DE19650228A1 - Elektrolysezelle mit bipolaren Elektroden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit einem Elektrolyten und mehreren, vom Elektrolyten umgebenen bipolaren Elektroden, die während des Betriebs der Zelle elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei jede der bipolaren Elektroden eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, zwischen denen während des Betriebs eine elektrisch leitende Verbindung besteht.

DE-A-44 38 692 (hierzu korrespondiert die US-Anmeldung Serial No. 08/549 014) und auch das US-Patent 5 248 398 beschreiben Elektrolysezellen dieser Art, mit denen aus einem Elektrolyten Metalle gewonnen werden. Nachteilig ist bei den bekannten Zellen, daß jede bipolare Elektrode nur komplett aus der Zelle herausgezogen werden kann, da die Anodenseite mit der Kathodenseite der Elektrode starr verbunden ist. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine oder mehrere der bipolaren Elektroden so auszugestalten, daß der gewünschte Elektrodenteil mehr oder weniger unabhängig vom anderen Teil handhabbar wird.

Bei der eingangs genannten Elektrolysezelle wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine bipolare Elektrode eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, die gegeneinander bewegbar ausgebildet sind. Die Kathodenseite und die Anodenseite sind nicht mehr mechanisch miteinander untrennbar gekoppelt, sondern mehr oder weniger gegeneinander bewegbar. Dadurch kann der Abstand zwischen den beiden Elektrodenseiten in der gewünschten Weise verändert werden, und insbesondere läßt sich eine der beiden Elektrodenseiten auf diese Weise aus der Zelle entfernen, während die andere Elektrodenseite in der Zelle verbleibt.

Eine, mehrere oder alle der bipolaren Elektroden der Zelle sind trennbar ausgebildet, so daß es möglich ist, entweder die Kathodenseite oder die Anodenseite einer bipolaren Elektrode aus dem Elektrolyten herauszuziehen und die andere Seite in der Zelle zu belassen.

Die unabhängige Bewegbarkeit einer Elektrodenseite sowie die Möglichkeit, bipolare Elektroden in sich zu trennen, kann auf verschiedenartige Weise genutzt werden. Wenn die Elektrolysezelle der Abscheidung eines Feststoffs dient, scheidet sich der Feststoff während des Betriebs der Zelle, je nach Stoff und Elektrolyt, auf der Kathodenseite oder der Anodenseite ab. Die Elektrodenseite mit dem abgeschiedenen Produkt kann, unabhängig von der anderen Elektrodenseite, aus der Zelle herausgezogen, vom abgeschiedenen Produkt befreit und in die Zelle zurückgesetzt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, auf einer Elektrodenseite eine galvanische Beschichtung vorzunehmen und die beschichtete Elektrodenseite aus der Zelle zu entfernen. Ferner kann eine Elektrodenseite zur Wartung aus der Zelle entfernt und, falls nötig, auch ausgewechselt werden.

Es empfiehlt sich, dafür zu sorgen, daß während des Betriebs der Zelle zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite einer bipolaren Elektrode eine elektrische Spannung von 0,3 bis 8 Volt und vorzugsweise 0,5 bis 4 Volt besteht, wenn auf einer Elektrodenseite Metall abzuscheiden ist. Durch diese, wenn auch geringfügige Spannung sorgt man dafür, daß das Metall an einer bipolaren Elektrode nur auf der gewünschten Fläche und nicht gleichzeitig auch noch auf einer anderen Oberfläche der gleichen bipolaren Elektrode abgeschieden wird. Metalle, die dem Elektrolyten entzogen und auf der Kathodenseite der bipolaren Elektroden abgeschieden werden, sind z. B. Kupfer, Zink, Cobalt oder Nickel. MnO₂ kann man z. B. auf der Anodenseite abscheiden, wobei man als Elektrolyten eine schwefelsaure Mangan-(II)-Sulfatlösung verwendet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die elektrische Verbindung zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite der trennbaren bipolaren Elektrode einen Berührungskontakt aufweist. Durch diesen Berührungskontakt fließt während des Betriebs der Zelle ein elektrischer Strom innerhalb der bipolaren Elektrode zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite. Da sich die beiden Elektrodenseiten am Kontakt nur berühren und nicht z. B. miteinander verschraubt sind, lassen sich die Teile leicht voneinander mechanisch lösen. Es ist möglich, im Bereich des Berührungskontakts durch Klemmwirkung den Anpreßdruck der Kontaktflächen zu verstärken. Im allgemeinen ist es aber ausreichend, das Gewicht des bewegbaren Elektrodenteils für den Druck im Bereich des Berührungskontakts zu nutzen. Für einen guten Stromfluß im Bereich des Berührungskontakts sorgt man im allgemeinen dadurch, daß sich dort elektrisch gut leitende Metalle wie Kupfer oder Silber berühren.

Der Berührungskontakt zweier Elektrodenteile kann außerhalb des Elektrolyten oder auch im Elektrolyten angeordnet sein. Z. B. kann sich der Berührungskontakt auf oder in der Nähe des Behälterrandes der Zelle befinden, wo er leicht zugänglich ist und ohne Schwierigkeiten überwacht werden kann. Andererseits kann man den Berührungskontakt auch im Elektrolyten anordnen, z. B. in der Nähe des Bodens des Zellenbehälters. Hier sorgt der Elektrolyt vorteilhafterweise für die Kühlung des Kontaktbereichs.

Die Ausbildung der bipolaren Elektroden, bei denen die Kathoden- oder Anodenseite beweglich und abtrennbar ausgestaltet ist, kann auf verschiedene Weise erfolgen. Insbesondere kommen für die Anodenseite Platten aus Blei, Titan oder Grafit in Frage, auch kann es sich um aktiviertes Streckmetall handeln. Die Anodenseite kann auch als Gasdiffusions-Anode ausgestaltet sein, wobei man für eine Gaszufuhr sorgt. Für die Kathode kommen ebenfalls Bleche oder Platten z. B. aus Titan, Edelstahl oder Grafit in Frage. Die Kathodenseite kann eine Netz- oder Gitterstruktur aufweisen. Ferner kann sie als Kasten mit perforierten Wänden ausgestaltet sein, der z. B. mit Kohlegranulat gefüllt ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kathodenseite als Gasdiffusions-Kathode auszugestalten und für eine Gaszufuhr zu sorgen.

In der Zelle können die Kathoden- und Anodenseiten der Elektroden z. B. in vertikalen Rillen der Behälter-Innenwände geführt sein. Vorteilhafterweise wird man dafür sorgen, daß seitlich zwischen der Innenwand des Behälters und den Elektroden kein oder nur wenig Elektrolyt fließt. Der Abstand zwischen dem Behälterboden und der Unterkante der Elektroden wird üblicherweise im Bereich von 3 bis 30 mm liegen, und der seitliche Abstand zwischen der Behälterwand und den Elektroden liegt zumeist zwischen 0 und 5 mm.

Die bipolare Elektrode macht es z. B. bei der Metallabscheidung möglich, den Bereich der Abscheidung auf einfache Weise allein durch die Ausrichtung und Beeinflussung des elektrischen Feldes gezielt einzugrenzen. Eine Möglichkeit dieser Beeinflussung besteht darin, zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite der trennbaren bipolaren Elektrode eine Trennwand anzuordnen. Diese Trennwand ist jedoch so auszugestalten und anzuordnen, daß sie den Fluß des Elektrolyten nicht völlig unterbindet.

Ausgestaltungsmöglichkeiten der Elektrolysezelle und ihrer bipolaren Elektroden werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt nach der Linie I-I in Fig. 2 durch eine schematisch dargestellte Elektrolysezelle,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II durch die Elektrolysezelle der Fig. 1,

Fig. 3 die Teilansicht einer trennbaren, bipolaren Elektrode, gesehen in Richtung des Pfeils (A) in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV durch die Elektrolysezelle der Fig. 1,

Fig. 5 eine weitere Variante einer trennbaren, bipolaren Elektrode, dargestellt im Längsschnitt analog zu Fig. 1,

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI durch die Elektrode der Fig. 5 und

Fig. 7 vier Möglichkeiten der Ausgestaltung einer Trennwand in Ansicht.

Die Elektrolysezelle (1) der Fig. 1 weist einen trogartigen Behälter (2) mit einem Elektrolyt-Zulauf (3) und einem Ablauf (4) auf. Der Flüssigkeitsspiegel des Elektrolyten im Behälter (2) ist durch die gestrichelte Linie (5) markiert. Im Behälter (2) befinden sich eine erste bipolare Elektrode (7), eine zweite bipolare Elektrode (8), eine plattenförmige Endanode (9) und eine plattenförmige Endkathode (10). Die Hauptteile der trennbaren Elektrode (7) sind die Kathodenseite (K7) und die Anodenseite (A7), sowie die elektrisch leitende Verbindung (11) zwischen den beiden Elektrodenseiten (K7) und (A7). Die andere bipolare Elektrode (8) weist die Kathodenseite (K8), die Anodenseite (A8) und die elektrisch leitende Verbindung (12) auf. Die Anodenseite (A8) und die elektrisch leitende Verbindung (12) sind vorzugsweise fest miteinander verbunden. Demgegenüber berührt die Kathodenseite (K8) die Verbindung (12) nur, wenn sich die Kathodenseite (K8), wie in Fig. 1 dargestellt, während des Betriebs auf der Verbindung (12) abstützt. Im übrigen ist die Kathodenseite (K8) aufwärts bewegbar und kann aus dem Behälter (2) herausgezogen und dann wieder in ihre Betriebsposition (Fig. 1) zurückgeführt werden, wie dies durch den Doppelpfeil (B) angedeutet ist.

Aufwärts bewegbar (Pfeil B) ist auch die Kathodenseite (K7) der bipolaren Elektrode (7). In der in Fig. 1 dargestellten Betriebsposition ist die Kathodenseite (K7) in die elektrisch leitende Verbindung (11) eingehängt, wie das anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert wird. Die Verbindung (11) ist mit der Anodenseite (A7) vorzugsweise fest verbunden, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen (A7) und (11) herzustellen.

Fig. 2 zeigt den vertikalen Querschnitt entlang der Linie II-II durch die Elektrode (7) der Fig. 1. Im Behälter (2) befindet sich die Kathodenseite (K7), die an einer horizontalen, elektrisch leitenden Tragstange (15) befestigt ist. Die Tragstange stützt sich in Fig. 2 auf zwei elektrisch leitenden Verbindungen (11) ab, die auf dem oberen Rand (2a) des Behälters (2) angeordnet sind.

Fig. 3 zeigt die Ansicht der Darstellung gemäß Fig. 2, gesehen in Richtung des Pfeils (A). Man sieht den oberen Behälterrand (2a), auf dem eine Verbindung (11) liegt, die mit dem Behälter verbunden sein kann. Verbunden mit der elektrisch leitenden Verbindung (11) ist die in Fig. 3 gestrichelt dargestellte Anodenseite (A7). In Fig. 3 ist, entgegen der Darstellung der Fig. 2, die Tragstange (15) gegenüber der Verbindung (11) etwas abgehoben dargestellt. Damit soll verdeutlicht werden, daß die Kathodenseite (K7), die mit der Stange (15) verbunden ist, zusammen mit dieser Stange nach oben entfernt werden kann. Durch den Pfeil (B) ist dies angedeutet. In der Betriebslage, vergleiche Fig. 2, liegt die Stange (15) in einer Kerbe (16) in der Oberseite der Verbindung (11). Dabei besteht im Bereich der Kerbe (16) ein guter elektrischer Kontakt zur Tragstange (15). Gleichzeitig sorgt die Kerbe (16) dafür, daß die Kathodenseite (K7) nach ihrem Herausziehen aus dem Behälter (2) und anschließendem Wiedereinsetzen in den Behälter stets in die gleiche Position zurückfindet. Abweichend von der Darstellung der Fig. 2 kann es ausreichend sein, anstelle von zwei Verbindungen (11) auch nur eine elektrisch leitende Verbindung (11) für eine bipolare Elektrode vorzusehen. Korrosionsgefährdete Teile wie z. B. die Tragstange (15) oder die Verbindung (11) können ganz oder teilweise mit einem Titan-Mantel versehen sein, der einen elektrisch gut leitenden Kupfer-Kern umgibt.

Fig. 4 zeigt den senkrechten Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 1. Im Behälter (2) ist die Kathodenseite (K8) zu sehen, die mit einer horizontalen Tragstütze (18) verbunden ist. Die Stütze (18) braucht nicht elektrisch leitend ausgebildet zu sein. Gleichzeitig stützt sich die Kathodenseite (K8) auf der elektrisch leitenden Verbindung (12) ab, die schemelartig ausgebildet ist. Durch eine kleine, nicht dargestellte Kerbe im Rand des Behälters (2) wird dafür gesorgt, daß die Tragstütze nur seitlich geführt wird und das volle Gewicht der Kathodenseite (K8) auf der Verbindung (12) ruht.

Es ist ohne weiteres möglich, analog zur beschriebenen und anhand der Fig. 5 und 6 noch zu beschreibenden Weise anstelle der beweglichen, trennbaren Kathodenseite die Anodenseite einer bipolaren Elektrode beweglich und trennbar auszubilden und die unbewegliche Anordnung für die Kathodenseite vorzusehen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante einer trennbaren bipolaren Elektrode (13) im Längsschnitt analog zu Fig. 1; Fig. 6 zeigt den Längsschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5. Die Kathodenseite (K13) weist oberhalb des Behälterrandes (2a) eine horizontale Verbindung (11a) auf, die in der Betriebslage (vergleiche Fig. 5) den elektrisch leitenden Kontakt zur Anodenseite (A13) herstellt. Zusätzlich ist in Fig. 5 und 6 eine horizontale Trennwand (20) dargestellt, die im Bereich des Elektrolyten angeordnet ist und an den Seitenwänden (2b) und (2c) des Behälters (2) befestigt ist. Die Oberkante der Trennwand liegt etwas höher als der Flüssigkeitsspiegel (5). Die Trennwand (20) wird üblicherweise aus nicht leitendem Material, z. B. Kunststoff, hergestellt. Durch die Form der Trennwand (20) und ferner auch durch in ihr angeordnete Öffnungen oder Perforationen kann das zwischen der Kathodenseite (K13) und der Anodenseite (A13) aufgebaute elektrische Feld beeinflußt werden. Die Trennwand fokussiert das elektrische Feld zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite. Dabei wird es möglich, insbesondere bei der Kupferabscheidung auf Stahlkathoden dafür zu sorgen, daß die Randbereiche der Kathode ganz oder weitgehend frei von abgeschiedenem Kupfer gehalten werden. Auch z. B. bei der Gewinnung von Zink ist es vorteilhaft, wenn die Kathodenseite, auf der sich das Metall niederschlägt, an den Rändern frei von Abscheidungen ist. Man kann so für ein behinderungsfreies Herausziehen der Kathodenseite aus dem Elektrolytbad sorgen.

Fig. 7 zeigt die Trennwand (20) in Ansicht mit vier Varianten a) bis d) der Ausgestaltung ihres Randbereichs. Gemäß Fig. 7a sind in der Trennwand (20) in der Nähe der Seitenwand (2b) des Behälters (2) zahlreiche Öffnungen (22) angeordnet. Diese Öffnungen lassen den Elektrolyten und damit das elektrische Feld teilweise und damit abgeschwächt durch die Trennwand (20) hindurchtreten. In Fig. 7b ist der Randbereich der Trennwand mit Langlöchern (23) versehen, in Fig. 7c ergeben dreieckförmige Ausnehmungen (24) einen etwa sägezahnartig gekerbten Rand der Trennwand (20), und in Fig. 7d ist ein schmaler Spalt (25) zwischen der Behälterwand (2b) mit der Trennwand (20) vorhanden, um den Elektrolyten in geringer Menge hindurchtreten zu lassen. Analog und symmetrisch zum Randbereich nahe der Behälterwand (2b) bildet man den Randbereich nahe der Behälterwand (2c) aus, vergleiche Fig. 6.

Claims (6)

1. Elektrolysezelle mit einem Elektrolyten und mehreren, vom Elektrolyten umgebenen bipolaren Elektroden, die während des Betriebs der Zelle elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei jede der bipolaren Elektroden eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, zwischen denen während des Betriebs eine elektrisch leitende Verbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine bipolare Elektrode eine Kathodenseite und eine Anodenseite aufweist, die gegeneinander bewegbar ausgebildet sind.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolare Elektrode trennbar und die Kathodenseite oder die Anodenseite aus dem Elektrolyten herausziehbar ausgebildet ist.

3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite der bipolaren Elektrode mindestens einen Berührungskontakt aufweist.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungskontakt außerhalb des Elektrolyten angeordnet ist.

5. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Berührungskontakt im Elektrolyten angeordnet ist.

6. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite eine Trennwand angeordnet ist.