EP0206032A1

EP0206032A1 - Elektrolyseur mit Diaphragma-Elektroden-Sandwichanordnung und dafür geeignete Montageeinrichtung

Info

Publication number: EP0206032A1
Application number: EP86107650A
Authority: EP
Inventors: Jiri Dr. Divisek; Peter Dr. Malinowski
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1986-06-05
Publication date: 1986-12-30
Also published as: JPS6244587A; ZA864358B; NO165600B; NO165600C; NO862343L; EP0206032B1; BR8602715A; DE8517106U1; US4773982A; NO862343D0; CA1327773C; DE3667502D1

Abstract

Bei einem Elektrolyseur mit Diaphragma-Elektroden-Sandwichanordnung werden zwischen Diaphragma (1) und Elektrode (6) dünne Kunststoffäden (4) von 50-500 µm Fadenstärke vorgesehen, die sich in Gasabgaberichtung erstrecken und in einem Abstand von etwa 5-50 mm voneinander angeordnet sind. Diese Parallelfäden sind vorzugsweise am Zellrahmen festgelegt, insbesondere in einer Nut mittels eines Drahtes festgeklemmt. Für die Montage solcher Fäden eignet sich ein auf den Zellrahmen aufzupassender Montagerahmen mit einer festen Rollenleiste und einer beweglichen Rollenleiste, welch letztere an Führungen beweglich ist, die parallel zur Gasabgaberichtung verlaufen. Der meanderförmig um die Rollen der festen und der beweglichen Leiste herumgeführte Faden bespannt so haufenartig die Elektrodenfläche, und er wird insbesondere in der Zellrahmennut festgeklemmt und dann abgeschnitten, so daß bei der abschliessenden Montage der Zelle keine Dichtprobleme auftreten können.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrolyseur mit einer Diaphragma-Elektroden-Sandwichanordnung mit einem formstabilen, elektrisch isolierenden Diaphragma und durchlässigen Elektroden sowie auf eine dafür geeignete Montageeinrichtung.
Elektrolyseure bestehen aus einer oder insbesondere mehreren zu einem Zellenblock zusammengefaßten Elektrolysezellen. Die einzelne Zelle wird durch Begrenzungsplatten oder (bipolare) Trennplatten gebildet, die eine Elektrolysekammer begrenzen, welche von einem Diaphragma in Anoden- und Kathodenkammer getrennt wird. Anode und Kathode können sandwichartig am Diaphragma anliegen, soweit dieses nicht selbst elektrisch leitend ist. Üblicherweise besteht jedoch ein Abstand von etwa 1 bis 3 mm zum Diaphragma.
Von besonderem technischen Interesse sind derzeit Elektrolyseure für die alkalische Elektrolyse, insbesondere Wasserelektrolyse, auf die somit in der vorliegenden Beschreibung besonders Bezug genommen wird.
Für die alkalische Wasserelektrolyse wurde von der Anmelderin eine Sandwichanordnung aus einem porösen, elektrisch nichtleitenden Oxiddiaphragma und beidseits anliegenden aktiven Elektroden entwickelt (DE-OSen 29 27 566, 30 31 064 und 33 18 758), das hier als besonderes Beispiel zur Erläuterung der Erfindung dienen soll.
Solche Diaphragmen auf Nickeloxidbasis besitzen eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit in heißer Lauge, hervorragende Trenneigenschaften hinsichtlich der Produktgase (0₂ und H₂ bei der Wasserelektrolyse) sowie elektrisch isolierende Eigenschaften, die einen unmittelbaren Kontakt der Elektroden mit dem Diaphragma ("Nullabstand") gestatten.
Mit solchen Elektroden mit Nullabstand zum Diaphragma wird eine bestmögliche Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse in Anbetracht geringst möglicher Zellspannungen erreicht.
Ein solches Diaphragma-Elektroden-Sandwich hat allerdings einen Nachteil: Das Diaphragma bleibt nur dann funktionsfähig, wenn sich an den Elektroden keine Ablagerungen bilden, die sich dann weiter in das in unmittelbarer Nähe (Nullabstand) befindliche Diaphragma fortpflanzen können. Das gesamte Zellsystem samt Peripherie muß also sehr korrosionsbeständig sein: Anderenfalls würden sich Korrosionsprodukte entweder kathodisch als Metalle oder anodisch als Oxidhydrate abscheiden und von den Elektroden in das Diaphragma hinein übertreten und dieses zusetzen oder sogar zu Kurzschlüssen führen. In der Praxis ist es nun jedoch sehr schwer oder doch zumindest sehr kostspielig, einen korrosionsfreien Zustand aufrechtzuerhalten.
D.h., die einerseits energetisch günstige und damit wirtschaftliche Verminderung der Elektrodenabstände ist mit dem Zwang zu kostspieligen Anlagen verbunden, während die konstruktiv billigere mit merklichem Abstand Diaphragma-Elektroden arbeitende Lösung energetisch nachteilig ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen, d.h. eine konstruktive Lösung zu finden, bei der die Energieverluste aufgrund des Abstandes Diaphragma-Elektroden gering sind, aber trotzdem für Zelle und Peripherie Konstruktionsmaterialien verwendet werden können, die bei tragbarem Preis einigermaßen korrosionsbeständig sind, ohne jedoch jede Korrosion ausschließen zu müssen.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung erreicht durch dünne, sich in Gasabgaberichtung erstreckende Kunststoff-Fäden mit 5 bis 50 mm Fadenzwischenraum und einer Fadenstärke von 50 bis 500 um zwischen Diaphragma und Elektrode. Bevorzugte Fadenzwischenräume liegen zwischen 10 und 20 mm, und Fadenstärken um etwa 200 pm sind besonders zweckmäßig.
Die Kunststoffäden müssen selbstverständlich unter Elektrolysebedingungen beständig sein und bestehen insbesondere aus Polytetrafluoräthylen oder auch aus anderen geeigneten beständigen Kunststoffmaterialien, wie z.B. Polysulfon.
Durch den Verlauf in Gasabgaberichtung kann vermieden werden, daß sich beständig sperrende Gaspolster zwischen dem Diaphragma und den Elektroden ausbilden, die den wirtschaftlichen Betrieb des Elektrolyseurs beeinträchtigen können.
Die Art der Anbringung der Fäden, die in (bei Zellbetrieb) Gasabgaberichtung verlaufen, kann grundsätzlich auf beliebige Weise erreicht werden, da der Kontakt mit den angrenzenden Elementen (Diaphragma und Elektroden) für ein Weiterbestehen der einmal erreichten Anordnung sorgt. Besonders zweckmäßig ist jedoch eine Festlegung der Fäden am Zellrahmen, insbesondere in einer Nut desselben, die speziell möglichst unmittelbar benachbart zur Elektrolytkammer vorgesehen ist.
In einer solchen Nut können die Fadenenden mittels eines dünnen Drahtes oder Drahtringes festgeklemmt werden.
Als besonders zweckmäßig erweist sich eine Montagevorrichtung für die Fäden, wie sie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervorgeht, die auf die angefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen schematisch:

Figur 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Diaphragma-Elektroden-Sandwich's im Schnitt quer zur Gasabgaberichtung;
Figur 2 in Gasabgaberichtung gespannte Fäden während der Montage;
Figur 3 den mit Nuten versehenen Zellrahmen vor der Fadenmontage (im Schnitt);
Figur 4 einen in der Rahmennut festgelegten Faden zwischen Diaphragma und Elektrode vor dem Zusammenschluß der Zelle (vergrößerter Ausschnitt) und Figuren
5 bis 7 unterschiedliche Phasen der Fadenmontage.

Gemäß Fig. 1 wird ein elektrisch isolierendes formstabiles Diaphragma 1, das insbesondere aus porösem Nickeloxid 2 auf einen gerüstgebenden Träger 3 besteht, durch Fäden 4 aus einem unter Elektrolysebedingungen beständigen Kunststoff unter Bildung eines Abstandes 5 von einer durchlässigen Elektrode 6 getrennt, die insbesondere durch eine aktivierte Lochblechelektrode gebildet wird, aber auch eine Streckmetallelektrode, Jalousieelektrode oder auch eine poröse aktivierte Elektrode sein kann.
Die Fäden 4 verlaufen in Gasabgaberichtung, so daß das an der Elektrodenvorderseite gebildete Gas ungehindert zur Gassammelleitung des Elektrolyseurs hin entweichen kann, ohne daß Gaspolster entstehen können.
Die angegebenen Abmessungen sind als Beispiel zu verstehen und können nach Bedarf variiert werden.
Solche Kunststoffäden 4 werden zweckmäßigerweise, wie in Fig. 2 angedeutet ist, mit Hilfe von versetzten Leitrollen 7, 7', über die der Faden 4 meanderförmig hin- und herläuft, über den Elektroden 6 ausgespannt und in einer Nut 8 (s. Fig. 3) mit einem über die Fäden gelegten und in die Nut gepreßten (z.B. gehämmerten) Draht oder Drahtring 9 festgeklemmt. Die überstehenden Fadenenden (jenseits der Nut 8) werden zweckmäßigerweise weggeschnitten, bevor unter Aufbringung des Diaphragmas 1 die Zelle durch Zusammenspannen des Zellrahmens 10, der die bipolare Platte 11 umfaßt, fertigmontiert wird.
Fig. 4 zeigt die Anordnung von Zellrahmen 10, Elektrode 6, Faden 4 und Diaphragma 1 mit Zell-und Diaphragmadichtung 12 in einem Ausschnitt in vergrößerter Form.
Eine für die Montage des erfindungsgemäß vorgesehenen Fadens 4 besonders geeignete Vorrichtung ist in den Fig. 5 - 7 angedeutet:

Die daraus ersichtliche Vorrichtung umfaßt einen Rahmen 13 mit einer festen Rollenleiste 14 und einer beweglichen Rollenleiste 15 mit zueinander versetzten Gleitrollen 7, 7', über die der Faden 4 läuft. Die bewegliche Leiste 15 wird durch Führungen 16, 16' parallel zur Leiste 14 gehalten.

Die bewegliche Leiste 15 kann über die feste Leiste 14 hinweg bewegt werden (s. insbesondere Fig. 7), und ihre Rollen 7' sind versetzt zu den Rollen 7 der festen Leiste hängend angeordnet,
so daß sich die Rollen 7, 7' praktisch in einer Ebene befinden.
Wie in Fig. 5 angedeutet ist, wird der zunächst nur über die Rollen 7 der festen Leiste 14 geführte Faden bei Verschiebung der beweglichen Leiste von den kammartig dazwischen greifenden Rollen 7' mitgenommen und harfenartig über die Fläche der darunter befindlichen Elektrode (oder ggf. des darunter befindlichen Diaphragmas) ausgezogen. Während dieses Vorganges soll der Faden noch einen geringen Abstand zu dem darunter befindlichen Element (Elektrode oder auch evtl. Diaphragma) haben, und er wird dann nach Anschlag der beweglichen Leiste 15 (bei 17) oder deren Festlegung in gewünschter Entfernung zur festen Leiste z.B. mit Klemmschrauben (wodurch eine Anpassung der Vorrichtung an unterschiedliche Zellengrößen erreicht wird) durch ein- oder beidseitige Absenkung des Rahmens mit der darunter befindlichen Elektrode (oder auch evtl. dem Diaphragma) in Kontakt gebracht.
Die Anordnung entspricht dann der Fig. 2 - allerdings noch ohne Klemmdraht oder Klemmring, der dann aufgesetzt und durch Anhämmern o.dgl. angepreßt wird, woraufhin die über die Nut nach außen hinausragenden Fadenteile abgeschnitten werden sollten.
Als Führung für den Rahmen 13 relativ zur Elektrode, über die der Faden gespannt wird, können z.B. die Montagebolzen eines Zellenblocks dienen.
Die durch Spreizung (bzw. Voneinanderentfernung) durch Rollenleisten 14, 15 voneinander harfenartig ausgespannte Faden 4 läuft insbesondere von einer Vorratsrolle (21) ab, die vom Rahmen 13 gehalten werden kann.
Das freie Ende des Fadens wird bei 18 festgelegt, beispielsweise mit Hilfe einer Klemme festgeklemmt, und der Faden läuft über eine Spannrolle 19 zur Vorratsrolle (21).
Für die Passung des Montagerahmens 13 auf den Zellrahmen 10 können entsprechende Paßelemente, wie in 20 angedeutet, vorgesehen sein, die etwa um die Montagebolzen des Zellenblocks greifen und somit eine einfache Ausrichtung des Montagerahmens 13 ermöglichen.
Für das Ausspannen des Fadens 4 über sehr großflächigen Elektroden kann der (bei der Montage zusammenhängende) Faden 4 selbstverständlich in eine Serie von Fäden unterteilt werden, die von einer Mehrzahl von Vorratsrollen ablaufen, so daß von einer einzelnen Vorratsrolle jeweils nur ein um z.B. 10 Rollen laufendes Fadenstück abgezogen wird. Dieser Mehrzahl von Vorratsrollen sind dann eine entsprechende Anzahl von Spannrollen zugeordnet, und die jeweiligen Fadenenden der Fadenstücke werden ebenso durch eine Mehrzahl von Festlegungselementen 18 festgelegt. Alternativ kann die Überspannung größerer Flächen schrittweise erfolgen durch zeitlich aufeinanderfolgende (Teil)Ausspannung von jeweils nur eines um z.B. 10 Rollen laufenden Fadenstücks.
Der einen Minimalabstand zwischen Elektrode und Diaphragma gewährleistende Faden 4 wird insbesondere anodenseitig vorgesehen, da ein gewisser Minimalabstand zwischen Anode und Diaphragma besonders wichtig ist. Üblicherweise wird man jedoch den Faden auch beidseits des Diaphragmas, also sowohl kathoden- als auch anodenseitig ausspannen.

Claims

1. Elektrolyseur mit einer Diaphragma-Elektroden-Sandwichanordnung mit einem formstabilen, elektrisch isolierenden Diaphragma und durchlässigen Elektroden, gekennzeichnet durch dünne, sich in Gasabgaberichtung erstreckende Kunststoff-Fäden (4) mit 5 bis 50 mm Fadenzwischenraum und einer Fadenstärke von 50 bis 500 µm zwischen Diaphragma (1) und Elektrode (6).

2. Elektrolyseur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Fadenzwischenraum von 10 bis 20 mm.

3. Elektrolyseur nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Fadenstärke um 200 pm.

4. Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (4) aus Polytetrafluoräthylen bestehen.

5. Elektrolyseur nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet , daß die Fäden (4) zwischen den Elektroden (6) und dem Diaphragma (1) am Zellrahmen (10) festgelegt sind.

6. Elektrolyseur nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet , daß die Fadenenden in einer Nut (8) im Zellrahmen (10) eingeklemmt sind.

7. Elektrolyseur nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch eine zur Elektrolytkammer unmittelbar benachbarte Nut (8).

8. Elektrolyseur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Fadenenden durch einen dünnen Draht bzw. Drahtring (9) in der Nut (8) festgeklemmt sind.

9. Vorrichtung zur Montage der Fäden in einer Sandwichanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
gekennzeichnet durch einen auf den Zellrahmen (10) aufzupassenden Montagerahmen (13) mit einer festen Rollenleiste (14) auf einer Seite des Zellrahmens und Seitenführungen (16, 16'), die parallel zur Gasabgaberichtung der montierten Zelle verlaufen, für eine über die Zellrahmenfläche verschiebliche Rollenleiste (15) mit zur festen Leiste versetzten Rollen (7') und mit zumindest einem Mittel (18) zur Festlegung zumindest eines Fadenendes und einer entsprechenden Anzahl von Spannrollen (19) für das jeweils andere Ende des meanderförmig über die Rollen geführten Fadens (4).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch zumindest eine Vorratsrolle, von welcher der an dem einen Ende festgelegte Faden abläuft.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die bewegliche Rollenleiste (15) über die feste Rollenleiste (14) übergreifend bewegbar ist, zwischen deren Rollen (7) die in gleicher Ebene liegenden Rollen (7') der beweglichen Leiste (15) hindurchführbar sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der aufgepaßte Montagerahmen (13) den Zellrahmen (10) in Gasabgaberichtung überragt.