DE2923818A1

DE2923818A1 - Elektrodenabteil

Info

Publication number: DE2923818A1
Application number: DE19792923818
Authority: DE
Inventors: Tanzo Jizaimaru; Yasuo Sajima; Hideya Tanaka
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1978-06-14
Filing date: 1979-06-12
Publication date: 1979-12-20
Also published as: CA1127595A; GB2023181B; IT1121287B; NL7904322A; GB2023181A; FR2428683B1; US4272352A; DE2923818C2; FR2428683A1; IT7923523A0; JPS552704A; BE876923A; SE7905172L

Description

1A-29O1
A-2 20

ASAHI GLASS COMPANY LTD., Tokyo , Japan

Elektrodenabteil

§09851/083?

Die Erfindung betrifft ein Elektrodenabteil einer elektrolytischen Zelle vom Filterpreßtyp zur Elektrolyse von Alkalichlorid.

Es sind Elektrodenabteile bekannt, welche einen Rahmen mit einer Elektrolyteinspeisungseinrichtung umfassen, sowie einen Rahmen aus dem das elektrolysierte Produkt entlassen wird, sowie eine Elektrodeneinrichtung mit einer Elektrode und Stromzuführungsstangen für die elektrische Verbindung der Elektrode mit einer Stromquelle. Die Enden der Zuleitungsstangen sollten sich durch den Rahmen erstrecken und elektrisch mit der Stromquelle verbunden sein. Andererseits ist es bevorzugt, Rahmen mit geringerer Breite zu verwenden. Mit solchen Rahmen erhält man schmalere Elektrodenabteile. Dies hat den Vorteil einer Verringerung des Raumbedarfs der Einrichtung, einer Verringung des Gewichts der elektrolytischen Zellen, einer Senkung der Kosten für die Apparatur und einer Erhöhung der Effizienz bei gleicher Größe der elektrolytischen Zelle.

Andererseits bestehen bei Elektrodenabteilen mit der beschriebenen Elektrodeneinrichtung in den Rahmen besondere Strukturerfordernisse im Sinne einer raschen Entfernung des bei der Elektrolyse gebildeten Gases aus dem Elektrodenabteil heraus, so daß die elektrolytische Spannung durch dieses Gas nicht erhöht wird. Man hat zur Erreichung dieses Zwecks verschiedene Anordnungen von Zuleitungsstangen und Elektrolytströmungen ins Auge gefaßt. Man hat z. B. die Zuleitungsstangen im wesentlichen senkrecht zur Auftriebsströmung des Elektrolyten im Elektrodenabteil angeordnet, wobei der Elektrolyt durch den unteren Rahmen einströmt und wobei das Elektrolysenprodukt durch den oberen Rahmen entströmt. Bei einem solchen Elektrodenabteil müssen die Rahmen jedoch gewöhnlich einen solchen Aufbau haben, daß ihre horizontale Länge größer ist. Wenn nun aber die Zuleitungsstangen in wirtschaftlicher Weise ausgebildet werden sollen, da das Material für die Zuleitungsstangen teuer ist, so muß die Querschnittsfläche der Zu-

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leitungsstangen für den Stromfluß gering sein. Andererseits ist die Länge der Zuleitungsstangen für den Stromfluß groß wenn die Zuleitungsstangen in horizontaler Richtung in Rahmen mit einer größeren horizontalen Länge angeordnet werden. Demzufolge kommt es in den Zuleitungsstangen zu einem großen Spannungsabfall und die Effizienz der ElektrolytzeHe wird nachteiligerweise gesenkt.

Die Erfinder haben versucht, ein Elektrodenabteil zu schaffen, aus dem das entwickelte Gas rasch entfernt werden kann, ohne dabei die Breite der Rahmen zu erhöhen, wobei ferner die Art der Anordnung der Zuleitungsstangen,die Gestalt der Zuleitungsstangen und der Einbau der Zuleitungsstangen berücksichtigt werden muß.

Erfindungsgemäß wird ein Elektrodenabteil geschaffen, welches Zuleitungsstangen zur elektrischen Verbindung einer Elektrode mit einer Stromquelle umfaßt sowie eine an den Zuleitungsstangen in einer Elektrolysenkammer, welche von Rahmen umgeben ist, gehaltene Elektrode, sowie Einrichtungen zur Einspeisung eines Elektrolyten in einen unteren Rahmen und Einrichtungen zur Entnahme eines elektrolysierten Produkts aus einem oberen Rahmen unter Ausbildung einer Auftriebsströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer. Dabei sind die Zuleitungsstangen durch den Boden des unteren Rahmens in vertikaler Richtung eingesetzt und sie verlaufen im wesentlichen parallel zur Auftriebsströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer. Die Elektrode wird mechanisch durch die Zuleitungsstangen gehalten und zwar über Verbindungsorgane, welche an den Zuleitungsstangen befestigt sind und die Zuleitungsstangen elektrisch mit der Elektrode verbinden.

Bei diesem Aufbau des Elektrodenabteils kann der Nachteil eines hohen Spannungsabfalls vermieden werden und das Elektrolysenprodukt einschließlieh des Gases kann rasch durch Auftriebsströmung zuk oberen Rahmen hin durch diesen entnommen werden, ds Gie ZuIa itiingss tangs» vom Boden des- unteren Rahmens her

eingeführt sind. Im Falle von in horizontaler Richtung eingesetzten Zuleitungsstangen kann das Elektrolysenprodukt einschließlich des Gases nicht glatt im Wege einer Auftriebsströmung entnommen werden, da der Gasauftriebseffekt durch Störungen der Strömung durch die Zuleitungsstangen gemindert wird.

Erfindungsgemäß kann eine Steigerung der Elektrolysenspannung, hervorgerufen durch eine längere Verweilzeit des Gases, vermindert werden und der Zwischenraum zwischen den Elektroden kann leicht eingestellt werden, wenn man ein Paar Elektroden zu beiden Seiten der ZuIeitungsstangen hält und eine Beschädigung der Zuleitungsstangen beim Zerlegen der Elektrolysenzelle zum Zwecke einer Reparatur kann vermieden werden, da die Elektroden über Verbindungsorgane an diesen gehalten sind.

Das Elektrodenabteil kann als Anodenabteil mit einer Anode und als Kathodenabteil mit einer Kathode ausgebildet sein. Die Anodenabteile und die Kathodenabteile sind jeweils alternierend angeordnet und Membranen, z. B. Ionenaustauschermembranen oder Asbestdiaphragmen, sind jeweils zwischen benachbarten Abteilen angeordnet und die Rahmen für die Abteile werden aneinander befestigt unter Bildung einer Elektrolysenzelle vom Filterpreßtyp.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Dichtung zur Verbesserung des Packungseffekts neben der Membran angeordnet werden. Dies ist eine bevorzugte Maßnahme.

Durch das Einsetzen der ZuIeitungsstangen vom Boden des unteren Rahmens her in vertikaler Richtung müssen die Bus-Stangen unterhalb der Elektrolysenzelle angeordnet werden und somit ist es erforderlich, ein Auslecken des Elektrolyten in einem höheren Maße zu verhindern als

«η η ■ > κ ·ι / (j a --f ν

bei einem Aufbau, bei dem die Zuleitungsstangen in horizontaler Richtung angeordnet sind.

Versuche haben gezeigt, daß es bevorzugt ist, eine Dichtung zu verwenden, welche auf ihrer Oberfläche einen linearen Vorsprung aufweist, welcher bei der Befestigung deformiert wird. Diese ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung. Wenn man eine Ionenaustauschermembran als Membran vervjendet, so ist es bevorzugt, ein Abstandselement zwischen der Membran und der Elektrode anzuordnen, um einen Kontakt der Membran mit der Elektrode zu verhindern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 und 2 schematische Ansichten zweier Ausfürhungsformen des erfindungsgemäßen Elektrodenabteils;

Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A¹ der Fig. 1; Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie A-A" der Fig. 2;

Figur 5 eine schematische Teilansicht einer Zuleitungsstange mit einem aufgesetzten Befestigungsorgan;

Figur 6 einen Schnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 1, wobei jedoch in diesem Falle nur ein Teilbereich der Verbindungsorgane den oberen hohlen Rahmen berührt;

Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie A-A" der Fig. 2, wobei jedoch in diesem Falle nur ein Teilbereich der Verbindungsorgane den oberen hohlen Rahmen berührt;

Figuren 8,9 und 10 jeweils schematische Teildarstellungen abgewandelter Ausführungsformen von Zuleitungsstangen mit Verbindungsorganen.

Im folgenden soll anhand der Figuren 1 bis 8 der Aufbau des Elektrodenabteils erläutert werden. Gemäß den Figuren 1 bis 8 ist der das erfindungsgemäße Elektrodenabteil bildende Rahmen 1 vorzugsweise rechteckig ausgebildet mit einer Kammer im mittleren Bereich. Bei diesem Aufbau sind Ein-

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richtungen zur Einspeisung eines EIeIitrolyten 4 am unteren Rahmen ausgebildet und Einrichtungen zur Entnahme eines Elektrolysenprodukts 5 am oberen Rahmen. Die Einspeisungseinrichtung dient der Einspeisung des Elektrolyten von einer Stelle außerhalb der Rahmen für eine Elektrolysenzelle in das Innere der Rahmen. Die Entnahmeeinrichtung dient der Entnahme des Elektrolysenprodukts aus der Kammer in die Rahmen hinein und aus diesen heraus. Dies kann z. B. dadurch verwirklicht werden, daß man im Rahmen Löcher vorsieht. Es ist bevorzugt, einen hohlen Rahmen 1' zu verwenden, welcher einen Durchgang für die Einspeisung des Elektrolyten in die Elektrolysenkammer bildet, sowie für die Entnahme der Elektrolysenprodukte. Dabei erhält man kompakte Rahmen mit einer Einspeisungs- und Entleerungsfunktion und mit einem wesentlich herabgesetzten Gewicht.

Somit sollten zumindest der untere Rahmen und der obere Rahmen hohl sein. Am unteren Rahmen muß ein Einlaß 7 für die Einspeisung des Elektrolyten in den hohlen Bereich des unteren Rahmens vorgesehen sein. Ferner müssen Löcher 9 für die Einspeisung des Elektrolyten aus dem hohlen Bereich des unteren Rahmens in die Elektrolysenkammer vorgesehen sein. Andererseits muß der obere Rahmen Löcher 10 aufweisen für die Entnahme des elektrolysierten Produkts aus der Elektrolysenkammer und für den Eintritt dessselben in den hohlen Bereich des oberen Rahmens. Ferner muß der obere Rahmen einen Auslaß 8 aufweisen für die Entnahme des elektrolysierten Produkts aus dem hohlen Bereich des oberen Rahmens.

Das Elektrodenabteil umfaßt ein Paar Seitenrahmen 3, welche vorzugsweise ebenfalls hohl ausgebildet sind. Die Zuleitungsstangen 2 für die Zuführung des Stroms von Bus-Stangen zu der Elektrode sind vom Boden des Elektrodenabteils her eingesetzt. Sie erstrecken sich durch die Einrichtung zur Einspeisung des Elektrolyten 4 in die Elektrolysenkammer und reichen bis in die Nähe des oberen Rahmens. Die Zuleitungsstangen 2

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und die Elektrode 12 sind elektrisch und mechanisch über Verbindungsorgane 6 miteinander verbunden. Falls erwünscht, können die Zuleitungsstangen 12 bis zum oberen Rahmen hin reichen. Andererseits muß man jedoch, berücksichtigen, daß die Löcher 10 für das Ausströmen der Elektrolysenprodukte . : r \i.t Unterseite des oberen Rahmens gebildet sind und eine ua Γ- . -'hförntiqe Strömungsverteilung bewirken und die Zuleituti.j.-:t--tanken■ verringern die effektive Fläche der unteren Ob.= £ lache der oberen Rahmen. Somit ist es gewöhnlich nachteilig, die iiuleitungsstangen bis zur Unterseite des oberen Rahmens reichen zu lassen.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Schnittansichten eines Elektrodenabteils, bei dem die Zuleitungsstangen 2 den oberen Rahmen nicht direkt berühren. Nur ein Teil der Verbindungsorgane steht in Kontakt mit dem oberen Rahmen und die Zuleitungsstangen werden durch die Verbindungsorgane 6 gehalten. Die Verbindungsorgaine 6 weisen jeweils einen Hohlraum 15 ant j in den dia Zuleitungsstangen 2 eingesetzt sind. Fig, e entspricht dar Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die Zuleitungastangen 2 nicht bis zum oberen Rahmen hinreichen. Fig. 7 entspricht der Fig. 4 mit der Ausnahme, daß die Zuleitungsstangen 2 nicht bis zum oberen Rahmen hinreichen. Die Befestigungsorgane 6 bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 6 und 7 können den in den Figuren 8 und 10 gezeigten Aufbau haben. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 umgeben die Verbindungsorgane die Zuleitungsstangen. Ferner sind elektrische Verbindungsstreifen mit Löchern vorgesehen, welche mit dem Verbindungsorgan in Berührung stehen. Diese elektrischen Verbindungsstreifen stehen geringfügig nach oben vor, so daß nur der vorstehende Bereich der elektrischen Verbindungsstreifen den oberen Rahmen berühren kann. Die Ausführungsform gemäß Fig.10 entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 8, wobei jedoch das Verbindungsorgan 6 im Schnitt abgerundete Kanten zeigt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist der elektrische Verbindungsstreifen an einer Seite des Verbindungsorgans befestigt, welches die sich nicht bis zum oberen Rahmen erstrek-

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kende Zu Leitungsstange umgibt. Die Löcher in dem elektrischen Verbinduncjsstreifen erlauben einen horizontalen Durchtritt des Elektrolyten durch den Verbindungsstreifen. Bei der Ausführungsform der Figuren 6 und 7 wird die aus der Elektrolysenkammer zum oberen Rahmen hin gerichtete Strömung durch du ^ /luleitungsstangen 2 nicht gestört.

Man kaan feniäß E'ig. 3, falls ex wünscht, 3Le oberen Enden 11 der hohlen Sfitenrahmen offnem, so daß der Elektrolyt im oberen Rahmen durch die hohlen Seitenrahmen zum hohlen Bereich des unteren Rahmens strömen kann. Auf diese Weise wird der Elektrolyt im Kreislauf durch die Elektrolysenkammer geführt. Gewöhnlich ist jedoch das obere Ende 11 eines hohlen Seitenrahmens gemäß Fig. 4 verschlossen, so daß die elektrolysierten Produkte durch den Auslaß 8 ausströmen. Das entwickelte Gas wird in einem Gasflüssigkeitsseparator 14 am Auslaß 8 abgetrennt. Die abgetrennte Lösung strömt durch das obere offene Ende des anderen hohlen Seitenrahmens und wird somit im Kreislauf dar,::; die Elektrolysenkamnifc-r geführt. Dieser Aufbau ist aus '..,./enden Gründen bevorsugt;

Bei einer industriellen Elektrolysenzelle werden viele Elektrodenabteile dieses Aufbaus nebeneinander angeordnet. Gewöhnlich haben die aus diesen Elektrodenabteilen austretenden Lösungen nicht immer die gleiche Konzentration. Vielmehr weicht die Konzentration bis zu eine*!· bestimmten Grad ab. Es ist nun nicht bevorzugt, ijösinjeu uncferschiedlicher Konzentrationen im Kreislauf zu fähren, and zwar im Hinblick auf das Betriebsverhalten einer JüekLiGl/senzelle mit sxnec Vielzahl von Elektrodenabteilen. Es ist vieiraehr bevorzugt, die Lösungen, welche das Gas enthalten, und aus diesen Elektrodenabteilen austreten, in einem oder mehreren Gas-Flüssigkeits-Separatoren zu sammeln. Hierdurch wird eine gleichförmige Konzentration bei der Gas-Flüssigkeits-Trennung herbeigeführt. Die Lösung mit gleichförmiger Konzentration wird sodann auf die Vielzahl von Elektrodenabteilen aufgeführt und im Kreislauf zurückgeführt.

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Wenn die Elektrolysenzelle derart betrieben wird, daß Lösungen mit im wesentlichen gleichförmiger Konzentration aus der Vielzahl der Elektrodenabteile austreten, so kann man die oberen Enden 11 der hohlen Bereiche der Seitenrahmen öffnen, so daß die jeweilige Lösung eines jeden Elektrodenabteils gesondert im Kreislauf geführt wird.

Das Material aus dem die Rahmen bestehen, sollte in Bezug auf die Lösung und das mit den Oberflächen der Rahmen in Berührung kommende Gas korrosionsfest sein. Wenn man z. B. eine Elektrolysen-Zelle zur Elektrolyse von NaCl verwenden will, so sollten die Rahmen des Anodenabteil aus einem Material bestehen, welches gegenüber Chlor korrosionsfest ist, z. B. aus Titan oder aus mit Titan plattiertem Metall. Die Rahmen des Kathodenabteils sollten aus einem Material bestehen, welches alkalifest ist, wie Eisen, Edelstahl oder mit Eisen oder Edelstahl plattiertem Metall.

Die Zuleitungsstange ist eine lange Platte, welche die Elektrode hält und welche für den Stromfluß von der Stromquelle zur Elektrode sorgt. Die Zuleitungsstangen sind derart angeordnet, daß die Längsrichtung der Zuleitungsstangen im wesentlichen parallel zur Strömung der Lösung innerhalb der Elektrolysenkanuner verläuft. Zum Beispiel sind die Zuleitungsstangen parallel zu den Seitenrahmen des Elektrodenabteils angeordnet. Ein Ende einer jeden ZuIeitungsstange steht nach unten über den Boden des unteren Rahmens vor und ist mit einer Bus-Stange oder Sammelschiene für die Stromzufuhr verbunden. Die Bus-Stangen sind parallel zur Strömung der Lösung angeordnet. Da die Gestalt der Zuleitungsstangen die Form einer streifenförmigen Platte hat, kann die elektrische Verbindung mit dem Verbindungsorgan 6 vorteilhaft verwirklicht werden, und zwar im Vergleich zu der elektrischen Verbindung mit einer Zuleitungsstange in Form einer runden Stangen. Wenn man eine runde Zuleitungsstange verwendet, kann die elektrische Verbindung mit dem Verbindungsorgan nicht effektiv

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herbeigeführt werden, auch wenn man die unten erwähnten Maßnahmen anwendet.

Die Zuleitungsstangen sollten aus einem Material bestehen, welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat und gegenüber der Lösung und dem bei der Elektrolyse gebildeten Gas, mit denen die Zuleitungsstange jeweils in Berührung kommt, beständig ist. Man kann ein Material verwenden, welches erhalten wird durch Beschichtung eines elektrisch leitfähigen Materials mit einem korrosionsfesten Material. Zum Beispiel kann man als Zuleitungsstange eines Anodenabteils ein Material in Form eines elektrisch leitfähigen Metalls, wie Kupfer oder Aluminium verwenden und dieses mit einem chlorfesten Metall, wie Titan oder Platin beschichten. Andererseits kann man als Zuleitungsstange für das Kathodenabteil ein elektrisch leitfähiges Metall,wie Kupfer oder Aluminium verwenden, welches mit einem alkalifesten Metall beschichtet ist.

Es ist bevorzugt, auf dem elektrisch leitfähigen Metallsubstrat eine korrosionsfeste Metallschicht mit einer spezifischen gleichförmigen Dicke vorzusehen. Daher wird vorzugsweise eine Zuleitungsstange verwendet, welche mit einem korrosionsfesten Material belegt ist. Zur Herstellung einer solchen Zuleitungsstange wird das elektrisch leitfähige Metall nach herkömmlichen Verfahren mit einem korrosionsfesten Metall umhüllt, z. B. nach einem Schmiede-Schweißverfahren, durch Hartlöten, durch Schmieden, durch Oberflächenbeschichtung oder durch Explosionspreßbindeverfahren oder dgl.. Wie oben beschrieben liegt die Zuleitungsstange in Form einer langegestreckten Platte vor. Daher ist ein Heißdiffusions-Preßbindeverfahren bevorzugt, und zwar unter dem Gesichtspunkt vorzüglicher Herstellbarkeit, ausgezeichneter Bindeeigenschaften zwischen dem elektrisch leitfähigen Metall und dem korrosionsfesten Metall und großer Wirtschaftlichkeit. Bei dem Heißdiffusions-Preßbindeverfahren, welches erfindungsgemäß angewandt wird, werden zwei Arten von Metallen wie

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Kupfer und Titan oder Kupfer und Edelstahl im Vakuum bei

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einem Druck von weniger als 10 mmHg auf etwa 950 bis 1000 C erhitzt. Hierdurch wird eine Diffusion der Metallatome und Moleküle herbeigeführt. Dabei werden die beiden Metalle

2 unter einem Druck von z. B. 1 kg/mm zusammengepreßt. Auf diese Weise kann man eine korrosionsfeste Metallbeschichtung gleichförmiger Dicke auf dem elektrisch leitfähigen Substrat der Zuleitungsstange erhalten. Die Zuleitungsstange hat daher eine ausgezeichnete DimensionsStabilität. Man kann somit eine Zuleitungsstange mit den gewünschten Eigenschaften und der gewünschten Gestalt durch das Heißdiffusions-Preßbindeverfahren herstellen.

Die erfindungsgemäß verwendete Elektrode kann eine Metallelektrode mit einer hohen Leitfähigkeit sein, welche in Bezug auf die Lösung und das Gas, welche mit der Elektrode in Berührung kommen, korrosionsfest ist. Zum Beispiel kann als Anode ein Substrat aus einem der Metalle der Platingruppe, aus Titan oder aus mit einem Metall der Platingruppe beschichteten Titan bestehen. Die Kathode kann aus Eisen oder aus Edelstahl bestehen. Die Elektrode kann eine plattenförmig, eine netz-förmige, eine gitterförmige Gestalt oder dgl. haben. Es ist bevorzugt, eine netzförmige Elektrode zu verwenden, um das Anhaften des bei der Elektrolyse gebildeten Gases an der Elektrode zu verhindern und eine gleichförmige Stromdichte zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Elektrode an den Zuleitungsstangen durch Verbindungsorgane befestigt. Die Verbindungsorgane dienen der elektrischen Verbindung zwischen den Zuleitungsstangen und der Elektrode. Wenn die Elektrode eine solche Gestalt hat, daß ein Paar Elektrodenflächen einander über die Verbindungsstangen gegenüberliegen, so sollte der Zwischenraum zwischen den Elektroden je nach den Änderungen der Bedingungen der Elektrolyse eingestellt werden.

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Erfindungsgemäß kann der Zwischenraum zwischen den Elektroden leicht eingestellt werden durch Auswahl der Gestalt und Größe der Verbindungsorgane auch wenn die Dicke der Zuleitungsstangen stets konstant ist. Diese Verbindungsorgane werden in Längsrichtung auf die Zuleitungsstangen aufgesetzt und diese Verbindungsorgane werden an die Oberfläche der Elektrode angeschweißt.

Es ist bevorzugt, eine zweckentsprechende Anzahl Verstärkungsorgane 13 zwischen den Zuleitungsstangen anzuordnen. Diese Verstärkungseinrichtungen können aus dem gleichen Material bestehen, wie die Verbindungsorgane. Die Gestalt der Verstärkungseinrichtungen ist nicht kritisch. Vorzugsweise handelt es sich um dünne Platten. Wenn solche Verstärkungseinrichtungen an einem Paar Elektroden durch Schweißen oder dgl. befestigt werden, so wird das Elektrodenpaar mechanisch fixiert, so daß Vibrationen oder Biegungen der Elektroden aufgrund des hydraulischen Drucks oder dgl. vermieden werden.

Wie Fig. 5 zeigt, kann das Verbindungsorgan im Querschnitt einen hohlen Bereich 15 aufweisen, wobei dieser hohle Bereich 15 sich in Longitudinalrichtung (mit Plattengestalt) erstreckt und die Zuleitungsstange in diesen hohlen Bereich eingeführt werden kann. Es ist nicht optimal, das Verbindungsorgan in Form eines hohlen Verbindungsorgans vorzusehen. Vielmehr ist es günstiger, die in Fig. 5 gezeigte Struktur dadurch auszubilden, daß man die zu der Leitungsstange durch ein Heißdiffusions-Druckbindeverfahren mit einer dünnen Platte des Verbindungsorgans umhüllt. Das Paar Seitenplatten, welche senkrecht zur Richtung des Hohlraums verlaufen, werden vorzugsweise an dem Elektrodenpaar durch Schweißen oder auf andere Weise befestigt.

Die zusammengesetzten Elektroden sind bei den Enden der Verbindungsorgane am Rahmen befestigt. Die Zuleitungsstangen erstrecken sich über den Boden des unteren Rahmens nach unten heraus und sind mit der Bus-Stange außerhalb des Rahmens

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verbunden. Auf diese Weise ist das Paar von Elektroden mit einem spezifischen Zwischenraum fixiert und man erzielt eine effektive Einspeisung des Stroms. Der Zwischenraum zwischen dem Elektrodenpaar kann auf einen gewünschten Abstand eingestellt werden, indem man die Breite der Verbindungsorgane variiert oder indem man die Breite der verstärkenden Einrichtungen, falls diese vorhanden sind, variiert. Da das Paar der Elektroden mit einem spezifischen Zwischenraum angeordnet ist, bildet der Zwischenraum den Durchgang für den Auftrieb der Elektrolysenprodukte. Der Gasauftriebsefffekt durch das bei der Elektrolyse gebildete Gas kommt voll zur Geltung, so daß die Lösung und das Gas {Elektrolysenprodukt) rasch aufwärts strömen. Wenn in den Verbindungsorganen und in den verstärkenden Einrichtungen Löcher ausgebildet sind, so kann der Elektrolyt durch diese Löcher innerhalb der Elektrolysenkammer strömen, so daß die Strömung des Elektrolyten in horizontaler Richtung nicht unterbunden ist.

Wenn die Zuleitungsstangen die Gestalt langer Platten haben, mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, so ist das Verhältnis der Länge der Peripherie zur Querschnittsfläche größer als bei einer Stange mit rundem Querschnitt. Somit haben die erfindungsgemäßen Zuleitungsstangen bei gleicher Querschnittsfläche und gleicher Länge aufgrund des rechteckigen Querschnitts eine größere Kontaktfläche mit den Verbindungsorganen, so daß der elektrische Widerstand zwischen der Zuleitungsstange und dem jeweiligen Verbindungsorgan herabgesetzt ist. Falls erfindungsgemäß die Zuleitungsstange plattenförmig ausgebildet ist, kann man im Vergleich zu einer runden Stange bei gleicher Querschnittsfläche durch Verringerung der Dicke die Breite der Zuleitungsstange erhöhen. Wenn Zuleitungsstangen mit großer Breite derart angeordnet werden, daß ihre Längsrichtung im wesentlichen parallel zur Strömung der- Lösung verläuft, und daß ihre Breitenrichtung im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der Lösung verläuft, so erzielt man

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Vorteile im Sinne einer Verringerung von Störungen der Strömung der Lösung.

Wenn die Strömung der Lösung innerhalb der Elektrolysenkammer nicht gestört werden soll, so muß man im Falle von Zuleitungsstangen vom Typ der runden Stange den Durchmesser der runden Stangen verringern. Wenn der Durchmesser verringert wird, so sinkt auch die Querschnittsfläche der Zuleitungsstange und man muß zur Erzielung des gleichen Effekts die Zahl der Zuleitungsstangen erhöhen. Hierdurch wird der Vorgang des Einsetzens der Zuleitungsstangen zu einem mühevollen Vorgang und die Strömung der Lösung durch die Elektrolysenkammer wird wiederum durch die Anzahl der Zuleitungsstangen erhöht. Man erkennt somit aus obigen Tatsachen, daß Zuleitungsstangen in Form von streifenförmigen Platten erhebliche Vorteile haben. Derartig gestaltete Zuleitungsstangen können durch Heißdiffusions-Preßbindeverfahren hergestellt werden. Die dadurch erhaltenen Zuleitungsstangen haben vorteilhafte Charakteristika und sie sind leicht herstellbar und somit wirtschaftlich.

Erfindungsgemäß sind die Zuleitungsstangen und die Elektroden mechanisch und elektrisch über die Verbindungsorgane miteinander verbunden. Wenn die Elektrode sich während der Elektrolyse abnützt oder beschädigt wird und repariert werden muß, so kann diese leicht entnommen werden indem man die Verbindungen zwischen den Verbindungsorganen und der Elektrode unterbricht. Da die Elektrode nicht direkt mit den Zuleitungsstangen verbunden ist, kann eine Beschädigung der teuren Zuleitungsstangen bei der Trennoperation vermieden werden.

Das Substrat der Verbindungsorgane sollte eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ausgeprägte Korrosionsfestigkeit gegenüber der Lösung und dem Gas, die mit dem Verbindungsorgan in Berührung kommen, aufweisen. Das Verbindungsorgan für eine Anode kann aus mit chlorfestem Metall umhüllten Substraten

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bestehen, ζ. B. aus Kupfer oder Aluminium, welche mit Titan umhüllt sind. Andererseits kann das Verbindungsorgan für die Kathode aus Eisen oder Edelstahl bestehen oder aus einem Substrat aus Kupfer oder Aluminium, welches mit Eisen oder Edelstahl umhüllt ist.

Beispiel

Hohle rechteckige Rohre aus Titan mit den Querschnittsabmessungen 50 mm χ 50 mm χ 3 t werden unter Bildung eines rechteckigen Rahmens gemäß Fig. 4 (2,1 m χ 1,1 m χ 0,05 m) zusammengesetzt. Die längeren Seiten der Rahmen dienen als oberer und unterer Rahmen. Ein Seitenrahmen dient als hohler Durchgang für den Durchtritt des im Kreislauf geführten Elektrolyten vom Gas-Flüssigkeits-Separator zurück zum unteren Rahmen. Ein Einlaß für die Einspeisung des Elektrolyten führt in den hohlen Bereich des unteren Rahmens und feine Löcher für die Einspeisung des Elektrolyten in die Elektrolysenkammer vom hohlen Bereich des unteren Rahmens sind an der Innenseite des unteren Rahmens ausgebildet. Sechs Löcher für das Einsetzen von Zuleitxingsstangen sind mit im wesentlichen gleichem Zwischenraum am unteren Rahmen ausgebildet.

Ferner sind feine Löcher für den Durchtritt der Lösung und des Gases von der Elektrolysenkammer in den hohlen Bereich des oberen Rahmens ausgebildet und ein Auslaß für das Ausströmen der Lösung und des Gases aus dem hohlen Bereich des oberen Rahmens ist am oberen Rahmen ausgebildet. Ein Einlaß für die Rückführung des Elektrolyten vom Gas-Flüssigkeits-Separator ist in dem bereits erwähnten Seitenrahmen ausgebildet.

Es werden Zuleitungsstangen in Form von jeweils flachen Platten hergestellt. Hierzu wird ein Kupfersubstrat durch ein Heißdiffusions-Preßbindeverfahren mit Titan beschichtet

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(1,08m χ 0,041 m χ 0,01.3 πι). Diese Zuleitungsstangen werden in die sechs Löcher eingesetzt, so daß die flachen Flächen der Zuleitungsstangen parallel zu den Elektroden verlaufen und die Strömung des Elektrolyten innerhalb der Elektrolysenkammer hierdurch nicht gestört wird.

Es wird jeweils ein Verbindungsorgan in Form einer flachen Platte aus Titan (1,0 m χ 0,017 m χ 0,004 m) mit den flachen Flächen einer jeden ZuIeitungsstange verbunden. Auf diese Weise erhält man lineare Kontaktteile für die Zuleitungsstangen, welche sich in vertikaler Richtung erstrecken und der elektrischen und mechanischen Verbindung dienen. Ferner sind jeweils verstärkende Einrichtung aus Titan (1,0 m χ 0,047 m χ 0,004 m) vorgesehen. Diese sind zwischen benachbarten Zuleitungsstangen etwa mittig angeordnet. Eine Elektrode vom Netztyp aus mit Rutheniumoxid beschichtetem Titan (2,0 m χ 1,0 m) wird auf den Oberflächen der Verbindungsorgane gegenüber den Zuleitungsstangen befestigt. Dabei erhält man ein Anodenabteil. Kathodenabteile werden mit dem gleichen Aufbau hergestellt, wobei man jedoch den Rahmen aus Edelstahl herstellt und die Zuleitungsstangen aus mit Edelstahl beschichtetem Kupfersubstrat (durch Heißdiffusions-Preßverbindungsverfahren) herstellt. Die Verbindungsorgane und die verstärkenden Einrichtungen und die Elektrode bestehen aus Edelstahl.

Zur Herstellung einer Elektrolysenzelle vom Filterpreßtyp werden eine Vielzahl von Kathodenabteilen und Anodenabteilen alternierend angeordnet. Dazwischen werden Kationenaustauschermembranen vorgesehen. Die Rahmen der Anodenabteile und der Kathodenabteile werden aneinander befestigt. Die Kationenaustauschermembran wird jeweils zwischen dem Änodenabteil und dem Kathodenabteil über flache Dichtungen gehalten. Die Dichtungen bestehen aus EPDM. Sie wei_sen zwei Zeilen von dreieckförmigen Vorsprüngen auf. Die Dicke des flachen

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Bereichs derselben beträgt 3,5 nun und die Höhe des Vorsprungs 3,5 mm. über jeder Elektrolysenzelle wird jeweils ein Gas-Flüssigkeits-Trenngefäß angeordnet, welches der Trennung des Gases von der aus der Elektrolysenkammer austretenden Lösung dient. Solche Trennkammern sind sowohl mit der Anodenseite als auch mit der Kathodenseite verbunden. Die Auslässe der oberen Rahmen und die Einlasse für die Rückführung des im Kreislauf geführten Elektrolyten werden jeweils mit Hilfe von flexiblen Schläuchen mit den Gas-Flüssigkeits-Trenngefäßen verbunden.

Bei der Elektrolyse wird der Elektrolyt im Kreislauf durch die Gas-Flüssigkeits-Trenngefäße geführt. Diese Kreislaufbewegung wird durch den Auftrieb des in der Elektrolysenkammer entwickelten Gases bewirkt, ohne daß andere Zwangseinrichtungen erforderlich sind.

Vergleichsbeispiel

Es wird jeweils ein Rahmen aus Titan mit der gleichen Größe und der gleichen Gestalt wie bei dem vorhergehenden Beispiel hergestellt. Es werden wiederum hohle Durchgänge in den Rahmen mit den gleichen Abmessungen gebildet, welche dem Durchtritt der Lösung und des Gases dienen. Andererseits werden nur zwei Durchgänge für das Einsetzen der Zuleitungsstange in einem Seitenrahmen ausgebildet. 17 Verbindungsorgane aus Titan mit flacher plattenförmiger Gestalt und mit einem Hohlraum für das Einsetzen der Zuleitungsstangen (1,0 m χ 0,047 m χ O,OO4 m) werden in vertikaler Richtung mit im wesentlichen gleichen Abstand voneinander angeordnet.

Die Zuleitungsstangen werden jeweils hergestellt durch Beschichtung eines Kupfersubstrats mit Titan nach dem Heißdiffusions-Preßbindeverfahren (2,30 m χ 0,1.53 m χ 0,018 m) . Diese Zuleitungsstangen werden durch die Löcher in dem Seitenrahmen und durch die Ausnehmungen in den Verhindungsorganen gesteckt. Eine Elektrode vom Netztyp aus mit Ruthenium-

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oxid beschichtetem Titan (2,0 m χ 1,0 m) wird auf beiden Seitenflächen der Verbindungsorgane befestigt. Auf diese Weise erhält man ein Anodenabteil.

Das Kathodenabteil wird mit gleicher Größe und Gestalt hergestellt, wie das Anodenabteil, wobei man jedoch die in dem vorstehenden Beispiel erwähnten Materialien für das Kathodenabteil verwendet. Man arbeitet nun nach dem gleichen Verfahren wie bei dem vorstehenden Beispiel und man erhält eine Elektrolysenzelle durch Verwendung von Anodenabteilen und Kathodenabteilen sowie Kationenaustauschmembranen. Es wird jeweils eine Elektrolyse durchgeführt unter Einspeisung von 5,3n-NaCl in die Anodenabteile und unter Einspeisung von Wasser in die Kathodenabteile der jeweiligen Elektrolysenzellen des Beispiels und des Vergleichsbeispiels, und zwar unter Bildung von 12,7n-NaOH. Die Stromdichte wird variiert und die Elektrolysenspannung wird jeweils gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Stromdichte (A/cm²) 15 20 25

Elektrolysenspannung* 3,11 V 3,26 V 3,41 V 3,59 V

eispxe Spannungsverlust des

Metalleiters 0,14 V 0,18 V 0,23 V 0,27 V

Elektrolysenspannung* 3,11 V 3,28 V 3,59 V 3.92 V

" Spannungsverlust des

Metalleiters 0,14 V 0,17 V 0,22 V 0,26 V

Bemerkung: * Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode.

Der Spannungsverlust des Metalleiters ist bei dem Beispiel im wesentlichen gleich demjenigen des Vergleichsbeispiels. Die Elektrolysenspannung ist jedoch bei dem Beispiel wesentlich geringer als bei dem Vergleichsbeispiel. Diese Tatsache zeigt, daß die Elektrolysenprodukte, d. h. die Lösung und das

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Gas leicht im Falle des erfindungsgemäßen Beispiels aus der Elektrolysenkammer entlassen werden können, da die Zuleitungsstangen vom Boden des unteren Rahmens her in vertikaler Richtung eingesetzt sind. Darüber hinaus ist bei dem Beispiel das Gesamtgewicht der teuren Zuleitungsstangen wesentlich herabgesetzt auf etwa 1/4 des Gesamtgewichts der Zuleitungsstangen des Vergleichsbeispiels. Selbst bei einer Elektrolyse während etwa 18 Monaten beobachtet man bei der erfindungsgemäßen Elektrolysenzelle keinen Durchtritt der Lösung durch die Rahmen nach außen und die unterhalb der Rahmen vorgesehenen Verteilerstangen werden nicht beschädigt.

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Zusammenfassung

Es wird ein Elektrodenabteil geschaffen, welches Teil einer elektrolytischen Zelle vom Filterpreßtyp zur Elektrolyse eines Alkalichlorids ist. Das Elektrodenabteilung umfaßt unter, obere und seitliche Rahmenteile unter Bildung einer Elektrolysenkammer, sowie Stromzuführungsstangen, welche vom Boden des unteren Rahmenteils her in vertikaler Richtung parallel zur Auftriebsströmung des Elektrolyten eingesetzt sind, wobei die Elektrode über Verbindungsorgane mechanisch durch die Stromzuführungsstangen in der Elektrolysenkammer gehalten wird.

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Claims

-^- 2323818 PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrodenabteil mit einem oder mehreren Zuleitungsstangen für die elektrische Verbindung einer Elektrode mit einer Stromquelle, wobei die Elektrode in der von den Rahmen umgebenden Elektrolysenkammer durch die Zuleitungsstangen gehalten ist, wobei Einrichtungen zur Einspeisung des Elektrolyten in den unteren Rahmen vorgesehen werden, sowie Einrichtungen zur Entnahme der Elektrolysenprodukte aus dem oberen Rahmen und wobei eine Auftriebsströmung des Elektrolyten in dsr Elektrolysenkammer ermöglicht wird, dadurch gekennzeichn et , daß die Zuleitungsstangen (2) durch den Boden des unteren Rahmens (4) in vertikaler Richtung eingesetzt sind und im wesentlichen parallel zur Auftriebsströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer verlaufen und wobei eine Elektrode (12) mechanisch durch die Zuleitungsstangen (2) über Verbindungsorgane (6), welche an den Zuleitungsstangen (2) befestigt sind, gehalten ist, wobei die elektrische Verbindung der Zuleitungsstangen (2) mit der Elektrode (12) durch die Verbindungsorgane (6) vermittelt wird.

2. Elektrodenabteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsstange (2) im Querschnitt im wesentlichen rechteckig ist.

3. Elektrodenabteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsorgan (6) im

Querschnitt eine im wesentlichen kreuzförmige Gestalt (+) aufweist, wobei in einer Seitenrichtung ein sich in Längsrichtung erstreckender Hohlraum ausgebildet ist, durch den sich die Zuleitungsstange (2) erstreckt, so daß diese vom Verbindungsorgan (6) umgeben ist und wobei das Verbindungsorgan (6) in vertikaler Richtung im wesentlichen parallel zur Auftriebsströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer

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angeordnet ist und wobei ein Paar Elektroden (1.2) mechanisch von beiden Seitenflächen der Verbindungsorgane (6) gehalten sind und ein Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden (1.2) besteht und wobei die Elektroden (12) über die Verbindungsorgane (6) elektrisch mit den Zuleitungsstangen (2) verbunden sind.

4. Elektrodenabteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere plattenförmige Verstärkungseinrichtungen (13) zwischen den Zuleitungsstangen

(2) im wesentlichen parallel zu diesen innerhalb der Elektrolysenkammer angeordnet sind, wobei ein Paar Elektroden (12) mechanisch durch beide Seitenflächen der Verstärkungseinrichtungen (13) gehalten werden.

5. Elektrodenabteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Rahmen (4) hohl ist und einen Durchgang für die Einspeisung des Elektrolyten bildet und eine Einrichtung für die Einspeisung des Elektrolyten aufweist, welche einen Einlaß (7) für die Einspeisung des Elektrolyten in den hohlen Bereich umfaßt sowie Löcher (9) für die Einspeisung des Elektrolyten in die Elektrolysenkammer und wobei der obere Rahmen (5) hohl ist und einen Durchgang für die Entnahme der Elektrolysenprodukte bildet und eine Einrichtung für die Entnahme der Elektrolysenprodukte aufweist, welche Löcher (10) für die Ausströmung der Elektrolysenprodukte aus der Elektrolysenkammer in den Hohlraum des oberen Rahmens (5) umfaßt, sowie einen Auslaß (8), für das Ausströmen der Elektrolysenprodukte aus dem hohlen Bereich des Rahmens.

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