DE2448187A1

DE2448187A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2448187A1
Application number: DE19742448187
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kramer; Luciano Mose; Bernd Strasse; Wolfgang Strewe
Original assignee: Hooker Chemicals and Plastics Corp
Current assignee: Occidental Chemical Corp
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1976-04-22
Also published as: CA1060842A; SE425609B; US4017376A; ZA755423B; AU8418175A; NO753404L; FI752542A; ES441612A1; IT1043025B; PL95783B1; FR2287527B1; SE7508198L; JPS5163371A; GB1474350A; NL7511913A; BR7506579A; BE834356A; FR2287527A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Wiu ckmann, Di pl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN RC, I)HN

POS'I'I^:/\C.H SCO 8 20

MUI 11.STRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

Case 1 ■'"

HOOKER CHEMICALS & PLASTICS CORP., Niagara Falls, Jf. γ. 14302 / USA 345 Third Street

Elektrolysezelle

Die Erfindung betrifft eine neue Elektrolysezelle mit vertikalen Elektroden, die eine neue Kathodenstromschienenanordnung, neue Kathodenelemente und einen neuen Anodenträger aufweist, die es ermöglichen, die neuartige Elektrolysezelle
unter Aufrechterhaltung hoher Betriebswirkungsgrade bei hohen Stromstärken bis zu etwa 500 000 Ampere zu betreiben. Diese hohen Strombelastungen führen zu hohen Produktionskapazitäten, was bei einem gegebenen Raumbedarf der Zelle zu hohen Produktionsraten führt und die Kapitalinvestitionskosten und
Betriebskosten senkt.

Elektrolysezellen werden seit vielen Jahren in großem Umfang für die Herstellung von Chlor, Chloraten, Chloriten, Laugen, Wasserstoff und anderen verwandten Chemikalien angewandt.

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Im Verlaufe der Jahre sind diese Zellen zu einem Standard entwickelt worden, der, bezogen auf die eingesetzte elektrische Energiw, hohe Betriebswirkungsgrade ermöglicht. Die Betriebswirkungsgrade schließen die Strom-, Spannungs- und Energie-Ausbeute ein. Die jüngsten Entwicklungen hinsichtlich der Elektrolysezellen sind auf Verbesserungen gerichtet, die bei Aufrechterhaltung hoher Betriebswirkungsgrade die Produktionskapazität der einzelnen Zellen steigern. Dies ist in großem Ausmaß durch Modifizieren oder Umkonstruieren der einzelnen Zellen und Steigern der Stromstärken, bei denen die einzelnen Zellen betrieben werden, erreicht worden. Die gesteigerten Produktionskapazitäten der einzelnen Zellen, die bei höheren Strombelastungen arbeiten, führen bei einem gegebenen Platzbedarf der Zelle zu höheren Produktionsraten und einer Verminderung der Kapitalinvestitions- und Betriebskosten.

Im allgemeinen zielen die jüngsten Entwicklungen der Elektrolysezellen auf größere Zellen ab, die hohe Produktionskapazitäten aufweisen und so ausgelegt sind, daß sie bei hohen Stromstärken arbeiten, wobei gleichzeitig hohe Betriebswirkungsgrade aufrechterhalten werden. Innerhalb gewisser Betriebsparameter ist die Produktionskapazität der Zelle um so größer, je höher die Stromstärke liegt, für die die Zelle ausgelegt ist. Wenn die Zelle für höhere Stromstärken ausgelegt wird, ist es jedoch von Bedeutung, daß hohe Betriebswirkungsgrade aufrechterhalten werden. Die einfache Vergrößerung der Bestandteile einerfür niedrige Stromstärken ausgelegten Zelle führt nicht zu einer Zelle, die sowohl bei hoher Stromstärke betrieben werden kann und gleichzeitig das Aufrechterhalten hoher Betriebswirkungsgrade ermöglicht. Eine bei hoher Stromstärke betriebene Zelle muß eine Vielzahl konstruktiver Verbesserungen aufweisen, so daß die Betriebswirkungsgrade aufrechterhalten und eine hohe Produktionskapazität erreicht werden können.

Den Zusammenhang zwischen Zellenbelastung und den Zellenabmessungen zeigt Tabelle 1, in welcher verschiedene Zellenbeispiele durchgerechnet sind:

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2448	150	187
75	200
3	100
25	4
2,3	25
2,2	3,0
1,0	2,2
68	0,7
4,5	91
6,0

Tabelle I

Stromstärke kA 80

Anzahl der Anoden pro Zelle 4 2

Anzahl der Reihen pro Zelle 2

Anoden pro Reihe 21

Zellenbreite (m) ca. 1,6

Zellenlänge (m) ca. 1,9

Seitenverhältnis 1 ,2

Stromstärke pro m Zellenlänge kA/m 42

Chlorproduktion (Tonnen/Tag) 2,4

Es ist bekannt, die großtechnische Elektrolyse von wäßrigen Lösungen in Zellen durchzuführen, die entweder mit horizontalen, gegen den Erdhorizont geneigten oder mit vertikalen Elektroden versehen sind. Die Erfindung beschreibt eine neue Zelle mit vertikalen Elektroden.

Vertikal-Elektrodenzellen bestehen aus mindestens einer Anode und einer Kathode, meistens jedoch aus einer Vielzahl von Anoden und Kathoden, wobei die aktiven Anoden- und Kathoden-Oberflächen zum überwiegenden Teil vertikal und parallel zueinander angeordnet sind. Der Spalt zwischen jeder Anoden- und Kathoden-Oberfläche ist mit der Elektrolytflüssigkeit angefüllt.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet solcher Vertikal-Elektrodenzellen ist zum Beispiel die elektrolytische Herstellung von Chlor, Alkalilauge und Wasserstoff aus Alkalichloriden. Für diesen Verwendungszweck muß im Elektrolyseraum zwischen den Anoden- und Kathoden-Oberflächen eine Trennwand vorhanden sein, die so beschaffen sein muß, daß einerseits der für die Elektrolyse notwendige Transport der Ionen möglichst wenig behindert wird, andererseits aber eine Vermischung der an den Elektrodenoberflächen sich bildenden Produkte weitgehend vermieden wird. Es sind verschiedene Stoffe bekannt, die die notwendigen Eigenschaften besitzen, um die beschriebenen Aufgaben der Trennwand gut zu erfüllen. Im Fall der Chloralkali-Elektrolyse verwendet man beispielsweise Asbest oder verschiedene mikroporöse Kunststoffmaterialien oder nicht poröse

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Ionenaustauschermaterialien. Alle diese verschiedenen Materialien können im Rahmen der Erfindung verwendet werden.

Eine grundlegende Forderung für alle Elektrolysezellen ist die, den Elektrolysespalt, d. h. den Abstand zwischen der Anodenoberfläche und der Kathodenoberfläche möglichst klein zu halten, da mit zunehmendem Elektrodenabstand die Energieverluste wegen des hohen elektrischen Widerstands der Elektrolytflüssigkeit stark anwachsen.

Da die Produktionsrate von Elektrolysezellen begrenzt ist, bestehen großtechnische Anlagen aus einer Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Zellen. Für die elektrische Verbindung der Zellen werden Stromschienen aus einem gut leitenden Material, z. B. Kupfer oder Aluminium, benutzt. Die spezifische Belastung, d. h. die Stromstärke pro Querschnittseinheit, dieser Stromschienen unterliegt einer technischen Begrenzung, da nach den Gesetzen der Physik die Temperatur eines elektrischen Leiters mit zunehmender spezifischer Belastung ansteigt und auch der Energieverlust durch den Leiterwiderstand zunimmt. Da Elektrolysezellen bei hohen Stromstärken betrieben werden, sind entsprechend große Stromschienen-Querschnitte erforderlich. Für eine Zellenanlage mit einer Belastung von 200 kA müßte z. B. der Gesamtquerschnitt der Stromschienen jeder Zellenverbindung bei Ausführung in Kupfer eine Größenordnung von 1 000 cm² besitzen. Innerhalb der Elektrolysezelle wird die Stromverbindung von den Stromschienen zu den Anoden- und Kathodenoberflächen durch eine Anoden- bzw. Kathodenstruktur hergestellt, die ebenfalls aus Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit besteht.

Aus den obigen Gründen müssen auch die Anoden- und Kathoden-Strukturen in ihren Querschnitten der Zellen-Stromstärke angepaßt werden. Da der Gesamtaufwand für das Leitermaterial durch das Produkt Leiterquerschnitt χ Leiterlänge bestimmt wird, und der Leiterquerschnitt bei vorgegebener Zellenstromstärke aus den erwähnten Grün-

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den festliegt, ist eine weitere grundlegende Forderung für Elektrolysezellen, daß zur Begrenzung des Aufwandes an Leitermaterial die Gesamtleiterlänge der Zellenanlage möglichst klein gehalten wird. In herkömmlichen Anlagen erreicht man dies dadurch, daß man die Zellen in einer Reihe ausrichtet und den Abstand der Zellen in einer Reihe niedrig hält. Ganz allgemein kann dieses Prinzip des kürzesten Stromweges dadurch gekennzeichnet werden, daß die Verringerung des Aufwandes an Leitermaterial und die Verringerung der Verluste an elektrischer Energie die Verringerung des Mittenabstandes der in einer Reihe aufgestellten Elektrolysezellen notwendig macht.

Ein Mittel zur Begrenzung des Mittenabstandes von benachbarten Zellen besteht darin, den freien Zwischenraum zwischen den Zellen auf ein Minimum zu bringen. Diese Methode ist für herkömmliche ■Elektrolyseanlagen üblich. Der Mittenabstand der Elektrolysezellen kann aber auch dadurch verringert werden, daß man die Zellenbreite, d. h. die Erstreckung der Zelle in Richtung der Zellenreihe, wie es in der Fig. 1, 2 u. 3 dargestellt ist, möglichst klein hält.Da zur Aufrechterhaltung der herkömmlichen Produktionsrate einer Zelle eine bestimmte Anzahl von Elektrodenelementen installiert werden muß, deren Platzbedarf dem Produkt aus der Zellenbreite χ der Zellenlänge entspricht (wobei als Zellenlänge die Ausdehnung der Zelle in senkrechter Richtung zu der Richtung der Zellenreihe verstanden wird, was ebenfalls aus den Fig. 1, 2 und 3 hervorgeht) , muß bei Verkleinerung der Zellenbreite die Zellenlänge umgekehrt proportional vergrößert werden.

Das Prinzip des kürzesten Stromweges führt demnach zur Forderung nach Elektrolysezellen, deren Seitenverhältnis Zellenlänge zu Zellenbreite möglichst groß ist.

Bei Zellen mit horizontal angeordneten oder geneigten Elektroden bestehen keine besonderen Schwierigkeiten, diese für ein großes Seitenverhältnis auszulegen. So liegt bei vielen Ausführungen

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der bekannten Quecksilberzellen, die zur Herstellung von Chlor und NaOH dienen, das Seitenverhältnis bei 8 bis 10 oder noch höher.

Bei den bekannten Zellen mit vertikalen Elektroden, insbesondere bei den bekannten Diaphragmazellen zur Herstellung von Chlor und NaOH, ist dagegen der Zellengrundriß entweder ein Quadrat oder ein Rechteck mit einem niedrigen Seitenverhältnis. Einer wesentlichen Vergrößerung des Seitenverhältnisses stehen bei Vertikalelektroden-Zellen prinzipielle Schwierigkeiten gegenüber. Je mehr die Zellenlänge gesteigert wird, um so mehr Anoden- und Kathoden-Elemente müssen alternierend hintereinander in einer Längsrichtung der Zelle angeordnet werden. Gleichzeitig muß, wie oben bereits ausgeführt wurde, der Abstand zwischen benachbarten Anoden- und Kathoden-Elementen möglichst klein gehalten werden.

Da der Anodenteil und der Kathodenteil einer Zelle in getrennten Fertigungsprozessen, meistens sogar in verschiedenen Betrieben hergestellt werden und jeder Fertigungsprozeß unvermeidbare Dimensionstoleranzen ergibt, ist eine völlige Maßübereinstimmung zwischen Anodenteil und Kathodenteil nicht zu erreichen.

Da schon jedes einzelne Element der Anoden- und Kathoden-Teile eine Sollmaßabweichung besitzt, wird die gesamte Abweichung der Anoden- und Kathoden-Teile von der theoretischen Abmessung notwendigerweise mit der Anzahl der in Reihe angeordneten Elektrodenelemente zunehmen. Die zunehmende Abweichung von den theoretischen Abmessungen der Anoden- und Kathoden-Teile bei steigender Zellenlänge kann zu einem beträchtlichen Unterschied des Abstandes zwischen einem Anodenteil und einem benachbarten Kathodenteil beim Zusammenfügen beider Teile führen. Hierdurch wird in jedem Fall der Elektrolyseprozeß ungünstig beeinflußt. Ferner kann der Abstand so klein werden, daß die Trennwand keinen Platz mehr findet, oder daß die Anoden- und Kathoden-Teile sich beim Zusammenfügen berühren.

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Eine weitere Begrenzung hinsichtlich dieser Stromstärke und der Produktionsrate wird bei herkömmlichen Zellen mit vertikalen Anoden durch die starken Magnetfelder im Zellenbereich gegeben, die beträchtliche Kräfte auf sämtliche Zellenteile ausüben, die aus magnetischem Material, wie Eisen, Stahl, legiertem Stahl etc., bestehen.

Diese Magnetkräfte können den Betrieb einer Elektrolyseanlage folgenschwer stören. So wird beim Auswechseln einer Zelle der Kran neben der Zellenlast zusätzlich durch beträchtliche Magnetkräfte der benachbarten Zellen belastet. Ferner versucht die frei am Kran schwebende Zelle sich in Richtung des Gradienten des Magnetfeldes auszurichten, was zu unvorhersehbaren und gefährlichen Bewegungen der Zelle führen kann. Zusätzlich können auch irgendwelche aus magnetischem Material bestehende Einzelteile, wie Stahlschrauben, Bolzen, Klammern, Rohranschlüsse etc. nur unter entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen an den Zellen montiert oder demontiert werden.

Durch die Erfindung wird eine neue Elektrolysezelle geschaffen, welche die Nachteile und Schwierigkeiten der bekannten Zellen überwindet. Die neue Elektrolysezelle umfaßt einen neuen Kathodenbehälter, eine neue Kathodenstromschienenanordnung, neue Kathodenelemente mit schachtelartigem Aufbau und einem neuen Anodenteil.

Der neue Kathodenbehälter umfaßt vier Wände, die ein Rechteck bilden, wobei die Länge oder die Seitenwände des Behälters mindestens doppelt so lang ist bzw. sind wie die Breite oder die Stirnwände des Behälters. Die stromabführende Seitenwand des Behälters ist aus einem leitenden Material gefertigt und ist mit mindestens einer den Strom von der Kathode abführenden Stromschiene versehen. Der Kathodenbehälter enthält eine Vielzahl von Kathodenelementen. Die neue Kathodenstromschienenanordnung umfaßt die genannte Seitenwand aus leitendem Metall und die den Strom führende Kathodenstromschiene. Diese den Strom von der Kathode abführende Stromschiene kann als Laufgang oder Unterstützung dafür dienen.

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— ο ~~

Der neue Kathodenbehälter und die neue Kathodenstromschienenanordnung ermöglichen eine äußerst wirtschaftliche Nutzung der Anlage, wobei insbesondere die Menge des in der Kathodenstromschienenanordnung verwendeten leitenden Materials vermindert wird. Der Aufbau und die verschiedenen relativen Abmessungen der stromabführenden Stromschiene oder Stromschienen vermindern die Menge des in der Kathodenstromschiene oder den Kathodenstromschienen erforderlichen leitenden Metalls in erheblichem Umfang dadurch, daß ihr Aufbau und ihre verschiedenen relativen Abmessungen so angepaßt sind, daß sie eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte über die Kathodenstromschienenanordnung sicherstellen.

Die neue Kathodenstromschienenanordnung kann mit Einrichtungen zum Anschluß eines überbrückungsschalters versehen sein, wenn eine Nachbarelektrolysezelle abgeschaltet und aus dem elektrischen Stromkreis herausgenommen wird.

Der schachtelartige Aufbau der neuen Kathodenelemente, die elektrisch leitende Metallstütz- oder Verstärkungseinrichtungen aufweisen, besteht vorzugsweise aus zwei parallel angeordneten Lochblechen mit rechtwinkliger Bördelung an beiden Längsseiten, die die nach der Montage an beiden Seiten offene Schachtel bilden.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Lochbleche dadurch montiert, daß man sie an Distanzstücke anschweißt, die im wesentlichen senkrecht zwischen den Lochblechen angeordnet sind und die Form von geraden Blechen aufweisen, die sägezahnartige Ränder besitzen. Das Anschweißen erfolgt vorzugsweise durch Widerstandsschweißung, wodurch ein besonders gleichmäßiger Sollabstand zwischen den Lochplatten erreicht wird.

Die Distanzstücke können zweckmäßig in ihrem Querschnitt in Stromfließrichtung der zunehmenden Stromdichte angepaßt sein und stehen in leitender Verbindung mit der leitenden Metallseitenwandung des

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Kathodenbehälters, die mit mindestens einer den Strom von der Kathode abführenden Stromschiene versehen ist.

Der neue Anodenteil gemäß der Erfindung umfaßt vorzugsweise einen Zellenboden, in dem Löcher zur Aufnahme von Anodenbolzen vorhanden sind, eine korrosionsfeste, den Boden bedeckende Schicht, in der Löcher vorgesehen sind, die den Löchern des Bodens entsprechen und die zur Aufnahme einer elastischen Dichtung zwischen den Anodenbolzen und der Schicht angepaßt sind und in den Löchern montierte Metallanöden, die aus auf den Anodenbolzen montierten Anodenplatten aus einem Ventilmetallsubstrat bestehen, auf dem elektrischleitende überzüge abgeschieden sind. Die Anodenbolzen sind mit einem Kragen zur Einführung einer elastischen Dichtung zwischen die Anodenbolzen und den Boden und zum vertikalen Ausrichten der Anoden versehen. Der Bereich der Anodenbolzen, der sich unterhalb des Kragens und durch den Boden erstreckt, kann elektrisch gegen den Boden isoliert an diesem befestigt sein, so daß kein elektrischer Strom von den Anodenbolzen in den Boden fließt. Die Anodenbolzen sind unter dem Boden elektrisch mit Anodenstromschienen verbunden, die mit der den Strom aus der Kathode der benachbarten Zelle abführenden Stromschiene verbunden sind.

Der Kathodenbehälter der Elektrolysezelle besitzt zweckmäßig einen an seinem Umfang verlaufenden Kanal zur Führung der Gase.

Die Länge oder die Seitenwand des Behälters ist mindestens doppelt so groß wie die Breite oder die Stirnwand.

Die leitende Metallseitenwand der Elektrolysezelle kann aus Kupfer bestehen.

Zum Zwecke eines besseren Stromflusses können auch die leitende Metallseitenwand und die stromabführende Stromschiene gemeinsam aus Kupfer gefertigt sein.

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Bei einer anderen Ausführungsform kann die leitende Seitenwand aus Verbundmetall bestehen, z.B. aus Kupfer und Stahl oder Aluminium und Stahl.

Die elektrisch leitenden Metallstütz- oder Verstärkungseinrichtungen können ebenfalls aus Verbundmetallen bestehen. Um einen guten Kontakt zu erreichen, wird die Verbundmetallstruktur zweckmäßig durch Explosionsschweißen hergestellt.

Um einen guten Kontakt zwischen den Distanzstücken der Kathodenelemente und den Lochblechen zu erhalten und um ein Zusetzen der Löcher in den Lochblechen zu verhindern, ist es vorteilhaft, die Distanzstücke mit einer Teilung auszuführen, die sich von der Teilung der Löcher der Lochbleche unterscheidet und die Zähne der Distanzstücke mit einem rechteckigen Querschnitt auszuführen, wobei eine Seite langer und die andere Seite kürzer als der Lochdurchmesser der Lochbleche ist.

Die Distanzstücke sind in üblicher Weise mit den Stromabnehmern verbunden. Die Stromabnehmer sollten schmaler sein als die Innenweite der Kathodenelemente.

Der Querschnitt der Stromabnehmer nimmt vorzugsweise zu der leitenden Metallseitenwandung hin zu.

Zur Vereinfachung des Zusammenbaus der Zelle sind die Löcher im Boden so dimensioniert, daß sie die Anodenbolzen aufnehmen und eine individuelle Ausrichtung jeder Anode in bezug auf den ihr zukommenden Anodenraum ermöglichen.

Zur gleichmäßigen Ausrichtung der Metallanoden werden auf der Oberseite der Anoden ein oder mehrere Abstandshaltebleche, zweckmäßigerweise aus Ventilmetall, montiert.

Die Merkmale der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Zellen ermöglichen die Überwindung der wesentlichen Einschränkungen und Nachteile, die bei herkömmlichen Zellen mit

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vertikalen Elektroden vorliegen. Während herkömmliche Elektrolysezellen in ihrer Länge auf etwa 2 bis 3 m beschränkt sind, kann die erfindungsgemäße Zelle ohne Beeinträchtigung des Elektrolysevorgangs für Längen von 3 bis 8 m oder darüber ausgelegt werden. Die erfindungsgemäße Zelle kann dementsprechend mit einer wesentlich größeren Anzahl von Anoden- und Kathoden-Elementen versehen und damit bei wesentlich höheren Stromstärken und Produktionsraten betrieben werden. Die in der folgenden Tabelle II angegebene Gegenüberstellung zeigt einige Beispiele für die Auslegungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Zelle hinsichtlich der Anzahl und der Anordnung der Anodenelemente im Vergleich zu einem herkömmlichen Zellentyp und zwei früher vorgeschlagenen Zellentypen für die Chloralkali-Elektrolyse.

	Tabelle	,6	150	II	,0	erfindungsgemäße	,9	200	,6	300	Zelle	,6
	Verqleichs-	,9	75		,2	100	,2	100	,2	150	400	,2
Stromstärke kA	80	,2	3	-Zelle	,1	50	,7	2	,6	2	200	,1
Anodenanzahl	40		25	200		1		50		75	2
Anzahl der Reihen	2		2,3	100		50		1		I» 6	100
Anoden pro Reihe	21	2,2	4		0	4	6,2	1
Zellenbreite (m) ca.	1	1,0	25		4	2	3,9	8
Zellenlänge (m) ca.	1		3		4			5
Seitenverhältnis	1	68	2			48	48
Stromstärke je m Zel		0		24			49
lenlänge (kA/m)	42
		91

Chlorproduktion (t/Tag) 2,4 4,5 6,0 3,0 6,0 9,0' 12,0

Der Vergleich zeigt,daß die neue Zelle durch Vergrößern der Zellenlänge auf etwa 8,2 m für Stromstärken bis zum 400 kA und Chlorproduktionen bis zu 12 t pro Tag ausgelegt werden kann, während frühere Zellen bei begrenzter Zellenlänge von ca. 2,2 m maixirial bei 200 kA betrieben werden können und 6 t Chlor pro Tag ergeben.

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Die Physik lehrt, daß die durch eine bestimmte Stromstärke hervorgerufenen Magnetkräfte umso stärker sind, je mehr der elektrische Strom auf die Achse der Hauptstromrichtung, d. h. hier auf die Richtung der Zellenreihe, konzentriert ist. Bei herkömmlichen Elektrolysezellen ist aber wegen der Begrenzung der Zellenlänge die Stromkonzentration auf die Zellenreihenachse wesentlich größer als bei der erfindungsgemäßen Zelle. Zahlenmäßig kann diese Konzentration durch den pro m der Zellenlänge transportierten Strom ausgedrückt werden. Aus der Tabelle II geht hervor, daß diese Stromkonzentration bei der neuen Zelle, selbst bei einer Zellenbelastung von 400 kA, noch unter 50 kA/m liegt, während bei früheren Zellen schon bei einer Zellenbelastung von 200 kA eine Konzentration von ca. 90 kA/m auftritt. Die erfindungsgemäße Zelle zeichnet sich somit auch dadurch aus, daß der störende Einfluß der Magnetkräfte, selbst bei höchsten Stromstärken, wesentlich weniger in Erscheinung tritt als bei bekannten Vertikalelektroden-Zellen, die bei niedrigeren Stromstärken betrieben werden. Die erfindungsgemäße Zelle trägt somit auch zur Verbesserung der Betriebssicherung während der notwendigen Wartungs- und Montagearbeiten innerhalb der Zellenanlage bei.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann für eine Vielzahl verschiedener Elektrolyseprozesse angewandt werden. Die Elektrolyse wäßriger Alkalimetallchloridlösungen ist jedoch von besonderer Bedeutung und daher wird die erfindungsgemäße Elektrolysezelle genauer mit Hinblick auf diesen Prozeß beschrieben werden. Hierdurch soll jedoch keine Beschränkung der Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle herbeigeführt werden.

Die Erfindung sei im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine dreireihige Zelle.
Fig. 2 zeigt eine zweireihige Zelle.

Fig. 3 zeigt eine einreihige Zelle.

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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Anodenteil. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Kathodenteil.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Zelle einschließlich des Anodenteils, des Kathodenteils und des Zellendeckels.

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch den Kathodenteil der Zelle.

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch den Anodenteil der Zelle.

Fig. 9 zeigt einen Längsschnitt der Zelle einschließlich Anodenteil, Kathodenteil und Zellendeckel.

Fig.10 zeigt die Einzelteile des Kathodenelements.

Fig.11 zeigt ein Detail des Verschweißens der Kathodenelemente.

Fig.12 zeigt das fertige Kathodenelement. .

Fig. 13 zeigt eine Gruppe von Kathodenelementen, die entsprechende, dazwischenliegende Anodenräume bilden.

Fig.14 und 15 zeigen ein Abstandshalteblech und das Oberteil einer Anode mit einem entsprechenden Endstück.

Fig.16 zeigt eine Gruppe von Anoden mit dem Abstandshalteblech und die Methode der Montage.

Fig. 17 zeigt Befestigungsmöglichkeiten der Anoden an dem Zellenboden und den Stromschienen.

Fig. 18 zeigt eine andere Möglichkeit der Befestigung der Anoden an dem Zellenboden und den Stromschienen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils in schematischer Weise Draufsichten auf je eine dreireihige, zweireihige und einreihige Zelle mit gleicher Anzahl der Anoden 1 , die für die gleiche Strombelastung und die gleiche Produktionsrate ausgelegt sind.

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Die Pfeile 2 stehen für eine Einheit des elektrischen Stroms. Der Vergleich verdeutlicht, daß mit zunehmender Zellenlänge die Stromkonzentration geringer und der Stromweg kürzer werden. Der Vergleich zwischen einer zweireihigen und einer dreireihigen Zelle, die beispielsweise für eine Strombelastung für 200 kA ausgelegt sind, ergibt sich auch aus der Tabelle II.

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, wird der elektrische Strom über die Anodenstromschiene 3 und den Anodenbolzen 4 zu den Anodenplatten 5 geleitet. Die Anodenbolzen sind im Boden 6 befestigt und in ihm elektrisch isoliert. Dieser Anodenträger dient gleichzeitig als Zellenboden und ist mit einer Korrosionsschutzschicht 7 bedeckt.

Aus Fig. 5 ist zu erkennen, daß der elektrische Strom aus den Anodenplatten 5 durch den Elektrolyten über eine Trennwand 8c in die Lochplatten 8 des Kathodenelements fließt. Von diesen Platten wird der Strom über die Distanzstücke 9 und die Stromsammler 10 zu der leitenden Metallseitenwand 11 geführt, deren unterer Teil in der den Strom aus der Kathode abführenden Stromschiene 12 endet. Die Kathodenelemente 17 sind über die Distanzstücke 9 mit der Seitenwand 26 verbunden.

Die Fig. 6 verdeutlicht die Montage der Zelle, die aus den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Elementen und dem Zellendeckel 13 und dessen Dichtung 14 besteht. Ferner sind der Stromfluß zu den benachbarten Zellen und die Dichtung 15 gezeigt, die zwischen dem Zellenboden und dem Kathodenbehälter eingeführt ist.

Die Anodenstromschienen 3 bestehen vollständig oder teilweise aus flexiblen Leitern. Diese Auslegung ermöglicht es, daß die an den Anodenbolzen festgeschraubten Anodenstromschienen beim Festschrauben oder Nachziehen der Anoden mittels der Schraube 38 der Bewegung der Anodenbolzen folgen können.

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Ferner wird die elektrische Verbindung und Trennung zu den Nachbarzellen durch Hochklappen der Enden der Anodenstromschienen (in der Fig. 6 gestrichelt wiedergegeben) wesentlich erleichtert. Die Flexibilität verhindert zudem den Aufbau von Spannungen zwischen den Anodenstromschienen und den Anodenbolzen, die z.B. durch unterschiedliche thermische Ausdehnung des Zellenbodens und der Anodenstromschienen entstehen könnten. Die Flexibilität der Anodenstromschienen gewährleistet zudem den Ausgleich der Montagetoleranzen in bezug auf die Nachbarzellen, wodurch die Herstellung der elektrischen Verbindungen und der Einbau einer neuen Zelle in eine Zellenreihe erleichtert werden.

Der Boden ist mit stromisolierten Verschraubungen 16 so an dem Kathodenbehälter befestigt, daß

kein Strom von dem Kathodenteil zum Anodenteil fließen kann.

Die isolierende Verschraubung 16 des Zellenbodens 6 verhindert Kriechströme zwischen dem Anodenteil und dem Kathodenteil. Herkömmliche Zellen, die diese doppelte Isolierung nicht besitzen, können nicht in so vollkommener Weise gegen mögliche Kriechströme geschützt werden. Es ist bekannt, daß Kriechströme sowohl eine elektrochemische Korrosion als auch elektrische Energieverluste verursachen.

Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch den Kathodenteil der Zelle, die eine Vielzahl von Kathodenelementen 17 aufweist.

In Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch den Anodenteil wiedergegeben, der eine Vielzahl von Anoden 5 und Anodenstromschienen 3 aufweist.

In Fig. 9 ist ein Längsschnitt durch die montierte Zelle dargestellt und zeigt die in den Fig. 7 und 8 wiedergegebenen Teile, den Deckel der Zelle und die Anschlüsse für den Anolyt 18, den Katholyt 19, das Anodengas 20 und das Kathodengas 21. Das aus den Kathodenelementen austretende Kathodengas sammelt sich in der Umfangskammer 27.

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Der Kathodenteil der Zelle ist mit üblichen Pratzen 22, der Verstellschraube 23 und dem Isolator 24 versehen. Die Pratzen 22 sind an den beiden Stirnwänden 25 befestigt. Demzufolge ist der Kathodenbehälter so ausgelegt, daß er das gesamte Betriebsgewicht der Zelle aufnimmt.

Die beiden Stirnwände 25 bilden zusammen mit der Seitenwand 26 und der leitenden Metallseitenwand 11 den rechteckige Wände aufweisenden Kathodenbehälter. Lediglich die leitende Metallseitenwand 11 muß notwendigerweise aus einem leitenden Metall hergestellt sein. Das leitende Metall sollte eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen und ausreichend gegen Korrosion geschützt sein. Die drei anderen Wände müssen keine stromleitenden Eigenschaften besitzen. Sie können auch aus irgendeinem geeigneten nichtleitenden Material gefertigt sein.

In der Fig, 10 sind die verschiedenen Teile des Kathodenelements wiedergegeben. Sie bestehen aus den Lochplatten 8a und 8b, den dazwischenliegenden Distanzstücken 9 und den mit diesen Distanzstücken verbundenen Stromsammlern 10.

In der Fig. 11 ist eine detaillierte Ansicht der Verbindungsstelle 28 zwischen dem Distanzstück und den Lochplatten wiedergegeben, die erfindungsgemäß vorzugsweise durch Widerstandsschweißen unter Anwendung von mechanischem Druck gebildet wird, wodurch das Sollmaß 29 erreicht wird.

Die Form der Zähne der Distanzstücke ist dem genannten Widerstandsschweißprozeß angepaßt.

Zusätzlich gewährleistet die besondere Konstruktion dieser Zähne einerseits einen guten Stromübergang von den Lochplatten zu den Distanzstücken, während andererseits die zahlreichen Zwischenräume zwischen den Zähnen ein ungestörtes Strömen der in den Kathodenelementen gebildeten Laugenlösung und des Wasserstoffs ermöglichen, wodurch der Wasserstoff frei nach oben strömen kann, wo er sich dann in der Umfangskammer 27 sammelt, während die

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Lauge zu den Zellenseiten laufen kann und sich dort ansammelt.

Die Zähne besitzen vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt, der so ausgelegt ist, daß eine Rechteckseite größer ist als der Lochdurchmesser in den Lochplatten, während die andere Rechteckseite kleiner ist als dieser Lochdurchmesser.

Die Teilung der Zähne wird vorzugsweise so ausgelegt, daß sie ungleich der Lochteilung in den Lochplatten ist. Durch diese bevorzugte Gestaltung der Zähne wird erreicht, daß einzelne Löcher der Lochplatte beim Verschweißen durch die Zahnenden nicht vollständig überdeckt werden können, und daß nicht alle Zähne eines Distanzstückes mit sämtlichen öffnungen einer Lochreihe zur Deckung kommen können.

Wenn die Distanzstücke in der beschriebenen Weise ausgeführt sind, ist eine einwandfreie automatische Verschweißung möglich, ohne daß die Funktion der Löcher als Durchlässe für die Laugenlösung und den Wasserstoff gestört wird.

Die besondere Gestaltung der Distanzstücke ermöglicht in Verbindung mit dem automatischen Verschweißen dieser Stücke mit den Lochblechen eine äußerst genaue Herstellung der Kathodenelemente und ergibt damit eine weitere wesentliche Verbesserung der erfindungsgemäßen Zelle.

Die Fig. 11 zeigt die Verbindung 3 0 zwischen dem Distanzstück und dem Stromsammler, die erfindungsgemäß vorzugsweise durch Explosionsschweißen hergestellt wird.

Der Aufbau des gesamten Kathodenelements ist in der Fig. 12 wiedergegeben, während die Fig. 13 die Montage einer Vielzahl von Kathodenelementen wiedergibt. Dieser Aufbau zeigt die Bildung der Anodenkammern 31 zwischen den Kathodenelementen, die zwangsläufig durch die besondere Konstruktion der zwei Loch-

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platten der Kathodenelemente gebildet wird.

In den Fig. 14 und 15 sind die Abstandshaltebleche 3 2 zum Ausrichten der Anoden und der Endstücke 33 für die Verbindung der Elemente 32 und 33 gezeigt.

Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Konstruktion in bezug auf die einzelne Ausrichtung der Anoden wird durch die Fig. 16 verdeutlicht. Sämtliche Anoden einer Reihe werden durch das Abstandshalteblech 32 zwangsläufig parallel ausgerichtet und festgehalten.

Bei dem endgültigen Anziehen der Anodenmutter 38 verhindern die Abstandshaltebleche jegliches Verdrehen der Anoden, wodurch der Montagevorgang wesentlich erleichtert wird. Auch während des Betriebes der Zelle ist es möglich, die Anodenmutter 38 weiter anzuziehen.

Dies ist immer dann erforderlich, wenn durch natürliche Alterung die Wirkung der Dichtungen nachläßt. Bei herkömmlichen Zellen muß dagegen zur Beseitigung von Undichtigkeiten an den Anodenbefestigungen die Zelle außer Betrieb genommen und geöffnet werden, damit beim Nachziehen der Anodenmutter von der Innenseite der Zelle aus eine Gegenkraft mittels eines Schraubenschlüssels oder eines ähnlichen Werkzeugs an der betreffenden Anode angreifen und die korrekte Anodenstellung nach dem Nachziehen kontrolliert werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Befestigung der Anodenelemente stellt somit für Elektrolysezellen mit vertikaler Elektrode eine Verbesserung hinsichtlich der exakten Ausrichtung der Anodenelemente, der Montage der Zelle, des kontinuierlichen Zellenbetriebes und des Wartungsaufwandes dar.

Die Abstandshaltebleche müssen aus einem Material hoher mechanischer Festigkeit gefertigt sein, da sie beim Festziehen der Anodenelemente erhebliche Kräfte aufnehmen müssen. Das Material muß ferner gegenüber den in dem Anodenraum vorhandenen Produkten

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korrosionsbeständig sein. Im allgemeinen wird jedes Material diese Bedingungen erfüllen, das für die Anodenelemente geeignet ist, wobei im Fall der Chloralkali-Elektrolysezellen z.B. Ventilmetalle, wie beispielsweise Titan, Tantal oder Niob, eingesetzt werden.

Aus der Fig. 17 ist die Befestigung der Anodenbolzen 4 an den Boden 6 und den Anodenstromschienen 3 mittels der elektrischen Isolierung 34 und 35 gezeigt. Die exakte vertikale Ausrichtung der Anoden und das Anpressen der Dichtung 36 wird durch den besonders groß dimensionierten Kragen 37 sichergestellt, der mit der Mutter 38 gegen die Schicht 7 gepreßt wird. Diese Ausführungsform ermöglicht ein Nachziehen der Dichtung. Die elektrische Verbindung des Anodenbolzens mit der Anodenstromschiene wird erfindungsgemäß vorzugsweise über den Konus 3 9 erreicht. Dieser Kontakt hat sich als besonders zuverlässig erwiesen.

In Fig. 18 ist eine andere Möglichkeit der Befestigung der Anodenbolzen 4 am Boden 6 und an den Anodenstromschienen 3 ohne besondere elektrische Isolation zwischen den Anodenbolzen und dem Boden dargestellt.

Die neue Elektrolysezelle der Erfindung kann auch für viele andere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise können mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle Alkalimetallchlorate hergestellt werden, indem die gebildete Lauge und das Chlor außerhalb der Zelle weiter umgesetzt werden. In diesem Fall können Lösungen, die sowohl Alkalimetallchlorat als auch Alkalimetallchlorid enthalten, der Elektrolysezelle zur weiteren Elektrolyse rezirkuliert werden. Die Elektrolysezelle kann zur Elektrolyse von Salzsäure durch elektrolytische Behandlung von Salzsäure allein oder in Kombination mit einem Alkalimetallchlorid verwendet werden. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist daher für diese und für viele andere wässrigen Verfahren höchst geeignet.

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Claims

Patentansprüche

λ) Elektrolysezelle mit vertikalen Elektroden, umfassend einen Kathodenbehälter, eine Kathodenstromschienenanordnung, eine Vielzahl von Kathoden- und Anodenelementen, Behälterdeckel und Behälterboden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenbehälter vier ein Rechteck bildende Wände (11, 26, 25) aufweist, seine Seitenwände (11, 26) mindestens doppelt so lang wie seine Stirnwände (25) sind, die stromabführende Seitenwand (11) aus einem leitenden Material besteht und mit mindestens einer den Strom von der Kathode abführenden Stromschiene (12)versehen ist,

daß die Kathodenelemente (17) kastenartig mit einem Gasraum im Inneren aufgebaut sind und aus je zwei parallel angeordneten Lochplatten (8a, 8b) mit rechtwinkliger Bördelung und wenigstens einem dazwischen angeordneten, Durchbrüche aufweisenden Distanzstück (9), welches mit der stromabführenden Seitenwand (11) leitend verbunden ist, bestehen, daß die Metallanoden (1) aus Anodenplatten (5) bestehen, die an Anodenbolzen (4) befestigt sind, welche einen Kragen (37) aufweisen und sich unterhalb des Kragens durch Löcher im Zellenboden (6) erstrecken, unterhalb des Zellenbodens durch Befestigungseinrichtungen (38) befestigt und mit wenigstens einer Anodenstromschiene (3) leitend verbunden sind und zwischen Kragen (37) und Zellenboden (6) eine elastische Dichtung (36) angeordnet ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (9) aus einem geraden Blech mit Sägezahn-artigen Rändern an den Längsseiten besteht.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (9) durch Widerstandsschweißung mit den Lochplatten (8a, 8b) rechtwinklig derart

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verschweißt ist, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen den Lochplatten (8a, 8b) eingehalten wird.

4ν Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (9) mit einem Stromsammler (10) verbunden ist, dessen Querschnitt in Richtung auf die Seitenwand (11) derart zunimmt, daß der Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch die Kathodenelemente fließt.

5. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (9) und der Stromsammler (10) aus Verbundmetallen bestehen.

6. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundmetallstruktur aus Kupfer und Stahl besteht.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundmetallstruktur durch Explosionsschweißen gebildet ist.

8. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne eine andere Teilung aufweisen als die Löcher in den Lochplatten (8a, 8b).

9. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Zähne rechteckig ausgelegt ist, wobei eine Seite des Rechtecks länger, die andere Seite kürzer als der Durchmesser der Löcher in den Lochplatten (8a, 8b) ist.

10. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kathodenbehälters

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mindestens dreimal so groß ist wie seine Breite.

11. Elektrolysezelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kathodenbehälters mindestens viermal so groß ist wie seine Breite.

12. Elektrolysezelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Kathodenbehälters mindestens achtmal so groß ist wie seine Breite.

13. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Zelle mindestens 0/8 m und ihre Länge mindestens 4 m beträgt.

14. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kathodenelemente mindestens 50 beträgt.

15. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Seitenwand (11) aus Kupfer besteht.

16. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Seitenwand (11) und die stromabführende Stromschiene (12) aus einem Metallstück bestehen.

17. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschiene (12) als Laufgang zwischen den Zellen ausgebildet ist.

18. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenstromschiene (3) eine Mehrzahl flexibler Leiter umfaßt.

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19. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt zwischen dem Anodenbolzen (4) und der Anodenstromschiene (3) über eine konische Verbindung (39) erfolgt.

20. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Oberseite der Anoden (1) wenigstens ein Abstandshalteblech (32) befestigt ist.

21. Elektrolysezelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandshalteblech (32) aus einem Ventilmetall besteht.

22. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anoden und Kathoden durch eine spezielle Trennwand (8c) voneinander getrennt sind.

23. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle so ausgelegt ist, daß sie bei Stromstärken bis zu etwa 500 000 A betrieben werden kann.

24. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich über dem Zellenboden (6) eine korrosionsbeständige nichtleitende Schicht (7) befindet, welche Löcher aufweist, die mit den Löchern im Zellenboden (6) fluchten.

25. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenplatten aus einem Ventilmetallsubstrat, auf dem ein elektrisch leitender überzug angebracht ist, bestehen.

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26. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenboden (6) gegen die Anodenbolzen (4) und die Befestigungsmittel (38) isoliert ist.

27. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenbehälter in seinem oberen Bereich eine Umfangskammer (27) zur Gasführung aufweist.

28. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenboden (6) mit isolierenden Verschraubungen (16) am Kathodenbehälter befestigt ist.

29. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenbehälter das Betriebsgewicht der Zelle aufnimmt und von Pratzen (22) , die an den Stirnwänden (25) befestigt sind, getragen wird.

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