DE2109949A1

DE2109949A1 - Elektrolyseeinrichtung mit mehreren, vom Elektrolyten durchströmten Zellräumen

Info

Publication number: DE2109949A1
Application number: DE19712109949
Authority: DE
Inventors: Jacques Dr. 7640 Kehl. P Fleck
Original assignee: Krebs and Co AG
Current assignee: Krebs and Co AG
Priority date: 1971-03-02
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1972-09-28
Also published as: CA976504A; CH538301A; JPS5210109B1; FR2128752A1; BE780093A; GB1381890A; DD94983A5; FR2128752B1; US3785951A; DE2109949B2; IT947905B

Description

München, den 22. Januar 1971 Anwaltsaktenz.: 167 - Pat. I

Krebs & Cie., 6l Rue Pouchet, 75 Paris 17, Prankreich

Elektrolyseeinrichtung mit mehreren, vom Elektrolyten durchströmten Zellräumen

Die Erfindung betrifft Elektrolyseeinrichtungen mit mehreren, vom Elektrolyten durchströmten Zellräumen.

Aus der französischen Patentschrift 1 502 793 ist ein Alkali-Chlorat-Elektrblyaeverfahren bekannt, bei welchem der Elektrolyt mit verhältnismäßig hoher Strömungsgeschwindigkeit im Kreislauf die Elektrolyseanlage durchströmt und dabei von unten nach oben durch eine Elektrolysezelle .geführt wird, in welcher der Elektrolyt nur so kurzfristig verweilt, daß es zwar zur Chlorbildung an der Anode und zur Hypoohloritbildung, nicht aber zu einer Entladung der Hypochloritionen an der Anode unter Bildung von Chlorat und freiem Sauerstoff kommt, woduroh die Stromausbeute verschlechtert würde.

Für die Durchführung dieses Verfahrens mit möglichst geringem Energieverbrauch ist es von Bedeutung, daß die Stromdichte in der Zelle einen Wert von etwa 3 kA/m nicht übersteigt. Geht nan von einer gewissen Stromstärke Je Anlage aus, so ist es erfor-

209840/0871

21U9949 I

cjerlich, daß die wirksamen Oberflächen der Elektroden in der Elektrolysezelle möglichst groß ausgeführt werden. Bekanntenaai3en hat man daher die Kathodenanordnung und die Anodenanordnung mit parallel zur Strömungsrichtung des Elektrolyten ausgerichteten, vertikalen Fahnen versehen, so daß Katnode und Anode in einem iorizontalschnitt etwa kanimartige Gestalt besitzen und dabei ineinandergreifen. Eine Elektrolysezelle dieser Bauart kann mit großen Strömen betrieben werden und bietet dem Elektrolyten Elektroden!: lachen dar, die ein Vielfaches der einfachen Querscimittsflache der Elektrolysezelle betragen.

Ur.i Elektrolyseanlagen dieser Art mit höheren Spannungen betreiben zu können, schaltet man bekanntermaßen über kurze Stromschienen mehrere Zellen hintereinander, was den Nachteil hat, daß kostbarer Leiterwerkstoff für die Stromschienen verwendet werden muß, daß die Stromschienen zwischen den einzelnen Zellen viel Platz einnehmen und daß man große Mühe darauf verwenden muß, eine ungleichförmige Stromverteilung bei der Einleitung des elektrischen Stromes in eine jeweils Teil der betreffenden Elektrode bildenden Zellenwandung zu vermeiden. Eine solche ungleichförmige Stromverteilung würde mitunter zu einer ungleichförmigen Abnützung der einzelnen, von der betreffenden Zellenwandung fahnenartig abstehenden Elektrodenteile und zu einer Verschiedenheit der Übergangswiderstande zwischen den einzelnen Zellen führen, was wiederum eine ungleichförmige Spannungsverteilung längs der Zellenanordnung und damit eine ungleichförmige Leistungsaufteiluiig zwischen den Zellen zur Folge hätte.

Verwendet man demgegenüber für die Elektrolyse eine Zelle mit Bipolarelektroden, so läßt sich an diese Zelle von vornherein eine höhere Spannung anlegen, doch bereitet es nun Schwierigkeiten, bei Elektrolyseverfahren der eingangs kurz beschriebenen Art die den Wirkungsgrad beträchtlich verschlechternden Parasitströme zu vermeiden, welche bei einer vom Elektrolyten tiberfluteten Elektrolysezelle mit Bipolarelektroden unter Umgehung des zwischen den Elektroden befindlichen Elektrolyten oberhalb und

— 2 —

209840/0871

unterhalb oder seitlich an den Elektrodenplatten vorbei fließen könnten. Dabei ist die Gefahr der Parasitströme umso großer, je iirüier die einzelnen Elektrodenplatten oder Bipolarelektroden beieinander Ii ege?i. Man bat versucht, die Ausbildung von Nebenschluü- \iegen für die Parasitströme dadurch zu vermeiden, daß man oberhalb und unterhalb der Bipolarelektroden sich anschließende Isolierwandungen vorsah, welche die Nebenschlußwege so verlängerten, daß ihr ¥iderstand gegenüber dem Widerstand des Stromweges durca den Elektrolyten zwicchen den Elektrodenr»latten stark vergrößert wurd e.

Man erkennt, daß diese Verlängerung der Mebenscnlußwege bei der Herstellung von Elektrolyseaniagen erhöhte Kosten verursacht und den Aufbau der An Ige Kompliziert. Ferner erscueiiit es aber bei Elektrolysezellen mit Bipolarelektroden, welche in geringem Abstand voneinander beispielsweise in der Größenordnung von i? mm angeordnet werden, nahezu ausgeschlossen, die Elektroden!lache so zu vergrößern. <3aΊ sich die oben genannten Bedingungen bezüglich des Maximalwertes der Stromdichte einhalten lassen.

Duron ti ie Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, einerseits an eine Anordnung mehrerer Elektrolysezellen eine möglichst hohe Spannung legen zu können, ohne daß ein großer Kosten-, Material— und Arbeitsaufwand auf die Verbindungen zwischen den einzelnen Zeilen verwendet werden muß, andererseits aber die den Wirkungsgrad der Anlage verschlechternden, die Räume zwischen der Elektrodenpiatteii umgehenden Pai-asit ströme so klein wie irgend möglich zu halten.

Ausgehend von einer Elektrolyseeinrichtung mit raeareren, vom Elektrolyten in Vertikalrichtung durchströmten, auf zwei gegenüberliegenden Seiten von Elektrodenplatten begrenzten 'ZeAir-ümen v.'ird diese Auigabe uurcn die Kombination folgender Mei-kmale gelöst :

BAD ORKsINAL

209840/0871

a) die die Elektrodenplatten bildenden elektrisch leitenden Wandungen mindestens zweier benachbarter Zel.Träume schließen unmittelbar aneinander an, derart, daß diese benachbarten Zellräuiue nur durch die genannten Wandun-

vongeii einander getrennt sind und

b) die dem Elektrolyten ausgesetzten Oberflächen der elektrisch leitenden Wandungen tragen die wirksame Anodenbzw. Kathoden!⁵lache vergrößernde Anoden- bzw. Kathodenteile ,

fe Durch die Erfindung wird einmal der Vorteil erzielt, daß der elektrische Strom zwischen den einzelnen Zelli~äumen im wesentlichen gleichförmig auf der gesamten, senkrecht zur allgemeinen Stromrichtung stehenden Querschnittsflache übertragen wird und sich nicht bevorzugte Einleitungsstellen ausbilden, wie sie bei Konstruktionen mit Stromschienen zwischen einzelnen Zellen nur bei besonderer Gestaltung der Anschlußstellen zu vermeiden sind. Dadurch, daß die Leiterstücke zwischen den Zellräumen in Wegfall kommen, wird teuerer Leiteri^erkstoff eingespart und es ergibt sich auch eine Ersparnis an elektrischer Energie, die als Verlustwärme in den kurzen Verbindungsleitern zwischen den Zellräumen bei den bekannten Elektrolyseeinrichtungen der erwähnten Art verloren geht. Die Parasitströme werden weitgehend vermieden, da

P die Elektrodenplatten, welche die Zellräume auf gegenüberliegenden Sexten begrenzen, verhältnismäßig sehr großen Abstand besitzen und folglich die Nebenschluß-Stromwege bedeutend langer sind als die gewünschten Stromwege durch die elektrolyterfüllten liaume. Weiter ergibt sich die Möglichkeit, Elektrolysezellen hoher Leistung so nahe zusammenzurücken, daß der Elektrolyt von einem · gemeinsamen Reaktionsbehälter den Zellen zugeführt und von den Zellen in einen gemeinsamen Sammler und Gasabscheider abgeführt werden kann, so daß die gesamte Elektrolyseanlage stark vereinfacht wird. Die Gemeinsamkeit von Reaktionsbehälter und Sammler führt zu einer Vergleichmäßigung der Konzentrationen, so daß wiederum eine'Vergleichmäßigung des Widerstandes der einzelnen

209840/0871

iiieiitruiyseae ilen eiatritt, oie neben der Ang J.eic~:iung der Übergangswiderstand e im oiime einer Linearisierung der Spaimungaverteilung wirksam ist. Die von den Elektroden^) Latten austeilenden fahnenartigen üioueu- bzw. Kathod enteile verleihen den zugehörigen Elen trodeu^iatten überdies solche Steifigkeit, dal) ein Zusamnierispannen benachbarter Wandungen zui' Herstellung eines guten elektrischen Kontaktes keine Schwierigkeiten bereitet.

Die beidüii £i;ieinand ergrenzend en, elektrisch leitenden Wandungen je zweier benachbarter Zellruume können einstückig ausgelüiirt sej.il ouer die Form getrennter Werkstücke haben, wobei gleiche oder unterschiedliche Werkstoffe vorgesehen werden können.

Zweckmäßige Ausgestai bung en der Erfindung Minen im übrigen Gege;.istan >j der anliegenden Patentansprüche.

i)ie lJrfiiidmig wird nuuiaenr aniiand einiger AusJEiihrungsbeiapiele luiter .jezugnahiiio auf me anliegenden Zeichnungen nilher eriLlutert, i-]s steilea ύε,τ:

Figur 1 eine teilweise schematiscn wiedergegebene Voriierariaicht eines Teiles einer Elelitrolyseexnrichtung nach der iirfindiuig,

[''i[-;iir 2 eine Aufsicht auf die ZeI Lenanor ^iUiig der tillage ge uai Figur i, wobei eine Zolle iiiiEgescuj.itb e · ι ti a rg e s t e 111 ist,

Jij^v-±__j einen ausschui ttsweise v^iedergegebencn, vergrö-.ierteii orizjntaisciinit b durca eine Eiektrolyse-

ze.'.ie tier Einrichtung nacii der ;;r£ iaiimi·;,

i-'i^'u'öti
·; J£ii'-!_j^ L.LüiiG ■ :B i. ten der Vor bind ung ziviac.ion zwei be-

.!i.-c.iü¹ r tea iilLeiit ro Lyseze L len

BAD

209840/0871

Figur 6 eine scliematische Darstellung einer anderen

Ausführung sfibrm der Elektrolyseeinrichtung nach der Erfindung.

Die Erfindung ist am Beispiel von Alkalichlorat-Elektrolyseanlagen erläutert, doch ist die Erfindung nicht auf Eiektrolyseanlagen dieser Art beschrankt.

In Figur 1 sind unmittelbar nebeneinander liegende ElektroLysezellen 1 bis 5 dargestellt, welche einerseits an kathodenseitige Stromschienen 6 und andererseits an anodenseitige Stromschienen 7 angeschlossen sind. Die Gehäuse der Zellen 1 bis 5 haben im wesentlichen kastenförmige Gestalt und weisen unter, einen Elektrolytzulauf b und oben einen Elektrolytausgang 9 auf. Der Ulektrolytzulauf sämtlicher Zellen 1 bis 5 ist jeweils über eine Rohrleitung 10 an einen für sämtliche Zellen gemeinsam vorgesehenen Reaktionsbehälter 11 angeschlossen, während die ELektrolytausgänge 9 sämtlicher Zellen über Rohrleitungen 12 mit einem gemeinsamen Sammler und Gasabscheider 13 Verbindung haben. Vom Sammler 13 zum Reaktionsbehälter 11 führende Rückleitungen sind in Figur 1 durch strichpunktierte Linien 14 angedeutet. Am Sammler 13 bzw. am Reaktionsbehälter 11 vorgesehene LLektrolytabführungs- und Zuf ütirungsiei tungen sind in der Darstellung nach Figur 1 der Einfachheit halber weggeLassen, da sie nicht Teil der Erfindung bilden.

Aus Figur 1 ist zu sehen, daß die nebeneinander liegenden Ze ι I.e.). 1 bis 5 unmittelbar aneinander angrenzen, wobei die elektrisch . leitenden, senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes ge Legenen Wandungen benachbarter Zellen unmittelbar aneinander anschließen .

In Figur 2 sind die einander gegenüber Liegenden Elek tr jiit'inva:!- dnagen je einer Elektrolysezelle mit Vj unü Lb bezeichnet. ;jei dem hier beschriebenen AusführungsbcispieL besteht die Ltektro-

BAD ORiG(NAL 209840/0871

d einfand ung 15 aus Stahl, rostfreiem Stahl oder Chromstahl, während die Elektrodenwandung iö aus Titan besteht. Die in Figur 2 längs einer IXorizoiitalebene geschnitten dargestellte Elektrolysezelle ί läßt erkennen, daß die Elektroderiwaiidung 15 mit fannenartigen oder stegartigen Elektrodenteilen 17 versehen ist, welche sich in Querrichtung nahezu über die gesamte Breite der Elektrolysezelle und in senkrechter Richtung über die gesamte Hohe der Elektrolysezelle erstrecken, derart, daß die aus den Teilen i5 und 17 gebildete Elektrode im wesentlichen in sämtlichen Ilorizontalquerschnitten kammartige Gestalt besitzt.

Auch mit der Platte 16 sind fahnenartige oder stegartige Elektrodenteile verbunden, welche in Figur 2 mit Ib bezeichnet sind und bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Form von aktivierten Titaiiblecheii haben, die mit den Platten 16 beispielsweise durch Schrauben verbunden sind.

Gewäß einer Ausführungsform können die Elektrodenwandungen 15 einstückig mit einem rahmeiiartigen Gehäuse de^ Elektrolysezellen verbunden sein, wie in Figur 2 angedeutet ist. In diesem Falle ist zwischen einem Flansch 19 und der Platte 16 eine Isolationszwisclienlfge ausreichender Stärke angeordnet, weiche allerdings in Figur 2 nicht im eiiiElneii dargestellt ist. Zum Montieren der einzelnen Zellen verwendet man. liier zweckmäßig in den Zeichnungen ebenfalls der Einfachheit halber weggelassene, durch Isolierliüiseii geführte Schraubbolzen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform bildet das rahmenartige Gehäuse der Elektrolysezellen mit dem daran angeordneten Elektrolytzulauf b und dem Elektrolytaixsgang 9 ein gesondertes Beuteil 20, das unter Zwischenlage von Dichtungen 21 zwischen die Elektroden-Wandungen 15 und 16 eingespannt ist, wie in Figur '3 schematisch gezeigt ist. Die Verbindung der Elektrodenwandungen i5 und 16 kann durch Zusammenschrauben, durch Zusammenlbten, durch Plattieren, oder durch elektrisch leitendes Verkleben oder Vernieten erreicht werden. Die beiden letztgenannten Möglichkeiten sind in den

Zeich-

2098MJ7O871 _BAD0RteiNAL

nungsfiguren 4 und 5 dargestellt. In Figur h ist die gut elektrisch leitende Klebstoffschicht zwischen den Platten 15 und mit 22 bezeichnet und in stark übertriebener Stärke wiedergegeben. In Figur 5 ist eine !leihe durch die Platten 15 und 16 hindurchgeführter Nieten 23 gezeigt, welche in ausreichender Dichte über die Fläche der Elektrodenwandungen 15 und 16 verteilt angeordnet sind. Jedenfalls bereitet es keinerlei Schwierigkeiten, die Platten 15 und 16 so miteinander zu verbinden, daß sich ein Spannungsabfall von weniger als 50 mV bezogen auf eine Stromdichte von 10 A/cm einstellt.

Werden die Elektrodenwandungen 15 und 16 lösbar zusammengespannt, so kann man zur Erzielung einer gleichmäßigen Kontaktgabe über die gesamte Berührungsfläche hin eine plastische, elektrisch gut leitende Vermittlerschicht beispielsweise in Form eines Leitgummis oder einer mit Leitermaterial angereicherten, elastischen oder plastischen Masse zwischenlegen.

In anderen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, die Platten und l6 einstückig auszubilden und an eine entsprechende, dann als Konstruktionseinheit zu betrachtende Platte von der einen Seite her die Ansätze oder Fahnen 17 und von der anderen Seite her die Fahnen Ib anzufügen. Auch ist es möglich, entweder die Platte 15 oder die Platte 16 als den mechanisch tragenden Teil auszubilden, während die jeweils andere Platte nur eine dünne Werkstoffschicht zur Erzielung der gewünschten elektrochemischen Eigenschaften auf der betreffenden Elektrodenseite bildet.

Durch das unmittelbare Aneinanderfügen der Elektrolysezellen 1 bis 5 wird erreicht, daß der gesamte Zellenquerschnitt senkrecht zur allgemeinen Richtung des elektrischen Stromes im wesentlichen gleichmäßig mit Strom belastet ist und daß die einzelnen Elektrolysezellen abschnittsweise einen nahezu gleichen Widerstand aufweisen, derart, daß sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung bei ^Reihenschaltung mehrerer Zellen einstellt.

⁶ BAD OWGINAL

209840/0871

Etwa noch vorhandene Widers tandsunterschi'ede, die auf einer unterschiedlichen Elektrolytkonzentration in den einzelnen Zellen beruhen könnte, wird dadurch beseitigt, dal) der Reaktionsbehälter Ii und der Sammler und Gasabscheider i'3 gemäß einem vorteilhaften Merkmal für die einzelnen Zellen gemeinsam vorgesehen sind.

Wie in Figur 6 schematisch gezeigt, können für die Iiückleitung vom Sammler und Gasabscheider 13 zum Reaktionsbehälter 11 einige wenige Leitungen 2²Jt entsprechend größeren Querschnittes eingesetzt werden, wodurch Rohranschlusse an den Behältern 11 und 13 eingespart werden können. In Figur 6 ist außerdem noch die Möglichkeit angedeutet, daß eine einzelne Elektrolysezelle nach Abiiennen der Anschlüsse der Rohrleitungen 10 und 12 nach dem Baukastensystem in horizontaler Richtung herausziehbar und wiedereinsetzbar ist. In diesem Falle sind die Elektrodenwandungen 15 und l6 lösbar zusammengespannt und lassen sich nach Lösung der Verspannung zumindest in horizontaler Richtung gegeneinander verschieben. Eine derartige Konstruktion macht das Abtrennen einzelner Leiterverbindungen zwischen auszuwechselnden Elektrolysezellen unnötig, wie dies bei bekannten Elektrolyseanlagen der hier betrachteten, allgemeinen Art erforderlich war.

Schließlich sei noch bemerkt, daß sich die Elektrodenwandungen 15 und 16 beim Zusainiuenspannen auch deshalb unter guten Kontaktgabe aneinander anlegen, weil ihnen die jeweils damit verbundenen fahnenartigen Stege 17 bzw. 1« eine große Steifigkeit und Formtreue verleihen. Die Platten 15 und 16 neigen daher nicht zum Durchbiegen, sondern bilden eine große, gemeinsame Berührungsfläche, wenn sie zusainmengespannt werden.

BAD OFHOtNAt

- 9 209840/0871

Claims

Patentansprüche

Elektrolyseeinriciitung mit mehreren, vom Elektrolyten iu vertikaler Dichtung durchströmten, auf zwei gegenüber liegend cn leiten von Eleiftrodenpiiitteri begrenzten Zellruumeii gekemizeiciiae k durch Kombination folgender Merkmale:

a) die die Elektroden jiatten bilde .ideii, eleütriscii leitenden-Wandungen (ΐϊί, 16) mind es tens zweier benachbarter Zeiträume (i bis 5) schließen unmittelbar aneinander an, derart, daß diese benachbarten Zellrluuae nur durca die genannten Wandungen voneinander getrennt sind und

b) die dem Elektrolyten ausgesetzten Oberflächen tier Eiektrodenplatten tragen die wirksame Oberfläche vergrößernde Anoden- bzw. Kathodenteile (i/, Il).

2. Einrichtung nach Anspruch i, insbesondere zur Ohloratelel: trolyse, dadurch gekennzeicime t, da,S mehrere Zellrüiuue (i bis j) über ihnen jeweils zugeordnete, einzelne Elektrolytzuiauf- und -Ablauf leitungen von unten her κ it einem gemeinsamen iiealcti mybehälter (ll) und nach oben zu mit eiiie::i gei-ieiiisarien üatitilei* und Gasabscheider (Lj) verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vom oberen Sammler und Gasabscheider (x'j) zum unteren kealctionsbehuiter (il) Rückleituiigen (14) geführt sind, deren Zahl geringer als diejenige der Zellen (i bis ^:j) und zugehörigen Zutmi- und Ablauf Leitungen (10, 12; ist.

h. Linrichtung nac'i einem der Ausbruche 1 J)is 'j, dadurca ge^eir.izeiclinefc, daL die aneinander angrenzenden i/anuimgen (lü, iö) der Ze i. Lriiunie eins tue'iig sind und aus gleichem Lerü;; fcof f oder vcrscIiLedenen V/erkstoffen bestellen,

- Iu -

BAD ORIGINAL

209840/GI71

O <. Einrichtung nach einem der Anspx-üclie 1 Ms 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dex" aneinander angrenzenden Wandungen als Stützwand ausgebildet ist, während die jeweils andere Wandung die Form einer dünnen, auf der Stützwand Gefestigten Schicht aus uiiterscliiedliciiein Werkstoff hat,

•6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander angrenzenden Wandungen der Zellräume (l Ms 5) durch Schrauben oder Hieten (23) oder Lotung oder Plattierung oder Schweißung oder Klebung (22) miteinander fest verbunden sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche i Ms 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander angrenzenden Wandungen (±5, 16) lösbar zusamraengespannt sind.

o. Einrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die je einem Zellraum enthaltenden Baueinheiten nach Abtrennen der Anschlüsse (lO, 12) einzeln aus dem Verband mehrerer Zellen (i bis 5) herausziehbar und auswechselbar sind (Figur G).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine der aneinander angrenzenden Wandungen (15, der Zeliräume einstückig mit einem rahmenartigen Zellengehäuseteil verbuiiuen ist, welches über einen Isolationsring von der gegenüber liegenden elektrisch leitenden Wandung getrennt ist (Figuren 2 und 4).

BAD OfNQtHAL

2098VÖ70871

Leerseite