AT237642B

AT237642B - Diaphragma-Elektrolysezelle

Info

Publication number: AT237642B
Application number: AT681562A
Authority: AT
Original assignee: Siegener Ag Eisenkonstruktion
Priority date: 1961-09-15
Filing date: 1962-08-24
Publication date: 1964-12-28

Description

Diaphragma-Elektrolysezelle
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Neben diesen Metallen hat sich gerade auch Titan als Elektrodenmaterial bewährt, und die daraus hergestellten Bleche sind vorzugsweise mit einer Auflage aus Platin und/oder Iridium oder einer Platin- legierung versehen. Die Verwendung dieser Elektroden unterstützt wegen deren guter Beständigkeit gegen alle gewöhnlich in derartigen Zellen zerlegte Elektrolyten und hergestellte Elektrolyseprodukte die uni- verselle Verwendbarkeit der erfindungsgemässen Zelle.

Die erfindungsgemäss ermöglichte, weil wirtschaftlich tragbare Verwendung von derartigen Metallelektroden ergibt schon wegen der höheren Lebensdauer der Elektroden eine höhere Standzeit und damit eine höhere Wirtschaftlichkeit der Anlage. Diese wird aber auch noch dadurch gesteigert, dass infolge des ausserordentlich geringen Verbrauches an Elektrodenmaterial beim Betrieb der Elektrolysezellen, der weniger als den millionsten Teil des Verbrauches der heute üblichen Graphitelektroden beträgt, der Elektrodenabstand ohne jede zusätzliche Vorrichtung auf seinem optimalen Wert gehalten wird, so dass sich die Elektrodenspannung nicht erhöht, wenn sich der Abstand der Elektroden bei deren Abnutzung vergrö- ssert. Die Stromausbeute kann damit gleichbleibend auf einem Maximalwert gehalten werden.

Die einseitige Einwirkung von Wasserstoff auf die Innenfläche des Kathodenbleches kann bei bestimmten Kathodenwerkstoffen und unter bestimmten Betriebsbedingungen dadurch zu mechanischen Spannungen und ungünstigenfalls Verwerfungen des Kathodenbleches führen, dass das Kathodenblech den an der Kathode abgeschiedenen Wasserstoff aufnimmt. Dem kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dadurch begegnet werden, dass das Kathodenblech innenseitig mit parallelen, auf Abstand befindlichen und in den Kathodenraum ragenden Elektrodenabschnitten versehen ist, die allseitig vom Elektrolyten umspült sind. Auf diese Weise wird das wirksame Kathodenblech, das praktisch nur von den in den Kathodenraum ragenden Abschnitten gebildet wird, beidseitig von Wasserstoff umspült, so dass einseitige Spannungen infolge einseitiger Wasserstoffaufnahme ausgeschlossen sind.

Die Erfindung wird nun durch Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen veranschaulicht, u. zw. zeigt :
Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäss aufgebauten Elektrolysezelle von vorn ; Fig. la eine der Fig. 1 entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Elektrolysezelle ; Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 : Fig. 2a einen Schnitt nach der Linie IIa-IIa in Fig. la, jedoch in vergrössertem Massstab : Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III in Fig. l : Fig. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform der Elektrodenbleche der erfindungsgemässen Zelle ;

Fig. 4a einen der Fig. 3 entsprechenden Schnitt nach der Linie IVa-IVa in Fig. la, bei dem die Elektro- denbleche jedoch gemäss der in Fig. 4 dargestellten abgewandelten Ausführungsform ausgebildet sind : Fig. 5 einen der Fig. 2a entsprechenden Schnitt, bei dem die Kathode mit in den Kathodenraum ragenden Elektrodenabschnitten versehen ist ; Fig. 6 eine Teilansicht der gemäss Fig. 5 ausgebildeten Kathodeninnenseite ; und Fig. 7 einen der Fig. 4a entsprechenden Schnitt einer gemäss Fig. 5 ausgebildeten Elektrolysezelle, wobei die in den Kathodenraum ragenden Elektrodenabschnitte auf der rechten Zeichnungshälfte abgewandelt sind.

Die in den Zeichnungen dargestellten Elektrolysezellen bestehen im wesentlichen aus den Elektrodenblechen, nämlich der Anode 1 und der Kathode 2, dem zwischen Anode 1 und Kathode 2 liegenden

Diaphragma 3 und den beidseitig des Diaphragmas angeordneten, zwischen denElektrodenblechen liegen- den und mit diesen sowie dem Diaphragma fest verbundenen Rahmenteilen 4.

Bei dem in den Fig. l, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Elektrolyse- zelle sind Randabschnitte der Elektrodenbleche 1 und 2, der beispielsweise aus Hartgummi oder Hart-PVC bestehenden Rahmenteile 4 und des beispielsweise aus Polytetrafluoräthylengewebe bestehenden Diaphrag- mas 3 miteinander durch Se1bst- oder Kaltvulkanisation einer auf die Berührungsflächen aufgetragenen
Kautschuklösung bzw. durch Polymerisation einer auf diese Flächen aufgetragenen Epoxyharzlösung mit
Füllkörpern aus gemahlenem Gummi fest verbunden. Der zur innigen und gas- wie flüssigkeitsdichten
Verbindung der Randabschnitte während der Vulkanisation bzw.

Polymerisation notwendige Anpressdruck wird durch einen Rahmen aufgebracht, dessen beide dem Umfang der Zelle angepasste Teile 5 (vgl. Fig. l) mittels Schrauben 6 zusammengespannt werden. Der Rahmen kann auch nach der Verbindung der Randab- schnitte am Zellgehäuse verbleiben. Die Elektrodenbleche können-wenn erforderlich-im Bereich der
Sammelkanäle der gasförmigen Elektrolyseprodukte durch einen inerten Überzug, beispielsweise aus Hartgummi oder Kunststoff, geschützt sein.

An der Anode 1 und an der Kathode 2 sind am unteren Rand oberhalb des Verbindungsabschnittes durch Tiefziehen horizontal verlaufende Zulaufkanäle 7 bzw. 8 für den Elektrolyten ausgebildet, die mit Anschlüssen 9 versehen sind.

Wenn in bekannter Weise der Elektrolyt im sogenannten Gegenstrom zur Kathode geführt wird, so ist der Zulaufkanal 8 an der Kathode 2 nicht erforderlich.

Am oberen Ende der Elektrodenbleche ist aus der Anode 1 der sich ebenfalls horizontal erstreckende Kanal 10 ausgebildet, dessen unterer Teil 11 als Ablaufkanal für den Anolyten und dessen oberer Teil 12 als Sammelkanal für das an der Anode entstehende Elektrolyseprodukt dient.

Der Flüssigkeitsspiegel im Kanal 10 ist durch die Linie 13 angedeutet. In entsprechender Weise ist an der Kathode 2 der Kanal 14 angeformt, dessen unterer Teil 15 als Ablaufkanal für den Katholyten und dessen oberer Teil 16 als Sammelkanal für das Kathoden-Elektrolyse-Produkt dient. Der Flüssigkeitsspie- gel im Kathodenkanal 14 ist mit 19 bezeichnet. Der Kanal 10 ist mit dem (ebenfalls dem Elektrolyseprodukt und dem Anolyten gemeinsamen) Anschluss 17 und der Kanal 12 entsprechend mit dem Anschluss 18 versehen. Die Trennung der Elektrolyse-Produkte von Anolyt bzw. Katholyt erfolgt ausserhalb der Zellen in Abscheidern.

Um die beiden gasförmigen Elektrolyseprodukte in den Sammelkanälen 10 und 14 derart durch eine massive Wand voneinander zu trennen, dass sich die Elektrolyseprodukte nicht wieder miteinander verbinden können und somit neben einer Verringerung des Wirkungsgrades der Elektrolyse auch die Bildung eines möglicherweise explosiven Gasgemisches verhindert wird, sind die oberen Randabschnitte 20 der Rahmenteile 4 breiter ausgeführt, so dass sie unter die Flüssigkeitsspiegel 13 und 19 in den Kanälen 10 bzw. 14 ragen.

Die Stromzufuhr erfolgt über die Anschlussklemmen 21. Die nebeneinander angeordneten Zellen kön-
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beiden Fällen ist das Auswechseln einer Einzelzeile des Zellverbandes ohne Schwierigkeiten möglich, bei beipolarer Schaltung braucht nur die auszuwechselnde Zelle überbrückt zu werden.

In Fig. 4 ist die Ausführung der Elektrodenbleche dahingehend abgewandelt, dass die Bleche mit vertikal verlaufenden Sicken 22 versehen sind, die grossflächige Elektrodenbleche versteifen und gleichzeitig. zur besseren Ableitung der Elektrolyseprodukte dienen.

Das in den Fig. la und 2a dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Elektrolysezelle unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen erstens durch die andersartig geformten Elektrodenbleche sowie die mit diesen unmittelbar verbundenen Kanäle und Anschlüsse, und zweitens durch eine geänderte Ausbildung des Diaphragmarahmens. Dieser umgreift, wie insbesondere aus Fig. 2a hervorgeht, mit Abschnitten 4a die Elektrodenbleche 1 und 2, so dass die Zelle einen allseits geschlossenen, umlaufenden Abschluss erhält. In diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel besteht der Rahmen 4 auch nicht mehr aus zwei Rahmenteilen, sondern ist aus einem Stück hergestellt, in das das Diaphragma in der dargestellten Weise eingesetzt ist.

Auch der in Fig. 4a gezeigte vertikale Schnitt weist die Rahmenkonstruktion nach der soeben beschriebenen abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemässen Elektrolysezelle auf. Er ist jedoch - wie dies bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben wurde-mit vertikal verlaufenden Sicken 22 versehen.

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artige Elektrodenbleche mit einer Auflageschicht aus Platin und/oder Iridium oder einer Platinlegierung versehen. Im letzteren Fall hat es sich als zweckmässig erwiesen, das platinierte Elektrodenblech auf der
Aussenseite mindestens an den Stellen zu verkupfern, an denen die Anschlussklemmen 21 für die Strom- zuführung angelötet werden sollen.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Diaphragma-Elektrolysezelle mit Metallelektroden, die gleichzeitig Wandungen des Zellgehäu- ses darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus im wesentlichen ebenen, dünnen, zuein- ander parallel angeordneten Blechen (1, 2) bestehen, die beide Hauptwandungen der im Querschnitt schmalen Zelle bilden und an ihrem Umfang mit einem sich über den gesamten Zellquerschnitt erstrek- kenden und entlang seiner Randabschnitte beidseitig von Rahmenteilen (4) eingefassten, zwischen den
Elektroden liegenden Diaphragma (3) fest verbunden sind.

Claims

2. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkanäle (12,16) für die Elektrolyseprodukte, der Zulaufkanal oder die Zulaufkanäle (7,8) für den Elektrolyten und die Ablaufkanäle (11,15) für den Anolyten und Katholyten mit der jeweils entsprechenden Elektrode (1, 2) aus einem Stück bestehen.

3. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkanäle (12,16) für die Elektrolyseprodukte gleichzeitig als Ablaufkanäle (11,15) für Anolyten und Katholyten ausgebildet sind.

4. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbleche (1, 2), das Diaphragma (3) und die Rahmenteile (4) auf Randabschnitten durch Verkle- bung bzw. durch Vulkanisation gas-und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind und das Diaphrag- ma mit seinem Rahmen zwischen den Elektrodenblechen eingespannt ist.

5. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 4 mit einem Diaphragma aus einem Gewebe synthe- tischer Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass das Diaphragmagewebe entlang der Diaphragma-Randab- schnitte zwischen beidseitig angeordneten Rahmenteilen (4) mittels fester brückenartiger, das Gewebe der Randabschnitte vollständig durchsetzender Verbindungen der Rahmenteile fest eingespannt ist, so dass eine flüssigkeits- und gasdichte Befestigung zwischen Rahmen und Gewebe besteht.

6. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenteile (4) aus Hartgummi und die brückenartigen Verbindungen zwischen diesen aus vulkanisiertem Kautschuk bestehen.

7. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenteile (4) aus festem Kunststoff und die brückenartigen Verbindungen zwischen diesen ebenfalls aus Kunststoff bestehen, der mit den Rahmenteilen zusammen polymerisiert ist.

8. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Randabschnitte in einem Klemmrahmen (5) eingespannt sind (Fig. 1, 2, 3, 4).

9. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenteile (4) die Elektrodenbleche (1, 2) entlang deren Rändern umgreifen.

10. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenteile (4) aus einem Stück bestehen und auch das Diaphragma (3) entlang seinen Rändern umfassen (Fig. la, 2a, 4a, 5, 7).

11. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des Diaphragmagewebes aus polymerisiertem Tetrafluoräthylen bestehen.

12. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenteile (4) an dem Oberrand der Zelle breiter als an den übrigen Rändern ausgeführt sind, so dass die gasförmigen Elektrolyseprodukte durch eine feste Wand (20) voneinander getrennt sind.

13. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbleche (1, 2) mit senkrecht verlaufenden Sicken (22) versehen sind.

14. Diaphragma-Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenblech (1) innenseitig mit parallelen, auf Abstand befindlichen und in den Kathodenraum ragenden Elektrodenabschnitten (23) versehen ist, die allseitig vom Elektrolyten umspült sind (Fig. 5,6, 7).

15. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenabschnitte (23) aus Blechen von im Querschnitt flacher U-Form bestehen, wobei die freien Schenkel (24) der U-förmigen Bleche am Kathodenblech (2) innen befestigt sind und der Querschenkel (25) des U sich parallel zum Kathodenblech und zum Diaphragma (3) erstreckt. <Desc/Clms Page number 7>

16. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Schenkel (24) jedes U-förmigen Bleches (23) derart abgebogen sind, dass sie zur Kathode (2) hin konvergieren.

17. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (1, 2) aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt besteht.

18. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass min- EMI7.1

19. Diaphragma-Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (1, 2) aus Titan besteht.

20. Diaphragma-Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass mindestens eine Elektrode mit einer Auflageschicht aus Platin und/oder Iridium oder einer Platinlegierung versehen ist.

21. Diaphragma-Elektrolysezelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das platinierte Elektrodenblech auf der Aussenseite mindestens teilweise verkupfert ist.