DE2148337A1 - Bipolare mehrfach-elektrolysezelle mit diaphragma - Google Patents
Bipolare mehrfach-elektrolysezelle mit diaphragmaInfo
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Description
Aktenzeichen: 64 019
Die Erfindung betrifft eine bipolare Mehrfach-Elektrolyse-Zelle mit Diaphragma zur Zerlegung von Alkalihalogenid-Lösungen in Alkalilauge,
Halogenid und Wasserstoff. Insbesondere bezieht sich die verbesserte Zellenausführung auf elektrische Alkali-Chlor-Diaphragmazellen
zur*Gewinnung von Alkalilauge, Chlor und Wasserstoff.
Bei derartigen Elektrolysezellen wird kompakte Bauweise bei einfachem
Aufbau, hohe elektrische Belastbarkeit und damit hohe Wirtschaftlichkeit angestrebt. Da die durch die Elektrolysezelle geführten Medien
chemisch und/oder physikalisch besonders aktiv sind, muß widerstandsfähiges Material verwendet und eine konstruktive Ausführung gefunden
werden, die den Anforderungen gerecht wird.
Bekannt sind verschiedene Konstruktionen von Mehrfach-Elektrolyse-Zellen,
bei denen die Elektroden bipolar sind und ein-Diaphragma verwendet wird. Bei diesen Zellentypen besteht die bipolare Elektrode
aus einer Metallkohstruktion mit aufgebrachtem Diaphragma. So besteht z.B. die bipolare Elektrode nach der deutschen OS 1.421.051 Fig.5
aus einem Titan-Blech, das auf der Anodenseite mit einem Edelmetall, wie z.B. Platin, beschichtet ist, auf der anderen Seite unbeschichtet
ist, warzenförmige Erhebungen hat, über diese elektrisch leitend mit
einem Drahtgewebe verbunden ist und wobei die so gebildete Kammer die Kathode darstellt. Das Drahtgewebe ist außen mit einem Asbestfaser-Vlies
beschichtet, das das Diaphragma da'rstellt. Mit einer solchen bipolaren Elektrode läßt sich eine gleichmäßige Stromverteilung
im Elektrolyten und ein gleichmäßiger Stromfluß in"der Elektrode
nicht erzielen. Der von der mit Edelmetall beschichteten Elektrodenseite der Anode, abgehende gleichmäßig verteilte Strom gelangt über den
Anolyten in das Asbestdiaphragma an das Drahtgewebe, von hier über die
einzelnen Warzen der Titan-Elektrode in das Titan-Blech selbst und dann zur Edelmetallbeschichtung. Die Punktberührung an den Warzen
ist problematisch. Darüber hinaus hat ein Drahtgewebe infolge der vielen Punktkontakte boi den sich kreuzenden Drähten zusätzlich elektrischen
Widerstand. Die aperessiven Medien in der Zelle führen bei
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Oxydbildung weiterhin zu Kontaktunterbrechungen im Drahtgewebe. Die
auf der Kathodenseite ungeschützte Titan-Elektrode ist dem Wasserstoff ausgesetzt und versprödet nach kurzer Zeit.
Nach den deutschen OS lr592.O2O und OS 2.030.610 wird die bipolare
Elektrode gebildet aus einer Trägerplatte, die gleichzeitig Trennwand für die einzelnen Zellen ist, aus einer Vielzahl von Anodenplatten auf einer Seite der Trägerplatte und aus einer Vielzahl von
Kathodenfingern auf der anderen Seite der Trägerplatte. Die Anoden
werden aus geeignetem chlorbeständigen Material hergestellt, und die
Kathoden, die in Form von Metalldrahtgewebe oder -Gitter vorliegen, sind aus Eisen, Nickel, Chrom oder aus einem gegen die Medien
Wasserstoff und Alkali-Verbindung beständigen Metall. Das Metalldrahtgewebe wird mittels einer Stützvorrichtung auf der Trägerplatte
fixiert und ist mit einem Asbestfaservlies beschichtet, welches als Diaphragma wirkt. Um möglichst viel Elektrodenfläche auf einem bestimmten
Raum unterzubringen, v/erden die Anodenteile und Kathodenteile der Elektroden kammartig ausgestaltet und greifen in zusammengebautem
Zustand berührungsfrei ineinander. Bipolare Elektroden dieser Konstruktion sind kompliziert im Aufbau, haben eine Menge
korrosionsgefährdeter Kontaktstellen, weisen eine ungleichmäßige Stromverteilung und lange Stromwege im Leitermaterial, in Anoden
und Kathoden auf, da diese teilweise vom elektrischen Strom längs durchflossen werden und nicht quer. Für Reparatur und Instandhaltung
sind bipolare Elektroden der bekannten Konstruktion nicht problemlos
wegen der vielen Einzelteile je Elektrode und der im Betrieb unkontrollierbaren Kontaktstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher
üblichen Vorrichtungen zu überwinden.
Diese Aufgabe "wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathodenseite
aus der mit einem Metall oder einer Metall-Legierung vollständig
beschichteten Titanblechsedte besteht. Als Metalle für die Kathoden- ·
seite eignen sich insbesondere Nickel, Eiijen, Chrom oder Kupfer oder
eines ihrer Legierungen, die gegen Wasserstoff und den Katholyten
beständig sind. Um bei pe^ebenr-n Außenabir.oiJsungen der Mehrfacht-lekt vc:~
lysezclLe eine gute Außen-bd i t-h tur.g und eine große
< ;i"kli.Vt.· FL1IcIi-
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für die elektrochemische Reaktion zu erhalten, werden nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Metallelektroden im Rahmenbereich
glattflächig und im Reaktionsraumbereich profiliert ausgebildet. Die Profilierung auf den Metallelektroden kann so ausgestaltet
sein, daß der Abstand von Metallelektrode zu Metallelektrode an jeder Stelle gleich groß ist oder daß die Erhöhungen und Vertiefungen
von zwei benachbarten Metallelektroden sich gegenüberstehen. Falls es erwünscht ist, kann die Metallelektrode und die Mehrfachelektrolysezelle
so gestaltet werden, daß die Erhöhungen der Metallelektroden das zwischen ihnen liegende Diaphragma abstützen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die erfindungsgemäße Metallelektrode korrosionsgefährdete Kontaktstellen
nicht aufweist, gleichmäßige Stromverteilung hat, damit hohe elektrochemische Belastung zuläßt und dazu raumsparend ist.
Die erforderlichen Gasabführungsräume erfahren durch eine zweckmäßige
Profilierung keine Beeinträchtigung. Die den Elektrolysewiderstand aufbauenden Abstände der Metallelektroden können konstruktiv einfach
und dauerhaft eingehalten werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.l eine bipolare Mehrfachelektrolysezelle im Längsschnitt,
Fig.2 einen Querschnitt der in Fig.l dargestellten Mehrfachelektrolysezelle,
Fig.3 einen Längsschnitt mit profilierten Elektroden
Fig.H einen Horizontalschnitt einer Elektrodenausführung,
Fig.5 " » » »
Fig.6 " Querschnitt einer Metallelektrode im vergrößerten
Maßstab.
Die in Fig.l und 2 dargestellte Mehfachelektrolysezelle besteht aus
einer Stirnplatte 1, auf der die Stromzuführung 2 angebracht ist. An diese Stirnplatte, die zur Zellenseite hin als Anode wirkt,
schließt der elektrisch nicht leitende Rahmen 3 an. Der Rahmen hat in der Pegel solch eine Breite, wie sie für den Abstand zum folgenden
Diaphragma M erforderlich ist. Dem Diaphragma t folgt ein Rahmen 5,
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an den nun die erste bipolare Metallelektrode 6 gemäß der Erfindung
anschließt. Durch wiederholten Anbau von Rahmen, Diaphragmen, Rahmen und Metallelektroden läßt sich eine Mehrfachelektrolysezelle von gewünschter
Länge bauen. Den Abschluß der Mehrfachelektrolysezelle bildet die zweite Stirnplatte 7, von der die Stromführung 8 wegführt
Die ganze Mehrfachelektrolysezelle wird mittels bekannter, nicht dargestellter Spannvorrichtungen, wie z.B. Zuganker, zusammengehalten.
Ober bekannte, nicht dargestellte Dichtungsmittel zwischen den Einzelelementen
wie Metallelektroden, Rahmen und Diaphragmen wird Dichtheit . erzielt. Der Rahmen 3 für den Anolytraum hat eine ZufüJwung 9 für
den Elektrolyten und eine Abführung 10 für Chlorgas und Anolyten. Der Rahmen 5 für den Kathdytraum weist eine Abführung 11 für Katholyt
und Wasserstoffgas auf.
Die in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Metallelektroden zeigen
zum einen eine mögliche Form der Profilierung und zum anderen die Anordnung von zwei sich gegenüberliegenden Metallelektroden.
In dem in Fig.6 dargestellten vergrößerten Querschnitt einer Sektion
der erfindungsgemäßen Metallelektrode ist 12 das Titanblech, das auf der Anodenfläche mit einer Aktivierungsschicht 13 aus Metall oder
einem Metalloxyd bedeckt ist. Diese Aktivierungsschicht soll möglichst
dicht sein, um.keine inaktiven Flächen zu haben. Sie muß jedoch nicht
. unbedingt dicht sein, da das noch freie Titan sofort oxydiert und
gegen Anolyt und Chlor beständig ist. Die Aktivierungsschicht ist nur im Flächenbereich des Anolyten erforderlich., da hier die elektrochemischen
Vorgänge ablaufen. Die auf der Kathodenseite aufgebrachte Metall- oder Metallegierungs-Schicht 14 dagegen ist von solcher
Stärke und einem Ausmaß, daß sie die Titanoberfläche dicht und vollständig abdeckt. Katholyt und Wasserstoff kommen dadurch nicht in
Berührung mit dem Titanblech.
Das Aufbringen der Aktivierungsschicht auf der Anodenseite und das
Aufbringen der Metall- oder Metallegierungs-Schicht auf der Kathodenseite des Titanbleches können nach mehreren Methoden erfolgen. So
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wird z.B. kathodenseitig die Metall- bzw. Metallegierungs-Schicht mechanisch, z.B. mittels Sprengplattieren oder chemisch oder elektrochemisch
aufgebracht. Die Reihenfolge der Beschichtungen ist abhängig von den gewählten einzelnen Methoden. Die aufgebrachte Metall- oder
Metalllegierungs-Schicht muß so gut auf dem Titanblech haften, daß trotz Profilierung der Metallelektrode der erforderliche elektrische
Kontakt zwischen beiden Metallen über die ganze Fläche gewährleistet
ist.. Da die kathodenseitige Beschichtung sich über die ganze Fläche
erstreckt, kann eine Minderung der Kontaktflächen durch chemischen oder physikalischen Angriff der ßßaktionsmedien nicht erfolgen.
Die Profilierung der erfindungsgemäßen Metallelektrode ist nicht auf
eine eindimensionale Periodizität, z.B. lineare Wellen, beschränkt,
sondern kann auch zweidimensional sein, z.B. Reihen und Zellen von Warzen. Gasstauräume für das aufsteigende Chlor- und Wasserstoffgas
sollten jedoch vermieden werden.
Zellen der vorbeschriebenen Art mit Metallelektroden können auch als
Brennstoffzellen verwendet werden. Dabei vertauscht sich die Bedeutung der beiden Worte Anode und Kathode, und die Reaktionsmedien sind
andere als Alkalihalogenid.
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Claims (1)
- : · : 2H8337- 6 - 64019Patentansprüche1) Bipolare Mehrfachelektrolysezellen mit Diaphragma zur Zerlegung von Alkalihalogenidlösungen, wobei die elektrisch in Reihe geschalteten Zellen durch fortlaufendes Aneinanderreihen an flächenförmigen Metallelektroden, Rahmen, Diaphragmen und wiederum Metallelektroden gebildet werden, die Metallelektroden auf einer Seite als Anode, auf der anderen Seite als Kathode wirken und die Anodenseite aus Titan besteht, welches zur Aktivierung mit Metall oder Metalloxiden beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenseite aus der mit einem Metall oder einer Metall-Legierung dicht beschichteten Titanblechseite besteht.2) Bipolare Mehrfachelektrolysezelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Kathodenseite Nickel, Eisen, Chrom oder Kupfer oder eines ihrer Legierungen ist.■ 3) Bipolare Mehrfachelektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2 dadurch ge-ί kennzeichnet, daß die Metallelektroden im Rahmenbereich glattfläj chig und im Reaktionsraumbereich profiliert sind.-', t) Bipolare Mehrfachelektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3 dadurch ge-kennzeichnet, daß die Profilierung so gestaltet ist, daß der Ab-stand von Metallelektrode zu Metallelektrode an jeder Stelle gleich groß ist. .5) Bipolare Mehrfachelektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen der Profilierung sich gegenüberstehen.6) Bipolare Mehrfachelektrolysezelle nach Anspruch 1 bis 5 dadurch ge- ;. kennzeichnet, daß din Ex-hühungen der Profilierung dasabstützen.309814/0996 BAD
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