DE2105562A1 - Elektrolysezelle mit flüssiger Elektrode - Google Patents

Description

FRTLDRICH UJTDE GMBH, Dortmund

Elektrolysezelle mit flüssiger Elektrode

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyezelle mit flüssiger Elektrode, vorzugsweise mit Quecksilberkathode, wie sie z.B. in der Chloralkali-Elektrolyse eingesetzt wird. Zellen dieser Art besitzen eine Fläche, über die die flüssige Elektrode fließt, oder von der ein teils anhaftender, teils ablaufender Film der Elektrodenflüssxgkeit durch den Elektrolyten bewegt wird. Ein typisches Beispiel für den letzteren Fall ist die sogenannte Hons-.. be'rg-Zelle, die aber heute praktisch nicht mehr eingesetzt wird, so daß nur Zellen zu.betrachten sind, bei denen die flüssige Kathode über eine Platte fließt, die gleichzeitig den Boden des Zellentroges bildet. Durch diesen Boden wird normalerweise der Strom aus der flüssigen Kathode abgeleitet. Von ihm werden folgende Oberflächen-Eigenschaften verlangt:

1. Gute Benetzbarkeit durch die Elektrodenflüssxgkeit.

Der Boden muß während des Betriebes innerhalb der Zelle vollständig mit Elektrodenflüssxgkeit bedeckt sein, um unerwünschte Reaktionen am Bodenmaterial zu vermeiden. Dies soll schon bei einem möglichst dünnen Film der -meist teuren- Elektrodenflüssxgkeit geitfährleistet sein. Sind beispielsweise Stellen des Stahlbodens einer Chloralkali-Amalgamzelle während des Betriebes nicht mit Amalgam bedeckt, so bildet sich hier Wasserstoff, der in entsprechenden Mengen Explosionen der Zelle oder des Rohrleitungssysteme verursachen kann.

2. Hinreichende Beständigkeit gegen Angriff durch die Elektrodenflüssxgkeit .

Beim Amalgamverfahren fallen beispielsweise alle Metalle ; oder Legierungen als Trägermaterial aus, die zu starker ■ Amalgambildung neigen, v;ie z.B. Aluminium oder Messung, um$ hierdurch zerstört werden. ■

3. Geringe neigung zur Verschmutzung» d.h. zur Adhäsion von zähflüssigen Gemischen aus der Elektrodenflüssigkeit mit sonstigen Substanzen aus dem Elektrolyten oder den Appa-

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rateteilen an der Trägerfläche. (Z.B. sogenannte Amalgambutter)

h. Geringe Neigung des Trägermaterials zur Bildung solcher Gemische mit der Elektrodenflüssigkeit.

5. Möglichst allgemeine gute Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren, Laugen und Salzlösungen.

Von den Böden, deren Oberfläche die Trägerfläche für die Elektrodenflüssigkext bildet, werden noch weitere Eigenschaften verlangt, die im Gegensatz zu den obigen Eigenschaften nicht von der Oberfläche, sondern von der Wand selbst abhängig sind. Hierzu gehören:

6. " Gute elektrische Leitfähigkeit.

Der Strom wird aus der flüssigen Kathode über die Oberfläche in den Boden geleitet und von dort meist seitlich über die Stromableitungsschienen zur nächsten Zelle, d.h. also, daß der gesamte Strom diesen Boden durchfließen muß. Aus wirtschaftlichen Gründen sind die einzelnen Elektrolysezellen -bis zu loo und mehr- in Reihe hintereinandergeschaltet. ^ Der Strom fließt, aus den Zuleitungen kommend., über.die Anoden durch den Elektrolyten zur flüssigen Kathode und von dort durch den Boden zu den Stromableitern, die gleichzeitig wieder die Zuleitung zur folgenden Zelle bilden. Um kurze Stromschienen und Verbindungswege zu erhalten, werden die Zellen möglichst dicht und mit ihren Längsachesen parallel zueinander aufgestellt. Der Strom fließt dabei aus der Kathodenflüssigkeit praktisch vertikal in den Boden und wird von dort horizontal zu den Stromableitern geführt. Die Stromstärke im Boden steigt dabei praktisch linear über die Bodenbreite an, bis sie am Ende ihren Höchstwert erreicht. Ein hoher VJiderstand des Bodens führt dabei zu hohen Energieverlusten und Uärmeentwicklung im Boden.

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7 . »Ausreichende, Festigkeit.

Verformungen aufgrund mechanischer oder thermischer Einflüsse könnten zu Störungen des Kathodenflusses führen.·

8. Ausreichendes Wärmeableitvermögen.

Dies ist erforderlich, um bei ungleichmäßiger Belastung und eventuellen Kurzschlüssen örtliche Überhitzungen des Zellenbodens zu vermeiden.

Oberlicherweise werden heute bei Chloralkali-Elektrolysezellen nach dem Amalgamverfahren Stahlböden als Träger des Amalgamfilms benutzt. Die Stahlböden haben die Vorteile verhältnismäßig guter Benetzbarkeit und hoher Festigkeit und sind relativ preiswert. Von Nachteil ist aber, daß sie im Betrieb zur Verschmutzung neigen und nur geringe allgemeine Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit besitzen. Verschmutzungen der Böden senken die Wirtschaftlichkeit der Zellen und führen leicht zu Kurzschlüssen. Diese wirken sich besonders bei den

Anode neueren Zellen mit Titananoden störend aus, da diese einerseits aus wirtschaftlichen Gründen mit möglichst geringem Abstand zur Kathode betrieben werden müssen, andererseits aber noch empfindlicher als Graphitanoden auf Kurzschlüsse mit der Kathode reagieren. Die Reinigung eines Zellenbodens kann jedoch nur bei Stillstand der Zelle erfolgen, was Produktionsausfall bedeutet.

Die Leitfähigkeit des Stahls bei Betriebstemperatur ist derartig ungünstig, daß bei den heute üblichen großen Zellenbelastungen, Stromdichten und Abmessungen nur sehr dicke Zellenböden wirtschaftlich sind. So errechnet sich bei einer Zeilenbreite von 2,5 m und einer Stromdichte von 15 kA/m" bei üblichen Stahl- und Strompreisen eine auf niedrigste Betriebskosten bezogene optimale Bodendicke von loo-15o mm, gegenüber den heute üblichen H5 mm. Hierbei sind die von der Bodendicke her beeinflußbaren Betriebskosten des Bodens, die Summe der Kapitalkosten für das Boa..nmaterial und die Energiekoßton für die Ableitung des Stromos durch den Boden berechnet. Bei einer Zelle von 3o in KathodenfKiohe liogl: önnv. bei wir1 sehr.f I:sicher Dicke das Gewicht dor;

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BAD OFUGtNAl.

Bodens bei rd. 2o-35 t. Dies allein ergibt schon Transport-, Montage- und Aufstellungsprobleme. Weiter ergibt sich, daß die Betriebskosten für Böden aus massivem Stahl beachtlich höher sind als solche aus leitfähigerem» geeigneterem Material, da Stahl in den meisten Fällen nicht das wirtschaftlichste Leitermaterial darstellt.

Ein weiterer Nachteil der üblichen Böden aus Stahl ergibt sich bei der Außerbetriebnahme einzelner Zellen. Dabei werden im Normalfalle die Zellenböden kurzgeschlossen, d.h. der gesamte Strom wird von der einen Nachbarzelle direkt an eine Bodenseite und von dort über die ganze Bodenbreite und über Stromabnahmeleitungen zur anderen Nachbarzelle geleitet. Hierbei treten Energieverluste im Boden auf, die den Boden erwärmen. Die pro Flächeneinheit erzeugte Wärmemenge ist proportional den Quadraten von Zellenbreite und spezifischer Stromdichte. Mit der Steigerung der Zellenabmessungen und der Stromdichten liegen die Gleichgewichtstemperaturen zwischen zugeführter elektrischer und durch Konvektion und Strahlung abgegebener thermischer Energie oberhalb der Grenzen, die durch Materialbeständigkeit, Steigerung der Quecksilberverdampfung und Belästigung des Personals gesetzt sind. In Extremfällen ergeben sich rechnerisch Gleichgewichtstemperaturen von über 2oo°C.

In bezug auf die Stromleitfähigkeit wäre Aluminium als Bodenmaterial günstig, doch besitzt es nicht die Oberflächeneigenschaften, die es gegenüber Amalgam benötigt, da es von ihm sofort zerstört würde. Es wurde bereits versucht, das Korrosionsund Benetzungsproblem der Zellenböden dadurch zu lösen, daß man Böden aus gummiertem Stahl verwendete, in die pilzförmige Zuführungen aus Stahl so eingelassen waren, daß sie mit ihrer Oberfläche etwas tiefer als der übrige gummierte Zellenboden lagen und somit kreisförmige Vertiefungen im Zellenboden bildeten. Die stromübertragende Fläche des Stahls war daher immer von dem in der Vertiefung befindlichen Quecksilber bedeckt, so daß im Betrieb kein Wasserstoff an unbenetzten Stahlstellen abgeschieden wurde und während der Stillstände keine Korrosion stattfand. Die Ablagerungen von Verschmutzungen wurden prak-

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tisch vermieden. Nachteile dieser Methode waren die Störungen des Quecksilberflusses durch die Vertiefungen und der größere elektrische Widerstand bei der Abführung des Stromes durch die,verhältnismäßig dünne und schlecht leitende Quecksilberschicht zu den Stahleinsätzen. Die Unebenheiten der Quecksilber-Oberfläche verlangten einen größeren Abstand zwischen Anode und Kathode und aus beiden Machteilen resultierten erhöhte Energiekosten, die besonders bei den heute üblichen hohen Stromdichten diese ■ Art der Bodenausführung unwirtschaftlich werden lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Träger für eine flüssige Elektrode herzustellen, der sich durch gute Benetzbarkeit, Korrosionsfestigkeit, geringe Neigung zur Verschmutzung, gute ■ elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie möglichst auch geringes Gewicht auszeichnet.

Der erfindungsgemäße Boden besteht aus 2 verschiedenen Materialien, die jeweils für einen Teil der Forderungen am besten geeignet sind. Die Forderungen nach Festigkeit und elektrischer und thermischer Leifähigkeit, die vom Querschnitt abhängen, werden von einem geeigneten preiswerten Material erfüllt, während Benetzbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringe Verschmutzungsneigung als Oberflächeneigenschaften von einer relativ dünnen Schicht eines hier.zu besser geeigneten Materials gewährleistet wird, daß, da es nur eine dünne Schicht darstellt, auch ein Mehrfaches von Stahl kosten kann, und nicht unbedingt sehr gute Leitfähigkeit und große Festigkeit besitzen muß. Zwischen den beiden Schichten muß eine gutleitende Verbindung hergestellt werden. Dies kann z.B. durch Explosionsplattierung, Aufwalzen, Löten, Verbindungen mittels leitfähiger Kleber, elektrolytischer oder keramischer Auftragung bestimmter Oberflächenschichten, oder auch durch eine Kombination dieser Verfahren erreicht werden.

Beispiel 1

Für eine Zelle von 3o in" Kathodenfläche, die mit einer Strom-

dichte von 15 kA/m betrieben wird, verwendet man als Zellenboden eine Kombination, bestehend aus einer Alurniriiurnplatte

mm Ρ Vn.

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von 3o mm Dicke und einer Stahlplatte von Io mm Dicke. Beide Platten werden mit einem gut leitfähigen Kleber (spezifischer Widerstand höchstens o,o3 Ohm cm) miteinander verbunden. Dieser Boden hat gegenüber einem Stahlboden von ¹Io mm Dicke folgende Vorteile:

Gewicht 5o%

Elektrische Leitfähigkeit 560%

Betriebskosten bei heute üblichen Preisen 3o%.

Die Steifigkeit bzw. der scheinbare Elastizitätsmodul des Verbandes liegt dagegen immerhin noch bei 52,5% des Elastizitätsmoduls von reinem Stahl.

Beispiel 2

Als Zellenboden wird eine 39,5 mm dicke Aluminiuuplatte benutzt, auf die ein o,5 min dickes Blech aus einer hochnickelhaltigen Legierung oder Reinnickel mit leitfähigem Kleber aufgeklebt wird. Im Vergleich zum Stahlboden gleicher Dicke liegen das Gewicht bei 3o%, die elektrische Leitfähigkeit bei 7oo%, die Betriebskosten bei ca. 35% und der scheinbare Elastizitätsmodul bei 3 3 1/3%. Der Boden ist korrosionsbeständig und zeigt infolge seiner glattbleibenden Oberfläche wenig Neigung zu Verschmutzungen. Temperaturunterschiede im Boden, infolge von Kurzschlüssen oder ungleichmäßiger Belastung, werden schnell ausgeglichen.

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Claims (1)

1. --τι

   Patentansprüche ·* » ·

   Anspruch 1

   Elektrolysezelle mit flüssiger Elektrode, vorzugsweise Quecksilberkathode, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Elektrode innerhalb der Zelle über eine relativ dünne Schicht
   eines Materials fließt, das sich gut von dieser Flüssigkeit
   benetzen läßt und hinreichende Beständigkeit gegen diese sowie eine .allgemeine gute Korrosionsbeständigkeit und_ eine geringe Neigung zur Adhäsion von gegenüber dieser Flüssigkeit
   höher - viskosen Gemischen aus dieser Flüssigkeit und sonstigen Substanzen aus dem Elektrolyten oder den Apparateteilen
   besitzt, und daß diese dünne Schicht mit ausreichendem elektrischen Kontakt auf einem Trägermaterial befestigt ist, das
   sich durch gute elektrische Leitfähigkeit auszeichnet und dem Boden die nötige Festigkeit verleiht.

   .Anspruch 2

   Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermaterial Aluminium oder eine andere Leichtmetalllegierung verwendet" wird.

   Anspruch 3 .

   Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Trägermaterial aufgebrachte relativ dünne Schicht aus einem Edelmetall oder einem korrosionsfesten Metall, z.B. Nickel oder einer entsprechenden Legierung besteht.

   Anspruch H

   Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Trägermaterial aufgebrachte dünne Schicht aus
   einem nichtmetallischen Leiter oder Halbleiter oder aus einem leitfähigen keramikartigen Oberzug besteht.

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   Anspruch 5 ',' '

   Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne- Schicht mit einem elektrisch leitenden Kleber auf das Trägermaterial aufgeklebt ist.

   Anspruch 6

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Schichten auf die andere elektrolytisch abgeschie den v;ird.

   Anspruch 7

   Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß man die verschiedenen Verbindungsmöglichkeiten miteinander kombi niert.

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