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Die Erfindung betrifft allgemein eine Elektrolysezelle
und insbesondere eine filterpressenartige Elektrolysezelle mit
Elektroden, bei denen der Zwischenelektrodenabstand derartig
verringert ist, daß die Elektrolysespannung beträchtlich
verringert werden kann.
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Die filterpressenartige Elektrolysezelle findet breite
Anwendungen bei der Herstellung organischer Materialien
mittels Elektrolyse, einschließlich der Herstellung von Chlor und
Ätznatron durch Elektrolyse von Salzlösung bzw. Sole,
Meerwasserelektrolyse usw.
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Fig. 4 ist eine Darstellung einer bipolaren
filterpressenartige Elektrolysezelleneinheit, die normalerweise für die
Sole-Elektrolyse verwendet wird; wobei Fig. 4(A) eine
teilweise aufgeschnittene Draufsicht der Elektrolysezelleneinheit und
Fig. 4(B) eine Schnittdarstellung derselben ist.
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Eine anodenseitige Scheidewand 42 einer insgesamt mit
41 bezeichneten Elektrolysezelleneinheit wird durch Wellen
oder anderweitiges Umformen eines Teils, das aus einem eine
dünne Folie bildenden Metall, z.B. Titan, Zirconium oder
Tantal und ihrer Legierungen, ausgewählt wird, zu einer
Muldenbzw. Wannenform aus gewelltem, dünnem Blech hergestellt.
Ebenso wird eine katodenseitige Scheidewand 43 durch Wellen oder
anderweitiges Umformen eines Teils aus Eisen, Nickel,
nichtrostendem Stahl oder einem ähnlichen Material zu einem
gewellten, dünnen Blech hergestellt. Diese Scheidewande sind auf
einem Elektrolysezellenrahmen 44 angeordnet. Beide Scheidewände
weisen vertiefungen bzw. Rillen und Erhebungen bzw. Rippen
auf, die sich miteinander im Eingriff befinden; die
anodenseitige Scheidewand 42 ist mit vertiefungen 45 und Erhebungen 46
versehen, und die katodenseitige Scheidewand 43 ist mit
gleichen vertiefungen 47 und Erhebungen 48 an Positionen versehen,
wo sie auf der Anodenseite mit den Erhebungen 46 bzw. mit den
Vertiefungen 45 im Eingriff stehen.
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An den Abschnitten der Scheidewände, die an den oberen,
unteren, rechten und linken Wänden jeder Elektrodenkammer
angrenzen, sind weder Vertiefungen noch Erhebungen ausgebildet,
so daß ein Elektrolyt-zirkulationsweg entsteht. Eine Anode 49
ist, z.B. durch Schweißen, an den Erhebungen der
anodenseitigen Scheidewand 42 befestigt, wobei die Anode durch Aufbringen
einer anodisch aktiven Beschichtung aus einem Oxid eines
Metalls, z.B. eines Metalls der Platingruppe, auf ein
Streckmetallblech, einem porösen Blech o. dgl. ausgebildet ist. Ebenso
ist eine Katode 50, z.B. durch Schweißen, mit den Erhebungen
48 der katodenseitigen Scheidewand 43 verbunden, wobei die
Katode durch Aufbringen einer katodisch aktiven Beschichtung aus
einer metallischen Substanz, z.B. einem Metall der
Nickeloder der Platingruppe, auf ein Streckmetallblech, einem
perforierten Blech o. dgl. ausgebildet ist.
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Ein sehr großer Strom von gewöhnlich einigen
zehntausend Ampere bis zu einigen hunderttausend Ampere fließt durch
eine Elektrolysezelle; schon geringfügige Verringerungen der
Elektrolysespannung haben einen beträchtlichen Einfluß auf
Verringerungen der Leistungsaufnahme. Die Leistungsfähigkeit
der Elektrolysezelle wird von vielen Faktoren bestimmt, von
denen die Spannung, die für die Elektrolyse erforderlich ist,
ein sehr wichtiges Element ist.
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Die für die Elektrolyse benötigte Spannung ist abhängig
von den Elektroden, den Ionenaustauschmembranen, dem Aufbau
der Elektrolysezelle, den Betriebstemperaturen, dem Abstand
zwischen den beiden Elektroden der Elektrolysezelle und von
anderen Faktoren, und viele vorschläge für Verbesserungen an
Elektroden, Ionenaustauschmembranen, dem Aufbau der
Elektrolysezelle und den Betriebsbedingungen sind bisher gemacht
worden.
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Von den Faktoren, die einen Einfluß auf die
Elektrolysespannung haben, ist insbesondere eine Verringerung des
Zwischenelektrodenabstands ein entscheidender Faktor, der zu
einer Verringerung der Elektrolysespannung führt, und daher sind
bisher verschiedene Vorschläge zur Verringerung des
Zwischenelektrodenabstands gemacht worden.
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Bei der Sole-Elektrolyse mittels
Ionenaustauschmembrantechniken, die eine Kationenaustauschmembran nutzen, hat man
jetzt festgestellt, daß es möglich ist, die
Elektrolysespannung durch Verringern des Abstands zwischen der Anode und der
Kationenaustauschmembran zu verringern. Dadurch kann eine
Elektrolysezelle betrieben werden, während die
Kationenaustauschmembran durch einen Druckunterschied, der zwischen der
katodenseitigen und der anodenseitigen Kammer erzeugt wird,
indem der Druck in der katodenseitigen Kammer höhergesetzt
wird als in der anodenseitigen Kammer, in enge Berührung mit
der Anode gebracht wird.
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Wenn die Elektrolysespannung im Hinblick auf den
Zwischenelektrodenabstand verringert wird, ist es deshalb im
allgemeinen wichtig, den Abstand zwischen der Katode und der
Kationenaustauschmembran zu verringern.
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Es ist auch ein Vorschlag über eine Elektrolysezelle
gemacht worden, in dem der Abstand zwischen der Anode und der
Kationenaustauschmembran sowie zwischen der Katode und der
Kationenaustauschmembran im wesentlichen auf null verringert
wird. Obwohl es auf die Art der verwendeten Kationenaustausch
membran ankommt, ist dennoch die enge Berührung der Katode mit
dieser nicht immer vorteilhaft für die Leistungsfähigkeit der
Kationenaustauschmembran und der Elektrolyse. Im Fall einer
solchen Kationenaustauschmembran ist es erforderlich, die
Katode um einem bestimmten Abstand von der
Kationenaustauschmembran zu beabstanden.
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Um die Kationenaustauschmembran in enge Berührung mit
der Katode zu bringen oder um sie in einem sehr kurzen
gegenseitigen Abstand zueinander zu halten, ist vorgeschlagen
worden, die Scheidewände oder Rippen der Elektrolysezelle mittels
sich ausdehnender und zusammenziehender Teile, z.B. mittels
Federn, mit den Elektroden zu verbinden.
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Ob in dem Fall, wo die Kationenaustauschmembran in enge
Berührung mit der Katode gebracht wird, oder in dem Fall, wo
sie in einem sehr kurzen Abstand voneinander beabstandet sind,
muß der Zwischenelektrodenabstand und der Abstand zwischen der
Katode und der Ionenaustauschmembran mit großer Maßgenauigkeit
eingehalten werden. Bei einer für die Sole-Elektrolyse u. dgl.
verwendeten Elektrolysezelle, die eine bewegliche Elektrode
mit einem Oberflächenbereich verwendet, der immerhin einige
Quadratmeter groß ist, ist es jedoch sehr schwierig, die
Elektrodenoberfläche mittels eines Teils, z.B. einer Feder,
gleichmäßig zu halten. Ein ungewisser
Zwischenelektrodenabstand führt zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung und
verursacht somit verschiedene Probleme, z.B. einen lokalen
Ausfall der Elektroden und der Ionenaustauschmembranen, was sich
ungünstig auf die Leistungsfähigkeit der Elektrolysezelle
auswirkt.
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Die Erfindung stellt eine Elektrolysezelle bereit, auf
der eine aus Streckmetall o. dgl. ausgebildete Elektrode
mittels eines flexiblen Federteils, das an einer Scheidewand oder
Stromversorgungsrippe der Elektrolysezelle angebracht ist, so
befestigt ist, daß der Raum zwischen der Elektrode und einer
Kationenaustauschmembran eng wird und dadurch eine
Verringerung der Elektrolysespannung erreicht wird und daß die
Kationenaustauschmembran mit hoher Genauigkeit von der Elektrode
beabstandet ist, wobei die Oberfläche der Elektrode durch die
elastische Kraft des Federteils in einer bestimmten Höhe
gehalten wird. Das verwendete Federteil weist eine Kammform auf
und ist auf einer Seite mit Zinken versehen, wobei sich die
Zinken von einem streifenförmigen Kammkörper erstrecken und
gebogen sind, um Federn mit gleichmäßigen Federeigenschaften
zu bilden. Dadurch kann die Elektrodenoberfläche gleichmäßig
mit einem gewünschten Abstand zwischen der Elektrode und der
Ionenaustauschmembran gehalten werden, wenn dieses Federteil
in die Elektrolysezelle eingebaut ist.
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Die Elektrode ist erfindungsgemäß mittels Federteilen
in Kammform mit gebogenen Zinken mit einer Scheidewand oder
Rippe gekoppelt. Dadurch können, während die
Elektrodenoberfläche eben gehalten wird, die mit Zähnen bzw. Zinken
versehenen Abschnitte des Federteils vom Elektrodenträgerabschnitt,
z.B. von der Scheidewand oder Rippe, nach Bedarf beabstandet
werden. Auch wenn die Elektrode durch elastische Kräfte mit
der Ionenaustauschmembran in Berührung kommt, ist es deshalb
unwahrscheinlich, daß die Elektrode die Ionenaustauschmembran
beschädigen kann. Weil das Federteil einen einstückigen Aufbau
aufweist, kann es auf einfache Weise hergestellt werden und
kann auch leicht an der Scheidewand o. dgl. der
Elektrolysezelle befestigt werden.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines
Abschnitts der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die an einer
Elektrode befestigt ist;
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Fig. 2 zeigt, wie das erfindungsgemäße Federteil
hergestellt werden kann;
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Fig. 3 ist eine Abbildung einer Druckverteilung über
die Oberfläche der mit dem Federteil verbundenen Elektrode;
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Fig. 4 ist eine Darstellung einer
Elektrolysezelleneinheit, die eine bipolare Elektrolysezelle bildet.
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Die Anwendung der Erfindung auf eine ein Federteil
aufweisende Elektrolysezelleneinheit, die eine bipolare Sole-
Elektrolysezelle in Form einer Filterpresse bildet, wird
nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische
Ansicht einer bipolaren Elektrolysezelleneinheit für Sole-
Elektrolyse, allgemein mit 1 bezeichnet. Die
Elektrolysezelleneinheit 1 weist eine gewellte Scheidewand aus dünnem Blech
auf. Eine Elektrode 4 ist an den Rippen 2 des dünnen Blechs
mittels Kammform-Federteilen 3 befestigt. Jedes Federteil 3
ist mit seinem Streifen 5 an jeder Erhebung der Scheidewand
befestigt. Ein Zinken 6 des Kammform-Federteils 3 ist mit
einer Biegung 7 versehen und ist am Ende 8 mit der Elektrode 4
verschweißt oder anderweitig verbunden.
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Bei der erfindungsgemäßen Herstellung der
Elektrolysezelle können die elastischen Kräfte der Federabschnitte, die
von den Zinken des Kamms gebildet werden, konstantgehalten
werden, weil jedes Federteil als ein Stück ausgebildet ist. Da
jedes Kammform-Federteil 3 mit dem Verbindungsstreifen 5 an
der gewellten Dünnblech-Scheidewand befestigt ist, können sich
ihr an der Scheidewand befestigter Abschnitt und ihr an der
Elektrode befestigter Abschnitt nicht in derselben vertikalen
Ebene in bezug auf die Elektrode befinden. Dadurch können die
Federteile auf einfache Weise mit der Scheidewand der
Elektrolysezelleneinheit und ebenso mit der Elektrode verschweißt
oder anderweitig verbunden werden. Zugleich ist die
Befestigung der Elektrode an den Federteilen so einfach durchführbar,
daß die Elektrolysezelle innerhalb einer kurzen Zeit
hergestellt werden kann. Ferner ist es unwahrscheinlich, daß die
Federteile, da sie Kammform aufweisen, eine Sperre gegen die
Zirkulation des Elektrolyts oder der Luftblasen, die in der
Elektrolysezelle entstehen, bilden.
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Fig. 2 zeigt, wie ein Federteil aus einem dünnen
Metallblech ausgebildet wird. Wie dargestellt, werden zwei
Federabschnitte mit der gleichen Konfiguration aus dem dünnen
Blech ausgestanzt oder anderweitig ausgebildet; sie können mit
einem einzigen Trennvorgang hergestellt werden. Danach können
sie entlang den punktierten Linien zu Federteilen gebogen
werden.
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Die Erfindung ist nicht nur für eine bipolare
Elektrolysezelle, sondern auch für eine unipolare Elektrolysezelle
geeignet. Beispielsweise kann eine unipolare Elektrolysezelle
mit einem verringertem Abstand zwischen den Elektroden
hergestellt werden, indem die Federteile mit Befestigungsrippen der
Elektrode, die die Elektrolysezelle bildet, gekoppelt werden.
Beispiel 1
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Bei einer Elektrolysezelle mit einer Elektrode, die
eine Größe von 1 400 mm und 935 mm und eine effektive
Elektrodenfläche von 130,9 dm² hat, wurde von der Firma Pelmelec
Electrode Co., Ltd. hergestelltes DSE als Anode und
Strckmetall aus aktiviertem Nickel mit einer Dicke von 0,8 mm als
Katode verwendet. Die Katode war mittels Kammform-Federteile aus
Nickel an der Scheidewand der Elektrolysezelle befestigt.
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NE 962 (hergestellt von der Firma Du Pont) wurde als
Kationenaustauschmembran verwendet. Während sich die Anode in
enger Berührung mit der Kationenaustauschmembran befand, und
zwar bei einem sich ändernden Abstand zwischen der Katode und
der Kationenaustauschmembran, wurde der Elektrolysezelle bei
einer Elektrolysetemperatur von 90 ºC und einer Stromdichte
von 50 A/dm² gesättigte Sole für die elektrolytische
Herstellung von 32%igen Ätznatron zugeführt.
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Wenn sich die Katode in enger Berührung mit der
Kationenaustauschmembran befand, betrug die Elektrolysespannung
3,105 V. Wenn die Kationenaustauschmembran 2 mm von der
beabstandet war, betrug die Elektrolysespannung 3,285 V. So
wurde eine Verringerung der Elektrolysespannung um 180 mV
erreicht, indem die Katode in enge Berührung mit der
Kationenaustauschmembran gebracht wurde, und selbst bei
Berücksichtigung eines Spannungsabfalls von 18,6 mV aufgrund der
Federteile wurde ein Spannungsabfall von 161,4 mV erreicht.
Beispiel 2
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Zwei Kammform-Federteile mit 8 mm Breite und 90 mm
Länge waren durchweg aus einem 0,5 mm dicken, 110 mm langen und
288 mm breiten Nickelblech ausgebildet. Ein Kammformstreifen,
der jedes Federteil bildet, war mit 10-mm-Abschnitten der
Enden seiner Zinken an einer Elektrode befestigt und an seinen
Abschnitten, die von den Enden 50 mm entfernt sind, umgebogen,
wobei der streifenförmige Abschnitt 10 mm breit war. Dann wur
de Streckmetall mit diesen 10-mm-Abschnitten verschweißt.
Ein höchst extrem niederdruckempfindliches Papier
(hergestellt von der Firma Fuji Photo Film Co., Ltd. und
vertrieben unter dem Handelsnamen Prescale for very-ultra-low
pressure) wurde auf ein Blech aufgebracht. Dann wurde ein
Teil, das Federteile aufweist, mit denen die Elektrode
gekoppelt war, gegen das höchst extrem niederdruckempfindliche
Registrierpapier gedrückt und dabei in enge Berührung mit der
Elektrode gebracht, um eine Verschiebung der Federteile um 5
mm zu bewirken. Gleichzeitig wurde die Druckverteilung auf dem
höchst extrem niederdruckempfindlichen Registrierpapier
beobachtet.
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Wie aus den gewonnenen Ergebnissen gemäß Fig. 3
ersichtlich ist, zeigten die Stellen der Federteile, die mit der
Elektrode verschweißt sind, eine Druckverteilung von 4 bis
5 kg/cm², die an der Elektrode befestigten Abschnitte der
Federteile eine Druckverteilung 1 bis 2 kg/cm² und der Rest eine
Druckverteilung von 0 bis 2 kg/cm². Es ist auch ersichtlich,
daß der auf die Ionenaustauschmembran ausgeübte Druck an den
geschweißten Stellen nicht hoch genug war, um einen
nachteiligen Einfluß auf die Ionenaustauschmembran zu haben.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung zu erkennen
ist, stellt die Erfindung eine Elektrolysezelle mit einer
Elektrode bereit, die mittels eines Federteils, das eine
Kammform aufweist, an dieser befestigt ist und an seinen Zinken
gebogen ist. Während bei dieser Elektrolysezelle die
Elektrodenoberfläche in einem sehr glatten Zustand gehalten wird,
kann sie in jedem gewünschten Abstand in bezug auf eine
gegenüberliegende Elektrode oder eine Ionenaustauschmembran
gehalten werden. Folglich wird die Elektrode auf einfache Weise an
der Scheidewand der Elektrolysezelle befestigt und in jedem
gewünschten Abstand in bezug auf eine Ionenaustauschmembran o.
dgl. gehalten, ohne sie zu beschädigen, so daß die
Elektrolysespannung beträchtlich verringert werden kann.