DD250556A5 - Monopolare zelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine monopolare Zelle mit zwei Endzelleneinheiten und mindestens einer dazwischen angeordneten mittleren Zelleneinheit, die ein Paar ebener Elektrodenanteile aufweist, die voneinander beabstandet sind, sowie Mittel zur Verteilung der elektrischen Energie zu jedem der Elektrodenanteile, umfassend: Ein elektrisch leitendes, im wesentlichen festes, ebenes Uebertragungselement fuer elektrischen Strom, das im Raum zwischen den beabstandeten Elektrodenteilen angeordnet ist und elektrisch und mechanisch mit jedem der Elektrodenteile an mehreren ueber die gesamte Flaeche jedes der Elektrodenteile beabstandeten Punkten verbunden ist. Das Uebertragungselement hat mehrere im wesentlichen feste, ueber seine beiden Flaechen verteilte Vorspruenge, die sich um einen vorbestimmten Betrag vom Uebertragungselement in eine Elektrolytkammer benachbart zum Uebertragungselement erstrecken, wobei die Vorspruenge mechanisch und elektrisch entweder direkt oder indirekt mit dem Elektrodenteil verbindbar sind. Ein elektrischer Anschluss ist an dem Uebertragungselement fuer die Zu- oder Ableitung eines elektrischen Stroms zum bzw. vom Uebertragungselement vorgesehen. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte monopolare elektrochemische Zelle und betrifft insbesondere eine monopolare Zelleneinheit mit einem billigen, einfachen und wirkungsvollen Übertragungselement für elektrischen Strom zur Zuführung des elektrischen Stroms zu den Elektrodenteilen der Zelleneinheit.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Chlorgas und Ätznatron (Natronlauge) sind wesentliche und in großem Volumen benötigte Chemikalien, die zur Herstellung vieler chemischer Produkte erforderlich sind. Sie werden meistens vollständig elektrolytisch aus wäßrigen Lösungen eines Alkalimetallchlorids hergestellt, wobei ein größerer Teil einer derartigen Produktion aus elektrolytischen Zellen der Diaphragmaart stammt. Beim Verfahren unter Verwendung von diaphragma-elektrolytischen Zellen wird eine Sole (Natriumchloridlösung) kontinuierlich der Anodenkammer zugeführt und fließt durch ein gewöhnlich aus Asbest hergestelltes Diaphragma, das rückseitig mit einer Kathode verstärkt ist. Um die Rückwanderung durch Hydroxid-Ionen so klein wie möglich zu halten, wird die Durchflußmenge immer höher als die Umwandlungsmenge gehalten, so daß in der umgesetzten Katholytlösung nicht umgesetztes Alkalimetallchlorid vorhanden ist. Wasserstoff-Ionen werden aus der Lösung an der Kathode in Form von Wasserstoffgas abgegeben. Die Katholytlösung, die Ätznatron (Natriumhydroxid), nicht umgesetztes Natriumchlorid und andere Verunreinigungen enthält, muß dann konzentriert und gereinigt werden, um ein vermarktbares Natriumhydroxid und Natriumchlorid zu erhalten, das in der Chlor-und Ätznatron-elektrolytischen Zelle für eine weitere Produktion von Natriumhydroxid verwendbar ist.

Im Laufe des technischen Fortschritts, wie z. B. hinsichtlich der dimensionsstabilen Anode und verschiedener Beschichtungszusammensetzungen dafür, die immer weiter ein Verringern der Spalte zwischen den Elektroden ermöglichten, wurde die elektrolytische Zelle immer wirksamer, so daß der Stromwirkungsgrad durch Verwendung derartiger Elektroden in hohem Maße verbessert werden konnte. Ebenso hat die Anwendung der hydraulisch impermeablen Membran in hohem Maße dazu beigetragen, elektrolytische Zellen zur elektrischen Wanderung der verschiedenen Ionen durch die Membran zu verwenden, so daß Verunreinigungen der sich ergebenden Produkte ausgeschlossen wurden, wodurch die teure Reinigung und Konzentration entfallen konnten.

Die dimensionsstabile Anode wird heute von einer großen Anzahl von Chlorgas und Ätznatronherstellern verwendet, jedoch wurde die breite wirtschaftliche Verwendung hydraulisch impermeabler Membranen bisher noch nicht verwirklicht. Dies liegt zum Teil an der Tatsache, daß eine gute, wirtschaftliche elektrolytische Zelleneinheit zur Verwendung mit der ebenen Membran gegenüber dem dreidimensionalen Diaphragma noch entwickelt werden muß. Die Geometrie einer elektrolytischen Zelleneinheit, die ein Diaphragma verwendet, macht es schwierig, eine ebene Membran zwischen den Elektroden anzuordnen. Entsprechend wurden Filterpressenelektrodenzelleneinheiten als eine alternative Zelleneinheit für die Verwendung von Membranen bei der Herstellung von Chlorgas, Alkalimetallhydroxiden und Wasserstoff vorgeschlagen. Es gibt zwei Grundtypen elektrochemischer Zellen, die üblicherweise bei der Elektrolyse von Solelösungen zur Produktion von Chlorgas und Ätznatron eingesetzt werden, d.h. die monopolaren und die bipolaren Zellen. Obwohl die bipolaren Zellen nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, ist es nützlich, die Arbeitsweise der bipolaren Zellen zu verstehen, um den Stand derTechnikzu vervollständigen.

Die bipolare, Filterpressenart-elektrolytische Zelle, die eine Zelle, die aus einigen, in Reihe geschalteten elektro-chemischen Einheiten, wie bei einer Filterpresse, besteht, wobei jede Einheit, mit Ausnahme der zwei Endeinheiten, als eine Anode auf der einen Seite und als eine Kathode auf der anderen Seite wirkt, wobei der Raum zwischen diesen bipolaren Einheiten in eine Anoden- und eine Kathodenkammer mittels einer Membran unterteilt wird. In einem typischen Betrieb wird eine Alkalimetallhalogenidlösung in die Anodenkammer eingespeist, wo ein Halogengas an der Anode erzeugt wird. Alkalimetall-Ionen werden selektiv durch die Membran in die Kathodenkammer transportiert und binden sich mit Hydroxid-Ionen an der Kathode, um Alkalimetallhydroxide auszubilden, wobei Wasserstoff freigesetzt wird. Bei dieser Zellenart ist das sich ergebende Alkalimetallhydroxid entscheidend reiner und kann höher konzentriert werden, so daß die darauffolgende teure Verdampfung und Salzabtrennung minimiert werden. Zellen, in denen bipolare Elektroden und Membranen, die in Sandwichbauweise in einer Filterpressenartkonstruktion angeordnet sind, sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Anode der einen Zelle mit der Kathode der benachbarten Zelle über ein gemeinsames Konstruktionsteil irgendeiner Art verbunden ist. Monopolare elektrolytische Zelleneinheiten der Filterpressenart sind im allgemeinen aus der US-PS 4.341.604 bekannt und umfassen Endzelleneinheiten und mehrere zwischen den Endzelleneinheiten angeordnete mittlere Zelleneinheiten. Ein Separator, der ein Diaphragma oder eine Ionenaustauschermembran sein kann, ist zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet, um die Zellenreihe in mehrere Anoden und Käthodenzelleneinheiten zu unterteilen. Jede Anodenzelleneinheit ist mit einem Einlaß versehen, durch den Elektrolyt der Einheit zugeführt wird und weist einen Auslaß oder Auslässe auf, durch den Flüssigkeiten und Gase aus der Einheit entfernt werden können. Jede Kathodenzelleneinheit ist ähnlich mit einem Auslaß oder Auslassen versehen, und wenn notwendig, mit einem Einlaß, durch den Flüssigkeit, z. B. Wasser, der Einheit zugeführt werden kann. Jede der Anoden in einer Zelleneinheit ist ebenfalls mit Anschlüssen versehen, durch die elektrischer Strom der Zelleneinheit zugeführt werden kann, und jede der Kathoden ist mit Anschlüssen versehen, durch den elektrischer Strom von jeder Zelleneinheit abgeleitet werden kann. In monopolaren Zellen wird elektrischer Strom einer Zelleneinheit zugeführt und von einer benachbarten entgegengesetzt geladenen Zelleneinheit abgeführt. Der Strom fließt nicht durch eine Reihe der Elektroden von einem Ende der Reihen der Zellen zum anderen Ende der Reihe, wie bei einer bipolaren Zellenreihe.

Um die wirksame Verwendung von im wesentlichen der gesamten Fläche der Elektroden in einer monopolaren Zelle sicherzustellen, wird angestrebt, den elektrischen Strom zur Elektrode relativ gleichförmig und ohne übermäßige Widerstandsverluste zu leiten. Um dies zu erreichen, wurden in der Vergangenheit die verschiedensten Maßnahmen und Konstruktionen vorgeschlagen, mittels denen der elektrische Strom wirksam der Elektrode zugeführt werden kann. Die erste und naheliegendste Maßnahme, um elektrischen Strom einer monopolaren Zelle zuzuführen, besteht darin, die Stromversorgung direkt unter Verwendung eines Kabels, eines Drahtes bzw. mit der Elektrode zu verbinden. Obwohl diese Konstruktion die Widerstandsverluste in dem elektrischen Verteilungssystem sehr klein hält, arbeitet sie nicht gut, da einige Elektroden keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen, um den elektrischen Strom relativ gleichförmig über den gesamten Elektrodenkörper zu verteilen.

Dies trifft insbesondere für Titanelektroden zu, die häufig in Chlor-Alkalizellen verwendet werden. So ist es häufig erforderlich, mehrere Anschlüsse an den Elektroden vorzusehen, um eine geeignete Stromverteilung sicherzustellen. Verschiedene elektrische Anschlüsse sind in den US-PS 4.464.242, 4.464.243 und 4.056.458 gezeigt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die durch die ungleichförmige Stromverteilung entstehenden Nachteile zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Verteilung für monopolare elektrochemische Zellen zu schaffen, die eine minimale Anzahl von Teilen und eine minimale Anzahl von elektrischen Verbindungen aufweist, wobei billige, leicht verfügbare Materialien verwendet werden, und die die Verwendung von Elektroden von im Grunde genommen jeder vernünftigen Länge und Breite gestattet.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine monopolare, elektrochemische Zellenanordnung oder Zellenreihe mit einem Übertragungselement für elektrischen Strom (im folgenden als ECTE bezeichnet), das eine wirksame und gleichförmige Stromverteilung zu den Elektrodenteilen einer monopolaren Zelle gewährleistet. Die Erfindung ist insbesondere für die Verwendung als Chlor-Alkali-elektrochemische Zelle geeignet. Als solche ist sie eine einfache, billig und leicht herzustellende Zelle.

Um die Bedeutung des spezifischen Widerstandes zu verstehen, und wie der spezifische Widerstand die Fähigkeiten eines Materials beeinflußt, elektrische Energie zu transportieren, ist es nützlich zu wissen, daß der Ausdruck „spezifischer Widerstand" der Widerstand des Gleichstroms zwischen zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen eines Teils eines Metalls ist, das eine Einheitslänge und einen Einheitsquerschnitt aufweist. Der spezifische Widerstand eines Metalls wird durch den elektrischen Widerstand des Metalls bestimmt.

Der Widerstand wird entsprechend derfolgenden Formel berechnet:

R = P —, wobei

R = Widerstand, Mikro-Ohm

ρ = spezifischer Widerstand Mikro-Ohm-Zentimeter L = Länge, Zentimeter

A = Querschnittsfläche, Quadratzentimeter Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, Seventh Edition, herausgegeben von Theodore Baumeister, McGraw-Hill Book Company, New York (1967) zeigt in einer Tabelle den spezifischen Widerstand der verschiedenen Metalle:

spez. Widerstand Metall (Mikro-Ohm-cm)

Aluminium 2,655

Kupfer 1.673

elektrolyt. Eisen 10.1

Weicheisen 75-98

Blei 20.65 Magnesium 4.46

Nickel 6.84

Stahl 11-15

John H. Perry's Chemical Engineers' Handbook, Fourth Edition, herausgegeben von R. H. Perry, C. H. Chilton und S. D. Kirkpatrick, McGraw-Hill Book Company, New York (1974) gibt die spezifischen Widerstände für verschiedene Materialien an:

	spez. Widerstand
Material	(Mikro-Ohm-cm)
Kohlenstoffstahl	10
Graugußeisen	67
Schmiedeeisen	60
Gußmonelmetall	53
2Ol rostfreier Stahl	69
301 rostfreier Stahl	73
Aluminium 1 100	3
Blei	21
Magnesiumlegierung AZ91 B	14
Gußnickel	20.8

Weiterkönnen die verschiedensten Gußeisenlegierungen spezifische Widerstände aufweisen, die höher oder niedriger als die in den oben genannten Bereichen der Literaturstellen liegen. Andere Eisenmetalle oder Legierungen weisen einen Bereich von spezifischen Widerständen auf.

Der Spannungsverlust in dem Übertragungselement für elektrischen Strom kann durch Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:

V = ipL²/t

wobei i = Stromdichte, A/cm²

L = Länge, Zentimeter

t = Dichte, Zentimeter

ρ = spezifischer widerstand, Mikro-Ohm-Zentimeter

V = Spannungsabfall, Millivolt

Angenommen, daß ein Gußstahl einen spezifischen Widerstand von etwa 15 Mikro-Ohm-Zentimeter aufweist, daß eine Stromdichte von 0,31 A/cm² vorhanden ist, daß eine Länge von 1 Meter und eine Dicke von 2,22 Zentimeter und eine Dicke von 1,27 Zentimeter gegeben ist, ergeben sich die folgenden Werte:

	V.	V.
Material	Millivolt	Millivolt
	(2,22 cm)	(1,27 cm)
Aluminium	3,7	6,5
Kupfer	2,3	4,1
Stahl	13,9	24
Gußeisen	120	210
Schmiedeeisen	83	146
Magnesium	6,2	10,9
Nickel	9,6	16,9
Titan	66	117
Gußstahl	20,9	37

Der spezifische Widerstand für besondere Materialien verändert sich ein wenig in Abhängigkeit von der verwendeten Literaturstelle. Die Werte liegen jedoch sehr eng beieinander.

Wie man sehen kann, ändert sich der Spannungsabfall im Übertragungselement für elektrischen Strom sehr stark in Abhängigkeit von dem ausgewählten Material.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von Metallen mit einem hohen spezifischen Widerstand für ECTE's, die einen sehr niedrigen Spannungsabfall aufweisen und ohne daß Metalle verwendet werden müssen, die einen niedrigen spezifischen Widerstand haben und vergleichsweise teuer sind.

Metalle mit einem höheren spezifischen Widerstand bieten einen größeren elektrischen Widerstand als Metalle mit einem niedrigen spezifischen Widerstand. Beispielsweise hat Kupfer einen spezifischen Widerstand von 1,673 Mikro-Ohm-cm, und Gußeisen hat einen mittleren spezifischen Widerstand von etwa 86 Mikro-Ohm-cm. Somit bietet Gußeisen einen etwa 50fach größeren elektrischen Widerstand als ein gleichgroßes Stück aus Kupfer bieten würde. Man sieht leicht, warum bisher der Stand der Technik die Verwendung von Metallen mit einem niedrigen spezifischen Widerstand, wie z.B. Kupfer, lehrte, um elektrischen Strom den Elektroden zuzuführen.

In den Fällen, in denen bisher die Verwendung von Metallen mit einem hohen spezifischen Widerstand gelehrt wurde, um elektrischen Strom in elektrolytischen Zellen zu verteilen, z.B. wie in der US-PS 4.464.242, waren die Zellen hinsichtlich ihrer Größe begrenzt, da die hohen Widerstandsverluste von den hohen spezifischen Widerständen der stromverteilenden Metalle herrührte. Die US-PS 4.464.242 lehrt die Begrenzung der Zellengröße auf 16 bis 16 Zentimeter in der Länge, um die Notwendigkeit der Verwendung hochentwickelter Stromträgervorrichtungen zu vermeiden.

Man sieht, daß der elektrische Widerstand eines Körpers minimiert werden kann durch:

1. Abnahme der Länge des Stromwegs; oder

2. Steigerung der Querschnittsfläche, durch den der Strom hindurchfließt.

Die vorliegende Erfindung macht sich das letztere Verfahren zunutze, während sich der Stand der Technik auf das erstere Verfahren konzentriert hat.

Mit dem ECTE gemäß der Erfindung können billige Metalle mit einem hohen spezifischen Widerstand zufriedenstellend verwendet werden, um den elektrischen Strom zu verteilen, ohne daß dies zu einer Begrenzung hinsichtlich kleinerer Zellengrößen führt, und ohne daß hochentwickelte Stromträgervorrichtungen verwendet werden müssen. Der Ausdruck „Zelle", wie er hier verwendet wird, soll eine Kombination von Elementen bedeuten, die zumindest zwei entgegengesetzt geladene Elektroden und einen Separator, z. B. eine Membran, umfassen.

Der Ausdruck „Monopolare Zelleneinheit", wie er hier verwendet wird, soll eine Kombination von Elementen bedeuten, die mindestens zwei Elektroden der gleichen Ladung, z. B. positive oder negative, und ein ECTE umfassen. Der Ausdruck „Elektrodenteil" soll eine Elektrode oder ein mit einer Elektrode verbundenes Element bedeuten, wie z.B. ein Stromverteilergitter oder ein Stromsammler. Das Teil kann in Form eines Drahtgitters, eines gewebten Drahtes, einer gelochten Platte, eines Metallschwamms, eines gestreckten Metalls, eines perforierten oder nicht perforierten Blechs, eines flachen oder gewellten Gitterwerks, beabstandeter Metallstreifen oder Stäbe oder in anderen, dem Fachmann bekannten Formen vorliegen. Das ECTE gemäß der Erfindung dient sowohl als (1) ein Mittel zur Leitung eines elektrischen Stroms zu den Elektrodenteilen der Zelleneinheit; und (2) als Stützmittel, um die Elektrodenteile in einer gewünschten Stellung zu halten.

Das ECTE kann in den verschiedensten Zellen, Bauarten und Formen verwendet werden. Zum Zweck der Beschreibung sollen jedoch einige bevorzugte Bauarten und Formen beschrieben werden.

Gemäß der Erfindung wird eine ECTE aus Metall verwendet, die elektrischen Strom durch das ECTE zu den Elektrodenteilen einer monopolaren Zelleneinheit leitet. Das ECTE gemäß der Erfindung hat eine große Masse, verglichen mit den Elektrodenteilen nach dem Stand derTechnik, und hat einen niedrigen Widerstand und schafft einen Weg für die Verteilung elektrischer Energie im wesentlichen gleichförmig zu allen Teilen der Elektrodenteile. Aufgrund der großen Masse und des niedrigen Widerstands sind die Abmessungen einer monopolaren Zelleneinheit, die das ECTE gemäß der Erfindung verwendet, nicht in der Größe begrenzt, wie beim Stand derTechnik. Beim Stand der Technik war die Elektrode selbst im wesentlichen das primäre elektrische Leitmittel, während bei der vorliegenden Erfindung das ECTE das primäre elektrische Leitmittel ist. Die primäre elektrische Stromleitung und Verteilung über die gesamte Fläche der Elektrodenteile wird daher durch einen ECTE-Körper mit niedrigem Widerstand bewirkt, der sich zu den Elektrodenteilen erstreckt und der sehr bequem aus einem Material hergestellt werden kann, das vom Material der Elektrodenteile unterschiedlich ist.

Das ECTE ist im wesentlichen fest. Der Ausdruck „im wesentlichen fest", wie er hier verwendet wird, bedeutet, daß es selbsttragend ist und sich nicht unter seinem eigenen Gewicht unter normalen Umständen verbiegt. Weiter ist es im wesentlichen fester und massiver als die zugeordneten Elektrodenteile.

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Vorzugsweise werden die Metalle des ECTE aus Eisenmetallen ausgewählt, wie z. B. Eisen, Stahl, rostfreier Stahl und andere Metalle, wie z. B. Nickel, Aluminium, Kupfer, Magnesium, Blei, Legierungen derselben und Legierungen davon. Vorzugsweise wird das Metall des ECTE aus Eisenmetallen ausgewählt, deren Hauptbestandteil Eisen ist, insbesondere Weicheisen.

Das ECTE gemäß der Erfindung umfaßt einen elektrisch leitenden, ebenen Stützabschnitt und einen fensterförmigen, rahmenähnlichen Flansch, der sich längs der Umfangskanten des Stützteils bzw. -abschnitts erstreckt. Der Flansch bildet eine umfangsdichte Fläche für jede Zelle, die die Elektrode umschließt, wenn mehrere monopolare Zelleneinheiten benachbart zueinander angeordnet werden. Der Flansch vermindert die Anzahl der möglichen Leckagestellen vom inneren Teil der Zelle. Der Flansch sollte mehr als eine Dichtung als ein Flansch an und für sich wirken.

Der Flansch kann ein einheitlicher Körper sein, der gleichzeitig mit dem ebenen Stützabschnitt des ECTE ausgebildet wird. Ein Teil des Flansches sollte ein einheitlicher Körper sein, der gleichzeitig mit dem Stützteil des ECTE ausgebildet wird, und ein getrennter Teil von ihm kann später angebracht werden, um den Flansch zu vervollständigen. Der Flansch kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein und an dem Stützabschnitt angebracht sein. Der Flansch kann aus einem Metall oder einem Kunststoff bestehen. Beispielsweise können getrennte Flanschteile aus einem federnd zusammendrückbaren Materia! oder aus einem im wesentlichen nicht zusammendrückbaren Material bequem über die Umfangskante des Stützteils des ECTE angebracht werden. Der Rahmenabschnitt kann am Stützabschnitt befestigt sein, oder kann einfach an der Stelle festgeklemmt werden, wodurch die Filterpressenanordnung verschlossen wird. Wenn man ein im wesentlichen nicht zusammendrückbares Material für den Flanschabschnitt verwendet, müssen geeignete federnde Dichtungen verwendet werden, um eine hydraulische Abdichtung entsprechend der normalen Praxis sicherzustellen. Vorzugsweise ist der Flansch einstückig mit dem Stützteil ausgebildet, d. h., er besteht aus dem gleichen Material wie der dünnere Stützabschnitt und bildet einen einzigen elektrisch leitenden Körper ohne Unterbrechungen in dem Metall, das das ECTE bildet.

Auch wenn der Flansch vollständig als ein Teil ausgebildet ist, können kleinere Abschnitte des Flansches weggelassen oder entfernt werden, damit Fluid, elektrische oder andere Verbindungen zwischen inneren und äußeren Zonen der Zelleneinheit hergestellt werden können. In Abhängigkeit von der Größe der weggelassenen Teile können Ersatzstützen für die Dichtung oder die Kammerzwischenlagervorgesehen sein.

Weiter liefert der Flansch eine große Materialmasse, durch welche elektrischer Strom je nach Wunsch übertragen werden kann.

Vorzugsweise beträgt die Dicke des Flansches mindestens etwa das zwei- oder dreifache von der Dicke des Stützteils. Noch bevorzugter hat der Flansch eine Dicke von 60 bis 70mm, während das Stützteil eine Dicke von 20 bis 45mm hat.

Das ECTE hat vorzugsweise eine ausreichend große Querschnittsfläche, um den elektrischen Widerstand so klein wie möglich zu halten. Die Tatsache, daß das ECTE eine große Querschnittsfläche aufweist, gestattet die Verwendung von Metallen mit einem höheren spezifischen Widerstand, als die bei den Formen nach dem Stand der Technik verwendet werden konnte.

Somit können Metalle, wie z. B. Eisen, Stahl, Schmiedeeisen und Gußeisen in geeigneter Weise bei der Erfindung verwendet werden. Noch bevorzugter werden Materialien mit einem spezifischen Widerstand verwendet, der höher oder größer als der von Kupfer ist, um wirtschaftlich das ECTE herzustellen. Noch wirtschaftlicher werden Metalle mit einem spezifischen Widerstand verwendet, der größer als etwa 10 Mikro-Ohm-cm ist. Am wirtschaftlichsten werden Metalle mit spezifischen Widerständen verwendet, die so hoch oder höher als 50 Mikro-Ohm-cm sind.

Die Gesamtabmessungen des ECTE können aufgrund der einzigartigen Stromverteilungsmittel, die durch das ECTE gemäß der Erfindung geschaffen werden, größer sein als bei dem Stand der Technik. Weiter kann man mit der Erfindung da, wo bisher teure Metalle erforderlich waren, wie z. B. titanbeschichtete Kupferstangen, billige Materialien, wie z. B. Eisen oder Stahl verwenden.

Somit sind die Gesamtabmessungen der Zelle gemäß der Erfindung im Grunde unbegrenzt. Aus praktischen Gründen liegen die Abmessungen bevorzugt in einem Bereich von 0,25 bis 4 Quadratmetern.

Das ECTE gemäß der Erfindung kann ein oder mehrere die gegenüberliegenden Seiten verbindenden Kanäle aufweisen. Die Kanäle erlauben, daß Elektrolyt oder Gase von einer Seite des ECTE zur anderen Seite strömen können. Die Kanäle können bis zu etwa 60VoI.-% der gesamten Oberflächenzone des ECTE einnehmen und gestatten, daß weniger Metall verwendet wird, so daß die Zelle noch wirtschaftlicher wird. Die Kanäle können in vorbestimmter Weise beabstandet sein, um den Strom zu bestimmten Abschnitten der Zelle zu leiten.

Das ECTE liefert bevorzugt eine konstruktionsmäßige Einheit, die erforderlich ist, um die benachbarten Elektrolytkammern abzustützen, während sie mit Elektrolyt gefüllt sind, und um die Elektrodenteile abzustützen.

Das ECTE hat eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die sich um einen vorbestimmten Abstand vom Stützteil nach außen in die Elektrolytkammer benachbart zu dem ECTE erstrecken. Diese Vorsprünge sind in der Lage, mechanisch oder elektrisch entweder direkt mit dem Elektrodenteil oder indirekt mit dem Elektrodenteil durch zumindest ein dazwischenliegendes kompatibles Metall verbunden zu werden, wie z. B. ein Stück oder ein Scheibchen, das zwischen dem Elektrodenteil und jedem der Vorsprünge angeordnet wird. Vorzugsweise liegen die Vorsprünge in der gleichen geometrischen Ebene und sind im wesentlichen fest. Sie können jedoch innere Leerräume aufgrund des Begießens enthalten. Die Elektrodenteile sind vorzugsweise auf die Vorsprünge aufgeschweißt.

In beiden Fällen ist die Länge der mehrfachen Strom wege zwischen dem Elektrodenteil und den festen Vorsprüngen, die sich von dem Stützabschnitt erstrecken, praktisch vernachlässigbar. Somit ist der Widerstand niedrig, auch wenn das Elektrodenteil indirekt mit den Vorsprüngen verbunden ist.

Die Vorsprünge werden einstückig mit dem Stützabschnitt ausgebildet und werden ausgebildet, wenn das ECTE gegossen wird.

Somit bestehen sie aus dem gleichen Material wie das Stützteil. Da einige Metalle schwierig zu schweißen sind, können die Vorsprünge aus einem unterschiedlichen Metall als das Stützteil bestehen. Um ein ECTE auszubilden, können Stangen in einer Form angeordnet werden, wo die Vorsprünge angeordnet werden sollen, und ein gießbares Metall kann rings um die Stangen gegossen werden.

Die Vorsprünge sind vorzugsweise in einer Weise voneinander beabstandet, um die Elektrodenteile fest abzustützen. Die Häufigkeit oder der Abstand der Vorsprünge, gleichgültig ob sie einen runden oder einen länglichen oder rippenförmigen Querschnitt aufweisen, pro Flächeneinheit der flachen zugeordneten Elektrodenteile kann innerhalb breiter Grenzen variieren.

Die Trennung zwischen benachbarten Vorsprüngen hängt im wesentlichen von dem reinen spezifischen Widerstand der besonders verwendeten Elektrodenteile ab. Für dünnere Elektrodenteile und/oder für Elektrodenteile mit einem höheren spezifischen Widerstand ist der Abstand der Vorsprünge kleiner, so daß mehr beieinanderliegende Punkte oder elektrische Kontakte ausgebildet werden; während für dickere Elektrodenteile und/oder für Elektrodenteile mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand der Abstand der Vorsprünge größer sein kann. Normalerweise liegt der Abstand zwischen den Vorsprüngen in einem Bereich von 5 bis 30 Zentimeter, es können jedoch kleinere oder größere Abstände entsprechend den gesamten Auslegungsüberlegungen verwendet werden.

Ein weiteres Element, das die Erfindung wünschenswerterweise umfaßt, ist eine Seitenzwischenlage auf einem Blech, das über jene Flächen des ECTE paßt, die sonst der korrosiven Umgebung des Elektrolyts in der Elektrolytkammer ausgesetzt wären.

Vorzugsweise besteht die Seitenzwischenlage aus einem elektrisch leitenden Metall, das im wesentlichen gegen das Elektrolyt korrosionsbeständig ist und so ausgebildet ist, daß es über die Vorsprünge paßt und mit ihnen verbunden ist und noch bevorzugter mit den flachen Enden der Vorsprünge, die sich von dem Stützteil erstrecken, verbunden ist.

Noch bevorzugter wird die Seitenzwischenlage ausreichend rings um die beabstandeten Vorsprünge in Richtung des Stützteils in die Räume zwischen die Vorsprünge hineingedrückt, so daß eine freie Zirkulation des Elektrolyts zwischen der Zwischenlage und der Membran oder der benachbarten Elektrolytkammer möglich ist. Zusätzlich kann die Zwischenlage eingeprägte Merkmale aufweisen, um das Fluid in eine Richtung zu leiten. Diese zusätzlichen eingeprägten Merkmale können je nach Wunsch mit dem Stützteil verbunden sein.

Es ist nicht erforderlich, daß die Zwischenlage rings um die beabstandeten Vorsprünge heruntergedrückt wird, so daß sie die ebene Fläche des Stützteils berührt. Bevorzugt liegt die Zwischenlage allein auf den oberen Flächen der Vorsprünge und auf der Oberfläche des Flansches des ECTE.

In den Fällen, in denen die Seitenzwischenlage nicht mit dem Metall des ECTE verschweißbar ist, werden zum Verschweißen der Zwischenlage mit dem ECTE zwischen den Vorsprüngen und der Zwischenlage Metallstücke angeordnet. Die Zwischenmetallstücke, die gegen jeden Vorsprung anliegen, sind mit dem Metall der Vorsprünge verschweißbar und entsprechend mit den Vorsprüngen verschweißbar. Das Metall der Seite der Zwischenstücke, die gegen die Zwischenlage anliegen, ist mit dem Metall verschweißbar, aus dem die Zwischenlage besteht und ist somit mit der Zwischenlage verschweißbar, so daß die Zwischenlage mit den Vorsprüngen über die Zwischenstücke verschweißbar ist. In den meisten Fällen bestehen die Zwischenstücke aus einem einzigen Metall oder einer Metallegierung, die gut als Zwischenstücke oder Scheibchen dienen. In einigen Fällen kann das Scheibchen aus zwei Lagen bestehen, um eine Verschweißung zwischen einem Vorsprung und der Zwischenlage zu ermöglichen.

In dem Fall, in dem die Zwischenlage aus Titan und die Vorsprünge aus einem Eisenmetall bestehen, werden bevorzugt Vanadiumscheibchen verwendet, die zwischen die Vorsprünge und die benachbarte Zwischenlage gelegt werden, so daß die Titanzwischenlage mit den Eisenmetallvorsprüngen durch die Vanadiumstücke verschweißt werden kann. Vanadium und Nickel sind Beispiele der Metalle, die sowohl mit Titan als auch mit Eisenmetall verschweißbar sind.

Ein zweites Verfahren zum Verbinden der Zwischenlage mit dem ECTE besteht darin, daß man zwei Einmetallstücke verwendet.

Beispielsweise kann ein Vanadiumstück an dem Eisenmetallvorsprung angeordnet werden, wobei ein zweites Stück, z. B. Titan zwischen dem Vanadiumscheibchen und einerTitanzwischenlage angeordnet wird.

Eine andere Methode zum Verbinden der Zwischenlage mit dem ECTE besteht darin, wenn diese Metalle nicht miteinander verschweißbar sind, daß man ein Exploxionsverkleben verwendet. Derartige Verfahren sind bekannt (siehe z. B.

US-PS 4.111.779).

In vielen Fällen ist es sehr erwünscht, daß sich die Zwischenlage über die Seitenfläche des ECTE erstreckt, um eine dichte Fläche daran für den Separator auszubilden, wenn die Einheiten zusammengepreßt werden, um eine elektrochemische Zelle(n) auszubilden.

In Chloralkalizellen wird eine Zwischenlage sehr häufig in monopolaren Anodeneinheiten und weniger häufig verwendet, um Kathodeneinheiten auszukleiden.

Diese Verfahren, in denen die elektrochemische Zelle verwendet wird, um Konzentrationen von Ätznatron von mehr als 22Gew.-% derÄtznatronlösung zu erzeugen, wird wünschenswert eine Katholytzwischenlage verwendet. Die Katholytzwischenlage besteht aus einem elektrisch leitenden Material, das im wesentlichen hinsichtlich der Umgebung der Katholytkammer korrosionsbeständig ist. Es können Plastikzwischenlagen in einigen Fällen verwendet werden, wo Vorkehrungen getroffen sind, um die Kathode mit den Kathodenvorsprüngen durch den Kunststoff zu verbinden. Ebenfalls können Kombinationen von Kunststoff und Metallzwischenlagen verwendet werden. Das gleiche trifft für Anolytzwischenlagen

Die Zwischenlagen für die Katholyteinheit werden vorzugsweise aus der Gruppe der Eisenmetalle, Nickel, rostfreiem Stahl, Chrom, Monel-Metall und Legierungen davon ausgewählt.

Die Zwischenlagen für die Anodeneinheit werden vorzugsweise aus der Gruppe von Titan, Vanadium, Tantal, Columbium, Hafnium, Zirkonium und Legierungen davon ausgewählt.

In den Fällen, in denen die vorliegende Erfindung verwendet wird, um Chlorgas und Ätznatron mittels der Elektrolyse einer wäßrigen Solelösung zu erzeugen, wird sehr bevorzugt, daß die monopolare Anolyteinheit eine Zwischenlage aus Titan oder einer Titanlegierung aufweist, und daß das ECTE aus einem Eisenmetall besteht.

Die Erfindung umfaßt weiter die Verwendung von Endteilen. Die Endteile können entweder eine Kathodenhalbzelle oder eine Anodenhalbzelle sein. „Halbzelle" bedeutet ein Zellenteil, das ein ECTE und nur eine Elektrode aufweist. Die Elektrode kann entweder eine Kathode oder eine Anode je nach der Auslegung'der gesamten Zellenform sein. Die Endzellen, die entweder eine Anode oder eine Kathode sind, bestehen aus einer aktiven Zone (d.h. wo das Produkt hergestellt wird) und einer inaktiven Zone

(d. h. wo kein Produkt hergestellt wird). Die Definition der aktiven Zone, entweder bei einer Anode oder Kathode, ist die gleiche wie oben beschrieben. Die inaktive Zone vervollständigt die Definition einer monopolaren elektrolytischen Zellenanordnung.

Dieser Abschnitt der ZeI Ie kann verwendet werden, um die Anordnung zusammenzuhalten, wie in einer hydraulischen Presse.

Die Endteile sind jedoch vorzugsweise Kathoden. Die Endteiie können ein ECTE aufweisen, ähnlich dem, das für die mittleren Elektrodeneinheiten verwendet wird, jedoch kann die Außenfläche von ihm flach oder mit Versteifungsrippen versehen sein.

Wenn Zwischenlagen auf der Katholytseite verwendet werden, haben die Endteiie ebenfalls ähnliche Zwischenlagen, die über ihre Innenfläche angeordnet und entsprechend den Vorsprüngen geformt sind.

Jedes Endteil und jede monopolare Einheit hat einen elektrischen Anschluß, der eine äußere Energieversorgung mit dem ECTE verbindet. Die Anschlüsse können einstückig mit dem Flansch ausgebildet oder an dem Flansch angebracht sein, oder können .

durch eine Öffnung im Flansch verlaufen und mit dem Stützabschnitt verbunden sein. Die elektrischen Anschlüsse können ebenfalls an mehreren Stellen rings um den Flansch vorgesehen sein, um die Stromübertragung zu dem ECTE zu verbessern. Die elektrischen Anschlüsse können eine Öffnung im Flansch oder in dem ECTE sein, an denen ein Stromversorgungskabel angebracht wird.

Die elektrischen Anschlüsse können in bevorzugter Weise ein einstückiges Teil mit dem ECTE sein. Das heißt, die elektrischen Anschlüsse bestehen aus dem gleichen Material wie das ECTE und bilden einen einstückigen Körper ohne Unterbrechungen in dem das ECTE bildende Material. Vom praktischen Standpunkt ist der Anschluß eine Erstreckung des Stützteils des ECTE, die sich vom Umfang des Flansches längs zumindest einer Seite über eine ausreichende Länge erstreckt, um eine einfache Verbindung mit einer Sammelschiene herzustellen. In dem Fall, in dem der Flansch ein einstückiges Teil des ECTE selbst darstellt, kann die elektrische Verbindung durch die Kante des Flansches selbst gebildet werden. Das heißt, ein flexibles Kupferkabel oder eine Sammelschiene können direkt an die Kantenfläche des Flansches angeschraubt werden. Die elektrische Berührungsfläche kann mit einem Material beschichtet sein, das besonders für den elektrischen Kontakt geeignet ist, wiez. B. Kupfer oder Silber.

Im einzelnen wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung mit einer monopolaren Zelle mit zwei Endzelleneinheiten und mindestens einer zwischen den Endzelleneinheiten angeordneten mittleren Zelleneinheit gelöst, wobei die Zelleneinheiten mittels eines Separators getrennt sind, der aus einer im wesentlichen hydraulisch impermeablen Ionenaustausch membran und einem hydraulisch permeablen Diaphragma ausgewählt wird, umfassend zwei im wesentlichen parallele, im wesentlichen ebene, voneinander beabstandete Elektrodenteile, und ein im wesentlichen festes Übertragungselement für elektrischen Strom, das im Raum zwischen den Elektrodenteilen angeordnet ist, wobei das Übertragungselement ein Paar gegenüberliegende, im allgemeinen ebene Flächen und mehrere über beide Flächen verteilte Vorsprünge aufweist, die sich von dem Übertragungselement um einen vorbestimmten Abstand nach außen hin zum Übertragungselement benachbarte Elektrodenkammern erstrecken und zumindest ein Teil der Vorsprünge mechanisch und elektrisch entweder direkt oder indirekt mit den Elektrodenteilchen verbunden ist, und zumindest ein elektrischer Anschluß am Übertragungselement angebracht ist, um elektrischen Strom zum oder vom Übertragungselement zu leiten, um elektrische Energie zu jedem der Elektrodenteile zu leiten.

Vorteilhaft weist das Übertragungselement für den elektrischen Strom der mittleren Zelle einen im allgemeinen ebenen Stützabscnittund einen sich ringsum den Umfang des Stützabschnitts erstreckenden Flansch auf, der eine Dicke von mindestens dem Zweifachen der Dicke des Stützteils aufweist, wobei es besonders zweckmäßig ist, wenn der Flansch der mittleren Zelleneinheit eine Dicke von weniger als etwa 10cm und der Stützteil eine Dicke von mindestens etwa 0,5cm aufweist.

Das Übertragungselement der mittleren Zelleneinheit weist beide gegenüberliegende Seiten des Übertragungselements verbindende Öffnungen auf. Vorteilhaft nehmen die Öffnungen nicht mehr als etwa 60% der gesamten Oberfläche des Stützteils des Übertragungselements ein.

Das Übertragungselement der mittleren Zelleneinheit ist zweckmäßig hydraulisch impermeabel.

Es ist vorgesehen, daß das Übertragungselement der mittleren Zelleneinheit aus einem verformbaren Metall aus der Gruppe der Eisenmetalle, Nickel, Aluminium, Kupfer, Magnesium, Blei, Legierungen derselben und Legierungen davon besteht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, daß jede mittlere Zelleneinheit ein Paar Seiten-Zwischenlagen aufweist, die zumindest die Endflächen zumindest eines Teils der Vorsprünge auf gegenüberliegenden Seiten des Stützteils berühren, und daß die Seiten-Zwischenlagen aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material bestehen.

Die Seiten-Zwischenlagen jeder mittleren Zelleneinheit sind so ausgebildet, daß sie über und rings um die Vorsprünge passen und ausreichend um die beabstandeten Vorsprünge in Richtung des Übertragungselements in die Räume zwischen die Vorsprünge hineingedrückt sind, daß eine Zirkulation des Elektrolyts zwischen dem verkleideten Übertragungselement und den Elektrodenteilen möglich ist.

Es ist zweckmäßig, daß die Zwischenlagen jeder mittleren Zelleneinheit mit den Vorsprüngen mittels Verschweißen eines zwischen den Vorsprüngen und der Zwischenlage angeordneten Metalls verbunden sind, wobei das dazwischen angeordnete Metall sowohl mit den Vorsprüngen als auch mit der Zwischenlage verschweißbar ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Zwischenlage jeder mittleren Zelleneinheit aus einem Metall besteht, ausgewählt aus der Gruppe Nickel, rostfreier Stahl, Chrom, Monel-Metall, Titan, Vanadium, Tantal, Columbium, Hafnium, Zirkonium und Legierungen davon.

Die Zwischenlage auf der Einheit erstreckt sich bis zum Flansch. Dabei kann der Flansch der Zelleneinheit eine Dichtung sein.

Mit der Erfindung wird weiterhin eine monopolare Einheit für eine Elektrolysezelle geschaffen, umfassend:

Ein Übertragungselement für elektrischen Strom in Form eines im wesentlichen ebenen Körpers mit mehreren sich von gegenüberliegenden Seiten des Körpers erstreckenden Vorsprüngen, Seitenzwischenlagen mit mehreren erhabenen Abschnitten und einem im wesentlichen mit dem Körper übereinstimmenden Profil, wobei die Seitenzwischenlagen aus einem korrosionsbeständigen Metall bestehen und über den gegenüberliegenden Flächen des Körpers angeordnet sind, gelochte Elektrodenteile, die berührend gegen die Seitenzwischenlagen anliegen, wobei die erhabenen Abschnitte, die Elektrodenteile, die Seitenzwischenlagen und der Körper an zumindest einigen der Vorsprünge miteinander elektrisch in Verbindung stehen und einen elektrischen Anschluß, um einen positiven oder negativen Pol einer elektrischen Stromversorgung mindestens mit einer der Kanten des Körpers zu verbinden, um elektrische Energie zu jedem der Elektrodenteile zu verteilen.

Dann ist es von Vorteil, wenn das Übertragungselement für elektrischen Strom einen im allgemeinen ebenen Stützabschnitt und einen sich rings um den Umfang des Stützabschnitts erstreckenden Flansch umfaßt.

Vorteilhaft ist ein Abschnitt des Flansches einteilig mit dem Stützabschnitt verbunden, und ein Teil des Flanschabschnitts stellt ein gesondertes Teil dar.

Der Flansch besteht dann aus mehreren zusammengesetzten Teilen.

Mit der Erfindung wird weiter ein Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse in einer monoplaren elektrochemischen Zellenreihe in zwei Endzelleneinheiten und mindestens einer, zwischen den zwei Endzelleneinheiten angeordneten mittleren Zelleneinheit geschaffen, wobei die mittlere Einheit mindestens zwei im wesentlichen parallele, im wesentlichen ebene, voneinander beabstandete Elektrodenteile und Mittel zur Verteilung elektrischer Energie zu jedem der Elektrodenteile aufweist, und weiter die Mittel ein elektrisch leitendes, im Raum zwischen den Elektrodenteilen angeordnetes Übertragungselement für elektrischen Strom umfassen, das einen daran angebrachten elektrischen Anschluß hat, um in das Übertragungselement oder aus ihm elektrischen Strom zu leiten, wobei das Übertragungselement an mehreren über die gesamte Fläche der Elektrodenteile verteilten Punkte mechanisch und elektrisch mit jedem Elektrodenteil verbunden ist, und das Übertragungselement mehrere über die beiden gegenüberliegenden Flächen verteilte, im wesentlichen feste Vorsprünge hat, die sich um einen vorbestimmten Abstand vom Übertragungselement nach außen in die Elektrolytkammer auf beiden gegenüberliegenden Seiten des Übertragungselements erstrecken, wobei bei dem Verfahren

a) ein elektrischer Strom von einer Stromversorgung zum Übertragungselement einer mittleren Zelleneinheit fließt;

b) ein elektrischer Strom vom Übertragungselement zu den an beiden Seiten des Übertragungselements elektrisch angebrachten Elektrodenteilen fließt;

c) ein elektrischer Strom von jedem Elektrodenteil durch ein Elektrolyt und einen Separator zu einer Endzelle fließt, wobei der elektrische Strom eine ausreichende Spannung aufweist, um eine Elektrolyse des Elektrolyts zu bewirken;

d) die Elektrolyseprodukte aus der Zellenreihe entfernt werden und

e) das verarmte Elektrolyt aus der Zelle entfernt wird.

Dann ist es zweckmäßig, daß mehrere mittlere Zelleneinheiten zwischen den Endzelleneinheiten angeordnet sind, und daß ein elektrischer Strom von jedem der Elektrodenteile durch ein Elektrolyt und einen Separator zu einer benachbarten Zelleneinheit fließt.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine teilweise gebrochene perspektivische Explosionsansicht eines Übertragungselements (ECTE) für elektrischen Strom zur Verwendung in einer monopolaren Zelleneinheit;

Fig. 2: eine geschnittene auseinandergezogene Seitenansicht der monopolaren Zelleneinheit; und Fig. 3: eine Schnittansicht einer monopolaren Zelleneinheit ohne Seitenzwischenlagen und einer monopolaren Zelleneinheit mit Seitenzwischenlagen, wobei die monopolaren Einheiten so dargestellt sind, wie sie in einer Zellenreihe angeordnet

In den Fig.1 und 2 ist eine monopolare Einheit 10 dargestellt, die ein Übertragungselement für elektrischen Strom (ECTE, electric current transmission element) 14 aufweist, das ein Stützteil 17 und eine Mehrzahl von Vorsprüngen 18 umfaßt, die sich von dem Stützteil 17 nach außen erstrecken. Das Stützteil 17 wird an seinen Umfangskanten nach einem Flansch 16 umgeben, dessen Dicke größer als die des Stützteils 17 ist. Durch den Flansch 16 verlaufen Öffnungen 50; 52; 56; 58, um Kanäle für die Einführung von Reaktionsmittel in die Einheit und zum Entfernen der Produkte und des verarmten Elektrolyts von der Einheit zu schaffen. Eine Elektrode 36 ist gegen die Vorsprünge 18 angeordnet, so daß sie im wesentlichen mit einer Fläche 16 B des Flansches 16 koplanar verläuft. Eine Elektrode 36A ist in ähnlicher Weise gegen die gegenüberliegende Seite des ECTE 14 angeordnet. Ein elektrischer Anschluß 21 ist außerhalb des Flansches 16 angeordnet und bildet mit ihm ein Teil. Der Anschluß 21 ist geeignet mit einer Stromversorgung (nicht gezeigt) über in dem Anschluß 21 vorgesehene Löcher 20 verbunden. Elektrischer Strom fließt von dem Anschluß 21 durch den Flansch 16, durch das Stützteil 17 zu den Vorsprüngen 18. Darauf fließt der Strom durch die Vorsprünge 18, durch eine Zwischenlage (wenn vorhanden) und zu der Elektrode 36 oder 36A.

Figur 2 zeigt noch deutlicher eine monopolare Einheit 11 mit einem ECTE 14 und mehreren einstückigen Vorsprüngen 18 und 18A, die sich von gegenüberliegenden Seiten des Stützteils 17 erstrecken. Der Stützteil 17 ist an seinen Umfangskanten von de m Flansch 16 umgeben, der dicker als der Stützteil 17 ist, so daß Elektrolytkammern 22 und 22 A ausgebildet werden, wenn mehrere monopolare Einheiten benachbart zueinander angeordnet werden.

Die Zwischenlagen 26 und 26A sind vorgesehen, um das ECTE 14 abzudecken. Die Zwischenlagen 26; 26A können beispielsweise für die Anodenzelle aus einzelnen Blechen aus Titan bestehen und können durch eine Presse warmverformt sein, so daß sie an gegenüberliegenden Seiten über das ECTE 14 passen und mit ihm im wesentlichen in Anlage gelangen. Die Zwischenlagen 26; 26A können gegebenenfalls Dichtflächen 16Aund 16C abdecken. Dies schützt das ECTE 14 gegen die korrosive Umgebung der ZeIIe. Das ECTE 14 ist vorzugsweise so aufgebaut, daß der Flansch 16nichtnuralsUmfangsbegrenzung einer Elektrolytkammer dient, sondern ebenfalls gegen die benachbarten Einheiten abdichtet und Elektrolytkammern 22 und 22A ausbildet.

Vorzugsweise sind die Zwischenlagen 26 und 26A mit einer minimalen Innenspannung ausgebildet, um die Möglichkeit eines Verwerfens so klein wie möglich zu halten. Um diese Spannungen in den Zwischenlagen 26; 26A zu vermeiden, werden sie in einer Presse bei erhöhter Temperatur von etwa 48O⁰C bis 700⁰C warmverformt. Dabei werden sowohl das Zwischenlagenmetall als auch die Presse auf die erhöhte Temperatur erwärmt, bevor die Zwischenlage 26; 26 A in die gewünschte Form gepreßt wird. Die Zwischenlage 26; 26 A wird in der erwärmten Presse gehalten und in einem bestimmten Ablauf abgekühlt, um die Ausbildung von Spannungen in ihr zu vermeiden, wenn sie bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Wenn die Zwischenlagen 26 und 26A ausTitan bestehen und das ECTE 14 aus Eisenmetall besteht, können sie durch Widerstandsschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen verbunden werden. Das Widerstands- oder Kondensatorentiadungsschweißen wird indirekt durchgeführt, indem die Zwischenlagen 26 und 26A mit den flachen Enden 28 und 28A der Vorsprünge 18 und 18A durch Vanadiumstücke 30 oder 3OA verschweißt werden. Titan und Eisenmetalle sind normalerweise nicht miteinander verschweißbar, jedoch sind beide mit

Vanadium verschweißbar. Daher werden Vanadiumstücke 30 und 30AaIs Zwischenmetall zwischen den Vorsprüngen 18 und 18Aaus Eisenmetall und den Titanzwischenlagen 26 und 26 A verwendet, um das Zusammenschweißen der beiden zu erreichen, um eine elektrische Verbindung zwischen den Zwischenlagen 26 und 26A und dem ECTE 14 als auch um eine mechanische Abstützung für das ECTE 14 zu erreichen, um die Zwischenlagen 26 und 26Azu lagern.

Den allgemeinen Sitz der Zwischen lagen 26 und 26 A gegen das ECTE 14 sieht man am besten in Fig. 2. Die Zwischenlage 26; 26 A ist mit eingedrückten hohen Kappen 32 und 32 A versehen, die eine Innenkontur aufweisen, die bequem mit der Außenkontur der Vorsprünge 18; 18A übereinstimmt. Die Kappen 32 und 32A weisen eine Größe auf und sind so beabstandet, daß sie über und rings um die Vorsprünge 18 und 18A passen. Die Kappen 32 und 32A haben eine solche Tiefe, daß ihr inneres Ende gegen die Vanadiumstücke 30 und 3OA anliegt, wenn die Stücke gegen die flachen Ende 28 und 28A der Vorsprünge 18 und 18A anliegen und wenn diese Elemente zusammengeschweißt werden. Die Form dieser Vorsprünge 18; 18A und Kappen 32; 32 A ist nicht kritisch. Sie können quadratisch, rechtwinklig, konisch, zylindrisch sein oder irgendeine andere geeignete Form aufweisen, wenn man einen Schnitt entweder parallel oder senkrecht zum mittleren Teil betrachtet. Die Vorsprünge 18; 18A können länglich sein, um eine Reihe beabstandeter, über die Oberfläche des Stützteils 17 verteilten Rippen zu bilden. Weiterkönnen die Vorsprünge 18; 18A eine Form aufweisen und die Kappen 32; 32 A eine andere. Die Enden 28 und 28 A der Vorsprünge 18; 18 A sollen jedoch bevorzugterweise flach sein und alle in der gleichen imaginären geometrischen Ebene liegen. Tatsächlich können die Vorsprünge 18; 18Aund Kappen 32; 32 A so geformt und angeordnet sein, daß sie das Elektrolyt und die Gaszirkulation leiten, wenn dies gewünscht wird.

Die Zwischenlagen 26; 26A können an ihren inneren Enden 34 und 34A der Kappen 32 und 32A mit den Enden 28 und 28A der Vorsprünge 18 und 18A durch dazwischen angeordnete verschweißbare Vanadiumstücke 30 und 3OA mittels Widerstandsschweißen verschweißt werden.

Die Umfangskantenflachen 42 und 42A sind an den Zwischenlagen 26; 26A angeordnet, um mit den Dichtflächen 16Aund 16C zusammenzupassen. Sie können je nach Wunsch an diesen Punkten verschweißt werden.

Eine Dichtung 44 kann je nach Wunsch zwischen der Zwischenlage 26A und einer Ipnenaustauschmembran 27A vorgesehen sein, um Leckagen so klein wie möglich zu halten, wenn mehrere monopolare Einheiten benachbart zueinander angeordnet sind.

Die Dichtung 44 kann je nach Wunsch auf jeder Seite des ECTE 14 vorgesehen sein.

Ein elektrischer Anschluß 19 ist am Flanschabschnitt 16 vorgesehen, um elektrischen Strom zu dem ECTE 14 zu leiten.

Der Anschluß 19 kann verschiedene Formen aufweisen und kann an vielen Stellen der Einheit vorgesehen sein. Weiter können mehr als ein Anschluß vorgesehen sein.

Die Elektrodenteile 36 und 36 A in Fig. 1 und 46 und 46A in Fig. 2 sind vorzugsweise mit kleinen Löchern versehene Strukturen, die im wesentlichen flach sind und können aus einem Blech eines expandierten Metalls, einer perforierten Platte, einer gelochten Platte oder aus einem gewebten Metalldraht bestehen. Vorzugsweise sind die Elektrodenteile Stromkollektoren, die eine Elektrode berühren, oder sie sind Elektroden. Elektroden haben vorzugsweise eine katalytisch aktive Beschichtung auf ihrer Oberfläche. Wie in Fig. 2 dargestellt, können die Elektrodenteile 46 und 46 A der vertieften Kappen 32 und 32 A der Zwischenlagen 26 und 26A verschweißt sein. Diese Schweißung bildet eine elektrische Verbindung und schafft eine mechanische Lagerung für die Elektrodenteile 46 und 46 A.

Weiter können andere Elemente in Verbindung mit den Elektrodenteilen 46 und 46A, wie besondere Elemente oder Anordnungen für Zellenformen mit einem „Null-Spalt" oder feste Polymer-Elektrolyt(SPE)-Membrane verwendet werden.

Weiter kann die monopolare Einheit gemäß der Erfindung für eine Gaskammer zur Verwendung in Verbindung mit einer Gas verbrauchenden Elektrode, die manchmal als depolarisierte Elektrode bezeichnet wird, geeignet sein. Die Gaskammer wird zusätzlich zu den flüssigen Elektrolytkammern benötigt.

Es liegt natürlich im Rahmen dieser Erfindung für die zwischen zwei monopolaren Einheiten ausgebildete Elektrolysezelle, daß eine Vielkammerelektrolysezelle, die mehr als eine Membran verwendet, z. B. eine Dreikammerzelle mit zwei Membranen, die voneinander beabstandet sind, wobei eine Kammer zwischen ihnen als auch eine Kammer auf der gegenüberliegenden Seite jeder Membran zwischen jeder Membran und der entsprechenden benachbarten filterpressenmonopolaren Einheit ausgebildet wird, mit umfaßt wird.

Figur 3 zeigt eine Anordnung monopolarer Einheiten 10 und 11 gemäß der Erfindung. Diese Einheiten sind arbeitsmäßig miteinander verbunden. Die monopolare Einheit 10 weist keine Zwischenlage 26; 26A auf, während die monopolare Einheit 11 eine Zwischenlage 26; 26 A an ihren Seiten aufweist. Jede Einheit 10; 11 ist so ausgelegt, daß sie eine der benachbarten Einheiten entgegengesetzte elektrische Ladung trägt. Beispielsweise solle η die Einheiten 10 mit dem negativen Pol einer Stromversorgung über die elektrischen Anschlüsse 21 verbunden sein, um somit negativ geladen zu werden und als Kathode zu wirken. Ähnlich kann die Einheit 11 mit dem positiven Pol einer Stromversorgung über den elektrischen Anschluß 19 verbunden werden, um positiv geladen zu werden und als Anode zu wirken. Jede Einheit ist von der benachbarten Einheit durch eine lonenaustauschmembran 27 getrennt.

Die Anordnung der monopolaren Einheiten 10; 11 benachbart zueinander schafft eine Anzahl von Räumen, die als Elektrolytkammern dienen. Es werden Katholytkammern 24 und Anolytkammern 22 ausgebildet. Die Katholytkammern 24 sind mit zwei Kanälen dargestellt, die die Kammer mit dem Inneren der Zelle verbinden. Diese Kanäle können verwendet werden, um Reaktantien in die Zelle durch den Kanal 50 abzuführen. Ähnlich haben die Anolytkammern 22 Kanäle 58 und 52, die als Einlaß und Auslaß dienen. Jede Einheit ist mit zwei Elektrodenteilen ausgerüstet. In der dargestellten Ausführungsform hat die Anodeneinheit 11 zwei Anoden 46 und 46A und jede Kathodeneinheit 10 zwei Kathoden 36 und36A.

Die Anordnung der Elektroden 46 und 46 A innerhalb der Anolytkammer 22 in bezug auf die Membran 37 und das mit der Zwischenlage versehene ECTE 14 wird durch die Beziehungen zwischen der seitlichen Ausdehnung des Flansches 16 vom Stürzteil 17, der Erstreckung der Vorsprünge 18 vom Stützteil 17, der Dicke der Vanadiumstücke 30 und 3OA, der Dicke der Zwischenlagen 26 und 26A, der Dichtungen 44, des Elektrolytdifferenzdruckes und ähnlichem bestimmt. Man sieht leicht, daß die Elektroden 46 und 46A von einer gegen die lonenaustauschmembran 27 anliegenden Stelle zu einer Stelle mit einem beträchtlichen Spalt zwischen der lonenaustauschmembran 27 und den Elektroden 46 und 46A bewegt werden können, indem diese Beziehungen geändert werden; z. B. durch Ändern der Erstreckung der Vorsprünge 18 von dem Stützteil 17. Es wird jedoch bevorzugt, daß der Flansch 16 sich um die gleiche Strecke wie die Vorsprünge 18 vom Stützteil 17 erstreckt. Dies führt zu einer Vereinfachung der Konstruktion des ECTE 14, da eine Maschine beide Endflächen 28 der Vorsprünge 18 als auch die Dichtflächen 16Aund 16C gleichzeitig bearbeiten kann, so daß diese Flächen alle in dergleichen geometrischen Ebene liegen.

Um eine Fluiddichtung zwischen der Membran 27 und der Dichtfläche 16A auszubilden, wird bevorzugt, daß die Zwischenlage 26 pfannenförmig mit einer versetzten Umfangskantenf lache 42 ausgebildet wird, die sich rings um ihren Umfang erstreckt. Diese paßt ausgleichend gegen die Dichtfläche 16C des Flansches 16. Der Umfang der lonenaustauschmembran 27 paßt ausgleichend gegen die Umfangskantenfläche 42, und eine Dichtung 44 paßt ausgleichend gegen die andere Seite des Umfangs der lonenaustauschmembran 27. In einer Zellenreihe, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, paßt die Dichtung 44 ausgleichend gegen die Dichtfläche 16C des Flansches 16 und ausgleichend gegen die Membran 27, wenn keine Zwischenlage 26; 26A vorgesehen ist.

Obwohl nur eine Dichtung 44 dargestellt ist, soll die Erfindung die Verwendung von Dichtungen 44 auf beiden Seiten der lonenaustauschmembran 27 mit umfassen. Ebenfalls soll der Fall mit umfaßt sein, wenn keine Umgangskantenfläche 42 verwendet wird.

In einer Elektrolysezellenreihe, in der wäßrige Lösungen aus Natriumchlorid elektrolysiert werden, um Ätznatron und/oder Wasserstoffgas in einer Katholytkammer zu bilden, sind Eisenmetalle, wie z. B. Stahl, für die Katholytkammer geeignete Metallteile für die meisten Zellenbetriebstemperaturen und Ätznatronkonzentrationen, ζ. B. für eine Konzentration unterhalb etwa 22% Ätznatron und für Zellenbetriebstemperaturen unter etwa 85°C. Daher ist, wenn das ECTE 14 aus einem Eisenmetall, wie z. B. Stahl, besteht, und wenn Ätznatron bei Konzentrationen unterhalb etwa 22% produziert wird und die Zelle bei einer Temperatur unterhalb etwa 85°C betrieben wird, eine Schutzzwischenlage nicht erforderlich, kann jedoch je nach Wunsch mit der Katholyteinheit verwendet werden, um das ECTE 14 gegen Korrosion zu schützen.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die flachflächigen Elektroden 36; 36A; 46 und 46A in Richtung des ECTE 14 und von den lonenaustauschmembranen 27 weggerichtete, nach innen eingerollte Umfangskanten aufweisen. Dies dient dazu, um zu verhindern, daß die manchmal rauhen Kanten der Elektroden die lonenaustauschmembranen 27 berühren und sie zerreißen.

Beim Betrieb der vorliegenden elektrochemischen Zelle als einer Chlor-Alkali-Zelle wird eine Natriumchloridsolelösung in die Anolytkammern 22 eingeführt und je nach Wunsch in die Katholytkammern 24 eingeführt. Elektrischer Strom von einer Stromversorgung (nicht dargestellt) wird zwischen die Anoden 46 und 46A und die Kathoden 36 und 36A geleitet. Der Strom weist eine ausreichende Spannung auf, um eine elektrolytische Reaktion in der Solelösung zu bewirken. An der Anode 46 und 46A wird Chlorgas erzeugt, während an der Kathode 36 und 36A Ätznatron und Wasserstoff erzeugt werden.

Wahlweise kann ein Sauerstoff enthaltendes Gas auf einer Seite der Kathode zugeführt werden, und die Kathode als sauerstoffdepolarisierte Kathode betrieben werden. Ähnlich kann Wasserstoff zu der anderen Seite der Anode zugeführt werden und die Anode als depolarisierte Anode betrieben werden. Die Arten der Elektroden und die Verfahrensweisen ihres Betriebes sind dem Fachmann bekannt. Übliche Mittel zur getrennten Handhabung gasförmiger und flüssiger Reaktantien für eine depolarisierte Kathode können verwendet werden.

Beim Betrieb der Zellenreihe für die Elektrolyse einer NaCI-SoIe zur Erzeugung von Chlorgas und Ätznatron werden im allgemeinen bestimmte Betriebsbedingungen verwendet. In der Anolytkammer wird wünschenswerterweise ein pH-Wert von 0,5 bis 5,0 aufrechterhalten. Die zugeführte Sole enthält vorzugsweise nur kleinere Mengen multivalenter Kationen (weniger als etwa 0,5 mg/Liter, wenn sie als Calcium ausgedrückt werden).

Eine größere multivalente Kationenkonzentration kann mit den gleichen guten Ergebnissen toleriert werden, wenn die zugeführte Sole Kohlendioxid in Konzentrationen niedriger als etwa 70 ppm enthält, wenn der pH-Wert der zugeführteri Sole niedriger als etwa 3,5 liegt. Die Betriebstemperaturen können von 0^cC bis 250°C reichen, bewegen sich jedoch vorzugsweise bei etwa 6O⁰C. Eine Sole, die von multivalenten Kationen durch ein Ionenaustauschharz nach der üblichen Solebehandlung gereinigt wurde, zeigte sich insbesondere zur Verlängerung der Lebensdauer der Membran nützlich. Ein niedriger Eisengehalt der zugeführten Sole wird ebenfalls zur Verlängerung der Lebensdauer der Membran gewünscht. Vorzugsweise wird der pH-Wert der zugeführten Sole bei einem pH-Wert unterhalb 4,0 durch Hinzufügen von Salzsäure gehalten.

Vorzugsweise werden Düsen in der Zelle verwendet (nicht dargestellt), die die unterschiedlichsten Formen aufweisen können.

Derartige Düsen vermindern den durch die Gase oder Flüssigkeiten bewirkten Druckverluste, wenn sie in die Zelle oder aus der Zelle strömen.

Eine besonders nützliche Form und Art zum Einbau einer Düse ist wie folgt:

Es werden mehrere Nickel-oderTitandüsen ausgebildet, beispielsweise durch Investmentguß. Der Düsenguß wird dann zur gewünschten Größe bearbeitet. Eine kurze Länge (etwa 7 Zentimeter) eines Metallrohres wird an die Düse geschweißt. Dieses Rohr dient als Außenverbindung, um Elektrolyt oder Gase aus der Zelle abzuführen oder in die Zelle einzuführen. Eine Reihe Schlitze sind in jedes ECTE an mehreren gewünschten Stellen vorgesehen, um die Düsen aufzunehmen. Die Schlitze sind von einer Größe, die der Dicke der in den Schlitzen einzusetzenden Düse entspricht, um eine Dichtung sicherzustellen, wenn die Elemente der Zelle letztlich zusammengebaut sind. Wenn eine Zwischenlage verwendet wird, wird sie ebenfalls eingeschnitten, um rings die Düse zu passen. Wenn eine Düse verwendet wird, wird sie vorzugsweise an die Auskleidung angeheftet. Die Auskleidungs-Düsenanordnung wird dann in der Zelle angeordnet. Die Auskleidungskappen werden dann an die Zellenvorsprünge angeschweißt.

Vorzugsweise wird der Druck in der Katholytkammer bei einem Druck gehalten, der ein wenig größer als der in der Anolytkammer ist, jedoch vorzugsweise bei einer Druckdifferenz, die nicht größer als ein Spitzendruck von etwa 30 Zentimeter Wassersäule

Vorzugsweise liegt der Betriebsdruck der Zelle bei weniger als 7 Atmosphären.

Die Kanäle 56 und 58 zum Einlassen und die Kanäle 50 und 52 zum Auslassen sind vorzugsweise in dem Teil des Flansches 16 vorgesehen, der die entsprechende Kammer 22 und die Kammer 24 berührt. Wenn Zwischenlagen 26 und 26A in diesen Kammern vorgesehen sind, sind entsprechende Öffnungen in den Zwischenlagen angeordnet. Beispiele dieser Öffnungen sind in Fig. 1 dargestellt, wo man einen Kammerauslaß, den Kanal 50, sieht.

Essoll hier darauf hingewiesen werden, daß, obwohl die Vorsprünge 18 in einer Rücken an Rücken liegenden Beziehung dargestellt sind, die sich quer über den Stützteil 17 erstrecken, obwohl dies nicht unbedingt der Fall sein muß. Sie können ebenfalls voneinander versetzt sein. Sie können weiter mehr als eine Querschnittsform aufweisen. Die Zwischenlage 26; 26 A kann Kappen 32; 32A aufweisen, die keine entsprechenden Vorsprünge aufweisen.

Das ECTE14 gemäß der Erfindung kann in Verbindung mit einer Fest-Polymer-Elektrolytzelle verwendet werden, wobei die Elektrode in eine Ionenaustauschermembran eingebettet oder an ihr angeklebt oder gegen sie gepreßt ist. In diesem FAN ist es wünschenswert, einen Stromkollektor zwischen den Vorsprüngen und der Elektrode zu verwenden. Der Stromkollektor verteilt den elektrischen Strom zu der Elektrode. Feste Polymerelektroden sind in den US-PS 4.343.690; 4.468.311; 4.340.452; 4.224.121 und 4.191.618 beschrieben.

Der Druck in der Katholytkammer 24 kann bequem bei einem etwas größeren Druck als dem Druck in der Anolytkammer 22 gehalten werden, so daß die permselektive, die zwei Kammern trennende lonen-Austauschmembran 27 leicht in Richtung und gegen eine gelöcherte Anode in Form einer flachen Platte gedruckt wird, die parallel zu der eben angeordneten Membran angeordnet ist, wobei die Anode elektrisch und mechanisch mit den Anodenvorsprüngen des ECTE14 verbunden ist.

Das Katholyt oder Anolyt zirkuliert durch die entsprechende Kammer, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Die Zirkulation kann eine Zwangszirkulation oder eine durch die von den Elektroden, an denen sie erzeugt werden, aufsteigenden Gase durch das Aufsteigen der Gase bewirkte Zirkulation sein.

Die vorliegende Erfindung ist für die Verwendung der neuentwickelten Polymer-Elektrolytelektroden geeignet, wobei die lonen-Austauschmembranen ein elektrisch leitendes Material aufweisen, das in derartige, dem Fachmann bekannte Elektroden eingebettet ist oder daran angeklebt ist, wobei derartige Elektroden beispielsweise in den US-PS 4.4457.815 und 4.4457.823 beschrieben sind.

Weiter ist die vorliegende Erfindung für Zellen mit einem sogenannten „Null-Spalt" geeignet, in den.en mindestens eine Elektrode mit der lonenaustauschmembran 27 in physikalischer Berührung steht. Wahlweise können beide Elektroden mit der Austauschmembran 27 in physikalischer Berührung stehen. Derartige Zellen sind in den US-PS 4.444.639; 4.457.822 und 4.448.662 beschrieben.

Weiter können andere Zellenbausteine in der erfindungsgemäßen Zelle verwendet werden. Beispielsweise kann eine Matratzenkonstruktion gemäß der US-PS 4.444.632 verwendet werden, um die lonen-Austauschmembran mit einer der Elektroden der Zelle in physikalischer Berührung zu halten. Verschiedene Matratzenformen sind in der US-PS 4.340.452 beschrieben. Die in der US-PS 4.340.452 beschriebenen Matratzen können sowohl mit Fest-Polymer-Elektrolytzellen und „Null-Spalf'-Zellen verwendet werden.

Beispiel 1

Vier (4) Übertragungselemente für elektrischen Strom wurden für eine 61 cm mal 61 cm monopolare Elektrolytvorrichtung gegossen.

Alle Übertragungselemente für elektrischen Strom wurden aus einem ASTM 536, GRD 65-45-12 Weicheisen gegossen und waren hinsichtlich ihrer Gußabmessungen identisch. Die endbearbeiteten Gußstücke wurden untersucht, und man fand heraus, daß sie sowohl strukturmäßig in Ordnung und frei von irgendwelchen Oberflächenfehlern waren. Die ersten Abmessungen waren: Außenseitenabmessungen 61 cm mal 61cm; die Dicke des Stützteils 17 betrug 2cm; sechzehn Vorsprünge 18 mit jeweils einem Durchmesser von 2,5 Zentimeter waren auf jeder Seite des Stützteils 17 angeordnet und erstreckten sich direkt gegenüberliegend voneinander; ein sich rings um den Umfang des Stützteils 17 erstreckender Flansch 16 hatte eine 2,5cm breite Flanschdichtfläche 16A; 16C und eine Dicke von 6,4 Zentimeter. Die bearbeiteten Flächen umfaßten die Flanschdichtflächen 16A; 16C auf beiden Seiten des Flansches 16 und die oberen Enden 28; 28 A jedes Vorsprungs (jede Seite wurde in einer einzigen Ebene und parallel zu der gegenüberliegenden Seite bearbeitet).

Die Kathodenzelle umfaßte 0,9 mm dicke Schutzzwischenlagen aus Nickel auf jeder Seite des ECTE14. Einlaß- und Auslaßdüsen waren ebenfalls aus Nickel hergestellt und wurden vorher mit den Zwischenlagen 26; 26 A verschweißt, bevor die Zwischen lagen mit dem ECTE14 verschweißt wurden. Der Endzusammenbau umfaßte das Punktschweißen der katalytisch beschichteten Nickel-Elektroden mit den Zwischenlagen 26; 26A an jedem Vorsprung 18.'

Die Kathodenendzelle war der Kathodenzelle ähnlich, mit der Ausnahme, daß eine Schutzzwischen lage aus Nickel auf einer Seite ebenso wie eine zugehörige Nickelelektrode nicht erforderlich waren.

Die Anodenzelle umfaßte 0,9mm dicke Schutzzwischenlagen aus Titan auf jeder Seite des ECTE14. Einlaß- und Auslaßdüsen bestanden ebenfalls aus Titan und waren mit den Zwischenlagen 26; 26A vorverschweißt, bevor die Punktverschweißung der Zwischenlagen mit dem ECTE14 durchgeführt wurde. Der Endzusammenbau umfaßte das Punktverschweißen der Titanelektroden mit den Zwischenlagen 26; 26 A an jedem Vorsprung 18 durch dazwischen angeordnete Vanadium-30; 3OA und Titanstücke. Die Anoden waren mit einer katalytischen Schicht aus vermischten Oxiden von Ruthenium und Titan beschichtet. Die Anodenendzeile war der Anodenzelle ähnlich, mit der Ausnahme, daß eine Schutzzwischenlage aus Titan als auch eine zugehörige Titanelektrode an einer Seite nicht erforderlich waren.

Beispiel 2

Zwei (2) monopolare Einheiten und zwei (2) Endzellen wurden wie in Beispiel 1 vorbereitet und zur Ausbildung einer elektrolytischen Zellenanordnung verwendet.

Drei (3) elektrolytische Seiten wurden durch Anordnung eines Anodenteils, einer monopolaren Kathodeneinheit, einer monopolaren Anodeneinheit und eines Kathodenendteils mit drei Folien aus einer Nafion 901 (eingetragenes Warenzeichen)-Membran,die von E.I. Du Pont de Nemours & Co, Incorporated, bezogen werden kann, ausgebildet. Die Membranen waren nur an der Kathodenseite abgedichtet, so daß der Elektroden-zu Elektrodenspalt 1,8 mm und der Kathoden-zu Membranspalt 1,2 mm betrug. Der Betriebsdruck des Katholyts war 140mm Wassersäule höher als der Anolytdruck, um die Membran hydraulisch gegen die Anoden zu halten.

Die oben beschriebene monopolare elektrochemische Zellenanordnung mit Spalt wird in einem Zwangsumlauf des Elektrolyts beschrieben. Die gesamte den drei parallel arbeitenden Anodenkammern zugeführte Strömungsmenge betrug etwa 4,9 Liter pro Minute. Das Verhältnis der aufbereiteten Sole zum umlaufenden Anolyt betrug etwa 800ml pro Minute frischer Sole bei 25,2 Gew.-% NaCI und bei einem pH-Wert von 11. Das umlaufende Anolyt enthielt etwa 9,2Gew.-% NaCI und hatte einen pH-Wert von 4,5. Der Druck des Anolytumlaufs betrug etwa 1,05kg/cm². Die parallele Zuführung zu den drei Kathodenkammern betrug insgesamt 5,7 Liter pro Minute, wobei das aufbereitete Kondensat in diesem Strom etwa 75 ml pro Minute betrug. Die Zellenbetriebstemperatur lag bei etwa 90°C. Die Elektrolyse wurde bei etwa 0,3A/cm² durchgeführt.

Unter diesen Bedingungen erzeugte die elektrochemische Zellenanordnung etwa 33Gew.-%NaOH und Chlorgas mit einer Reinheit von etwa 98,1 Vol.-%. Die mittlere Zellenspannung betrug etwa 3,30 Volt, und der Stromwirkungsgrad lag etwa

Die Zellenspannung war stabil, und es wurde während des Betriebs keine Elektrolytleckage beobachtet.

Beispiel 3

Sechs (6) ECTEs 14 wurden für eine monopolare Elektrolysevorrichtung mit Abmessungen von 61 cm mal 122cm gegossen. Diese Elemente wurden später verwendet, um drei (3) kathodenmonopolare Elektrolysezellen und drei (3) anodenmonopolare Elektrolysezellen auszubilden.

Alle Zellenkonstruktionen wurden aus ASTM A536, GRD65-45-12 Weicheisen gegossen und waren hinsichtlich ihrer Gießabmessungen identisch. Die fertigen Gußstücke wurden untersucht und waren sowohl strukturell als auch hinsichtlich ihrer Oberfläche fehlerfrei. Die Hauptabmessungen waren:

Außenabmessungen 58cm mal 128 cm, Dicke des Stützabschnitts 2,2 cm, Breite der Dichtflächen 16 A; 16C des Flansches 2,5cm.

Der Flansch 16 hatte eine Dicke von 6,4cm und erstreckte sich rings um den Umfang des Stützteils 17. Achtundzwanzig Vorsprünge 18; 18A mit jeweils einem Durchmesser von 2,5cm waren auf einer Seite des Stützteils 17 angeordnet. Dreißig Vorsprünge 18; 18A mit einem Durchmesser von 2,5cm waren auf der gegenüberliegenden Seite des Stützteils 17 angeordnet.

Diese Vorsprünge 18; 18A waren gegeneinander in bezug zum Stützteil 17 versetzt, hätten jedoch ebenfalls direkt einander gegenüberliegend ausgeformt sein können, wenn dies gewünscht worden wäre.

Die bearbeiteten Flächen waren die Flanschdichtflächen 16A; 16C (beide Seiten) und die Enden 28; 28A jedes Vorsprungs 18; 18A (jede Seite war in einer einzigen Ebene und parallel zur gegenüberliegenden Seite bearbeitet) Hülsenschlitze (Eintritts- und Auslaß-Seite auf jeder Seite) waren ebenfalls auf die Endabmessungen bearbeitet.

Die Kathodenzelle umfaßte 0,9 mm dicke Schutzzwischenlagen aus Nickel auf jeder Seite des ECTE14. Einlaß- und Auslaßdüsen bestanden ebenfalls aus Nickel und wurden mit den Zwischenlagen 26; 26 A vor dem Punktverschweißen der Zwischenlagen 26; 26 A und des ECTE14 vorverschweißt. Die endgültige Anordnung umfaßte das Punktverschweißen der Nickel elektroden mit den Zwischenlagen 26; 26A (beide Seiten) an jedem Vorsprung 18; 18A.

Die Anodenzelle umfaßte eine 0,9 mm dicke Schutzzwischenlage aus Titan auf jeder Seite des ECTE14. Einlaß- und Auslaßdüsen bestanden ebenfalls aus Titan und waren mit den Zwischenlagen 26; 26A vor dem Punktverschweißen der Zwischenlagen 26; 26A mit dem ECTE 14 vorverschweißt. Die endgültige Anordnung umfaßte das Punktverschweißen der Titanelektroden mit den Zwischenlagen 26; 26 A (auf beiden Seiten) mit jedem der Vorsprünge 18; 18 A.

Die gelöcherten Titanelektroden umfaßten ein 1,5 mm dickes Titanblech, das zu einer Länge von etwa 155% expandiert war, wodurch diamantförmige Öffnungen von 8 mal 4mm im Blech ausgebildet wurden, wobei das Blech mit einer katalytischen Schichteines gemischten Oxids von Ruthenium und Titan beschichtet war. Wie oben beschrieben, wurde das beschichtete Titanblech mit der Zwischenlage an jedem Vorsprung 18; 18A verschweißt.

Ein dünneres 0,5mm dickes Titanblech, das zu einer Länge von etwa 140% expandiert war, wodurch sich diamantförmige Öffnungen von 4mal 2 mm ausbildeten, und das ebenfalls mit einer katalytischen Schicht eines gemischten Oxids aus Ruthenium und Titan beschichtet war, wurde über das dickere Blech punktverschweißt.

Die gelöcherten Nickelkathoden umfaßten ein rauhes 2 mm dickes Nickelblech, das expandiert war, um Öffnungen von 8 mal 4mm zu bilden, und war mit der Nickelzwischenlage an jedem Vorsprung 18; 18A verschweißt. Drei Schichten gewelltes Nickeldrahtgewebe aus einem Draht mit 0,15 mm Durchmesser bildeten eine federnde zusammendrückbare Matte und waren über dem rauhen Nickelblech angeordnet.

Einfliegennetzartiges Nickelsieb aus Draht mit 0,15 mm Durchmesser, der mit einer katalytischen Beschichtung aus einer Mischung von Nickel und Rutheniumoxiden beschichtet war, wurde über die federnde kompressible Matte angeordnet. Die fertige Filterpressenzellenanordnung wurde durch Zwischenfügen einer Membran zwischen benachbarte gelöcherte Kathoden und gelöcherte Anodenelemente verschlossen.

Die Membrane wurde federnd zwischen den gegenüberliegenden Flächen des beschichteten Titanblechs (Anode) und dem fliegennetzartigen beschichteten Nickelsieb (Kathode) zusammengedrückt.

Die Elektrolyse der Natriumchloridlösung wurde in der Zelle unter folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt:

Anolytkonzentration 200 g/Liter NaCI

Anolyt pH-Wert: 4-4,1

Katholytkonzentration 35Gew.-%von NaOH

Temperatur des Anolyts: 90⁰C

Stromdichte: 300A/m².

Die beobachtete mittlere Zellenspannung betrug weniger als etwa 3,6 Volt und 3,23 Volt. Der kathodische Wirkungsgrad lag bei etwa 95% und die Chlorgasreinheit bei etwa 98,6%.

Claims (17)

1. Monopolare Zelle mit zwei Endzelleneinheiten und mindestens einer zwischen den Endzelleneinheiten eingeordneten mittleren Zelleneinheit, wobei die Zelleneinheiten mittels eines Separators getrennt sind, der aus einer im wesentlichen hydraulisch impermeablen lonenaustauschmembran oder einem hydraulisch permeablen Diaphragma besteht, gekennzeichnet dadurch, daß die mittlere Zelleneinheit (11)

— zwei im wesentlichen parallele, im wesentlichen ebene, voneinander beabstandete Elektrodenteile (46; 46A), und

— ein im wesentlichen festes Übertragungselement (14) für elektrischen Strom, das im Raum zwischen den Elektrodenteilen (46; 46 A) angeordnet ist, umfaßt, wobei

— das Übertragungselement (14) ein Paar gegenüberliegende im allgemeinen ebene Flächen und mehrere über beide Flächen verteilte Vorsprünge (18; 18A) aufweist, die sich von dem Übertragungselement (14) um einen vorbestimmten Abstand nach außen in zum Übertragungselement benachbarte Elektrolytkammern (22) erstrecken, und zumindest ein Teil der Vorsprünge (18; 18A) mechanisch und elektrisch entweder direkt oder indirekt mit den Elektrodenteilen (46; 46 A) verbunden ist, und zumindest ein elektrischer Anschluß (19) am Übertragungselement (14) angebracht ist, um elektrischen Strom zum oder vom Übertragungselement^) zu leiten, um elektrische Energie zu jedem der Elektrodenteile (46; 46A) zu leiten.

2. Monopolare Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (14) für den elektrischen Strom der mittleren Zelle (11) einen im allgemeinen ebenen Stützabschnitt (17) und einen sich rings um den Umfang des Stützabschnitts (17) erstreckenden Flansch (16) aufweist, der eine Dicke von mindestens dem Zweifachen der Dicke des Stützteils (17) aufweist.

3. Monopolare Zelle nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Flansch (16) der mittleren Zelleneinheit (11) eine Dicke von weniger als etwa 10cm und der Stützteil (17) eine Dicke von mindestens etwa 0,5cm aufweist.

4. Monopolare Zelle nach Punkt 1,2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (14) der mittleren Zelleneinheit (11) die beiden gegenüberliegenden Seiten des Übertragungselements (14) verbindende Öffnungen aufweist.

5. Monopolare Zelle nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Öffnungen nicht mehr als etwa 60% der gesamten Oberfläche des Stützteils (17) des Übertragungselements (14) einnehmen.

6. Monopolare Zelle nach Punkt 1,2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (14) der mittleren Zelleneinheit (11) hydraulisch impermeabel ist.

7. Monopolare Zelle nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (14) der mittleren Zelleneinheit (11) aus einem gießbaren Metall aus der Gruppe der Eisenmetalle, Nickel, Aluminium, Kupfer, Magnesium, Blei, Legierungen derselben und Legierungen davon besteht.

8. Monopolare Zelle nach einem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß jede mittlere Zelleneinheit (11) ein Paar Seiten-Zwischenlagen (26; 26A) aufweist, die zumindest die Endflächen (28; 28A) zumindest eines Teils der Vorsprünge (18; 18A) auf gegenüberliegenden Seiten des Stützteils (17) berühren, und daß die Seiten-Zwischenlagen (26; 26A) aus einem elektrisch leitenden, korrosionsbeständigen Material bestehen.

9. Monopolare Zelle nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Seiten-Zwischenlagen (26; 26 A) jeder mittleren Zelleneinheit so ausgebildet sind, daß sie über und rings um die Vorsprünge (18; 18A) passen, und ausreichend um die beabstandeten Vorsprünge (18; 18A) in Richtung des Übertragungselements (14) in die Räume zwischen die Vorsprünge hineingedrückt sind, daß eine Zirkulation des Elektrolyts zwischen dem verkleideten Übertragungselement (14) und den Elektrodenteilen (46; 46A) möglich ist.

10. Monopolare Zelle nach Punkt 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Zwischenlagen (26; 26A) jeder mittleren Zelleneinheit (11) mit den Vorsprüngen (18; 18A) mittels Verschweißen eines zwischen den Vorsprüngen (18; 18A) und der Zwischenlage (26; 26A) angeordneten Metalls (30; 30A) verbunden sind, wobei das dazwischen angeordnete Metall sowohl mit den Vorsprüngen als auch mit der Zwischenlage verschweißbar ist.

11. Monopolare Zelle nach Punkt 8, 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Zwischenlage (26; 26A) jeder mittleren Zelleneinheit (11) aus einem Metall besteht, ausgewählt aus der Gruppe Nickel, rostfreier Stahl, Chrom, Monel-Metall, Titan, Vanadium, Tantal, Columbium, Hafnium, Zirkonium und Legierungen davon.

12. Monopolare Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zwischenlage (26; 26A) auf der Einheit (11) sich bis zum Flansch (16) erstreckt.

13. Monopolare Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Flansch (16) der Zelleneinheit (11) eine Dichtung (44) ist.

14. Monopolare Zelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (14) in Form eines im wesentlichen ebenen Körpers ausgebildet ist, welcher eine Vielzahl von Vorsprüngen (18; 18A) besitzt, die von entgegengesetzten Oberflächen abstehen, daß Zwischenlagen (26; 26A) mit einer Vielzahl erhabenerTeile (38; 38A) und mit einem Profil vorgesehen sind, welches dem ebenen Übertragungselement (14) im wesentlichen angepaßt ist, daß die Zwischenlagen (26; 26A) aus einem korrosionsbeständigen Metall bestehen und auf den voneinander abgelegenen Oberflächen des Übertragungselements (14) angeordnet sind, daß gelochte Elektrodenteile (46; 46A) an den Zwischenlagen angeordnet sind, und zwar in Kontaktbeziehung zu den erhabenen Teilen (38; 38A) der Zwischenlagen (26; 26A), daß die Elektrodenteile (46; 46A), die Zwischenlagen (26; 26A) und das Übertragungselement (14) elektrisch miteinander an der Stelle mindestens einiger der Vorsprünge (18; 18A) verbunden sind und daß der elektrische Anschluß (19) einen positiven oder negativen Pol einer elektrischen Stromquelle mit mindestens einer Kante des Übertragungselements (14) verbindet, um elektrische Energie über jeden der Elektrodenteile (46; 46A) zu verteilen.

15. Monopolare Zelle nach Punkt 14, gekennzeichnet dadurch, daß das elektrische Übertragungselement (14) einen im wesentlichen ebenen Stützabschnitt (17) und einen Flansch (16) besitzt, der sich um den Rand des Stützabschnitts (17) herum erstreckt.

16. Monopolare Zelle nach Punkt 15, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teil des Flansches (16) einstückig mit dem Stützabschnitt (17) ist und daß ein weitererTeil des Flansches (16) ein gesondertes Teil darstellt.

17. Monopolare Einheit nach Punkt 15, gekennzeichnet dadurch, daß der Flansch (16) aus mehreren zusammengesetzten Teilen besteht.