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Diaphragma-Elektrolysezelle mit vertikal rippenförmig gefalzten Elektroden
Die Erfindung betrifft eine Diaphragma-Elektrolysezelle mit mindestens zwei Elektroden,
die vertikal rippenförmig gefalzt und so angeordnet sind, daß die Rippen. benachbarter
Elektroden ineinandergreifen und das Diaphragma zwischen sich zickzackförmig halten.
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Die aius der deutschen Patentschrift 483 408 bekannte Zelle dieser
Art ist für wäßrige Elektrolyten bestimmt.' In einem Gehäuse aus parallelen, randseitig
abgedichtet verbundenen ebenen Platten sind die durchlässigen Elektroden aus Drahtgeflecht
od. dgl. wellenförmig angeordnet und spannen das aus Asbest bestehende Diaphragma
derart zwischen sich ein, daß es den Raum zwischen den Elektroden nahezu vollständig
ausfüllt. Entlang den Berührungslinien der Drahtgeflechtelektroden mit der-jeweils
zugehörigen Gehäuseplatte sind diese Elemente-miteinander verschweißt. Die hinter
den Elektroden von deren Wellenbäuchen ausgebildeten Räume dienen der Gasabfuhr.
- -Die gewellte Elektrodenausbildung bringt eine höhere Raumausbeute mit sich, weil
sie die wirksame Arbeitsfläche der Elektroden über der ohnehin benötigten Bodenfläche
vergrößert. Auch ist die relative Verkürzung der Dichtungen von Vorteil: Hinsichtlich
der Führung des Elektrolyten durch die Zelle sowie die Sammlung und Abfuhr der dabei
erzeugten Gase konnte die bekannte Zelle jedoch nicht befriedigen. Ferner ist keine
filterpressenartige Hintereinanderanordnung mehrerer gleichartiger Elektroden möglich.
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Bei modernen Zellen, bei denen die Elektroden aus selbsttragenden,
gleichzeitig die Zellenwände bildenden Blechen bestehen, und die sich insbesondere
auch für die Zerlegung von Chlorwasserstoff und Chloralkali eignen, tritt meist
das Problem der Elektrolytverarmung bestimmter, strömungsungünstig gelegener Abschnitte
der Elektroden auf. Ferner ergeben sich Schwierigkeiten bei dem Abtransport der
Elektrolyseprodukte; erstrebenswert ist insoweit, die an den Elektroden entstehenden
Gasbläschen möglichst frühzeitig abzulösen, ehe sie zu groß werden und den Stromfluß
bzw. den Elektrolyseprozeß behindern, und die Bläschen möglichst rasch aus den elektrodisch
aktiven Zonen abzuziehen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß hier nur durch Unterteilen
des Elektrodenraumes und Erzwingen gleichmäßiger Strömung in den einzelnen Raumabschnitten
Abhilfe geschaffen werden kann. Sie benutzt daher die aus der deutschen Patentschrift
483 408 bekannte wellenförmige Ausbildung und ineinandergreifende Anordnung der
Elektroden mit dazwischenliegendem Diaphragma, ist im übrigen aber dadurch gekennzeichnet,
daß -die Elektroden aus selbsttragenden, in an sich bekannter Weise die Zellenwände
bildenden und in" einem umlaufenden Rahmen eingespannten Elektrodenblechen bestehen;
und daß das Daphragma unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht nur auf den Rippenvorsprüngen
abwechselnd des einen und des anderen Elektrodenbleches aufliegen.
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Dadurch sind beidseits des -dünnen Diaphragmas ineinandergesehachtelte
gabelartige Elektrodenräume mit keilförmigen Abscheideräumen und zurückliegenden
Gassammelräumen ausgebildet. Die keilförmige Erweiterung jedes Abscheideraumes zum
zugehörigen Gassammelraum hin begünstigt- das Abziehen der Gase, deren Menge im
gleichen Sinri zunimmt. Trotz dieser Keilform bleibt die Parallelität der Elektroden
in ihren elektrodisch wirksamen Bereichen gewahrt. Die von den Sattelräumen der
gewellten Elektrodenbleche gebildeten Gassammelräüme sind wegen des größeren Elektrodenabstandes
-und der Isolierschichten auf den in die Sattelräume ragenden Rippenvorsprüngen
der jeweiligen Gegenelektrode praktisch inaktiv.
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Ferner führt die Keilform der Abscheideräume zu Wirbelbildungen im
rasch aufwärts geführten Elektrolyten, wodurch auch kleine Gasbläschen von den Elektroden
gelöst und in - die Gassammelräume gespült werden.
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Die rippenförmige Wellung der durchgehenden Elektrodenbleche, die
an sich, aus der französischen Patentschrift 1251050 bekannt ist, bringt in Verbindung
mit ihrer ineinandergreifenden. Anordnung den
zusätzlichen Vorteil
größerer Steifigkeit mit sich, der bei den modernen dünnwandigen Zellen eine Vergrößerung
der Zellenaußenmaße erlaubt, zumal das Diaphragma infolge seiner mehrfachen Abstützung
auch bei größeren Spannweiten stets genau fixiert ist.
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Vorzugsweise liegen die rippenförmigen Falzungen der Elektrodenbleche
im wesentlichen auf einer Seite der mittleren Einspannebene der Elektrodenbleche
im Rahmen. Diese Ausbildung bringt insbesondere fertigungs- und anordnungstechnische
Vorteile mit sich. Im allgemeinen münden die Falzungen - zumindest an einigen der
Randabschnitte - in Elektrolytzufuhrkanäle bzw. Sammelkanäle für Anolyt, Katholyt
und die Elektrolyseprodukte, so daß die gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten
und die ungehinderte Abführung der Flüssigkeiten und Gase gewährleistet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt die Einspannebene
des Diaphragmas im Rahmen zwischen den Elektrodenblechen näher der Einspannebene
desjenigen Elektrodenbleches, an dessen rahmenseitig erster Falzung- das Diaphragma
anliegt und das die Anode bildet. Hierdurch wird eine Berührung der an der Anode
abgeschiedenen, zumeist aggressiven Elektrolyseprodukte mit dem Rahmenmaterial vermieden.
Eine solche Berührung beispielsweise mit dem bei der Chlorwasserstoff- oder der
Chloralkali-Elektrolyse an der Anode abgeschiedenen Chlor führt zu einem höchst
unerwünschten und nachteiligen Aufchlorieren der zumeist aus Gummi oder Kunststoff
bestehenden Rahmendichtung. Lediglich der Kathodenraum bzw. ein Kathodenraum der
Zelle steht mit dem Rahmen in Berührung.
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Zur Veranschaulichung der Erfindung ist in den Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 die erfindungsgemäße Elektrolysezelle in einem
horizontalen Querschnitt gemäß der Linie 1-I in F i g. 3, .
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F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g.1, F i g. 3' eine
seitliche Draufsicht auf die Elektrolysezelle gemäß F i g. 1 und F i g. 4 eine Ansicht
derselben Zelle von der Seite. Das im folgenden näher beschriebene Ausführungsbeispiel
stellt eine monopolar ausgebildete und betriebene Elektrolysezelle dar. Es ist jedoch
ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäße Zelle auch bipolar auszubilden und zu
betreiben. Die Voraussetzungen zu der dann erforderlichen filterpressenartigen Hintereinanderschaltung
von Elektrodenblechen sind sowohl durch die bereits erwähnte Steifigkeit der Bleche,
als auch durch die Unempfindlichkeit der Zellenkonstruktion gegen Abstandsänderungen
der Elektrodenbleche senkrecht zu ihrer Einspannebene, die insbesondere bei stärkerer
Belastung der Zellen möglicherweise auftreten könnten, gegeben, denn eine Verschiebung
eines Elektrodenbleches in der genannten Richtung führt nur zu einer wesentlich
geringeren Abstandsverringerung oder -erhöhung in, Richtung des wirksamen Stromflusses,
wie aus F i g.1 sogleich zu erkennen ist.
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Das die Anode bildende Elektrodenblech 1, und das die Kathode bildende
Elektrodenblech 2 sind randseitig in einem gemeinsamen, die Ränder der Bleche umgreifenden
und beispielsweise aus Kunststoff oder Hartgummi bestehenden Rahmen 3 eingespannt
und mit diesem flüssigkeits- und gasdicht fest verbunden. Zwischen den Elektrodenblechen
ist im Rahmen 3
ferner auch das Diaphragma 4 angeordnet, wobei dessen in den
Rahmen eingespannter Rand wesentlich näher am Anodenblech 1 als am Kathodenblech
2
liegt.
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Die Elektrodenbleche 1 und 2 sind zwischen den vertikalen Rahmenabschnitten
in wechselnder Richtung, aber gleichsinnig und in gleichbleibend parallelem Abstand
derart gefalzt, daß die bei beiden Elektrodenblechen mit 5 bezeichneten Sattel oder
Vorsprünge in die jeweils entsprechenden, mit 6 bezeichneten Sattelräume oder Ausbuchtungen
der Gegenelektrode hineinragen. Dabei ist - wie aus F i g.1 hervorgeht - die Anordnung
so getroffen, daß die rippenförmig gefalzten Elektroden im wesentlichen nur auf
der einen Seite einer durch ihre Einspannung im Rahmen verlaufenden Ebene liegen.
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Das durch den Elektrolysezellen-Innenraum gespannte Diaphragma weist
auf seinem zickzackförmigen Verlauf eine der Rippenanzahl entsprechende Zahl von
ebenen Abschnitten auf, die durch gekrümmte, auf den Rippenvorsprüngen 5 aufliegende
Diaphragmaabschnitte miteinander verbunden sind. Zum mechanischen und elektrodischen
Schutz von Diaphragma und Elektrodenblech sind die Rippenvorsprünge 5 innenseitig
mit einer zwischen dem. Elektrodenblech 1 bzw. 2 und dem Diaphragma
4
liegenden Isolierschicht 7 (vgl. Fig.2) versehen. Die Tatsache, daß das
Diaphragma in der Nähe der oberen und unteren Zellenränder nicht mehr die Führung
der rippenförmig gefalzten Elektrodenbleche hat, spielt keine Rolle, weil es sich
bei diesen Abschnitten nicht um elektrolytisch wirksame Elektrodenflächen handelt.
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Um die wichtige Fixierung der Elektrodenbleche 1 und 2 und des Diaphragmas
4 bei der Montage der Zelle sowie bei ihrem Betrieb zu gewährleisten, sind im umlaufenden
Rahmen 3 eine Reihe von Stiften 8
vorgesehen, die die Lage von Blechen und
Diaphragma genau fixieren.
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Wie mit Deutlichkeit aus F i g. 1 hervorgeht, sind die bei den bekannten
Zellen durchgehenden Anoden-und Kathodenräume gemäß der Erfindung praktisch in eine
der Rippenzahl entsprechende Zahl von einzelnen Räumen aufgeteilt. Dabei ergibt
sich durch die bereits beschriebene Anordnung des Diaphragmas 4 im Rahmen 3, daß
keine der mit dem Anodenblech 1 in Verbindung stehenden Anodenräume 9 mit dem Rahmen
3 in Verbindung steht, so daß die in den Anodenräumen 9 abgeschiedenen, möglicherweise
stark aggressiven Elektrolyseprodukte nicht zu einem chemischen Angriff auf den
Rahmenwerkstoff in der Lage sind (10 = Kathodenräume).
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Die Elektrodenbleche 1 und 2 münden an ihrem oberen Rand - wie aus
F i g. 3 und 4 hervorgehtin die Sammelkanäle 11 bzw. 12 für die Elektrolyseprodukte
und den Anolyten bzw. Katholyten. Die Sammelkanäle 11 und 12 sind mit ihren randseitigen
Flanschen in den ebenen Rahmen 3 eingeführt. Mittels der Rohranschlußstutzen 13
und 14 sind die Kanäle an weiterführende Leitungen anzuschließen. In ähnlicher Weise
ist das Anodenblech 1 auch an seinem unteren Rand in .den Zufuhrkanal 15 für den
Elektrolyten eingeführt, der mit einem Anschlußstutzen 16 versehen ist.
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Die Stromzufuhr an die Elektrodenbleche 1 und 2 erfolgt über Bolzen
17, welche in keilförmige, den außenliegenden Einbuchtungen der Elektrodenbleche
angepaßte
und mit diesen fest verbundene Anschlußstücke 18 eingeschraubt sind.
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Es sei abschließend darauf hingewiesen, daß die hier dargestellte
etwa dreieck- oder keilförmige Falzung der Elektrodenbleche keineswegs die einzige
erfindungsgemäß mögliche ist, es sind selbstverständlich auch zahlreiche andere
Falzungsquerschnitte ausführbar und geeignet.