DE102010054643A1

DE102010054643A1 - Elektrolyseur mit spiralförmigem Einlaufschlauch

Info

Publication number: DE102010054643A1
Application number: DE102010054643A
Authority: DE
Inventors: Peter Woltering; Dr. Kiefer Randolf; Dr. Dipl.-Chem. Weber Rainer; Dipl.-Chem.-Ing. Bulan Andreas
Original assignee: Bayer MaterialScience AG; ThyssenKrupp Uhde GmbH
Current assignee: Covestro Deutschland AG; Thyssenkrupp Nucera Italy SRL
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-06-21
Also published as: JP2013545898A; CN103370449B; EP2652176B1; EA023659B1; KR20130138295A; US20130256151A1; EA201390869A1; EP2652176A1; US9045837B2; CA2817164A1; CN103370449A; WO2012079670A1; BR112013014396A2

Abstract

Elektrolyseur umfassend mindestens ein Einzelelektrolyseelement, das jeweils eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran umfasst, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Gas-Diffusions-Elektrode ist, zwischen der Gas-Diffusions-Elektrode und der Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei oberhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und unterhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gaseintritt und ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei der Elektrolytablauf in einen Ablaufsammelkanal mündet, und wobei der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist, und der Überlauf mit dem Ablaufsammelkanal verbunden ist, wobei zur Verbindung des Elektrolytvorlagebehälters und dem Elektrolytzulauf ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist und dass zur Verbindung des Überlaufes mit dem Ablaufsammelkanal ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung kann in den technischen Bereich der Elektrolysegeräte eingeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrolyseur wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 charakterisiert ist.
Bei der Elektrolyse wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt. Dies wird erreicht durch die Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung eines elektrischen Stroms. Die als Elektrolyt eingesetzte Lösung enthält positiv und negativ geladene Ionen. Als Elektrolyte kommen demzufolge hauptsächlich Säuren, Basen oder Salze zur Anwendung.
Beispielsweise bei der Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung läuft auf Seiten der Anode die nachstehende Reaktion ab: 4 NaCl → 2 Cl₂ + 4 Na⁺ + 4e^– (1)
Die frei werden Alkali-Ionen gelangen zur Kathode und bilden mit den dort entstehenden Hydroxidionen Alkalilauge. Außerdem wird Wasserstoff gebildet: 4 H₂O + 4 e^– → 2 H₂ + 4 OH^– (2)
Dabei wird die entstehende Lauge vom Natriumchlorid, das der Anodenseite zugeführt wird, über eine Kationenaustauscher-Membran getrennt, und dadurch voneinander separiert. Derartige Membranen sind Stand der Technik und kommerziell von verschiedenen Anbietern erhältlich.
Das Standardpotential an der Anode, das sich bei Ablauf von oben stehender Reaktion ausbildet beträgt +1,36 V, wobei das Standardpotential an der Kathode bei Ablauf von oben stehender Reaktion –0,86 V beträgt. Ein derartiges Zellendesign ist beispielsweise aus der WO98/55670 bekannt. Aus der Differenz dieser beiden Standardpotentiale resultiert ein immenser Energieeintrag, der nötig ist, um diese Reaktionen durchzuführen. Um diesen Differenzbetrag zu minimieren, werden nun Gas-Diffusions-Elektroden (nachfolgend als GDE abgekürzt) auf der Kathodenseite eingesetzt, wodurch Sauerstoff in das System eingetragen wird und dadurch bedingt an der Kathode nicht mehr Reaktion (2) abläuft, sondern die nachfolgende Reaktion: O₂ + 2 H₂O + 4e^– → 4 OH (3)
Die der NaCl-GDE-Technologie zugrundeliegende Gesamtreaktion ist also wie folgt definiert: 4 NaCl + O₂ + 2 H₂O → 4 NaOH + 2 Cl₂ (4)
Da das Standardpotential der Reaktion (3) bei +0,4 V liegt, führt die NaCl-GDE-Technologie im Vergleich zur herkömmlichen Technologie zu einer beträchtlichen Energieeinsparung.
Gas-Diffusions-Elektroden werden seit vielen Jahren in Batterien, Elektrolyseuren und Brennstoffzellen eingesetzt. Der elektrochemische Umsatz findet innerhalb dieser Elektroden nur an der sogenannten Drei-Phasen-Grenze statt. Als Drei-Phasen-Grenze wird der Bereich bezeichnet, bei dem Gas, Elektrolyt und metallischer Leiter aufeinander treffen. Damit die GDE effektiv arbeitet, sollte der metallische Leiter gleichzeitig ein Katalysator für die gewünschte Reaktion sein. Typische Katalysatoren in alkalischen Systemen sind Silber, Nickel, Mangandioxid, Kohlenstoff und Platin. Damit die Katalysatoren besonders wirksam sind, muss deren Oberfläche groß sein. Dies wird erreicht durch feine oder poröse Pulver mit innerer Oberfläche.
Probleme bei der Anwendung derartiger Gas-Diffusions-Elektroden, wie sie beispielsweise in der US 4614575 offenbart sind, ergeben sich dadurch, dass der Elektrolyt, bedingt durch Kapillarwirkung in diese feinporigen Strukturen eindringen und diese füllen würde. Dieser Effekt hätte zur Folge, dass der Sauerstoff nicht mehr durch die Poren diffundieren könnte, wodurch die beabsichtigte Reaktion zum Stillstand käme.
Damit die Reaktion an der Drei-Phasen-Grenze effektiv ablaufen kann, muss oben genanntes Problem vermieden werden, indem die Druckverhältnisse entsprechend gewählt werden. Die Ausbildung einer Flüssigkeitssäule in einer ruhenden Flüssigkeit, wie dies in der Elektrolytlösung der Fall ist, bedingt beispielsweise, dass der hydrostatische Druck am unteren Ende der Säule am höchsten ist, was oben beschriebenes Phänomen verstärken würde.
Dieses Problem wird, wie in der einschlägigen Literatur zu finden ist, in Form von Fallfilmverdampfern gelöst. Dabei lässt man die Lauge zwischen der Membran und der GDE durch ein poröses Medium laufen, womit die Ausbildung einer hydrostatischen Säule verhindert wird. Man spricht auch von Percolatortechnologie.
In der WO03/042430 wird die Verwendung von Polyethylenen, die eine hohe Dichte aufweisen, oder perfluorierten Plastikmaterialien für diese poröse Percolatorschicht vorgeschlagen.
Ein derartiges Prinzip ist beispielsweise in der DE102204018748 offenbart. Hier ist eine elektrochemische Zelle beschrieben, die aus wenigstens einer Anodenhalbzelle mit einer Anode, einer Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Katodenhalbzelle angeordneten Ionenaustauschermembran, wobei die Anode und/oder Kathode eine Gas-Diffusions-Elektrode ist, zwischen der Gas-Diffusions-Elektrode und der Ionenaustauschermembran ein Spalt, ein Elektrolytzulauf oberhalb des Spalts und ein Elektrolytablauf unterhalb des Spalts sowie ein Gaseintritt und ein Gasaustritt angeordnet ist, wobei der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist.
Der Überlauf des Elektrolyten soll dabei eine gleichmäßige Bespeisung über die volle Breite der Zelle gewährleisten. Die Menge an Elektrolyt, die aus dem Vorlagebehälter in den Elektrolytzulauf strömt, ist von der Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitspegel des Elektrolyten in dem Vorlagebehälter und dem Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf abhängig. Der Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf wiederum ist von der Höhe des Überlaufs abhängig, welche bestimmt, wie stark der Elektrolyt in dem Elektrolytzulauf aufgestaut wird.
Wird mehr Elektrolyt zugegeben, als über den Überlaufkanal und den Spalt ablaufen kann, erhöht sich der Druck des Elektrolyten in dem kanalförmigen Elektrolytzulauf oberhalb des Spaltes. Durch Wahl der Höhe des Überlaufkanals kann der Druck im Elektrolytzulauf eingestellt werden. Mit Erhöhung des Druckes kann also mehr Elektrolyt durch den Spalt geführt werden und die Strömungsgeschwindigkeit im Spalt kann gezielt variiert werden. Durch die Variation des Verhältnisses der beschriebenen Höhendifferenzen zueinander, kann der Druck in dem Elektrolytzulauf gezielt eingestellt werden.
Unter einem Elektrolyseur wird nun ein Apparat verstanden, der aus mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten und in elektrischem Kontakt stehenden plattenförmigen Elektrolysezellen aufgebaut ist, die Einlässe und Auslässe für sämtliche benötigten und entstehenden Flüssigkeiten und Gase besitzt. Es handelt sich also um eine Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelelemente, die jeweils Elektroden besitzen, die über eine geeignete Membran voneinander getrennt werden und die in ein Gehäuse zur Aufnahme dieser Einzelelemente eingepasst werden. Derartige Elektrolyseure sind beispielsweise in der DE 196 41 125 A1 und in der DE 102 49 508 A1 offenbart.
Zum Schutz der metallischen Komponenten wie beispielsweise Nickel, Kupfer, Silber und Gold, aus denen eine Elektrolysezelle mit Gas-Diffusions-Elektrode besteht, kann im Stillstand, etwa bei Inbetriebnahme, Außerbetriebnahme, Betriebsunterbrechungen oder Störungen, eine Polarisation durchgeführt werden. Dies ist unter anderem der Fall, wenn eine Elektrolysezelle gefüllt und aufgeheizt wird, um in Betrieb genommen zu werden. Auch wenn die Zelle aus dem Elektrolysebetrieb genommen wird, ist die Polarisation bis zum chlorfreien Zustand der anodischen Flüssigkeit und erfolgter Abkühlung aufrecht zu erhalten.
Der Polarisationsstrom stellt sicher, dass sich die metallischen Komponenten der Elektrolysezelle in einem Potentialbereich befinden, in dem keine Korrosionsreaktionen stattfinden, die zur Auflösung der Metalle führen, aus denen einzelne Komponenten der Zellkathode bestehen. Der Polarisationsstrom muss so hoch gewählt werden, dass nach Verlust durch Streuströme durch die Elektrolytzu- und ablaufe in der Elektrolyseurmitte noch ausreichend positive Stromstärke vorhanden ist, um einen definierten Potentialbereich zu gewährleisten, in dem keine kritischen Korrosionsreaktionen ablaufen.
Im Folgenden sei eine elektrochemische Zelle für die konventionelle Wasserstoff-bildende Chlor-Alkali-Elektrolyse betrachtet, die entsprechend des Stands der Technik nach DE 196 41 125 A1 und DE 102 49 508 A1 aufgebaut sei. Um eine einwandfreie Funktionsweise solcher Elektrolysezellen zu gewährleisten, muss nach Abschaltung des Hauptelektrolysestroms ein minimaler Polarisationsstrom aufrechterhalten werden, um die Elektroden gegen Korrosionsreaktionen der Beschichtung zu schützen. Das Erreichen eines ausreichenden Korrosionsschutzes über möglichst geringe Polarisationsströme mit Hilfe eines Ablaufkanals in Verbindung mit einem Ablaufrohr aus PTFE wird in DE 102 49 508 A1 beschrieben. Dabei wird der Teil des so eingespeisten Polarisationsstroms, der über die Versorgungs- und Ablaufleitungen der Zelle über die Elektrolyte ausgetragen wird, durch die genannten konstruktiven Maßnahmen minimiert. Der Zulauf der Sole und Lauge erfolgt dabei über einen konventionellen Einlaufverteiler.
Zur Quantifizierung dieser Ströme sei als Beispiel im Folgenden ein Elektrolyseur 1 betrachtet, wie in 1A dargestellt, der aus 160 Einzelelektrolyseelementen besteht, die in zwei Elektrolyseurstapel 2 und 3 angeordnet sind. Bei diesem Elektrolyseur wird anodenseitig ein Polarisationsstrom von 27A eingespeist, so dass ohne Streustromverluste eine Gesamtspannung von theoretisch etwa 250 V erhalten wird. Über ein elektrisches Modell, das die verschiedenen Ohmschen Widerstände der Elementkomponenten und der Elektrolyte sowie die entsprechenden elektrochemischen Gleichungen berücksichtigt, lässt sich der Verlauf der Stromstärke pro Element berechnen. Die Ergebnisse sind in 1B wiedergegeben, das den Strom im Element gegenüber der Elementzahl, also der Position im Elektrolyseur abbildet.
Demnach kommen nur etwa 40% des Stroms in den Elementen an, die restlichen 60% werden über Streuströme verloren. 1C und 1D zeigen dazu im Detail die Streuströme, die bei jedem Element über die Elektrolytzu- und ablaufe geleitet werden. In 1C sind dazu Streuströme über der Elementzahl, d. h. der Elementposition im Elektrolyseur, abgebildet, die über die Solezulaufleitungen (dargestellt durch offene Dreiecke) und die Laugezuleitungen (dargestellt durch gefüllte Dreiecke) abgeführt werden. 1D zeigt zum Vergleich im Detail die Ströme, die über die Laugeablaufleitung (dargestellt durch gefüllte Dreiecke) und die Anolytablaufleitung (dargestellt durch offene Dreiecke) verloren werden. Nachteil dieser Technologie ist also, dass sehr hohe Streuströme entstehen, die wiederum hohe Polarisationsströme erforderlich machen.
Die Verwendung der oben beschriebenen Technologien in einem derartigen Elektrolyseur ist also insofern problematisch, da die gleichmäßige Bespeisung mit Elektrolyt nicht nur eines Einzelelements, sondern aller hintereinander geschalteten Einzelelemente notwendig ist, um einen effektiven Betrieb zu gewährleisten. Oft kommt es dabei trotz der vorgesehenen Überlaufe an den Einzelelementen zu einer ungleichmäßigen Laugenverteilung im Elektrolyseurbetrieb durch ungleichmäßige Drücke, was zudem zum oben dargestellten Problem der Streustrombildung beiträgt, was wiederum zu Korrosion und einer Verringerung der Stromausbeute führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Konstruktion bereitzustellen, die eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten im Elektrolyseurbetrieb umfassend eine Vielzahl von Einzelelektrolyseelementen zu gewährleisten, indem ein konstanter Druck in der Elektrolytzufuhrkonstruktion sowie ausreichende Mengen an Elektrolyt bereitgestellt werden. Außerdem sollen dadurch erhöhte elektrische Streuströme, die unter anderem durch eine ungleichmäßige Elektrolytverteilung entstehen, vermieden werden, um notwendige Polarisationsströme möglichst gering halten zu können.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Einsatz eines Elektrolyseurs umfassend mindestens ein Einzelelektrolyseelement, das jeweils eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran umfasst, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Gas-Diffusions-Elektrode ist, zwischen der Gas-Diffusions-Elektrode und der Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei oberhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und unterhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gaseintritt und ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei der Elektrolytablauf in einen Ablaufsammelkanal mündet, und wobei der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist, und der Überlauf mit dem Ablaufsammelkanal verbunden ist, wobei zur Verbindung des Elektrolytvorlagebehälters und dem Elektrolytzulauf ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist und wobei zur Verbindung des Überlaufes mit dem Ablaufsammelkanal ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind spiral-förmige Schläuche einer Länge von 1,5 m bis 3,5 m, bevorzugt von 1,75 m bis 3 m, und besonders bevorzugt von 2,25 bis 2,75 m vorgesehen. Besonders von Vorteil sind dabei Schläuche einer Länge von 2,5 m.
Vorteilhaft sind spiral-förmige Schläuche vorgesehen, die einen Innendurchmesser von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt einen Innendurchmesser von 7,5 bis 12,5 mm, und besonders bevorzugt von 9 mm bis 11 mm aufweisen. Besonders von Vorteil sind dabei Schläuche, die einen Innendurchmesser von 10 mm aufweisen.
Bevorzugt ist der Überlauf mit einer durchgehenden Öffnung versehen, die einen Durchmesser von 2 mm bis 4 mm, und bevorzugt von 2,5 bis 3,5 mm aufweist.
In bevorzugter Ausführungsform sind im Elektrolyseur 50 bis 200 Einzelelektrolyseelemente, bevorzugt 70 bis 180 Einzelelektrolyseelemente, und besonders bevorzugt 100 bis 160 Einzelelektrolyseelemente vorgesehen.
Des Weiteren umfasst die vorliegende Erfindung die Elektrolyse einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung. Im Betrieb beträgt dabei der Druckabfall am mit dem spiral-förmigen Schlauch versehenen Überlauf bis zu 200 mbar, bevorzugt 100 bis 200 mbar.
Weiterhin beträgt der Druckabfall in bevorzugter Ausführungsform am mit dem spiral-förmigen Schlauch versehenen Elektrolytzulauf 30 mbar bis 200 mbar, bevorzugt 80 bis 170 mbar, und besonders bevorzugt 100 mbar bis 150 mbar.
Vorteilhaft sind die eingesetzten Schläuche aus PTFE gefertigt.
Die vorliegende Erfindung soll anhand von Figuren näher erläutert werden:
1: Elektrolyseur aus dem Stand der Technik. 1A zeigt einen schematischen Aufbau eines derartigen Elektrolyseurs. 1B zeigt den Verlauf der Stromstärke über die Einzelelemente, aus denen sich der Elektrolyseur zusammensetzt. 1C zeigt die Streuströme, die bei jedem Element über Sole- und Laugezulauf geleitet werden, 1D die Streuströme, die über Katholytablauf (Laugeablauf) sowie Anolytablauf geleitet werden.
2: Erfindungsgemäßer Elektrolyseur. 2A zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Elektrolyseurs. 2B zeigt den Verlauf der Elementspannung unter Polarisation über die Einzelelemente, aus denen sich der Elektrolyseur zusammensetzt. 2C zeigt den Verlauf der Stromstärke unter Polarisation über die Einzelelemente, aus denen sich der Elektrolyseur zusammensetzt. 2D zeigt die Streuströme, die bei jedem Element über Sole- und Laugezulauf abgeleitet werden. Dabei sind die Streuströme über die Solezuläufe über gefüllte Kreise dargestellt, die Streuströme über die Laugezuläufe über offene Kreise. 2E zeigt die Streuströme, die über Anolytablauf, Katholytablauf und Katholytüberlauf verloren werden. Die Streuströme über die Anolytablaufleitungen sind durch gefüllte Dreiecke dargestellt, die Streuströme über die Katholytablaufleitungen durch offene Quadrate, die Streuströme über die Katholytüberlaufleitungen durch offene Rauten.
3: Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Einzelelektrolyseelements mit Anordnung der spiral-förmigen Schläuche.
Als Vergleichsversuch zum Stand der Technik ist ein erfindungsgemäßer Elektrolyseur, der mit den in Anspruch 1 beschriebenen spiral-förmigen Schläuchen ausgestattet ist, eingesetzt worden. Es wurde ein Elektrolyseur betrachtet, der aus vier Elektrolyseurstapeln, die mit je 60 Einzelelektrolyseelementen ausgestattet waren, gearbeitet. Die zunächst theoretische resultierende Gesamtspannung unter Polarisation ohne Streustromverluste liegt auch hierbei bei maximal 250 V, d. h. der reine ohmsche Widerstand des Elektrolyseurs unter Polarisation liegt in dem Bereich des Elekrolyseurs nach Stand der Technik, dessen Ergebnisse in 1 beschrieben werden, so dass diese mit denen in 2 gezeigten Resultate direkt verglichen werden können.
In 2A ist der Stromfluss durch den erfindungsgemäßen Elektrolyseur 4 dargestellt. Die Elektrolyseurstapel sind mit den Bezugszeichen 5, 6, 7, 8 versehen. Auch hier wird der Elektrolyseur vom anodischen Ende mit einem Polarisationsstrom gespeist, der vom Polarisationsgleichrichter 9 aus geht.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektrolyseur ist ein eingespeister Strom von 27 A nicht ausreichend, um einen Minimalstrom in der Elektrolyseurmitte zu gewährleisten. Die Berechnungen haben gezeigt, dass durch die Zu- und Ablaufleitungen über die Elektrolyte so viel Strom abgeleitet wird, dass in den mittleren Elementen des Elektrolyseurs kein ausreichender positiver Strom mehr vorhanden ist. Daher wurde der eingespeiste Polarisationsstrom auf 50 A erhöht und die Zellspannung (2B) bzw. der Strom (2C) in jedem Element unter Verwendung derselben Berechnungsmethode die auch den 1 zugrunde gelegt wurde, berechnet. 2B und 2C zeigen das Berechnungsergebnis in Form des Verlaufs über die Elemente des Elektrolyseurs.
Wie im Beispiel eines konventionellen Elektrolyseurs aus 1 fällt der Strom deutlich und ist in den mittleren Elementen des Elektrolyseurs am geringsten. Wird nun der Verlauf der Streuströme über die Zuläufe und Abläufe jedes einzelnen Zellelements betrachtet, so ergibt sich das in 2C und 2D dargestellte Bild.
Während die Streuströme im Solezulauf und Anolytablauf gering sind und qualitativ nicht stark von den Mengen abweichen, die aus der Berechnung des konventionellen und in 1 dargestellten Elektrolyseurs bekannt sind, zeigen die katholytseitigen Berechnungen ein anderes Bild.
Betrachtet man die in 2C dargestellten Berechnungsergebnisse für den Elektrolytzulauf, der in dem Versuch mit einem spiral-förmigen Zulaufschlauch aus PTFE einer Länge von 2,5 m sowie eines Innendurchmessers von 10 mm versehen war, und den Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbindet, so ist das Ausmaß der verlorenen Streuströme zwar größer als dasjenige, das über den Sole-Zulauf verloren wird. Insgesamt ist der verlorene Streustrom allerdings um den Faktor 2, im Vergleich zu der in 1 dargestellten konventionellen Technologie, kleiner. Der verminderte Streustrom ist also auf den Einsatz des spiral-förmigen Schlauchs zurückzuführen.
Der Katholytüberlauf wird wie der Zulauf über einen spiralförmigen Zulaufschlauch aus PTFE einer Länge von 2,5 m sowie eines Innendurchmessers von 10 mm sichergestellt, der den vorgesehenen Überlauf mit dem Ablaufsammelkanal verbindet. Wie in 2D gezeigt, ergibt sich für den Überlauf ein geringer Streustrom, der sich von dem durch den Solezulauf verlorenen Streustrom kaum unterscheidet (s. 2C). Dieser Streustrom besitzt trotz des nötigen höheren Polarisationsstroms von 50 A eine ähnliche Größenordnung wie der Streustrom, der bei 27A in der konventionellen Elektrolysezelle durch den Katholytzulauf verloren wird (s. 1C).
Die Anordnung von Elektrolytzu- und überlaufschläuchen in spiral-förmiger Ausführung führt daher dazu, dass Streuströme beim Betrieb einer elektrochemischen Zelle möglichst gering gehalten werden, obwohl gegenüber der konventionellen Chlor-Alkali-Elektrolyse ein geringfügig höherer Polarisationsstrom eingespeist werden muss, um Korrosionsprozesse wirksam zu verhindern.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Einzelelektrolyseelement 10 gezeigt. Dabei ist der innere Aufbau der Elektrolysezelle nicht dargestellt. Durch Aneinanderreihung mehrerer Einzelelektrolyseelemente 10 in sogenannte Zellstapel in den entsprechenden dafür vorgesehenen Vorrichtungen werden die beanspruchten Elektrolyseure geschaffen. Dabei werden die Einzelelektrolyseelemente über an der Außenwand 11 vorgesehene Kontaktstreifen 12 elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei der Elektrolyseur im Betrieb vom anodischen Ende aus mit Strom durchströmt wird.
Die Befüllung des Elektrolyten geschieht über einen spiral-förmigen Schlauch 13. Dadurch strömt der Elektrolyt gleichmäßig über die gesamte Breite des Einzelelektrolyseelements 10. Der Elektrolytzulauf erfolgt dabei von oben nach unten über einen Fallfilm (nicht gezeigt).
Der Überlauf des Elektrolyten ist ebenfalls mit einem spiral-förmigen Schlauch 14 versehen. Dieser Überlauf ist im eingebauten Zustand beispielhaft mit dem Sauerstoffablaufkanal verbunden, aus dem überschüssiger Elektrolyt in den Ablaufsammelkanal des Elektrolyseurs (nicht gezeigt) abgeführt werden kann.
Durch die gleichzeitige Drosselwirkung der spiralförmigen Schläuche 13 und 14 wird eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten während des Elektrolyseurbetriebs gewährleistet, indem ein konstanter Druck in der Elektrolytzufuhrkonstruktion, sowie ausreichende Mengen an Elektrolyt bereitgestellt werden.
Durch die Drosselwirkung des spiralförmigen Schlauchs 13 wird im Weiteren verhindert, dass ein erheblicher Teil des über den spiralförmigen Schlauch 14 eintretenden Elektrolyts über einen Siphoneffekt das Einzelelektrolyseelement verlässt, anstatt bestimmungsgemäß das Einzelelektrolyselement als Fallfilm zu durchströmen. Somit können durch die Ausgestaltung des spiralförmigen Schlauchs 13 Verarmungen an Elektrolyt in Bereichen der Einzelelektrolysezelle verhindert werden, welche die elektrolytische Funktionsweise der Einzelelektrolysezelle beeinträchtigen würden.
Optional lässt sich die Elektrolytmenge über ein Ventil und ein Durchflussmessgerät im Elektrolytzulauf vor Eintritt in den spiral-förmigen Schlauch 14 anpassen, wenn bei den im Elektrolyseurstapel angeordneten Elementen stark unterschiedliche Gegendrücke auftreten. Über Ventile und Durchflussmessgeräte wird der Durchfluss so eingestellt, dass ein minimaler Elektrolytstrom im spiral-förmigen Schlauch 14 aufrechterhalten wird, um einen notwendigen Eintrittsdruck durch die so entstehende hydrostatische Säule zu gewährleisten. Für die erzielte Streustromminimierung sowie die gleichmäßige Elektrolytverteilung ist das Zusammenspiel beider an den Elektrolyteinzelelementen angebrachten spiral-formigen Schläuchen erforderlich.
Vorteile der vorliegenden Erfindung:

– gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten im Elektrolyseur
– Sicherstellung ausreichender Mengen an Elektrolyt im Fallfilm durch Verhinderung von Elektrolytverlusten infolge eines Siphoneffektes im Elektrolytüberlauf eines jeden Einzelelektrolyselements
– Minimierung von Streuströmen, wodurch notwendige Polarisationsströme gering gehalten werden können
– einfach in bestehende Elektrolyseure zu integrierende Maßnahme

Bezugszeichenliste

1: Elektrolyseur
2: Elektrolyseurstapel
3: Elektrolyseurstapel
4: Elektrolyseur
5: Elektrolyseurstapel
6: Elektrolyseurstapel
7: Elektrolyseurstapel
8: Elektrolyseurstapel
9: Polarisationsgleichrichter
10: Einzelelektrolyseelement
11: Aussenwand
12: Kontaktstreifen
13: spiral-förmiger Schlauch
14: spiral-förmiger Schlauch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 98/55670 [0007]
US 4614575 [0011]
WO 03/042430 [0014]
DE 102204018748 [0015]
DE 19641125 A1 [0018, 0021]
DE 10249508 A1 [0018, 0021, 0021]

Claims

Elektrolyseur umfassend mindestens ein Einzelelektrolyseelement, das jeweils eine Anodenhalbzelle mit einer Anode, eine Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordnete Ionenaustauschermembran umfasst, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Gas-Diffusions-Elektrode ist, zwischen der Gas-Diffusions-Elektrode und der Ionenaustauschermembran ein Spalt vorgesehen ist, wobei oberhalb des Spalts ein Elektrolytzulauf und unterhalb des Spalts ein Elektrolytablauf sowie ein Gaseintritt und ein Gasaustritt angeordnet sind, wobei der Elektrolytablauf in einen Ablaufsammelkanal mündet, und wobei der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist, und der Überlauf mit dem Ablaufsammelkanal verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des Elektrolytvorlagebehälters und dem Elektrolytzulauf ein spiralförmiger Schlauch vorgesehen ist und dass zur Verbindung des Überlaufes mit dem Ablaufsammelkanal ein spiral-förmiger Schlauch vorgesehen ist.
Elektrolyseur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass spiral-förmige Schläuche einer Länge von 1,5 m bis 3,5 m, bevorzugt von 1,75 m bis 3 m, und besonders bevorzugt von 2,25 bis 2,75 m vorgesehen sind.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass spiral-förmige Schläuche, die einen Innendurchmesser von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt einen Innendurchmesser von 7,5 bis 12,5 mm, und besonders bevorzugt von 9 mm bis 11 mm aufweisen, vorgesehen sind.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlauf mit einer durchgehenden Öffnung versehen ist, die einen Durchmesser von 2 mm bis 4 mm, und bevorzugt von 2,5 bis 3,5 mm aufweist.
Elektrolyseur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 50 bis 200 Einzelelektrolyseelemente, bevorzugt 70 bis 180 Einzelelektrolyseelemente, und besonders bevorzugt 100 bis 160 Einzelelektrolyseelemente vorgesehen sind.
Elektrolyse einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung unter Verwendung eines Elektrolyseurs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabfall am mit dem spiral-förmigen Schlauch versehen Überlauf bis zu 200 mbar, bevorzugt 100 bis 200 mbar beträgt.
Elektrolyse einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabfall am mit dem spiral-förmigen Schlauch versehenen Elektrolytzulauf 30 mbar bis 200 mbar, bevorzugt 80 bis 170 mbar, und besonders bevorzugt 100 mbar bis 150 mbar beträgt.