DE19859882A1 - Ionenaustauschermembranzelle für hohe Produktleistungen - Google Patents

Abstract

Bei Ionenaustauschermembranzellen für die elektrolytische Erzeugung von Chlor und Alkaliaugen ist die Produktleistung der einzelnen Zellenelemente durch konstruktive Gegebenheiten begrenzt. Die Erfindung ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Produktleistung durch Anordnung mehrerer Elektrodenplatten in einem Zellenelement, die einzeln in der Zellenhalbschale eingesetzt, ausgerichtet und justiert befestigt werden. Die Zellenelemente können je nach Leistung mit unterschiedlichen Anzahlen von Zulauf- und Ablaufleitungen ausgestattet werden. Die Befestigungen der Elektrodenplatten sind lösbar, so daß sie für die notwendigen Wiederbeschichtungsarbeiten der Elektroden außerhalb der Zellen in einfacher Weise zerstörungsfrei ausgebaut und wieder eingebaut werden können.

Description

Für die industrielle Herstellung von Chlor, Alkalilaugen und Wasserstoff durch Elektrolyse von wässrigen Alkalihalogenidlösungen werden in steigendem Maße Ionenaustauschermembranzellen eingesetzt, da diese gegenüber den früher ausschließlich verwendeten Quecksilber- und Diaphragmazellen erhebliche ökologische und ökonomische Vorteile besitzen. Derartige Ionenaustauschermembranzellen sind zum Beispiel in den Patentschriften DE 196 41 125 A, EP 0 579 910 B1 und DE 44 15 146 C2 näher beschrieben. Solche Elektrolyseanlagen bestehen aus einem oder mehreren Elektrolyseuren, die je nach Produktionsmenge der Anlage mit einer bestimmten Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Zellenelementen ausgestattet sind.

Diese Zellenelemente bestehen, wie in Fig. 1 dargestellt, im wesentlichen aus einer Anodenhalbschale 1 und einer Kathodenhalbschale 2 mit einer dazwischen angeordneten Ionenaustauschermembran 3. Die Membran hat die Aufgabe, den Anolytraum vom Katholytraum flüssigkeits- und gasdicht voneinander zu trennen, so daß kein störender Stoffaustausch zwischen den beiden Elektrolyträumen erfolgen kann und im wesentlichen nur der erwünschte Transfer von Na⁺ beziehungsweise K⁺-Ionen vom Anolyt- in den Katholytraum stattfindet. Die beiden Elektroden, das sind die Anodenplatte 4 und die Kathodenplatte 5, bestehen gewöhnlich aus dünnen, ebenen Platten mit durchbrochener Struktur, die es ermöglicht, daß die an der Elektrodenvorderseite entstehenden Elektrolysegase durch die Elektroden hindurch abströmen können.

Anoden- und Kathodenplatte sind in der Zelle senkrecht und parallel zueinander angeordnet mit dazwischen aufgespannter Membran. Die Anodenwanne 6 und die Kathodenwanne 7 bilden die äußeren Wandungen des Zellenelements. Sie sind gegeneinander mittels der Losflansche 12 fest verschraubt, wodurch die beiden Wannen das Zellenelement zu einem flüssigkeits- und gasdichten Behälter machen. Beide Wannen 6, 7 sind mit den Elektroden 4, 5 durch eine Reihe von Stromstegen 8 fest miteinander verbunden. Die Stromstege 8 haben die doppelte Aufgabe, zum einen für eine sichere parallele Ausrichtung der Elektrodenplatten zur Wannenwand zu sorgen und andererseits den Transport des elektrischen Stroms zwischen Wannenwand und Elektroden zu gewährleisten.

Wird die Zelle für die Chloralkalielektrolyse verwendet, so liegt die Membran 3 wegen des höheren hydraulischen Drucks der Katholytflüssigkeit 10 gegenüber der Anolytflüsigkeit 9 an der Anode 4 an. Der dadurch entstehende Elektrolytspalt zwischen Membran- und Kathodenoberfläche muß zur Minimierung des Stromverbrauchs möglichst klein sein. Übliche Werte für den Elektrolytspalt sind 1 bis 2 mm, wodurch bei einer Stromdichte von 3 kA/m² Zellenspannungen von etwa 3,0 Volt und ein Stromverbrauch von etwa 2300 kWh/t Cl2 erreicht werden.

In Anpassung an die Fertigungsmöglichkeiten der Ionenaustauschermembranen beträgt die maximale Höhe der Elektrodenplatten etwa 1200 mm. Da die Membranen in beliebiger Länge hergestellt werden können, kann die horizontale Ausdehnung der Elektroden mit der eingespannten Membran theoretisch beliebig groß gewählt werden. Da jedoch mit zunehmender Zellenlänge eine präzise Zellenherstellung mit engen Toleranzen über die gesamte Elektrodenfläche immer schwieriger wird, werden üblicherweise die Zellenlängen auf 2 bis 3 Meter begrenzt. Bei der Herstellung, der Montage und im Betrieb solcher Zellen zeigt sich aber schon bei dieser Zellenlänge, daß die Membranen durch zu intensiven Kontakt mit den Elektroden an einzelnen Stellen beschädigt werden können und dann vorzeitig ausgewechselt werden müssen. Des weiteren nimmt mit zunehmender Strombelastung der Zellen die Gasproduktion in den Elektrolyträumen stark zu, was zu höherem Gasstau, vermehrter Schaumbildung sowie Pulsationen des Flüssigkeits-/Gasgemisches in den Elektrolyträumen und den Auslaufleitungen führt.

Es ist deshalb Aufgabe dieser Erfindung, eine Zellenausführung zu finden, die auch bei Zellenbelastungen von mehr als 6 kA/m² und bei Zellengrößen von mehr als 3 m² Elektrodenfläche mit minimalen Masstoleranzen auf wirtschaftliche Weise hergestellt und ohne vorzeitigen Verschleiss der Membran und mit pulsfreien Produktaustrag betrieben werden kann.

Eine solche erfindungsgemäße Zelle hat bei der Anwendung in industriellen Großanlagen erhebliche Vorteile, wie folgendes Beispiel zeigt:
Ein herkömmliches Zellenelement mit einer Größe von 2,7 m² und einer Stromdichte von 3 kA/m² kann pro Stunde 10 kg Chlor und entsprechende Mengen an Lauge und Wasserstoff erzeugen. Bei einer erfindungsgemäßen Zelle mit einer Größe von 5 m² und einer Stromdichte von 6 kA/m² beträgt die stündliche Chlorproduktion dagegen ca. 40 kg.

Für eine Chloralkalielektrolyse mit einer Tagesleistung von 100 t Cl2 werden demzufolge Elektrolyseure mit insgesamt 420 herkömmlichen Zellenelementen benötigt, gegenüber nur etwa 100 Zellenelementen der erfindungsgemäßen Ausführung. Dies ist ein erheblicher Vorteil durch geringere Investitionen als auch durch erhebliche Einsparungen bei den Wartungsarbeiten für die routinemäßigen Erneuerung der verbrauchten Membranen und für die Wiederbeschichtung von Anoden- und Kathodenaktivierung.

Bei der Lösung der Aufgabe, Zellenelementkonstruktionen für hohe Produktleistungen zu finden, sind jedoch mehrere Schwierigkeiten zu überwinden.

Zunächst ist zu beachten, daß mit zunehmender Elektrodengröße die Wärmeausdehnung der Elektrodenplatten immer mehr zunimmt, so daß die Gefahr besteht, daß die Elektrodenkanten im Betriebszustand bei Innentemperaturen von 90 bis 100°C mit den Innenkanten der Wannen kollidieren können, was zu starken Verformungen der Elektroden und damit zum Versagen des Zellenelementes durch Verformung der Metallteile und Beschädigung der Membran führen würde.

Bei einer Zellenlänge von z. B. 4 Meter würde sich eine Anodenplatte aus Titan in horizontaler Richtung nach jeder Seite um etwa 1,3 mm ausdehnen, eine Kathodenplatte aus Nickel sogar um etwa 2,1 mm. Die Wanneninnenkanten machen dagegen diese Bewegung wegen ihrer festen Verbindung mit den außenliegenden kälteren Befestigungsflanschen 12 nicht mit. Um trotzdem Kollisionen zwischen Elektrodenkante und Wanneninnenkante sicher zu vermeiden, müßten die Zellenelemente auf einen theoretischen Kantenabstand von etwa 5 mm im Fertigungszustand (20°C) ausgelegt werden, der sich im Betriebszustand (max. 100°C) auf ca. 4 mm verringert. Selbst bei einer Präzisionsfertigung mit einer Maßgenauigkeit von 1 Promill würden damit Längentoleranzen von ± 2 mm je Elektrodenseite unvermeidlich sein, so daß im Betriebszustand von Element zu Element mit schwankenden Kantenabständen zwischen 2 mm und 6 mm zu rechnen ist.

Erfahrungsgemäß darf jedoch der Kantenabstand nicht größer als etwa 3 mm sein, da sonst die empfindliche Ionenaustauschermembran durch den Überdruck des Katholyten zu stark in den Kantenspalt hineingedrückt wird und dabei durch den starken Kantendruck mechanisch beschädigt wird. Aus diesen Überlegungen ist abzuleiten, daß herkömmliche Zellenelemente nicht länger als etwa 2 Meter sein sollten, um das Toleranzproblem im Kantenbereich ausreichend zu beherrschen.

Ein weiteres Problem entsteht bei Zellenelementen für hohe Produktleistungen durch die damit verbundene Zunahme der in den Elektrolyträumen entstehenden Gasströme. Da die beiden Halbschalen aus Gründen der Stromersparnis möglichst schmal gestaltet sein müssen, entsteht mit zunehmender Gasproduktion ein Engpass für den Austrag des Chlor- und Wasserstoffgases aus den Halbschalen. Bei Membranzellen der oben beschriebenen Art ist in jeder Halbschale ein senkrechtes Standrohr 13 vorgesehen, das in das fertig montierte Zellenelement von unten eingeschoben wird.

Die Standrohre dienen sowohl als Füllstandsicherung und Überlauf für die Anolytflüssigkeit 9 bzw. die Katholytflüssigkeit 10 als auch für den Austrag von Chlor bzw. Wasserstoff. Da die Standrohre durch die geringe Breite der Halbschalen im Durchmesser begrenzt sind, ist damit auch die Gasproduktion des Zellenelementes begrenzt. Bei Membranzellen der herkömmlichen Art liegt infolgedessen die maximale Chlorproduktion bei etwa 10 bis 12 kg/h je Element mit entsprechenden Produktmengen an Wasserstoff und Alkalilauge.

Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, die hohe Produktleistung eines Zellenelements dadurch zu erreichen, daß anstelle einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte eine Reihe von einzelnen Anoden- und Kathodenplatten so in den Halbschalen eingesetzt, einzeln ausgerichtet, einzeln justiert und einzeln befestigt werden, daß jede Einzelplatte sich unter dem Einfluss der Wärmedehnung frei bewegen kann, ohne Berührungen unter sich oder mit dem Wannenrand zu verursachen.

Ferner ist jede Halbschale gemäß der Erfindung so gestaltet, daß anstelle eines Standrohres eine Reihe von einzelnen Standrohren während des Zusammenbaus in die Halbschalen eingebracht und einzeln befestigt werden können. Durch die Vielzahl der Standrohre wird der Gasaustrittsquerschnitt wesentlich vergrößert, ohne dabei die Halbschale verbreitem zu müssen. Diese erfindungsgemäße Gestaltung der Standrohranordnung ermöglicht somit eine wesentliche Vergrößerung der Produktleistung des Zellenelements.

Bei herkömmlichen Ionenaustauscherzellen sind die Rückwände der Halbschalen 1, 2 mit den Stromstegen 8 und die Stromstege 8 mit den Elektrodenplatten 4, 5 fest verschweisst und geben damit der ganzen Halbschale die notwendige Maßhaltigkeit. Daneben bewirken die Schweissverbindungen den elektrischen Kontakt für die Stromleitung Rückwand-Stromsteg-Elektrode.

Diese Erfindung geht nun von der Tatsache aus, daß die elektrischen Kontakte zwischen metallischen Teilen innerhalb der Halbschalen anstelle des durch die Schweißnähte gebildeten Materialschlusses auch durch Kraftschluss der Bauteile erreicht werden können, sofern durch den Kraftschluss ein ausreichend hoher Anpressdruck der Kontaktflächen der Bauteile erzielt wird. Für den Kraftschluss der Bauteile wird erfindungsgemäß die gleiche Anpresskraft genutzt, die ausserhalb der Zellenelemente die Stromleitung von Element zu Element durch Anpressvorrichtungen in den Gerüsten vor dem ersten und hinter dem letzten Zellenelements besorgt. Die erfindungsgemäße Zelle ist deshalb so gestaltet, daß die Stromstege 8 innerhalb des Elements fluchtend zu den Kontaktleisten 14 außerhalb des Elements und fluchtend zu den Distanzstreifen 15 liegen, die den Elektrolysespalt einstellen und die Anpreßkraft großflächig über die Membran 3 verteilen. Um die Kontaktverluste beim Kraftschluss zwischen zwei Bauteilen auf wenige Millivolt zu beschränken, ist erfahrungsgemäß ein Kontaktdruck in der Größenordnung von etwa 10 N/mm² erforderlich. Durch entsprechende Auslegung der äußeren Anpresskraft und der Größe der Kontaktflächen können solche Druckwerte sowohl beim Kontakt Rückwand/Stromstege als auch Stromstege/Elektrodenplatte leicht erreicht werden.

Die Befestigung der Elektrodenplatten 4, 5 ist in Fig. 2 dargestellt. Hierzu sind unter jeder Elektrodenplatte Justierstücke 16 vorgesehen, die über eine Bodenlasche 17A mit der Rückwand 6, 7 der Halbschalen fest, z. B. durch Schweißen, verbunden sind. Die Oberlasche 17B mit den Bohrungen 18 kann dagegen mit den Elektrodenplatten 4, 5 formschlüssig, z. B. durch Blechschrauben oder Knöpfe, oder kraftschlüssig, z. B. durch Keile oder Dübel verbunden werden. Der Abstand der Bohrungen ist unterschiedlich zur Teilung der Elektrodenstruktur. Mit dieser Anordnung der Bohrungen 18 ist gewährleistet, daß die Elektroden in jeder beliebigen Lage an den Justierstücken 16 befestigt werden können, da immer mindestens eine der Bohrungen 18 unter dem offenen Teil der Struktur liegt und an dieser Stelle das Verbindungsmittel ungehindert in die jeweils freiliegende Bohrung plaziert werden kann. Diese Art der Befestigung ermöglicht es, jede Elektrodenplatte auf einen vorgegebenen Kantenabstand zu den Nachbarplatten und zur Wannenkante genau zu plazieren.

Ein weiterer Vorteil dieser Plattenverbindung ist die einfache Montage und die einfache und zerstörungsfreie Demontage der Elektrodenplatten. Sowohl die Anoden- als auch die Kathodenplatten besitzen eine Oberflächenaktivierung, die nach einigen Jahren verschleißt und dann erneuert werden muß. Sowohl die zerstörungsfreie Demontage wie auch die einfache Hantierung der Einzelplatten erleichtern Arbeitsablauf und -aufwand für das Wiederbeschichten signifikant.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, durch lösbare Elektroden die Wiederbeschichtung zu vereinfachen. So wird im Patent DE 37 26 674 A1 eine Konstruktion beschrieben, bei der die elektrische Kontaktierung der Stromverbinder in der Zelle durch Steckkontakte statt durch Verschweißen hergestellt wird. Der Federteil der Kontakte ist dabei fest mit der Halbschale verbunden. Eine genaue Justierung der Elektrodenbleche ist damit nicht möglich, zudem besteht die Gefahr, daß durch Materialermüdung die Federkraft mit der Zeit nachlässt und der Kontakt vorzeitig versagt. Eine andere Möglichkeit für eine lösbare Elektrodenverbindung wird im Patent DE 421 12 678 beschrieben. Dabei wird die Kathodenplatte an den Stromverbindern durch lose Fixierungsstifte positioniert. Die Stifte erzeugen nur in der Ebene der Kathodenplatte einen Formschluss mit den Stromverbindern, erst nach Verschrauben mit der Anodenhalbschale wird durch die Schraubenkraft eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Kathodenplatte und Stromverbinder erreicht. Die Notwendigkeit, den Zusammenbau von Kathodenhalbschale, Membran und Anodenhalbschale in horizontaler Lage durchzuführen, verbietet es, diese Art der Fixierung auch für die Anodenplatte zu verwenden. Die Lösbarkeit der Elektroden beschränkt sich deshalb bei dieser Erfindung auf die Kathodenplatten. Auch eine präzise Positionierung der Elektrodenplatten gegen die Wannenkanten der Halbschalen ist nicht möglich.

In industriellen Elektrolyseanlagen werden die Membranzellenelemente in bekannter Weise in Reihenschaltung zu sogenannten Elektrolyseuren verbunden. Sie werden dazu Rücken an Rücken entweder in Gestellen aufgehängt oder auf Grundplatten aufgestellt. Durch Anpressvorrichtungen an den Enden der Elektrolyseure werden die Zellenelemente ähnlich wie Filterpressen zusammengepresst, so daß über die metallischen Rückwände der elektrische Strom von Element zu Element übertragen wird. Durch die Reibungsverluste in den Auflagern der einzelnen Elemente geht jedoch von jeder Elementposition zur nächsten ein Teil der Anpresskraft verloren. Zur Mitte des Elektrolyseurs hin wird deshalb bei herkömmlicher Elementlagerung der Kontaktdruck Rücken/Rücken immer kleiner, ebenso wie im Zelleninnern der mechanische Druck Rückwand/Stromverbinder und Stromverbinder/Elektrodenplatte.

Da aber mit dem Verlust an Kontaktdruck ein entsprechender Verlust an elektrischer Energie einhergeht, ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Zellenelementlagerung in einem Elektrolyseur mit äußerer Anpressvorrichtung, bei der durch eine flexible Aufhängevorrichtung für jedes Einzelelement eine gleichmäßige Übertragung des Anpreßdrucks von Element zu Element ohne Reibungsverluste erreicht wird.

Eine solche Zellenelementlagerung ist in Fig. 3 dargestellt. Jedes Zellenelement 19 ist auf beiden Seiten an den Horizontalträgern 20 eines Elektrolyseurgerüstes 21 befestigt. Die Tragelemente 22 sind entweder selbst gelenkig, wie zum Beispiel Ketten oder Seile, oder sie sind über Gelenke 23 mit dem Zellenelement 19 und den Horizontalträgern 20 verbunden. Sie bestehen entweder durchgehend aus einem elektrisch nicht leitenden Material oder besitzen ein Isolator-Zwischenstück 24. Da die Tragelemente 22 nur Zugkräfte, aber keine Druckkräfte und keine Momente übertragen können. Ist sichergestellt, daß der im Elektrolyseur von Element zu Element übertragene Anpressdruck nicht von den einzelnen Tragelementen auf die Horizontalträger abgetragen werden kann. Auch die Verteilerleitung 25 und die Sammelleitung 26 des Elektrolyseurs sind über flexible Schläuche 25A, 26A gelenkig mit dem Zellenelement 19 verbunden, so daß auch über diese Elementanschlüsse keine Kraft verloren gehen kann.

Die einzelnen Merkmale eines Zellenelements nach dieser Erfindung werden an folgendem Beispiel erläutert und in Fig. 4, 5 und 6 beispielhaft dargestellt:

Ein Zellenelement mit einer aktiven Elektrodenfläche von 5,4 m² wird mit sechs Einzelplatten für die Anode und sechs gleich großen Einzelplatten für die Kathode ausgerüstet. Jede Halbschale des Zellenelements erhält ein Verteilerrohr 30 für die gleichmäßige Versorgung der Halbschalen mit dem Elektrolyten, drei gleichmäßig über die Länge des Elements verteilte Standrohre 13A, 13B, 13C und eine Sammelleitung 13D für die Abfuhr von Elektrolyt und Elektrolysegas sowie verschiedene Halterungen für die Befestigung der Elektrodenplatten, der Verteilerrohre und der Standrohre.

In Fig. 4 ist eine einzelne Anodenplatte 4A und die darunter liegende Platte 4B im Querschnitt dargestellt. Die Platten haben eine Länge von 1500 mm und eine Höhe von 600 mm. Sie bestehen aus Titan, sind gelocht bzw. gestanzt und an der Oberfläche mit einer Aktivierungsschicht versehen. An der Rückseite befinden sich im Abstand von 150 mm 11 senkrechte Stromstege 8A, 8B, die an einer Längsseite 27A, 27B mit den Platten 4A, 4B materialschlüssig verbunden sind. Die gegenüberliegenden Längsseiten 28A, 28B sind planparallel bearbeitet und mit einer elektrisch gut leitenden Beschichtung, zum Beispiel aus Platin, versehen, um einen verlustarmen elektrischen Kontakt zu der Halbschalenrückwand 6 zu gewährleisten.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die Innenseite der Anodenhalbschale 1 vor dem Einsetzen der Anodenplatten. Die Innenfläche besitzt 33 z. B. mit Platin beschichtete Kontaktflächen 29, die fluchtend zu den Kontaktseiten 28 der Stromstege 8A positioniert sind. In die Halbschale werden vor der Montage der Anodenplatten das Verteilerrohr 30, die drei Standrohre 13A, 13B, 13C und das Sammelrohr 13D befestigt und abgedichtet. Zur übersichtlicheren Darstellung sind nur 4 der 33 Kontaktflächen eingetragen.

In Fig. 6 ist die obere linke Anodenplatte 4A nach Einsetzen in die Halbschale 1 dargestellt. Die Platte wird zunächst lose auf die Justierstücke 16 aufgelegt und dann von Hand so ausgerichtet , daß die Vertikalfuge 31 ebenso wie die Horizontalfuge 32 eine Spaltbreite von 2 mm einnimmt. In dieser Lage wird die Anodenplatte 4A mittels selbstschneidender Blechschrauben fest mit den Justierstücken 16 verschraubt. Ebenso wird mit den beiden anderen obenliegenden Platten 4A verfahren. Bei diesen beiden Platten, ebenso wie bei den 3 unteren Anodenplatten 4B müssen jedoch bei der Justierung der Platten zum einen auch die Einhaltung der Spaltbreiten bei den Zwischenfugen 33 beachtet werden sowie eventuell vorhandene Maßabweichungen bei den Kantenabständen der Halbschale 1 und der Anodenplatten 4A, 4B ausgeglichen werden und zwar dergestalt, daß die Fugen 31, 32, 33 an keiner Stelle eine Spaltbreite von 1,5 mm unterschreiten oder eine Spaltbreite von 3 mm überschreiten. Die 1,5 m langen Anodenplatten dehnen sich im Betrieb bei einer Erwärmung auf 100°C in jeder Richtung um 0,5 mm. Die minimale Spaltbreite von 1,5 mm ist somit für einen sicheren Zellenbetrieb ausreichend.

Da die Kontaktflächen 29 auf den Innenseiten der Halbschale 1 ebenso wie die dahinter liegenden Kontaktstreifen 14 6 mm breit sind, ist durch die beschriebene Justierung der Anodenplatten 4A, 4B auch gewährleistet, daß alle Stromstege 8A, 8B mit den Kontaktflächen 29 und den Kontaktleisten 14 fluchten.

Ähnlich wie die Anodenhalbschale 1 ist auch die Kathodenhalbschale 2 mit Justierstücken, Verteilerrohr und Standrohren ausgerüstet und auch Einbau und Justierung der 6 Kathodenplatten 5 erfolgt in gleicher Weise wie bei der Anodenhalbschale.

Die Kathodenplatten aus Nickel dehnen sich bei Erwärmung auf 100°C um maximal 0,8 mm in jeder Richtung. Wegen der gegenüber Titan etwas größeren Plattenausdehnung ist für die Kathoden ein etwas engerer Toleranzbereich von 2 bis 3 mm erforderlich. Auf Grund der Möglichkeit der präzisen Justierung sichert auch bei der Kathodenhalbschale dieser enge Toleranzbereich für die Kantenabstände der Kathodenplatten störungsfreien Zellenbetrieb.

Mit einem Zellenelement dieser Bauart und Größe ist es möglich, bisher nicht bekannte Produktleistungen zu erreichen. Bei einer ökonomisch vernünftigen Stromdichte von 4 kA/m2 kann bei einer Stromausbeute von 95% eine Chlorproduktion von 27,1 kg/h erreicht werden. Die dreifache Anzahl an Standrohren reduziert den Druckverlust auf etwa 20%. Dadurch wird es möglich, das Zellenelement sogar mit 6 kA/m2 zu betreiben, wodurch sich die Produktmenge auf 40,7 kgCl2/h vergrößert.

Es ist einleuchtend, daß durch derart hohe Leistungssteigerungen die Investitionskosten von Elektrolyseanlagen beträchtlich gesenkt werden.

Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Bauart der Zellenelemente einen einfachen, zerstörungsfreien Ausbau und Wechsel der Elektrodenplatten und ein Auswechseln aller innenliegenden Bauteile ohne Zerstörung der Elektrodenplatten. Dadurch verringern sich Wartungs- und Reparaturaufwands der Elektrolyseure und die Elektrodenplatten können für eine Reaktivierung der Anoden- und Kathodenoberflächen wiederverwendet werden.

Die hier beschriebene Bauart und Größe ist nur eine von vielen Möglichkeiten für die Gestaltung des erfindungsgemäßen Zellenelements. Dies betrifft zum Beispiel die Anzahl und Form der einzelnen Elektrodenplatten und die Art der Befestigung der Platten an den Halbschalen. Insbesondere ist es auch möglich, an stelle der Verbindung Stromsteg/Zellenrückwand die Verbindung Elektrodenplatte/Stromsteg lösbar auszuführen oder auch beide Verbindungen gleichzeitig.

Schließlich kann es auch sinnvoll sein, Anoden- und Kathodenhalbschale unterschiedlich zu gestalten.

Claims (10)

1. Ionenaustauschermembranzelle für die elektrolytische Zerlegung von wässrigen Lösungen, im wesentlichen bestehend aus einem Anodenteil, einem Kathodenteil und einer dazwischen angeordneten - Ionenaustauschermembran, wobei Anoden- und Kathodenteil flüssigkeits- und gasdicht miteinander verbunden sind, jedes der beiden Zellenteile im wesentlichen bestehend aus einer äußeren metallischen Halbschale mit innenliegenden Elektrodenplatten, elektrisch leitenden metallischen Verbindungselementen zwischen der Wandung der Halbschalen und den Elektrodenplatten, von Rohranschlüssen zur Einspeisung der Elektrolytlösungen und zum Abzug der flüssigen und gasförmigen Elektrolyseprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Zelle aus mehreren Platten bestehen, die in der Zelle so angeordnet sind, daß sich die einzelnen Elektrodenplatten im Betriebszustand der Elektrolyse unter dem Einfluss aller die Zelle angreifender innerer und äußerer Kräfte ohne Aufbau von Materialspannungen frei ausdehnen können.

2. Ionenaustauschermembranzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektrodenplatten mit den Halbschalen kraftschlüssig oder formschlüssig verbunden sind.

3. Ionenaustauschermembranzelle nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zur Überleitung des elektrischen Stroms von der Wandung der Halbschalen 1, 2 zu den Stromstegen 8 durch mechanische äußere Anpreßkräfte erfolgt.

4. Ionenaustauschermembranzelle nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zur Überleitung des elektrischen Stroms von den Stromstegen 8 zu den Elektrodenplatten 4, 5 durch mechanische äußere Anpreßkräfte erfolgt.

5. Ionenaustauschermembranzelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die mechanische Fixierung der Elektrodenplatten mit der Wandung der Halbschalen Justierstücke 16 vorgesehen sind, die mit den Wandungen 6, 7 der Halbschalen materialschlüssig und mit den Elektrodenplatten 4, 5 formschlüssig oder kraftschlüssig verbunden sind.

6. Ionenaustauscherzelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander in einem Gerüst angeordneten Zellenelemente an den Gerüstträgern 20 mittels flexibler Verbindungsstücke 22 befestigt sind.

7. Ionenaustauschermembranzelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrag der Elektrolyseprodukte aus den Halbschalen durch mehrere innerhalb der Halbschalen kommunizierend miteinander verbundenen Überlaufrohre 13 erfolgt.

8. Verfahren zur Herstellung von Chlorgas, Wasserstoffgas und und Alkalilauge durch Elektrolyse von Alkalichloridlösungen mittels einer Ionenaustauschermembranzelle gemäß Anspruch 1 bis 7.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die stromleitenden Elemente des Anodenteils der Ionenaustauschermembranzelle aus Titan bestehen und die Kontaktflächen zur Überleitung des Elektrolysestromes von der Wandung 6 der Halbschale zu den Stromstegen 8 mit einem gegen Alkalichloridlösung und gegen Chlor beständigem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit beschichtet sind.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächen zur Überleitung des Elektrolysestromes von den Stromstegen 8 des Anodenteils der Ionenaustauschermembranzelle zu den Anodenplatten 4 mit einem gegen Alkalichloridlösung und gegen Chlor beständigem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit beschichtet sind.