DE2109949C3 - Elektrolyseeinrichtung mit vom Elektrolyten durchströmten, diaphragmalosen Zellenräumen - Google Patents

Description

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)ie Erfindung betrifft Elektrolyseeinrichtungen mit ν Elektrolyten durchströmten, diaphragmalosen !enräumen, in denen sich Bipolarelektroden been, sowie mit Mitteln zur Verminderung der j asitströme.

Aus der Veröffentlichung »Calculation of Curreri Density Distribution and Terminal Voltage for Bi polar Electrolyzers; Application to Chlorate Cells von ! Rons ar, Electrochemical Technologie, Ma 1969, ist eine Elektrolyseeinrichtung dieser Art be kannt, bei welcher die Mittel zur Verminderung de Parasi'tströme von Isolierwandungen gebildet sind welche sich oben und unten an die Bipolarelektrodei anschließen und die Aufgabe haben, die Wege für di Parasitströme innerhalb des Elektrolyten derart zi verlängern, daß die Strompfade für die Parasitsirönn erhöhten Widerstand haben.

Dieser Aufbau der Elektrolyseeinrichtung und de darin angeordneten Bipolareiektroden ist aber in den jenigen Aufwendungsfällen ungeeignet, bei welchei der Elektrolyt' mit großer Strömur.gsgeschwindigkei die Eleklrolyseanlage im Kreislauf durchströmt, wei die Forderungen eines geringen Elektrodenabstande in der Größenordnung von einigen Millimetern, ferne einer großen wirksamen Elektrodenfläche und di< Erzielung eines großen Durchströmquerschnittes be trotzdem niedrigen Parasitströmen mit der bekannter Elektrolyseeinrichtung nicht gleichzeitig erfüllt wer den können. Insbesondere ist die Gefahr der Parasit ströme umso größer, je geringer der Elektroden abstand gewählt wird.

Aus der französischen Patentschrift 1 502 793 is ferner ein Alkali-Chlorat-Elektrolyseverfahren be kannt, bei welchem der Elektrolyt mit verhältnis mäßig hoher Strömungsgeschwindigkeit im Kreislau die Elektrolyseanlage durchströmt und dabei vor unten nach oben durch die mit Monopolarelektroder ausgerüsteten Elektrolysezellen geführt wird, ir weichen der Elektrolyt nur so kurzfristig verweilt daß es zur Chlorbildung an der Anode und zur Hypo chloritbildung, nicht aber zu einer Entladung de: Hypochloritionen an der Anode unter Bildung vor Chlorat mit freiem Sauerstoff kommt, wodurch dif Stromausbeute verschlechtert würde. Um zur Erzie lung eines geringen Energieverbrauches die Strom dichte in der Zelle unter einem Wert von etw; 3 kA/m² zu halten, ohne den wirksamen Zellenquer schnitt vergrößern zu müssen, wird bei einer Einrich tung zur Ausübung des bekannten Verfahrens di< Elektrodenoberfläche dadurch vergrößert, daß di< Kathoden und die Anoden mit parallel zur Strö mungsrichtung des Elektrolyten ausgerichteten, verti kalen Fahnen versehen sind, so daß Kathode unc Anode in einem Horizontalschnitt etwa kammerartig« Gestalt besitzen und ineinandergreifen. Eine ahn liehe Konstruktion ist auch durch die USA.-Paten schrift 3 055 821 bekanntgeworden.

Diese bekannten, vom Elektrolyten durchström ten Elektrolyseeinrichtungen sind jedoch je Anlage einheit auf die Zellenspannung beschränkt, da sie mi Monopolarelektroden ausgerüstet sind, und könner nicht wie die Bipolarelektrodenzellen je Anlage einheit mit erhöhter Spannung betrieben werden.

Schließlich sind mit Diaphragmen ausgerüstet« Elektrolysezellen, wie sie etwa aus den USA.-Patent schriften 1 327 094 und 3 539 491 oder der deutschet Auslegeschrift 1102111 bekannt sind, zur Durch führung von Elektrolyseverfahren nicht geeignet, be denen der Elektrolyt mit verhältnismäßig großer Ge schwindigkeit die Zellenräume durchströmt, wöbe bemerkenswert ist, daß in diesem Falle Parasitström« auf Grund des Vorhandenseins von Diaphragmer hier ohnedies im wesentlichen nicht auftreten.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Elektrolyseeinrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß beim Einsatz von Bipolarelektroden Parasit ströme auch bei großen Durchströmungsgeschwindigkeiten des Elektrolyten innerhalb der diaphragmenlosen Zellenräume klein gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bipolarelektroden, an welche die nebeneinanderliegenden Zellenräume unmittelbar angren- xo zen, sich über von ihnen abstehende, zur allgemeinen Strömungsrichtung des Elektrolyten parallele fahnenartige Anoden- bzw. Kathodenteile in benachbarte Zellenräume hinein erstrecken, die ausschließlich über Rohrleitungen und Reaktionsbehälter bzw. Sammler und Gasabscheider in Verbindung stehen.

Eine Elektrolyseeinrichtung diese.. Art ist für Elektrolyseverfahren geeignet, bei denen nicht miteinander reagierende Gase an Anode bzw. Kathode oder überhaupt keine Gase entstehen, wofür als Beispiele die schon erwähnte Alkali-Chlorat-Elektrolyse bzw. Natriumchloridelektrolyse ohne Diaphragma zur Erzeugung von Hypochlorit, Chlorat oder Perchlorat genannt seien. Auch ist die vorgeschlagene Einrichtung für Elektrolyseverfahren geeignet, bei denen zur Vermeidung einer Polarisation des Elektrolyten in der Zelle eine kräftige Elektrolyt-Zwangszirkulation erwünscht ist.

Durch die Erfindung wird der zusätzliche Vorteil erzielt, daß die Leiierstücke zwischen den Zeilräumen, wie sie bei der Elektrolyse in Anlagen mit in Reihe geschalteten Monopolarelektroden-Zellen notwendig sind, in Wegfall kommen, so daß teurer Leiterwerkstoff eingespart werden kann und auch eine Ersparnis an elektrischer Energie erzielt wird, die als Verlustwärme in den kurzen Verbindungsleitern zwischen den Zellräumen bei den bekannten Elektrolyseeinrichtungen der erwähnten Art verlorengeht. Die Parasitströme werden weitgehend vermieden, da die Elektroden, welche die Zellenräume auf gegenüberliegenden Seiten begrenzen, verhältnismäßig sehr großen Abstand besitzen und folglich die Nebenschluß-Stromwege, welche über die Rohrleitungen und Sammler bzw. Reaktoren verlaufen, bedeutend langer sind als die gewünschten Stromwege durch die elektrolyterfüllten Räume. 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 Zellenräume eintritt, die neben der Angleichung der Ubergangswiderstände im Sinne einer Linearisierung der Spannungsverteilung wirksam ist. Die von den Elektroden abstehenden fahnenartigen Anoden- bzw. Kathodenteile verleihen den Elektroden überdies solche Steifigkeit, daß ein Zusammenspannen von Bipolarelektrodenteilen mit gutem elektrischen Kontakt keine Schwierigkeiten bereitet.

Zweckmäßige Ausgestn/tungen der Erfindung bilden im übrigen Gegenstand der anliegenden Patentansprüche.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es .stellt dar

Fig. 1 eine teilweise schematisch wiedergegebene Vorderansicht eines Teiles einer Elektrolyseeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Zellenanordnung der Anlage gemäß Fig. 1, wobei ein Zellenraum aufgeschnitten dargestellt ist,

Fig. 3 einen ausschnittsweise wiedergegebenen, vergrößerten Horizontalschnitt durch eine Elektrolysezelle der Einrichtung nach der Erfindung,

F i g. 4 und 5 Einzelheiten der Verbindungsstelle zwischen zwei benachbarten Zellenräumen und

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Elektrolyseeinrichtung nach der Erfindung.

Die Erfindung ist am Beispiel von Afkafichforat-Elektrolyseanlagen erläutert, doch ist die Erfindung nicht auf Elektrolyseanlagen dieser Art beschränkt.

In Fig. 1 sind unmittelbar nebeneinanderliegende Elektrolysezellenräume 1 bis S dargestellt, welche einerseits an kathodenseitige Stromschienen 6 und andererseits an anodenseitige Stromschienen 7 angeschlossen sind. Die Gehäuse der Zellenräume 1 bis 5 haben im wesentlichen kastenförmige Gestalt und weisen unten einen Elektrolytzulauf 8 und oben einen Elektrolytausgang 9 auf. Der Elektrolytzulauf sämtlicher Zellenräume 1 bis 5 ist jeweils über eine Rohrleitung 10 an einen für sämtliche Zellenräume gemeinsam vorgesehenen Reaktionsbehälter 11 angeschlossen, während die Elektrolytausgänge 9 sämtlicher Zellenräume über Rohrleitungen 12 mit einem gemeinsamen Sammler und Gasabscheider 13 Verbindung haben. Vom Sammler und Gasabscheider 13 zum Reaktionsbehälter 11 führende Rückleitungen 14 sind in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet. Am Sammler und Gasabscheider 13 bzw. am Reaktionsbehälter 11 vorgesehene Elektrolyt- ■ abführungs- und Zuführungsleitungen sind in der Darstellung nach Fig. 1 der Einfachheit halber weggelassen, da sie nicht Teil der Erfindung bilden.

Aus Fig. 1 ist zu sehen, daß die nebeneinanderliegenden Zellenräume 1 bis 5 unmittelbar aneinander angrenzen, wobei die senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes gelegenen Bipolarelektroden benachbarter Zellenräume gemeinsam angehören.

In F i g. 2 sind die einander gegenüberliegenden Bipolarelektroden je eines Zellenraumes mit 15 und 16 bezeichnet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht die Bipolarelektrode zu einem Teil 15 aus Stahl, rostfreiem Stahl oder Chromstahl, während der Teil 16 aus Titan besteht. Der in Fi g. 2 längs einer Horizontalebene geschnitten dargestellte Zellenraum 1 läßt erkennen, daß der Bipolarelektrodenteil 15 mit fahnen.irtigen oder stegartigen Elektrodenteilen 17 versehen ist, welche sich in Querrichtung nahezu über die gesamte Breite des Zellenraumes und in senkrechter Richtung über die gesamte Hohe der Elektrolysezelle erstrecken, derart, daß der aus den Teilen 15 und 17 gebildete Elektrodenteil im wesentlichen in sämtlichen Horizontalquerschnitten kammartige Gestalt besitzt.

Auch mit dem Teil 16 sind fahnenartige oder stegartige Elektrodenteile verbunden, welche in F i g. 2 mit 18 bezeichnet sind und bei dem vorliegenden Ausführungsbeiispiel die Form von aktivierten Titanblechen haben, die mit dem Bipolarelektrodenteil 16 beispielsweise durch Schrauben verbunden sind.

Gemäß einer Ausführungsform können die Bipolarelektrodenteile 15 einstückig mit einem rahmenartigen Gehäuse der Zellenräume verbunden sein, wie in Fig. 2 angedeutet ist. In diesem Falle ist zwischen einem Flansch 19 und dem Teil 16 eine Isolationszwischenlage ausreichender Stärke angeordnet, welche allerdings in Fig. 2 nicht im einzelnen dargestellt ist. Zum Montieren der einzelnen Zellenräume verwendet man hier zweckmäßig in den Zeichnungen ebenfalls der Einfachheit halber weggelassene, durch Isolierhülsen geführte Schraubbolzen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform bildet das rahmenartige Gehäuse der Zellenräume mit dem daran angeordneten Elektrolytzulauf 8 und dem Elektrolytausgang 9 ein gesondertes Bauteil 20, das unter Zwischenlage von Dichtungen 21 zwischen die Elektrodenteile 15 und 16 eingespannt ist, wie in F i g. 3 schematisch gezeigt ist. Die Verbindung der Elekirodenteile 15 und 16 kann durch Zusammenlöten, durch Plattieren, oder durch elektrisch leitendes Verkleben oder Vernieten erreicht werden. Die beiden letztgenannten Möglichkeiten sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. In Fig. 4 ist die gut elektrisch leitende Klebstoffschicht zwischen den Elektrodenteilen 15 und 16 mit 22 bezeichnet und in stark übertriebener Stärke wiedergegeben. In Fig. 5 ist eine Reihe durch die Elektrodenteile 15 und 16 hindurchgeführter Niete 23 gezeigt, welche in ausreichender Dichte über die Fläche der Teile 15 und 16 verteilt angeordnet sind. Jedenfalls bereitet es keinerlei Schwierigkeiten, die Elektrodenteile 15 und 16 so miteinander zu verbinden, daß sich ein Spannungsabfall von weniger als 50 mV, bezogen auf eine Stromdichte von 10 A/m², einstellt.

Werden die Elektrodenteile 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 Teile 15 und 16 einstückig auszubilden und an eine entsprechende, dann als Konstruktionseinheit zu betrachtende Platte von der einen bzw. der anderen Seite her die fahnen- oder stegartigen Elektrodenteile 17, 18 anzufügen. Auch ist es möglich, entweder den Bipolarelektrodenteil 15 oder den Bipolarelektrodenteil 16 als den mechanisch tragenden Teil auszubilden, während der jeweils andere Teil nur eine dünne Werkstoffschicht zur Erzielung der gewünschten elektrochemischen Eigenschaften auf der betreffenden Elektrodcnseite bildet.
Durch das unmittelbare Aneinanderfügen der Elektrolysezellenräunie 1 bis 5 wird erreicht, daß der gesamte Zellenquerschnilt senkrecht zur allgemeinen Richtung des elektrischen Stromes im wesentlichen gleichmäßig mit Strom belastet ist und daß die einzelnen Zellenräume abschnittsweise einen nahezu gleichen Widerstand aufweisen, derart, daß sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung bei Reihcnschalttung mehrerer Zellenräume einstellt.

Etwa noch vorhandene Widerstandsunterschiede, die auf einer unterschiedlichen Elektrolytkonzentration in den einzelnen Zellenräumen beruhen könnten, werden dadurch beseitigt, daß der Reaktionsbehälter 11 und der Sammler und Gasabscheider 13 gemäß einem vorteilhaften Merkmal für die einzelnen ^a° Zellenräume gemeinsam vorgesehen sind.

Wie in F i g. 6 schematisch gezeigt, können für die Rückleitung vom Sammler und Gasabscheider 13 zum Reaktionsbehälter 11 einige wenige Leitungen 24 entsprechend größeren Querschnitts eingesetzt werden, »5 wodurch Rohranschlüsse am Reaktionsbehälter 11 und dem Sammler und Gasabscheider 13 eingespart werden können. In F i g. 6 ist außerdem noch die Möglichkeit angedeutet, daß ein einzelnes Elektrolysczellenteil nach Abtrennen der Anschlüsse der Rohrleitungen 10 und 12 nach dem Baukastensystem in horizontaler Richtung herausziehbar und wiedereinsetzbar ist. In diesem Falle sind die Bipolarelektrodenteile 15 und 16 lösbar zusammengespannt und lassen sich nach Lösen der Verspannung zumindest in horizonzaler Richtung gegeneinander verschieben. Eine derartige Konstruktion macht das Abtrennen einzelner Leiterverbindungen zwischen auszuwechselnden Elcktrolysezellen unnötig, wie dies bei bekannten Elektrolyseanlagen der hier betrachteten Art erforderlich war.

Schließlich sei noch bemerkt, daß sich die Elektrodenteile 15 und 16 beim Zusammenspannen auch deshalb unter guter Kontaktgabe aneinander anlegen, weil ihnen die jeweils damit verbundenen fahnen- oder stegartigen Elektrodenteile 17 bzw. 18 eine große Steifigkeit und Formtreue verleihen. Die Teile 15 und 16 neigen daher nicht zum Durchbiegen, sondern bilden eine große, gemeinsame Berührungsfläche, wenn sie zusammengespannt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrolyseeinrichtung mit vom Elektrolyten durchströmten, diaphragmaiosen Zellenräumen, in denen sich Bipolarelektroden befinden, sowie mit Mitteln zur Verminderung der Parasitströme, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolarelektroden (15,16), an welche die nebeneinanderliegenden Zellenräume unmittelbar angrenzen, sich über von ihnen abstehende, zur allgemeinen Strömungsrichtung des Elektrolyten parallele, iahnenartige Anoden- bzw. Kathodenteile (17, 18) in benachbarte Zellenräume hinein erstrecken, die ausschließlich über Rohrleitungen (10, 12) und Reaktionsbehälter (11) bzw. Sammler und Gasabscheider (13) in Verbindung stehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom oberen Sammler und Gasabscheider (13) zum unteren Reaktionsbehälter (11) Sammelrückleitungen (24) geführt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolarelektroden (15, 16) einstückig sind und dabei aus gleichem Werkstoff oder verschiedenen Werkstoffen bestehen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolarelektroden auf der einen Seite eine Stützwand enthalten, während auf der anderen Seite eine dünne, auf der Stützwand befestigte Schicht aus unterschiedlichem Werkstoff vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolarelektroden schichtweise durch Nieten (23), Löten, Plattieren, Schweißen oder Kleben (22) hergestellt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolarelektroden aus zwei lösbar zusammengespannten Teilen (15, 16) gebildet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an einen Zellenraum (1 bis 5) angrenzenden Teile nebeneinanderliegender Bipolarelektroden (15, 16) nach Abtrennen der Anschlüsse (10, 12) zusammen mit einem den betreffenden Zellenraum umschließenden Gehäuse einzeln aus dem Verband mehrerer Zellenräume (1 bis 5) herausziehbar sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bipolarelektroden (15, 16) bzw. ein Teil derselben einstückig mit einem rahmenartigen Zellenraum-Gehäuseteil verbunden ist, welches über einen Isolationsring von der gegenüberliegenden Bipolarelektrode bzw. dem Bipolarelektrodenteil getrennt ist.