DD154831A5 - Verfahren und vorrichtung zur elektrolyse - Google Patents

Abstract

Zweipoliger Diaphragma- oder Membran-Elektrolyseur, gekennzeichnet durch ein Gehaeuse, das folgende Bestandteile enthaelt: ein Anoden-Endelement, ein Kathoden-Endelement und mehrere zweipolige Elemente, deren Hauptabmessungen in einer im wesentlichen vertikalen Ebene liegen und die folgenden Teile enthalten: eine zweipolige Wand, die den Anodenraum vom Kathodenraum trennt, und vertikale perforierte Elektroden, die in bestimmtem Abstand von der zweipoligen Wand parallel zu dieser angeordnet sind, Diaphragmen oder Membranen, welche die Anoden von den Kathoden trennen, eine Reihe von Trennwaenden, die ueber die gesamte Breite des Elektrodenraums verteilt sind und sich von der zweipoligen Wand bis zu den perforierten Elektroden erstrecken und eine Reihe von vertikalen Stroemungskanaelen bilden, die sich ueber einen grossen Teil der Wandhoehe erstrecken; die Trennwaende sind bezueglich der vertikalen, zur zweipoligen Wandebene senkrechten Ebene abwechselnd nach der einen oder der anderen Richtung geneigt und in bestimmten Abstaenden voneinander angeordnet, wodurch das Verhaeltnis der Elektrodenflaeche, die von den Kanten zweier, einen vertikalen Stroemungskanal seitlich begrenzender Trennwaende eingeschlossen wird, zum Stroemungsquerschnitt dieses Kanals sich von dem Verhaeltnis der Elektrodenflaeche, die von der Kante einer der beiden Trennwaende und der Kante der in der Reihe benachbarten Trennwand eingeschlossen wird, zum Stroemungsquerschnitt des dem vertikalen Stroemungskanal in der Reihe benachbarten Kanals unterscheidet; neuartige zweipolige Elemente und verbesserte Elektrolyseverfahren.

Description

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GZ 1417456

Verfahren und Vorrichtung zur El ej< tr öl γ se

Anwendungsg_ebiet^ der., Erfindung^

Chlor und Alkalimetallhydroxide wie Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid werden in großem Umfang in jedem industrialisierten Land verwendet und nahezu ausschließlich durch Elektrolyse wäßriger Lösungen von Alkalimetallchloriden gewonnen, wobei ein großer Teil der Produktion aus Anlagen stammt, die mit Diaphragma- oder Membranzellen ausgestattet sind. Mit der Einführung von formbeständigen Baumaterialien ist der sogenannte Filterpressenaufbau zum am meisten bevorzugten Aufbau für Diaphragma- oder Membranzellen geworden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Ein Elektrolyseur dieses Typs umfaßt eine Reihe von vertikalen zweipoligen Elementen, die eine zweipolige Trennwand enthalten, welche auf einer Seite den Kathodenaufbau und auf der anderen Seite den Anodenaufbau trägt, wobei Membranen oder Diaphragmen zwischen dem Anodenaufbau eines zweipoligen Elements und dem Kathodenaufbau des in der Reihe benachbarten zweipoligen Elements eingesetzt sind. Der Elektrolyseur umfaßt weiterhin eine Anoden« und eine Kathodenendplatte an den beiden Enden der Reihe, die mit den jeweiligen Polen der Stromquelle verbunden sind.

Die zweipolige Platte oder Wand führt mehrere Funktionen aus» Tatsächlich bildet sie die Endplatte- des jeweiligen Elektrodenraums und verbindet die Kathode auf einer Seite des zweipoligen Elements elektrisch mit der Anode auf der anderen Seite des Elements, und ein Rahmen, der häufig in einem Stück mit der zweipoligen Wand ausgeführt ist, bildet Dichtungsflächen um die Elektrodenräume herum. Die Elektroden bestehen im allgemeinen aus Gittern oder gestreckten Blechen oder in anderer Weise durchlochten

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Flächen, die durch Rippen oder Verbindungselemente auf den jeweiligen Oberflächen der zweipoligen Wand versteift sind, welche parallel und in einem gewissen Abstand zur Wand verlaufen. Die Elektroden sind oft koplanar zu den Dichtungsflächen des Rahmens angeordnet und der Elektrodenabstand sowie der Abstand der Elektroden von dem dazwischenliegenden Diaphragma wird oft durch dazwischengelegte Dichtungen von geeigneter Dicke zwischen den Dichtungsflächen des Rahmens und dem Diaphragma bestimmt.

Der Rahmen eines jeden zweipoligen Elements ist mit den notwendigen Einlaß- und Auslaßöffnungen für die Elektrolyte und die Elektrolyseprodukte versehen, so daß die Elektrolyteinspeisung in jeden einzelnen Elektrodenraum und die Gewinnung der Produkte aus jedem Elektrodenraum individuell, das heißt in Parallelbetrieb ausgeführt werden können, und zwar mit Hilfe von Verteiler- und Sammelkanälen, die außerhalb des Elektrolyseurs liegen oder innere Kanäle sein können, die man erhält, indem man geeignete koaxiale Bohrungen in Richtung der Rahmendicke anbringt.

Naheliegende Überlegungen vom technischen und ökonomischen Standpunkt aus haben bestätigt, daß Zellen wünschenswert sind, die durch große Elektrodenoberflächen und eine minimale Breite der Elektrodenräume bei paralleler Einspeisung durch Verteiler- und Sammelkanäle sowohl vom inneren als auch vom äußeren Typ gekennzeichnet sind» Eine erste technische Überlegung betrifft die Stromversorgung der zweipoligen Elektrolyseure, die aus einer großen Anzahl von in Serie geschalteten Elementarzellen bestehen und daher Speisespannungen in der Größenordnung von einigen hundert Volt an ihren Klemmen benötigen« Berücksichtigt man die Grenzwerte der Gleichspannung von modernen Siliziumgleichrichtern, so kann jede Gleichrichterschaltung nicht mehr als

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eine gewisse Anzahl von in Serie geschalteten Elektrolyseuren speisen. Es ist daher wünschenswert, daß die Elektrodenflächen so groß wie möglich sind, um ein akzeptables Verhältnis zwischen den Kosten für eine Gleichrichterschaltung und der Produktionskapazität der Elektrolyseure zu erzielen.

Andererseits ist es aufgrund von Kompaktheitsüberlegungen sowie der Notwendigkeif der Einsparung von teuren Baumaterialien erforderlich, daß die zweipoligen Elemente so dünn wie möglich sind, um die Dicke oder Breite der Elektrodenräume auf ein Minimum zu reduzieren. Daher werden moderne Elektrolyseure mit Elektrodenflächen von mehr als

2 m und mit Elektrodei wenigen cm hergestellt

2 m und mit Elektrodenraumtiefen in der Größenordnung von

Diese Zellengeometrien sind zwar unter verschiedenen Aspekten optimal, werfen aber, im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Arbeitsweise über die gesamte Zellenoberfläche hinweg ein Problem auf, und dieses Problem wird noch verschärft dadurch, daß es aus naheliegenden ökonomischen Gründen wünschenswert ist, die Elektrolyse bei hohen Stromdichten durchzuführen. Zum Beispiel wird bei der Elektrolyse von Nat r.iumchloridlösung in einem Elektrolyseur des oben beschriebenen Typs, der mit einer halbdurchlässigen Membran, wie zum Beispiel einer Kationenmembran ausgestattet ist, die nahezu gesättigte Salzlösung jedem Anodenraum durch eine Einlaßöffnung zugeführt, die im allgemeinen in der Nähe des Bodens des Anodenraums liegt. Die verbrauchte Salzlösung zusammen mit dem an der Anode entwickelten Chlorgas verläßt die Zelle durch eine Auslaßöffnung, die nahe am oberen Ende .des Anodenraums liegt , und wird in einem Sammelrohr aufgefangen, durch das sie nach der Trennung von dem Chlor entweder zur Sättigungs-/Reinigungsstufe zurück-

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geführt oder, zusammen mit frischer gesättigter Salzlösung aus der Sättigungs-/Reinigungsstufe, teilweise zum Anodenraum zurückgeführt wird.

Natrium ionen wandern durch die Membran hindurch zum Kathodenraum, wo an der Kathode Wasserstoff entwickelt und Natriumhydroxid gebildet wird. Der Kathodenraum wird mit Wasser oder verdünnter Natriumhydroxidlösung gespeist, während Wasserstoffgas und konzentriertes Natriumhydroxid abgeleitet werden» Die wohlbekannten kinetischen Probleme im Zusammenhang mit dem Transport von Chloridionen durch Diffusion durch die anodische Doppelschicht hindurch zur aktiven Oberfläche der Anode würden normalerweise eine hohe Chloridionenkonzentration im Anolyten und eine starke Turbulenz, das heißt eine hohe Auftreffgeschwindigkeit des Anolyten entlang der Anodenoberfläche erfordern, um die Entwicklung von Sauerstoff als Nebenprodukt durch die direkte Elektrolyse von Wasser zu verringern. Wegen der hohen Oberflächenspannung der Anode in bezug auf die Tiefe der Anodenräume ist es jedoch von der Pumpleistung her schwierig und teuer, eine so hohe und gleichmäßige Zirkulationsgeschwindigkeit des Anolyten zu erreichen, der in der Praxis im Anodenraum stagniert. Um das Fehlen der Zirkulationsgeschwindigkeit teilweise zu überwinden, ist es üblich, in dem Anolyten entweder durch kontinuierliche Nachsättigung der aus dem Anoden· raum abgeleiteten erschöpften Salzlösung oder durch Zusatz von Salzsäure eine hohe Chloridionenkonzentration im Anolyten aufrechtzuerhalten«

In der Praxis gewährleistet dies jedoch kaum die Gleichmäßigkeit der Bedingungen an der gesamten Änodenoberfläche und verursacht darüberhinaus höhere Kosten in Form von größeren Kapazitäten der Sättigungs- und -Reinigungseinrichtungen für die Salzlösung. Wegen Konzentrationsgradienten innerhalb

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des Anolyten ist das Auftreten einer Sauerstoffentwicklung immer noch wahrscheinlich, insbesondere in Bereichen mit stärkerer Verarmung des Anolyten an Chloridionen. Eine solche Nebenreaktion verursacht einen Stromausbeuteverlust und hat außerdem einen nachteiligen Einfluß auf die aktive Lebensdauer der Anoden, die bei Entwicklung von Sauerstoff schnell ihre katalytische Aktivität verlieren. Andererseits sind Kationenaustauschmembranen und, allerdings in geringerem Maße, die traditionellen porösen Diaphragmen besonders empfindlich gegenüber der Natriumhydroxidkonzentration auf der Kathodenseite, Aus diesem Grunde ist es auch sehr ratsam, die Konzentration des Natriumhydroxids, das sich in Kontakt mit der Membran befindet, innerhalb eines wohldefinierten Bereichs zu halten und vor allem das Auftreten der Konzentratibnsgradienten entlang der gesamten Oberflächen ausdehnung der Kathodenseite der Membran zu verhindern.

Ziel der Erfindung:

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Elektrolyse von wäßrigen Halogenidlösungen in zweipoligen Elektrolyseuren vom Diaphragma-Typ, die mit senkrechten Elektroden ausgestattet sind, wodurch mehrfache Zirkulationsbewegungen im Elektrolyten erzeugt und gleichmäßig über die gesamte Elektrodenfläche verteilt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuartigen verbesserten zweipoligen Diaphragma-Elektrolyseurs mit senkrechten Elektroden, der mit Vorrichtungen zur Erzeugung einer inneren Zirkulation des Elektrolyten innerhalb der Zelle ausgestattet ist, sowie die Schaffung von neuartigen zweipoligen Elementen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten Verfahrens zur elektrischen Verbin-

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dung der Elektroden eines jeden zweipoligen Elements durch das zweipolige Trennelement,

Diese und andere Ziele und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der neuartige zweipolige Diaphragma- oder Membranelektrolyseur nach der Erfindung umfaßt: ein Gehäuse, das ein Endanodenelement, ein Endkathodenelement sowie mehrere zweipolige Elemente enthält, deren Hauptabmessungen in einer im wesentlichen senkrechten Ebene liegen und die aus einer zweipoligen Wand bestehen, welche den Anodenraum vom Kathodenraum trennt, sowie aus senkrechten perforierten Elektroden, die in einem gewissen Abstand parallel zur zweipoligen Wand angeordnet sind, Diaphragmen oder Membranen, welche die Anoden und die Kathoden voneinander trennen, einer Reihe von Trennwänden, die über die gesamte Breite des Elektrodenraums verteilt sind und sich von der zweipoligen Wand zur perforierten Elektrode erstrecken und eine Serie von vertikalen Strömungskanälen bilden, die über einen großen Teil der Wandhöhe verlaufen; diese Trennwände sind in bezug auf die vertikale Ebene senkrecht zur Ebene der zweipoligen Wand abwechselnd nach der einen oder anderen Seite geneigt und gegeneinander versetzt, wodurch das Verhältnis der Elektrodenfläche, die durch die Kanten zweier, einen vertikalen Strömungskanal seitlich begrenzender Trennwände abgegrenzt wird, zum Strömungsquerschnitt dieses Kanals, sich von dem Verhältnis der Elektrodenfläche, die durch die Kante einer der beiden Trennwände und die Kante der in der Reihe benachbarten Trennwand abgegrenzt wird, zum Strömungsquerschnitt des Kanals, der dem obenerwähnten Kanal in der Reihe benachbart ist, unterscheidet.

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Durch Einfügen einer Reihe von Trennwänden, die sich annähernd über die gesamte Höhe des Elektrodenraums erstrekken und deren Breite im wesentlichen gleich der Tiefe des Elektrodenraums ist, das heißt dem Abstand zwischen dem zweipoligen Trennelement und dem Metallgitter der Elektrode entspricht, sowie dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen Ebene senkrecht zur Oberfläche des Trennelements und der Elektrode abwechselnd in der einen und der entgegengesetzten Richtung geneigt sind, wird der gesamte Strömungsquerschnitt des Elektrodenraums in eine Reihe von vertikal ausgerichteten Strömungskanälen unterteilt, und die an das Elektrodengitter angrenzenden Kanten der Trennwände unterbrechen (oder unterteilen) die gesamte Elektrodenoberfläche in eine Reihe von Flächen; indem dafür gesorgt wird, daß für zwei benachbarte Strömungskanäle die Verhältnisse der von den zwei/jeweils benachbarten Trennwänden abgegrenzten Elektrodenfläche zum Strömungsquerschnitt'des entsprechenden vertikalen Kanals verschieden ausfallen, werden mehrfache Zirkulationsbewegungen des Elektrolyten erzeugt, welche die gesamte Masse des im Elektrodenraum enthaltenen Elektrolyten wirksam einbeziehen, unabhängig von der Breite dieses Elektrodenraums. Tatsächlich werden, wo immer eine Gasentwicklung an der Oberfläche der Gitterelektrode auftritt, die das Diaphragma oder die Membran weitgehend berührt, Gasblasen durch das Geflecht der Gitterelektrode hindurch freigegeben und steigen durch den Elektrolyten nach oben. Die Trennwände bewirken, daß der Blasenstrom, der an der von den Kanten der beiden Trennwände begrenzten Elektrodenfläche entwickelt wird, in dem Elektrolytkörper aufsteigt, der in dem von den Trennwänden seitlich begrenzten vertikalen Kanal eingeschlossen ist.

Wenn abwechselnd ein großer Teil der unterteilten Elektrodenfläche einem kleinen Strömungsquerschnitt entspricht und

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das Verhältnis für den in der Reihe benachbarten Kanal umgekehrt ist, dann ist die Dichte der Gasblasen im ersteren Kanal hoch, während im letzteren, benachbarten Kanal die Gasblasendichte viel geringer ist. Daher wird aufgrund der unterschiedlichen Stärke der viskosen Wechselwirkungskräfte, zwischen den aufsteigenden Gasblasen und der Flüssigkeit der Elektrolyt im ersten Kanal aufwärts gezogen, wodurch eine Abwärtsbewegung in dem im benachbarten Kanal enthaltenen Elektrolyfen induziert wird. Auf diese Weise kann eine unbeschränkte Reihe von Umlaufbewegungen gleichmäßig entlang einer beliebig großen Ausdehnung der Elektrodenoberfläche erzeugt werden, die den gesamten Elektrolytkörper im Elektrodeηraum einschließt.

Die Trennwände können aus jedem chemisch passiven Material bestehen, da.s gegen den Elektrolyten und die Elektrolyseprodukte beständig ist; besser ist es aber, wenn sie als stromführende und Unterstützungsvorrichtungen für die perforierte Elektrodenkonstruktion dienen.

Ausführungsbeispiel:

Einige bevorzugte Realisierungen der Erfindung sollen im folgenden unter Bezugnahme auf veranschaulichende Zeichnungen und Ausführungsbeispiele beschrieben werden, die jedoch nicht alle möglichen Formen und Abwandlungen, die im Gegenstandsbereich der Erfindung liegen, darstellen sollen.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Grundriß der beiden zweipoligen Elemente des zweipoligen Membranelektrolyseurs nach einer bevorzugten Realisierung der Erfindung;

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Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des oberen Teils von Fig. 1;

Fig. 3 einen teilweisen Grundriß eines zweipoligen Elements eines zweipoligen Membran-Elektrolyseurs nach einer weiteren Realisierung der Erfindung;

Fig..4 einen Aufriß von Fig. 1, ausgeführt entlang der Linie IV-IV;

Fig. 5 eine vergrößerte Detaildarstellung von einem Grundriß eines zweipoligen Elements, das den zweipoligen Membran· Elektrolyseur nach einer weiteren bevorzugten Realisierung der Erfindung charakterisiert;

Die Figuren 6A und 6B sind perspektivische Darstellungen eines zweipoligen Elements eines Elektrolyseurs nach der Erfindung von der Anodenseite aus; Fig. 7 ist ein Seitenriß eines zusammengesetzten zweipoligen Elektrolyseurs nach der Erfindung.

In Fig. 1, die zwei zweipolige Elemente darstellt, die repräsentativ für eine Serie von Elementen sind, welche einen für die Elektrolyse von Natriumchloridlösung geeigneten zweipoligen Membran-Elektrolyseur bildet und von der Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung zeigt, besteht jedes zweipolige Element aus einer zweipoligen Wand oder Trennwand 1, einem Bimetall, das vorzugsweise durch Explosionsbindung und/oder Schichtung gewonnen wird. Das Bimetall besteht aus einer Platte la aus Stahl oder einem anderen geeigneten Kathodenmaterial von etwa 7 bis 15 mm Dicke, und einem Blech Ib aus Titan oder ei.nem anderen Ventilmetall (?) von etwa 1 bis 2,5 mm Dicke. Der rechteckige Rahmen besteht aus geschweißten Stahlstäben 2 von etwa 15 bis 30 mm Dicke. Die Rahmenflächen, die den Anodenraum abgrenzen, sind mit Titan oder einem anderen Ventilmetallblech 2b verkleidet, das dicht mit dem Titan- oder Ventilrnetallblech Ib der zweipoligen Wand verschweißt ist»

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Trapezförmige Kanäle 3 aus Titanblech mit einer Dicke, die vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 mm liegt,'werden vorzugsweise durch Schlitze oder Bohrungen, die in den Boden der Kanäle eingestanzt sind, mit dem Titanblech Ib verschweißt Die Kanäle verlaufen senkrecht fast über die gesamte Höhe des Anodenraums und enden in einem gewissen Abstand (in der Größenordnung von einigen cm, vorzugsweise größer als mindestens 3 cm) von der Innenfläche des Rahmens, Die Kanäle sind über die gesamte Breite des Anodenraums gleichmäßig in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet.

Die Anode besteht aus einem Gitter oder einem gestreckten Blech 4 aus Titan oder einem anderen Ventilmetall, das in geeigneter Weise mit einer Schicht aus widerstandsfähigem, nicht passivierbarem Material überzogen ist, wie es in den US-Patenten .Nr. 3,711,385 und Nr. 3,778,307 beschrieben ist. Geeignete anodische Oberzüge können Metalloxide der Platingruppe, leitfähige Mischoxide von nichtedlen Metallen, wie zum Beispiel Perowskite, Spinelle usw. sein. Das Gitter oder gestreckte Blech kann an den Kanten der Kanäle 3, die koplanar verlaufen, angeschweißt sein, kann jedoch auch nicht mit den Kanten verschweißt sein, wie im folgenden aus der Beschreibung hervorgehen wird.

Oe nach der Tiefe des Anodenraums A sind die Neigung der Seiten 3a und 3b der trapezförmigen Kanäle 3 und der Abstand B zwischen je zwei Kanälen so gewähl-t, daß das Verhältnis zwischen dem Teil der Anodenoberfläehe, der von den beiden Kanten der Seiten 3a und 3b eines Kanals abgegrenzt wird (in Fig. 1 als C bezeichnet) und dem Strömungsquerschnitt des Kanals sich von dem Verhältnis zwischen dem Teil der Anodenfläche, der von den beiden Seiten 3a und 3b der beiden benachbarten Kanäle abgegrenzt wird (in Fig.·' 1 als D gekennzeichnet) und dem Strörnungsquerscbnitt, der

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seitlich von den gleichen beiden Seiten 3a und 3b der beiden benachbarten Kanäle abgegrenzt wird, unterscheidet.

Es ist unwichtig, welches der beiden angegebenen Verhältnisse größer ist; wesentlich ist.jedoch, daß sie voneinander verschieden sind. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel kann eines der beiden Verhältnisse 1,5 bis 8 mal größer als das andere sein, zum Beispiel bei einer Kanalhöhe von etwa 1 m ist es vorzugsweise 3 bis 5 mal größer als das andere. Nach dem in den Figuren 1 und 2 dargestellton Ausführungsbeispiel ist das Verhältnis der Anodenfläche C zum Strömungsquerschnitt.der Kanäle dreimal größer als das Verhältnis der Anodenfläche D zum Strömungsquerschnitt zwischen den beiden benachbarten Kanälen 3.

Wie im wesentlichen für die Anodenseite des zweipoligen Elements beschrieben wurde, sind trapezförmige Kanäle 5, deren Dicke vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 mm liegt und die aus einem Blech aus Stahl, Nickel oder einem anderen, gegen Natriumhydroxid und Wasserstoff beständigen Material bestehen, auf das Stahlblech la des zweipoligen Elements aufgeschweißt, vorzugsweise direkt gegenüber den entsprechenden Anodenkanälen 3. Auch in diesem Falle verlaufen die trapezförmigen Kanäle 5 vertikal über nahezu, die gesamte Höhe des Ariodenraums und enden in einem Abstand von 3 cm von der Innenfläche des Rahmens. Die Kathode besteht aus einem Gitter oder einem gestreckten Blech 6 aus Stahl, Nickel oder einem anderen, gegen Natriumhydroxid und Wasserstoff beständigen Material. Die Gitter- oder Streckblechkathode kann, obgleich dies nicht unbedingt sein muß, an die koplanaren Kanten der schrägen Seiten der trapezförmigen Kanäle 5 angeschweißt werden«.

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Die Verhältnisse zwischen den Teilen der abgegrenzten Kathodenoberfläche und den entsprechenden Strömungsquerschnitten, wie sie für die Anodenseite beschrieben wurden, können sich um einen Faktor unterscheiden, der zwischen 1,5 und 8 liegt. Zum Beispiel liegt bei einer Höhe des Kathodenraums von etwa l m der Faktor vorzugsweise zwischen 3 und 5.

Die zweipoligen Elemente werden mit Hilfe von Zugstäben oder hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtungen zwischen zwei einpoligen anodischen und kathodischen Endelementen zusammengesetzt, um Elektrolyseure von hoher Kapazität, zu bilden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird zwischen dem Anodengitter eines zweipoligen Elements und dem Kathodengitter des in der Reihe benachbarten zweipoligen Elements eine Membran 7 eingefügt, die vorzugsweise kationendurchlässig und im wesentlichen undurchlässig für Gas und die hydrodynamische Flüssigkeitsströmung ist. Ein geeigneter Membrantyp besteht aus einer dünnen Schicht Tetrafluoräthylen/Perfluorsulf onyläthoxyvinyläther-Mischpolymerisat mit einer Dicke von einigen Zehntel Millimetern, die von du Pont de Nemours unter der Handelsbezeichnung Nafion produziert wird. Zwischen der Dichtfläche der Rahmen 2 und der Membran 7 sind geeignete Dichtungen 8 eingesetzt.

Nach dem Zusammenbau der Zelle berühren vorzugsweise sowohl das Ano'dengitter 4 als auch das Kathodengitter 6 nahezu die Membran 7, können aber einen gewissen Abstand von der Membranoberfläche haben, im allgemeinen nicht mehr als 2 mm·. Sowohl die Anode als auch die Kathode können aus porösen Schichten von Teilchen eines elektrisch leitenden, elektrochemisch beständigen Material bestehen, das an die

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Die Verhältnisse zwischen den Teilen der abgegrenzten Kathodenoberfläche und den entsprechenden Strömungsquerschnitten, wie sie für die Anodenseite beschrieben wurden, können sich um einen Faktor unterscheiden, der zwischen 1,5 und S liegt. Zum Beispiel liegt bei einer Höhe des Kathodenraums von etwa l m der Faktor vorzugsweise zwischen 3 und 5.

Die zweipoligen Elemente werden mit Hilfe von Zugstäben oder hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtungen zwischen zwei einpoligen anodischen und kathodischen Endelementen zusammengesetzt, um Elektrolyseure von hoher Kapazität zu bilden«.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird zwischen dem Anodengitter eines zweipoligen Elements und dem Kathodengitter des in der Reihe benachbarten zweipoligen Elements eine Membran 7 eingefügt, die vorzugsweise kationendurchlässig und im wesentlichen undurchlässig für Gas und die hydrodynamische Flüssigkeitsströmung ist. Ein geeigneter Membrantyp besteht aus einer dünnen Schicht Tetrafluoräthylen/Perfluorsulfonyläthoxyvinyläther-Mischpolymerisat mit einer Dicke von einigen Zehntel Millimetern, die von du Pont de Nemours unter der Handelsbezeichnung Nafion produziert wird. Zwischen der Dichtfläche der Rahmen 2 und der Membran 7 sind geeignete Dichtungen 8 eingesetzt.

Nach dem Zusammenbau der Zelle berühren vorzugsweise sowohl das Ano.dengitter 4 als auch das Kathodengitter 6 nahezu die Membran 7, können aber einen gewissen Abstand von der Membranoberfläche haben, im allgemeinen nicht mehr als 2 mm. Sowohl die Anode als auch die Kathode können aus porösen Schichten von Teilchen eines elektrisch leitenden, elektrochemisch beständigen Material bestehen, das an die

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entsprechenden Seiten der Membran 7 gebunden und in diese eingebettet ist, zum Beispiel durch Warmpressen. In diesem Fall wirken die perforierten Anoden- bzw. Kathodengitter 4 bzw. 6 als Stromverteiler und -sammler für die Elektroden, die mit den Membranoberflächen verbunden"sind. Der elektrische Kontakt'zwischen den Elektroden und den jeweiligen Verteilern und Sammlern wird durch mechanischen Druck erzeugt und aufrechterhalten, wobei Anoden- und Kathoden-

2 gitter 4 und 6 einen Druck zwischen 100 und 1000 p/cm auf die Oberfläche der Membran ausüben, welche die darauf gebundenen Elektroden trägt. Wenn die Anoden- und Kathodengitter 4 und 6 beim Zusammenbau des Elektrolyseurs gegen die Membran 7 gepreßt werden, brauchen sie nicht an die koplanaren Kanten der Kanäle 3 und 5 angeschweißt zu werden, sondern sie können vorzugsweise nur auf diesen aufliegen. Der Klemmdurck reicht aus, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen ,den Kanten der Kanäle und den Elektrodengittern herzustellen. Darüberhinaus werden die schrägen Seiten der Kanäle 3 und 5 durch das Fehlen Von Schweißstellen nicht in ihrer Bewegung behindert und der Aufbau ist daher durch eine gewisse Elastizität gekennzeichnet, wodurch die schrägen Seiten der Kanäle sich leicht verbiegen und dadurch innerhalb gewisser Grenzen geringfügige Abweichungen von der Ebenheit und Parallelität zwischen Anoden- und Kathodengitter ausgleichen können. Daher sind die Trennwände 3a und 3b der Anodenkanäle 3 und die Trennwände, welche die schrägen Seiten der Kathodenkanäle 5 darstellen, neben ihrer Wirkung als hydrodynamische Hilfsmittel die Stromverteilungsvorrichtungen für die Elektroden der Zelle, die durch Zusammensetzung der gewünschten Anzahl von zweipoligen Elementen entsteht»

Fig. 3 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel des Elektrolyseurs nach der Erfindung, wobei die Teile mit. gleichen Funktionen durch die gleichen Nummern gekennzeich-

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net sind wie in den Figuren 1 und 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Kanäle hergestellt, indem eine Reihe von Kanälen mit V-förmigem Querschnitt auf die beiden Seiten der zweipoligen Trennwand 1 aufgeschweißt und, im Gegensatz zu den Figuren 1 und 2, der elektrische Kontakt mit den Gitterelektroden am Scheitelpunkt der V-förmigen Kanäle hergestellt wird. Die Starrheit der Kontaktstellen, die von den Kanälen erzeugt wird / . die entlang ihrer jeweiligen freien Kanten an die Oberfläche der zweipoligen Trennwand angeschweißt sind, erleichtert das elektrische Verschweißen der Elektrodengitter mit den Scheitellinien der Kanäle, und diese Konstruktion kann in dem Falle bevorzugt werden, wo die Elektroden 4 und 6 in einem bestimmten Abstand von der Membran 7 gehalten werden sollen und an die Kanäle angeschweißt werden müssen.

Auch in diesem Falle unterscheidet sich das Verhältnis zwischen dem Teil der Elektrodenfläche, der von den beiden Kanten eines Kanals abgegrenzt wird und dem Strömungsquerschnitt dieses Kanals, von dem Verhältnis zwischen dem Teil der Elektrodenfläche zwischen zwei benachbarten Kanälen und dem dazwischenliegenden Strömungsquerschnitt. In diesem besonderen Falle ist der von den beiden Kanten eines Kanals abgegrenzte Teil der Elektrodenfläche im wesentlichen gleich Null und die wesentliche Bedingung, daß die beiden Verhältnisse .verschieden sein sollen, ist erfüllt. VJIe aus Fig. 3 ersichtlich, können die verschiedenen Strömungskanäle gebildet werden, indem man anstelle einer Reihe, von Einzelkanälen ein geeignetes Wellblech auf die Oberfläche der zweipoligen Trennwand aufschweißt.

Fig. 4 zeigt- einen Aufriß der zweipoligen Elemente nach Fig. 1, ausgeführt entlang der Schnittlinie IV-IV, Am Boden des Anodenraums ist ein Anolyteinlaß 9 vorgesehen,

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während ein Auslaß 10 für den verbrauchten Anolyten und das anodische Gas an der Oberseite des Rahmens vorgesehen ist. Die Kathodenräume sind ebenfalls mit einem Einlaß 11 für Wasser oder verdünntes Natriumhydroxid und einem Auslaß 12 für konzentriertes Natriumhydroxid und Wasserstoff versehen.

Während des Betriebs des Elektrolyseurs fließt Elektrolysestrom durch die gesamte· Serie von Elementarzellen vom Anoden-Endelement aus, durch jedes zweipolige Element vom Kathodengitter einer Elementarzelle durch die Kathodenrippen, das zweipolige Trennelement, die Anodenrippen und das Anodengitter der benachbarten Elementarzelle usw. bis zum Kathoden-Endelement, An der'Anode wird Chlorgas in Form von winzigen Blasen entwickelt, die das Geflecht des Anodengitters passieren und durch die Salzlösung im Anodenraum aufsteigen. Solvatisierte Natriumionen'wandern durch die Membran hindurch und erreichen die Kathodenoberfläche, wo sie sich mit den durch die kathodische Reduktion von Wasser erzeugten Hydroxylionen zu Natriumhydroxid verbinden. Der an der Kathode entwickelte Wasserstoff passiert in Form von winzigen Blasen das Geflecht des Kathodengitters und steigt durch den Katolyten in der Kathodenkammer nach oben.

Für das Folgende wird auf die Figuren 1 und 2 verwiesen: die Chlormenge, die an der Anodenfläche entwickelt wird, welche dem mit C bezeichneten Abschnitt entspricht, muß durch den Querschnitt von Kanal 3 aufsteigen, während die Chlormenge, die an der Anodenfläche entwickelt wird, welche dem mit D bezeichneten Abschnitt entspricht, durch den Querschnitt des Strömungskanals aufsteigen muß, der durch die Wände 3a und 3b zweier benachbarter Kanäle 3 abgegrenzt wird. Da die Verhältnisse zwischen der Chlormenge (das heißt der Anodenfläche) und dem Strömungsquerschnitt in den beiden Fällen verschieden sind, und insbesondere im ersten Fall

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viel größer als im zweiten, wird der im Kanal 3 befindliche Anolyt wegen der großen Dichte der Gasblasen nach oben getrieben, und diese Aufwärtsbewegung verursacht eine Abwärtsbewegung des Elektrolyten außerhalb des' Kanals 3, in welchem die Gasblasendichte viel geringer ist. Daher werden auf der gesamten Breite des Anodenraums einander benachbarte mehrfache Umlaufbewegungen erzeugt, wodurch eine kontinuierliche Rückführung des gesamten Anolytenkörpers erzeugt wird. Konzentrierte Salzlösung, die am Boden des Anodenraums durch den Einlaß 9 zugeführt wird, wird danach sogleich umgewälzt, wodurch das Auftreten von Konzentrationsgradienten verhindert und eine gleichmäßigere Betriebsweise an der gesamten Anodenoberfläche gewährleistet wird.

Die meisten Chlorgasblasen verlassen den Raum durch den Auslaß 10 an de.r Oberseite (siehe Fig. 4) zusammen mit dem verbrauchten Anolyten, entsprechend dem Volumen der am Boden des Raums zugeführten konzentrierten Salzlösung, Wasserstoffblasen erzeugen im wesentlichen die gleiche Wirkung im Katolyten. Das Wasser oder das verdünnte Natriumhydroxid, das am Boden des Kathodenraums durch den Einlaß Il zugeführt wird (siehe Fig. 4), wird sogleich umgewälzt, wodurch die Entstehung von Konzentrationsgradienten verhindert und die richtige Natriumhydroxidkonzentration an der gesamten Kathodenoberfläche gewährleistet wird. Darüberhinaus bewirkt die hohe Geschwindigkeit des Katolyten entlang des Kathodengitters 6 eine schnellere'Verdünnung der an der Kathodenoberfläche gebildeten, stark alkalischen Schicht.

Fig. 5 veranschaulicht das Verfahren nach der Erfindung, wonach die elektrische Verbindung zwischen Kathode und Anode eines jeden zweipoligen Elements durch das zweipolige Trennelement und die zur Normalenebene, dem Trennelemen't und den Elektroden geneigten Trennwände hergestellt wird.

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Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung eines Waagerechtschnitts durch ein zweipoliges Element nach der Erfindung, das wie folgt zusammengesetzt ist.

In einer Platte aus Stahl oder einem anderen geeigneten kathodischen Material ist eine Reihe von Nuten Ic parallel und im gleichen Abstand voneinander eingelassen, die sich fast über die gesamte Höhe der Platte erstrecken und wenige Zentimeter vor ihrem oberen bzw. unteren Rand enden. Aus einer Bimetallplatte (Titan, 1 - 2 mm dick, Kupfer oder ein .anderes gut leitendes Metall, das gegen IVasserstoffwanderung beständig ist, 4 - IO mm dick) werden Streifen Id ausgeschnitten, die vorzugsweise 1 bis 3 cm breit und annähernd gleich lang wie die Nuten Ic sind. Ein oder mehrere Gewindestifte, vorzugsweise aus Kupfer, können in gleichmäßigen Abständen auf der Kupferseite der Bimetallstreifen Id aufgeschweißt werden.

Die Streifen werden dann in die Nuten Ic eingesetzt und die Kupfer-Gewindestifte ragen durch die Löcher If hindurch, die in den Boden der Nuten Ic gebohrt sind. Auf die Kupfer-Gewindestifte Ic werden Hutmuttern Ig aus Stahl oder einem anderen geeigneten kathodischen Material geschraubt. Eine Dichtung oder besser, wie in Fig. 5 angedeutet, eine Schweißnaht lh liefert die hydraulische Abdichtung. Ein dünnes Blech Ib aus Titan oder einem anderen Ventilmetall wird auf der Oberfläche des Blechs la angebracht. Das Titanblech wird vorzugsweise mit einer Reihe von Löchern oder Schlitzen versehen, die in die Bimetallstreifen Id eingreifen, und die Kanäle 3 werden mit Schützen oder Löchern versehen, die koaxial zu den Schlitzen oder Löchern des Blechs Ib liegen.

- is - 2 2 5 5 6 2

Entsprechend den Schweißlöchern oder -schlitzen werden sowohl die Kanäle 3 als auch das Blech Ib in einem einzigen Arbeitsgang an die Titanseite der Ti-Cu-Bimetallstreifen angeschweißt. Auf der Kathodenseite werden die Kanäle 5 an die Hutmuttern Ig angeschweißt. Schließlich kann das zweipolige Element durch den mit den notwendigen Einlaß- und Auslaßöffnungen versehenen Rahmen 2, die Titanverkleidung 2d, die dicht schließend an das Titanblech Ib angeschweißt wird, und durch -das Anodengitter 4 sowie das Kathodengitter 6 vervollständigt werden.

Elektrischer Strom fließt vom Kathodengitter 6 durch die schrägen Kathodenrippen 5., die Muttern Ig, die Kupfer-Gewindestifte Ie und wird durch den Kufperstab des Bimetallstreifens Id über eine Reihe von Schweißstellen, welche die Titankanäle 3 und das Titanblech Ib mit der Titanseite des Bimetallstreifens Id verbinden, auf die schrägen Anodenrippen verteilt, weiche die Wände der Titankanäle 3 bilden. Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau hat große Vorteile gegenüber der Verwendung von teuren Bimetallplatten aus Ventilmetall und Stahl.

Es wird eine effektive und minimale Menge Bimetall (Ventilmetall/Kupfer) benötigt, wobei eine bemerkenswerte Kosteneinsparung entsteht. Darüberhinaus können sehr dünne Bleche aus Titan oder einem anderen" Ventilmetall als Anodenverkleidungsblech Ib verwendet werden, deren Dicke-vorzugsweise weniger als 1 mm beträgt, da das Verschweißen, der Anodenkanäle 3 auf der Ventilmetallseite der Bimetallstreifen erfolgt. Wenn Bimetallplatten verwendet werden, muß die Dicke des Titan oder des anderen. Ventilmetalls ausreichen, um das Verschweißen des Anodenkanals 3 ohne Beschädigung der Ventilmetallverkleidung zu ermöglichen, und daher muß das Ventilmetall mindestens 1 mm und vorzugsweise nicht

weniger als 1,5 mm dick sein. Der Vorteil des Aufbaus nach der Erfindung ist auch hinsichtlich des geringeren Aufwands an Ventilmetall offensichtlich.

Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, daß der elektrische Strom durch das zweipolige Trennelernent im wesentlichen durch Kupfer geleitet wird, wodurch die dabei entstehenden ohmschen Verluste minimal .gehalten werden. Das Kupfer wirkt auch als Sperrmaterial gegen die Diffusion des atomaren Wasserstoffs von den Kathodenoberflächen aus Stahl, bemerkenswerterweise einem gegen atomaren Wasserstoff durchlässigen Material, zu dem Titan, das die Anodenverkleidung und die Anodenkanäle bildet. Die Dicke der Kupferbarriere ist mehr als ausreichend, um den Wasserstoff praktisch daran zu hindern, zu dem Ventilmetall an den Schweißstellen der Anodenkanäle auf der Ventilmetallseite der Bimetallstreifen zu wandern, wodurch ein Sprödewerden infolge der Verbindung des atomaren Wasserstoffs mit dem Ventilmetall vermieden wird.

Die Bimetallstreifen Id können daher auch fest in die Nuten Ic eingelötet werden, wodurch die Kupferstifte, die durch die Stahlplatte hindurchgehen, entfallen. In diesem Fälle wird der Strom durch die gutleitenden Bimetallstreifen auf die Stahlplatte verteilt und die Kathodenrippen können dann direkt an die Kathodenseite der Stahlplatte angeschweißt werden, wie in den Figuren 1 bis 4 dargestellt.

Fig. 6A ist eine perspektivische Ansicht eines zweipoligen Elements nach der Erfindung, gesehen von der Anodenseite aus. Auch in dieser Zeichnung bezeichnen gleiche Nummern die gleichen Elemente, wie sie unter Bezugnahme auf die" obigen Figuren beschrieben wurden. Der Anodenraum, der von

den Innenflächen des Rahmens 2, der mit Ventilmetall verkleideten Oberfläche des zweipoligen Trennelements Ib und der Anodengeflechtstruktur 4 begrenzt wird/ist vollständig von dem Kathodenraum auf der anderen Seite des zweipoligen Trennelements getrennt. Die Anodentrennwände, verkörpert durch die schrägen Wände der Ventilmetall-Kanäle 3, unterteilen den Anodenraum in eine Reihe von senkrechten Strömungskanälen, in denen infolge eines zwischen zwei Werten wechselnden Anteils des abgegrenzten Gases, das durch die entsprechenden Strömungskanäle nach oben steigt, die Umlaufbewegungen erzeugt werden, die schematisch durch Pfeile dargestellt sind.

Fig. 6B zeigt eine, von der Anodenseite aus gesehen, perspektivische Darstellung eines zweipoligen Elements nach einer anderen Realisierung der Erfindung, und die Trennwände können in bezug auf die vertikale, zur Oberfläche des zweipoligen Trennelements senkrechte Ebene ebenfalls abwechselnd nach der einen oder anderen Seite geneigt sein, jedoch in der anderen Richtung, das heißt in Längs- anstatt in Querrichtung. Mit anderen Worten, sie können von der Oberfläche des zweipoligen Trennelements aus senkrecht zu dieser verlaufen, aber bezüglich der vertikalen, zur Oberfläche des Trennelements senkrechten Ebene abwechselnd in der einen oder anderen Richtung geneigt sein. Dabei erweist 'sich, daß die vertikalen Strömungskanäle einen rechteckigen Querschnitt haben, der abwechselnd nach oben hin zunimmt oder abnimmt. Auch in diesem Falle wird das von den Trennwänden, die einen Kanal seitlich begrenzen, umschlossene Gas gezwungen, durch einen Strömungsquerschnitt zu fließen, der sich von dem Strömungsquerschnitt eines benachbarten Kanals unterscheidet, wodurch eine andere Gasblasendichte entsteht als in den beiden benachbarten Kanälen. Dadurch wird eine Aufwärtsbewegung des Elektrolyten innerhalb des Kanals mit der höheren Gasblasendichte und

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gleichzeitig eine Abwärtsbewegung des Elektrolyten in dem benachbarten Kanal erzeugt.

Die Anodentrennwände 3 erstrecken sich von dem zweipoligen Trennelement zum Anodengitter 4 in einer Richtung senkrecht zu den beiden Oberflächen dieser Bauteile und sind abwechselnd bezügliche der vertikalen, zu den beiden Oberflächen senkrechten Ebene in Län-gsrichtung nach der einen oder anderen Seite geneigte Daher wird auf der gesamten Breite des Anodenraums eine Reihe von vertikalen Strömungskanälen erzeugt, deren Querschnitt abwechselnd nach oben hin abnimmt oder zunimmt. Zum Beispiel hat der vertikale Kanal X einen nach oben hin abnehmenden Querschnitt, während der benachbarte Kanal Y einen, nach oben hin zunehmenden Querschnitt besitzt. Das am Anodengitter 4 entwickelte Gas fließt durch das Geflecht des Gitters und wird von den Trennwänden auf seinem Weg nach oben eingeschlossen« Betrachtet man die jeweiligen Strömungsquerschnitte der beiden Kanäle in einer bestimmten Höhe, so tritt in dem Elektrolyten in Kanal X eine hohe Gasblasendichte auf, während im Kanal Y eine viel geringere Dichte beobachtet wird, da die Elektroden fläche dieses Kanals, das heißt die Menge des eingeschlossenen Gases, viel geringer ist als die von Kanal X, Der Elektrolyt im Kanal X wird daher nach oben getrieben, während ein entsprechendes Volumen des Elektrolyten im Kanal Y abwärts transportiert wird. Auf diese Weise werden Umlaufbewegungen erzeugt, wie sie schematisch durch die Pfeile in Fig. dargestellt sind.

Fig. 7 zeigt eine schematische Aufrißdarstellung eines zweipoligen Elektrolyseurs nach der Erfindung, wobei der Elektrolyseur aus einem Anoden-Endelement 13 besteht, das mit dem positiven Pol der elektrischen Stromquelle verbunden ist, -und das Anodon-Endelemcnt einen einzelnen Anodenraum

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und einen Anodenaufbau ähnlich denen der zweipoligen Elemente umfaßt, die unter Bezugnahme auf die vorstehenden Figuren beschrieben wurden. Eine gewisse Anzahl von zweipoligen Elementen 14, ähnlich den oben beschriebenen, bilden ebensoviele Zelleneinheiten, die elektrisch in Serie geschaltet sind, und der Elektrolyseur wird durch das Kathoden-Endelement 15 abgeschlossen, das mit dem negativen Pol der elektrischen Stromquelle verbunden ist. Das .

Kathoden-Endelement umfaßt einen einzelnen Kathodenraum und eine Kathode, die mit der Anode des letzten zweipoligen Elements zusammenwirkt«. Der Filterpressenelekt rolyseur kann mit Hilfe von zwei Klemmplatten 16 durch Zugstäbe oder, wie in der Zeichnung dargestellt, mit einer hydraulischen oder pneumatischen Spannvorrichtung zusammengesetzt werden. .

In den folgenden Beispielen werden mehrere bevorzugte Realisierungen zur Veranschaulichung der Erfindung beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die spezifischen Realisierungen eingeschränkt werden soll.

Beispiel 1

Ein Elektrolyseur nach der Erfindung mit der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration war durch die folgenden geometrischen Parameter gekennzeichnet:

- Tiefe des Änodenraums 2 cm

- Tiefe des Kathodenraums 2 cm

- Höhe der Elekt roden räume 100 crn

- Breite der Elektrodenräume 150 cm

- vertikale Ausdehnung der Kanäle (3 und 5) 90 cm-

- Verhältnis der jeweiligen Verhältnisse zwischen abgegrenzter Elektrodenfläche und dem Strömungsquerschnitt zweier benachbarter Strömungskanäle 3,5

-23- O O ζ ^ R 9

In einem Aufbau, der drei Elementarzelleneinheiten umfaßte, wurden zwei zweipolige Elemente zwischen dem Anoden- und dem Kathodenendelement eingefügt. Die Membran war eine Kationenmembran vom Typ Nafion 227, hergestellt von du Pont' de Nemours. Salzlösung, die 300 g/l Natriumchlorid enthielt und mit HCl auf einen pH-Wert von 3,5 eingestellt war, wurde durch den Boden der Anodenräume zugeführt, wobei von außen keine Vorkehrungen für eine Umwälzung des Anolyten getroffen waren. Gleichzeitig wurde Wasser durch den Boden der Kathodenräume zugeführt. Die Betriebsbedingungen waren:

- Temperatur 90 ⁰C

- Stromdichte . 2500 A/m'

- Konzentration des Anolyten am Auslaß

der Anoden räume . ' 160 g/l

- Konzentration des Katolyten am Auslaß

der Kathoden räume . 20 %

Die Zellenspannung betrug 3,9 Volt und die Kathodenstromausbeute betrug 93 %,

Als Vergleichseinheit wurde ein Elektrolyseur mit den gleichen geometrischen Merkmalen wie der Elektrolyseur von Beispiel 1 verwendet, mit der Ausnahme, daß anstelle, der vertikalen Kanäle ebensoviele vertikale Rippen vorhanden waren, die senkrecht zur Ebene des Trennelements verliefen und doppelt so dick waren wie das Blech, das die Kanäle von Beispiel 1 bildete. Auch in diesem Falle wurde eine Kationenmembran vom Typ Nafion 227 zwischen den zweipoligen Elementen eingefügt. Unter den gleichen Betriebsbedingungen betrug die Zellenspannung 4,1 V, während die Kathodenstromausbeute nur. 88 % erreichte,

- 24 -

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Die Strömungsmenge der konzentrierten Salzlösung, die den Anodenräumen zugeführt wurde, wurde dann erhöht, um eine immer höhere Konzentration des aus den Anodenräumen ausströmenden Anolyten zu erhalten und auf diese Weise die Spannung und die Stromausbeute von Beispiel 1 zu reproduzieren. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dar gestellt.

Konzentration des aus Zellenspannung, Kathodenstromaus-

den Anodenräumen aus- V beute, %

strömenden Anolyten, ,

g/l

220 4,1 88

250 4,0 89

280 3,9 91

Dann wurde unter Aufrechterhaltung einer Strömungsmenge, die eine Konzentration des verbrauchten Anolyten von 280 g/l ergab, ein Teil des Katolyten aus den Kathodenräumen entnommen und kontinuierlich durch ein Umlaufrohr zum Boden der Kathodenräume zurückgeführt, wobei die Konzentration des Katolyten, der kontinuierlich aus dem System entnommen wurde, konstant gehalten wurde, das heißt bei 20 Gewichtsprozent NaOH. Die Rückführungsrate wurde durch Veränderung der Förderleistung der Rückführungspumpe schrittweise erhöht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Rück des	führungsrate Katolyten	Zellenspannung, V	Kathodenst rom ausbeute, %
	2	3,9	91
	5	3,9	92
	10	3.9·	92

Ein Vergleich zwischen den Betriebsdaten von Beispiel 1 und denen des Vergleichsbeispiels 2 zeigt die of f einsieht-.. liehen Vorzüge der Erfindung. Ergebnisse ähnlich denjenigen des hier beschriebenen'Verfahrens können nur erzielt werden, indem man zu Hilfsmitteln greift, die durch Pumpeinrichtungen und vor allem durch größere'Kapazitäten der Anlagen für die Nachsättigung und Reinigung der Salzlösung außerordentlich hohe Kosten verursachen.

Daher umfaßt das verbesserte Verfahren zur Elektrolyse von Natriumchloridlösung in einem zweipoligen Diaphragma-Elektrolyseur, der mit vertikalen Elektroden ausgestattet ist : die Durchführung der Elektrolyse mit Elektrodenräumen, die weitgehend mit dem Elektrolyten angefüllt sind; die Unterteilung der Elektrodenräume in, eine Reihe von vertikalen Strömungskanälen, die nahezu über die gesamte Höhe der Elektrodenräume verlaufen, durch eine Reihe von Trennwänden mit einer Breite, die im wesentlichen der Tiefe des Elektrodenraums entspricht, wobei die Trennwände in bezug auf eine vertikale Ebene senkrecht zur Ebene der Scheidewand (auch: des Trennelements) abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung geneigt und in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, so daß das Verhältnis zwischen der Elektrodenfläche (das heißt der Gasmenge), die durch die Kanten zweier einen vertikalen Strömungskanal umgrenzenden Trennwände eingpschlossen wird, und dem Strömungsquerschnitt des Kanals sich von dem Verhältnis zwischen der Elektrodenfläche (das heißt der Gasmenge), die durch die Kante einer der beiden oben erwähnten Trennwände und die Kante der in der Reihe benachbarten Trennwand eingeschlossen wird, und dem Strömungsquerschnitt des dem erstoren Kanal in der Reihe benachbarten Kanals unterscheidet ; die Zuführung von konzentrierter Salzlösung am Boden der Anodenräume und von Wasser oder verdünntem Natriumhydroxid vorzugsweise am Boden der Kathodenräume, wodurch

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infolge der unterschiedlichen Dichte der Gasblasen in benachbarten Kanälen mehrfache Umlaufbewegungen innerhalb des gesamten, in den Elektrodenräumen enthaltenen Elektrolytkörpers erzeugt werden, -die über die gesamte Breite der Elektrodenräume verteilt sind.

Wie für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich, ist das Verfahren nach der Erfindung, nach dem wirksame Umlaufbewegungen innerhalb der Elektrodenräume von zweipoligen Diaphragma-Elektrolyseuren mit vertikalen Elektroden erzeugt werden, für andere Elektrolyseprozesse, bei denen eine Gasentwicklung erfolgt,.brauchbar, wie zum Beispiel für die Elektrolyse von Wasser, Salzsäure, Lithium- oder Kaliumchlorid. Die Trennwände können auch aus einem Kunststoff material hergestellt und in vorhandene Elektrolyseure eingebaut werden, in denen die Stromverteilung zu den Elektroden mit Hilfe vertikaler Metallrippen, die senkrecht zur Elektrodenfläche stehen, oder mit Verteilern von anderer Form ausgeführt wird.

Verschiedene andere Modifikationen des Geräts und des Verfahrens nach der Erfindung können vorgenommen werden, ohne vom Geist oder Gegenstandsbereich der Erfindung abzuweichen, und es versteht sich, daß die Erfindung nur durch die beigefügten Erfindungsansprüche begrenzt werden soll.

Claims (15)

1. ' 2 2 5562

   Er f i ηdu ng sans ρ ru c h

   |. Vorrichtung zur Elektrolyse, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, das ein Anodenendelement, ein Kathodenendelement und mehrere zweipolige Elemente .enthält, deren Hauptabmessungen in einer im wesentlichen vertikalen Ebene liegen; die zweipoligen Elemente bestehen aus einer zweipoligen, den Anodenraum vom Kathodenraum trennenden Wand sowie aus vertikalen perforierten Elektroden, die in einem bestimmten Abstand von der zweipoligen Wand parallel zu dieser angeordnet sind, aus Diaphragmen oder Membranen, welche die Anoden von den Kathoden trennen, aus einer Reihe von Trennwänden, die über die gesamte Breite des Elektrodenraums verteilt sind und sich von der zweipoligen Wand bis zur perforierten Elektrode erstrecken und eine Reihe von vertikalen Strömungskanälen bilden, die über einen großen Teil der Wandhöhe verlaufen; die Trennwände sind bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Wandebene senkrechten Ebene abwechselnd in der einen und in bestimmten Abständen voneinander angeordnet, wodurch das Verhältnis der Elektrodenfläche, die von den Kanten zweier, einen vertikalen Strömungskanal seitlich begrenzender Trennwände eingeschlossen wird, zum Strömungsquerschnitt dieses Kanals sich von dem Verhältnis der Elektrodenfläche, die von der Kante einer der beiden Trennwände und der Kante der in der Reihe benachbarten Trennwand eingeschlossen wird, zum Strömungsquerschnitt des zu dem vertikalen Strömungskanal in der Reihe benachbarten Kanals unterscheidet.
2. 2. Vorrichtung nach Punkt I₁ gekennzeichnet - dadurch, daß die Trennwände in Querrichtung bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Wand senkrechten Ebene abwechselnd nach der einen und der entgegengesetzten Seite geneigt sind, wodurch vertikale Strömungskanäle erzeugt werden, deren Querschnitt über ihre gesamte Länge hinweg konstant ist.
3. 3. Vorrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen

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   Wand senkrechten Ebene in Längsrichtung abwechselnd nach der einen und der entgegengesetzten Seite geneigt sind, wodurch vertikale Strömungskanäle erzeugt werden, deren Strömungsquerschnitte abwechselnd nach oben hin abnehmen und nach oben hin zunehmen.
4. 4. Vorrichtung nach Punkt 1, 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände aus Metall bestehen und mit der Gitterelektrode und der zweipoligen Wand des zweipoligen Elements elektrisch verbunden sind.
5. 5. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände aus einer Reihe von in bestimmten Abständen angeordneten und parallelen vertikalen Kanälen von trapezförmigem Querschnitt bestehen, die über ihre kleinere Grundfläche mit der zweipoligen Wand verbunden sind«,

   6« Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände aus einer Reihe von in bestimmten Abständen angeordneten und parallelen vertikalen Kanälen von V-förmigem Querschnitt bestehen, die über ihre Scheitellinien mit der zweipoligen Wand verbunden sind.
6. 7. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände aus Metallrippen senkrecht zur Ebene der zweipoligen Wand bestehen, die bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Wandebene senkrechten Ebene abwechselnd in Längsrichtung nach der einen und der anderen Seite geneigt sind«

   8, Vorrichtung nach Punkt I₁ 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Oberflächen des Anodenraums, die Trennwände auf der Anodenseite., und die perforierte Anode aus-Ventilmetall bestehen·
7. 9. Zweipoliges Element für zweipolige Diaphragma-Elektrolyseure, die mit vertikalen Elektroden ausgestattet sind, gekennzeichnet durch eine vertikale Stahlplatte, die auf der Anodenseite mit einem Ventilmetall verkleidet ist, einen rechteckigen Rahmen, der die Platte an ihrem äußeren Umfang umgibt, Trennwände, die über die gesamte Breite beider Oberflächen der zweipoligen Platte verteilt sind und auf der Anodenseite aus Ventilmetall, auf der Kathodenseite aus Stahl bestehen, einen Gitteranodenaufbau aus Ventilmetall, der an den Kanten der Ventilmetall-Trennwände, angeordnet und mit einer nicht passivierbaren Beschichtung versehen ist, einen Kathodengitteraufbau aus einem kathodisch beständigen Metall, der an den Kanten der Stahltrennwände angeordnet ist; die Trennwände sind bezüglich einer vertikalen Ebene senkrecht zur zweipoligen Platte abwechselnd nach der einen und der entgegengesetzten Seite geneigt und bilden dadurch eine RSihe von vertikalen Strömungskanälen, die sich über einen wesentlichen Teil der Höhe der zweipoligen Platte erstrecken; das Verhältnis der Elektrodenfläche, die von den Kanten zweier benachbarter Trennwände eingeschlossen wird, zum Strömungsquerschnitt des dadurch abgegrenzten Kanals unterscheidet sich von dem Verhältnis der gleichen Parameter für den in der Reihe benachbarten Strömungskanal.
8. 10. Zweipoliges Element nach Punkt 9, gekennzeichnet da^· durch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Platte senkrechten Ebene in Längsrichtung abwechselnd nach einer und der entgegengesetzten Seite geneigt sind und dadurch vertikale Strömungskanäle erzeugen, deren Querschnitt abwechselnd nach oben hin abnimmt und nach oben hin zunimmt.
9. 11. Zweipoliges Element nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Platte senkrechten Ebene in Querrichtung abwechselnd nach der

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   einen und der entgegengesetzten Seite geneigt sind und dadurch vertikale Strömungskanäle erzeugen, deren Strömungsquerschnitt über ihre gesamte Länge hinweg konstant ist.
10. 12. Verfahren zur Elektrolyse einer wäßrigen Lösung eines Alkalimetallhalogenids in einem zweipoligen Diaphragma-Elektrolyseur, der mit perforierten Elektroden ausgestattet ist, gekennzeichnet durch die Ausführung des Elektrolyseprozesses mit Elektrodenräumen, die weitgehend mit Elektrolyt angefüllt sind, durch die Unterteilung der Elektrodenräume in eine Reihe von vertikalen Strömungskanälen, die sich über einen wesentlichen Teil der Höhe der Elektrodenräume erstrekken, vermittels einer Reihe von Trennwänden, deren Breite im wesentlichen der Tiefe des Elektrodenraums entspricht und die bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Trennwand senkrechten Ebene abwechselnd nach der einen und der entgegengesetzten Seite geneigt und in bestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, wobei das Verhältnis der Elektrodenfläche, die von den Kanten zweier, einen vertikalen Strömungskanal seitlich begrenzender Trennwände eingeschlossen wird, zum Strömungsquerschnitt dieses Kanals sich beträchtlich von dem Verhältnis. Elektrodenfläche, die durch die Kante einer der Trennwände und die_äKante der in der Reihe benachbarten Trennwand eingeschlossen wird, zum Strömungsquerschnitt des zum ersten Kanal benachbarten Kanals unterscheidet; das Verfahren ist weiter gekennzeichnet durch die Zuführung von konzentrierter Salzlösung zu den Anodenräumen und von Wasser zu den Kathodenräumen, die Erzeugung mehrfacher Umlaufbewegungen des in den El.ektrodenräumen enthaltenen Elektrolyten und die Verteilung der Umlaufbewegungen über die gesamte Breite der Elektrodenräume infolge unterschiedlicher Gasblasendichten in benachbarten Kanälen, sowie durch die Entleerung des Gases und des Elektrolyten, die durch Auslaßöffnungen an der Oberseite eines jeden Elektrodenraums ausströmen·

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    13« Verfahren nach Punkt 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Trennwand senkrechten Ebene in Längsrichtung abwechselnd nach der einen und der anderen Seite geneigt sind, wodurch vertikale Strömungskanäle erzeugt werden, deren Querschnitte abwechselnd nach oben hin abnehmen und nach oben hin zunehmen..
11. 14. Verfahren nach Punkt 12, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zur zweipoligen Trennwand senkrechten Ebene in Querrichtung abwechselnd nach der einen und der anderen Seite geneigt sind, wodurch vertikale Strömungskanäle erzeugt werden, deren Querschnitt über ihre gesamte Höhe hinweg konstant ist.

    15« Verfahren nach Punkt 12, 13 und 14, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände aus Metall bestehen und für die Stromverteilung zu den vertikalen Gitterelektroden verwendet werden.
12. 16. Verfahren zur Erzeugung von Umlaufbewegungen eines in einem Elektrodenraum einer im wesentlichen vertikalen Diaphragmazelle enthaltenen Elektrolyten, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrode eine gas- und flüssigkeitsdürchlässige offene Gitterstruktur enthält, die in einem bestimmten Abstand von der vertikalen Endplatte und parallel zu dieser angeordnet ist; das Verfahren ist we-iter gekennzeichnet durch die Unterteilung des Elektrodenraums in eine Reihe vertikaler Strömungskanäle, die sich über einen großen Teil der Höhe des Elektrodenraums erstrecken, vermittels einer Reihe von Trennwänden, deren Breite im wesentlichen der Tiefe des Elektrodenraums entspricht und die bezüglich der vertikalen, zur Ebene der vertikalen Endplatte senkrechten Ebene abwechselnd nach der einen und der entgegengesetzten Seite geneigt und in bestimmten Abständen voneinander an-

    geordnet sind, wodurch das Verhältnis der Elektrodenfläche, die von den Kanten zweier, einen vertikalen Strömungskanal seitlich begrenzender Trennwände eingeschlossen wird, zum .Strömungsquerschnitt dieses Kanals sich beträchtlich von dem Verhältnis der Elektrodenfläche, die von der Kante einer der Trennwände und der Kante der anderen, in der Reihe benachbarten Trennwand eingeschlossen wird zum Strömungsquerschnitt des zum ersteren Kanal benachbarten Kanals unterscheidet; das Verfahren ist weiter gekennzeichnet durch die Zuführung des Elektrolyten in den Elektrodenraum, die Erzeugung mehrfacher, über die gesamte Breite des Elektrodenraums verteilter Umlaufbewegungen des Elektrolyten im Elektrodenraum infolge der unterschiedlichen Blasendichte des an den Elektroden entwickelten Gases in Strömungskanälen, die in der Reihe einander benachbart sind, durch die Ableitung des Gases und des Elektrolyten, die durch eine Auslaßöffnung an der Oberseite des Elektrodenraums ausströmen.
13. 17. Verfahren nach Punkt 16, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zum vertikalen Endelement des Elektrodenraums senkrechten Ebene in Querrichtung abwechselnd nach der einen und der entgegengesetzten Seite geneigt sind, wodurch vertikale Strömungskaqäle erzeugt werden, deren Querschnitt über die gesamte Länge der Kanäle hinweg .konstant ist.
14. 18. Verfahren nach Punkt 16, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände bezüglich der vertikalen, zum vertikalen Endelement des Elektrodenraums senkrechten Ebene in Längsrichtung abwechselnd nach der einen und der anderen Seite geneigt sind, wodurch vertikale Strömungskanäle erzeugt werden, deren Querschnitte abwechselnd nach oben hin abnehmen und . nach oben hin zunehmen.

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15. 19. Verfahren nach den Punkten 16, 17 und 18, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwände aus Metall bestehen und für die Stromverteilung zur vertikalen Gitterelektrode verwendet werden.

    20» Hilfsmittel zu£ Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Anodenrippen aus Ventilmetall und Kathodenrippen aus kathodisch beständigem Metall durch eine zweipolige Platte, die ein Ventilmetallblech auf der Anodenseite und eine Stahlplatte auf der Kathodenseite· der zweipoligen Platte umfaßt, gekennzeichnet dadurch, daß Bimetallstreifen mit einer Ven.tilmetallseite und einer Seite aus einem gut leitenden Metall, das gegen Wasserstoffwanderung beständig ist, in Nuten eingesetzt werden, die in die dem Ventilmetallüech, gegenüberliegende Seite der Stahlplatte eingelassen sind, durch Verschweißen des Ventilmetallblechs und der Ventilmetallrippen mit der Ventilmetallseite der Bimetallstreifen, die in die Nuten der Stahlplatte eingesetzt sind, und durch die elektrische Verbindung der Kathodenrippen aus kathodisch beständigem Metall mit der gut leitenden Metallseite der Bimetallstreifen.

    Hierzu 1 Seiten Zeichnungen