CH654852A5

CH654852A5 - Elektrode fuer elektrolysezellen.

Info

Publication number: CH654852A5
Application number: CH9019/80A
Authority: CH
Inventors: Peter Fabian; Karlheinz Eisenhuth; Ernst Jedlitschka; Helmut Krebs; Heinrich Simon
Original assignee: Heraeus Elektroden
Priority date: 1979-12-08
Filing date: 1980-12-05
Publication date: 1986-03-14
Also published as: IT8050180A0; JPS56133483A; DK159790C; NO153501B; FI67882B; IL61549A; IN153576B; NO803691L; FR2471423A1; DK519080A; FR2471423B1; ES497518A0; HU183261B; FI803532L; NL8006664A; CS226418B2; DK159790B; DE2949495C2; RO82183B; NO153501C

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode gemäss Oberbegriff des Hauptanspruchs. Bei bekannten Metallanoden, insbesondere dimensionsstabilen Anoden, hat man einen aktiven Belag auf einer Reihe von horizontal und parallel zueinander 15 angeordneten Titanrundstäben aufgebracht, die durch unbeschichtete Querrippen zusammengehalten werden. Da derartige Elektroden mit runden Gitterstäben in mehrfacher Hinsicht unbefriedigend sind, insbesondere jedoch wegen der ungünstigen Stromverteilung infolge «Stromschattenbildung» 20 in bezug auf die Gegenelektrode, jedenfalls in Quecksilber-Elektrolysezellen, hat man Abhilfe gesucht.

Es sind auch Metallanoden bekannt (vgl. DE-AS 1 818 035), bei denen über mehrere Ebenen elektrische Leiter den Strom in der Elektrode verteilen. Da die der Gegenelek-25 trode zugekehrte Leiterebene jedoch aus aktiviertem Netzmaterial besteht, hat sie, wie die Rundstäbe, den Nachteil, dass relativ grosse aktive Flächen im Stromschatten liegen, und dass die zu erreichende Ist-Oberfläche im Verhältnis zur projizierten Oberfläche relativ klein ist.

30 Es wurde auch schon vorgeschlagen, die Gitterstruktur von Anoden in Form von.flachen Streifen oder Bändern oder Kanälen von U-Form oder umgekehrter U-Form auszubilden (letzteres siehe britische Patentschrift 1 394 026). An den Ver-bindungsbögen der umgekehrten U-Profilen wurden die ein-35 zelnen kanalartigen Teile zusammengeschweisst. In der britischen Patentschrift wird Wert darauf gelegt, einen ausreichenden Spalt zwischen den Bändern jedes kanalartigen Elementes vorzusehen, um den Zugang eines Punktschweiss-Werkzeugkopfes zu ermöglichen, wenn man die kanalartigen 40 Elemente mit einem Leiter durch Punktschweissen verbinden will. Hierdurch wird andererseits die von der Stromverteilung her erwünschte grosse Anzahl von einzelnen Leiterelementen begrenzt. Ausserdem müssen auf der Oberseite der Elemente mit umgekehrtem U die Bögen zwischen den Verbindungsste-45 gen entfernt werden, so dass relativ grosse Mengen an Titan zu Abfall werden.. Auch ist das Problem des Stoffaustausches, insbesondere bei Quecksilberzellen, nicht angesprochen.

Den Stoffaustausch zu fördern, insbesondere für einen besseren Gasabzug von der Unterseite der Anoden zu sorgen, so hat sich die DE-AS 2 323 497 bei Zellen, die mit Stromdichten grösser als 10 kA/m2 arbeiten, zur Aufgabe gestellt. Die Lösung hat man dort in einer überaus grossen aktiven Oberfläche sowohl im Nah- als auch im Fernbereich der Gegenelektroden gesehen. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass der 55 Strom praktisch nur über eine Leiterebene mit einem einzigen querliegenden Stab transportiert wird, was zu stark unterschiedlichen Stromverteilungen auf der aktiven Fläche der Elektrode führt.

Der hauptsächliche Nachteil ist, dass der Hauptstromver-60 teiler direkt über der aktivierten Fläche sitzt, so dass die Gasabzugsverhältnisse und die Strömungsverhältnisse an den aktiven Flächen nicht gleichmässig sind und so negativ beein-flusst werden. Bei der grossen Höhe der senkrecht angeordneten beschichteten Titanbänder ergibt es sich, dass diese im 65 Fernbereich durch den relativ hohen Elektrolytwiderstand nur gering arbeiten, es sein denn auf Kosten höherer Spannung mit entsprechend höherem Verbrauch an elektrischer Energie und damit höheren Betriebskosten.

3

654 852

Da die Bänder lediglich an ihrer Oberseite durch einige querverlaufende Schweissnähte miteinander verbunden sind, können sich die Bänder bei dieser Elektrodenkonstruktion an ihren äusseren Enden quer zu ihrer Längsrichtung sehr leicht spreizen. Die Bänder werden sich ausserdem bei dieser Konstruktion nur sehr aufwendig mit dem Querbalken 3 ver-schweissen lassen.

Man hat in der DE-AS 2 323 497 dem Problem bei der Verwendung von dünnen Bändern für eine trotzdem ausreichende mechanische Stabilität bzw. Formstabilität zu sorgen, nicht Rechnung getragen, insbesondere nicht hinsichtlich Biege- und Verwindungssteifigkeit. Diese Forderungen sind jedoch neben denjenigen einer gleichmässigen Stromverteilung und der guten Gaskinetik ebenso zu beachten wie die Forderungen niedriger Herstellkosten und niedriger Reparaturkosten sowie Langlebigkeit von Konstruktion und Beschichtung und guter Kurzschlussresistenz. Das Gewicht der Elektroden ist ebenso wichtig, nicht nur wegen der Her-stell- und Transportkosten, sondern auch wegen des Einsatzes teurer Materialien.

Aufgabe der Erfindung ist es, allen genannten Forderungen Rechnung zu tragen und eine Elektrode zu schaffen, die die zum Teil gegenläufigen Forderungen erfüllt. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind:

1. Günstige Stromverteilung über drei Leiterebenen mit optimal dimensionierten Flachprofilen (Rechteckprofilen),

2. hohe Stabilität der Elektrode sowohl mechanisch (ver-windungssteif), insbesondere wegen des günstigeren Widerstandsmoments von Rechteckprofilen im Vergleich zu Rundprofilen und quadratischen Profilen, aber auch deshalb, weil alle Flachprofile (Rechteckprofile) der einzelnen Ebenen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind,

3. hohe Transportsicherheit, weil die Steifigkeit der Elektrodenkonstruktion auch durch äussere Einwirkungen schlecht zu überwinden ist,

4. gute Planität der ebenen Unterseite der Elektrode bleibt nicht nur nach der Herstellung und dem Transport, sondern auch nach dem Einbau (Montage und Demontage) sowie im Betrieb erhalten, was zu einer Senkung der Betriebskosten führt, weil ein günstigerer, gleichmässiger Abstand zu der Gegenelektrode eingehalten wird,

5. Sicherheit gegen thermischen Verzug beim Reaktivieren. Dies ermöglicht die verwindungssteife Konstruktion der erfindungsgemässen Elektrode,

6. gute Stoffaustauschkinetik nicht nur durch die rundum beschichteten, senkrecht stehenden Flachprofile (Rechteckprofile), sondern auch durch deren günstige gegenseitige Beabstandung und Zahl der Leiter pro Fläche,

7. trotzdem gute Schweissbarkeit wegen der gegenseitigen Zuordnung der Leiterebenen,

8. Verringerung der Kurzschlussgefahr, weil Planität auch nach Transport und Einbau sowie im Bereich erhalten bleibt,

9. nicht zuletzt eine sehr hohe Materialersparnis bezogen auf eine Elektrode gleicher Fläche an hochwertigen Materialien, wie Titan, im Ausführungsbeispiel bis zu etwa 75%,

somit entsprechend höhere Wirtschaftlichkeit,

10. ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil ist die einfache Form des Materials der Leiter (Flachprofil bzw. Rechteckprofil), die die Verwendung von Standardvormaterial zu optimalen Einkaufsbedingungen und günstige Lagerhaltung erlaubt,

11. wirtschaftlich ist auch der gute Energieausnutzungsgrad der erfindungsgemässen Elektrode, insbesondere in Quecksilber-Chloralkali-Elektrolyseanlagen infolge gleichmässiger Stromverteilung,

12. die gute Parallelität der einzelnen Leiter der drei Ebenen ist ein Folge der grossen Verwindungssteifigkeit der erfindungsgemässen Elektrodenkonstruktion bzw. ihres Aufbaus. Der mittlere Abstand zwischen Anode und Kathode im Elektroyseur wird unbeeinflusst durch geringe Planitätsab-weichungen optimal klein gehalten.

Weitere Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Die Ausführungsbeispiele können selbstverständlich in mannigfacher Weise abgewandelt werden, ohne dass hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Insbesondere ist es möglich, Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen, dargestellten und beanspruchten Merkmale vorzunehmen, auch in Kombination mit bekannten Merkmalen.

In den beigefügten Zeichnungen sind verschiedene Ansichten von Elektroden gemäss Ausführungsbeispiel dargestellt.

Es zeigen :

Figur 1 einen Schnitt senkrecht entlang der Mittelachse durch die Elektrode,

Figur 2 einen Schnitt ähnlich Figur 1, jedoch mit um 90° um die Mittelachse gedrehter Blickrichtung,

Figur 3 eine Draufsicht auf eine Elektrode quadratischer Grundfläche.

Wie ersichtlich, weist die Elektrode drei Leiterebenen auf, sämtlich aus Flachprofilen (Rechteckprofilen), von denen mit Bezugszeichen 1 die Leiter der ersten Ebene, mit 2 die Leiter der zweiten Ebene, mit 3 die Leiter der dritten Ebene bezeichnet sind, wobei letztere der Gegenelektrode zugekehrt werden beim Einbau in die Zelle, bevorzugt Quecksilberelektrolysezelle mit fliessendem Quecksilber in Richtung parallel zu den Leitern 3, die dann anodisch geschaltet sind, während das Quecksilber die Kathode bildet.

Der Spalt zwischen der Unterseite der Elektrode und der Gegenelektrode liegt mit Vorteil bei 3 mm. Er kann jedoch auch anders eingestellt werden, weil der Stromzuführungsbolzen der Elektrode so über der Zelle gehaltert bzw. aufgehängt ist, dass er eine gleichmässige, parallele Verstellung des Spaltes gestattet. Der Elektrodenspalt soll einerseits so klein wie möglich sein, will man den Stromverbrauch drosseln, er darf jedoch andererseits nicht zu klein werden, weil dadurch die Kurzschlussgefahr erhöht würde und Nebenreaktionen entstehen können, die die Stromausbeute herabsetzen.

Der Stromanschluss des Zuführungsbolzens 4 ist nicht dargestellt, weil er an sich bekannter Art ist. Der Bolzen kann z.B. aus Kupfer bestehen und ist in einem Titanhüllrohr 5 enthalten, welches seinerseits am unteren Ende bei 6 mit den Leitern aus Flachprofilen der ersten Ebene (Hauptstromverteiler 1) verbunden ist.

Mit Vorteil weist der Bolzen oder Stab 4 am unteren Ende eine möglichst grosse elektrische Kontaktfläche 7 auf - im dargestellten Beispiel der Figur 1 eine Kegelfläche -, und dieser Kontakt kann mit dem Hauptstromverteiler 1 entweder fest oder lösbar durch Schweissen, Einpressen, Schrauben, Vernieten oder dergleichen verbunden sein, wobei eine lösbare Verbindung vorgezogen wird, weil in diesem Fall dann die Teile 1,2 und 3 der Elektroden, z.B. zwecks Reaktivie-rung, gesondert ausgetauscht und an anderem Ort behandelt werden können.

Die Leiter der dritten Ebene 3 sind mit Vorteil aus Flachprofilen mit Rechteckquerschnitt ausgeführt aus Titan, Niob, Tantal oder anderen im jeweiligen Elektrolyseverfahren resistente, elektrisch leitende Metalle oder deren Legierungen, wie auch die Leiter der ersten und zweiten Ebene.

Die Flachprofile 3 sind 1 bis 2 mm dick, bevorzugt etwa 1,5 mm dick, und weisen eine Höhe von 3 bis 5 mm auf, bevorzugt 4 bis 5 mm.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

654 852

4

Der Abstand zwischen den parallelen Leitern 3 beträgt mindestens 2 mm bis etwa max. 6 mm, wobei jedoch der minimale Bereich (näher an 2 mm) bevorzugt wird.

Der Spalt wird so gewählt, dass die an den aktiven Oberflächen der Leiter 3 im Bereich entstehenden Gasabzugsfahnen im Bereich des Spaltes nicht miteinander in Berührung kommen und verwirbeln, sondern getrennt bleiben, so dass die Ionen, die an der Elektrodenoberfläche entladen werden, weitestgehend von Gasblasen ungehindert an die aktiven Flächen gelangen können. Bei der Wahl des Spaltes ist ferner die spezifische elektrische Belastung pro Flächeneinheit zu berücksichtigen sowie die Tatsache, dass einerseits aus Energiegründen eine hohe Zahl an Leitern aus Flachprofilen 3 pro Flächeneinheit wegen der dann grösseren, aktiven Fläche erwünscht ist, jedoch andererseits der Stoffaustausch bzw. die Gaskinetik ausreichend sein muss, was nur bei ausreichend freier Durchgangsfläche gewährleistet ist.

Bei der Elektrode werden die Leiter der dritten Ebene 3 entweder aus katalytisch aktivem Material ganz oder teilweise bestehend hergestellt oder ganz oder teilweise mit einer katalytisch aktiven Beschichtung an der Oberfläche versehen. Bevorzugt wird eine katalytisch aktive Beschichtung auf der ganzen Oberfläche der Leiter 3, also auch auf der Unterseite, die der Gegenelektrode zugekehrt ist. Die Beschichtungsma-terialien und Verfahren sind an sich bekannt. Die Leiter 3 sowie die Leiter 1 und 2 werden mit Vorteil für eine spezifische elektrische Belastung der Elektrode von etwa 10 kA/m2, jedoch möglichst im Bereich zwischen 2,5 kA/m2 und 15 kA/m2 gewählt. Das Verhältnis von freier Durchgangsfläche zu projizierter Fläche im Bereich der Leiter der dritten Ebene 3 liegt zwischen etwa 20:30 und 60:80. (Als projizierte Fläche versteht man die Gesamtfläche zwischen den äusseren Rändern der Elektrode.)

Die Leiter aus Flachprofilen der zweiten Ebene 2 sind in Abständen zwischen 30 und 150 mm mit den Leitern 1 ver-schweisst; die Leiter der zweiten Ebene 2 weisen ein Breiten zu-Höhen-Verhältnis zwischen 1:5 und 2:3 auf, wobei die Breite dieser Leiter im Bereich zwischen 3 und 7 mm liegt. Die Wahl der Dimensionen der Flachprofile (Rechteckprofile) der Leiter der zweiten und ersten Ebene (2 und 1) richten sich im wesentlichen nach der gewünschten Stromdichte. Dabei können die Leiter der einzelnen Ebenen sehr wohl unterschiedlich in den Abmessungen gewählt werden, sollten jedoch immer im Querschnitt Rechteckform aufweisen im Sinne der Erfindung, um möglichst handelsübliche Bleche verwenden zu können. Gerade in der unterschiedlichen Wahl der Dimensionen der einzelnen Leiter der verschiedenen Ebenen liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung (Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall).

Die gute Stromverteilung bei der erfindungsgemässen Elektrode ergibt sich vor allem daraus, dass diese, wie insbesondere Figur 3 zeigt, völlig symmetrisch bzw. spiegelbildlich in bezug auf die Mittelachse aufgebaut ist und eine gleichmässige Verteilung in der Anzahl der Leiter der jeweiligen Ebene hierzu vorsieht.

Der als Hauptstromverteiler ausgeführte Leiter 1 besteht bevorzugt aus einem flachliegend angeordneten, im Quer-5 schnitt rechteckigen Profil, auf seiner Oberseite bei 6 mit dem Rohr 5 des Stromzuführungsbolzens oder -stabes 4 verbunden und an seiner Unterseite mit den Leitern 2 der zweiten Ebene, wobei diese hochkant, also senkrecht stehend angeordnet sind im rechten Winkel zu dem Leiter aus Flachprofil 1 (vgl. io Figur 3). Die Leiter der dritten Ebene 3 sind durch Wider-standsschweissung, vorzugsweise Buckelschweissung, mit den Leitern der zweiten Ebene 2 verbunden, und zwar derart, dass auch die Leiter 3 hochkant, also senkrecht stehend, angeordnet sind im rechten Winkel zu den Leitern 2 (siehe Fig. 3). 15 Durch die Wahl der Buckelschweissung als spezielles Wider-standsschweissverfahren ohne Schweisszusätze ergibt sich der Vorteil einer schnellen und automatischen Anschweissbarkeit (mittels Balkenelektrode), wobei viele Leiter auf einer Ebene auf einmal an diejenigen der nächsten Ebene angeschweisst 20 werden können. Als weiterer Vorteil des Buckelschweissver-fahrens ist die geringe Wärmeentwicklung während des Schweissens anzusehen, wodurch man insgesamt weniger Verzug an den Elektrodenteilen bei der Herstellung erzielt. Erfindungsgemässe Elektroden konnten mit einer Planparal-25 lelität (an der Unterseite der Leiter 3) von 0,25 mm nach diesem Verfahren hergestellt werden. Auch die Reparaturfähigkeit bzw. Reaktivierungsfähigkeit wird bei derart geschweiss-ten Elektroden wesentlich verbessert. Die Verbesserung der Planität führt im praktischen Betrieb einer Elektrolysezelle zu 30 gleichförmigerer lokaler Stromverteilung auf der der Gegenelektrode zugekehrten Oberfläche der Elektrode und damit zu besserer Stromausbeute beim Betreiber der Zelle, ausserdem zu längeren Standzeiten von Beschichtungen (Verlängerung der Lebensdauer).

35 Wie insbesondere der Figur 3 zu entnehmen ist, wird eine rechtwinklige Grundfläche der Elektrode bevorzugt (Fläche der Leiter 3). Dieses ist jedoch nicht Bedingung. Auch die Zahl der Leiter 3 pro Fläche kann verändert werden, soweit dadurch die in den Ansprüchen angegebenen Grenzen hin-40 sichtlich des Verhältnisses freier Fläche zu projizierter Fläche im Bereich der Leiter der dritten Ebene eingehalten werden.

Selbstverständlich sind in einer Elektrolysenzellenanlage mehrere Elektroden über Sammelschienen in gewünschter Weise für gemeinsamen Betrieb elektrisch und/oder mecha-45 nisch verbindbar.

Statt eines Leiters der ersten Ebene (Hauptstromverteiler), wie dargestellt, können auch mehrere z.B. nach Art eines Kreuzes aus Flachprofil, mit dem Stab oder Bolzen 4 als Kreuzungspunkt, angeordnet sein.

50 Auch die Zahl, Form und Anordnung der Leiter der zweiten Ebene (Stromverteiler aus Flachprofil) können dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, solange die in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Bedingungen eingehalten werden.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

654 852

1. Elektrode für Elektrolysezellen, insbesondere für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen, mit Stromzuführung über einen Stab oder Bolzen und einen Stromverteiler in Form eines Flachprofils und quer dazu verlaufenden aktivierten Elektrodenteilen aus Flachprofilen, die hochkant stehend angeordnet sind und ein Breiten- zu Höhenverhältnis zwischen 1:5 und 2:3 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachprofile (1,2,3) in drei Ebenen übereinander und jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind, wobei die Ebenen von der Stromzuführseite aus in Richtung der Gegenelektroden numeriert sind, dass die Elektrodenteile der Flachprofile (2) in der zweiten Ebene mit einem Abstand zueinander zwischen 30 und 150 mm auf die als Stromverteiler dienenden Flachprofile (1) der ersten Ebene aufgeschweisst sind, deren Breiten-zu-Höhen-Verhältnis kleiner ist als das der Flachprofile (2) der zweiten Ebene und dass ein Verhältnis von der Summe der Querschnittsflächen aller freien Durchgänge zwischen den Flachprofilen der dritten Ebene zur Gesamtfläche zwischen den äusseren Rändern der Elektrode in der dritten Ebene zwischen 2:3 und 3:4 vorliegt.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter aus Flachprofilen (3), die der Gegenelektrode zugekehrt sind, und die darüberliegenden Leiter aus Flachprofilen (2) als Stromverteiler hochkant stehen, während die Leiter aus Flachprofilen (1) der ersten Ebene ebenfalls rechtwinklig hierzu, jedoch flach anliegend als Hauptstromverteiler auf den Leitern der zweiten Ebene aufgeschweisst sind, und diese Flachprofile (1) mit dem Zuführungsbolzen (4) bzw. dessen Schutzrohr (5) verbunden sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter aus Flachprofilen (1) der ersten Ebene geringer in der Zahl sind als diejenigen Flachprofile (2) der zweiten Ebene und die Zahl der Flachprofile (2) der zweiten Ebene geringer ist als die Zahl der Flachprofile (3) der dritten, der Gegenelektrode zugekehrten Ebene der Leiter, wobei die erste Leiter-Ebene als Hauptstromverteiler vorzugsweise in Form eines Stabes oder Balkens mit Rechteckprofil grösserer Breite als Höhe ausgebildet ist, der parallel zu den Flachprofilen (3) der dritten Ebene verläuft.

4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachprofile (2) der zweiten Ebene eine Breite von 3 bis 7 mm und eine Höhe von 20 bis 50 mm aufweisen.

5 10. Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von Anode zu Kathode 3 mm beträgt.

5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachprofile (3) der dritten Ebene 1 bis 2 mm dick sind und eine Höhe von 3 bis 5 mm aufweisen.

6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Leitern aus Flachprofilen (3) der dritten Ebene gegenseitige Abstände vorhanden sind, die im Bereich einiger Millimeter liegen, mindestens jedoch 2 mm betragen.

7. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachprofile (1,2,3) aus Titan, Niob, Tantal oder anderen, in der Elektrolysezelle und in deren Betrieb beständige, elektrisch leitende Metalle oder deren Legierungen hergestellt sind.

8. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachprofile (3) der dritten Ebene aus katalytisch aktivem Material bestehen oder deren Oberfläche ganz damit beschichtet sind.

9. Elektrolysezelle mit einer Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode als Anode verwendet wird, während die Gegenelektrode eine Quecksilberkathode ist, gebildet aus in Verlaufsrichtung der Flachprofile (3) der dritten Ebene fliessendem Quecksilber mit einem Abstand von Anode zu Kathode von einigen wenigen Millimetern, wobei die Anode an ihrer Unterseite weitgehend eben ist und so in der Elektrolysezelle gehaltert ist, dass der Abstand einstellbar ist.

10