polytetrafluoräthylen) verleiht. Aus Fig. 10 ist erkennbar, daß die Dichtung im Schnitt die Form eines X hat, dessen obere Schenkel 33 dünner sind. Die unteren Schenkel 32 sind in die Nut 29 der Muffen eingelassen, während die oberen Schenkel 33 wegen ihrer geringeren Stärke die gewünschte Elastizität zur Sicherstellung der Abdichtung haben. Für diese X-förmigen Dichtungen wurde PoIytetrafluoräthylen (PTFE) verwendet, jedoch wurde festgestellt, daß man bei Verwendung eines Copolymeren aus Polytrifluorchloräthylen (PTFCE) und Vinylidenfluorid eine hinreichende Elastizität erreichen und demzufolge die gewünschte Abdichtung auch durch eine Ringdichtung anstelle der X-förmigen Dichtung erzielen kann. Eine solche Ringdichtung ist mit 20 in Fig. 9 bezeichnet .

Damit die Abdichtung mit Diaphragmen aus Asbestgewebe erreicht werden kann, ist das Gewebe mit einem passenden Kunststoff imprägniert, der die gewünschten Eigenschaften der Plastizität, der elektrischen Isolation und der chemischen Neutralität hat. Die so imprägnierten Teile sind in Fig. 11 dargestellt. Es handelt sich um den Umfang 35» der zwischen die Ringkränze eingespannt werden soll, die Umfange 36 der für den Durchtritt der Kanäle für den Rücklauf des Anolyten und des Katholyten vorgesehenen Löcher und den oberen Teil 37 des Diaphragmas, der die Löcher 38 für die oberen Kanäle aufweist.

Aus Fig. 12 ist die Art und Weise erkennbar, in der der Umfang 36 oder 37 eines Loches in dem Diaphragma mittels einer Mutter' 27 auf eine Muffe 25 geschraubt ist. Der konische Teil 39 der tragenden Fläche der Muffe 27 gestattet eine wirkungsvollere Pressung zu erzielen.

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Bei den unter hohem Druck und bei hoher Temperatur arbeitenden Elektrolysevorrichtungen ist es unerläßlich, daß der Elektrolytdurchfluß in jeder Kammer etwa der gleiche ist und daß in jeder Kammer eine gleichmäßige Verteilung der Elektrolytströmung sichergestellt ist. Die durch die infolge der Elektrolyse erzeugten Gasblasen hervorgerufenes aufsteigende Strömung des Elektrolyten verschwindet praktisch, sobald der Betriebsdruck etwa 10 Bar erreicht, da die Blasen dann zerquetscht oder zerrissen werden und zu klein sind, um einen Dichteunterschied zu erzeugen, der fähig wäre, eine aufsteigende Elektrolytbewegung hervorzurufen. Man ist daher gezwungen, eine geeignete Zirkulation mittels Pumpe sicherzustellen. Diese Zirkulation ist nicht nur für den Abzug der Gasblasen sondern vor allem auch für die Kühlung der Vorrichtung erforderlich. Für eine gleichförmige Verteilung des Elektrolyten in jeder Kammer muß der durch die radialen Leitungen 31 der Kanäle 30 für den Elektrolytzufluß am Grund der Kammern erzeugte Strömungswiderstand hoch gegenüber dem durch die Kanäle 30 über ihre gesamte Länge erzeugten Strömungswiderstand sein, beispielsweise etwa fünfmal höher liegen. Hingegen muß der Strömungswiderstand für die radialen Leitungen 31 der oberen Kanäle 38 für den Abzug des Elektrolyten gering sein. Für eine bestimmte Ausführungsform der Elektrolysevorrichtung wurden eine einzige Leitung von 1 mm Durchmesser für die unteren Kanäle 30 und drei radiale Kanäle von 2,5 mm Durchmesser für die oberen Kanäle 38 verwendet.

Es wurden zahlreiche Versuche durchgeführt, um die Art der Elektrolytströmung im Inneren der Kammern in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Leitungen 31 festzustellen. In Fig. sind durch Pfeile die Hauptrichtungen der Elektrolytströmung angegeben, wenn die Leitungen 31 der Kanäle 30 nach oben gerichtet sind. Wenngleich die direkte, durch die Pfeilej^l verdeutlichte Strömung befriedigend ist, zeigen die Pfeile 40 einen Kehrstrom an, der zur Entstehung von Bereichen mehr oder weniger stehenden Elektrolytes führt.

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Demgegenüber 1st aus Fig. 14 ersichtlich, daß die Strömungsverteilung sehr gleichmäßig ist_s sobald die Leitungen 31 der unteren Kanäle 30 nach unten gerichtet sind.

Es wurde festgestellt, daß die Strömungsverteilung diese Charakteristik hat, wenn die Leitungen 31 eine Richtung bzw. einen Verlauf haben, der in einem öffnungswinkel von 30° zu beiden Seiten der Geraden liegt, die den unteren Kanal 30 mit dem Mittelpunkt der Kammer verbindet, wie dies in Pig. veranschaulicht ist. Eine in etwa befriedigende Verteilung ist auch noch für einen Winkel von|45^O zu beiden Seiten dieser Geraden erreichbar.

Die Ausrichtung der Leitungen 31 der oberen Kanäle 38 hat demgegenüber kaum Einfluß auf die Homogenität dieser Strömungsverteilung, jedoch vermindert ihre Ausrichtung auf den oberen Teil der Kammer den Einfluß der Gasblase, die sich stets oben in jeder Kammer befindet.

Die vorstehend beschriebenen Ausbildungen führen zu einer Elektrolysevorrichtung, die zahlreiche Vorteile hat. Sie hält ohne weiteres hohen Betriebstemperaturen und Betriebsdrucken stand, woraus sich eine bemerkenswerte Zunahme der Leistung im Verhältnis zu ihrer Abmessung ergibt. Dies ist zu einem großen Teil dem Umstand zuzuschreiben, daß die Dichtungen zwischen den Ringkränzen hinsichtlich ihren Aufgaben zweigeteilt wurden: die Aufgaben der Isolierung und der Abdichtung wurden getrennt, was zu einer Verbesserung ihrer Haltbarkeit führt. Vor allem aber besitzt diese Vorrichtung trotz ihrer erschwerten Betriebsbedingungen keinerlei Leckagen beim Stillstand nach der Abkühlung, was eine rasche Wiederinbetriebnahme erlaubt, ohne Leckverluste befürchten zu müssen, selbst wenn der Betriebsdruck erreicht wird, solange die Temperatur noch niedrig ist.

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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele angegeben, die' diese Vorteile verdeutlichen:

Beispiel 1:

Außendurchmesser der Ringkränze 610 ram

Innendurchmesser der Ringkränze 450 mm

Dicke der Ringkränze 13 mm

Breite der Ringnut 11 17 mm

Tiefe der Ringnut 11 3,5 mm

Breite der Schulter 12 15 mm

Dicke der Schulter 12 3,2 mm

Die erste Dichtung 8 besteht aus Polypropylen von 0,4 mm Dicke, während die zweite Dichtung 9 aus reinem Polytetrafluoräthylen von 0,9 mm Dicke ist.

Der Zellenstapel ist mit einer Gesamtkraft von 245 Tonnen zusamme nge spannt .

Diese Vorrichtung kann zufolge ihrer Konstruktionsmerkmale mit maximaler Leistung bei normalen Temperaturen ohne Leckverluste anlaufen. Der Anstieg des Drucks auf 90 Bar erfolgt in weniger als 10 Minuten, während der Temperaturanstieg auf 80° etwa 1 Stunde in Anspruch nimmt.

Diese Vorrichtung wurde 1350 Druckzyklen von 1 bis 70 Bar und 100 Temperaturzyklen von 20 bis 80° unterworfen, ohne daß die geringste Leckage auftrat und ohne daß die Endmuttern der Zuganker hätten nachgezogen werden müssen.

Beispiel 2:

Die Muffen 24, 25 und 26, die die Kanäle 30 und bilden, haben einen Außendurchmesser von 56 mm und einen Innendurchmesser von 12 mm sowie eine Länge von 20 mm. Die

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Ringdichtung 28 hat einen Innendurchmesser von 22 mm und einen Außendurchmesser von 3^ mm. Das Spiel zwischen Muffen und Elektroden 2 beträgt 0,15 mm.

Eine mit dieser Einrichtung ausgestattete Elektrolysevorrichtung arbeitete unter einem Druck von 30 Bar mit einer Stromdichte von 0,2 A/cm² bei 80⁰C.

Es wurde festgestellt, daß der Sauerstoff 0,25? Wasserstoff und daß der Wasserstoff einen Sauerstoffanteil enthielt, der kaum über der Genauigkeit des Meßgerätes lag.

Diese Zahlen zeigen, daß die durch die Konstruktionsmerkmale erzielte innere Abdichtung der Vorrichtung exzellent war und daß insbesondere keinerlei Leckage zwischen den Anolytkanälen und den Katholytkammern und umgekehrt auftrat.

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Claims

DIETRICH LEWINSKY

H 'INZ-JOACHIM HUBER

REINER PRIETSCH -Jl₀* 13.1.1976

MÖNCHEN 21

GOTTHARDSTR.ft1 8817-lV/Re.

Societe de Recherches Techniques et Industrielles

Patentansprüche^

Elektrolysevorrichtungj bestehend aus einem Stapel von Elektroden enthaltenden Zellen, wobei jede Elektrode in einem druckbeständigen Ringkranz gefaßt ist und der Raum zwischen zwei Elektroden durch ein Diaphragma in zwei Kammern unterteilt ist. die mit dem Elektrolyten gefüllt sind, der die*, zwei Elektrolysegase einzeln in jeder Kammer freisetzt und die Kammern von wenigstens drei Kanälen durchzogen sind, von denen wenigstens einer der Zufuhr des Elektrolyten und die beiden anderen zum Abzug des Gemisches aus Elektrolyt und jeweiligem Gas dienen und jeder Kanal mit den jeweiligen Kammern durch ihn durchquerende Leitungen in Verbindung steht und die gestapelten Ringkränze zwischen zwei Kopfplatten mittels Zugankern zusammengespannt sind, wobei jeder Ringkranz von seinen benachbarten Ringkränzen durch eine Anordnung getrennt ist, die gleichzeitig die notwendige Festigkeit gegen den Druck der Zuganker, die Abdichtung gegenüber den Elektrolysegasen und die elektrische Isolierung sicherstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung einerseits ein erstes Element (8), bestehend aus einem isolierenden, harten, wenig kompressiblen Werkstoff, der in der Lage ist, die elektrische Isolierung sicherzustellen und den Druckkräften zu widerstehen, und andererseits einjzweites Element (9), das die Dichtung bildet und aus einem elastischen, gegenüber dem Elektrolyten chemisch neutralen Werkstoff besteht, umfaßt.

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2. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (9) aus einem isolierenden, leicht-fließfähigen Werkstoff, eingelassen in eine Ringnut (11)im Umfang eines Ringkranzes (1) und gequetscht durch eine zu der Ringnut (11) komplementäre Stufe (12) auf den Umfang des benachbarten Ringkranzes (1), besteht.

3· Elektrolysevorrichtung nach Anspruch-2, dadurch gekennzeichnet, daß der leicht fließfähige Werkstoff Polytetrafluoräthylen ist.

4. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element (9) aus einem in eine Ringnut eingelassenen Ring aus fließfähigem Werkstoff besteht, wobei der Ring vor dem Einlassen eine Form entsprechend einem Fließansatz (15) zur Zentrierung der Ringkränze (1) zueinander und damit zur gegenseitigen elektrischen Isolierung von zwei aufeinanderfolgenden Ringkränzen besitzt.

5· Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Seitenfläche der Ringnut (11), in die der fließfähige Werkstoff eingelassen ist, eine Fase (l6) aufweist.

6. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das zweite Element aus einer isolierenden Ringdichtung (18) besteht.

7. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtung (18) aus einem Copolymeren aus Polytrifluorchloräthylen und Vinylidenfluorid besteht.

8. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß äas zweite Element aus einem Teil des Diaphragmas

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(3) besteht j der zuvor tief mit Polytetrafluoräthylen getränkt wurde und in Verbindung mit dem ersten Element ohne Beeinträchtigung der elektrischen Isolierung der Zellen die Abdichtung sicherstellt.

9. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (8) aus einem Überzug oder Niederschlag auf mindestens einer Ringkranzfläche aus einem isolierenden, wenig fließfähigen Werkstoff besteht.

10. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 9_a dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff Polytrifluoräthylen ist.

11. Elektrolysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (8) sich über die gesamte Breite des Ringkranzes erstreckt und daß das zweite Element aus einer Metallringdichtung (2) besteht, die auf dem das erste Element (8) bildenden, isolierenden Werkstoff aufliegt.

12. Eleketrolysevorrichtung, bestehend aus einem Stapel von Elektroden enthaltenden Zellen, wobei jede Elektrode in einem druckbeständigen Ringkranz gefaßt ist und der Raum zwischen zwei Elektroden durch ein Diaphragma in zwei Kammern unterteilt ist, die mit dem Elektrolyten gefüllt sind, der die zwei Elektrolysegase einzeln in jeder Kam-

von
mer freisetzt und die Kammern/wenigstens drei Kanälen durchzogen sind, von denen wenigstens einer der Zufuhr des Elektrolyten und die beiden anderen zum Abzug des Gemisches aus Elektrolyt und jeweiligem Gas dienen und jeder Kanal mit den jeweiligen Kammern durch ihn durchquerende Leitungen in Verbindung steht und die gestapelten Ringkränze zwischen zwei Kopfplatten mittels Zugankern zusammengespannt sind, wobei jeder Ringkranz von seinen benachbarten Ringkränzen durch eine Anordnung getrennt ist, die gleichzeitig

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die notwendige Festigkeit gegen den Druck der Zuganker, die Abdichtung gegenüber den Elektrolysegasen und die elektrische Isolierung sicherstellt, wobei die Kanäle aus ineinandergreifendenj gestapelten Muffen gebildet sind, dadurch gekennzeichnet ₉ daß jede von einer Leitung (31) durchquerte Muffe (25) dicht auf dem Diaphragma (3)_s das sie durchquert j befestigt ist und daß sie sich auf den benachbarten Muffen (24, 26) über eine auf einer Elektrode (2) aufliegende Ringdichtung (28) abstützt, die an derjenigen Elektrode (2) angeordnet ist, die gegenüber der der Leitung (31) benachbarten Elektrode (2) liegt.

13·Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtung zwischen der Muffe (25) und der Elektrode (2) im Schnitt auf einer Seite einen Ansatz (32), der in eine Ringnut (29) in der Muffe paßt, und auf der anderen Seite zwei einen Winkel einschließende Lippen (33) aufweist.

l4.Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdichtung etwa Kreisquerschnitt aufweist und aus einem Coplymeren aus Polytrifluorchloräthy-Ie und Vinylidenfluorid besteht.

End
_w, / aus einem Stapel von Elektroden enthaltenden Zellen, wobei jede Elektrode in einem druckbeständigen Ringkranz gefaßt ist und der Raum zwischen zwei Elektroden durch ein Diaphragma in zwei Kammern unterteilt ist, die mit dem Elektrolyten gefüllt sind, der die zwei Elektrolysegase einzeln in jeder Kammer freisetzt und die Kammern von wenigstens-drei Kanälen durchzogen sind, von denen wenigstens einer der Zufuhr des Elektrolyten und die beiden anderen zum Abzug des Gemisches aus Elektrolyt und jeweiligem Gas dienen und jeder Kanal mit den jeweiligen

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Kammern durch ihn durchquerende Leitungen in Verbindung steht und die gestapelten Ringkränze zwischen zwei Kopfplatten mittels Zugankern zusammengespannt sind, wobei jeder Ringkranz von seinen benachbarten Ringkränzen durch eine Anordnung getrennt ist, die gleichzeitig die notwendige Festigkeit gegen den Druck der Zuganker, die Abdichtung gegenüber den Elektrolysegasen und die elektrische Isolierung sicherstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Elektrolytzulaufkanälen entsprechenden Muffen von einer oder mehreren Leitungen geringen Durchmessers durchbrochen sind j die einen im Verhältnis zu dem Strömungswiderstand des Kanals selbst höheren Strömungswiderstand erzeugen, während diese den Elektrolytablaufkanälen entsprechenden Muffen von Leitungen wesentlich geringeren Strömungswiderstandes durchbrochen sind.

l6. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 15 mit im unteren Teil der Ringkränze liegenden Elektrolytzulaufkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Leitungen nach unten in einem Kegel von 90° Öffnungswinkel, dessen Achse den betrachteten Kanal mit dem Mittelpunkt des Ringkranzes verbindet, gerichtet sind.

17· Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegel, innerhalb dessen die Leitungen gerichtet sind, eine öffnung von 60° hat.

18. Elektrolysevorrichtung nach Anspruch 15 mit im oberen Teil des Ringkranzes liegenden Abzugskanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Leitungen auf das Obere des Ringkranzes gerichtet sind.

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