DE2119423A1

DE2119423A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2119423A1
Application number: DE19712119423
Authority: DE
Inventors: Oronzio de Mailand Nora (Italien); Nora, Vittorio de, Nassau, Bahama Inseln (Großbritannien)
Original assignee: NORA INT CO
Current assignee: NORA INT CO
Priority date: 1970-04-23
Filing date: 1971-04-21
Publication date: 1971-11-04
Also published as: GB1345254A; SE393639B; FR2092305A5; SE7608764L; JPS4911552B1; CA1134779A; US4161438A

Description

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann Dr, R. Koenigsberger - Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

TELEFON! SAMMEL-NR. 22 S341

TELEX 529979

TELEGRAMME! ZUMPAT POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 91139

BANKKONTO: -. BANKHAUS H. AUFHÄUSER

β MDNOHEN 2,

bräuhausstrasse «»/in

2/n

Case 267 040

NORA INTERNATIONAL COMPANY, Panama City/Panama

Elektrolysezelle

Die Erfindung bezieht sich auf Elektroden, insbesondere auf Kathoden und Anoden für Diaphragma-Elektrolysezellen, und auf Elektrolysezellen, die mit derartigen Elektroden verwendet werden. Diese können entweder unipolar oder bipolar ausgebildet sein«Zur besseren Erläuterung der · Erfindung wird jedoch ein grundsätzliches Ausführungsbeispiel bei der Herstellung von Chlor und Ätznatron in Verbindung mit der Verwendung bipolarer Elektroden nachfolgend beschrieben. _..- ^ -

Gemäß der Erfindung aufgebaute Elektrolysezellen können zur Elektrolyse von Natrium- oder Kaliumchlorid zur Herstellung von Chlor und Ätznatron oder Ätzkäli, zur Herstellung von Chloraten oder Perchloraten, zur Elektrolyse von Salzsäure, zur Herstellung von Wasserstoff und Chlor, zur Elektrolyse von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, zur Elektrolyse von Natrium- und Kaliumsulfat zur Herstellung von Ätznatron oder Ätzkali und Schwefelsäure, zur" Elektroosmose

109845/1955

- 2- 2 M 9423

und Elektrodialyse, zur organischen Oxydation und¹ Reduktion , für elektrometallurgische Anwendungen und für andere Prozesse und Verfahren verwendet werden, die sich mittels Elektrolyse-Reaktionen durchführen lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Art von Elektroden und Elektrolysezellen.zu schaffen, bei deren Anwendung sich die anodischeri und kathodischen Reaktionen mit höherem Wirkungsgrad durchführen lassen, als dies bei bisher bekannten Elektrolysezellen möglich war.

Insbesondere ist es das Ziel der Erfindung, eine neue Art unipolarer und/oder bipolarer Elektrolysezellen anzugeben, die sich leichter und billiger herstellen lassen und im Betrieb leichter zu handhaben sind als die bisher bekannten Zellen dieser Art.

Ein Hauptaugenmerk ist dabei auf eine Metall-zu-Metall-Verbindung zwischen den Anoden und Kathoden einer bipolaren Elektrolysezelle gerichtet.

Die Erfindung besteht bei einer Elektrolysezelle mit Vorrichtungen, Anschlüssen bzw. Armaturen, um der Zelle einen Elektrolyten zuführen zu können, einen elektrolysierenden Strom zwischen den Anoden-und Kathodenflächen durch den Elektrolyten schicken und/bzw. Kathodenprodukte aus der Zelle abführen zu können, darin _t daß eine Mehrzahl wellenförmig angeordneter metallischer Anoden und Kathoden vorgesehen ist, die so ineinander verschachtelt angeordnet sind, daß ein im wesentlichen gleichbleibender Abstand zwischen den Anoden- und Kathodenflachen besteht.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden im folgenden in mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

109845/1985

Fig. 1 die Draufsicht - teilweise in aufgebrochener Darstellung - auf eine bipolare Zelle mit drei Zelleinheiten, die gemäß dem Grundprinzip der Erfindung aufgebaut sind;,

Fig. 2 - teilweise im Schnitt - die Ansicht der Zelle gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Teilansicht von vorn der bipolaren Zelleneinheit gemäß den Fig. 1 und 2;

Fig. 4 einen Schnitt, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie 4-4 in Fig. 1;

Fig. 5 und 6 zeigen vergrößerte Teilschnitte zur Verdeutlichung der Anoden-Kathoden-Verbindung in einer bipolaren Zelle gemäß der Erfindung;

Fig. 7 zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Teils einer bipolaren Anode und Kathode zur Verdeutlichung der dazwischen angeordneten Verbindung;

Fig. 8 zeigt in Schnittansicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie 8-8 in Fig. 9;

Fig. 9 verdeutlicht schematisch eine Draufsicht, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie 9—9 in Fig. 8;

Fig.10 zeigt einen Schnitt, gesehen in Richtung der Pfeile an der Linie 10-10 in Fig. 9; und

Fig.11 verdeutlicht die Verwendung von Diaphragmen an den fingerartig ausgebildeten Kathoden und Anoden, wobei der Elektrolyt zwischen den beiden Diaphragmen in die Zelle eingeleitet wird.

Bei den bisher verwendeten bipolaren Trenn- oder Diaphragmazellen zur elektrolytischen Auftrennung von Sole wurden die mit einem Diaphragma überzogenen Kathodenstifte oder -finger aus netzartigem Stahlmaterial in Verbindung mit Anodenplatten aus Graphit verwendet, die zwischen Kathodenfingern in einem

10984 5/19SS

gewissen Abstand angeordnet waren. So besteht etwa die elektrische Verbindung zwischen den Kathodenfingern aus Stahlnetzmaterial und der Graphitanodenanordnung des nächsten bipolaren Elements gemäß der US-Patentschrift 3 337 443 üblicherweise aus einem komplizierten Aufbau von Graphit- und Stahlschrauben oder -bolzen mit Federn, um die Verbindungen zusammenzu-. halten· Dies ergibt einen relativ aufwendigen massiven Aufbau, der Probleme insbesondere bei der Unterhaltung der Anordnung mit sich bringt, und die bipolare Graphitanode und die Stahlkathode-Zellen nach dem Stand der Technik haben eine durchschnittliche nutzbare Lebensdauer von nur 6 bis 8 Monaten, bevor sie neu zusammengesetzt werden müssen. Bei den erfindungsgemäßen bipolaren Zellen bestehen sowohl die Anoden als auch die Kathoden aus Metall, so daß auch die Verbindung zwischen den Elektroden eine Metall—zu-Metall—Verbindung ist und somit auch der durch die Zelle fließende Strom über einen entsprechenden metallischen Weg fließt.

Es wird zunächst auf die in den Fig. 1 bis 6 der Zeichnungen dargestelltenAusführungsforraen der Erfindung bezug genommen. Fig. 1 zeigt eine bipolare Elektrolysezelle mit drei Zelleinheiten mit einer positiven Endanschlußeinheit A, einer Zwischeneinheit B und einer negativen Endanschlußeinheit C. Von den Zwischeneinheiten B ist nur eine gezeigt, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine beliebige Anzahl derartiger Zwischeneinheiten verwendet werden kann«. Die Einheit A weist eine positive (Anöden-) Endplatte 1, vorzugsweise aus Stahl, auf, die mit den positiven elektrischen Anschlüssen 2 verbunden ist. Die Platte 1 ist mit einer Beschichtung 3 aus Titan, Tantal oder einem anderen geeigneten Ventilmetall versehen, das widerstandsfähig gegen den Elektrolyten und die bei der Elektrolyse in der Zelle auftretenden Reaktionsbedxngungen ist, und die wellenartig angeordnete Anode oder die Finger 4 sind über Anschlüsse 5 aus Titan mit der Titanbeschichtung verbunden. Die konstruktiven Einzelheiten sind in den Fig. 5 und 6 besser erkennbar, und, wie weiter unten näher erläutert werden wird, ergibt sich durch diesen Aufbau eine gute elektrische

109846/1955

Verbindung zwischen der Endplatte 1 und den einzelnen Anodenwellen oder -fingern 4* Die Ventilmetallauskleidung 3 aus Titan oder einem anderen geeigneten Metall ist mit der Endplatte durch Schicht— oder Auftragsschweißung verbunden, wobei, falls erforderlich, eine Zwischenmetallschicht verwendet wird. Die Verbindung kann auch durch Verschrauben oder auf andere Weise vorgenommen sein, jedoch muß in jedem Fall ein guter elektrischer Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen der Endplatte 1 und der gegen den Elektrolyten widerstandsfähigen Auskleidung 3 sichergestellt sein. Für die Auskleidung 3 und die Anodenwellen oder -finger 4 kann insbesondere Titan, Tantal oder ein anderes geeignetes Trenn- oder Auskleidungsmetall oder eine Legierung aus diesen Metallen verwe-'ndet werden.

In einem gewissen Abstand von der Anodenendplatte 1 ist eine Endplatte la als Kathodenhalterung aus Stahl angeordnet, die die Kathodenwellen oder -finger aus Stahlnetz trägt, und zwar über angeschweißte Streifen oder Ansätze 7, die die elektrische Verbindung zwischen den Kathodenfingern und der Stahlplatte la herstellen. Jeweils ein Abstandsstück 8 bildet die Seitenwand jeder Zelleneinheit und erstreckt sich zwischen der Auskleidung 3 und einer viereckigen Leitung, 9, die die Kathodenkammer 10 zwischen der Innenseite der Kathodenfinger 6 und der Platte la umgibt. Die Abstandsstücke sind ebenfalls inseitig mit einer Titanauskleidung 8a oder mit einer Auskleidung aus Polyester oder einem anderen geeigneten Material beschichtet, das gegen den Anolyten und die ätzenden bzw. korrodierenden Bedingungen in der Elektrolysezelle widerstandsfähig ist. Die Verbindungen zwischen den Platten 1 und la und dem Abstandsstück 8 sind durch Gummi- oder Kautschukdichtungen 11 abgedichtet, so daß der ganze Aufbau ein fluiddichtes, kastenartiges Gehäuse darstellt, bei dem die Anodenwellen 4 und die Kathodenwellen 6 zwischen den Platten 1 und la jeder Ein-* heit A, B und C der bipolaren Zelle angeordnet sind. Zur Verstärkung jedes Kathodenfingers 6 sind zickzackförmig gebogene Stahlverstärkungen 12 in gewissen Abständen im Inneren der Kathodenfinger angeschweißt, um zu verhindern, daß die aus

1098U/195S

netzartigem Material aufgebauten Kathodenwellen oder -finger zusammenfallen, wenn ein Asbest— oder anderes Diaphragmamaterial unter Vakuum auf das Netz der Kathodenfinger aufgebracht wird. Die Kathodenwellen oder -finger 6 aus Stahlnetzmaterial sind am oberen und unteren Ende geschlossen, wie Fig. 4 erkennen läßt, und sind mit einem Diaphragmamaterial 6a (Fig. 5 und 6). entweder aus gewebten oder gewirkten Asbestfasern oder Asbestflocken bedeckt, das unter Vakuum aufgebracht wird. Das Diaphragmamaterial bedeckt die Seitenwände und die Ober- und Unterseite der Kathodenwellen oder -finger 6. Die Fig. 5 und 6 zeigen die Diaphragmen nur teilweise und schematisch, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Kathodenwellen 6 in der Zelle vollständig mit Diaphragma bedeckt sind. Durch das Diaphragma wird die Anolytenkammer von der Katholytenkammer getrennt, und gleichzeitig werden die in jeder dieser Kammer, gebildeten Gase, wie in der Diaphragmazellen-Technik bekannt, voneinander getrennt gehalten. Bei der Herstellung von Chlor und Natronlauge aus Kochsalzlösung wird durch das Diaphragma das an der Anode entstehende Chlor von der an der Kathode entstehenden Natronlauge und dem Wasserstoff getrennt gehalten.

Wird die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Zelle zur Elektrolyse von Kochsalzlösung zur Herstellung von Chlor, Ätznatron und Wasserstoff verwendet, so fließt der Elektrolysestrom von der Anodenwelle 4 zur Kathodenwelle 6. Dabei wird Chlor an den Anodenwellenbzw. den Anodenfingern freigesetzt, wobei die Salzlösung durch das die Kathodenwellen 6 umgebende Diaphragma hindurchtritt und Ätznatron und Wasserstoff an den Kathodenflächen auf der Innenseite des Diaphragmas gebildet werden.

Chlor oder andere anodische Gase, die an den Anoden 4 freigesetzt werden, steigen im Elektrolyten hoch und entweichen über Chlor-Durchlaßöffnungen 13 in Solebehälter 14 auf der Oberseite jeder Zelleneinheit A, B, G, und schließlich gelangt das Chlor über Auslässe 15 zum Chlorreinigungs- oder Chlorgewinnungssystem. Über eine Rohrverbindung 16 gelangt Sole von jedem Solebehälter 14 (Fig. 2) in den Zwischenraum zwischen den

109845/19SS

Anoden- und Kathodenfingern der Zelleinheiten A, B und C. Durch Schauglas 16a (Fig. 3) läßt sich der Solepegel in den Solebehältern 14 überwachen.

Die an den Kathodenfingern - freigesetzte Natronlauge und der Wasserstoff gelangen in den Kathodenraum zwischen dem die Kathodenfinger 6 umgebenden Diaphragma und den Endplatten la und damit in die viereckige Leitung 9 (Fig. 4), die den Katholatenraum umgibt. Der Wasserstoff gelangt über die Löcher 9a an der Oberseite der viereckigen Leitung 9 nach oben und gelangt über die Wasserstoffauslasse 17 nach außen, währrend die erschöpfte Sole, die Ätznatron (etwa 11 bis 12 % enthält) über die Löcher 9b zum Katholytenauslaß 18,gelangt. Über den Elektrolytenauslaß 18a nahe der Unterseite der Rechteckleitung 9 kann sowohl die Katholytenkammer als auch die Anolytenkammer jeder Zelle entleert werden. Durch Trennwände 18b ^m Ende jedes unterseitigen Abschnitts der Rechteckleitung 9 wird verhindert, daß Elektrolyt in diesen Abschnitt der Rechteckleitung 9 gelangt. Eine schwanenhalsartige Verbindung 18c (Fig. 3), die mit dem Katholytenauslaß 18 verbunden ist, läßt sich so einstellen, daß der Katholytenpegel in der Katholytenkammer überwacht werden kann, und zwar vorzugsweise dadurch, daß das Schwanenhals-Verbindungsstück 18c um den Auslaß 18 gedreht wird, so daß der Katholytenpegel immer genügend weit unter dem Anolytenpegel liegt, um einen ausreichenden Fluß von den Anolytenkammern durch die Diaphragmen in die Katholytenkammerη sicherzustellen.

Die Zelleinheiten A, B, B, B und C sind auf Doppel-T-Trägern 19 abgestützt (Fig. 3), die von Isolatoren 19a gehalten werden. Mit den Oberflächen der Doppel-T—Träger 19 fest verbundene Gl'eitplatten 2O isolieren die titanausgekleideten Behältnisse der Zelleneinheiten A, B und C von den metallischen Doppel-T-Trägern und ermöglichen, daß die relativ schweren Elemente der Zelleinheiten auf den Platten 20 während des Auf- und Abbaues der Einheiten ohne zu große Reibung verschoben werden können. Die Seiten 8 und die Enden 1 und la werden durch

109046/1966

Verbindungsstangen 21a zusammengehalten^ die in geeigneter Weise an den angrenzenden Teilen durch isolierende Buchsen getrennt sind, wie die Fig. 1 und 5 erkennen lassen. Die Hilfsschrauben 21 in den Fig. 1 und 5 werden nur während des Aufbaues der Elektrolysezelle verwendet, um die Einheiten miteinander zu verbinden, und werden entfernt, bevor die Zelle in Betrieb genommenwird, um einen Kurzschluß zu vermeiden. Während des Betriebs der Zelle halten die von den umgebenden Teilen isolierten Verbindungsstangen 2la die Endplatten 1 und la und die seitlichen Abstandsstücke 8, die gemeinsam das Gehäuse der elektrolytischen 'Zelleinheit bilden, zusammen. Die Halterungsstäbe 21a erstrekken sich von der positiven Endplatte 1 der Einheit A zur negativen Endplatte la der Endeinheit C unabhängig von der Anzahl der dazwischenliegenden Einheiten B in der bipolaren Zellenan— Ordnung.

Der elektrolysierende Strom fließt von der positiven Klemme 2 über die Endeinheit A durch die Zwischeneinheiten B, die hinsichtlich ihrer Anzahl zwischen 1 und 21 variieren können, je nach der Größe und Verwendungsart der bipolaren Zelle, und durch die Endeinheit C zur negativen Klemme 2a des Stromkreises. Die Anodenwellen oder -finger 4 bestehen vorzugsweise aus siebartigem Titanmaterial, das mit einer leitfähigen elektrokatalytischen Beschichtung überzogen ist, etwa mit einem Metall der Platingruppe oder mit Mischoxyden des Titans und Metalloxyden der Platingruppe. Es können auch andere Schutzmetalle und andere Überzüge verwendet werden. Die Kathodenwellen oder —finger 6 bestehen vorzugsweise aus einem Stahlnetzmaterial oder einem anderen eisenhaltigen Metall ähnlich den zur Zeit für Diaphragmazellen verwendeten Kathodennetzmaterialien. Für die Anoden- und Kathodenwellen können jedoch auch andere Metalle verwendet werden, je nach der Art der zu elektrolysierenden Materialien und der herzustellenden Endprodukte.

Die Anoden 4 und die Kathoden 6 sind vorzugsweise als ineinander verschachtelte durchgehende Wellen oder Finger ausgebildet, die, wie die Fig. 1, 5 und 6 erkennen lassen, einen etwa gleich--

109845/195 2

— y —

mäßigen Abstand voneinander aufweisen, so daß ein im wesentlichen gleichförmiger Elektrodenabstand zwischen den Anoden- und Kathodenflächen besteht. Durch Verschiebung der Platten 1 und la können die Anodenwellen,4 und die Kathodenwellen 6 aufeinder zu oder voneinander weg bewegt werden, wobei der jeweilige Abstand dadurch gleichmäßig gehalten werden kann, daß sowohl .die Kathoden-als auch die Anodenfinger in vertikaler Richtung abgeschrägt ausgebildet sind und die Anoden und Kathoden in vertikaler Richtung ineinander eingesetzt sind. Die Anoden- und Kathodenfinger brauchen nicht, wie dargestellt, eine bestimmte Länge oder Tiefe aufzuweisen. Es können auch niedrigere Wellen vorgesehen sein, jedoch lassen sich mit tieferen Wellen größere Anoden- und Kathοdenflächen innerhalb einer Zelleinheit bei gleicher Querschnittsfläche erzielen als bei flacherer Ausbildung der Wellen.

Die Worte "Wellen" oder "Finger" sollen in der Beschreibung und den Ansprüchen als Bezeichnung für die bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 6 bzw. den Fig. 8 bis 10 erkennbaren Anordnungen von Anoden und Kathoden dienen.

Um eine gute elektrische Verbindung zwischen den Anoden- und Kathodenabschnitten der Zelle sicherzustellen, werden die anodenseitigen Metallauflagen aus Titan, Tantal oder anderen geeigneten Metallen, vorzugsweise durch Schichtschweißung, mit den Stahlplatten 1 und la verbunden, die die Anoden- und Kathodenpole jeder einzelnen Zelle bilden. Dabei werden geeignete Zwischenmetalle, wie etwa Kupfer, Blei usw., zur Herstellung der Sandwich- oder Schicht-Schweißung, falls, erforderlich, verwendet. Es können auch andere Maßnahmen vorgesehen werden, sofern eine gute elektrische Verbindung sichergestellt ist.

Wie Fig. 5 erkennen läßt, sind die Anodenwellen 4 mit der Titanauskleidungsplatte 3 über an dieser Platte 3 angeschweißte Zylinder 5 aus Titan oder einem anderen geeigneten Material verbunden. Die Zylinder 5 weisen inseitig Schraubengewinde auf, und die Anodenwellen 4 werden unter Verwendung von Titanschrau-

109845/1955

ben 5a mit dem Zylinder 5 und der Platte 3 verbunden, wobei Titanstreifen 22b an den Stellen verwendet werden, an denen die Titananoden angeschweißt werden. Die Kathodenwellen 6 aus Stahl sind mit den Platten la über Streifen oder Abstandsstücke 7 aus Stahl verbunden, die' an die Platten la bzw. an die Wellentäler oder Trogunterseiten der Wellen 6 angeschweißt sind. Die Kathodenwellen sind vollständig mit Diaphragmamaterial, beispielsweise aus gewobenem Asbest, Asbestfasern oder dergleichen, überdeckt, wie es in den Fig. 5 und 6 mit dem Bezugszeichen 6a angedeutet ist. Eine abgewandelte Ausführungsform der Verbindung zwischen den Stahlplatten la und der Anodenwelle ist in Fig. 6 gezeigt, bei der die Löcher 22 zur Hälfte durch die Platten la gebohrt sind und Schraubengewinde aufweisen. In diese Löcher werden Titanschrauben.22a eingeschraubt, die nach dem Festziehen an die Titanplatten 3a angeschweißt werden, um eine fluiddichte Verbindung sicherzustellen, und v:eiterhin werden Titanschrauben 5a verwendet, um die Titanstreifen mit dem Wellental bzw. der Unterseite der Anodenwellen 4 und mit den hohlen Titanschrauben 22a zu verbinden. Über die Titanstreifen 22b wird der Strom auf die Anodenwellen 4 verteilt. Die Titananodenwellen 4 Jcönnen aus einem festen Titanbahnmaterial oder aus einer perforierten Titanbahn, geschlitzten oder vernetzten Titanplatten, Titangittergewebe, gewalztem Titannetz, gewobenen* Titandraht oder netzartig verbundenen Titanstäben oder in ähnlicher Weise aus Tantal und anderen geeigneten- Metallplatten und -formen oder aus Legierungen aus Titan bzw. anderen geeigneten Metallen oder irgend einer anderen leitfähigen Form des Titans hergestellt sein, und außerdem werden die Wellen 4 mit einer leitfähigen elektrokatalytischen Beschichtung versehen, die verhindert, daß das Titan passiviert wird, so daß bei der Verwendung zur Chlorherstellung diese zur katalytischen Entladung von Chlorionen an den Oberflächen der Anoden dienen können. Die Beschichtung kann auf einer oder auf beiden Seiten der Anodenwellen vorgesehen sein und wird vorzugsweise auf der Fläche der Anodenwellen 4 angebracht, die den Kathoden 6 gegenübersteht.

1008.46/1966

Diaphragmen können auf den Anodenwellen 4 oder den Kathodenwellen 6 oder' sowohl auf den Anoden als auch auf den Kathoden aufgebracht sein, wie Fig. 11 erkennen läßt, und die Anolytenflüssigkeit bzw. die Katholytenflüslsigkeit werden von der Zellflüssigkeit zwischen den Diaphragmen getrennt gehalten. Die der elektrolytischen Behandlung zu unterziehende Zellflüssigkeit kann in den Raum zwischen dem Anodendiaphragma und dem Kathodendxaphragma eingespeist werden, während der Anolyt und die gasförmigen Anodenprodukte auf der Innenseite der Anodenfinger oder -wellen abgezogen werden, so, wie die gasförmigen und flüssigen Kathodenprodukte auf der Innenseite der Kathodenfinger bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 6, wie oben beschrieben, abgezogen werden. Eine vollständige Übersicht wird in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 11 gegeben.

Bei den schematisch dargestellten Ausführungsformen der Fig. bis 10 werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Prinzip näher erläutert. Bei der schematischen Darstellung gemäß Fig. 7 sind die perforierten oder vernetzten Titananodenwellen oder -finger 30 im vorderen Teil eines hohlen Titangehäuses 31 angeordnet, das mit den hohlen Innenseiten der Finger 30 in Verbindung steht. Die Rückseite des Gehäuses 31 bildet eine Titanplatte 31a, die auf die Rückseite 32a des Stahlgehäuses 32 aufgeschweißt, aufgeschraubt oder auf andere Weise aufgebracht ist, mit dem die gitterartigen Kathodenfinger 33 verbunden sind. Das Innere der Kathodenfinger steht mit dem Inneren des Stahlgehäuses 32 in Verbindung, und die Außenseiten der Kathodenfinger sind mit Diaphragmamaterial bedeckt. Obgleich die Fig. 7 nur zwei Anodenfinger 30 und einen Kathodenfinger 33 zeigt, soll doch darauf hingewiesen werden, daß eine Vielzahl solcher Anoden-und Kathodenfinger Anwendung findet, die, wie Fig. 8 erkennen läßt, kammartig ineinandergesetzt sind. Bei einer kompletten Zelle gemäß der Fig. 7 sind die Anoden- und Kathodenfinger, wie in den Fig. 1, 6 oder 8, kammartig ineinandergesetzt, so daß dazwischenliegende Zelleinheiten entstehen, und außerdem sind positive und negative Endanschlußplatten vorgesehen, so daß insgesamt eine bipolare

109846/19BS

.- 12 -

Zelle entsteht, die die Anoden- und Kathodenanordnung gemäß Fig. 7 enthält.

Die Sole tritt über den Einlaß 34 in das Gehäuse 31 ein und gelangt durch die Anodenfinger 30 wieder nach außen gegen die verschachtelt eingesetzten Kathodenfinger 33 (nicht gezeigt)-, die den Anodenfingern 30 links in Fig. 7 gegenüberstehen. Das an den Anoden entstehende Chlor verläßt das Gehäuse 31 arm Chlorauslaß 35. Die Vorder- oder anodenseitige Fläche des Gehäuses 31 ist mit Schlitzen oder Öffnungen 31b versehen, über die Chlorgas in das Gehäuse 31 als auch von der Innenseite·der Anodenfinger 30 fließen kann. Der im Inneren der Diaphragmen an den · Kathodenfingern 33 freigesetzte Wasserstoff gelangt über den Auslaß 36 aus der Zelle heraus und Natronlauge (11 bis 125) und Sole fließen über den Auslaß 37 heraus.

Bei den schematisch gezeigten Ausführungsformen gemäß den Fig. 8, 9 und 10 fließt der Strom von rechts nach links in Fig. 8. Die Anodenfinger 30a und die Kathodenfinger-33a sind , wie Fig. 8 zeigt, so ineinander eingesetzt, daß die Zelleinheiten A¹, B⁽, B¹ und C gebildet werden,und positive und negative Endplatten 40 und 41 bilden die Endanschlüsse für die bipolare Zelle. Die Endplatte 40 und die Seiten des gehäuseartigen Aufbaues, der durch die Einheiten A', B¹, B¹ und C· gebildet ist, sind mit Titan oder einem anderen Material ausgekleidet, das widerstandsfähig ist gegen die in einer Chlorzelle vorhandenen korrodierenden Umweltbedingungen. Zu diesem Zweck können auch verschiedene andere Überzugsmateriälien als auch Glasfaser-,Polyester- oder Hartkautschuk-Auskleidung in den Bereichen verwendet werden, in denen keine Stromleitung erfolgt. Dazwischenliegende Titan- und Stahlplatten 42 und 43, die miteinander verschweißt sind, trennen die Ze Heinze it en A¹, B¹, B¹ und C und bilden die Abstützungen jeweils für die Anodenfinger 30a und die Kathodenfinger 33ä. Die Sole tritt in das Titangehäuse 31 am Einlaß 34a ein und fließt gegen die mit dem Diaphragma überdeckten Kathodenfinger 33a. Chlor wird über die Chlorauslässe

. 1Q9 845/19EE

35a abgezogen, während Wasserstoff von'den Stahlgehäusen 32c über die Wasserstoffauslasse 36a abgezogen wird, und weiterhin wird Natronlauge und erschöpfte Sole über die Auslässe 3 7a abgezogen. Die langen Schrauben 44 , die die Einheiten A', B', B¹ und C zusammenhalten, sind auf geeignete Art und Weise von den Endplatten 40 und 41 isoliert, so daß ein Kurzschluß über die Außenseite der Zelleinheiten vermieden ist.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl die siebartigen Anodenfinger 4 als auch die Kathoden— finger 6 aus Stahl mit Diaphragmen 4a und 6a versehen sind,tritt der frische Elektrolyt über den Einlaß 23 in die Zelle ein und strömt durch die sowohl die Anodenfinger 4 als auch die Kathodenfinger 6 überdeckenden Diaphragmen, Die Zellgehäusewände 1, la, 8 usw. sind mit Titanblech 3 oder einer anderen geeigneten korrosionsfesten Auskleidung entsprechend, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, ausgekleidet. Wird ein Strom durch den Elektrolyten zwischen den Anoden und den Kathoden geschickt, so werden die anodischen Produkte an der Anode und die kathodisehen Produkte an der Kathode freigesetzt. Die anodischen und kathodischen Produkte werden durch die beiden Diaphragmen 4a und 6a und durch den zwischen den beiden Diaphragmen befindlichen Elektrolyten getrennt gehalten* Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders zur Elektrolyse von Natriumoder Kaliumsulfatlösung zur Erzeugung von Natron- oder Kalilauge und Schwefelsäure geeignet. Sie läßt sich jedoch auch für andere Elektrolyseprozesse verwenden.·-*'—.----

Die soweit in Einzelheiten oder auch nur schematisch beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind nur anhand einiger weniger Elektrolyseprozesse beschrieben worden,jedoch eignen sich die erfindungsgemäßen Elektroden- bzw. Elektrolysezellen auch für zahlreiche andere Elektrolyseverfahren. Die beschriebenen Zellen können sowohl als einzelne unipolare Zellen oder als bipolare Vielfachzellen verwendet werden, und anstelle der gemäß der Beschreibung zum Bau verwendeten Metalle Titan und Stahl können verschiedene ähnliche Metalle für die Anoden und

1O984£7'185'6

Kathoden der Zelleinheiten Verwendung finden. Beispiele für andere geeignete Anodenmetalle sind Blei, Silber oder Legierungen daraus und Metalle, die PbO^, MnO„, Fe.,O₄ usw. enthalten oder damit überzogen sind, und als Beispiele für andere geeignete Kathodenmetalle lassen sich Kupfer, Silber, nichtrostender Stahl üsw. anführen» Die verwendeten Metalle sollten gegen die beim Betrieb der Zelle mit einem bestimmten Elektrolyten auftretenden korrodierenden oder ätzenden Bedingungen widerstandsfähig sein. Obgleich im allgemeinen Diaphragmen auf den Kathoden, den Anoden oder auf beiden verwendet werden, lassen sich die Zellen für bestimmte Anwendungen auch ohne derartige Diaphragmen verwenden, etwa bei der Herstellung von Chloraten, Perchloraten, Hypochlorit und Perjodat, als auch für andere Elektrolyseprozesse, bei denen eine Trennung der Elektrolyseprodukte durch ein Diaphragma nicht erforderlich ist.

5/1955

Claims

- 15 -

Patentansprüche

Elektrolysezelle mit Vorrichtungen, Anschlüssen bzw. Armaturen, um der Zelle einen Elektrolyten zuführen, einen elektrolysierenden Strom zwischen den Anoden— und Kathodenflachen durch den Elektrolyten schicken und die Anoden- und/bzw. Kathodenprodukte aus der Zelle abführen zu können, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl wellenförmig ausgebildeter metallischer Anoden (4) und Kathoden . (6), die so ineinander verschachtelt angeordnet sind, daß ein im wesentlichen gleichbleibender Abstand zwischen den Anoden— und Kathodenflächen besteht.
2.) Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anoden aus Ventilmetall bestehen, das mit einem leitfähigen elektrolytischen Üb ^~ zug versehen ist, und daß die Kathoden aus Stahl bestehen.
3.) Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Anoden aus Titan gefertigt sind.
4.) Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden mit einem Diaphragma (6a) versehen sind.
5.) Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden mit einem Diaphragma versehen sind.
6.) Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a durch gekennzeichnet, daß" sowohl die Anoden als auch die Kathoden mit wenigstens einem Diaphragma versehen sind.

109846/1965
7.) Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Zelleinheiten zu einer bipolaren Elektrolysezelle kombiniert sind.
8.) Elektrolysezelle nach Anspruch 7, dadurch ge-· ken η ζ eichnet, daß die Kathoden aus diaphragma·*· überdecktem netzartigen Stahlmaterial bestehen und die 'aus Titan hergestellten Anoden mit einem leitfähigen.elek— trokatalytischen Überzug versehen sind.
9.) Elektrolysezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden fingerartig ausgebildet sind, wobei die Finger von einer Halte- oder Stützplatte (1) aus, die aus Titan besteht oder titanbeschichtet ist, in den Innenraum der Zelle ragen, daß auch die Kathoden die Form von Fingern aufweisen, die von einer Halte- oder Stützplatte (Ia)- aus Stahl gehalten werden und in den Innenraum der Zelle hineinragen, daß die Anoden- und die Kathodenfinger so eineinander verschachtelt sind, daß zwischen den Kathoden— und Anodenflächen ein gleich— , bleibender Abstand eingehalten ist und daß die Titan- oder titanbeschichtete Halteplatte und die Stahl-Halteplatte so aneinander befestigt sind, daß ein metallisch-elektrischer bzw. galvanischer Kontakt zwischen einer ersten und' einer anderen Zeileinheit besteht.
10.) Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekenn ζ e i c h η e t , daß die Halteplatten aus Titan bzw. aus Stahl durch Elektroschweißung miteinander verbunden sind.
11.) Elektrolysezelle nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e m η ζ e i e h η e t , daß die Titan*- 1>äw» titanbeschlchtete(n)Halteplatfce(ti) mit 4er Cden) Stahlhaiteplatte(n) durch Ti tan schrauben verbunden sind., die durch Gewindelöcher in «dfer (den) iSfeahlhalteplatteXn.) anziehbar sind., und

daß die Anodenwellen bzw» Anodenfinger mit den Titanschrauben so verbunden sind, daß ein Stromweg zwischen den bipolaren Zelleinheiten gegeben ist.
12.) Elektrolysezelle nach Anspruch 11, dadurch g e kennz ei chnet, daß die Anodenwellen bzw."Anodenfinger mit den in die Stahlhalteplatte(n) hineinragenden .Titanschrauben durch kleinere Titanschrauben verbunden sind, die in entsprechende Gewindelöcher der erstgenannten Titan— schrauben eingeschraubt sind.
13.) Elektrolysezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Oberseite jeder Zelleinheit ein Behälter aus gegen Chlor widerstandsfähigern Material aufgesetzt ist, in den bei der Elektrolyse in der (den) Zelleinheit(en) freigesetztes Chlorgas einströmt und von dem aus frische Sole der (den) Zelleinheit(en) zugeführt wird.
14.) Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch g e k B'n.ni-Z e i c h η e t , daß die kathodenseitige Stahl-Halteplafefie (la) von einem Rahmen in Form eines rechteckförmigen Stahlrohrs (9) umgeben ist, das eine Anzahl Löcher im oberen horizontalen Schenkel zum Durchlaß von Gas in diesen horizontalen Schenkel und einen Gasabführ-Durchiaß zur Abfuhr von Gas aus diesem horizontalen Schenkel aufweist, daß einer der Seitenschenkel dieses rahmenförmigen Rohrs Löcher zum Einlaß von Kathodenflüssigkeit in diesen Schenkel aufweist und daß dieser Seitenscherikel mit einem einstellbaren Katholytenaüslaß verbunden ist.
15.) Elektrolysezelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d ü r c h g e k e η η ζ e i c h η e t ",.daß· die als - Bipolaräelle aufgebaute Elektrolysezelle eine positive Endeinheit mit Anoden und Kathoden, eine negative Endeinheit mit^: AnötMF-ürid Kathoden und eine Mehrzahl von Zwischen-

109845/19.55

einheiten aufweist, die ebenfalls Anoden und Kathoden enthalten, daß die genannten Einheiten alle so in Serie miteinander verbunden sind, daß ein elektrolysierender Strom durch alle Zelleinheiten fließen kann, daß die Anoden und Kathoden aus Metall be'stehen und die Form von Fingern, d.h. die Form von Wellen mit relativ großen Amplituden und steilen Flanken aufweisen, daß die Kathoden- und Anodenfinger •ineinandergeschoben sind und daß die Kathoden der einen Einheit mit den Anoden der angrenzenden Zelleinheit durch einen Metall-zu-Metall-Kontakt verbunden sind.
16.) Elektrolysezelle nach Anspruch 15, dadurch g e . k e η η ζ ei c h η e t , daß die Anoden aus Titan bestehen und eine elektrokatalytische leitfähige Beschichtung aufweisen, und daß die Kathoden aus eisenhaltigem Metall bestehen, und daß zwischen den Anoden und Kathoden wenigstens ein Diaphragma vorgesehen ist.
17.) Elektrolysezelle nach Anspruch 16, dadurch g e kennzei chnet , daß die Anoden durch eine Halteplatte aus Titan und die Kathoden durch eine Halteplatte aus Eisenmetall gehaltert sind, und daß die zwei Halteplatten durch einen Metall-zu-Metall-Kontakt miteinander verbunden sind.
18.) Elektrolysezelle nach Anspruch 17, dadurch gekenn ζ ei c h η e t , daß der Abstand zwischen den Kathoden und der Kathodenhalteplatte eine Katholytenkammer bildet und von einem rechteckförmigen Rohr umgeben ist, das Öffnungen zur Aufnahme und Abgabe von katholytischem Gas und Öffnungen zur Aufnahme und Abgabe von Kathoden— flüssigkeit aufweist. "
19.) Elektrolysekammer nach Anspruch 15, dadurchgek e η η ζ e i c h η e t , daß das an der Anode entstehende Gas in einen Aufnahmebehälter auf der Oberseite jeder* Einheit geleitet wird_s der die Speiseflüssigkeit für diese

Ί08βΛ6/1066

' " Einheit enthält, die von diesem Gasaufnahmebehälter aus in' die Zelleinheit geleitet wird.
20".;^;) Elektrolysezelle nach ,einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet d> u r c h eine erste hohle,

■'■'" gehäuseartige Halterung aus Metall, metallische Anodenfinger, die von der ersten gehäuseartigen Halterung gehalten werden und davon abstehen, eine zweite hohle, gehäuseartige Halterung aus Metall, Kathodenfinger, die durch diese zweite gehäuseartige Halterung getragen werden und davon abstehen, wobei die erste und zweite Halterung auf der den Fingern abgekehrten Rückseite miteinander so. verbunden sind, daß ein elektrisch leitender Kontakt besteht.
21.) Elektrolysezelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste hohle, gehäuseartige Halterung und die davon gehaltenen Anodenfinger aus Titan bestehen, während die zweite Halterung und die zugeordneten Kathodenfinger aus Stahl hergestellt sind.
22.) Elektrolysezelle nach Anspruch 21, dadurch gekenn ζ ei c h η et , daß die erste hohle, gehäuseartige Halterung einen Einlaß zur Zufuhr von Elektrolyten in die Zelle und einen Auslaß für die an der Anode entwickelten Gase aufweist, und daß die zweite hohle, gehäuseartige Halterung einen Auslaß für die an der Kathode entstehenden Gase und einen Auslaß für die Katholytenflussigkeit aufweist.

ι ^m -, Leer s e11 e