EP0095039A2 - Membran-Elektrolysezelle - Google Patents

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EP0095039A2
EP0095039A2 EP83103915A EP83103915A EP0095039A2 EP 0095039 A2 EP0095039 A2 EP 0095039A2 EP 83103915 A EP83103915 A EP 83103915A EP 83103915 A EP83103915 A EP 83103915A EP 0095039 A2 EP0095039 A2 EP 0095039A2
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membrane
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bars
pairs
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Helmut Ing. Schmitt (Grad.)
Helmuth Dipl.-Ing. Schurig
Wolfgang Dr. Strewe
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ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Uhde GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Definitions

  • the invention relates to a membrane electrolysis cell of the filter press type with pairs of planar electrodes, each containing at least one perforated active central part, with a membrane arranged between the pairs of electrodes and a seal lying between the electrode edge and the membrane edge.
  • the electrolysis cell is suitable for the electrolysis of an aqueous, halide-containing electrolyte (brine) in order to produce an aqueous alkali metal hydroxide solution (cell liquid) and halogen and hydrogen.
  • electrolysis cell is already known from DE-OS 28 09 332.
  • the electrolysis cell of the filter press type described there consists of a plurality of vertically and alternately arranged flexible anode and cathode plates, each with a membrane permeable to cations installed between adjacent anode and cathode plates.
  • Anode plates, membrane and cathode plates are fixed in their distance from each other by means of non-conductive, flexible spacer plates.
  • the thickness of the spacer plates which are either covered with sealing material or even consist of almost incompressible sealing material, is chosen so that the membrane is free between anode plates and cathode plates.
  • anode or cathode plates are thin, ie do not have high surface stability, their distance across the active surface from the membrane is different. This peculiarity has the consequence that the distance from the anode plate to the cathode plate is also different and this results in a different surface load (loss of voltage, electrochemical efficiency). In addition, it is difficult to stretch the membrane completely smooth from the edges of the cell. To the possibly wavy anode or In addition, cathode plates can then add a membrane with incomplete flatness, ie there are no clearly uniform distances and thus conditions in the space between the anode and cathode plates.
  • the object of the invention is to create a monopolar filter press cell which has improved properties compared to known filter press cells.
  • the invention relates to a membrane electrolysis cell of the filter press type with pairs of planar electrodes, each containing at least one perforated active central part, with a membrane arranged between the paired electrodes and a seal lying between the electrode edge and the membrane edge, which is characterized in that the perforated central part of an electrode has a grid-like structure, the bars of the electrodes assigned in pairs by max. half a rod width are offset from one another, the lattice rods have a convex curvature at least on the active side and the thickness of the seal between the electrode edge and the membrane edge is equal to or less than the height of the lattice rod portion projecting over the electrode edge.
  • both seals between an electrode edge and a membrane edge can be combined to form a seal. This then results in a seal between only one membrane edge and one electrode edge of a paired electrode in the same or less thickness than twice the height of the portion of the lattice rod projecting beyond the electrode edge. In this way, the number of parts of the membrane electrolytic cell of the filter press type can be reduced and thus at the same time the number of sealing surfaces and any leakage points.
  • the grid bars are punched out and shaped on the electrode sheet.
  • the bars on the side of the convex curvature have a large number of transverse indentations.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that the distance between the electrode plates and the membrane becomes zero, and that the voltage loss in the complete electrolysis cell system is thus substantially reduced. It is not necessary, as previously, to provide complex support structures so that the membrane is tensioned smoothly and remains in operation.
  • the elimination of components for the support structure improves the gas extraction from the cells and at the same time reduces the overall length of each individual electrolysis cell.
  • the convex design of the bars on the side facing the membrane and their displacement by max. half a rod width also has the advantage that the distance between the rods between the anode plates and the cathode plates is constant in the convex region and thus a high effective electrode area is available.
  • the bars of the electrode plates can also have any shape on the side facing away from the active side, too they can be welded or otherwise attached to the frame of the electrode plate.
  • the decisive factors for the final design are the choice of materials, manufacturing costs and voltage loss in the electrolysis cell.
  • the electrode plates, anode and cathode are made of a material or coated according to the prior art.
  • the seals used also correspond to the state of the art in terms of design and material.
  • the end plates of the electrolytic cell and the required anchor bolts are designed in a known manner. So-called flags on each electrode plate are used for power supply and discharge.
  • the inventions are particularly suitable for membrane cells used for the production of chlorine and sodium hydroxide by electrolysis of aqueous sodium chloride solutions.
  • the unit shown in Figure 1 consists of the anode plate 1 and the cathode plate 2 in a completely identical design, from the membrane 3 between the plates and from the seals 4 for clamping the membrane and the seals 5 with insert 6 for dimensional stability and 'with the Openings 7 for different reaction media.
  • the reaction medium between two electrode packs in a mixture with product media such as hydrogen and chlorine gas is not affected by the optimal distribution concentration by any support structure elements.
  • the structure of the electrolysis cell can be seen.
  • the gaseous product media escape upwards from the louvre-like lattice bars 8, which can also be designed as slats.
  • the membrane 3, made of commercially available material, is fixed in a known manner with the seal 4, so that it is tensioned between the electrode plates according to the invention after installation of the second electrode plate.
  • the bars can also be slats according to FIG. 3 of different shapes. It is essential that the side facing the membrane is designed according to the invention and the offset of the bars on each electrode plate is max. is half a bar width.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten, mit einer zwischen den paarweisen Elektroden angeordneten Membran und jeweils zwischen Elektrodenrand liegender Dichtung. Die Elektrolysezelle ist geeignet für die Elektrolyse eines wässrigen, halogenidhaltigen Elektrolyts (Sole), um eine wässrige Alkalimetallhydroxidlösung (Zellenflüssigkeit) und Halogen und Wasserstoff herzustellen. Der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode weist einen gitterähnlichen Aufbau auf, die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden sind um max. eine halbe Stabbreite gegeneinander versetzt, die Gitterstäbe haben mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung und die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranran ist gleich oder geringer als die Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils.

Description

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

Claims (5)

1. Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit
a) paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten,
b) zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter Membran,
c) jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand liegender Dichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß
d) der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist,
e) die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um max. 1/2 Stabbreite gegeneinander versetzt sind,
f) die Gitterstäbe einer Elektrode so angeordnet sind, daß ihr Abstand untereinander kleiner als die Projektion ihrer Breite ist,
g) die Gitterstäbe mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung haben,
h) die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranrand gleich oder geringer ist als die Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils.
2. Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit
a) paarweise flächenhaften Elektroden, die je mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten,
b) zwischen den paarweisen Elektroden angeordneter Membran,
c) jeweils zwischen einem Elektrodenrand und einem Membranrand liegender Dichtung,

dadurch gekennzeichnet, daß
d) der durchbrochene Mittelteil einer Elektrode einen gitterähnlichen Aufbau aufweist,
e) die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um max. 1/2 Stabbreite gegeneinander versetzt sind,
f) die Gitterstäbe einer Elektrode so angeordnet sind, daß ihr Abstand untereinander kleiner als die Projektion ihrer Breite ist,
g) die'Gitterstäbe mindestens an der Aktivseite eine konvexe Wölbung haben,
h) die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranrand gleich oder geringer ist als die doppelte Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils.
3. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstäbe aus dem Elektrodenblech ausgestanzt und geformt sind.
4. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstäbe waagerecht verlaufen.
5. Membran-Elektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß waagerecht verlaufende Gitterstäbe Einbuchtungen aufweisen.
EP83103915A 1982-05-26 1983-04-21 Membran-Elektrolysezelle Expired EP0095039B1 (de)

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