DE2059868B2

DE2059868B2 - Vertikal anzuordnende Elektrodenplatte für eine gasbildende Elektrolyse

Info

Publication number: DE2059868B2
Application number: DE19702059868
Authority: DE
Inventors: Shozo Chiba; Shotaro Kiga; Seiji Yotsukaido Chiba Sawada; Naoshi Yoshida
Original assignee: Nippon Soda Co Ltd
Current assignee: Nippon Soda Co Ltd
Priority date: 1969-12-06
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1974-07-25
Also published as: FR2070757A1; GB1324427A; DE2059868A1; FR2070757B1

Description

Die Erfindung betrifft eine vertikal anzuordnende Elektrodenplatte für eine gasbildende Elektrolyse, insbesondere Alkalichlorid-Elektrolyse mit Plattendurchbrüchen, welche die der benachbarten Gegenelektrode zugewandte aktive Plattenseite mit der inaktiven Rückseite der Platte verbinden.

Eine solche Elektrodenplatte ist bereits bekannt (britische Patentschrift 896 912). Die bekannte Elektrodenplatte ist aus Streckmetall hergestellt, das in waagerechter Richtung gestreckt wurde und dessen Abschnitte sich im wesentlichen in einer Ebene erstrecken.

Es besteht seit langem das Bestreben, den Abstand zwischen zwei Elektrodenplatten, welche die Anode und die Kathode bilden, zu verkleinern, um den Widerstand des zwischen den Platten befindlichen Elektrolyten zu verringern und die Stromdichte zu erhöhen, um eine Leistungssteigerung und einen verbesserten Wirkungsgrad zu erzielen. Bei einer gasbildenden Elektrolyse steht dem entgegen, daß sich zwischen der Anode und der Kathode Gas ansammelt, dessen Abführung sich mit einer Verringerung des Abstandes zwischen den Elektrodenplatten zunehmend schwieriger gestaltet. Werden die entstehenden Gasblasen nicht schnell abgeführt, so erhöht sich plötzlich die Betriebsspannung, was eine unerwünschte Steigerung des Energieverbrauchs zur Folge hat. Ferner ist auch zu berücksichtigen, daß die erhöhte Stromdichte als Folge einer gegenseitigen Annäherung von Anode und Kathode zu einer erhöhten Gasbildung führt, was sich zusätzlich erschwerend bemerkbar macht. Es hat sich gezeigt, daß die Anordnung von Durchbrüchen in im wesentlichen ebenen Elektrodenplatten allein das Problem der Gasbildung und der Abführung der aufsteigenden Gasblasen nicht zufriedenstellend zu lösen vermag.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die an der aktiven Plattenseite entstehenden Gasblasen auf einfache Weise schnell aus dem Bereich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode abzuführens und dadurch eine hohe Leistung bei vergleichsweise geringem Energieverbrauch zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der oberen Begrenzungikante der Durch brüche von der Plattenrückseite zur aktiven Platten seite abwärts geneigte Plattenabschnitte vorgesehei sind.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die auf steigenden Gasblasen durch die geneigten Plattenabschnitte schnellstens auf die inaktive Rückseite dei Elektrodenplatte geleitet werden, wo sie den Stromdurchgang zwischen der Elektrode und der Gegen-

ίο elektrode nicht stören. Die geneigten Plattenabschnitte, die als Führungsflächen für die Ableitung des erzeugten Gases zur Plattenrückseite dienen, lassen sich aui einfache Weise und ohne Materialaufwand herstellen, so daß die erfindungsgemäße Maßnahme keine besonderen Kosten macht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Elektrodenpiatte in an sich bekannter Weise aus einem Streckmetall, dessen zwischen den Durchbrüchen vorhandene Stege die durch den Streckvorgang geneigten

ao Plattenabschnitte bilden. In diesem Fall ist kein eigener Arbeitsgang erforderlich, um die erfindungsgemäße Ausbildung zu erzielen. Durch die Anordnung der Durchbrüche sowie die Breite der Stege und das Ausmaß des Streckens lassen sich Elektrodenplatten herstellen, welche die vorgenannten Vorteile aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert.

Fig. 1 bis 5 und F i g. 15 zeigen perspektivisch verschiedene Ausführungsformen von Elektrodenplatten gemäß der Erfindung;

F i g. 6 ist ein Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1;

F i g. 7 ist ein Schnitt längs der Linie B-B in F i g. 2;

F i g. 8 ist ein Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 3;
F i g. 9 ist ein Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 4;

Fig. 10 ist ein Schnitt längs der LinieE-E in Fig. 5;

Fig. 11 und 12 zeigen jeweils perspektivisch eine vollständige erfindungsgemäße Elektrode;

Fig. 13 und 14 zeigen jeweils in einem senkrechten Schnitt weitere Ausführungsformen der Erfindung und lassen die Beziehung zwischen den Anoden und den Kathoden erkennen.
Gemäß den Zeichnungen sieht die Erfindung Elektrodenplatten vor, die jeweils aus einer oder mehreren Metallplatten bestehen und Öffnungen, Schlitze oder Zwischenräume aufweisen, die über die ganze Fläche der betreffenden Elektrodenplatte verteilt sind und sich durch die Elektrodenplatte erstrecken, wobei gleichmäßig geneigte Führungsplatten oberhalb nahezu aller Öffnungen, Schlitze oder Zwischenräume angeordnet sind.

F i g. 1 und 6 zeigen eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte, bei der jeweils eine gleichmäßig geneigte Führungsplatte 1 oberhalb eines Zwischenraums 2 angeordnet ist, der seinerseits zwischen der oberen Führungsplatte 1 und einer unteren Führungs- oder Leitplatte 3 liegt. Der Abstand zwischen der oberen und der unteren Führungs- oder Leitplatte beträgt vorzugsweise mehr als 1 mm. Jede Führungsplatte ist unter einem Winkel von 15 bis 45° gegen die Mittelebene der Elektrodenplatte geneigt, die Zwischenräume 2 erstrecken ^ich von einer Flachseite der

3 4

Eiektrodenplatte durch die Platte hindurch zur anderen und 22 isolierende, als Abdichtungen wirkende Ab-

Flachseite, und die die Eiektrodenplatte bildenden standhalter 23, 23' und 23" sowie Kathodenrahmeii 24

Führungsplatten sind fest in eintm Rahmen 4 einge- und 25, wobei Elektrodenplatten 26, 27 und 28 als

baut. Anoden verwendet werden. Die Kathoden 29 sind

F i g. 2 und 7 zeigen eine »Weiterbildung der Aus- 5 jeweils zwischen zwei Anoden 27 und 28 angeordnet,

führungsform nach Fig. 1 und 6 mit ~Führungs- und zwischen den Kathoden einerseits und den

platten 5, die einen gekrümmten Querschnitt haben. Anoden andererseits ist eine Membran 30 vorgesehen.

F i g. 3 und 8 zeigen eine weitere Ausführungs- Jede der Anoden 27 und 28 ist gegenüber der zugeform der Erfindung, bei der Fülirungs- oder Umlenk- hörigen Kathode 29 so angeordnet, daß die auf den platten 6 an der eigentlichen Eiektrodenplatte 7 vor- io Flächen der Anoden entstehenden Gasblasen verangesehen sind und sich ähnlich wie Dachtraufen von laßt werden, sich in Richtung auf zwei Anödender Eiektrodenplatte weg unter einem Winkel nach kammern 31 und 32 zu bewegen; der elektrische Strom unten erstrocken und geneigte Kanäle 8 abgrenzen, kann den Anodenplatten 27 und 28 über Anschlüsse 33 die sich längs der Führungsplatten und durch die zugeführt werden, und der die Membran 30 passie-Elektrodenplatte hindurch erstrecken. i₅ rende Strom fließt durch die Kathoden 29 zu einem

Die Eiektrodenplatte besteht aus einem elektrisch Anschluß 34.

aktiven Material oder aus Metallen, während die die Beim Betrieb der Zelle wird der Elektrolyt der Zelle

Führungsplatten bildenden Teile gegebenenfalls aus über eine Eintrittsieitung zugeführt, bis er die in

einem aktiven oder einem nicht aktiven Material be- Fig. 13 durch die Linie 35 bezeichnete Standhöhe

stehen können. ₂₀ erreicht hat. Das sich in der Kathodenkammer 36

F i g. 4 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei sammelnde Wasserstoffgas wird über eine Gas-

der Führungsplatten oder Leitorgane bildende Ab- austrittsleitung 37 abgeführt, und das wäßrige Ätzkali

schnitte 9 gegenüber einer Elektrodenplatte 10 unter wird aus der Kathodenkammer 36 über ein Austritts-

einem Neigungswinkel so vorspringen, daß sich rohr 38 abgezogen.

Öffnungen 11 durch die Eiektrodenplatte erstrecken, 25 Die entstehenden Chlorgasblasen werden veranlaßt,

wobei diese Öffnungen auf zickzackförmigen Linien sich durch die öffnungen der Elektrodenplatten hin-

oder aber auf geraden Linien angeordnet sein können. durch zur anderen Seite der Membran zu bewegen,

F i g. 5 und 10 zeigen eine Weiterbildung der woraufhin sie in den Anodenkammern 31 und 32

Ausführungsform nach F i g. 4 und 9, bei der Füh- zum oberen Teil der Zelle hochsteigen, aus dem sie

rungsplatten bildende Abschnitte 12 vorgesehen sind, 30 über eine Gasaustrittsleitung 39 abgeführt werden,

die gegenüber einer Eiektrodenplatte 13 vorspringen Aus F i g. 14 geht die Wirkungsweise der erfin-

und ähnlich wie Sonnenschutzdächer eine gekrümmte dungsgemäßen Elektrodenplatten deutlicher hervor.

Querschnittsform haben und nach unten geneigt sind. Zwischen je zwei Elektrodenplatten 39 und 40 ist

Beim Gebrauch werden die beschriebenen Elektro- eine normale Kathode 41 aus einem Drahtgeflecht denplatten so angeordnet, daß diejenige Flachseite der 35 angeordnet, und eine Membran 42 hält die Elektrodenbetreffenden Platte, welche den unteren Rändern der platten von der Kathode aus dem Drahtgeflecht Führungsplattenabschnitte zugewandt ist, die aktive getrennt. Die Gasblasen, die auf den der Kathode Fläche bildet, so daß beim Zuführen elektrischer zugewandten Flächen der Elektrodenplatten 39 und 40 Energie auf der aktiven Fläche der Eiektrodenplatte entstehen, werden veranlaßt, zur Rückseite bzw. der Gasblasen entstehen, die nach oben steigen und hierbei 40 Außenseite der Elektrodenplatten zu strömen, um dann veranlaßt werden, in die sich durch die Elektroden- in Aiiodenkammern hochzusteigen, von denen jede platte erstreckenden Öffnungen längs der Führungs- durch zwei benachbarte Elektrodenplatten abgegrenzt plattenabschnitte einzutreten, so daß die Gasblasen ist, wobei sich die Gasblasen gemäß F i g. 14 in von der aktiven Fläche der Eiektrodenplatte 6 zur Richtung der Pfeile bewegen.
Rückseite der Eiektrodenplatte geleitet werden. 45 Die erfindungsgemäßen Elektroden lassen sich nicht

F i g. 11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung nur bei Zellen der Filterpressenbauart verwenden,

in Gestalt einer Elektrode für eine Elektrolysezelle, sondern auch bei gewöhnlichen Elektrolysezellen,

die bei einer einer Filterpresse ähnelnden Vorrichtung z. B. Zellen der Bauart Hooker, wie sie 2:. B. in der

verwendet wird; in diesem Fall wird eine Elektroden- japanischen Patentschrift 104 290 beschrieben sind,

platte 14 von einem Rahmen 15 getragen, mit dem ein 50 ferner bei Zellen der Bauart »Diamond«, wie sie z. B.

Ansatz 16 zum Zuführen eines elektrischen Stroms in den USA.-Patentschriften 2 743 419, 2 742 420 und

verbunden ist. 2 987 463 beschrieben sind, sowie bei Zellen, wie

Fig. 12 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel sie von der Firma Dow Chemical hergestellt werden

eine Anordnung mit zwei Elektrodenplatten 17 und und z. B. in der USA.-Patentschrift 2 858 263 beschrie-

18, die ebenfalls bei einer Elektrolysezelle verwendet 55 ben sind.

wird, die einer Filterpresse ähnelt. Die beiden einander Die erfindungsgemäßen Elektrodenplatten lassen

zugewandten Elektrodenplatten sind in einem Rah- sich nicht nur als Anoden, sondern auch als Kathoden

men 19 so eingebaut, daß die öffnungen oder Spalte bei Elektrolysevorgängen benutzen, bei denen Gase

jeder Eiektrodenplatte nach oben in Richtung auf eine entstehen, und ferner ist es möglich, solche Platten

Kammer 20 verlaufen, die durch die beiden Elektro- 00 gleichzeitig sowohl als Anode wie auch als Kathode

denplai:ten abgegrenzt ist. zu verwenden. In den meisten Fällen werden jeweils

Fig. 13 zeigt eine Elektrolysezelle, die mit Elek- zwei Elektrodenplatten in Form eines Satzes vertrodenplatten der an Hand von Fig. 11 beschriebe- wendet, bei dem die Elektrodenplatten einander so nen Art versehen ist. Diese Zelle ist nach Art einer zugewandt sind, daß sie eine Anoden- oder Kathoden-Filterpresse aufgebaut und dient zum Erzeugen von 65 kammer abgrenzen, in der das entstehende Gas schnell Chlor und Ätzkali aus einer wäßrigen Lösung eines nach oben steigt.

Alkalimetallchloride. Gemäß F i g. 13 umfaßt die Die Elektrodenplatten können aus den verschieden-

Zelle fest in ihrer Lage gehaltene Anodenrahmen 21 sten Werkstoffen hergestellt werden, die jedoch im

wesentlichen korrosionsbeständig sein müssen, so daß sie von den bei der Elektrolyse, z. B. bei der Elektrolyse von Sole, entstehenden Gasen und anderen Produkten nicht angegriffen werden; die Elektrodenplatten werden vorzugsweise aus Titanblech hergestellt, das mit einem Edelmetall, z. B. Platin, überzogen oder plattiert ist. Ferner ist es gemäß der Erfindung nicht in allen Fällen erforderlich, die in Fig. 11 und 12 gezeigten Rahmen vorzusehen, vielmehr kann man die Anschlüsse zum Zuführen des Stroms unmittelbar an den Elektrodenplatten befestigen.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich um die bevorzugten Ausführungsformen, an denen jedoch im Hinblick auf ihre jeweilige Verwendung verschiedene Abänderungen vorgesehen werden können. Beispielsweise zeigt Fi g. 15 ein Stück eines aus Blech hergestellten Streckmetalls, das sich mit geringen Kosten herstellen und bei erfindungsgemäßen Elektrodenplatten verwenden läßt. Bei dieser Ausführungsform werden die beschriebenen Führungsplatten durch die Elektrodenplatte selbst gebildet. Die Erfindung ermöglicht es, die Betriebsspannung herabzusetzen, da die Gasblasen schnell aus dem Spalt zwischen der Anode und der Kathode abgeführt werden; außerdem kann man die Breite des Spaltes verringern und die Stromdichte erhöhen, da sich der Widerstand zwischen der Anode und der Kathode verringert. Insbesondere dann, wenn die Erfindung bei der Elektrolyse von Alkalimetallchloriden angewendet wird, ist es möglich, den Abstand zwischen den Anoden und den Kathoden so weit zu verkleinern, daß die Platten praktisch in Berührung mit der Membran stehen, wobei weitere Platten vorgesehen sind, die dazu dienen, die Membran abzustützen, da die Membran dazu neigt, aufzuquellen und sich von der Kathode abzuschälen.

Beispiel 1

an Stelle von Anoden aus Graphit in Membranzellen zum Elektrolysieren von wäßrigem Natriumchlorid eingebaut, wobei die Zellen eine 2 mm dicke Membran aus Asbest umfaßten; die Kathoden bestanden aus Drahtgewebe, und die Breite der Spalte zwischen den Anoden und den Kathoden betrug 4 mm.

Bei einer Stromdichte von 15 A/dm² wurden die Zellenspannung, die Temperatur des Elektrolyten, die Konzentration der Natriumchloridlösung, die Katholytkonzentration, die Menge des Chlorgases und der elektrische Wirkungsgrad gemessen.

In der folgenden Tabelle 1 sind die Meßergebnisse und zum Vergleich Meßergebnisse angegeben, die bei Membranzellen bekannter Art mit Graphitanoden gewonnen wurden.

Tabelle 1

20	Erfindungs gemäße Zelle	Bekannte Zelle
Zellenspannung, V Elektrolyttemperatur, ⁰C.. 2₅ Katholytkonzentration, g/l Chlorgasanalyse, % Cl₂ H₂ Stromwirkungsgrad, % ..	3,12 62 138 98,7 0,0 95,2	4,14 65 139 98,7 0,0 95,0

Beispiel 2

Es wurde in der gleichen Weise vorgegangen wie bei dem Beispiel 1, abgesehen davon, daß die Stromdichte auf 40 A/dm² erhöht wurde. In der folgenden Tabelle 2 sind die gewonnenen Meßergebnisse angegeben.

Tabelle 2

Gemäß der Erfindung wurden Elektrodenplatten ähnlich der in F i g. 1 gezeigten Platte mit einer Breite von 500 mm und einer Länge von 100 mm verwendet. Um diese Elektrodenplatten herzustellen, wurden rechteckige Platten oder Leisten aus Titan mit einer waagerechten Länge von 500 mm, einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 1 mm unter einem Neigungswinkel von 60° gegen die Waagerechte und in senkrechten Abständen von 5 mm angeordnet und mit Platin plattiert. Die Anodenplatten wurden

Zellenspannung, V

Elektrolyttemperatur, ⁰C
Katholytkonzemtration, g/l
Chlorgasanalyse, %

Cl₂

H₂

Stromwirkungsgrad, % ..

Erfindungsgemäße
Zelle

3,36
68
140

98,7

0,0

95,0

Bekannte
Zelle

5,22
80
139

98,7

0,0

95.0

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vertikal anzuordnende Elektrodenplatte für eine gasbildende Elektrolyse, insbesondere Alkalichlorid-Elektrolyse, mit Plattendurchbrüchen, welche die der benachbarten Gegenelektrode zugewandte aktive Plattenseite mit der inaktiven Rückseite der Platte verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß an der oberen Begrenzungskante der Durchbrüche (2, 8, 11) von der Platienrückseite zur aktiven Plattenseite abwärts geneigte Plattenabschnitte (1, 3, 5, 6, 9, 12, 39. 40) vorgesehen sind.

2. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise aus einem Streckmetall besteht, dessen zwischen den Durchbrüchen vorhandene Stege die durch den Streckvorgang geneigten Plattenabschnitte bilden (F i g. 15).