DE2059868A1

DE2059868A1 - Elektrodenplatte fuer die Elektrolyse

Info

Publication number: DE2059868A1
Application number: DE19702059868
Authority: DE
Inventors: Shozo Chiba; Shotaro Kiga; Seiji Sawada; Naoshi Yoshida
Original assignee: Nippon Soda Co Ltd
Current assignee: Nippon Soda Co Ltd
Priority date: 1969-12-06
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1971-06-24
Also published as: DE2059868B2; FR2070757A1; GB1324427A; FR2070757B1

Description

betreffend Elektrodenplatte für die Elektrolyse.

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Elektrodenplatten und betrifft insbesondere Elektrodenplatten, an deren Oberflächen sich Gas entwickelt, wie es z.B. bei Anoden und Kathoden für die Elektrolyse geschieht, wenn Chlor und Ätzkali aus wässerigen Lösungen von Verbindungen von Alkalimetallen mit Chlor hergestellt wird.

Es ist seit langem bekannt, daß es erwünscht ist, die Abstände zwischen den Anoden und den Kathoden möglichst weitgehend zu verkleinern, um den Widerstand des Elektrolyten zwischen den Anoden und den Kathoden herabzusetzen, so daß es möglich ist, die Stromdichte an den betreffenden Flächen der Elektrodenplatten zu erhöhen, um den Wirkungsgrad oder die Leistung der einzelnen Elektrolysezellen zu steigern. Wenn man jedoch den Abstand zwischen den Anoden und den Kathoden verkleinert, insbesondere bei Elektrolysevorgangen, bei denen Gase erzeugt werden, erweist es sich als Schwierig, die in den Lücken zwischen den Anoden und den Kathoden entstehenden Gase abzuführen, damit die Elektrolyse fortgesetzt werden kann, denn wenn die Gase nicht abgeführt werden, tritt eine plötzliche Erhöhung der Betriebsspannung auf, die zu einer Steigerung des Energieverbrauchs der Zellen führt, und je höher

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feruer die Stromdichte ist, desto größer wird die Gasmenge, die die Oberflachen der Elektrodenplatten überdeckt, so daß man auch aus diesem Grund die Betriebsspannung erhöhen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden. Ferner sieht die Erfindung eine Elektrodenplatte vor, die es ermöglicht, die Breite des Spaltes zwischen einer Anode und einer Kathode auf 2 mm oder weniger zu verringern. Weiterhin sieht die Erfindung eine Elektrodenplatte vor, die so ausgebildet ist, daß es möglich ist, das Gas aus dem Spalt abzuführen, das auf den benachbarten Elektrodenflächen entsteht und dazu neigt, in dem Spalt zu verbleiben. Schließlich sieht die Erfindung eine Elektrodenplatte vor, die so ausgebildet ist, daß es möglich ist, die Betriebsspannung herabzusetzen, so daß sich der Energieverbrauch bei der Elektrolyse verringert.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

fig. 1 bis 5 und Mg. 15 zeigen perspektivisch verschiedene Ausführungsformen von Elektrodenplatten gemäß der Erfindung.

Fig. 6 ist ein Schnitt längs der linie A-A in Fig. 1.

Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2.

Fig. 8 ist ein Schnitt längs der Linie C-G in Fig. 3.

Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 4.

Fig. 10 ist ein Schnitt längs der Linie E-E in Fig. i>.

Fig. 11 und 12 zeigen jeweils perspektivisch eine vollständige erfindungsgemäße Elektrode.

Fig. 13 und 14 zeigen jeweils in einem senkrechten Schnitt weitere Ausführungsformen der Erfindung und lassen.

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-3-die Beziehung zwischen den Anoden und den Kathoden erkennen.

Gemäß den Zeichnungen sieht die Erfindung Elektrodenplatten vor, die jeweils aus einer oder mehreren Metallplatten bestehen und Öffnungen, Schlitze oder Zwischenräume aufweisen, die über die ganze Fläche der betreffenden Elektrodenplatte verteilt sind und sich durch die Elektrodenplatte erstrecken, wobei gleichmäßig geneigte Führungsplatten oberhalb nahezu aller Öffnungen, Schlitze oder Zwischenräume angeordnet sind.

Jig. 1 und 6 zeigen eine erfindungsgemäße Elektrodenplatte, bei der jeweils eine gleichmäßig geneigte Führungsplatte 1 oberhalb eines Zwischenraums 2 angeordnet ist, der seinerseits zwischen der oberen Führungsplatte 1 und einer unteren Führungs- oder leitplatte 3 liegt. Der Abstand zwischen der oberen und der unteren Führungs- oder Leitplatte beträgt vorzugsweise mehr als 1 mm. Jede Führungsplatte ist unter einem Winkel von 15° bis 45° gegen die Mittelebene der Elektrodenplatte geneigt, die Zwischenräume 2 erstrecken sich von einer Flachseite der Elektrodenplatte durch die Platte hindurch zur anderen Flachseite, und die die Elektrodenplatte bildenden Führungsplatten sind fest in einen Rahmen 4 eingebaut .

Fig. 2 und 7 zeigen eine Weiterbildung der Auäührungsform nach Fig. 1 und 6 mit Führungsplatten 5, die einen gekrümmten Querschnitt haben.

Fig. 3 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der Führungs- oder ITmlenkplatten 6 an der eigentlichen Elektrodenplatte 7 vorgesehen sind und sich ähnlich wie Dachtraufen von der Elektrodenplatte weg unter einem Winkel nach unten erstrecken und geneigte Kanäle 8 abgrenzen, die sich längs der Führungsplatten und durch die Elektrodenplatte hindurch erstrecken.

... Die Elektrodenplatte besteht aus einem elektrisch aktiven Material oder aus Metallen, während die die Führungs-

Z U 'Λ¹ 8 h G

platten bildenden Teile gegebenenfalls aus einem aktiven oder einen, nicht aktiven Material bestehen können.

Fig. 4 und 9 zeigen eine Ausführungsform, bei der Führungsplatten oder Leitorgane bildende Abschnitte 9 gegenüber einer Elektrodenplatte 10 unter einem Neigungswinkel so vorspringen, daß sich Offnungen 11 durch die Elektrodenplatte erstrecken, wobei diese Öffnungen auf zickzackförmigen Linien oder aber auf geraden Linien angeordnet sein können.

Fig. 5 und 10 zeigen eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 4 und 9, bei der Führungsplatten bildende Abschnitte 12 vorgesehen sind, die gegenüber einer Elektrodenplatte 13 vorspringen und ähnlich v/ie Sonnenschutzdächer eine gekrümmte Querschnittsform haben und nach unten geneigt sind.

Beim Gebrauch v/erden die beschriebenen Elektrodenplatten so angeordnet, daß diejenige Flachseite der betreffenden Platte, welche den unteren Rändern der Führungspiattenabschnitte zugewandt ist, die aktive Fläche bildet, so daß beim Zuführen elektrischer Energie auf der aktiven Fläche der Elektrodenplatte Gasblasen entstehen, die nach oben steigen und hierbei veranlaßt werden, in die sich durch die Elektrodenplatte erstreckenden Öffnungen längs der Führungsplattenabschnitte einzutreten, so daß die Gasblasen von der aktiven Fläche der Elektrodenplatte 6 zur Rückseite der Elektrodenplatte geleitet v/erden.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Gestalt einer Elektrode für eine Elektrolysezelle, die bei einer einer Filterpresse ähnelnden Vorrichtung verwendet wirdj in diesem Fall wird eine Elektrodenplatte 14 von einem Rahmen 15 getragen, mit dem ein Ansatz 16 zum Zuführen eines elektrischen Stroms verbunden ist.

Fig. 12 zeigt ala weiteres Ausführungsbeispiel eine Anordnung mit zwei Elektrodenplatten 17 und 18, die ebenfalls bei einer Elektrolysezelle verwendet wird, die einer Filter-

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COPY ORiGiMAL INSPECTED

presse ähnelt. Die beiden einander zugewandten Elektrodenplatten sind in einen Rahmen 19 so eingebaut, daß die Öffnungen oder Spalte jeder Elektrodenplatte nach oben in Richtung auf eine Kammer 20 verlaufen, die durch die beiden Elektrodenplatten abgegrenzt ist.

Pig. 13 zeigt eine Elektrolysezelle, die mit Elektrodenplatten der an Hand von Mg. 11 beschriebenen Art versehen ist. Diese Zelle ist nach Art einer Filterpresse aufgebaut und dient zum Erzeugen von Chlor und Ätzkali aus einer wässerigen Lösung eines Alkalimetallchlorids. Gemäß Fig. 13 umfaßt die Zelle fest in ihrer Lage gehaltene Anodenrahmen 21 und 22, isolierende, als Abdichtungen wirkende Abstandhalter 23, 23' und 23" sowie Kathodenrahmen 24 und 25, wobei Elektrodenplatten 26, 27 und 28 als Anoden verwendet werden. Die Kathoden 29 sind jeweils zwischen zwei Anoden 27 und 28 angeordnet, und zwischen den Kathoden einerseits und den Anoden andererseits ist eine Membran 30 vorgesehen. Jede der Anoden 27 und 28 ist gegenüber der zugehörigen Kathode 29 so angeordnet, daß die auf den Flächen der Anoden entstehenden G-asblasen veranlaßt v/erden, sich in Richtung auf zwei Anodenkaminern 31 und 32 zu bewegen} der elektrische Strom kann den Anodenplatten 27 und 28 über Anschlüsse 33 zugeführt werden, und der die Membran 30 passierende Strom fließt durch die Kathoden 29 zu einem Anschluß 34.

Beim Betrieb der Zelle wird der Elektrolyt der Zelle über eine Eintrittsleitung zugeführt, bis er die in Fig. 13 durch die Linie 35 bezeichnete Standhöhe erreicht hat. Das sich in der Kathodenkammer 36 sammelnde Wasserstoffgas v/ird über eine G-asaustrittsleitung 37 abgeführt, und das wässerige Ätzkali wird aus der Kathodenkammer 36 über ein Austrittsrohr 38 abgezogen.

Die entstehenden Chlorgasblasen werden veranlaßt, sich durch die Offnungen· der Elektrodenplatten hindurch zur anderen Seite der Membran zu bewegen, woraufhin aie in den Anoden-

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itammern 31 und 32 zum oberen Teil der Zelle hochsteigen, aus dem sie über eine Gasaustrittsleitung 39 abgeführt werden.

Aus Fig. 14 geht die Wirkungsweise der enindungsgemäßen Elektrodenplatten deutlicher hervor. Zwischen je zwei Elektrodenplatten 39 und 40 ist eine normale Kathode 41 aus einem Drahtgeflecht angeordnet, und eine Membran 42 hält die Elektrodenplatten von der Kathode aus dem Drahtgeflecht getrennt. Die Gasblasen, die auf den der Kathode zugewandten Flächen der Elektrodenplatten 39 und 40 entstehen, v/erden veranlaßt, zur Rückseite bzv/. der Außenseite der Elektrodenplatten zu strömen, um dann in Anodenkammern hochzusteigen, von denen jede durcn zwei benachbarte Elektrodenplatten abgegrenzt ist, wobei sich die Gasblasen gemäß Fig. 14 in !Richtung der Pfeile bewegen.

Die erfindungsgemäiden Elektroden lassen aici nxcht nur bei Zellen der Filterpressenbauart verwenden, sondern auch bei gewöhnlichen Elektrolysezellen, z.B. Zellen der Bauart Hooker, wie sie z.B. in der japanischen Patentschrift 104 290 beschrieben sind, ferner bei Zellen der Bauart "Diamond", wie sie z.B. in den U.S.A.-Patentschriften 2 743 419, 2 742 420 und 2 987 463 beschrieben sind, sowie bei Zellen, wie sie von der Firma Dow Chemical hergestellt werden und z.B. in der U.S.A.Patentschrift 2 858 263 beschrieben sind.

Die erfindungsgemäßen Elektrodenplatten lassen sich nicht nur als Anoden, sondern auch als Kathoden bei Elektrolysevorgängen benutzen, bei denen Gase entstehen, und ferner ist es möglich, solche Platten gleichzeitig sowohl als Anode wie auch als Kathode zu verwenden. In den meisten Fällen werden jeweils zwei Elektrodenplatten in Form eines Satzes verwendet, bei dem die Elektrodenplatten einander so zugewandt sind, daß sie eine Anoden- oder Kathodenkammer abgrenzen, in der das entstehende Gas schnell nach oben steigt.

Die Elektrodenplattao. können aus den verschiedensten Werkstoffen hergestellt werden, die jedoch im wesentlichen

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korrosionsbeständig sein müssen, so daß sie von den bei der Elektrolyse, z.B. bei der Elektrolyse von Sole, entstehenden Gasen und anderen Produkten nicht angegriffen werden} die Elektrodenplatten werden vorzugsweise aus Titanblech hergestellt, das mit einem Edelmetall, z.B. Platin, überzogen oder plattiert ist. Ferner ist es gemäß der Erfindung nicht in allen Fällen erforderlich, die in Fig. 11 und 12 gezeigten Hahmen vorzusehen; vielmehr kann man die Anschlüsse zum Zuführen des Stroms unmittelbar an den Elektrodenplatten befestigen. ·

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich um die bevorzugten Ausf ührungsi'ormen, an denen jedoch im Hinblick auf ihre jeweilige Verwendung verschiedene Abänderungen vorgesehen werden können. Beispielsweise zeigt Fig. 15 ein Stück eines aus Blech hergestellten Streckmetalls, das sich mit geringen Kosten herstellen und bei erfindungsgemäßen Elektrodenplatten verwenden läßt. Bei dieser Ausführungsform werden die beschriebenen Führungsplatten durch die/Elektrodenplatte selbst gebildet. Die Erfindung ermöglicht es, die Betriebsspannung herabzusetzen, da die Gasblasen schnell aus dem Spalt zwischen der Anode und der Kathode abgeführt werden} außerdem kann man die Breite des Spaltes verringern und die Stromdichte erhöhen, da sich der Widerstand zwischen der Anode und der Kathode verringert. Inbesondere dann, wenn die Erfindung bei der Elektrolyse von Alkalimetallchloriden angewendet wird, ist es möglich, den Abstand zwischen den Anoden und den Kathoden so weit zu verkleinern, daß die Platten praktisch in Berührung mit der Membran stehen, wobei weitere Platten vorgesehen sind, die dazu dienen, die Membran abzustützen, da die Membran dazu neigt, aufzuquellen und sich von der Kathode abzuschälen.

Beispiel 1

Gemäß der Erfindung wurden Elektrodenplatten ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Platte mit einer Breite von 500 mm und einer Länge von 100 mm verwendet." IJm diese Elektroden-

ORiGlNAUlNSPECTED

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platten lierzustellen, wurden rechteckige Platten oder- Leisten aus Titan mit einer waagerechten Länge von 500 mm, einer Breite van 5 mm und einer Dicke von 1 mm unter einem Neigungswinkel von 60° gegen die Waagerechte und in senkrechten Abständen von 5 mm angeordnet und mit Platin plattiert. Die Anodenplatten wurden anstelle von Anoden aus Graphit in Membranzellen zum Elektrolysieren von wässerigem Natriumchlorid eingebaut, wobei die Zellen eine 2 mm dicke Membran aus Asbest umfaßten; die Kathoden bestanden aus Drahtgewebe und die Breite der Spalte zwischen den Anoden und den Kathoden betrug 4 mm.

Bei einer Stromdichte von 15 A/dm wurden die Zellenspannung, die Temperatur des Elektrolyten, die Konzentration der Natriumchloridlösung, die Katholytkonzentration, die Menge des Chlorgases und der elektrische Wirkungsgrad gemessen.

In der folgenden Tabelle 1 sind die Meßergebnisse und zum Vergleich Meßergebnisse angegeben, die bei Membranzellen bekannter Art mit Graphitanöden gewonnen wurden.

	Tabelle 1 Erfindungsgemäße Zelle	Bekannte Zelle
Zellenspannung, V	3,12	4,14
Elektrolyttemperatur,	⁰C 62	65
Katholytkonzentration,	g/ltr 138	139
Chlorgasanalyse, $
Ci₂	98,7	98,7
H₂	0,0	0,0
Stromwirkungsgrad, $	95,2	95,0

Beispiel 2

Es wurde in der gleichen Weise vorgegangen wie bei dem

Beispiel 1, abgesehen davon, daß die Stromdichte auf 40 A/dm

1098?S/15?7 ordinal »wspected

erhöht wurde. In der folgenden Tabelle 2 sind die gewonnenen Meßergebnisse angegeben.

Zellenspannung, V Elektrolyttemperatur, ⁰C Katholytkonzentration, g/ltr Chlorgasanalyse, $

^H2

Stromwirkungsgrad, fo

Tabelle 2	Bekannte Zelle
Erfindungsgemäße. Zelle	5,22
3,36	80
68	139
/ltr HO	98,7
98,7	0,0
0,0	95,0
95,0

109826/15?7 Ansprüche:

Claims

AISBE(JCHE

1. Elektrodenplatte zur Verwendung bei der Elektrolyse, gekennzeichnet durch eine Platte (10; 13; 14; 17, 18; 26, 27, 28; 39, 40) aus Metall mit Öffnungen, Schlitzen oder Zwischenräumen (2| 8} 11), die sich durch die Platte erstrecken, sowie geneigte Pührungsplatten bzw. Führungsabschnitte (3; 5; 6; 9; 12), die sich jeweils von der oberen Begrenzung der Öffnungen, Schlitze oder Zwischenräume aus nach unten erstrecken und mit der Platte fest verbunden sind.

2. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenplatte aus Metall mehrere schmale rechteckige Leisten oder Streifen (1, 3) aus Metall umfaßt, die geneigt und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und durch gleichmäßige Abstände von mindestens 1 mm getrennt sind.

3. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus Metallblech besteht und mit gleichmäßig über die ganze Platte verteilten öffnungen versehen ist, die sich durch die Platte erstrecken, und daß die Platte mit Führungsplatten bzw. i'ührungsabschnitten versehen ist, die sich jeweils an die obere Begrenzung der Öffnungen anschließen und gleichmäßig nach unten geneigt sind.

4. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte aus einem Stück Streckmetall (41) besteht, das durch Auseinanderziehen eines Blechstücks entstanden ist, daa mit gegeneinander versetzten Einschnitten versehen ist.

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5. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Platte aus Titanblech hergestellt ist.

6. Elektrodenplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Anode beim Elektrolysieren einer wässerigen Alkalichloridlösung in einer Membranzelle verwendbar ist.

7. Elektrode unter Verwendung einer Elektrodenplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Kammer (20; 31, 32), die zwischen zwei Elektrodenplatten (17, 18; 26, 27, 28) angeordnet ist,
welche mit öffnungen, Schlitzen oder Zwischenräumen versehen sind, die sich durch jede Platte erstrecken, wobei die Öffnungen, Schlitze oder Zwischenräume in Richtung auf die Kammer nach oben geneigt sind·

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