DE2456148A1 - Elektrolysezelle - Google Patents

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. R W-eicsuann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. RA.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

HtM/th '

Case 3313/3314/3334/3335/

3366

HOOKER CHEMICALS AND PLASTICS CORPORATION, .Niagara Falls, N.Y. 14302, USA

Elektrolysezelle

Die Erfindung betrifft, eine Elektrolysezelle, umfassend eine Kathodenstromschienenanordnung, Kathodenfinger und . einen Anodensockel mit Anoden. .

Die Erfindung ist somit auf Elektrolysezellen gerichtet·, die für die Elektrolyse wässriger Lösungen und insbesondere wässriger Alkalimetallchlorid-LÖsungen geeignet sind.

Elektrolysezellen werden seit vielen Jahren .in großem Umfang für die Herstellung von Chlor, Chloraten, Chloriten,

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Chlorwasserstoffsäure, Laugen, Wasserstoff und anderen verwandten Chemikalien angewandt. Im Laufe der Jahre sind diese Zellen zu einem Standard entwickelt worden, der, bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie, hohe Betriebswirkungsgrade ermöglicht. Die Betriebswirkungsgrade schließen die Strom-, Zersetzungs-, Energie-, Leistungs- und Spannungs-Ausbeuten ein. Die jüngsten Entwicklungen hinsichtlich der Elektrolysezellen sind auf Verbesserungen gerichtet, die bei Aufrechterhaltung hoher Betriebwirkungsgrade 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 Stromstärken arbeiten, führen bei einem gegebenen Platzbedarf der Zelle zu höheren Produktionsraten und vermindern den Investitionsaufwand und die Betriebskosten.

Im allgemeinen zielen die jüngsten Entwicklungen hinsieht·^ lieh der Elektrolysezellen auf größere Zellen ab, die höhere Produktionskapazitäten aufweisen und so ausgelegt sind, daß sie bei hohen Stromstärken arbeiten und gleichzeitig die Aufrechterhaltung hoher Betriebswirkungsgrade ermöglichen. Innerhalb gewisser Betriebsparameter ist die Produktionskapazität der Zelle umso größer, je höher die Stromstärke liegt, bei der die Zelle betrieben werden kann. Wenn die Zelle für höhere Stromstärken ausgelegt wird, ist es jedoch von Bedeutung, hohe Betriebswirkungsgrade aufrechtzuerhalten, Ein einfaches Vergrößern der Bestandteile einer für niedrige Stromstärken ausgelegten Zelle führt nicht zu einer Zelle, die sowohl bei hoher Stromstärke betrieben werden kann, als auch gleichzeitig das Aufrechterhalten hoher Betriebswirkungsgrade ermöglicht. Für bei hohen Stromstärken zu betreibende Zellen ist eine Vielzahl von Konstruktions-

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Verbesserungen erforderlich, damit die hohen Betriebswirkungsgrade aufrechterhalten und eine große Produktionskapazität erzielt werden können.

Die Elektrolysezelle der Erfindung kann so angepaßt werden, daß sie als Elektrolysezelle verschiedener Typen verwendet werden kann, von denen die Chloralkalizellen von überragender Bedeutung sind. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle wird insbesondere mit" Hinsicht auf Chloralkalizellen, und insbesondere in Bezug auf Chloralkali-Diaphragma-Zellen beschrieben werden. Durch die Erläuterung dieser besonderen Ausführungsformen soll die Nützlichkeit der Elektrolysezelle der Erfindung jedoch nicht in Bezug auf andere Elektrolysezellen-Typen beschränkt werden.

In früherer Zeit waren die Chloralkali-Diaphragma-Zellen so konstruiert, daß sie bei relativ niedrigen Stromstärken von etwa 10 000 A oder weniger betrieben werden konnten und entsprechend niedrig liegende Produktionskapazitäten aufwiesen. Eine typische Zelle dieser Art ist die Hooker-Zelle Typ S, die von der Anmelderin entwickelt wurde und zur Zeit ihrer Entwicklung und anfänglichen Verwendung einen Durchbruch in der elektrochemischen Technik darstellte. Die Hooker-Zelle Typ S wurde anschließend von der Anmelderin durch eine Reihe von Zellen des Typs S verbessert, beispielsweise durch die Typen S-3, S-3A, S-3B, S-3C, S-3D und S-4 und die bei·zunehmend höheren Stromstärken von etwa 15 000, 20 000, 25 000, 30 000, 40 000 und bis zu etwa 55 000 A mit entsprechend höheren Produktionskapazitäten betrieben werden konnten. Die Konstruktion und die Leistung dieser Hooker-Zellen Typ S sind, von Shreve in Chemical Process Industries, Third Edition, · Seite 233 (1967), McGraw-Hill; Mantell in. Industrial Electrochemistry, Third Edition, Seite 434 (1950), McGraw-Hill,· und Sconce in Chlorine, Its Manufacture, Properties and Uses, A,,rC,S, Monograph, Seiten 94 bis 97 (1962) Reinhold, beschrieben,,

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In der US-PS 2 987 463 ist eine Chloralkali-Diaphragma-Zelle beschrieben, die bei einer Stromstärke von etwa 30 000 A betrieben werden kann und sich in gewisser Weise von den Hooker-Zellen des Typs S unterscheidet. In den US-Patentschriften 3 464 912 und 3 493 487 der Anmelderin sind Chloralkali-Diaphragma-Zellen offenbart, die bei einer Stromstärke von etwa 60.000 A betrieben werden können.

Der oben angegebene Stand der Technik zeigt die Entwicklung der Konstruktion von Chloralkali-Diaphragma-Zellen, die bei höheren Stromdichten und entsprechend höheren Produktionskapazitäten arbeiten. Es sind nun Chloralkali-Diaphragma-Zellen entwickelt worden, die bei hohen Stromstärken von etwa 150 000 A und mehr bis etwa 200 000 A arbeiten und unter Aufrechterhaltung hoher Betriebswirkungsgrade entsprechend höhere Produktionskapazitäten ergeben.

Die Erfindung betrifft daher eine Elektrolysezelle, die eine Kathodenstromschienenanordnung, Kathodenfinger mit einem neuartigen Aufbau und einen Anodensockel mit Anoden umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist,

1. daß die Kathodenstromschienenanordnung mindestens eine Zuleitungssammelschiene und eine Vielzahl von Stromschienenstreifen mit unterschiedlichen relativen Abmessungen umfaßt, die aus einem hochleitfähigen Metall gefertigt und so angeordnet sind, daß die Zuleitungssammelschiene und die Vielzahl der Stromschienenstreifen einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in der Kathodenstromschienenanordnung, ohne merklichen Spannungsabfall längs der Kathodenstromschienenanordnung und mit dem günstigsten Energieverbrauch in der Kathodenstromschienenanordnung durch diese zu den an die Kathodenfinger angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten führen, und die Kathodenstromschienenanordnung in elektrischem Kontakt steht mit

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mindestens einer Seitenwand des aus einem leitenden Metall gefertigten, Seitenwände aufweisenden und eine Vielzahl von Kathodenfinger enthaltenden Kathodenbehälters;

daß die Kathodenfinger Kathodenfingerverstärkungen aus einem leitenden Metall, in dem Kathodenfingeraufbau enthaltende, an den Kathodenfingerverstärkungen befestigte Stäbe aus einem hochleitenden Metall und an den Kathodenfingerverstärkungen befestigte, die Außenseite der Kathodenfinger und den darin vorhandenen Gasraum bildende gelochte Einrichtungen aus leitendem Metall umfaßt; wobei die Stäbe aus dem hochleitenden Metall derart in dem Kathodenfingeraufbau angeordnet sind, daß sie einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in den Kathodenfingern,ohne merklichen Spannungsabfall längs der Kathodenfinger und mit dem günstigsten Energieverbrauch in den Kathodenfingern zu führen in der Lage sind, und der Kathpdenbehälter eine Vielzahl von Kathodenfingern enthält, die sich im wesentlichen über den gesamten Innenraum des Kathodenbehälters erstrecken und die in elektrischem Kontakt an der Innenseite mindestens einer Seitenwand des Kathodenbehälters befestigt sind, während die Kathodenstromschienenanordnung an der Außenseite der an die befestigten Kathodenfinger angrenzenden Seitenwand des Kathodenbehälters in elektrischem Kontakt befestigt ist; und · ·

daß-der Anodensockel eine Einrichtung aus einem hochleitenden Metall mit im wesentlichen flacher und ebener Oberfläche und einem in Richtung von der Anoden* oder Zwischenzellenverbindungsstromschiene weg abnehmenden Querschnitt, der ein im wesentlichen stufenartiges, abgeschnittenes, rechtwinkeliges Dreieck bildet, umfaßt, die so geformt ist und solche relativen Abmessungen besitzt, daß sie einen elektrischen

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Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in dem Anodensockel, ohne merklichen Spannungsabfall längs des Anodensockels und mit dem günstigsten Energieverbrauch in dem Anodensockel durch diesen zu den an die Anodenplatten angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten führt.

Die erfindungsgemäße Kathodenstromschienenanordnung umfaßt mindestens eine Zuleitungssammelschiene und eine Vielzahl von Stromschienenstreifen, die unterschiedliche relative Abmessungen oder Dimensionen besitzen. Die Stromzuleitungssammelschiene oder die Stromschienen und die Vielzahl der Stromschienenstreifen sind aus einem hochleitenden Metall gefertigt und derart angeordnet, daß die Zuleitungssammelschiene oder die Zuleitungssammelschienen und die Vielzahl der Stromschienenstreifen daran angepaßt sind, einen elektrischen Strom zu elektrischen Kontaktpunkten, die an die Kathodenfinger angrenzen, zu führen und eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in der Kathodenstromschienenanordnung aufrechtzuerhalten, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall in der Kathodenstromschienenanordnung auftritt und wobei gleichzeitig der wirtschaftlich günstigste Energieverbrauch in der Kathodenstromschienenanordnung erreicht wird. Die Kathodenstromschienenanordnung ist an mindestens einer Seitenwand eines Kathodenbehälter, das heißt eines die Kathode als Wandung aufweisenden Behälters, befestigt. Der Kathodenbehälter enthält eine Vielzahl von Kathodenfingern, die sich im wesentlichen über den gesamten Innenraum des Kathodenbehälters erstrecken und die unter Erzielung eines elektrischen Kontaktes an. mindestens einer Innenseitenwand des Kathodenbehälters befestigt sind. Die Kathodenstromschienenanordnung ist in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Seitenwand des Kathoden^ behälters befestigt, die an die befestigten Kathodenfinger a,ngrenzt.

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Die neue Kathodenstromschienenanordnung ermöglicht die wirtschaftlichste Verwendung des investierten Kapitals, insbesondere der Menge des.für die Kathodenstromschienenanordnung verwendeten hochleitenden Metalls. Die Anordnung und die unterschiedlichen relativen Abmessungen der Zuleitungssammelschiene(n) und der Vielzahl der Stromschienenstreifen vermindern, verglichen mit dem Stand der Technik, die Menge des in der Kathodenstromschienenanordnung notwendigen hochleitenden Metalls erheblich. Die Zuleitungssammelschiene(n) und die Vielzahl der Stromschienenstreifen sind aufgrund ihrer Anordnung bzw. Gestalt und ihrer unterschiedlichen relativen Abmessungen darauf angepaßt, einen elektrischen Strom zu führen und eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte durch die Kathodenstromschienenanordnung aufrechtzuerhalten.

Die erfindungsgemäße Kathodenstromschienenanordnung kann mit Einrichtungen zur Befestigung von Kathodenüberbrückungseinrichtungen versehen werden, wenn eine benachbarte Elektrolysezelle kurzgeschlossen und aus dem elektrischen Kreis entnommen wird. Die Kathodenstromschienenanordnung kann auch mit Kühleinrichtungen versehen werden, die verhindern, daß die Temperaturen in der Kathodenstromschienenanordnung auf schädliche Werte ansteigen und die zusätzlich die Menge des hochleitenden Metalls vermindern, das für die Kathodenstromschienenanordnung notwendig ist. Die erfindungsgemäßen Kathodenfinger bzw. deren Aufbau umfassen Kathodenfingerverstärkungen aus einem leitenden Metall, Stäbe aus hochleitendem Metall, die in dem Kathodenfingeraufbau angeordnet sind, und mit löchern versehene bzw. gelochte Einrichtungen aus leitendem Metall, die an den KathodenfingerverStärkungen befestigt sind und die Außenseite der Kathodenfinger und einen im Inneren der Kathodenfinger befindlichen Gasraum bilden. Die KathodenfingerverStärkungen können mit einer geeigneten Anzahl von Dornen, Stiften, Bolzen oder Vorsprüngen versehen sein. Die gelochten Einrichtungen aus dem leitenden

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Metall können an diesen Vorsprüngen befestigt sein, wodurch ein zusätzlicher Hohlraum für das während der Elektrolyse an der Kathode gebildete und in eine Samme1kammer zu überführende Gas geschaffen wird.

Das hochleitende Metall ist vorzugsweise auf den Kathodenfingerverstärkungen der Kathodenfinger vorhanden und es sind Einrichtungen vorgesehen, mit denen das hochleitende Metall an den Kathodenfingerverstärkungen befestigt werden kann. Das hochleitende Metall ist in dem Aufbau des Kathodenfingers derart angeordnet, daß die Stäbe oder Streifen aus hochleitendem Metall so gebildet sind, daß sie einen elektrischen Strom führen und eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in der Kathodenfingerstruktur ermöglichen, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall längs des Kathodenfingers auftritt und wobei sich gleichzeitig in dem Kathodenfinger der wirtschaftlich günstigste Energieverbrauch einstellt.

Durch den neuartigen Aufbau des Kathodenfingers werden neue Kathodenfinger geschaffen. DerKathodenbehälter enthält eine Vielzahl von Kathodenfingern, die sich im wesentlichen über das Innere des Kathodenbehälters erstrecken und die in elektrischem Kontakt stehend an mindestens einer Innenseitenwand des Kathodenbehälters befestigt sind. Die Kathodenstromschienenanordnung ist in elektrischem Kontakt mit der Außenseite der Seitenwand des Kathodenbehälters verbunden, die an die befestigten Kathodenfinger angrenzt.

Es sind Einrichtungen zum Ausrichten der gegenüberliegenden Enden der Kathodenfinger, die an die innere Seitenwand des Kathodenbehälters angrenzen,, vorgesehen, die der Innenseitenwand gegenüberliegt, an der die Kathodenfinger befestigt sind»

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Der neue Anodensockel umfaßt eine Einrichtung aus einem hochleitenden'Metall, die eine im wesentlichen flache und' ebene Oberfläche und in der sich von der Anoden- oder .Interzellenverbindungs-Stromschiene entfernenden Richtung einen abnehmenden Querschnitt aufweist, der die Form eines im wesentlichen stufenartig sich verjüngenden, abgeschnittenen rechtwinkeligen Dreiecks besitzt. Die Einrichtung aus dem hochleitenden Metall kann aus einer soliden Metallplatte der beschriebenen Gestalt bestehen oder kann aus zwei oder mehreren Formstücken, wie Platten, mit unterschiedlichen relativen Abmessungen aufgebaut sein, die derart angeordnet sind, daß. ihre Querschnitte die Querschnittsform eines im wesentlichen stufenartig sich verjüngenden, abgeschnittenen, rechtwinkeligen Dreiecks der obigen Art bilden. Die Einrichtung aus dem hochleitenden Metall kann mit Befestigungseinrichtungen für die Anodenplatten versehen sein. Die Einrichtung aus hochleitendem Metall besitzt solche relativen Abmessungen und eine derartige Gestalt, daß sie in der Lage ist, einen elektrischen Strom durch den Anodensockel bis zu an die Anodenplatten angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten zu führen und in dem Anodensockel eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte aufrechtzuerhalten, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall beim Durchgang durch den Anodensockel auftritt und in dem Anodensockel der wirtschaftlich günstigste Energieverbrauch erreicht wird.

Der erfindungsgemäße Anodensockel kann auch geeignete Stützexnrichtungen für die Einrichtung aus dern^ hochleitenden Metall und andere geeignete Stützexnrichtungen aufweisen, die den Anodensockel in die Lage versetzen, anderen Bestandteilen der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle als Unterlage zu dienen.

Zur Verdeutlichung des Standes der Technik sei auf die US-PS 3 432 422 verwiesen.

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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Anodensockels wird das investierte Kapital in wirtschaftlichster Weise eingesetzt, da die Menge des für den Anodensockel benötigten hochleitenden Metalls bestmöglich ausgenutzt wird.

Die Anordnung, die Gestalt und die unterschiedlichen relativen Abmessungen der Einrichtung aus dem hochleitenden Metall vermindern, verglichen mit dem Stand der Technik, in wesentlicher Weise die Menge des hochleitenden Metalls, das in dem Anodensockel vorhanden sein muß. Weiterhin ist die Einrichtung aus dem hochleitenden Metall aufgrund ihrer Anordnung und ihrer unterschiedlichen relativen Abmessungen darauf ausgelegt, einen elektrischen Strom zu führen und durch den Anodensockel eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte aufrechtzuerhalten.

Der Anodensockel kann mit einer Anodenüberbrückungsstromschiene versehen sein, an der eine Anodenverbindung befestigt wird, wenn eine benachbarte Elektrolysezelle kurzgeschlossen und aus dem Schaltkreis genommen wird. Der Anodensockel kann auch mit Kühleinrichtungen versehen sein, die verhindern, daß die Temperatur des Anodensockels auf schädliche Werte ansteigt und die zur Folge haben, daß die Menge des in dem Anodensockel verwendeten hochleitenden Metalls vermindert werden kann.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann in einer großen Vielzahl verschiedener Elektrolyseprozesse angewandt werden. Die Elektrolyse wässriger Alkalimetallchlorid^Lösungen ist jedoch von größter Bedeutung, so daß die erfindungsgemäße Elektrolysezelle in' Bezug auf diesen Prozeß näher erläutert sei. Durch diese Beschreibung soll die Elektrolysezelle der Erfindung jedoch nicht auf die Anwendung in solchen Elektrolyseprozessen beschränkt sein.

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Anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird die Erfindung im folgenden beispielsweise näher .erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer typischen Elektrolysezelle der Erfindung und verdeutlicht eine typische Kathodenstromschienenanordnung.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht längs der Ebene 2-2 durch die in der Fig. 1 wiedergegebene Zelle und eine andere Ansicht auf die Kathodenstromschxenenanordnung.

In der Fig. 3 ist eine vergrößerte Teildraufsicht auf den Kathodenbehälter der in der Fig. 1 wiedergegebenen Zelle und die relative Anordnung der Kathodenfinger verdeutlicht.

Die Fig. 4 gibt eine Teilschnittansicht längs der Linie 4-4 des in der Fig. 3 wiedergegebenen Kathodenbehälters wieder und zeigt die relative Position der Kathodenfinger und der Anodenplatten, die am Ende des Kathodenbehälters angeordnet sind.

Die Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Seitenschnittansicht eines Kathqdenfingers und des Kathodenbehälters der in der Fig. 3 wiedergegebenen Zelle längs der Schnittlinie 5-5 und verdeutlicht die Anordnung des auf den Kathoden- fingerverStärkungen angeordneten hochleitenden Metalls,

Die Fig. 6 gibt eine seitliche Draufsieht.der gegenüberliegenden Seite der in der Fig.5 gezeigten Kathodenverstärkungen wieder und zeigt den sichtbaren Aufbau der darauf befestigten hochleitenden Metalls.

In der Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der KathodenfingerverStärkung angegeben und verdeutlicht die Anordnung des darauf befestigten hochleitenden Metalls,

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In der Fig. 8 ist eine Stirnansicht der in der Fig. 7 wiedergegebenen Kathodenfingerverstärkung von der Linie 8-8 aus gesehen gezeigt und sie verdeutlicht die Anordnung des auf der Kathodenfingerverstärkung befestigten hochleitenden Metalls und der Dorne bzw. Stifte.

Insgesamt zeigen die Fig. 3, 4, 5, 6, 7 und 8 gemeinsam typische Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Kathodenfingeranordnungen.

Die Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf einen Anodensockel, der in der in der Fig. 1 wiedergegebenen Zelle verwendet werden kann. Der Übersichtlichkeit halber sind die Anodenplatten nicht gezeigt.

Die Fig. 10 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch den in der. Fig. 9 wiedergegebenen Anodensockel längs der Ebene 10-10 und verdeutlicht im Detail die Anordnung bzw. die Gestalt der Platte aus dem hochleitenden Metall.

In der Fig. 11 ist das gleiche gezeigt wie in der Fig. 10, mit dem Unterschied, daß zusätzlich ein Zellensockel dargestellt ist..

In der Fig. 12 ist eine Draufsicht auf einen Anodensockel dargestellt, der in der in der Fig. 1 wiedergegebenen Zelle verwendet werden kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Anodenplatten nicht dargestellt.

In der Fig. 13 ist eine seitliche Schnittansicht durch den in der Fig. 12 wiedergegebenen Anodensockel gezeigt und verdeutlicht im Detail den Aufbau der Platte aus dem hochleitenden Metall.

Die Fig. 14 zeigt schließlich dieselbe Ansicht wie die Fig. 13 mit dem Zusatz eines Zellensockels,

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Zur Herstellung der Mehrzahl der verschiedenen Bestandteile oder Teile, die die neue Elektrolysezelle der Erfindung ausmachen, werden zwei verschiedene Arten von Metallen verwendet. Eines-dieser Metalle ist ein hochleitendes Metall, während das andere Metall ein leitendes Metall ist, das eine gute Festigkeit und geeignete Verarbeitungseigenschaften besitzt. Der hierin verwendete Ausdruck "hochleitendes Metall" steht für ein Metall, das dem elektrischen Strom einen geringen Widerstand entgegensetzt und einen ausgezeichneten elektrischen Leiter darstellt. Geeignete hochleitende Metalle sind Kupfer, Aluminium, Silber und dergleichen sowie Legierungen dieser Metalle. Das bevorzugte hochleitende Metall ist Kupfer oder eine seiner hochleitenden Legierungen, wozu zu sagen ist, daß wenn im folgenden von Kupfer die Rede ist,dies auch bedeutet, daß wenn es möglich oder praktisch ist, anstelle des Kupfers oder einer seiner hochleitenden Legierungen auch irgendein anderes geeignetes hochleitendes Metall verwendet werden kann.

Der Ausdruck "leitendes Metall", wie er hierin verwendet wird, umfaßt ein Metall, das dem elektrischen Stromfluß einen mäßigen Widerstand entgegensetzt, aber dennoch einen angemessen guten Leiter für den elektrischen Strom darstellt. Das leitende Metall besitzt daneben gute Festigkeit und gute konstruktive bzw. verarbeitungsmäßige Eigenschaften. Geeignete leitende Metalle schließen Eisen,Stahl,Nickel und dergleichen und Legierungen davon, wie rostfreien Stahl und andere Chromstähle, Nickelstähle und dergleichen ein. Das bevorzugte leitende Metall ist ein relativ billiger Stahl mit niedrigem.Kohlenstoffgehalt, der im folgenden der Einfachheit halber als Stahl bezeichnet wird, wobei der im folgenden angewandte Ausdruck "Stahl" auch die Tatsache inschließt, daß irgendein anderes geeignetes Metall anstelle des Stahls, verwendet werden kann, wenn dies möglich oder praktisch ist.

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Das hochleitende Metall und das leitende Metall sollten eine angemessene Beständigkeit gegen die Korrosion während des Betriebes der Elektrolysezelle aufweisen oder in geeigneter Weise dagegen geschützt sein.

Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, umfaßt die Elektrolysezelle -11 einen korrosionsbeständigen Kunststoffeckel 12, einen Kathodenbehälter 13 und einen Zellensockel 14. Der Deckel 12 ist auf dem Kathodenbehälter 13 angeordnet und mit (nicht dargestellten) Befestigungseinrichtungen an dem Kathodenbehälter 13 befestigt. Zwischen dem Deckel 12 und dem Kathodenbehälter 13 ist eine Dichtung angeordnet. Der Kathodenbehälter 13 ist auf dem Zellensockel 14 angeordnet und an diesem mit Hilfe von (nicht dargestellten) Befestigungseinrichtungen befestigt. Zwischen dem Kathodenbehälter 13 und dem Zellensockel 14 ist eine elastomere Dichtungsschicht vorgesehen. Die Elektrolysezelle 11 wird von Stützen 15 getragen, die als Unterlage für die Zelle dienen.

Die Kathodenstromschienenanordnung 16 ist in irgendeiner geeigneten Weise, zum Beispiel durch Verschweißen, an der stählernen Seitenwand 17 des stählernen Kathodenbehälters 13 befestigt. Die Kathodenstromschienenanordnung 16 umfaßt eine Zuleitungssammelschiene 18 aus Kupfer und eine Vielzahl von Stromschienenstreifen 19, 21, 22 aus Kupfer, die unterschiedliche relative Abmessungen besitzen und so angeordnet sind, daß die Zuleitungssammelschiene 18 und die Stromschienenstreifen 19, 21 und 22 dafür geeignet sind, einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch die Kathodenstromschienenanordnung 16 zu elektrischen Kontaktpunkten an der Seitenwand 17 des Kathodenbehälters 13 zu führen, .

■Die Kathodenstromschienenanordnung 16 kann mit Kühleinrichtungen 23 versehen sein, die Stahlplatten 24, 25, 26 und 30,

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Einlaßöffnungen 27 und Auslaßöffnungen 28 aus Stahl.umfassen, die in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Schweißen, ■ hergestellt worden sind und die Kühleinrichtung bilden. Die Kühleinrichtung 23 ist in irgendeiner geeigneten Weise, zum Beispiel durch Verschweißen, mit der Zulextungssammelschiene 18 und dem Stromschienenstreifen 19 verbunden. Durch die Kühleinrichtung 23 wird ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, über die Einlaß- und .Auslaß-Öffnungen 27 und 28 im Kreislauf .geführt. Die Kühleinrichtung 23 ist insbesondere für den Zweck vorgesehen,-daß eine der Elektrolysezelle benachbarte Elektrolysezelle kurzgeschlossen und aus dem elektrischen Schaltkreis entnommen wird. Durch die Anwendung der Kühleinrichtung 23 wird es möglich, erheblich weniger Kupfer in der Kathodenstromschienenanordnung 16 zu verwenden, was zu einer wesentlichen Verminderung der Investitionskosten für das als Kathode verwendete Kupfer führt. Obwohl die Kühleinrichtung 23 hauptsächlich dann verwendet werden soll, wenn eine der Elektrolysezelle 11 benachbarte Elektrolysezelle kurzgeschlossen wird, kann' die Kühleinrichtung 23 während des Routineζellbetriebs verwendet werden, um entweder die Kathodenstromschienenanordnung 16 während irgendwelchen periodisch auftretenden elektrischen Stromüberlastungen zu kühlen oder die Kathodenstromschienenanordnung 16 kontinuierlich zu kühlen, wodurch eine weitere Verminderung des in der Kathodenstromschienenanordnung 16 verwendeten Kupfers mit einer entsprechenden Verringerung der Investitionskosten erreicht wird.

Die Zuleitungssammelschiene 18 kann mit aus Stahl bestehenden Kontaktplatten 29 und 31 versehen sein, die als Kontakte dienen. Die stählernen Kontaktplatten 29 und 31 sind in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise mit Hilfe der Schrauben 32,an der Zulextungssammelschiene befestigt. Die Zulextungssammelschiene 18 und die stählernen Kontaktplatten 29 und 31 können mit Löchern 33 versehen sein, die als Einrichtungen zur Befestigung von Zwischen-

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Zellenverbindungsleitungen dienen können, über die die Elektrizität von einer benachbarten Zelle zugeführt wird oder die die Elektrizität von einer anderen Spannungsquelle zu der Zuleitungssammelschiene 18 führen. Die Zuleitungssammelschiene 18 und der Stromschienenstreifen 19 können als Kathodenüberbrückungsstromschiene verwendet werden, wenn sie mit Löchern 34 versehen sind, die als Einrichtungen zur Befestigung von Kathodenüberbrückungsverbindungsleitungen dienen können, wenn eine benachbarte Elektrolysezelle kurzgeschlossen und aus dem elektrischen Schaltkreis entnommen wird. Während dieser Überbrückung leisten die Kühleinrichtungen 23 ihren größten Beitrag, da sie verhindern, daß die Temperaturen in der Kathodenstromschienenanordnung 18 auf Werte ansteigen, die eine Beschädigung der Kathodenstromschienenanordnung 16 oder andererßestandteile der Elektrolysezelle 11 zur Folge haben könnten.

In der Fig. 2 ist die Kathodenstromschienenanordnung 16 von einem anderen Blickwinkel gezeigt und die Beschreibung dieser Figur umfaßt die Kathodenstromschienenanordnung 16, die den Aufbau und die verschiedenen relativen Abmessungen der Bestandteile oder Teile aufweist, die auch die Kathodenstromschienenanordnung 16 besitzt, die in der Fig. 1 wiedergegeben ist.

Die Kathodenstromschienenanordnung 16 umfaßt eine Zuleitungs sammelschiene 18 aus Kupfer und eine Vielzahl von Stromschienenstreifen 19, 21 und 22 aus Kupfer. Die Stromschienenstreifen 19, 21 und 22. sind in irgendeiner geeigneten Weise mit der stählernen Seitenwand 17 des stählernen Kathodenbehälters 13 befestigt, beispielsweise über Kupfer-Stahl-Schweißverbindungen 35, 37, 38 und 41 und sind miteinander in geeigneter Weise beispielsweise durch Kupfer-Kupfer-Schweißverbindungen 36 und 39 verbunden, Das Schweißmetall ist vorzugsweise das gleiche Metall, aus dem auch die Stromschienenstreifen hergestellt sind, das heißt Kupfer,

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Diese Welse der Befestigung der Stromschienenstreifen mit der Seitenwand 17 vermindert die erforderliche Schweißfläche in erheblichem Ausmaß und ergibt einen geringeren elektrischen Kontaktwiderstand gegenüber der Seitenwand oder dem Kathodenstahl. Die Zuleitungssammelschiene 18 ist in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise über eine Kupfer-Kupfer-Schweißverbindung 42 mit dem Stromschienenstreifen 19 und in geeigneter Weise, beispielsweise mit Hilfe von Stahlblöcken 43, mit der Seitenwand 17 verbunden. Die Zuleitungssammelschiene 18 ist in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine (nicht gezeigte) Kombination von Schrauben, an den Stahlblöcken 43 befestigt, die ihrerseits in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise über Stahl-Stahl-Schweißverb'indungen 40, an der Seitenwand 17 des Kathodenbehälters 13 befestigt sind. In geeigneter Weise, beispielsweise mit Hilfe der Schrauben 32, sind Stahlkontaktplatten 29 und 31 an der Zuleitungssammelschiene 18 befestigt.

Die obige Befestigungsweise ergibt eine Kathodenstrom-" Schienenanordnung, bei der die Zuleitungssammelschiene 18 und die Vielzahl der Stromschienenstreifen 19, 21 und 23 über die Schweißverbindungen 36, 37, 38, 39 und 42 befestigt und elektrisch miteinander verbunden sind, während die Kathodenstromschienenanordnung 16 in elektrischem Kontakt stehend mit Hilfe der Schweißverbindungen 35, 37, 38, 40 und 41 an der Seitenwand 17 des Kathodenbehälters 13 befestigt ist.

In elektrischem Kontakt stehend sind Kathodenfinger 44 in irgendeiner geeigneten' Weise, beispielsweise durch Anschweißen der KathodenfingerverStärkungen 45 an die Seitenwand 17* mit der Seitenwand 17 verbunden. Ein typischer Kathodenfinger 44 ist teilweise gezeigt. Der Kathodenfinger 44 umfaßt eine Kathodenfingerverstärkung 45 aus Stahl und perforierte Stahlplatten 46, die in irgendeiner geeigneten Weise, wie durch Verschweißen, befestigt sind.An den perforier-

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ten Stahlplatten 46 und der Seitenwand 17 sind perforierte Stahlplatten 47 in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Verschweißen, befestigt und bilden die periphere Kammer 48.

Die Höhe der Vielzahl der Stromschienenstreifen an der Stelle ihrer Befestigung an der Seitenwand 17 ist im allgemeinen im wesentlichen gleich der Höhe der Kathodenfingerverstärkungen 45 an der Stelle, an der diese mit der Seitenwand 17 verbunden sind. Diese Höhe kann weiter dadurch definiert werden, daß sie mehr als etwa die HaLfte der Höhe des Kathodenbehälters 13 ausmacht. Die Dicke der Stromschienenstreifen 21 und 22 ist vorzugsweise geringer als die der Zuleitungssammelschiene 18 und des Stromschienenstreifens 19.

Die Kathodenfingerverstärkungen sind vorzugsweise gerippt und aus leitendem Stahlblech hergestellt, obwohl auch andere geeignete Verstärkungseinrichtungen, wie leitende Metallstäbe, Platten, verstärkte Bleche und dergleichen verwendet werden können. Die Kathodenfingerverstärkungen erfüllen zweierlei Zwecke, nämlich erstens unterstützen und verstärken sie die perforierten Stahlplatten und zweitens leiten sie den elektrischen Strom mit minimalem elektrischem Widerstand durch die Kathodenfingerverstärkungen zu sämtlichen Abschnitten der perforierten Stahlplatten.

Die mit Löchern versehenen Einrichtungen aus leitendem Metall, die zur Bildung der Kathodenfinger und der peripheren Kammer verwendet werden, bestehen vorzugsweise aus perforierten Stahlblechen, können jedoch auch aus Stahlgittern aufgebaut sein. Andere geeignete gelochte Einrichtungen aus leitendem Metall, die zur Bildung der Kathodenfinger und der peripheren Kammer verwendet werden können, sind leitende Metallgitter, Netze, Siebe, Draht-

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gewebe und dergleichen.

Der Kathodenbehälter 13 ist auf dem Kathodensockel 14
angeordnet und mit (nicht dargestellten) Befestigungseinrichturigen daran befestigt. Der Zellensockel oder die
Zellenunterlage 14 umfaßt eine elastomere Dichtungsschicht 14 und einen leitenden Anodensockel 51 und erforderlichenfalls eine Unterlage 52. Zwischen dem Kathodenbehälter 13
und dem Zellensockel 14 befindet sich eine Dichtungsschicht 49.

Einer typischen Schaltung von Elektrolysezellen gemäß wird der elektrische Strom über (nicht gezeigte) Zwischenzellen-Verbindungsleitungen zu der Zuleitungssammelschiene 18 der Kathodenstromschienenanordnung 16 geführt. Der elektrische Strom wird dann unter Aufrechterhältung einer im wesentlichen gleichmäßigen Stromdichte durch die Kathodenstromschienenanordnung 16 geführt, ohne daß längs der Kathodenstromschienenanordnung 16 ein merklicher Spannungsabfall
auftritt, und wodurch der wirtschaftlichste Energieverbrauch in der Kathodenstromschienenanordnung 16 erreicht wird. Der elektrische Strom wird aufgrund der Gestalt, der Anordnung und der unterschiedlichen relativen Abmessungen der Zuleitungssammelschiene 18 und der Stromschienenstreifen 19, 21 und 22 mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch die Kathodenstromschienenanordnung 16 geführt. Der elektrisehe Strom wird in dieser Weise über die Kathodenstromschienenanordnung 16 zu den elektrischen Kontaktpunkten an der Seitenwandung -17 des Kathodenbehäiters 13 geführt, von wo aus er an die Kathodenfinger 44 verteilt wird, was zur
Folge hat, daß der elektrische Strom unter diesen Bedingungen ohne weiteres mit einem minimalen elektrischen
Widerstand über die Kathodenfingerverstärkungen 45 zu sämtlichen Abschnitten der perforierten Stahlplatten 46 geführt wird.· .

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Die Kathodenstromschienenanordnung der Erfindung macht eine äußerst wirtschaftliche Ausnützung des investierten Kapitals, das heißt der Menge des Kupfers oder der anderen geeigneten hochleitenden Metalle, die für den Aufbau der Kathodenstromschienenanordnung verwendet werden, möglich. Der Aufbau und die unterschiedlichen relativen Abmessungen der Zuleitungssammelschiene(n) und der Vielzahl der Stromschienenstreifen vermindern, verglichen mit dem Stand der Technik, in erheblichem Ausmaß die Menge, in der Kupfer oder ein anderes geeignetes hochleitendes Material in der Kathodenstromschienenanordnung benötigt wird. Die Zuleitungssammelschiene(n) und die Vielzahl der Stromschienenstreifen sind aufgrund ihrer Anordnung und ihrer unterschiedlichen relativen Abmessungen auch dafür^geeignet, einen elektrischen Strom zu führen und .in der. Kathodenstromschienenanordnung eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte aufrechtzuerhalten.

Die Anordnung bzw. die Gestalt und die Abmessungen der Zuleitungssammelschiene(n) und der Vielzahl der Stromschienenstreifen kann in Abhängigkeit von der angestrebten Stromkapazität der Elektrolysezelle und einer Reihe anderer Faktoren, wie der Stromdichte,der Leitfähigkeit der verwendeten Metalle > der Größe der Schweißflächen, der Herstellungskosten und dergleichen variieren.

Die erfindungsgemäße Kathodenstromschienenanordnung ergibt eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit des unmittelbaren Bereiches der Kathodenfinger, wodurch nur ein minimaler oder kein Spannungsabfall längs der Kathodenstromschienenanordnung erfolgt, was, verglichen mit dem Stand der Technik, eine wesentliche Verminderung des Verbrauchs an Kupfer oder einem anderen hochleitenden Metall möglich macht.

Aufgrund der neuen Kathodenstromschienenanordnung kann die erfindungsgemäße Elektrolysezelle so ausgelegt werden,daß sie als Chloralkali-Diaphragma-Zelle bei hohen Stromstärken

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von etwa 150 000 A und bis zu etwa 200 000 A unter Aufrechterhaltung eines hohen Betriebswirkungsgrades betrieben werden kann. Diese hohen Stromstärken ermöglichen hohe Produktionskapazitäten, die sich in hohen Produktionsraten für eine gegebene Zellengrundfläche niederschlagen und den Investitionsaufwand und die Betriebskosten erniedrigen. Neben der Tatsache, daß die erfindungsgemäße Elektrolysezelle bei hohen Stromstärken betrieben werden kann, ist festzustellen, daß die erfindungsgemäße Elektrolysezelle unter Anwendung der neuen Kathodenstromschxenenanordnung auch bei niedrigeren Stromstärken, zum Beispiel etwa 55 000 A, eingesetzt werden kann.

Wie in der Fig. 3 dargestellt ist, sind die Kathodenfinger 44 von den stählernen Seitenwänden 17, 54,. 55 und 56 des Kathodenbehälters 13 aus Stahl umgeben.

Die Vielzähl der Kathodenfinger 44 kann irgendeine Zahl von etwa 10 bis etwa 50 oder mehr, vorzugsweise eine Zahl von etwa 15 bis etwa 40 und noch bevorzugter.eine Zahl von etwa 20 bis etwa 30 Kathodenfinger umfassen. Die (nicht gezeigten) Anodenplatten sind zwischen den Kathodenfingern 44 angeordnet. An den KathodenfingerverStärkungen 45 sind perforierte Stahlplatten 46 in irgendeiner geeigneten Weise, zum Beispiel durch Anschweißen, befestigt. Die Stahlplatten 53 sind ferner in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Verschweißen, mit den KathodenfingerverStärkungen 45 verbunden. Die Kathodenfinger 44 sind in irgendeiner geeigneten Weise, zum Beispiel durch Anschweißen der Stahlplatten 53 und der Kathodenfingerverstärkungen 45 an die Seitenwand 17, mit der Seitenwand 17 verbunden. Die perforierten Stahlplatten 47 sind_r beispielsweise durch Verschweißen , an den Seitenwänden 17, 54, 55 und 56 und den perforierten Stahlplatten' 46 befestigt. Die perforierten Stahlplatten 47 umgeben die inneren Seitenwände des Kathodenbehälters 13 und bilden die periphere Kammer 48, die als Sammelkammer für das während

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der Elektrolyse an der Kathode gebildete Wasserstoffgas dient. Das während der Elektrolyse an der Kathode abgeschiedene Wasserstoffgas wird längs der Kathodenfinger 44 zu der peripheren Kammer 48 geführt, aus der es über den Gasabzug 57 entfernt wird.

Wie die Fig. 4 erkennen läßt, sind die perforierten Stahlplatten 46 in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, an den KathodenfxngerverStärkungen 45 aus Stahl befestigt. In irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, sind Stahlplatten 53 mit den Kathodenfingerverstärkungen 45 verbunden. Stahlstützen 58 sind in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Anschweißen, an den Kathodenfingerverstärkungen 45 und der Seitenwand 56 des Kathodenbehälters 13 aus Stahl befestigt. In irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, sind perforierte Stahlplatten 47 mit den perforierten Stahlplatten 46 und den Seitenwänden 17 und 56 verbunden und bilden die periphere Kammer 48. Wegen des größeren Maßstabs dieser Figur ist die periphere Kammer 48 deutlicher zu erkennen. Die Kathodenfingerverstärkungen 45 können mit Vorsprüngen 59 versehen sein und die perforierten Stahlplatten 46 können in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, an den VorSprüngen 59 befestigt werden, wodurch ein zusätzlicher Raum für das während der Elektrolyse an der Kathode gebildete Wasserstoff gas gebildet wird, das zu der peripheren Kammer 48 geführt wird.

In geeigneter Weise, beispielsweise durch Verschweißen, sind an den Kupferstäben 62 Stahlspitzen 61 und Stahlplatten 53 befestigt. Die Stahlspitzen 61 und die Stahlplatten 53 sind in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Anschweißen, an den Kathodenfingerverstärkungen 45 befestigt, wodurch sie die Kupferstäbe 62 auf den Kathodenfingerverstärkungen 45 festlegen.

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Die Kathodenfingerverstärkungen 45 bestehen vorzugsweise aus gewelltem Stahlblech, können jedoch auch durch andere geeignete Verstärkungseinrichtungen, wie Stäben, Platten, verstärkten Blechen und dergleichen gebildet sein. Die Kathodenfingerverstärkungen 45 dienen zweierlei Zwecken, nämlich einerseits dem Tragen und Verstärken der perforier-' ten Stahlplatten 46 und andererseits der Leitung des elektrischen Stroms" mit einem minimalen elektrischen Widerstand in den Kathodenfingerverstärkungen 45 zu sämtlichen Abschnitten der perforierten Stahlplatten 46.

Aus den Fig. 2 und 4 ist zu ersehen, daß der Kathodenbehälter 13 auf dem Zellensockel 14 angeordnet ist und an diesem mittels (nicht gezeigter) Befestigungseinrichtungen befestigt ist. Der Zellensockel 14 umfaßt einen leitenden Ahodensockel 51 und erforderlichenfalls geeignete Unterlagen 52. Zwischen dem Kathodenbehälter 13 und dem Zellensockel 14 ist eine elastomere Dichtungsschicht 49 angeordnet.

Die Anodenplatten 72 bestehen vorzugsweise aus Metall und sind in irgendeiner geeigneten Weise> beispielsweise mit Schrauben und/oder Bolzen, gesicherten Nasen, Stiften, durch Anschweißen oder dergleichen in elektrischem Kontakt mit dem Anodensockel 51. verbunden. Die Kathodenfinger 44 sind in einem solchen Abstand voneinander angeordnet, daß die Anodenplatten-72 in der Mitte zwischen benachbarten Kathodenfihgern 44 vorhanden sind und der gewünschte Ausrichtungsabstand zwischen den Anodenplatten 72 und den Kathodenfingern 44 vorhanden ist.

Die in den Fig. 2, 3 und 4 wiedergegebene Elektrolysezelle 11 ist besonders geeignet für die Elektrolyse von Alkalimetallchlorid-Lösungen im allgemeinen, die nicht nur Natriumchlorid-LÖsungen, sondern auch Kaliumchlorid-, Lithiumchlorid-, Rubidiumchlorid- und Cesiumchlorid-Lösungen umfassen. Wenn die Elektrolysezelle 11 dazu ver-

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wendet wird, solche Lösungen zu elektrolysieren, wird die Elektrolysezelle 11 mit einem Diaphragma 71 versehen, das dazu dient, den Anolyt-Raum und den Katalyt-Raum voneinander zu trennen, so daß das Chlor an der Anode und Lauge bzw. Wasserstoff an der Kathode abgeschieden werden. Das Diaphragma 71 besteht aus einem fluiddurchlässigen und halogenbeständigen Material, das die Stahlplatten 46, die die Kathodenfinger 44 bilden, und die perforierten Stahlplatten 47, die die periphere Kammer 48 bilden, bedeckt. Vorzugsweise besteht das Diaphragma 71 aus Asbestfasern, die auf den äußeren Oberflächen der perforierten Stahlplatten 46 und 47 abgeschieden sind. Die Elektrolysezelle ist auf die Verwendung vieler Arten von Diaphragmen ausgelegt, wie Asbestgeweben, Asbestpapier, Asbestblättern und anderen geeigneten Materialien, die dem Fachmann geläufig sind.

Die perforierten Stahlplatten 46, die die Kathodenfinger 44 bilden, und die perforierten Stahlplatten 47, die die periphere Kammer 48 bilden, bestehen aus mit Löchern versehenen oder gelochten Einrichtungen aus einem leitenden Metall. Andere geeignete gelochte Einrichtungen aus leitendem Metall, die zur Bildung der Kathodenfinger und der peripheren Kammer verwendet werden können, umfassen leitende Metallgitter, Metallnetze, Metallsiebe, Drahtgewebe oder dergleichen.

Bezugnehmend auf die Fig. 3 und 5 seien einige der im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren bereits beschriebenen Details weiter verdeutlicht. Die Kathodenstromschienenanordnung 1.6 ist mit der Außenseite 17 der Seitenwandung des Kathodenbehälters 13 verbunden, während die daran angrenzenden Enden der Kathodenfinger 44 mit der Innenseite der Seitenwandung 17 des Kathodenbehälters 13 in der Weise verbunden sind, wie sie oben bereits erläutert wurde.

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Die anderen Enden der Kathodenfinger 44 sind vorzugsweise wie folgt angeordnet. Die hinteren Enden 63 der stählernen .Kathodenverstärkungen 45 sind: der stählernen .Seitenwand des Kathodenbehälters 13 gegenüberliegend mit Hilfe von Stahlstützen 64, 65, 66 und 67 angeordnet. Die Stützen 64 und 65 sind in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, an .den KathodenfingerverStärkungen 45 befestigt und ruhen auf den Stütz.en->-;66 und 67, die ihrerseits in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, mit der .Seitenwand.55. verbunden,.sind.

·""■■ 7->ί; ^h r ...:--. öle I. BV--.. . ■ Die Stützen 64 und 65 können mit den" Stützen.:.66 bzw. 67 verbunden oder daran befestigt sein, obwohl es bevorzugt ist, daß die Stützen 64 und 65 nicht in·.dieser Wei§evbe-/ festigt sind, so daß ein lineares und horizontales-thermisches Ausdehnen und/oder Zusammenziehen der-Kathodenfinger 44 möglich wird. · . _: . ;-_: ;. ::·.„ . nietv "thö.-

Die perforierten Stahlplatten 47 sind in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Verschweißen, an den ' Seitenwändeh 17, 54, 55 bzw. 56 und den benachbarten perforierten Stahlplatten 46.. befestigt und bilden_ein dieser Weise die periphere Kammer.,48. , ...^vu*--:·:.·;.<■■ /.'·■

Die Kupferstäbe 62 besitzen vorzugsweise unterschiedliche Längen und sind vorzugsweise in der in der Fig. 5 wiedergegebenen Weise auf der Kathodenfingerverstärkung 45 angeordnet. In geeigneter Weise, beispielsweise durchAnschweißen, sind Stahlspitzen 61 an den, Enden 68 der Kupfer-stäbe .62 befestigt, während die Stahlplatte 53 in geeigneter .Weise, , beispielsweise durch Verschweißen, mit den in einer Linie ■ angeordneten Enden 73 der Kupferstäbe 62 verbunden ist \ und in dieser Weise die kupferne Kathodenanordnung 69 ',bildet.'Die kupferne Kathodenanordnung 69 ist in irgendieiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Anschweißen der Stahlspitzen 61 und der Stahlplatte 53 an die stäh-

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lerne KathodenfingerverStärkung 45, mit der Kathodenverstärkung 45 verbunden. Die Kupferstäbe 62 können in dieser Weise auf der KathodenfingerverStärkung 45 angeordnet sein. Die Kupferstäbe 62 besitzen eine ausreichende Länge und wei-.sen vorzugsweise unterschiedliche Längen auf, um in dieser Weise eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in dem Kathodenfinger 44 aufrechtzuerhalten. Die Kupferstäbe 62 müssen nicht notwendigerweise rund sein oder einen gleichmäßigen Querschnitt aufweisen, sondern können auch einen quadratischen, rechteckigen, sechseckigen,-achteckigen Querschnitt oder dergleichen aufweisen und·können^J&ber ihre Länge hinweg unterschiedliche Querschnitte besitzen. Es ist jedoch wichtig, daß die Kupfer stäbe 62 eine sollte Üärrge oder einen solchen Querschnitt aufweisen, daß» sia"-#inen elektrischen Strom zu führen in. der Läge sind iiänd-eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in den Kathodenfingern 44 aufrechterhalten, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall längs der Kathodenfinger 44 auftritt, was zur Folge hat, daß der wirtschaftlichste Energieverbrauch in den Kathodenfingern 44 erreicht wird. ·■■'-"-

Die Anwendung des geeigneten höchleitenden Metalls, wie Kupfer, in den Kathodenfingern 44, wie es aus den Fig. 4, 5, 6, 7 und 8 hervorgeht,.ist eine neue Anwendung eines geeigneten hochleitenden Metalls in den Kathodenfingern. Die Verwendung von Kupfer in den Kathodenfingern ist in den US-Patentschriften 3 464-912 und 3 493, 487 der Anmelderin beschrieben. Diese Verwendung von Kupfer in den Kathodenfingern nimmt jedoch die erfindungsgemäße Verwendung von Kupfer in den Kathodenfingern der vorliegenden Elektrolysezelle weder vorweg, noch legt sie diese nahe.

Die bevorzugte Anordnung der Kupferstäbe 62 auf den Kathodenfxngerverstärkungen 45 und in den Kathodenfingern 44 ist ebenfalls neu. So sind Stahlspitzen 61 an die Enden 68 der Kupferstäbe 62 und eine Stahlplatte 53 an die in

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einer Linie vorliegenden Enden 73 der Kupferstäbe 62 ange-. schweißt und bilden in dieser Weise die kupferne Kathodenanordnung 69. Bevor die kupferne Kathodenanordnung 69 an der Kathodenfingerverstärkung 45 befestigt wird, werden irgendwelche Verwerfungen oder Verziehungen, die sich durch das Anschweißen der Stahlspitzen 61 und der Stahlplatte 53 an die Kupferstäbe 62 ergeben haben könnten, korrigiert oder kompensiert. Die kupferne Kathodenanordnung 69 wird durch Anschweißen der Stahlspitzen 61 und der.Stahlplatte 53 an die· stählerne Kathodenfingerverstärkung 45 mit dieser verbunden. Die Kupferstäbe 62 sind in dieser Weise auf der Kathodenfingerverstärkung 45 und in den Kathodenfingern 44 angeordnet. In d,ieser Weise werden sämtliche Kupfer-Stahl-Schweißverbindungen hergestellt, bevor die kupferne Kathodenanordnung 69 an der Kathodenfingerverstärkung 45 angeschweißt wird, was ein Verziehen des Metalls, durch das Verschweißen im wesentlichen beseitigt.

Die Kathodenfinger der Erfindung ermöglichen es, die erfindungsgemäße Elektrolysezelle als Chloralkali-Diaphragma-Zelle bei hohen Stromstärken von etwa 150 000 A und bis zu etwa 200 000 A zu betreiben und gleichzeitig einen hohen Betriebswirkungsgrad aufrechtzuerhalten. Diese hohen Stromstärken erlauben hohe Produktionskapazitäten,' die ihrerseits bei einer gegebenen Zellengrundfläche zu einer hohen Produktionsrate führen und den Investitionsaufwand und die Betriebskosten senken. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann statt bei hohen Stromstärken auch in wirksamer Weise bei niedrigeren Stromstärken, beispielsweise etwa 5 5 000 A unter Verwendung der neuen Kathodenfinger betrieben werden.

In der Fig. 6 ist die gegenüberliegende Seite der in der Fig. 5 gezeigten Kathodenfingerverstärkung 45 wiedergegeben und es ist auch die sichtbare Anordnung der vorhandenen Kupferstäbe 62 zu erkennen. Die'kupferne Kathodenanordnung 69, die die Kupferstäbe 62, die Stahlplatte 53

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und die Stahlspitzen 61 umfaßt, ist in der Weise gezeigt/ wie sie auf der Kathodenfingerverstärkung 45 angeordnet ist. Die Kathodenfingerverstärkung 45 kann mit VorSprüngen 59 versehen sein und die perforierten Stahlplatten 46 können in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Anschweißen, mit den Vorsprüngen 59 verbunden werden, wodurch ein zusätzlicher Raum für das Wasserstoffgas gebildet wird, das während der Elektrolyse an der Kathode abgeschieden und zu der peripheren Kammer 48 geführt wird. Die VorSprünge 59 sind im Abstand voneinander auf der Kathodenfingerverstärkung 45 vorgesehen und in Fig. 5 ist nur ein repräsentativer Ausschnitt dieser VorSprünge wiedergegeben.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenfingerverstärkung und geben ebenfalls eine Anordnung der darauf vorliegenden Kupferstäbe wieder. Dieser Ausführungsform gemäß umfaßt die Kathodenfingerverstärkung 111 eine Stahlplatte 112, die mit stählernen Zapfen oder Stiften 113 versehen ist, die aus dieser Platte herausragen. Die kupferne Kathodenanordnung 69, die die Kupferstäbe 62, die Stahlplatte 53 und die Stahlspitzen 61 umfaßt, ist so auf der Stahlplatte 112 der Kathodenfingerverstärkung 111 angeordnet, daß ein Teil der Stahlplatte 112 entfernt ist, um die Anordnung der Stahlplatte 53 zu erleichtern. Die kupferne Kathodenanordnung 69 ist in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Anschweißen der Stahlplatte 53 und der Stahlspitzen 61 an die Stahlplatte 112, mit der Kathodenfingerverstärkung 111 verbunden. Die perforierten Stahlplatten 46 können in irgendeiner geeigneten Weise, beispielsweise durch Anschweißen, an den Stahlstiften 113 befestigt werden, wodurch ein Raum für das Wasserstoffgas gebildet wird, das während der Elektrolyse an der Kathode gebildet wird und in die periphere Kammer 48 geleitet wird.

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In den Fig. 9 und 10 ist der Anodensockel 74 gezeigt, der eine Kupferplatte 75 und eine Kupferplatte 76 aufweist und auch Stahlplatten 77, 78, 79, 81 und 98 oder irgendwelche anderen geeigneten Stützeinrichtungen aufweisen kann. Die Kupferplatten 75 und 76 und die Stahlplatten 77, 78, 79, 81 und 98 sind in irgendeiner geeigneten Weise, zum Beispiel durch Verschrauben oder Verschweißen, miteinander verbunden und bilden eine einheitliche Struktur, die mit geeigneten Stützeinrichtungen versehen ist. Der Anodensockel 74 kann mit Hilfe einer elastomeren Dichtschicht gegen die Korrosion geschützt werden. Die Kupferplatten 75 und 76 können mit Anodenplattenbefestigungen 82 versehen sein, die dazu verwendet werden können, die Anodenplatten 72 an den Kupferplatten 75 und 76 zu befestigen.

Die Anodenplatten 72 können aus irgendeinem geeigneten, elektrisch leitenden Material hergestellt sein, das dem korrodierenden Angriff der verschiedenen in der Zelle enthaltenen Reagenzien und Produkten, mit denen es in Berührung kommen kann, zu widerstehen vermag. Die Anodenplatten 72 sind vorzugsweise metallische Anodenplatten. Typischerweise können die Änodenplatten 72 aus einem sogenannten Ventilmetall, wie Titan, Tantal oder Niob, oder Legierungen dieser Metalle, in denen das Ventilmetall mindestens etwa 90% der Legierung ausmacht, gefertigt sein. Die Oberfläche des Ventilmetalls kann mittels einer Beschichtung aus einem oder mehreren Edelmetallen, Edelmetalloxiden oder Mischungen solcher Oxide, die entweder als solche oder in Kombination mit Oxiden des Vehtilmetalls verwendet wird, aktiviert sein. Hierzu verwendete Edelmetalle schließen Ruthen, Rhodium, Palladium, Irridium und Platin ein. Besonders bevorzugte Metallanoden sind die aus Titan gebildeten, die auf der Oberfläche eine Schicht aus einer Titanoxid/ Ruthenoxid-Mischung aufweisen und die in der ÜS-PS 3 632 beschrieben sind. Zuzüglich kann das Ventilmetallsubstrat

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in Form einer Schicht auf einen elektrisch besser leitenden Metallkern aus beispielsweise Aluminium, Stahl, Kupfer oder dergleichen, aufgebracht sein.

Die Anodenplatten 72 können in irgendeiner geeigneten Weise/Z-mit Hilfe von Schrauben und/oder Bolzen, gesicherten Nasen, Stiften, durch Anschweißen oder dergleichen^ an den Kupferplatten 75 und 76 befestigt sein. Ein typisches Verfahren zur Befestigung der Anodenplatten 72 an Kupferplatten 75 und 76 ist in der US-PS 3 591 483 beschrieben.

Eine Anodenstromschiene 97 kann dadurch geschaffen werden, daß man stählerne Kontaktplatten 89 und 91 unter Verwendung der Befestigungseinr.ichtungen 85 an der. Kupferplatte 75 anbringt und.die Stahl- und Kupfer-Platten mit Löchern 83 versieht, die zur Befestigung von Zwischenzellenverbindungsleitungen, die die Elektrizität von einer benachbarten Zelle zuführen, oder zur Befestigung von Leitungen, die die Elektrizität von einer anderen Spannungsquelle zu der Anodenstromschiene 97 leiten, dienen können.

Die Fig. 10 verdeutlicht den Sachverhalt, daß die Querschnitte der Kupferplatten 75 und 76 die Form eines im wesentlichen stufenartig oder treppenartig sich verjüngenden, abgeschnittenen rechtwinkeligen Dreiecks haben. Die Kupferplatten 75 und 76 besitzen unterschiedliche relative Abmessungen und sind in solcher Weise angeordnet, daß sie einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch den Anodensockel 74 zu elektrischen Kontaktpunkten, die an die Anodenplatten 74 angrenzen, führen, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall längs des Anodensockels 74 erfolgt und wobei der wirtschaftlichste Energieverbrauch in dem Anodensockel 74 erreicht wird. Die im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte wird durch die Anordnung der Kupferplatten 75 und 76 mit unterschiedlichen

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Querschnitten erreicht, die die Querschnittsform eines im wesentlichen stufenartigen, abgeschnittenen rechtwinkeligen Dreiecks bilden, wobei der elektrische Strom in im wesentlichen gleichmäßiger Weise aus den Kupferplatten abgezogen Wird, da der Querschnitt der Kupferplatten abnimmt.

Gemäß einer typischen Schaltung der Elektrolysezelle wird der elektrische Strom durch (nicht dargestellte) Zwischenzellenverbindungsleitungen zu der Anodenstromschiene 97 des Anodensockels 74 zugeführt. Der elektrische Strom wird dann weitergeführt, wobei in dem Anodensockel 74 eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte aufrechterhalten wird, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall in dem Anodensockel 74 erfolgt, wobei der wirtschaftlichste Energieverbrauch in dem Anodensockel 74 erreicht wird. Der elektrische Strom wird aufgrund der Anordnung und der unterschiedlichen relativen Abmessungen der Kup.f erplatten 75 und 76 mit im · wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte über den Anodensockel 74 geführt. Der elektrische Strom wird in dieser Weise dutch den Anodensockel 74 zu elektrischen Kontaktpunkten geführt, von wo aus er auf die Anodenplatten 72 verteilt wird, wodurch der elektrische Strom aufgrund dieser Bedingungen ohne weiteres zu allen Abschnitten der Anodenplatten 72 geleitet wird.

Der erfindungsgemäße Anodensockel ermöglicht die wirtschaftlichste Anwendung des investierten Kapitals., das heißt der Menge des Kupfers oder eines anderen geeigneten hochleitenden Metalls, das in dem Anodensockel verwendet wird. Durch den Aufbau und die unterschiedlichen relativen Abmessungen der Kupferplatten wird die Menge des Kupfers oder eines anderen geeigneten, hochleitenden Metalls, das in dem. Anodensoekel .notwendig ist, verglichen mit dem Stand der Technik, in erheblicher Weise vermindert. Die Kupferplatten sind aufgrund ihrer Anordnung, ihrer Gestalt

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und ihrer unterschiedlichen relativen Abmessungen auch dafür geeignet, einen elektrischen Strom zu führen und in dem Anodensockel eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte aufrechtzuerhalten.

Die Anordnung, die Gestalt und die Abmessungen der Kupferplatten können in Abhängigkeit von der angestrebten Stromstärke der Elektrolysezelle und in Abhängigkeit einer Reihe anderer Faktoren, wie der Stromdichte, der Leitfähigkeit des verwendeten Metalls, der Größe der Schweißfläche, der Fabrikationskosten und dergleichen variieren.

Der erfindungsgemäße Anodensockel ermöglicht eine bessere elektrische Verbindung mit den Anodenplatten, wodurch in dem Anodensockel nur ein minimaler oder kein merklicher Spannungsabfall auftritt, wobei gleichzeitig, verglichen mit dem Stand der Technik, eine wesentliche Verminderung des Aufwandes an Kupfer oder an einem anderen geeigneten hochleitenden Metall erreicht wird.

Der erfindungsgemäße Anodensockel ermöglicht es, die erfindungsgemäße Elektrolysezelle so auszulegen, daß sie als Chloralkali-Diaphragma-Zelle bei hohen Stromstärken von etwa 150 000 A bis zu etwa 200 000 A bei hohen Betriebswirkungsgraden betrieben werden kann. Diese hohen Stromstärken ermöglichen hohe Produktionskapazitäten, die bei einer gegebenen Grundfläche der Zelle hohe Produktionsraten ermöglichen und den Investitionsaufwand und die Betriebskosten vermindern. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Anodensockels statt bei hohen Stromstärken auch bei niedrigeren Stromstärken, zum Beispiel etwa 55 000 A, betrieben werden.

Der Anodensockel 74 kann mit Kühleinrichtungen 92 versehen sein. Das Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, wird über die Einlaßöffnung 93 una die Kühlmittelleitung 95 im Kreislauf

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durch die Kühleinrichtung 92 geführt. Nach dem Eintreten durch die Einlaßöffnung 93 wird das Kühlmittel längs der Stahlplatte 87 in und durch die Kühleinrichtung 96 und dann erneut längs der Stahlplatte 87 geführt. Das Kühlmittel wird dann längs der Stahlplatte 88 und dann längs und um die Stahlplatte 89 herum geleitet. Anschließend wird das Kühlmittel entlang der gegenüberliegenden Seite der Stahlplatte 89 und dann längs der gegenüberliegenden Seite der Stahlplatte 88 geführt. Dann wird das Kühlmittel entlang ,der gegenüberliegenden Seite der Stahlplatte 87 geführt und über die Auslaßöffnung 94 ausgeleitet. Die Kühlmittelleitung kann irgendeine geeignete Kühlmittelleitung sein, wie ein Kupferrohr, das die Kühleinrichtung 96 mit den das Kühlmittel führenden Kanälen verbindet, die längs der Seiten und der Enden-der Stählplatten 87, 88 und 89 angeordnet sind. Die in dieser Figur dargestellte und beschriebene Kühleinrichtung ist lediglich eine typische Kühleinrichtung und die Kühleinrichtung 92 ist daher nicht auf die in dieser Figur und die hierin beschriebene Ausführungsform beschränkt.

Durch die Anwendung des Kühlsystems 92 wird es möglich, erheblich weniger Kupfer im Anodensockel 74 zu verwenden, was zu einer wesentlichen Verminderung der Investitionskosten für das Anodenkupfer führt. Obwohl das Kühlsystem 92 hauptsächlich dann verwendet werden soll,wenn eine benachbarte Elektrolysezelle kurzgeschlossen wird, kann das Kühlsystem 92 während des Routinezellbetriebes entweder dazu verwendet werden, das Anodenkupfer während irgendwelcher periodisch auftretenden elektrischen Stromüberlastungen zu kühlen oder das Anodenkupfer kontinuierlich zu kühlen, wodurch eine weitere Verminderung des in dem Anodensockel 74 verwendeten Kupfers möglich wird, was von einer entsprechenden Verminderung der Kapitalkosten für da,s Anodenkupfer begleitet wird.

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Eine Anodenüberbrückungsstromschiene 99 kann in der Weise vorgesehen werden, daß man Stahlkontaktplatten 87 und 88 mit Hilfe der Einrichtungen 86 an der Kupferplatte 75 befestigt und die Stahl- und Kupfer-Platten mit Löchern 84 versieht, die zur Befestigung der Anodenüberbrückungsleitungen dienen, wenn eine benachbarte Elektrolysezelle überbrückt und aus dem elektrischen Schaltkreis entnommen wird. Während dieser überbrückungsmaßnahme kann das Kühlsystem 92 seine beste Wirkung entfalten, indem es verhindert, daß die Temperaturen in dem Anodensockel 74 auf Werte ansteigen, bei denen eine Schädigung des Anodensockels 74 oder anderer Bestandteile der Elektrolysezelle 11 eintreten kann.

In der Fig. 11 ist der Anodensockel 74 in einer anderen Ausführungsform gezeigt, bei der der Anodensockel 74 mit einer Unterlage 52 versehen ist, die dem Anodensockel 74 eine zusätzliche Unterstützung verleiht. Diese Ausführungsform ist von Vorteil und wird vorzugsweise dann verwendet, wenn der Anodensockel 74 aus einem hochleitenden Metall, wie Kupfer, hergestellt ist, das ausgezeichnete elektrische Eigenschaften, jedoch schlechte tragende Eigenschaften besitzt. Die Unterlage 52 kann aus irgendeinem geeigneten Konstruktionsmaterial, wie Aluminium, Eisen, Stahl und dergleichen und Legierungen daraus, wie rostfreiem Stahl und anderen Chromstählen, Nickelstählen und dergleichen, die eine für die notwendige Unterstützung ausreichende Festigkeit besitzen, hergestellt sein. Diese Stützmaterialien können die Form von I-Trägern, T-Trägern, L-Trägern, U-Trägern und dergleichen haben. Die Unterlage 52 muß nicht aus einem Metall hergestellt sein und kann auch aus irgendeinem anderen geeigneten Baumaterial, wie Beton_f verstärktem Beton oder dergleichen gebildet sein.

In den Fig, 12, 13 und 14 ist eine weitere Ausführungsform des in den Fig. 9,10 und 11 wiedergegebenen Anodensockels. 74

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gezeigt. Die Beschreibung der Fig. 9, 10 und 11 trifft auch auf die Fig. 12, 13 und 14 zu. .Der Unterschied zwischen den Fig. 12, 13 und 1'4 gegenüber den Fig. 9, 10 und 11 besteht in dem zusätzlichen Vorhandensein von Kupferplatten 101 und 102 und Stahlplatten 103 und 104. Es ist weiterhin eine vierte Reihe von Anodenplatten 72 vorgesehen und die Kühleinrichtung 92 und die überbrückungsstromschiene 99 sind modifiziert. -

Die-Fig. 13 und 14 zeigen, daß die Querschnitte der Kupferplatten 75, 76, 101 und 102 im Querschnitt ein im wesentlichen stufenartiges., abgeschnittenes, rechtwinkeliges Dreieck bilden. Die Kupferplatten 75, 76, 101 und 102 besitzen unterschiedliche relative Abmessungen und sind derart angeordnet, daß die Kupferplatten 75, 76, 101 und 102 dafür geeignet sind, einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch den Anodensockel 74 zu elektrischen Kontaktpunkten, die an die Anodenplatten 74 angrenzen, zu führen, ohne daß ein merklicher Spannungsabfall längs des Anodensockels 74 eintritt, wodurch der wirtschaftlichste Energieverbrauch in dem Anodensockel 74 erreicht wird.

Die im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte wird durch ' die Gestalt und die Anordnung der Kupferplatten 75, 76, 101 und 102 mit unterschiedlichem Querschnitt gebildet, die im Querschnitt die Form eines im wesentlichen stufenartigen, abgeschnittenen, rechtwinkeligen Dreiecks bilden, wobei der elektrische Strom in im wesentlichen gleichmäßiger Weise aus den Kupferplatten abgezogen wird, da der Querschnitt der Kupferplatten abnimmt. Entsprechend ei.ner typischen Schaltung von Elektrolysezellen wird der elektrische Strom über (nicht gezeigte) Zwischenzellenverbindungsleitungen zu der Anodenstromschiene 97 des Anodensockels 74 geführt. Der elektrische Strom wird dann mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch den. Anodensockel 74 geführt, ohne

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daß ein merklicher Spannungsabfall längs des Anodensockels 74 eintritt, was den wirtschaftlichsten Energieverbrauch in dem Anodensockel 74 ermöglicht. Der elektrische Strom wird wegen der Anordnung, der Gestalt und der unterschiedlichen relativen Abmessungen der Kupferplatten- 75, 76, 101 und 102 mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte durch den Anodensockel 74 geführt. Der elektrische Strom wird in dieser Weise von dem Anodensockel 74 zu elektrischen Kontaktpunkten geführt, von wo aus er auf die Anodenplatten 72 verteilt wird, wodurch er unter diesen Bedingungen ohne weiteres zu sämtlichen Abschnitten der Anodenplatten geführt wird.

Der erfindungsgemäße Anodensockel ermöglicht die wirtschaftlichste Anwendung des investierten Kapitals, das heißt der Menge von Kupfer oder einem anderen geeigneten, hochleitenden Metall, das in dem Aufbau des Anodensockels verwendet wird. Die Anordnung, die Gestalt und die unterschiedlichen relativen Abmessungen der Kupferplatten vermindern, verglichen mit dem Stand der Technik, die Menge des Kupfers oder eines anderen hochleitenden Metalls, die in dem Anodensockel notwendig ist. Die Kupferplatten sind aufgrund ihrer Anordnung und ihrer unterschiedlichen relativen Abmessungen auch dafür geeignet, einen elektrischen Strom zu führen und eine im wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in dem Anodensockel aufrechtzuerhalten.

Die Anordnung, die Gestalt und die Abmessungen der Kupferplatten können in Abhängigkeit von der angestrebten Stromstärke der Elektrolysezelle und in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren, wie der Stromdichte, der Leitfähigkeit des verwendeten Metalls, der Größe der Schweißflächen, der Fabrikationskosten und dergleichen, variieren.

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Der"erfindungsgemäße Anodensockel vermittelt eine verbesserte Stromführung zu den Anodenplatten, wodurch längs des Anodensockels nur ein minimaler oder kein merklicher Spannungsabfall auftritt, während gleichzeitig, verglichen mit dem Stand der Technik, eine wesentliche Verminderung der notwendigen Menge Kupfer oder eines anderen geeigneten, hochleitenden Metalls erreicht wird.

Der in den Fig. 9 bis 14 gezeigte Anodensockel 74 kann eine. Ausführungsform des in Fig. 2 und 4 gezeigten leitenden Anodensockels 51 sein.

Der erfindungsgemäße Anodensockel ermöglicht es, daß die erfindungsgemäße Elektrolysezelle als Chloralkali-Diaphragma-Zelle bei hohen Stromstärken von etwa 150 000 A und bis zu etwa 200 000 A unter Beibehaltung hoher Betriebswirkungsgrade betrieben werden kann. Diese hohen Stromstärken ermöglichen hohe Produktionskapazitäten, die ihrerseits zu hohen Produktionsraten bei.gegebenen Zellengrundflächen führen und den Investitionsaufwand und die Betriebskosten senken. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann unter Verwendung des neuen Anodensockels statt bei hohen Stromstärken in wirksamer Weise auch bei niedrigeren Stromstärken,, beispielsweise bei etwa 55 000 A betriegen werden«

Das folgende Beispiel soll die Erfindung weiter erläutern. Beispiel

Die folgenden Werte sind typisch für das Verhalten der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die bei einer Stromstärke von 150 000 A betrieben wird. Dieses Verhalten wird mit dem Verhalten einer kleineren Elektrolysezelle des Standes der Technik verglichen, die ebenfalls mit Meta,ll-< anodenplatten ausgerüstet ist und bei einer Stromstärke von

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84 000 A betrieben wird. Bei beiden Elektrolysezellen handelt es sich um Chloralkali-Diaphragma-Zellen.

84 000 Ampere-Zelle nach dem Stand der Technik

Erfindungsgemäße 150 000 Ampere-Zelle

Stromwirkungsgrad

Durchschnittliche Zellspannung (einschließlich der Stromschienen) (V)

Leistung (Kilowatt-Stunden Gleichstrom pro Tonne Cl₂) Temperatur der Zellenflüssigkeit (⁰C)

Anolyt-Temperatur (⁰C)

Prozentualer NaOH-Gehalt in der Zellenflüssigkeit

Chlorproduktion (Tonne/Tag)

NaOH-Produktion (Tonne/Tag)

Salzzuführung (g/l)

Stromdichte (A/cm^a (A/inch²))

96,4
3,84

2735

100,5
94,5

11,5*

96,4 3,83

2725

100,7 ,94,7

11 ,5*

2	,83	(1	,5)	5	,06
3	,20		5	,71
	325			325
0	,23		0	,23

* Die Zellen können bei niedrigerem Laugengehalt in der Zellenflüssigkeit betrieben werden. Dies führt zu größeren Stromwirkungsgraden.

Die obigen Werte zeigen, daß die erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit im wesentlichen dem gleichen Stromwirkungsgrad, der gleichen Spannung und den gleichen Betriebsbedingungen wie die kleinere Elektrolysezelle des Standes der Technik bei der gleichen Anodenstromdichte arbeitet. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ergibt bei einer gegebenen Zellen^

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grundflache eine höhere Proauktionsrate, erfordert einen geringeren Betriebsaufwand und benötigt pro Tonne gebildeten Chlors einen geringeren Kapitalaufwand,

Dieses Beispiel zeigt, daß eine Elektrolysezelle so konstruiert werden kann, daß s,ie bei einer hohen Stromstärke betrieben werden kann und unter Aufrechterhaltung hoher Betriebwirkungsgrade eine hohe Produktionskapazität und hohe Produktionsraten ermöglicht.

Die erfindμngsgemäße Elektrolysezelle kann für viele Anwendungszwecke eingesetzt werden. So können beispielsweise Alkalimetallchlorate mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle hergestellt werden, indem man die gebildete Lauge und das Chlor außerhalb der Zelle weiter umsetzt. In diesem Fall können Lösungen, die sowohl Alkalimetallchlorat als auch Alkalimetallchlorid enthalten, zum Zwecke der weiteren Elektrolyse in die Elektrolysezelle zurückgeführt werden. Die Elektrolysezelle kann weiterhin für . die Elektrolyse von Chlorwasserstoffsäure verwendet werden, indem man Chlorwasserstoff säure als solche oder in Kombi*- nation mit einem Alkalimetallchlorid "hydrolysiert. In dieser Weise ist die erfindungsgemäße Elektrolysezelle für. diesen und viele andere wässrige Prozesse äußerst günstig.

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Claims (38)

2456U8 Patentansprüche Elektrolysezelle, umfassend eine Kathodenstromschienenanordnung, Kathodenfinger und einen Anodensockel mit Anoden, dadurch gekennzeichnet

1. daß die Kathodenstromschienenanordnung (16) mindestens eine Zuleitungssammelschiene (18) und eine Vielzahl von Stromschienenstreifen (19, 21, 22) mit unterschiedlichen relativen Abmessungen umfaßt, die aus'einem hochleitfähigen Metall gefertigt und so angeordnet sind, daß die Zuleitungssammelschiene (18) und die Vielzahl der Stromschienenstreifen (19, 21, 22) einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in der Kathodenstromschienenanordnung, ohne merklichen Spannungsabfall längs der Kathodenstromschienenanordnung und mit dem günstigsten Energieverbrauch in der Kathodenstromschienenanordnung durch diese zu den an die Kathodenfinger (44) angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten führen, und die Kathodenstromschienenanordnung (16)in elektrischem Kontakt steht mit mindestens einer Seitenwand (17) des aus einem leitenden Metall gefertigten, Seitenwände (17., 54, 55, 56) aufweisenden und eine Vielzahl von Kathodenfingern (44) enthaltenden Kathodenbehälters (13); ■

2. daß die Kathodenfinger (44) Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) aus einem leitenden Metall, in dem Kathodenfingeraufbau enthaltene, an den Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) befestigte Stäbe (62) aus einem hochleitenden Metall und an den Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) befestigte, die Außenseite der Kathodenfinger und den darin vorhandenen Gasraum bildende gelochte Einrichtungen (46) aus leitendem Metall umfaßt; -wobei die Stäbe (62) aus dem hochleitenden

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Metall derart in dem Kathodenfingeraufbau angeordnet sind, daß sie einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in den Kathodenfingern, ohne merklichen Spannungsabfall längs der Kathodenfinger und mit dem günstigsten Energieverbrauch in den Kathodenfingern zu führen in der Lage sind, und der Kathodenbehälter (13) eine Vielzahl von Kathodenfingern (44) enthält, die sich im wesentlichen über den gesamten Innenraum des Kathodenbehälters (13) erstrecken und die in elektrischem Kontakt an der Innenseite mindestens einer Seitenwand (17) des Kathodenbehälters (13) befestigt sind, während die Kathodenstromschienenanordnung (16) an der Außenseite der an die befestigten Kathodenfinger (44) angrenzenden Seitenwand (17) des Kathodenbehälters (.13) in elektrischem Kontakt befestigt ist; und ■

3. daß der Anodensockel (51, 74) eine Einrichtung (75, 76, 101, 102) aus einem hochleitenden Metall mit im wesentlichen flacher und ebener Oberfläche und einem in Richtung von der Anoden- oder Zwischenzellenverbindungs-Stromschiene weg abnehmenden Querschnitt, der ein im wesentlichen stufenartiges, abgeschnittenes, rechtwinkeliges Dreieck umfaßt, die so geformt ist und solche relativen Abmessungen besitzt, daß sie einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in dem Anodensockel, ohne merklichen Spannungsabfall längs des Anodensockels und mit dem günstisten Energieverbrauch in dem Anodensockel durch diesen zu den an die Anodenplatten (72) angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten führt.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1,dadurch ge "k-e η η ze i c h η e t, daß die Kathodenstromschienenanordnung (16) mit einer Einrichtung (33) zur Befestigung einer Kathodenüberbrückungsverbindungseinrichtung zur

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Überbrückung einer benachbarten Elektrolysezelle und
ihrer Entnahme aus dem elektrischen Schaltkreis versehen ist.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch g e kennze ichnet, daß die Kathodenstromschienenanordnung (16) mit einer Kühleinrichtung (23) versehen ist.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß die Zuleitungssammelschiene (18) und die Vielzahl der Stromschienenstreifen (19)

aus Kupfer bestehen.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1., dadu'rch g e kennz eichnet, daß der Kathodenbehälter (13) etwa 10 bis etwa 50 Kathodenfinger (44) enthält.

6. Elektrolysezelle nach Anspruch !,dadurch g e kennz eichnet, daß der Kathodenbehälter (13) aus Stahl gefertigt ist.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Vielzahl der Stromschienenstreifen (19) der Kathodenstromschienenanordnung (16) an der Stelle ihrer Befestigung an der
Seitenwand (17) des Kathodenbehälters (13) im wesentlichen die gleiche ist wie die Höhe der Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) der Kathodenfinger (44) an der Stelle ihrer Befestigung an der Seitenwand (17) des
Kathodenbehälters (13),

8. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß die Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) aus leitendem Metall aus einem

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gewellten oder geriffelten leitenden Metall besteht.

9. Elektrolysezelle nach Anspruch 8, dadurch gekenn ζ e lehnet, daß an den vorstehenden Kanten der äußeren Oberflächen der Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) aus gewelltem oder geriffeltem leitendem Metall gelochte Einrichtungen (46) aus leitendem Metall befestigt sind, die die Außenseite der Kathodenfinger (44) und einen Raum für das während der Elektrolyse an der Kathode gebildete und zu einer Sammelkammer (48) zu führende Gas bilden.

10. Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die KathodenfingerverStärkung (45)' aus gewelltem oder geriffeltem leitendem Metall an den äußeren Oberflächen der vorstehenden Kanten mit Vorsprüngen (59) versehen ist, an denen Einrichtungen (46) aus leitendem Metall befestigt sind, die einen zusätzlichen Raum für das während der Elektrolyse an der Kahode gebildete Gas, das zu einer Sammelkammer (48) geführt wird, bilden.

11. Elektrolysezelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gelochte Einrichtung (46) aus leitendem Metall aus einer perforierten Metallplatte besteht.

12. Elektrolysezelle nach Anspruch 10, dadurch g e -

k e η η ze i ch η e t, daß die gelochte Einrichtung (46) aus leitendem Metall die Form eines Gitters hat.

13. Elektrolysezelle nach Anspruch 1,dadurchgek e η η ze i c h η e t, daß die Kathodenfingerver-

-■ Stärkung-(111) eine leitende Metallplatte umfaßt, die mit daran befestigten Zapfen oder Stiften (113) ver^ sehen ist, an die die gelochte Einrichtung (46) aus

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leitendem Metall befestigt ist und die Außenseite des Kathodenfingers (44) und einen Raum für das während der Elektrolyse an der Kathode gebildete und zu einer Sammelkammer (48) zu führende Gas bildet.

14. Elektrolysezelle nach Anspruch 13, dadurch gekennz eichnet, daß die gelochte Einrichtung (46) aus leitendem Metall aus einer perforierten Metallplatte besteht.

15. Elektrolysezelle nach Anspruch 13, dadurch gekennz eichnet, daß die gelochte Einrichtung (46) aus leitendem Metall aus einem Gitter besteht.

16. Elektrolysezelle nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (62) aus hochleitendem Metall auf der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) der Kathodenfingeranordnung angeordnet und an der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) befestigt sind.

17. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (62) aus hochleitendem Metall unterschiedliche Längen besitzen und auf der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) der Kathodenfingeranordnung angeordnet sind und das hochleitende Metall an der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) befestigt ist.

18. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (62) aus hochleitendem Metall unterschiedliche Querschnitte besitzen und auf der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) der Kathodenfingeranordnung angeordnet sind und das hochleitende Metall an der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) befestigt ist«

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19. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch

g e k e η η ζ e i c h ne t, daß die Stäbe (62) aus hochleitendem Metall unterschiedliche Längen und unterschiedliche Querschnitte besitzen und auf der KathodenfingerverStärkung-(45, 111) der Kathodenfingeranordnung angeordnet sind und das hochleitende Metall an der Kathodenfingerverstärkung (45, 111) befestigt ist.

20. Elektrolysezelle nach Anspruch 1,dadurch gekennz eich η et, daß die Kathodenfingerverstärkung (45, 111) und die gelochte Einrichtung (4 6) aus leitendem Metall aus Stahl bestehen.

21. Elektrolysezeile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß; die Einrichtungen (62) aus hochleitendem Metall der Kathodenfinger (44) aus Kupfer bestehen.

22. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß zum Ausrichten der Kathodenfinger (44) an der Seitenwand, die der Seitenwand (17)', an der die Kathodenfinger (44) befestigt sind, gegenüberliegt, Einrichtungen (64, 65, 66, 67) vorgesehen sind.

23. Elektrolysezelle nach Anspruch 1,dadurch gekennz eichnet, daß die hochleitenden Metalleinrichtungen (75, 76, 101, 102) mit Einrichtungen (82) zur Befestigung der Anodenplatten (72) versehen

24.=-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze ic h η e t, daß der Anodensockel (51, 74) geeignete Stützeinrichtungen (77, 78/ 79_f 81, 98) für die Einrichtungen (75, 76, 101, 102) aus hochleitendem Metall aufweist. - -

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25. Elektrolysezelle nach Anspruch 24, dadurch gekennze ichnet, daß die Stützeinrichtungen (77, 78, 79, 81, 98) für die Einrichtungen (75, 76, 101, 102) aus hochleitendem Metall aus Metallformstücken bestehen, die zusammen mit den Einrichtungen (75, 76, 101/ 102) aus hochleitendem Metall eine einheitliche Struktur bilden.

26. Elektrolysezelle nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallformstücke Stahlplatten umfassen.

27. Elektrolysezelle nach Anspruch 1,-dadurch gekennzeichnet, daß der Anodensockel (51, 74) mit ausreichenden Einrichtungen (52) zur Unterstützung anderer Bestandteile der Elektrolysezelle (11) versehen ist.

28. Elektrolysezelle nach Anspruch 27, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (52) zur Unterstützung der anderen Bestandteile der Elektrolysezelle (11) metallische Stützeinrichtungen umfassen.

29. Elektrolysezelle nach Anspruch 27,dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen

(52) zum Unterstützen anderer Bestandteile der Elektrolysezelle (11) nichtmetallische Stützeinrichtungen umfassen.

30. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodensockel (51, 74) mit einer Überbrückungsstromschiene (99) zur Befestigung von Anodenverbindungseinrichtungen zur überbrückung einer benachbarten Elektrolysezelle und Entnahme aus dem Schaltkreis, versehen ist.

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• - 47 -". .

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31. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodensockel (51, 74) mit einer Kühleinrichtung (92) versehen ist.

32. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, d a d ur c h gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (75, 76, 101, 102) aus hochleitendem Metall des Anödensockels (51, 74) aus Kupfer bestehen.

33. Elektrolysezelle nach Anspruch !,dadurch g e kennzeichne t, daß die Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) aus leitendem Metall und die gelochten Einrichtungen (46.) aus leitendem Metall aus Stahl gefertigt sind.

34. Elektrolysezelle nach Anspruch !,dadurch gekenn ze i c h η e t, daß sie auf eine Betriebsstromstärke von etwa 150 000 A bis etwa 200 000 A ausgelegt ist.

35. Elektrolysezelle für die Elektrolyse wässriger Lösungen, umfassend einen Anodensockel (51, 74), eine Kathodenstromschienenanordnung (16), einen Kathodenbehälter (13), einen Zellendeckel (12), Anodenplatten (72) und Kathodenfinger (74), dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Kathodenstromschienenänordnung. (16). mindestens eine Zuleitungssammelschiene (18) und eine Vielzahl von Stromschienenstreifen (19, 21, 22) mit unterschiedlichen relativen Abmessungen umfaßt, die aus einem hochleitfähigen Metall gefertigt und so angeordnet sind, daß die Zuleitungssammelschiene (18) und die Vielzahl der Stromschienenstreifen (19_f21_f 22) einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in der Kathodenstromschienenänordnung, ohne merklichen Spannungsabfall längs der. Kathodenstromschienenänordnung und mit dem günstigsten Energie-

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verbrauch in der Kathodenstromschienenaordnung durch diese zu den an die Kathodenfinger (44) angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten führen, und die Kathodenstromschienenanordnung (16) in elektrischem Kontakt steht mit mindestens einer Seitenwand (17) des aus einem leitenden Metall gefertigten, Seitenwände (17, 54, 55, 56) aufweisenden und eine Vielzahl von Kathodenfingern (44) enthaltenden Kathodenbehälters (13);

daß die Kathodenfinger (44) KathodenfingerverStärkungen (45, 111) aus einem leitenden Metall, in dem Kathodenfingeraufbau enthaltene, an den Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) befestigte Stäbe (62) aus einem hochleitenden Metall und an den Kathodenfingerverstärkungen (45, 111) befestigte, die Außenseite der Kathodenfinger und den darin vorhandenen Gasraum bildende gelochte Einrichtungen (46) aus leitendem Metall umfaßt; wobei die Stäbe (62) aus dem hochleitenden Metall derart in dem Kathodenfingeraufbau angeordnet sind, daß sie einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in den Kathodenfingern, ohne merklichen Spannungsabfall längs der Kathodenfinger und mit dem günstigsten Energieverbrauch in den Kathodenfingern zu führen in der Lage sind, und der Kathodenbehälter (13) eine Vielzahl von Kathodenfingern (44) enthält, die sich im wesentlichen über den gesamten Innenraum des Kathodenbehälters (13) erstrecken und die in elektrischem Kontakt an der Innenseite mindestens einer Seitenwand (17) des Kathodenbehälters (13) befestigt sind, während die KathodenstrQmschienenanordnung (16) an der Außenseite der an die befestigten Kathodenfinger (44) angrenzenden Seitenwand (17) des Kathodenbehälters (13) in elektrischem Kontakt befestigt ist; und
daß der Anodensockel (51, 74) eine Einrichtung (75, 76,

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- 101, 102) aus einem hochleitenden Metall mit im wesentlichen flacher und ebener Oberfläche und einem in Richtung von der Anoden- oder Zwischenzellenverbindungs-Stromschiene weg abnehmenden Querschnitt, der ein im wesentlichen stufenartiges, abgeschnittenes, rechtwinkeliges Dreieck bildet,umfaßt, die so geformt ist und solche relativen Abmessungen besitzt, daß sie einen elektrischen Strom mit im wesentlichen gleichmäßiger Stromdichte in dem Anodensockel, ohne merklichen Spannungsabfall längs des Anodensockels und mit dem günstigsten Energieverbrauch in dem Anodensockel durch diesen zu den an die Anodenplatten (72) angrenzenden elektrischen Kontaktpunkten führt.

36. Verfahren zur Befestigung mindestens eines Stabes aus einem hochleitenden Metall an einer Kathodenfingerverstärkung aus einem leitenden Metall, die für die Verwendung in einer Elektrolysezelle geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß man an die Stäbe aus dem hochleitenden Metall die gleiche Art des Metalls, aus dem die Kathodenfingerverstärkung hergestellt ist, anschweißt , ein durch das Schweißen der unterschiedlichen Metallärten gegebenenfalls aufgetretenes Verziehen des Metalls korrigiert, das an die Stäbe aus dem hochleitenden Metall angeschweißte leitende Metall mit dem leitenden Metall der Kathodenfingerverstärkung verschweißt und in dieser Weise die Stäbe aus dem hochleitenden Metall mit der Kathodenfingerverstärkung verbindet und in dieser Weise im wesentlichen ' ^: ein Ziehen bzw. Verwerfen des Metalls beim Schweißen verhindert. ,

37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennz e i ch η e t, daß ma,η als hochleitendes Metall Kupfer verwendet.

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38. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekenn zeichne t,daß man als leitendes Metall Stahl einsetzt.

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