DE10108452A1 - Elektrolyseeinrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolyseeinrichtung, mit mindestens einer horizontal liegenden Elektrolysezelle, welche ein Gehäuse aufweist und deren Anode mit einer Membran oder einem Diaphragma und deren Kathode mit einer Gasdiffusionselektrode ausgestattet sind, mit Mitteln zur Zufuhr und Abfuhr von Gas in den bzw. aus dem Gasraum der Kathode sowie Mitteln zur Zufuhr und Abfuhr von Elektrolyten in die bzw. aus der ersten Elektrolytkammer und in die bzw. aus der zweiten Elektrolytkammer, wobei die Anode sowie die Membran bzw. das Diaphragma jeweils wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr in die zweite Elektrolytkammer und wenigstens eine weitere Öffnung zur Abfuhr von Elektrolyten aus der zweiten Elektrolytkammer aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolyseeinrichtung, mit mindestens einer horizontal liegenden Elektrolysezelle, welche ein Gehäuse aufweist und deren Anode mit einer Membran oder einem Diaphragma und deren Kathode mit einer Gasdiffususionselektrode ausgestattet sind, sowie mit Mitteln zur Zufuhr und Abfuhr von Gas in den bzw. aus dem Gasraum der Kathode sowie Mitteln zur Zufuhr und Abfuhr von Elektrolyten in eine bzw. aus einer erste(n) Elektrolyt­ kammer und in eine bzw. aus einer zweite(n) Elektrolytkammer, wobei die Elektrolytkammern mittels der Membran bzw. dem Diaphragma voneinander abgeteilt sind.

Eine derartige Elektrolyseeinrichtung ist beispielsweise aus der EP-A-182 144 bekannt. Hierbei erfolgt das Einführen und Ausführen des Elektrolyten über Öff­ nungen, welche am Rand zwischen den Elektroden angeordnet sind. Aufgrund dessen wird die Querschnittsfläche der Öffnungen durch die Abmessungen und den Abstand der Elektroden zueinander begrenzt. Da der Abstand der Elektro­ den zueinander nur wenige Millimeter beträgt, ist die zur Verfügung stehende Querschnittsfläche für die Elektolytzufuhr- und -abfuhr relativ klein. Derartige Elektrolyseeinrichtungen sind daher nur für elektrolytisch parallel geschaltete Elektrolysezellen geeignet, da diese von geringen Elektrolytmengen durchsetzt werden.

Bei einer elektrolytischen Reihenschaltung der Zellen, wie sie beispielsweise aus der EP-B-0 865 516 bekannt ist, wird die durchzusetzende Elektrolytmenge entsprechend der Zellenanzahl größer und es können infolge von hohen Elektrolytgeschwindigkeiten nicht tolerierbare Druckverluste an den Öffnungen entstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Elektrode mit einer porösen Gasdiffusionselektrode belegt ist. Entsprechend den Druckverlusten an den Öff­ nungen wirkt auf die Gasdiffusionselektrode ein hydraulischer Druck, welcher zur Flutung der Elektrode führen kann, wenn der Gasdruck auf der anderen Sei­ te der Elektrode nicht ausreichend groß ist. Gasdiffusionselektroden gelten zwar allgemein als hydrophob, da sie einen erheblichen Anteil Teflon zur Bindung des Kohlenstoffs enthalten. So können sie teilweise mit Wassersäulen über 500 mm belastet werden, ohne dass Wasser in die Poren eindringt. Die Praxis hat je­ doch gezeigt, dass dies in einer Elektrolyseeinrichtung nicht der Fall ist, da un­ ter Stromfluss und der Anwesenheit von Ionen eine Benetzung der Oberfläche bereits bei Drücken unter 40 mm Wassersäule statt findet. Gleich dem Anstei­ gen des hydraulischen Druckes mit wachsender Länge einer durchströmten Rohrleitung steigt der auf die Gasdiffusionselektrode wirkende Druck bei elektrolytischer Reihenschaltung mit wachsender Zellenzahl. Dies führt zum höchsten Druck in der ersten und zum kleinsten Druck in der letzten Zelle. Ein Fluten der Gasdiffusionselektrode ist in diesem Fall nur zu verhindern, wenn in jeder einzelnen Zelle ein spezifischer Gasdruck aufrechterhalten wird.

Um einen technisch weniger aufwendigen und damit wirtschaftlich höheren Be­ trieb der Zellen mit nur einem Gasdruck zu ermöglichen, muss eine kaskadische Strömung erzeugt werden, d. h. der Elektrolyt läuft im Überfall aus dem Auslass­ rohr einer Zelle in das Einlassrohr der nächsten Zelle. An der Stelle eines Über­ falls, welcher einen höhenverstellbaren Überlauf nach EP-B-0 865 516 ent­ spricht, reißt der hydraulische Druck ab, so dass in jeder Zelle der gleiche Druck anliegt. Bei Zellen mit vertikal stehenden Elektroden kann dies in einfacher Wei­ se durch die den hydraulischen Drücken entsprechende Länge der Ein- und Auslassrohre realisiert werden. Bei Zellen mit horizontal liegenden Elektroden, wie solchen nach der EP-A = 0 182 114 oder der EP-B- 0 856 516, ist dies da­ gegen nicht möglich. Der Toleranzbereich des zulässigen hydraulischen Drucks wird hier durch die Bauhöhe der Zelle bestimmt. Diese beträgt in der Regel we­ nige Zentimeter, um Material- und Raumbedarf zu sparen. Eine Möglichkeit, nur entsprechend geringe hydraulische Drucke zu erzeugen, liegt daher in der kon­ struktiven Vergrößerung der Ein- und Auslassöffnungen. Dies kann dadurch er­ reicht werden, dass die Ein- und Auslassöffnungen nicht zwischen den Elektro­ den angeordnet werden, sondern neben den Elektroden, wie in der EP-A-0 168 600, EP-A-0 330 849 und der EP-B-0 865 516 vorgeschlagen. Die Quer­ schnittsfläche der Öffnungen ist dann nicht mehr durch den Abstand der Elekt­ roden zueinander begrenzt, sondern kann über die entsprechende Auslegung der Rahmengeometrie den erhöhten Elektrolytmengen bei einer elektrolytischen Reihenschaltung angepasst werden. Nachteilig an einer solchen Anordnung der Öffnungen ist jedoch die zusätzliche Fertigung eines Dichtrahmens, welche die Membran bzw. das Diaphragma mit dem Rahmen gas- und flüssigkeitsdicht verbindet, so dass eine Vermischung der Mengen in den einzelnen Kammern verhindert wird. Auch bedingt ein solcher Rahmen, da er zwischen der Elektro­ den liegt, dass der Abstand der Elektroden zueinander um die Rahmendicke vergrößert wird. Dadurch erhöht sich der Spannungsabfall im Elektrolyten und damit der Energieverbrauch.

Eine Vergrößerung des Abstandes kann dadurch verhindert werden, dass die Membran bzw. das Diaphragma, oder wie in der US-A 4 436 608 vorgeschla­ gen, sogar die Gasdiffusionselektrode an den Seiten umgebogen wird. Dies birgt jedoch die Gefahr, dass an den Ecken des Rahmens eine zu große Scher­ kraft wirkt und die Membran bzw. das Diaphragma aufgrund von Beschädigung nicht mehr dicht ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseeinrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei welcher die zuvor genannten Prob­ leme des Standes der Technik beseitigt sind und insbesondere eine solche E­ lektrolyseeinrichtung, welche einfach aufgebaut und wirtschaftlich betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß z. B. dadurch gelöst, dass die Anode so­ wie Membran bzw. das Diaphragma jeweils wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr von Elektrolyten in die zweite Elektrolytkammer und wenigstens eine weitere Öffnung zur Abfuhr von Elektrolyten aus der zweiten Elektrolytkammer aufwei­ sen.

Hierbei ist insbesondere von Vorteil, wenn die Membran bzw. das Diaphragma im Bereich der Elektrolytzufuhröffnung und der Elektrolytabfuhröffnung mittels eines Dichtungsrahmens, dessen Dicke die Dicke der Anode nicht übersteigt, sowie an den Dichtungsrahmen und die Anode anliegenden Dichtungen gas- und flüssigkeitsdicht eingespannt ist. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass der Abstand der Elektroden zueinander durch die Einspannung nicht be­ einflusst wird und die auf die Membran bzw. das Diaphragma wirkenden Scher­ kräfte minimiert sind.

Die meisten Elektrolysezellen werden heute aus Metall konstruiert, da bei Ver­ wendung entsprechender Legierungen eine langfristige Beständigkeit der Zellen gegen chemische und mechanische Belastungen bei sehr hohen Temperaturen gewährleistet ist. Nachteile von Metallkonstruktionen sind jedoch die meist ho­ hen Kosten für das Material und die Fertigung, welche in der Regel aufwendige Schweißarbeiten mit einschließt. Dies gilt insbesondere für Zellen, welche un­ terschiedliche Materialien für Anode und Kathode verwenden, wie z. B. eine Chlor-Alkali-Membranzelle, bei welcher die Anode aus einer mit Ruthiniumoxid beschichteten Titan-Paladium-Legierung besteht und die Kathode aus Nickel.

Solche Zellen sind grundsätzlich aus einer Anoden- und einer Kathodenwanne mit den jeweiligen Elektroden aufgebaut. Die einzelnen Wannen werden bei ei­ ner elektrischen Reihenschaltung z. B. über sprengplatierte, bipolare Leisten miteinander verschweißt. Das Verschweißen der Zellen über solche Leisten wird idealerweise mit einem Laser durchgeführt, bei dem der Schweißbereich bzw. die Temperaturzone räumlich so angeordnet werden kann, dass ein Vermischen der unterschiedlichen Legierungen und damit eine Korrosion verhindert wird. Die Fertigung einer Elektrolysezelle gestaltet sich einfacher, wenn Anode und Kathode aus dem gleichen Material bestehen, wie z. B. bei einer Zelle zur Her­ stellung von Wasserstoffperoxid in alkalischer Lösung unter Verwendung einer Gasdiffusionskathode. In diesem Fall kann Nickel als Material verwendet wer­ den. Um eine bipolare Zelle zu erhalten, werden die Elektroden einfach über Stege aus Nickel oder die Zellenwände selbst elektrisch miteinander verbunden. Wichtig ist bei dieser Zelle, dass bei Verwendung eines Diaphragmas an der Anode eine gasdichte Trennwand zwischen Anode und Kathode besteht, wie bei der EP-B-0 865 516, damit der Gasdruck, welcher eine Flutung der Gasdiffusionselektrode durch den Katholyten verhindern soll, nicht auch auf den Anolyten wirkt. Denn im Gegensatz zu einer Membran ist ein Diaphragma flüssigkeitsdurchlässig, so dass ein auf den Anolyten wirkender Druck auch auf den Katholyten wirkt. Ohne Trennwand würde somit eine Druckdifferenz an der Gasdiffusionselektrode anliegen und zur Flutung führen. Das Einbringen einer solchen Trennwand erfordert jedoch einen hohen fertigungstechnischen Aufwand, da die Forderung einer Abdichtung gegen Gas eine punktuelle Schweißung nicht erlaubt. Die Trennwand muss also über durchgehende Schweißnähte mit den Stegen und den Zellwänden verschweißt werden. Dies führt jedoch meist zu Verzug, da das Material aus wirtschaftlichen Gründen so dünn wie möglich zu wählen ist und die Schweißwärme nicht abgeführt wird. Wie bei der Chlor-Alkali-Membran-Elektrolyse bietet sich auch hier eine Schweißung mit Laser an, da die Temperaturzone räumlich sehr genau bestimmt werden kann. Durch einen aufwendigen Vorrichtungsbau, lange wendigen Vorrichtungsbau, lange Vorbereitungszeiten und eine hohe Anforde­ rung an die Qualität ist das Laserschweißen jedoch sehr kostenintensiv.

Um diese Fertigungs- und Materialkosten durch zwei metallene Wannen zu vermeiden, wie sie bspw. nach der EP-A-0 182 114 vorgesehen sind, wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass das Gehäuse der Elektroysezelle von zwei Kunststoffplatten gebildet ist, zwischen welchen unter Verwendung von rahmenartigen Dichtungen die Elektrolytkammern und der Gasraum begrenzt sind.

Dabei bildet bzw. bilden bei mehreren übereinander angeordneten Elektrolyse­ zellen die mittlere(n) Kunststoffplatte(n) jeweils den Boden der oberen Elektroly­ sezelle und den Deckel der darunter befindlichen Elektrolysezelle.

In diese Kunststoffplatten können auf einfache Weise die Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanäle der zweiten Elektrolytkammer eingebracht, insbesondere einge­ fräst sein. Das Gleiche trifft für Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanäle der ersten Elektrolytkammer zu.

Als Kunststoff kommen bspw. PP, PVC und nachchloriertes PVC in Frage. Die­ se Kunststoffe sind gegen viele Chemikalien, auch bei Temperaturen bis ca. 80° C beständig. Die Kunststoffplatten können so mit Dichtungen belegt werden, dass zwischen den Elektroden und der Kunststoffplatte die erforderlichen Elekt­ rolyt- und Gasräume ohne großen Aufwand entstehen. Eine materialaufwendige Ausführung mit zwei Wannen oder das Einschweißen einer Trennwand entfällt dadurch.

Bei anderen Elektrolysen als der Peroxidelektrolyse können die Kunststoffplat­ ten bevorzugt aus voneinander verschiedenem Material bestehen, da Anolyt und Katholyt aus unterschiedlichen Verbindungen bestehen. Da Anlolyt und Katholyt über die gleiche Kunststoffplatte eingeleitet werden, kann diese zweck­ mäßigerweise aus zwei verschiedenen Kunststoffen bestehen.

Bei mehreren Elektrolysezellen können die jeweiligen Elektrolytabfuhrkanäle der oberen Elektrolysezelle mit den jeweiligen Elektrolytzufuhrkanälen der jeweils darunter befindlichen Elektrolysezelle über äußere Verbindungsrohrleitungen in Strömungsverbindung stehen.

Bei der Verwendung von Kunststoffplatten als Gehäuse ist eine Stromversor­ gung der Elektroden über die Gehäusewand nicht möglich, da diese dann nicht leitend ist. Eine konventionelle elektrische Verbindung über Stege, welche im Elektrolytbereich liegen, ist auch zu vermeiden, da diese gegen die Kunststoff­ platte zusätzlich abgedichtet werden müssten. Auch müssten hierzu Durchgän­ ge in die Kunststoffplatte eingefräst werden, welche die Steifigkeit der Platte mindern würden.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, dass die Anode und die Kathode über die die Elektrolytkammern und den Gasraum nach außen begrenzenden Dichtungen hinausgeführt sind und außerhalb der Kammern mit ihren elektri­ schen Anschlüssen bzw. Verbindungen von Anode zu Kathode versehen sind.

Die elektrischen Anschlüsse und Verbindungen können auch noch in der Kunst­ stoffplatte liegen, wofür Randaussparungen oder -öffnungen vorgesehen sein können; sie können aber auch außerhalb angeordnet sein. Eine Verminderung der Steifigkeit der Kunststoffplatte findet in diesem Fall nicht statt.

Das Material der elektrischen Anschlüsse und Verbindungen kann frei gewählt werden, da sie nicht mehr der chemisch-thermischen Belastung des Elektrolyten ausgesetzt sind. Es kann daher z. B. auch hochleitendes Kupfer verwendet wer­ den, das wegen seiner schlechten chemisch-thermischen Beständigkeit an dieser Stelle normalerweise nicht zum Einsatz kommt. Dies führt zu einer kosten­ günstigen Reduzierung der Anzahl und der Abmessungen der elektrischen An­ schlüsse und Verbindungen, wozu auch entsprechende Stromschienen zählen, an welche die elektrischen Anschlüsse angeschlossen sind.

Eine besonders einfache Montage ist dann gewährleistet, wenn die Anschlüsse und/oder Verbindungen über Spannelemente mit Anode und Kathode verpresst sind. Ein kostenintensives Schweißen ist dann entbehrlich.

Eine große Bedeutung bei der Anwendung der Gasdiffusionselektrolyse spielt auch der Gasbedarf. Dieser muss das Vielfache des stöchiometrischen Bedarfs für die in der Gasdiffusionselektrolyse ablaufenden Reaktion betragen, damit keine Wirkungsgradverluste entstehen. In den meisten Fällen wird Sauerstoff in eine Gasdiffusionskathode mit dem an der Kathode erzeugten Wasserstoff unter Energiegewinnung umgesetzt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird an Stelle von Sauerstoff in der Regel Luft verwendet. Da Luft bekanntlich nur 21% Sauerstoff enthält, müssen entsprechend hohe Mengen in die Elektrolysezelle eingeführt werden. Dies erfordert Ein- und Abfuhrrohre mit entsprechend großem Quer­ schnitt, wodurch die Stärke des Zellenrahmens ungünstigerweise vergrößert werden muss. Ein Verringern des Querschnitts bei gleichzeitiger Erhöhung der Rohranzahl schließt sich meist aus wirtschaftlichen Gründen aus.

Gemäß einem weiteren Erfindungsvorschlag durchsetzen daher ein Gaszufuhr­ kanal und ein Gasabfuhrkanal die die Elektrolysezelle(n) begrenzenden Kunst­ stoffplatten und ggf. die Anode und die Kathode unter Abdichtung gegen die E­ lektrolytkammern und in Strömungsverbindung mit dem jeweiligen Gasraum von oben nach unten. Der Querschnitt der Zufuhr- und Abfuhröffnungen kann somit unabhängig von der Plattendicke bestimmt werden. Hierzu sind Öffnungen mit gleichen Abmessungen in den einzelnen Kunststoffplatten und ggf. den Elektro­ den vorhanden, welche zueinander fluchten, damit sich das Gas, bspw. die Luft, energetisch günstig mit kleinstmöglichen Druckverlust im Zellenstapel verteilt. Die Öffnungen sind dabei so ausgelegt, dass der geforderte Querschnitt vor­ handen ist, aber noch genügend Material für den Stromfluss verbleibt. Durch die Luftströmung von oben nach unten kann Elektrolyt, der z. B. über kleine Lecka­ gen durch die Gasdiffusionselektrode dringt, abgeführt werden. Ein weiterer Vorteil der Möglichkeit zur Umsetzung hoher Gasmengen liegt in der erhöhten Aufnahme der an der Gasdiffusionselektrode entstehenden Verdunstungswär­ me, so dass eine innere Kühlung entsteht, die eine externe ersetzt und die Kos­ ten für einen Wärmetauscher einspart.

Erfindungsgemäß lassen sich somit auf einfache und wirtschaftliche Weise Elektrolyseeinrichtungen für den Einsatz bei der Gasdiffusionselektrolyse auf­ bauen. Aufwendige Schweißungen entfallen. Die einzelnen Teile können unmit­ telbar am Einsatzort zusammengefügt werden, wodurch die Kosten für eine Zwischenmontage entfallen und die Transportkosten gesenkt werden. Durch Kombination verschiedener Elektroden- und Kunststoffmaterialien lassen sich Zellen in kostensparender Baukastenweise für unterschiedliche Elektrolysepro­ zesse zusammenstellen.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschrieben und/oder bildlich darge­ stellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in einzelnen Ansprü­ chen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer aus vier Elektrolysezellen aufgebauten Elektrolyseeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 demgegenüber vergrößert, den Ausschnitt eines Elektrodenpaares im Bereich einer Elektrolytzufuhröffnung oder Elektrolytabfuhröff­ nung, und

Fig. 3 in Draufsicht einen Dichtungsrahmen, wie er gemäß Fig. 2 Anwen­ dung findet.

Die in Fig. 1 dargestellte Elektrolyseeinrichtung weist vier horizontal liegende übereinander gestapelte Elektrolysezellen auf, mit einem von Kunststoffplatten 6', 6" gebildeten Gehäuse 6, wobei die oberste Kunststoffplatte 6' einen Deckel und die unterste Kunststoffplatte 6" einen Boden der obersten bzw. untersten Elektrolysezelle bilden, während die mittleren Kunststoffplatten 6" gleichzeitig den Boden der darüberliegenden Elektrolysezelle und den Deckel der darunter­ liegenden Elektrolysezelle bilden.

Jede Elektrolysezelle hat eine Anode 8 mit einer Membran oder einem Dia­ phragma 18 und eine Kathode 9 mit einer Gasdiffusionselektrode 17, wobei durch entsprechende Dichtungen 11, 12, 13 eine erste Elektrolytkammer 4 als Anodenraum, eine zweite Elektrolytkammer 5 als Kathodenraum und auf der Außenseite der Kathode 9 ein Gasraum 22 gebildet sind.

Elektrolyt 1 wird über einen Elektrolytzufuhrkanal 19' der obersten Kunststoff­ platte 6' einer Öffnung 19 in der Anode 8 und der zugehörigen Membran bzw. dem zugehörigen Diaphragma 18 und damit der zweiten Elektrolytkammer 5 zugeführt. Die Abfuhr des Elektrolyten 1 aus der zweiten Elektrolytkammer 5 erfolgt über eine Elektrolytabfuhröffnung 20 in einen Elektrolytabfuhrkanal 20', welcher analog dem Elektrolytzufuhrkanal 19' in der obersten Kunststoffplatte 6' von der zweiten Elektrolytkammer 5 aus kommend zunächst senkrecht und dann horizontal in der Kunststoffplatte 6' eingefräst verläuft. Entsprechende Kanäle und Öffnungen sind auch in den übrigen Kunststoffplatten, Anoden und Membranen bzw. Diaphragmas vorgesehen. Ebenso wie der Elektrolyt 1 über ein seitliches Zuführungsrohr 26 dem äußeren Rand der obersten Kunststoffplatte 6' zugeführt wird, strömt der Elektrolyt 1 aus dem Elektrolyab­ fuhrkanal 20' seitlich nach außen in eine sich dort anschließende Verbindungs­ rohrleitung 10 zu der zweiten Kunststoffplatte 6", welcher die oberste Elektrolysezelle als Boden begrenzt und dort in einen Elektrolytzufuhrkanal, welcher dem Zufuhrkanal 19' der obersten Kunststoffplatte 6' entspricht usw. bis der Elektrolyt aus der Seite der vorletzten Kunststoffplatte 6" über ein Auslassrohr 25 abgegeben wird.

Gas, wie z. B. Sauerstoff oder Luft werden von oben in einen Gaszufuhrkanal 21 zugeführt, welcher sämtliche Kunststoffplatten 6', 6" des Gehäuses 6 von oben nach unten durchsetzt und welcher gegen die Elektrolytkammern 4, 5 gas- und flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, jedoch jeweils in Strömungsverbindung mit dem entsprechenden Gasraum 22 der jeweiligen Elektrolysezelle steht. Unten mün­ det der Gaszufuhrkanal 21 in dem untersten Gasraum. Auf der gegenüberlie­ genden Seite des Elektrolysezellenstapels erstreckt sich ein vertikaler Gasab­ fuhrkanal 23 von dem obersten Gasraum 22 bis in eine untere Auslassöffnung in der untersten Kunststoffplatte 6'.

In der Mitte der Kunststoffplatten 6', 6" sind jeweils eine Elektrolysezufuhr- bzw. -abfuhröffnung 16 der ersten Elektrolysekammer 4 (Anodenraum) und der zuge­ hörigen Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanäle 16' angedeutet. Die entsprechenden Kanäle 16' können ebenfalls in die Kunststoffplatten 6', 6" eingefräst sein, wie die Kanäle 19', 20' sowie die zueinander fluchtenden Gasdurchtrittsöffnungen im Randbereich der jeweiligen Kunststoffplatten 6', 6", welche die vertikalen Gas­ kanäle 21, 23 bilden.

Aus Fig. 1 ist ferner zu erkennen, dass die Elektroden 8, 9 seitlich über die E­ lektrolytkammern 4, 5 und den Gasraum 22 begrenzenden Dichtungen hinausgeführt und auf diese Weise auch von den vertikalen Gaskanälen 21, 23 durch­ setzt sind.

Im äußersten Randbereich sind die Kunststoffplatten 6', 6" mit zueinander fluch­ tenden Randaussparungen 24 versehen. In diesen sind beidseits oben und un­ ten mit Stromleisten 2 in Verbindung stehende elektrische Anschlüsse 7 für die Anode 8 (oben) und die Kathode 9 (unten) vorgesehen, sowie in den mittleren Kunststoffplatten 6" elektrische Verbindungen T zwischen Kathode 9 und Anode 8 aufeinander folgender Elektrolysezellen. Die Stromschienen 2 sowie die An­ schlüsse 7 und Verbindungen 7' können aus einem gut stromleitenden Material bestehen, wie Kupfer. Die Anschlüsse 7 und die Verbindungen 7' können ferner über (nicht dargestellte) Spannelemente mit Anode 8 und Kathode 9 verpresst sein, so dass ein Verschweißen entbehrlich ist.

Fig. 2 veranschaulicht, wie im Bereich einer Elektrolytzufuhröffnung 19 bzw. ei­ ner Elektrolytabfuhröffnung 20 eine Abdichtung erfolgt. Während der Gasdiffusi­ onselektrodenbelag 17 auf der Kathode 9 durchgehend bis in den Randbereich der Kathode 9 verläuft, wo er von einem Dichtungselement 12 abgedeckt ist, ist die Membran bzw. das Diaphragma 18 im Bereich der Öffnungen 19, 20 nach oben abgewinkelt und zur Auflage auf einen Dichtungsrahmen 15 geführt, wel­ cher keine größere Dicke hat als die Anode 8. Der Dichtungsrahmen 15 ist in einer größeren Aussparung 27 der Anode 8 untergebracht und begrenzt innen die Öffnungen 19, 20. Oberhalb des abgewinkelten Bereichs der Membran bzw. des Diaphragmas 18 liegt ein Dichtungselement 14 über der Anode 8 und bis über dem Dichtungsrahmen 15. In Nachbarschaft der Öffnungen 19, 20 ist die Membran bzw. das Diaphragma 18 mit dem den Öffnungen 19, 20 zugewandten Rand zwischen Dichtungsrahmen 15 und Dichtungselement 14 gas- und flüssig­ keitsdicht eingeklemmt.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Dichtungsrahmen 15, welcher in Fig. 2 im Vertikalschnitt II dargestellt ist, eine schmale Gestalt hat, dessen kurze Seiten als Bögen ausgeführt sind, und so die Öffnungen 19, 20 umschließt.

Bezugszeichenliste

1

Elektroyt

2

Stromschiene, z. B. aus Kupfer

3

Gas, z. B. O₂

oder Luft

4

erste Elektrolytkammer (Anodenraum)

5

zweite Elektrolytkammer (Kathodenraum)

6

Gehäuse

6

',

6

" Kunststoffplatten

7

,

7

' elektrische Anschlüsse bzw. Verbindungen

8

Anode, gemusterter Bereich mit Membran oder Diaphragma belegt

9

Kathode, gemusterter Bereich mit Gasdiffusionselektrode belegt

10

Verbindungsrohrleitung

11

,

12

Dichtungselemente

13

,

14

Dichtungselemente

15

Dichtungsrahmen

16

Elektrolytzufuhr- und -abfuhröffnung der ersten Elektrolytkammer (Anodenraum)

16

' Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanal der ersten Elektrolytkammer (Anodenraum)

17

Gasdiffusionselektrode

18

Membran bzw. Diaphragma

19

Elektrolytzufuhröffnung der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum)

19

' Elektrolytzufuhrkanal der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum)

20

Elektrolytabfuhröffnung der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum)

20

' Elektrolytabfuhrkanal der zweiten Elektrolytkammer (Kathodenraum)

21

Gaszufuhrkanal

22

Gasraum

23

Gasabfuhrkanal

24

Randaussparungen

25

Auslassrohr

26

Zuführungsrohr

27

Aussparung

Claims (14)

1. Elektrolyseeinrichtung, mit mindestens einer horizontal liegenden Elektro­ lysezelle, welche ein Gehäuse (6) aufweist und deren Anode (8) mit einer Membran oder einem Diaphragma (18) und deren Kathode (9) mit einer Gasdif­ fusionselektrode (17) ausgestattet sind, mit Mitteln zur Zufuhr (21) und Abfuhr (23) von Gas (3) in den bzw. aus dem Gasraum (22) der Kathode (9) sowie Mit­ teln zur Zufuhr (16; 19) und Abfuhr (16; 20) von Elektrolyten (1) in eine bzw. aus einer erste(n) Elektrolytkammer (4) und in eine bzw. aus einer zweite(n) Elektro­ lytkammer (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (8) sowie die Memb­ ran bzw. das Diaphragma (18) jeweils wenigstens eine Öffnung zur Zufuhr (19) von Elektrolyten (1) in die zweite Elektrolytkammer (5) und wenigstens eine wei­ tere Öffnung zur Abfuhr (20) von Elektrolyten (1) aus der zweiten Elektrolyt­ kammer (5) aufweisen.

2. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran bzw. das Diaphragma (18) im Bereich einer Elektrolytzufuhröff­ nung (19) und einer Elektrolytabfuhröffnung (20) mittels eines Dichtungsrah­ mens (15), dessen Dicke die Dicke der Anode (8) nicht übersteigt, sowie an den Dichtungsrahmen (15) und die Anode (8) anliegenden Dichtungen (14) gas- und flüssigkeitsdicht eingespannt ist.

3. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass das Gehäuse (6) der Elektrolytzelle von zwei Kunststoffplatten (6, 6', 6") gebildet ist, zwischen welchen unter Verwendung von rahmenartigen Dich­ tungen (11 bis 13) die Elektrolytkammern (4, 5) und der Gasraum (22) begrenzt sind.

4. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffplatten (6', 6") aus voneinander verschiedenem Material bestehen.

5. Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, dass eine Kunststoffplatte (6") aus zwei unterschiedlichen Materialien be­ steht.

6. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei mehreren übereinander angeordneten Elektrolytzellen die mittlere(n) Kunststoffplatte(n) (6, 6") jeweils den Boden der oberen Elektro­ lytzelle und den Deckel der darunter befindlichen Elektrolytzelle bildet (bilden).

7. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in die Kunststoffplatten (6', 6") Elektrolytzufuhr (19')- und -abfuhrkanäle (20') der zweiten Elektrolytkammer (5) eingebracht, insbesondere eingefräst sind.

8. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass in die Kunststoffplatten (6', 6") Elektrolytzufuhr- und -abfuhrkanäle (16') der ersten Elektrolytkammer (4) eingebracht, insbesondere eingefräst sind.

9. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei mehreren übereinander angeordneten Elektrolysezellen die jeweiligen Elektrolytabfuhrkanäle (16', 20') der oberen Elektrolysezelle mit den jeweiligen Elektrolytzufuhrkanälen (16', 19') der darunter befindlichen Elekt­ rolysezelle über äußere Verbindungsrohrleitungen (10) in Strömungsverbindung stehen.

10. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Anode (8) und die Kathode (9) über die die Eletrolyt­ kammern (4, 5) und den Gasraum (22) nach außen begrenzenden rahmenartigen Dichtungen (11 bis 14) hinausgeführt sind und außerhalb der Kammern (4, 5; 22) mit ihren elektrischen Anschlüssen (7) bzw. Verbindungen (7') unterein­ ander versehen sind.

11. Elektrolyseeinrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlüsse (7) an obere und unte­ re Stromschienen (2), z. B. aus Kupfer, angeschlossen sind.

12. Elektrolyseeinrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (7) und /oder die Verbindungen (7') in Randaussparungen (24) der Kunststoffplatten (6', 6") aufgenommen sind.

13. Elektrolyseeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Anschlüsse (7) und/oder die Verbindungen (7') über Spannelemente mit Anode (8) und Kathode (9) verpresst sind.

14. Elektrolyseeinrichtung nach einem der hervorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaszufuhrkanal (21) und ein Gasabfuhrkanal (23) die die Elektrolysezelle(n) begrenzenden Kunststoffplatten (6', 6") und gegebenen­ falls die Anode (8) und die Kathode (9) unter Abdichtung gegen die Elektrolyt­ kammern (4, 5) und in Strömungsverbindung mit dem jeweiligen Gasraum (22) von oben nach unten durchsetzen.