EP3794165A1 - Elektrolysezelle mit federnden halteelementen - Google Patents

Elektrolysezelle mit federnden halteelementen

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EP3794165A1
EP3794165A1 EP19734703.2A EP19734703A EP3794165A1 EP 3794165 A1 EP3794165 A1 EP 3794165A1 EP 19734703 A EP19734703 A EP 19734703A EP 3794165 A1 EP3794165 A1 EP 3794165A1
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EP
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elements
anode
electrolysis cell
electrolytic cell
holding elements
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EP19734703.2A
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EP3794165B1 (de
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Sebastian Austenfeld
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ThyssenKrupp Nucera AG and Co KGaA
Original Assignee
ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an electrolytic cell comprising an anode chamber and a cathode chamber, which are separated from one another by an ion exchange membrane, the electrolytic cell further comprising an anode, a gas diffusion electrode and a cathodic current distributor, with the anode, ion exchange membrane, gas diffusion electrode and cathodic current distributor in the order mentioned are in direct contact with one another and resilient holding elements are arranged beyond the anode and / or beyond the cathodic current distributor, which exert a contact pressure on the anode and / or on the cathodic current distributor.
  • the present invention relates in particular to electrolysis cells in electrolyzers which operate according to ODC technology with an oxygen consumable cathode.
  • the desired main product chlorine is formed at the anode according to the following equation:
  • Hydrogen is produced on the cathode as a by-product according to:
  • the present invention relates in particular to electrolysis cells for hydrochloric acid electrolysis with an oxygen consumable cathode, referred to in the English-speaking world as “Oxygen Depolarized Cathode” (abbreviated “ODC”), according to the equation given above.
  • ODC Oxygen Depolarized Cathode
  • electrolyzers with a defined gap between the anode electrode and the membrane resting on the oxygen-consuming cathode due to process pressure have generally been used so far. Since the internal components of the cell were all made rigid, their tolerance was designed for a resulting gap in order to avoid excessive compression.
  • the primary expectation is that the elements can be operated with the same current density and a lower operating voltage.
  • the operating voltage of the cells is expected to rise less than in the conventional design, since the influence of the conductivity of the medium plays a smaller role in the zero-gap configuration.
  • an electrolysis cell for the electrochemical production of chlorine in which an anode, a cation exchange membrane, a gas diffusion electrode and a current collector are held together so elastically that there is no distance between the individual components.
  • the elastic cohesion is achieved by an elastic fastening of the current collector to the cathode frame or the anode to the anode frame.
  • Holding elements are used which are designed as spring elements and extend, for example, in the cathode space between a rear wall and the current collector.
  • Spiral springs are used, which on the one hand are attached at one end to the rear wall via Z-profiles and on the other hand exert a pressing force on the current collector in their axial direction at their other end.
  • These coil springs extend with their axial direction in the transverse direction of the electrolytic cell, that is to say perpendicular to the plane of the electrodes.
  • US 2009/0050472 A1 describes an electrolytic cell with an anode chamber and a cathode chamber, which are separated from one another by an ion exchange membrane, the electrolytic cell also having a gas diffusion electrode.
  • the arrangement of the individual components in the electrolysis cell is such that the anode is followed by the ion exchange membrane, then a percolator, then the cathode, an elastic current collector and the cathode rear wall.
  • the electrolysis cell is a chlor-alkali cell with an oxygen consumable cathode.
  • the elastic current collector used here consists of a kind of mat made of nickel.
  • a current collector with resiliently resilient tongues can be used in a comb-like arrangement or with projecting resilient plates which are fastened on one side and press on the cathode or on the anode and press them onto the ion exchange membrane.
  • DE 10 2007 042 171 A1 describes an electrolysis cell in which pneumatic pressure mechanisms are provided on the anode side, which are formed from pneumatically inflatable pressure tubes. These pressure hoses are connected to a pneumatic system and are inflated to the extent necessary for pressure. The pressure hoses are made of silicone rubber and are therefore not electrically conductive. The contact pressure is generated by means of an auxiliary medium under pressure. Such pressure hoses do not consist of a material which is at least partially plastically deformable by the contact pressure.
  • the object of the present invention is to provide an electrolysis cell with the features of the type mentioned at the beginning, in which an effective mechanical pressing of the ion exchange membrane onto the oxygen consumable cathode is ensured in order to produce a zero-gap configuration ,
  • An electrolysis cell of the type mentioned at the outset provides the solution to the above object.
  • the resilient holding elements comprise ring elements or at least one tubular section, the axis of which is aligned in the vertical direction or in the longitudinal direction of the electrolytic cell.
  • the solution according to the invention thus differs significantly from the prior art cited above, since in the prior art resilient retaining elements are used which are designed similarly to spiral springs and which are arranged in the electrolysis cell in such a way that their axis extends in the transverse direction of the electrolysis cell.
  • the holding elements in particular their ring elements or tubular sections in the electrolytic cell, in addition to elastic deformation, at least partially undergo plastic deformation and are designed to be elastoplastic and resilient.
  • plastic deformation is caused by the contact pressure, since the ring elements or tubular sections in the electrolysis cell are subjected to compression in the radial direction.
  • the plastic deformation mentioned above is a permanent deformation, for example a radial compression of the ring elements by radial action.
  • spiral spring-like elements are used which, although deforming temporarily under compression pressure, deform again due to the elasticity as the compressive force decreases and thus return to their original shape.
  • the extent of the electrolytic cell in the three mutually perpendicular spatial directions is defined in the present application in such a way that the direction is usually parallel to the flat electrodes and the flat membrane is referred to as the longitudinal direction.
  • the direction perpendicular to the longitudinal direction, also parallel to the extension of the flat electrodes, in the electrolytic cell from the lower end to the upper end is referred to as the height direction.
  • the direction transverse to the electrodes, that is to say in the direction of the surface normal to the electrodes and to the membrane and thus transverse to the longitudinal direction and height direction, is referred to as the transverse direction.
  • the electrolysis cells according to the invention can thus have, for example, an approximately cuboid basic shape, the extent of the electrolysis cell in the transverse direction defined above generally being less than the extent in the longitudinal direction.
  • a plurality of electrolysis cells are preferably arranged side by side or one behind the other in such a way that the cathode chamber of the one cell is always followed by the anode chamber of the next electrolysis cell in the series circuit, between the cathode chamber of the first electrolytic cell and the anode chamber the next adjacent electrolytic cell is arranged the ion exchange membrane.
  • a preferred development of the task solution according to the invention provides that the ring elements or the tubular section of the resilient holding elements are arranged between the anode and the cathodic current distributor in such a way that they are subjected to compression in the radial direction.
  • the radial direction of the ring elements corresponds in the solution according to the invention to the transverse direction of the electrolysis cell, that is to say the direction in which the pressure on the ion exchange membrane is applied to the
  • the ring element or the tubular section is therefore flexible in its radial direction. The pressing of the flat
  • Membrane / electrode structure is produced by compressing the ring elements or tubular sections in their radial direction, the electrode being displaced in the direction of the rear wall of the chamber without simultaneous lateral displacement, since the latter would result in the risk of membrane damage.
  • the resilient holding elements in the electrolytic cell in the anode chamber and / or in the cathode chamber such that their axis does not extend in the vertical direction but in the longitudinal direction of the electrolytic cell.
  • the preferably elastically resilient holding elements would be subjected to compression in the radial direction.
  • the ring elements or the tubular section of the holding elements in the electrolysis cell can be at least partially also plastically deformed by the pressure in addition to an elastic deformation Experienced.
  • plastic deformation is understood to mean permanent deformation of a material in which the stress acting in the material exceeds the yield strength or 0.2% proof stress of the material.
  • the holding elements according to the present invention show an elastoplastic behavior in this case. Therefore, the present application also speaks of elastoplastic holding elements and elastoplastic ring elements.
  • the ring elements or the tubular sections achieve the pressing of the flat membrane / electrode structure by means of an elastoplastic spring deflection in its radial direction.
  • Overpressure of the membrane is effectively prevented by the at least partially plastic deformation of the ring element or tubular section.
  • the ring element or the tubular section can only exert a certain maximum limiting force, since a permanent deformation occurs before this limiting force is exceeded.
  • the resilient retaining elements comprise ring elements or at least one tubular section which, in addition to elastic deformation, undergo at least partially plastic deformation in the electrolytic cell and are designed to be elastoplastic and resilient.
  • the elastoplastic, resilient holding elements can have, for example, a plurality of ring elements which are each arranged parallel to and at a distance from one another and connected to one another.
  • ring elements For example, for connecting the ring elements to one another, webs can be used which extend in a direction perpendicular to the plane of the ring elements. Such webs enable better processing of the holding elements during assembly of the electrolytic cell, since the flexible holding elements can then be welded to the rear wall of the anode chamber or cathode chamber and / or the anode or the cathode without interruption, for example by means of a laser. Otherwise, additional device effort would be required.
  • the annular structure of the holding elements according to the invention has the further advantage that it enables the installation of accessories of the electrolytic cell, such as drain pipes, in the annular space created by the annular element, for example approximately concentrically in the middle thereof.
  • the ring elements have an ovalized cross section that deviates from the circular shape.
  • the ring elements have a cross-section that deviates from the circular shape and is flattened in two regions lying on the circumference.
  • Such a symmetrical cross section ensures displacement of the electrode (anode or cathode) only in the direction perpendicular to the surface of the electrode, that is to say in the transverse direction of the electrolytic cell.
  • oval or large radius shape also ensures an even deformation.
  • other plastic shapes such as a diamond shape in the tips would result in large plasticizations of the material. This would promote crack formation and mechanical straightening of the structure could then lead to damage to the spring structure.
  • a preferred development of the invention provides that the resilient holding elements are welded to at least one adjacent component of the electrolytic cell, in particular to the anode and / or to a rear wall of the electrolytic cell.
  • the welding creates the contact between the flexible holding element to the rear wall of the chamber and the electrode (in particular the anode), which ensures an optimal low-loss current transfer.
  • the flattened cross-section of the ring elements on both sides lying opposite on the circumference improves this contact, since the contact surface is enlarged.
  • the welding can be carried out, for example, by means of a laser weld seam running in the vertical direction of the holding element (height direction of the electrolysis cell).
  • An alternative embodiment of the invention relates to holding elements with one or more tubular sections.
  • these holding elements which are tubular at least in sections, can be polygonal, for example.
  • a diamond shape is particularly advantageous in order to ensure a lower material requirement.
  • the cross-section of the polygon is also preferably symmetrical or double-symmetrical in order to obtain a deformation perpendicular to the membrane surface.
  • the holding elements are preferably arranged in one of the chambers of the electrolytic cell in such a way that one of the diagonals of the diamond shape extends approximately in the direction of the surface normal to the flat arrangement of electrodes.
  • openings are provided in the tubular sections, which can be arranged in rows, for example, and / or which are arranged for example, extend parallel to the axis of the tubular sections.
  • these openings can be approximately slot-like.
  • the material from which the tubular sections are made is weakened by the perforations, and the plastic deformability of the holding elements is thus increased.
  • the holding elements according to the invention can be used both on the anode side and on the cathode side of the electrolysis cell.
  • the use on the anode side is particularly advantageous because of the usual differential pressures and the better cooling of the structure.
  • a somewhat increased electrical resistance leads to heat development and this heat can be dissipated by medium cooling on the anode side.
  • Due to the intended outlet size the overall height of the anode chamber is greater than that of the cathode chamber. As a result, a greater radial expansion of the elastic holding elements is possible in the anode chamber, which reduces their rigidity.
  • the ring elements and / or the webs of sheet metal strips connecting them to one another have a material thickness of less than one millimeter, preferably with a material thickness of less than 0.8 mm and more than 0.4 mm, for example in the range of about 0.5 mm to about 0.7 mm are made.
  • the current paths in the holding element should also be kept low.
  • a certain minimum material thickness is recommended to ensure a sufficient cross-section for a low-loss electrical transition.
  • an electrolysis cell comprises at least two elastoplastic spring-mounted holding elements which are spaced apart in the longitudinal direction of the electrolysis cell. This is advantageous in order to achieve a uniform contact pressure on the flat structure comprising ion exchange membrane, oxygen consumable cathode and anode in larger surface areas.
  • the resilient holding elements are preferably made at least partially from a metallic material, in particular from a titanium material.
  • a titanium material is understood to mean titanium or a titanium alloy. Due to the passivation of the titanium material by the operating medium at hand, it is recommended to connect the resilient holding elements to adjacent components. A welded connection with the neighboring components is therefore preferred.
  • a support structure is preferably arranged in the cathode chamber, which comprises at least two Z-profiles extending in the transverse direction of the electrolysis cell, preferably a plurality of such Z-profiles which are arranged at a distance from one another in the longitudinal direction of the electrolysis cell.
  • the elastically resilient holding elements are arranged in the anode chamber and these are each arranged such that the resilient holding elements are seen in the longitudinal direction of the electrolytic cell Z profiles are staggered.
  • An approximately central offset of the holding elements in relation to the respective distance between two Z profiles in the cathode chamber is particularly advantageous.
  • the bending elasticity of the electrodes can also be used to create a zero-gap configuration over the largest possible proportion of the area to achieve and to avoid membrane damage in the contact area between the holding element and the Z-profiles.
  • At least two holding elements are arranged one above the other in an axial extension.
  • At least three holding elements are preferably arranged one above the other in an axial extension. In this way it is possible to achieve pressure and support over a predominant part or ideally over the entire height of the electrode.
  • a cell voltage of, for example, 1.30 V at 5 kA / m 2 was first measured in test cells shortly after switching on. After a longer running time, a further reduced operating voltage of 1.25 V at 5 kA / m 2 could be measured.
  • a voltage reduction in the range of 100 to 150 mV or more is thus possible when using the holding elements according to the invention. This corresponds to a reduction in energy consumption of approximately 7.1% to 10.7% compared to a previously conventional cell voltage of 1.4 V at 5 kA / m 2 .
  • the present invention furthermore relates to a resilient holding element for use in an electrolysis cell in order to generate a contact pressure on a flat formation comprising at least two electrodes and an ion exchange membrane, the holding element being designed to be elastoplastic and resilient.
  • the aforementioned resilient holding element preferably comprises a plurality of ring elements which are each arranged parallel to and at a distance from one another and connected to one another, or it comprises at least one tubular section.
  • the ring elements are connected to one another via webs extending in a direction perpendicular to the plane of the ring elements.
  • these sections are preferably provided with openings in order to reduce their rigidity.
  • Such a resilient holding element also preferably has one or more of the features mentioned in the above description in the explanation of the electrolytic cell according to the invention.
  • the present invention furthermore relates to an electrolysis cell comprising at least one elastically resilient holding element with the features mentioned above.
  • the present invention further relates to an electrolyzer comprising at least one electrolytic cell with at least one resilient holding element with the features described above.
  • the invention preferably relates to an electrolyser comprising at least two, preferably a larger number of electrolytic cells with the features described above, arranged in series in an arrangement of the electrolytic cells in each case in their transverse direction next to one another, the cathode chamber of an electrolytic cell being followed by the anode chamber of the adjacent electrolytic cell.
  • Such an arrangement is also referred to as a stacked single cell in back-to-back arrangement or bipolar or filter press design.
  • Figure 1 is a schematically simplified view of an exemplary electrolytic cell according to the invention.
  • FIG. 2 shows an enlarged vertical section through the electrolytic cell from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an enlarged horizontal section through the electrolytic cell from FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a top view of a resilient holding element according to an exemplary variant of the present invention
  • FIG. 5 shows a side view of a resilient holding element according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a view of a cross section through a resilient holding element according to FIG. 5;
  • FIGS. 4 to 6 shows a development of a resilient holding element according to FIGS. 4 to 6;
  • FIG. 8 shows an exemplary arrangement of a plurality of individual cells in an electrolyzer
  • Figure 8a is an enlarged detail view of a section of Figure 8.
  • FIG. 9 shows a force-displacement diagram which indicates the average contact pressure as a function of the spring deflection of an elastically resilient holding element according to the invention.
  • FIG. 10 shows a horizontal section through an electrolysis cell with an exemplary holding element according to an alternative variant of the present invention
  • Figure 1 1 is a side view of a holding element which is used in the variant of the electrolytic cell according to Figure 10;
  • FIG. 12 shows a perspective view of the holding element from FIG. 11.
  • FIG. 1 shows a view of the electrolytic cell viewed from the cathode side, but the electrode itself is not shown for reasons of better clarity.
  • the side view of the electrolytic cell 10 has an approximately rectangular outline.
  • a larger number of elements (electrolytic cells 10) of the type shown in FIG. 1 are generally combined with one another in a block.
  • a plurality of electrolysis cells can be connected to one another in a manner known per se in a bipolar manner in a series connection, adjacent individual cells being stacked back to back.
  • the longitudinal direction denotes the larger (horizontal) direction of expansion in the rectangular outline of the electrolytic cell 10 in the drawing from FIG. 1 from right to left.
  • the smaller (vertical) direction of expansion in the rectangular outline of the electrolytic cell in the drawing according to FIG. 1 from bottom to top is defined as the height direction.
  • the extension of the electrolysis cell perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 is referred to as the transverse direction.
  • the actual cathode in an electrolytic cell of this type is the oxygen-consuming electrode, which is why the cathode is referred to herein as a current distributor.
  • the anode 14 is also shown in FIG. 3.
  • the tubular anodic liquid inlet 15 is located in FIG. 3 on the right side of the drawing.
  • the anodic liquid outlet 16 extends downward and can be seen in FIG. 2.
  • the cathodic gas inlet 18a via which, for example, ultrapure oxygen or an at least oxygen-rich gas can be supplied, is located in FIG. 3 on the left-hand side and is therefore, seen in the longitudinal direction of the electrolytic cell 10, on the side opposite the anodic liquid inlet 15.
  • the cathodic liquid outlet 19 for the resulting condensate can be seen in FIG. 2 on the lower side of the electrolytic cell 10.
  • the cathodic gas outlet 18b like the gas inlet in FIG. 1, can be seen in the top view of the cathode chamber.
  • FIG. 3 also shows the resilient holding elements 30 according to the invention located in the anode chamber, the function of which will be explained in more detail below with reference to FIGS. 4 to 7.
  • These resilient holding elements 30 are arranged in the electrolysis cell 10 such that their axis extends in the vertical direction of the electrolysis cell.
  • the resilient retaining elements have an approximately oval ring shape in cross section, somewhat flattened on both sides, and lie in the electrolytic cell 10 in such a way that the somewhat flattened regions lying opposite one another on the circumference rest on the anode 14 on the one hand and on the anode rear wall 17 on the other.
  • the holding elements 30 press the anode 14 against the membrane (see also FIG.
  • the holding elements 30 are not exactly where the Z-profiles 12 are, but rather are offset from the Z-profiles 12 as seen in the longitudinal direction of the cell, such that in the longitudinal direction there is always one holding element 30 in each case preferably lies approximately in the middle between two Z profiles 12.
  • the peripheral frame 20 of the electrolytic cell 10 which can be releasably connectable to the other components and which in particular serves to seal the elements to one another.
  • the frame is designed, for example, as a solid steel material in order to optimally support the flange surfaces of the anode and cathode chambers.
  • the seals are preferably on the flange surfaces placed, which seal the elements against the clamped membrane.
  • the forces required to seal the cell stack are significantly greater than the forces required to deform the preferably elastoplastic components according to the invention.
  • FIG. 2 also shows the resilient holding elements 30 described above in the anode chamber, the ring elements 31 being recognized here in each case.
  • the anode chamber has a somewhat larger extension in the direction of the width (transverse direction) of the electrolytic cell 10 than the cathode chamber.
  • the longer web of one of the Z profiles 12 of the support structure in the cathode chamber can be seen in FIG.
  • This resilient holding element 30 which in the assembled state also partially plastically deforms in the electrolytic cell, comprises a plurality of mutually parallel and spaced-apart ring elements 31 which, as can be seen from the cross-sectional view according to FIG. 6, are not circular in outline, but one in two on the circumference opposite flattened areas 32 each have a slightly flattened and thus approximately oval shape overall.
  • These ring elements 31, like the resilient holding element 30, can be made overall from sheet metal strips with a material thickness of, for example, less than 1 mm.
  • All ring elements 31 of a holding element 30 are connected to one another via two webs 33, 34, these webs 33, 34 each extending in an axially parallel direction, that is to say in the longitudinal direction of the holding element.
  • This axially parallel extension of the webs 33, 34 thus runs approximately perpendicular to the circumferential direction of the ring elements 31.
  • the sectional view according to FIG. 6 shows that the two webs 33, 34 lie opposite each other on the circumference with respect to the individual ring element 31, the webs 33, 34 being located where the ring elements 31 each have the flattened regions 32 ,
  • FIG. 7 shows a possible development or an exemplary cut of the holding element 30 described above, from which the holding element according to the invention is bent into the cylindrical shape shown in FIG.
  • One recognizes here the sheet metal strips from which the numerous parallel ring elements 31 are created, as well as one of the two webs 33 running in the longitudinal direction or axial direction.
  • the second web is provided in half in the cut according to FIG. 7, so that after after bending into the cylindrical shape, the two halves 34a, 34b can be connected to one another and then form the second web 34.
  • the structure and function of an exemplary electrolyzer with a plurality of electrolytic cells of the type described above are connected in series with reference to FIGS. 8 and 8a.
  • electrolytic cells 10 are shown in series connection, each arranged in a back-to-back arrangement, which are arranged in such a way that the electrolytic cells 10 lie one behind the other in the transverse direction described above, such that the anode chamber and cathode chamber always alternate, in each case between a cathode chamber 21 and an anode chamber 22 of two adjacent electrolytic cells 10 each have an ion exchange membrane 23 arranged.
  • the electrical current flow through the arrangement of electrolysis cells is shown in FIG. 8 by way of example and schematically simplified by the meandering arrow 24, the current flow actually taking place over the entire electrode area.
  • FIG. 8 a Further details of the arrangement can be seen in the more detailed illustration according to FIG. 8 a.
  • ODC oxygen depletion cathode
  • the resilient holding elements 30 thus support the anode 14 with their ring elements 31 and press them against the ion exchange membrane 23, this ion exchange membrane in turn lying closely against the gas diffusion electrode 24, which in turn lies tightly against the cathodic current distributor 13 of the adjacent electrolytic cell , which has the Z-profiles 12 as a support structure.
  • a distance between the anode 14, the ion exchange membrane 23 and the gas diffusion electrode 24 is shown, but this is only for the better illustration, that is to say this is a partially exploded illustration.
  • the aim is that the anode, the ion exchange membrane, the gas diffusion electrode and the cathodic current distributor lie close together (one on top of the other), so that the so-called “zero-gap” configuration results.
  • This aim is supported by the holding elements 30 according to the invention, since these press the anode against the gas diffusion electrode and the other flat elements of the arrangement on account of their elastoplastic spring force and with their ability for a certain plastic deformation and thus prevent a gap from forming between them.
  • the holding elements 30 are arranged in the anode chamber in such a way that their axis extends in the vertical direction of the electrolytic cell, so that the pressing via the resilient and deformable ring elements 31 takes place virtually in their radial direction and not, as in the case of a spiral spring, for example, via a spring effect in the axial direction Direction of the spring.
  • FIG. 9 shows a force-displacement diagram which indicates the average contact pressure in mbar in relation to the electrode area which an elastoplastic resilient holding element exerts on the membrane, depending on the respective spring deflection of the ring element in mm.
  • Two curves are drawn in the diagram.
  • the upper curve 35 results from the measurements for a ring element made of titanium sheet with a material thickness of 0.6 mm.
  • the lower curve 36 results from the measurements for a ring element with a smaller material thickness of only 0.5 mm.
  • FIG. 10 is a similar horizontal sectional view of an electrolysis cell as has already been explained with reference to FIG. 3 above, so that the analog components are not described again here.
  • the holding elements which are designated here by reference numeral 40, are configured differently. As described above, these holding elements 40 can be arranged between the anode 14 and the anode rear wall 17 in the anode chamber in such a way that they exert a contact pressure on the flat electrode structure, the holding elements in the transverse direction of the anode chamber, i.e. in the direction of the surface normal to the flat arrangement of the electrodes are flexible and plastically deformable to a certain extent.
  • the holding elements 40 have a polygonal, for example an approximately diamond-shaped cross section and are preferably acted upon in the direction of one of the diagonals of this diamond shape.
  • the holding elements 40 can consist, for example, of a sheet material made of titanium, nickel or one of the other materials mentioned above.
  • FIGS. 1 1 and 12 show a side view and a perspective view of a holding element.
  • the holding elements 40 have an elongated tubular shape at least in sections have an approximately diamond-shaped cross section, their axial extent in the installed state corresponding to the height direction of the electrolysis cell (see also FIG. 10).
  • the holding elements 40 have numerous openings 42 or punched-outs in their walls 41, which form tubular sections, which are, for example, slit-like and the rows extending in the longitudinal direction of the holding element , in particular can be arranged in several rows.
  • the otherwise tubular holding element 40 is somewhat weakened, so that its rigidity decreases and the desired flexibility in the transverse direction (diagonal direction) is achieved.
  • the diamond shape of the cross-section has slight flattenings 43 in the corner area adjacent to the anode 14 and in the opposite corner area, similar to the flattened areas 32 in the variant described above with reference to FIG. 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle umfassend eine Anodenkammer (22) und eine Kathodenkammer (21), die durch eine Ionenaustauschermembran (23) voneinander getrennt sind, wobei die Elektrolysezelle (10) weiterhin eine Anode, eine Gasdiffusionselektrode und einen kathodischen Stromverteiler (13) aufweist, wobei Anode (14), Ionenaustauschermembran (23), Gasdiffusionselektrode (24) und kathodischer Stromverteiler (13) in der genannten Reihenfolge jeweils miteinander im direkten Berührungskontakt stehen und wobei jenseits der Anode (14) und/oder jenseits des kathodischen Stromverteilers (13) flexibel federnde Halteelemente (30) angeordnet sind, die einen Anpressdruck auf die Anode und/oder auf den kathodischen Stromverteiler ausüben, wobei erfindungsgemäß die flexibel federnden Haltelemente (30) Ringelemente oder mindestens einen rohrförmigen Abschnitt umfassen, deren Achse in Höhenrichtung der Elektrolysezelle (10) ausgerichtet ist. Durch die flexibel federnden und sich teilweise auch plastisch verformenden Ringelemente oder rohrförmigen Abschnitte erreicht man eine effektive mechanische Anpressung der Ionenaustauschermembran an die Sauerstoffverzehrkathode zur Erzeugung einer zero-gap-Konfiguration.

Description

ELEKTROLYSEZELLE MIT FEDERNDEN HALTEELEMENTEN
Elektrolysezelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle umfassend eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer, die durch eine lonenaustauschermembran voneinander getrennt sind, wobei die Elektrolysezelle weiterhin eine Anode, eine Gasdiffusionselektrode und einen kathodischen Stromverteiler aufweist, wobei Anode, lonenaustauschermembran, Gasdiffusionselektrode und kathodischer Stromverteiler in der genannten Reihenfolge jeweils miteinander im direkten Berührungskontakt stehen und wobei jenseits der Anode und/oder jenseits des kathodischen Stromverteilers federnde Halteelemente angeordnet sind, die einen Anpressdruck auf die Anode und/oder auf den kathodischen Stromverteiler ausüben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Elektrolysezellen in Elektrolyseuren, die nach der ODC-Technologie mit einer Sauerstoffverzehrkathode arbeiten. Bei der heute üblichen Chlor-Herstellung durch die Chlor-Alkali-Elektrolyse oder die Salzsäure-Elektrolyse entsteht an der Anode das gewünschte Hauptprodukt Chlor nach der folgenden Gleichung:
2 CI- -» Cl2 + 2 e-
An der Kathode entsteht Wasserstoff als Nebenprodukt gemäß:
4 H20 + 4 e- -» 2 H2 + 4 OH- bzw. bei der Salzsäure-Elektrolyse:
2 H+ + 2 e- -» H2
Durch Einsatz einer Gasdiffusionselektrode und Sauerstoff als zusätzlichen Reaktionspartner läuft bei der Salzsäure-Elektrolyse die nachfolgende Reaktion ab:
2 H+ + 1/2 02 + 2 e- -» 2 H20
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Elektrolysezellen für die Salzsäure- Elektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode, im englischen Sprachraum als „Oxygen Depolarized Cathode“ (abgekürzt„ODC“) bezeichnet, gemäß der oben wiedergegebenen Gleichung. Bei dieser HCI-ODC-Technologie hat man bislang in der Regel Elektrolyseure mit einem definierten Spalt zwischen Anodenelektrode und der durch Prozessdruck auf der Sauerstoffverzehrkathode aufliegenden Membran ausgeführt. Da die internen Komponenten der Zelle alle starr ausgeführt wurden, wurde deren Tolerierung auf einen resultierenden Spalt ausgelegt, um eine zu starke Verpressung zu vermeiden.
Aus der NaCI-Technologie (Chlor-Alkali-Elektrolyse) sind unterschiedliche Designs zum Erreichen einer so genannten„zero-gap“-Konfiguration bekannt, bei der Anodenelektrode und Kathodenelektrode direkten Kontakt zu der Membran haben. Diese Konzepte arbeiten mit einer Stromübertragung zwischen starren und flexiblen Nickelbauteilen per Berührungskontakt. Dieses Prinzip ist jedoch aufgrund der korrosiven Bedingungen in einer HCI-ODC-Zelle auf diesen Zelltyp nicht übertragbar. Dort werden daher Titanlegierungen verwendet, die bei Kontakt zum Medium eine dichte Oxidschicht ausbilden und dadurch eine Beständigkeit gegenüber dem Medium ausbilden. Diese Oxidschicht hat jedoch eine isolierende Wirkung, so dass ein Berührungskontakt hier mit der Zeit versagen würde.
Primär wird bei einer zero-gap-Konfiguration erwartet, dass sich die Elemente bei gleicher Stromdichte bei geringerer Betriebsspannung betreiben lassen. Außerdem wird für den Fall einer geringeren HCI-Konzentration auf der Anodenseite erwartet, dass die Betriebsspannung der Zellen weniger stark steigt als beim herkömmlichen Design, da der Einfluss der Leitfähigkeit des Mediums in der zero-gap-Konfiguration eine geringere Rolle spielt.
Aus der WO 03/014419 A2 ist eine Elektrolysezelle zur elektrochemischen Herstellung von Chlor bekannt, bei der eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode und ein Stromkollektor so elastisch zusammengehalten werden, dass kein Abstand zwischen den einzelnen Komponenten auftritt. Der elastische Zusammenhalt wird durch eine elastische Befestigung des Stromkollektors am Kathodenrahmen oder der Anode am Anodenrahmen erzielt. Dabei werden Halteelemente verwendet, die als Federelemente ausgebildet sind und sich beispielsweise im Kathodenraum zwischen einer Rückwand und dem Stromkollektor erstrecken. Es werden Spiralfedern verwendet, die einerseits an ihrem einen Ende über Z-Profile an der Rückwand befestigt sind und andererseits an ihrem anderen Ende in ihrer axialen Richtung eine Andrückkraft auf den Stromkollektor ausüben. Diese Spiralfedern erstrecken sich mit ihrer axialen Richtung in Querrichtung der Elektrolysezelle, das heißt senkrecht zur Ebene der Elektroden.
In der US 2009/0050472 A1 wird eine Elektrolysezelle mit einer Anodenkammer und einer Kathodenkammer beschrieben, die über eine lonenaustauschermembran voneinander getrennt sind, wobei die Elektrolysezelle weiterhin eine Gasdiffusionselektrode aufweist. Die Anordnung der einzelnen Bauelemente in der Elektrolysezelle ist so, dass auf die Anode die lonenaustauschermembran folgt, dann ein Perkolator, dann die Kathode, ein elastischer Stromsammler und die Kathodenrückwand. Es handelt sich bei der Elektrolysezelle um eine Chlor-Alkali-Zelle mit Sauerstoffverzehrkathode. Der hier verwendete elastische Stromsammler besteht aus einer Art Matte aus Nickel. Alternativ kann ein Stromsammler mit elastisch federnden Zungen in kammartiger Anordnung oder mit einseitig befestigten vorstehenden federnden Platten verwendet werden, die auf die Kathode oder auf die Anode drücken und diese an die lonenaustauschermembran andrücken. Die DE 10 2007 042 171 A1 beschreibt eine Elektrolysezelle, bei der anodenseitig pneumatische Andruckmechanismen vorgesehen sind, die aus pneumatisch aufblasbaren Andruckschläuchen gebildet sind. Diese Andruckschläuche sind mit einem Pneumatiksystem verbunden und werden in einem für den Andruck notwendigen Maße aufgeblasen. Die Andruckschläuche bestehen aus einem Silikonkautschuk und sind folglich nicht elektrisch leitfähig. Der Anpressdruck wird mittels eines unter Druck stehenden Hilfsmediums erzeugt. Derartige Andruckschläuche bestehen nicht aus einem Material, welches durch den Anpressdruck mindestens teilweise plastisch verformbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei der eine effektive mechanische Anpressung der lonenaustauschermembran an die Sauerstoffverzehrkathode zur Erzeugung einer zero-gap-Konfiguration (Null-Abstand-Konfiguration) gewährleistet ist.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert eine Elektrolysezelle der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die federnden Haltelemente Ringelemente oder mindestens einen rohrförmigen Abschnitt umfassen, deren Achse in Höhenrichtung oder in Längsrichtung der Elektrolysezelle ausgerichtet ist. Von dem oben zitierten Stand der Technik unterscheidet sich somit die erfindungsgemäße Lösung wesentlich, da im Stand der Technik federnde Haltelemente verwendet werden, die ähnlich wie Spiralfedern gestaltet sind und die so in der Elektrolysezelle angeordnet sind, dass sich deren Achse in Querrichtung der Elektrolysezelle erstreckt.
Außerdem erfahren die Halteelemente, insbesondere deren Ringelemente bzw. rohrförmigen Abschnitte in der Elektrolysezelle neben einer elastischen Verformung mindestens teilweise eine plastische Verformung und sind elastoplastisch federnd ausgebildet sind. Eine solche plastische Verformung entsteht durch den Anpressdruck, da die Ringelemente oder rohrförmigen Abschnitte in der Elektrolysezelle in radialer Richtung auf Kompression beaufschlagt werden. Bei der vorgenannten plastischen Verformung handelt es sich um eine dauerhafte Verformung, beispielsweise eine radiale Stauchung der Ringelemente durch radiale Beaufschlagung. Dies ist von aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zu unterscheiden, bei denen beispielsweise spiralfederartige Elemente verwendet werden, die sich bei Kompressionsdruck zwar temporär verformen, aufgrund der Elastizität sich aber bei nachlassender Druckkraft wieder rückverformen und somit wieder ihre ursprüngliche Form einnehmen.
Die Ausdehnung der Elektrolysezelle in den drei zueinander senkrechten Raumrichtungen wird in der vorliegenden Anmeldung so definiert, dass die Richtung parallel zu den zumeist flächigen Elektroden und der flächigen Membran als Längsrichtung bezeichnet wird. Die Richtung senkrecht zu der Längsrichtung, ebenfalls parallel zur Ausdehnung der flächigen Elektroden, in der Elektrolysezelle vom unteren Ende zum oberen Ende hin, wird als Höhenrichtung bezeichnet. Die Richtung quer zu den Elektroden, das heißt in Richtung der Flächennormalen zu den Elektroden und zu der Membran und somit quer zur Längsrichtung und Höhenrichtung wird als Querrichtung bezeichnet.
Die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen können somit beispielsweise eine etwa quaderförmige Grundform aufweisen, wobei in der Regel die Ausdehnung der Elektrolysezelle in der oben definierten Querrichtung geringer ist als die Ausdehnung in der Längsrichtung. In Querrichtung sind zudem bei einem Elektrolyseur bevorzugt mehrere Elektrolysezellen in einer Reihenschaltung nebeneinander bzw. hintereinander angeordnet, derart, dass auf die Kathodenkammer der einen Zelle immer jeweils die Anodenkammer der nächsten Elektrolysezelle in der Reihenschaltung folgt, wobei zwischen der Kathodenkammer der ersten Elektrolysezelle und der Anodenkammer der nächsten benachbarten Elektrolysezelle jeweils die lonenaustauschermembran angeordnet ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sieht vor, dass die Ringelemente oder der rohrförmige Abschnitt der federnden Halteelemente zwischen der Anode und dem kathodischen Stromverteiler so angeordnet sind, dass sie in radialer Richtung auf Kompression beaufschlagt werden. Dies bedeutet, die radiale Richtung der Ringelemente entspricht bei der erfindungsgemäßen Lösung der Querrichtung der Elektrolysezelle, das heißt der Richtung, in der die Anpressung der lonenaustauschermembran an die
Sauerstoffverzehrkathode gewünscht ist. Das Ringelement oder der rohrförmige Abschnitt ist also flexibel in seiner radialen Richtung. Die Anpressung der flächigen
Membran/Elektrodenstruktur wird erzeugt durch ein Einfedern der Ringelemente oder rohrförmigen Abschnitte in ihrer radialen Richtung, wobei ein Verschieben der Elektrode in Richtung der Rückwand der Kammer ohne gleichzeitige seitliche Verschiebung erreicht wird, denn durch letztere bestünde die Gefahr von Membranschäden.
Es ist aber alternativ dazu im Rahmen der Erfindung auch möglich, die federnden Halteelemente in der Elektrolysezelle in der Anodenkammer und/oder in der Kathodenkammer so anzuordnen, dass sie sich mit ihrer Achse nicht in Höhenrichtung, sondern in Längsrichtung der Elektrolysezelle erstrecken. Auch in diesem Fall würden die vorzugsweise elastoplastisch federnd ausgebildeten Halteelemente in radialer Richtung auf Kompression beaufschlagt.
Dabei kann es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung so sein, dass die Ringelemente oder der rohrförmige Abschnitt der Halteelemente in der Elektrolysezelle durch die Anpressung neben einer elastischen Verformung mindestens teilweise auch eine plastische Verformung erfahren. Hierbei wird unter plastischer Verformung eine bleibende Verformung eines Materials verstanden, bei dem die im Material wirkende Spannung die Streckgrenze oder 0,2 %-Dehngrenze des Materials übersteigt. Die Halteelemente gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen in diesem Fall ein elastoplastisches Verhalten. Daher wird nachfolgend in der vorliegenden Anmeldung auch von elastoplastischen Halteelementen und elastoplastischen Ringelementen gesprochen. Die Ringelemente oder die rohrförmigen Abschnitte erzielen die Anpressung der flächigen Membran/Elektrodenstruktur durch ein elastoplastisches Einfedern in ihrer radialen Richtung. Dies bedeutet, bei einer Demontage der Elektrolysezelle lässt sich dann feststellen, dass die Ringelemente oder die rohrförmigen Abschnitte auch dauerhaft etwas deformiert sind, was man aber gegebenenfalls durch eine mechanische Korrektur, das heißt zum Beispiel einen Richtvorgang in einer Werkstatt wieder korrigieren kann, so dass anschließend erneut eine Plastifizierung der Ringelemente oder rohrförmigen Abschnitte in der Elektrolysezelle möglich ist.
Durch die mindestens teilweise plastische Verformung des Ringelements oder rohrförmigen Abschnitts wird eine Überpressung der Membran effektiv verhindert. Das Ringelement oder der rohrförmige Abschnitt kann nur eine gewisse maximale Grenzkraft ausüben, da vor einer Überschreitung dieser Grenzkraft eine bleibende Verformung eintritt.
Die federnden Haltelemente umfassen Ringelemente oder mindestens einen rohrförmigen Abschnitt welche in der Elektrolysezelle neben einer elastischen Verformung mindestens teilweise eine plastische Verformung erfahren und elastoplastisch federnd ausgebildet sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung können die elastoplastisch federnden Halteelemente zum Beispiel eine Mehrzahl jeweils zueinander parallel und mit Abstand zueinander angeordneter und miteinander verbundener Ringelemente aufweisen. Beispielsweise kann man für die Verbindung der Ringelemente untereinander Stege verwenden, die sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Ringelemente erstrecken. Derartige Stege ermöglichen eine bessere Verarbeitbarkeit der Halteelemente bei der Montage der Elektrolysezelle, da man dann die flexiblen Halteelemente ohne Unterbrechung beispielsweise mittels Laser mit der Rückwand der Anodenkammer oder Kathodenkammer und/oder der Anode oder der Kathode verschweißen kann. Andernfalls wäre ein zusätzlicher Vorrichtungsaufwand erforderlich.
Die ringförmige Struktur der erfindungsgemäßen Halteelemente hat den weiteren Vorteil, dass sie den Einbau von Zubehörteilen der Elektrolysezelle, wie zum Beispiel von Ablaufrohren, in dem durch das Ringelement geschaffenen Ringraum, beispielsweise etwa konzentrisch in dessen Mitte, ermöglicht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Ringelemente einen von der Kreisform abweichenden ovalisierten Querschnitt auf. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Ringelemente einen von der Kreisform abweichenden, in zwei am Umfang gegenüber liegenden Bereichen abgeflachten Querschnitt aufweisen. Ein solcher symmetrischer Querschnitt stellt eine Verschiebung der Elektrode (Anode oder Kathode) ausschließlich in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Elektrode, das heißt in Querrichtung der Elektrolysezelle sicher. Die ovale oder mit großen Radien versehene Form sorgt außerdem für eine gleichmäßige Verformung. Insbesondere bei plastischen Verformungen würde es bei anderen geometrischen Formen wie beispielsweise einer Rautenform in den Spitzen zu großen Plastifizierungen des Materials kommen. Das würde Rissbildungen begünstigen und ein mechanisches Richten der Struktur könnte dann zu Beschädigungen an der Federstruktur führen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die federnden Halteelemente mit wenigstens einem benachbarten Bauelement der Elektrolysezelle, insbesondere mit der Anode und/oder mit einer Rückwand der Elektrolysezelle verschweißt sind. Das Verschweißen stellt den Kontakt zwischen dem flexiblen Halteelement zu der Rückwand der Kammer und der Elektrode (insbesondere der Anode) her, wodurch ein optimaler verlustarmer Stromübergang gewährleistet ist. Der abgeflachte Querschnitt der Ringelemente an beiden am Umfang gegenüber liegenden Seiten verbessert diesen Kontakt, da die Anlagefläche vergrößert wird. Man kann die Verschweißung beispielsweise über eine in vertikaler Richtung des Halteelements (Höhenrichtung der Elektrolysezelle) verlaufende Laserschweißnaht verwirklichen.
Wenn man Halteelemente mit zwei oder mehreren voneinander beabstandeten Ringelementen verwendet, die über Stege miteinander verbunden sind, welche in senkrechter Richtung zu den Ringelementen verlaufen, dann ergeben sich zwischen den einzelnen Ringelementen jeweils Freiräume, die eine Durchströmung der Halteelemente mit dem Betriebsmedium der Elektrolysezelle ermöglichen, wodurch eine effektive Kühlung erreicht wird und die ohmschen Spannungsverluste gering gehalten werden.
Eine alternative Ausführung der Erfindung betrifft Halteelemente mit einem oder mehreren rohrförmigen Abschnitten. Im Querschnitt können diese zumindest abschnittsweise rohrförmig ausgebildeten Halteelemente beispielsweise polygonförmig ausgebildet sein. Insbesondere ist eine Rautenform vorteilhaft, um einen geringeren Materialbedarf zu gewährleisten. Auch die Polygongeometrie ist im Querschnitt vorzugsweise symmetrisch oder doppelt symmetrisch, auszuführen, um möglichst eine Verformung senkrecht zur Membranfläche zu erhalten. Wenn man rautenförmige Querschnitte für die rohrförmigen Abschnitte wählt, dann sind die Halteelemente bevorzugt so in einer der Kammern der Elektrolysezelle angeordnet, dass sich eine der Diagonalen der Rautenform etwa in Richtung der Flächennormalen zu der flächigen Anordnung von Elektroden erstreckt.
Um bei der Variante mit rohrförmigen Abschnitten die verringerte Steifigkeit bzw. die gewünschte plastische Verformung zur Minimierung der Presskraft auf die Membran und die Elektrodenanordnung zu erreichen, sind in den rohrförmigen Abschnitten Durchbrechungen vorgesehen, die zum Beispiel in Reihen angeordnet sein können und/oder die sich beispielsweiseparallel zur Achse der rohrförmigen Abschnitte erstrecken. Beispielsweise können diese Durchbrechungen etwa schlitzartig ausgebildet sind. Durch die Durchbrechungen wird das Material, aus denen die rohrförmigen Abschnitte bestehen, geschwächt und damit wird die plastische Verformbarkeit der Halteelemente erhöht.
Prinzipiell ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Halteelemente sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der Elektrolysezelle möglich. Jedoch wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass die Verwendung auf der Anodenseite besonders vorteilhaft ist wegen der üblichen Differenzdrücke und der besseren Kühlung der Struktur. Ein etwas erhöhter elektrischer Widerstand führt zu einer Wärmeentwicklung und eine Abfuhr dieser Wärme durch Mediumkühlung ist auf der Anodenseite möglich. Aufgrund der vorgesehenen Auslaufgröße ist die Bauhöhe der Anodenkammer größer als diejenige der Kathodenkammer. Dadurch ist in der Anodenkammer eine größere radiale Ausdehnung der elastischen Halteelemente möglich, was deren Steifigkeit reduziert.
Bisher wird nach dem Stand der Technik das Anliegen der Membran auf der Sauerstoffverzehrkathode durch einen Überdruck von beispielsweise etwa 200 mbar auf der Anodenseite gewährleistet. Wenn nun gemäß der vorliegenden Erfindung die zero-gap- Konfiguration mechanisch erzeugt wird, kann dieser Überdruck gegebenenfalls reduziert werden. Dies führt potentiell zu einer geringeren Chlordrift auf die Kathodenseite. Dies kann sich zum Beispiel positiv auf die Korrosionssituation (geringere HCI-Konzentration im Kondensat) auswirken. Außerdem ließe sich so der Absolutdruck in der Kathodenkammer auf den der Anodenkammer anheben. In der WO 03/014419 A2 wird beschrieben, dass der erhöhte Sauerstoffdruck an der Sauerstoffverzehrkathode die Betriebsspannung der Elektrolysezelle reduziert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es von Vorteil, für die Fertigung der Halteelemente verhältnismäßig dünnes Blechmaterial zu verwenden. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Ringelemente und/oder die diese untereinander verbindenden Stege aus Blechstreifen mit einer Materialstärke von weniger als einem Millimeter, vorzugsweise mit einer Materialstärke von weniger als 0,8 mm und mehr als 0,4 mm, beispielsweise im Bereich von etwa 0,5 mm bis etwa 0,7 mm gefertigt sind. Dadurch werden bei vorhandenem Bauraum die gewünschten Elastizitäten erreicht. Um bei Verwendung dünner Bleche den erhöhten ohmschen Spannungsabfall gering zu halten, sollten auch die Stromwege in dem Halteelement gering gehalten werden. Andererseits ist eine gewisse minimale Materialstärke zu empfehlen, um einen ausreichenden Querschnitt für einen verlustarmen elektrischen Übergang zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst eine Elektrolysezelle wenigstens zwei in Längsrichtung der Elektrolysezelle zueinander beabstandet angeordnete, elastoplastisch federnde Halteelemente. Dies ist vorteilhaft, um eine gleichmäßige Anpressung der flächigen Struktur umfassend lonenaustauschermembran, Sauerstoffverzehrkathode und Anode in größeren Flächenbereichen zu erzielen.
Vorzugsweise sind gemäß der Erfindung die federnden Halteelemente mindestens teilweise aus einem metallischen Material, insbesondere aus einem Titanwerkstoff gefertigt. Unter einem Titanwerkstoff wird Titan oder eine Titanlegierung verstanden. Durch die Passivierung des Titanwerkstoffs durch das vorliegende Betriebsmedium ist es jedoch empfehlenswert, die federnden Halteelemente stoffschlüssig mit benachbarten Bauteilen zu verbinden. Eine Schweißverbindung mit den benachbarten Bauteilen ist daher bevorzugt.
Es ist jedoch auch die Verwendung anderer Materialien mit einer für die Anwendung in einer Elektrolysezelle ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit möglich. Dies sind insbesondere elektrisch leitende Materialien mit einem spezifischen elektrischen Widerstand kleiner als 100 0hm mm2/m. Insbesondere können dies für Elektrolyse in Anwendungsbereichen außerhalb der HCI-Elektrolyse z.B. Nickel oder Graphit sein. Im Anwendungsbereich der HCI- Elektrolyse ist zum Beispiel die Verwendung von Tantal, Niob oder auch Graphit möglich.
Bei einer Elektrolysezelle der erfindungsgemäßen Art ist vorzugsweise eine Stützstruktur in der Kathodenkammer angeordnet, welche wenigstens zwei sich in Querrichtung der Elektrolysezelle erstreckende Z-Profile umfasst, vorzugsweise eine Mehrzahl solcher Z- Profile, die in Längsrichtung der Elektrolysezelle voneinander beabstandet angeordnet sind. Bei Verwendung einer solchen Stützstruktur mit Z-Profilen ist es gemäß einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung vorteilhaft, wenn die elastoplastisch federnden Halteelemente in der Anodenkammer angeordnet sind und diese jeweils so angeordnet sind, dass in Längsrichtung der Elektrolysezelle gesehen die federnden Haltelemente jeweils zu den Z-Profilen versetzt angeordnet sind. Ein etwa mittiges Versetzen der Halteelemente bezogen auf den jeweiligen Abstand zweier Z-Profile in der Kathodenkammer ist besonders vorteilhaft. Dadurch lässt sich auch die Biegeelastizität der Elektroden nutzen, um eine zero-gap-Konfiguration über einen möglichst großen Flächenanteil zu erreichen und Membranschäden im Kontaktbereich zwischen dem Halteelement und den Z-Profilen zu vermeiden.
Weiterhin ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn in Höhenrichtung der Elektrolysezelle gesehen wenigstens zwei Halteelemente in axialer Verlängerung übereinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind wenigstens drei Halteelemente in axialer Verlängerung übereinander angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, eine Anpressung und Stützung über einen überwiegenden Teil oder idealerweise über die gesamte Höhe der Elektrode zu erzielen.
Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde bei Testzellen zunächst eine Zellspannung von beispielsweise 1 ,30 V bei 5 kA/m2 kurz nach dem Einschalten gemessen. Nach längerer Laufzeit konnte eine weiter verringerte Betriebsspannung von 1 ,25 V bei 5 kA/m2 gemessen werden. Somit ist bei Verwendung der erfindungsgemäßen Halteelemente eine Spannungsreduktion im Bereich von 100 bis 150 mV oder mehr möglich. Dies entspricht einer Verringerung des Energieverbrauchs von etwa 7,1 % bis 10,7 % gegenüber einer bisher herkömmlichen Zellspannung von 1 ,4 V bei 5 kA/m2.
Bei mechanischen Untersuchungen der Federsteifigkeiten an Prototypen der zuvor beschriebenen federnden Halteelemente wurde eine Membranbelastung von etwa 100 mbar bei einem Federweg von 2,5 mm errechnet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein federndes Halteelement zur Verwendung in einer Elektrolysezelle, um einen Anpressdruck auf eine flächige Formation umfassend wenigstens zwei Elektroden und eine lonenaustauschermembran zu erzeugen, wobei das Halteelement elastoplastisch federnd ausgebildet ist.
Vorzugsweise umfasst das vorgenannte federnde Halteelement eine Mehrzahl jeweils zueinander parallel und mit Abstand zueinander angeordneter und miteinander verbundener Ringelemente oder es umfasst mindestens einen rohrförmigen Abschnitt.
Vorzugsweise sind weiterhin, bei der Variante der vorgenannten federnden Halteelemente mit Ringelementen, die Ringelemente über sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Ringelemente erstreckende Stege miteinander verbunden.
Vorzugsweise sind bei der Variante der Halteelemente mit rohrförmigen Abschnitten diese Abschnitte mit Durchbrechungen versehen, um deren Steifigkeit zu reduzieren.
Ein solches federndes Halteelement weist weiterhin vorzugsweise eines oder mehrere der in der obigen Beschreibung bei der Erläuterung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle genannten Merkmale auf. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Elektrolysezelle umfassend wenigstens ein elastoplastisch federnd ausgebildetes Halteelement mit den zuvor genannten Merkmalen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Elektrolyseur umfassend wenigstens eine Elektrolysezelle mit wenigstens einem federnden Halteelement mit den zuvor geschilderten Merkmalen.
Bevorzugt ist Gegenstand der Erfindung ein Elektrolyseur umfassend wenigstens zwei, vorzugsweise eine größere Anzahl von Elektrolysezellen mit den oben beschriebenen Merkmalen, in Reihenschaltung in einer Anordnung der Elektrolysezellen jeweils in ihrer Querrichtung nebeneinander, wobei auf die Kathodenkammer einer Elektrolysezelle jeweils die Anodenkammer der benachbarten Elektrolysezelle folgt. Eine solche Anordnung bezeichnet man auch als aufeinandergeschichtete Einzelzellen in Anordnung Rücken an Rücken oder auch bipolare bzw. Filterpressen-Bauart.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Ansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen Elektrolysezelle;
Figur 2 einen vergrößerten Vertikalschnitt durch die Elektrolysezelle von Figur 1 ;
Figur 3 einen vergrößerten Horizontalschnitt durch die Elektrolysezelle von Figur 1 ;
Figur 4 eine Draufsicht eines federnden Halteelements gemäß einer beispielhaften Variante der vorliegenden Erfindung;
Figur 5 eine Seitenansicht eines federnden Halteelements gemäß Figur 4;
Figur 6 eine Ansicht eines Querschnitts durch ein federndes Halteelement gemäß Figur 5;
Figur 7 eine Abwicklung eines federnden Halteelements gemäß den Figuren 4 bis 6;
Figur 8 eine beispielhafte Anordnung mehrerer Einzelzellen in einem Elektrolyseur;
Figur 8 a eine vergrößerte Detailansicht eines Ausschnitts aus Figur 8;
Figur 9 ein Kraft-Weg-Diagramm welches den durchschnittlichen Anpressdruck in Abhängigkeit von der Federauslenkung eines erfindungsgemäßen elastoplastisch federnden Halteelements angibt;
Figur 10 einen Horizontalschnitt durch eine Elektrolysezelle mit einem beispielhaften Halteelement gemäß einer alternativen Variante der vorliegenden Erfindung; Figur 1 1 eine Seitenansicht eines Halteelements, welches bei der Variante der Elektrolysezelle gemäß Figur 10 verwendet wird;
Figur 12 eine perspektivische Ansicht des Halteelements von Figur 1 1.
Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle 10 näher erläutert. In Figur 1 ist eine Ansicht der Elektrolysezelle von der Kathodenseite her gesehen dargestellt, wobei jedoch die Elektrode selbst aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Elektrolysezelle 10 hat in der Seitenansicht im Prinzip einen etwa rechteckigen Umriss. In einem Elektrolyseur sind in der Regel eine größere Anzahl von Elementen (Elektrolysezellen 10) der in Figur 1 gezeigten Art in einem Block miteinander kombiniert. Dabei können mehrere Elektrolysezellen in an sich bekannter Weise bipolar in einer Reihenschaltung miteinander verschaltet sein, wobei benachbarte Einzelzellen Rücken an Rücken hintereinandergeschichtet liegen. Bei dieser Bauform wird der Abstand von Anode und Kathode minimiert, wobei man bei der herkömmlichen Bauform durch entsprechende Tolerierung der starren Bauteile sicherstellt, dass nur ein minimaler Spalt zwischen einer Elektrode und der Membran vorhanden ist, wodurch Membranschäden ausgeschlossen werden. Bei den herkömmlichen Zellen spricht man in diesem Fall von „finite-gap-Zellen“. Durch die erfindungsgemäße Änderung des Designs und Einführung der elastoplastischen Komponenten ergibt sich eine Nullabstandszelle oder„zero-gap-Zelle“, das heißt, dass Anode und Kathode nur noch durch die lonenaustauschermembran voneinander getrennt sind. Eine Anordnung mehrerer Einzelzellen in dieser Form in Reihenschaltung ist in der Figur 8 dargestellt und wird anhand dieser Zeichnung später noch näher erläutert. Da in Figur 1 die Gasdiffusionselektrode und das flächige Streckmetall, auf dem die Gasdiffusionselektrode, die die eigentliche Kathodenelektrode bildet, nicht dargestellt sind, erkennt man die Stützstruktur
1 1 auf der Kathodenseite.
Weitere Details dieser starren Stützstruktur 1 1 auf der Kathodenseite ergeben sich aus der Detaildarstellung gemäß Figur 3. Man sieht, dass dort auf der Kathodenseite mehrere Z-Profile
12 jeweils in Längsrichtung der Elektrolysezelle 10 mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei sich der längere Steg des„Z“ jeweils in Querrichtung der Elektrolysezelle und somit zur Anodenseite hin erstreckt. Mit Längsrichtung wird die größere (horizontale) Ausdehnungsrichtung in dem rechteckigen Umriss der Elektrolysezelle 10 in der Zeichnung gemäß Figur 1 von rechts nach links bezeichnet. Die kleinere (vertikale) Ausdehnungsrichtung in dem rechteckigen Umriss der Elektrolysezelle in der Zeichnung gemäß Figur 1 von unten nach oben wird als Höhenrichtung definiert. Die Ausdehnung der Elektrolysezelle senkrecht zur Zeichenebene in Figur 1 wird als Querrichtung bezeichnet. Die beiden kürzeren endseitigen Schenkel des„Z“, die etwa senkrecht zu dem längeren Steg des„Z“ verlaufen, erstrecken sich somit in Längsrichtung der Elektrolysezelle und sind in der Regel mit weiteren Stützstrukturen, die sich in Längsrichtung erstrecken, verschweißt. Die kürzeren endseitigen Schenkel des „Z“, die außenseitig liegen, sind wie man in Figur 3 erkennt mit der dort eingezeichneten Kathode, die in der vorliegenden Anmeldung als Strom Verteiler 13 bezeichnet wird, beispielsweise durch Verschweißen verbunden. Die eigentliche Kathode bildet bei einer Elektrolysezelle dieses Typs die Sauerstoffverzehrelektrode, weshalb die Kathode hierin als Stromverteiler bezeichnet wird.
Ebenfalls in Figur 3 dargestellt ist die Anode 14. Der rohrförmige anodische Flüssigkeitseinlass 15 befindet sich in Figur 3 auf der rechten Seite der Zeichnung. Der anodische Flüssigkeitsauslass 16 erstreckt sich nach unten hin und ist in Figur 2 erkennbar. Der kathodische Gaseinlass 18a, über den beispielsweise Reinstsauerstoff oder ein zumindest sauerstoffreiches Gas zugeführt werden kann, befindet sich in Figur 3 auf der linken Seite und liegt somit in Längsrichtung der Elektrolysezelle 10 gesehen auf der dem anodischen Flüssigkeitseinlass 15 gegenüber liegenden Seite. Der kathodische Flüssigkeitsauslass 19 für das entstehende Kondensat ist in Figur 2 auf der unteren Seite der Elektrolysezelle 10 erkennbar. Der kathodische Gasauslass 18b ist ebenso wie der Gaseinlass in Figur 1 , in der Draufsicht der Kathodenkammer zu erkennen.
Man sieht in Figur 3 außerdem die in der Anodenkammer liegenden erfindungsgemäßen federnden Halteelemente 30, deren Funktion weiter unten noch unter Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 7 näher erläutert werden. Diese federnden Halteelemente 30 sind in der Elektrolysezelle 10 so angeordnet, dass sich ihre Achse in Höhenrichtung der Elektrolysezelle erstreckt. Die federnden Haltelemente haben im Querschnitt eine beidseitig etwas abgeflachte annähernd ovale Ringform und liegen in der Elektrolysezelle 10 so, dass die jeweils etwas abgeflachten, am Umfang gegenüber liegenden Bereiche an der Anode 14 einerseits und an der Anodenrückwand 17 andererseits anliegen. Somit drücken die Halteelemente 30 die Anode 14 an die Membran an (siehe auch Figur 8) und werden andererseits von der Stützstruktur der Kathodenkammer beaufschlagt, welche die Z-Profile 12 umfasst. Wie man in Figur 3 erkennt liegen die Haltelemente 30 jedoch nicht genau dort, wo sich die Z-Profile 12 befinden, sondern in Längsrichtung der Zelle gesehen jeweils zu den Z-Profilen 12 versetzt, derart, dass in Längsrichtung gesehen immer jeweils ein Haltelement 30 vorzugsweise etwa mittig zwischen zwei Z-Profilen 12 liegt.
In Figur 2 erkennt man ebenso wie in Figur 3 den umlaufenden Rahmen 20 der Elektrolysezelle 10, der lösbar mit den übrigen Bauelementen verbindbar sein kann und der insbesondere dazu dient, die Elemente zueinander abzudichten. Dazu ist der Rahmen beispielsweise als Stahlvollmaterial ausgebildet, um die Flanschflächen der Anoden- und der Kathodenkammer optimal zu unterstützen. Auf den Flanschflächen werden vorzugsweise die Dichtungen platziert, die die Elemente gegenüber der eingeklemmten Membran abdichten. Die erforderlichen Kräfte zum Abdichten des Zellstapels sind deutlich größer als die Kräfte, die zur Deformation der vorzugsweise elastoplastischen Komponenten gemäß der Erfindung benötigt werden.
In Figur 2 sind auch die zuvor beschriebenen federnden Halteelemente 30 in der Anodenkammer zu sehen, wobei man hier jeweils die Ringelemente 31 erkennt. Die Anodenkammer hat in dem Ausführungsbeispiel in Richtung der Breite (Querrichtung) der Elektrolysezelle 10 eine etwas größere Ausdehnung als die Kathodenkammer. Außerdem kann man in Figur 2 den längeren Steg eines der Z-Profile 12 der Stützstruktur in der Kathodenkammer erkennen.
Nachfolgend wird auf die Figuren 4 bis 7 Bezug genommen und anhand dieser wird der Aufbau eines beispielhaften Haltelements 30 gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dieses federnde und sich im montierten Zustand in der Elektrolysezelle teilweise auch plastisch verformende Halteelement 30 umfasst eine Mehrzahl zueinander parallel ausgerichteter und voneinander beabstandeter Ringelemente 31 , die wie aus der Querschnittansicht gemäß Figur 6 erkennbar ist im Umriss nicht kreisrund sind, sondern eine in zwei am Umfang gegenüber liegenden Bereichen 32 jeweils leicht abgeflachte und somit insgesamt annähernd ovale Form aufweisen. Diese Ringelemente 31 können wie das federnde Halteelement 30 insgesamt aus Blechstreifen mit einer Materialstärke von beispielsweise weniger als 1 mm gefertigt sein. Alle Ringelemente 31 eines Halteelements 30 sind untereinander jeweils über zwei Stege 33, 34 miteinander verbunden, wobei sich diese Stege 33, 34 jeweils in einer achsparallelen Richtung, das heißt in Längsrichtung des Halteelements erstrecken. Diese achsparallele Erstreckung der Stege 33, 34 verläuft somit jeweils etwa senkrecht zur Umfangsrichtung der Ringelemente 31 . Aus der Schnittansicht gemäß Figur 6 ergibt sich, dass sich die beiden Stege 33, 34 bezogen auf das einzelne Ringelement 31 jeweils am Umfang gegenüber liegen, wobei sich die Stege 33, 34 jeweils dort befinden, wo die Ringelemente 31 jeweils die abgeflachten Bereiche 32 aufweisen.
Figur 7 zeigt eine mögliche Abwicklung bzw. einen beispielhaften Zuschnitt des zuvor beschriebenen Halteelements 30, aus dem das erfindungsgemäße Halteelement zu der in Figur 6 gezeigten zweiseitig abgeflachten zylindrischen Form gebogen wird. Man erkennt hier die Blechstreifen, aus denen die zahlreichen parallelen Ringelemente 31 entstehen, sowie einen der beiden in Längsrichtung bzw. axialer Richtung verlaufenden Stege 33. Der zweite Steg ist in dem Zuschnitt gemäß Figur 7 jeweils an den Rändern zur Hälfte vorgesehen, so dass nach dem Biegen in die zylindrische Form die beiden Hälften 34a, 34b miteinander verbunden werden können und dann den zweiten Steg 34 bilden. Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 8 und 8a Aufbau und Funktion eines beispielhaften Elektrolyseurs mit mehreren Elektrolysezellen der oben beschriebenen Art in Reihenschaltung näher erläutert. In der Zeichnung sind beispielhaft vier Elektrolysezellen 10 in Reihenschaltung jeweils in Anordnung Rücken an Rücken dargestellt, die so angeordnet sind, dass die Elektrolysezellen 10 in ihrer oben beschriebenen Querrichtung hintereinander liegen, derart dass sich immer Anodenkammer und Kathodenkammer abwechseln, wobei jeweils zwischen einer Kathodenkammer 21 und einer Anodenkammer 22 zweier benachbarter Elektrolysezellen 10 jeweils eine lonenaustauschermembran 23 angeordnet ist. Der elektrische Stromfluss durch die Anordnung von Elektrolysezellen ist in Figur 8 beispielhaft und schematisch vereinfacht durch den mäandernden Pfeil 24 dargestellt, wobei der Stromfluss tatsächlich über die gesamte Elektrodenfläche stattfindet.
In der detaillierteren Darstellung gemäß Figur 8 a sind weitere Details der Anordnung erkennbar. Man sieht dort eines der in der Anodenkammer 22 liegenden federnden Halteelemente 30 in der Draufsicht mit seiner abgeflachten ringförmigen Struktur. Die einzelnen Bauelemente liegen in Querrichtung der Anordnung gesehen ausgehend von der zweitobersten Elektrolysezelle zur ersten obersten Elektrolysezelle in folgender Reihenfolge: Anode 14 der zweitobersten Elektrolysezelle, lonenaustauschermembran 23, Gasdiffusionselektrode (ODC oder Sauerstoffverzehrkathode) 24 und kathodischer Stromverteiler 13 (zur ersten obersten Elektrolysezelle gehörig). Die genannte Reihenfolge setzt sich dann in der Anordnung mehrerer in Reihe geschalteter Elektrolysezellen so fort. Man erkennt in Figur 8a, dass die federnden Halteelemente 30 somit mit ihren Ringelementen 31 die Anode 14 stützen und an die lonenaustauschermembran 23 andrücken, wobei wiederum diese lonenaustauschermembran dicht an der Gasdiffusionselektrode 24 anliegt, welche wiederum dicht an dem kathodischen Stromverteiler 13 der benachbarten Elektrolysezelle anliegt, welche die Z-Profile 12 als Stützstruktur aufweist. In der Zeichnung ist jeweils ein Abstand zwischen der Anode 14, der lonenaustauschermembran 23 und der Gasdiffusionselektrode 24 dargestellt, was aber lediglich der besseren zeichnerischen Darstellung dient, d.h. es handelt sich hier quasi um eine teilweise explodierte Darstellung. Tatsächlich wird angestrebt, dass die Anode, die lonenaustauschermembran, die Gasdiffusionselektrode und der kathodische Stromverteiler dicht aneinander (aufeinander) liegen, so dass sich die so genannte „zero-gap“-Konfiguration ergibt. Durch die erfindungsgemäßen Halteelemente 30 wird dieses Ziel unterstützt, da diese die Anode aufgrund ihrer elastoplastischen Federkraft und mit ihrer Fähigkeit zu einer gewissen plastischen Verformung an die Gasdiffusionselektrode und die weiteren flächigen Elemente der Anordnung andrücken und somit eine Spaltbildung zwischen diesen verhindern. Dabei sind die Halteelemente 30 in der Anodenkammer so angeordnet, dass sich ihre Achse in Höhenrichtung der Elektrolysezelle erstreckt, so dass das Andrücken über die federnden und verformbaren Ringelemente 31 quasi in deren radialer Richtung erfolgt und nicht wie beispielsweise bei einer Spiralfeder über einen Federeffekt in axialer Richtung der Feder.
In Figur 9 ist ein Kraft-Weg-Diagramm wiedergegeben, welches den durchschnittlichen Anpressdruck in mbar bezogen auf die Elektrodenfläche angibt, den ein erfindungsgemäßes elastoplastisches federndes Halteelement auf die Membran ausübt, in Abhängigkeit von der jeweiligen Federauslenkung des Ringelements in mm. In dem Diagramm sind zwei Kurven eingezeichnet. Die obere Kurve 35 ergibt sich aus den Messungen für ein Ringelement aus Titanblech mit einer Materialstärke von 0,6 mm. Die untere Kurve 36 ergibt sich aus den Messungen für ein Ringelement mit einer geringeren Materialstärke von nur 0,5 mm. Man erkennt, dass der Anpressdruck bei beiden Kurven mit zunehmender Federauslenkung immer weniger zunimmt, so dass sich eine asymptotische Annäherung an die Horizontale ergibt und somit ein bestimmter Grenzwert für den Anpressdruck nicht überschritten wird, da das Ringelement zuvor mit einer plastischen Verformung reagiert. Dieser Grenzwert ist bei dem Ringelement aus Blech mit einer geringeren Materialstärke niedriger als bei dem Ringelement mit größerer Materialstärke (Kurve 35).
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 10 bis 12 eine alternative Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung erläutert. Figur 10 ist eine ähnliche horizontale Schnittansicht einer Elektrolysezelle, wie sie bereits unter Bezugnahme auf Figur 3 oben erläutert wurde, so dass die analogen Bauteile hier nicht noch einmal beschrieben werden. Jedoch sind bei dieser Variante gemäß dem Ausführungsbeispiel von Figur 10 die Halteelemente, die hier mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet sind, anders ausgestaltet. Diese Halteelemente 40 können wie oben beschrieben zwischen der Anode 14 und der Anodenrückwand 17 in der Anodenkammer so angeordnet sein, dass sie einen Anpressdruck auf die flächige Elektrodenstruktur ausüben, wobei die Halteelemente in der Querrichtung der Anodenkammer, das heißt in Richtung der Flächennormalen zur flächigen Anordnung der Elektroden, flexibel und in einem gewissen Ausmaß plastisch verformbar sind. Die Halteelemente 40 haben bei dieser Variante einen polygonalen, beispielsweise einen etwa rautenförmigen Querschnitt und werden vorzugsweise in Richtung einer der Diagonalen dieser Rautenform beaufschlagt. Auch bei dieser Variante können die Halteelemente 40 beispielsweise aus einem Blechmaterial aus Titan, Nickel oder einem der anderen oben genannten Materialien bestehen.
Weitere Details der Rautenform der Halteelemente 40 ergeben sich aus den Figuren 1 1 und 12, die eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Halteelements zeigen. Man sieht, dass die Halteelemente 40 mindestens abschnittsweise eine längliche Rohrform mit etwa rautenförmigem Querschnitt aufweisen, wobei ihre axiale Erstreckung im eingebauten Zustand der Höhenrichtung der Elektrolysezelle entspricht (siehe auch Figur 10). Um die Flexibilität und gegebenenfalls eine gewisse plastische Verformung im eingebauten Zustand zu erreichen, weisen die Halteelemente 40 in ihren Wänden 41 , welche rohrförmige Abschnitte bilden, zahlreiche Durchbrechungen 42 oder Ausstanzungen auf, die beispielsweise schlitzartig ausgebildet und die in sich in Längsrichtung des Halteelements erstreckenden Reihen, insbesondere in mehreren Reihen angeordnet sein können. Durch diese Durchbrechungen 42 wird das ansonsten rohrförmige Halteelement 40 etwas geschwächt, so dass seine Steifigkeit abnimmt und die angestrebte Flexibilität in Querrichtung (Diagonalrichtung) erzielt wird. In Figur 10 erkennt man, dass die Rautenform des Querschnitts in dem an der Anode 14 anliegenden Eckbereich und im gegenüber liegenden Eckbereich leichte Abflachungen 43 aufweist, ähnlich zu den abgeflachten Bereichen 32 bei der unter Bezugnahme auf Figur 3 oben beschriebenen Variante.
Bezuqszeichenliste
10 Elektrolysezelle
1 1 Stützstruktur
12 Z-Profile
13 Stromverteiler
14 Anode
15 anodischer Flüssigkeitseinlass
16 anodischer Flüssigkeitsauslass
17 Anodenrückwand
18 a kathodischer Gaseinlass
18 b kathodischer Gasauslass
19 kathodischer Flüssigkeitsauslass
20 umlaufender Rahmen
21 Kathodenkammer
22 Anodenkammer lonenaustauschermembran
Pfeil für den Stromfluss
federndes Halteelement
Ringelement
abgeflachte Bereiche
axialer Steg
axialer Steg
obere Kurve
untere Kurve
federndes Halteelement
Wände des Halteelements, rohrförmige Abschnitte Durchbrechungen
Abflachungen

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysezelle umfassend eine Anodenkammer (22) und eine Kathodenkammer (21 ), die durch eine lonenaustauschermembran (23) voneinander getrennt sind, wobei die Elektrolysezelle (10) weiterhin eine Anode (14), eine Gasdiffusionselektrode (24) und einen kathodischen Stromverteiler (13) aufweist, wobei Anode (14), lonenaustauschermembran (23), Gasdiffusionselektrode (24) und kathodischer Stromverteiler (13) in der genannten Reihenfolge jeweils miteinander im direkten Berührungskontakt stehen und wobei jenseits der Anode (14) und/oder jenseits des kathodischen Stromverteilers (13) federnde Halteelemente (30, 40) angeordnet sind, die einen Anpressdruck auf die Anode (14) und/oder auf den kathodischen Stromverteiler (13) ausüben, dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Haltelemente (30, 40) Ringelemente (31 ) oder mindestens einen rohrförmigen Abschnitt (41 ) umfassen, deren Achse in Höhen- oder Längsrichtung der Elektrolysezelle (10) ausgerichtet ist, wobei die Halteelemente (30, 40) in der Elektrolysezelle (10) neben einer elastischen Verformung mindestens teilweise eine plastische Verformung erfahren und elastoplastisch federnd ausgebildet sind.
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) oder die rohrförmigen Abschnitte (41 ) der federnden Halteelemente (30, 40) in der Anodenkammer (22) oder in der Kathodenkammer (21 ), insbesondere zwischen der Anode (14) und dem kathodischen Stromverteiler (13) so angeordnet sind, dass sie in radialer Richtung auf Kompression beaufschlagt werden.
3. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Halteelemente (30) eine Mehrzahl jeweils zueinander parallel und mit Abstand zueinander angeordneter und miteinander verbundener Ringelemente (31 ) aufweisen.
4. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) über sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Ringelemente (31 ) erstreckende Stege (33, 34) miteinander verbunden sind.
5. Elektrolysezelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei die Ringelemente (31 ) untereinander verbindende Stege (33, 34) vorgesehen sind, die über den Umfang der Ringelemente (31 ) gesehen sich etwa gegenüber liegen.
6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) einen von der Kreisform abweichenden ovalisierten Querschnitt aufweisen.
7. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Abschnitte (41 ) der Halteelemente (40) eine Mehrzahl von Durchbrechungen (42), insbesondere schlitzförmige Durchbrechungen aufweisen.
8. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (40) rohrförmige Abschnitte (41 ) mit polygonalem, insbesondere mit etwa rautenförmigem Querschnitt aufweisen.
9. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) der Halteelemente (30) oder die rohrförmigen Abschnitte (41 ) der Halteelemente (40) einen von der Kreisform oder von der Rautenform abweichenden, in zwei am Umfang gegenüber liegenden Bereichen (32) abgeflachten Querschnitt aufweisen.
10. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) und/oder die diese untereinander verbindenden Stege (33, 34) der Halteelemente (30) oder die rohrförmigen Abschnitte (41 ) der Halteelemente (40) aus Blech gefertigt sind.
1 1. Elektrolysezelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) und/oder die diese untereinander verbindenden Stege (33, 34) oder die rohrförmigen Abschnitte (41 ) aus Blech mit einer Materialstärke von weniger als einem Millimeter, vorzugsweise mit einer Materialstärke von weniger als 0,8 mm gefertigt sind.
12. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Halteelemente (30, 40) mindestens teilweise aus einem metallischen Material, insbesondere einem Titanwerkstoff, einem Nickelwerkstoff, einem Graphitwerkstoff oder einem anderen Werkstoff mit einer für den Betrieb einer Elektrolysezelle ausreichenden Leitfähigkeit gefertigt sind.
13. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens zwei in Längsrichtung der Elektrolysezelle (10) zueinander beabstandet angeordnete federnde Halteelemente (30) umfasst.
14. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine in der Kathodenkammer (21 ) angeordnete Stützstruktur mit wenigstens zwei sich in Querrichtung der Elektrolysezelle (10) erstreckenden Z-Profilen (12) umfasst, die in Längsrichtung der Elektrolysezelle (10) voneinander beabstandet angeordnet sind.
15. Elektrolysezelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Halteelemente (30, 40) in der Anodenkammer (22) angeordnet sind und diese jeweils so angeordnet sind, dass in Längsrichtung der Elektrolysezelle (10) gesehen die federnden Haltelemente (30, 40) zu den Z-Profilen (12) versetzt angeordnet sind.
16. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Höhenrichtung der Elektrolysezelle gesehen wenigstens zwei Halteelemente (30, 40) in axialer Verlängerung übereinander angeordnet sind, vorzugsweise wenigstens drei Halteelemente (30, 40) in axialer Verlängerung übereinander angeordnet sind.
17. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Halteelemente (30, 40) mit wenigstens einem benachbarten Bauelement der Elektrolysezelle, insbesondere mit der Anode und/oder mit einer Rückwand der Elektrolysezelle verschweißt sind.
18. Federndes Halteelement (30, 40) zur Verwendung in einer Elektrolysezelle, um einen Anpressdruck auf eine flächige Formation umfassend wenigstens zwei Elektroden und eine lonenaustauschermembran zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (30) elastoplastisch federnd und sich mindestens teilweise plastisch verformend ausgebildet ist.
19. Federndes Halteelement (30, 40) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Mehrzahl jeweils zueinander parallel und mit Abstand zueinander angeordneter und miteinander verbundener Ringelemente (31 ) oder mindestens einen rohrförmigen Abschnitt (41 ) umfasst.
20. Federndes Halteelement (30) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringelemente (31 ) über sich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Ringelemente (31 ) erstreckende Stege (33, 34) miteinander verbunden sind.
21. Federndes Halteelement (40) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Abschnitt oder die rohrförmigen Abschnitte (41 ) eine Mehrzahl von Durchbrechungen (42) aufweisen.
22. Federndes Halteelement (30, 40) nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , gekennzeichnet durch die Merkmale eines der Ansprüche 5 bis 12.
23. Elektrolysezelle umfassend mindestens ein elastoplastisch federnd ausgebildetes Halteelement (30) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 18 bis 22.
24. Elektrolyseur umfassend wenigstens eine Elektrolysezelle mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 17 oder 23.
25. Elektrolyseur umfassend wenigstens zwei, vorzugsweise eine größere Anzahl von Elektrolysezellen mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 17 oder 23 in Reihenschaltung in einer Anordnung der Elektrolysezellen jeweils in ihrer Querrichtung nebeneinander, wobei auf die Kathodenkammer einer Elektrolysezelle jeweils die Anodenkammer der benachbarten Elektrolysezelle folgt.
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