DE2125941C3 - Bipolare Einheit und damit aufgebaute elektrolytische Zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine bipolare Einheit für eine elektrolytische Zelle, bestehend aus einer Platte aus einem Anodenmetall, welche auf einer Seite einen Belag aus einem Arbeitselektrodenmaterial

-'<> aufweist und welche auf der anderen Seite elektrisch leitend mit einer ersten Platte aus Eisen oder Stahl verbunden ist, und aus einer durchbrochenen Kathodenplatte aus Eisen oder Stahl, die parallel und im Abstand zur ersten Platte verläuft und mit dieser in

J> elektrischem Kontakt steht.

Eine bipolare Einheit dieser Art ist aus der US-PS 3451914 bekannt. Mehrere derartige bipolare Einheiten können zu einer elektrolytischen Zelle zusammengebaut werden, welche sich in erster Linie für die Herstellung von Hypohalogeniten, Halogenaten und Perhalogenaten eignet. Die bipolaren Einheiten sind oben und unten offen, so daß sich eine Zirkulation des Elektrolyten um die Kathodenplatte einstellen kann.

Jj Eine solche elektrolytische Zelle ist jedoch weniger geeignet, wenn an der Anode und an der Kathode gebildete Gase getrennt aufgefangen werden sollen. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine bipolare Einheit der eingangs näher beschriebenen Art

4(i so weiterzubilden, daß sie diesen Nachteil nicht aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer bipolaren Einheit der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die erste Platte und die durchbrochene Platte zusammen mit sich zwischen ihnen erstreckenden Wänden einen Kathodenkasten bilden.

Mit dem Ausdruck »durchbrochene Kathodenplatte« ist eine perforierte oder netzwerkartige Platte gemeint, wie z. B. eine mit vielen Löchern versehene

jo Platte, ein Drahtgitter, ein gewebtes Netz oder eine Platte aus Streckmetall. Vorzugsweise besitzt die durchbrochene Platte die Form eines gewebten Netzes.

Mit dem Ausdruck »Anodenmetall« ist Titan, Zirkon, Niob, Tantal, Wolfram oder eine Legierung gemeint, die hauptsächlich aus diesen Metallen besteht und ähnliche anodische Polarisationseigenschaften aufweist wie die Metalle selbst. Diese werden auch als filmbildende Metalle bezeichnet. Das bevorzugte

b'o Metall ist Titan.

Das »ArbeitselektrOdenmaterial« kann irgendein Material sein, welches bei der Übertragung von Elektronen aus einem Elektrolyt in das darunterliegende Anodenmetall aktiv ist und gegenüber einem elektro-

„-, chemischen Angriff unter den Bedingungen widerstandsfähig ist, die in der Zelle herrschen, in der die Anode verwendet wird. Bei Verwendung in sehr korrosiven Medien, wie z. B. in Chloridelektrolyten, bc-

steht das Arbeitselektrodenmaterial in geeigneter Weise aus ein oder mehreren Metallen der Platingruppe (Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Osmium und Palladium) und/oder den Oxiden derselben oder aber aus einem anderen Metall oder einer Verbindung, die als Anode wirkt und gegenüber einer elektrochemischen Auflösung in der Zelle widerstandsfähig ist, wie z. B. Rhenium, Rheniumtrioxid, Magnetit, Titannitrid und die Boride, Phosphide und Silicide der Metalle der Platingruppe. Der Belag aus einem Arbeitselektrodenmaterial kann auch in an sich bekannter Weise elektrisch nichtleitende Oxide, insbesondere Oxide des Anodenmetalls, wie z. B. Titan und/oder anderer Metalle, wie z. B. Zinn, enthalten, um das Arbeitselektrodenmaterial besser an der tragenden Anodenmetallstruktur zu verankern und die Widerstandsfähigkeit gegen Auflösung in der Zelle zu erhöhen.

Die Kathodenplatte besteht vorzugsweise aus Weichstahl (niedriggekohlter Stahl). In ähnlicher Weise ber.teht auch die erste Platte vorzugsweise aus Weichstahl.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kathodenkasten in geeigneter Weise mit einem Austritt für Gase und einem Austritt für Flüssigkeiten versehen. Gegebenenfalls kann der gleiche Austritt sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten verwendet werden.

Vorzugsweise wird die durchbrochene Platte durch Querstreben unterstützt, die mit der ersten Platte verbunden sind. Die Streben können elektrisch leitend sein und sind gewöhnlich durch Punktschweißung auch mit der durchbrochenen Kathodenplatte verbunden.

Vorzugsweise ist die Anodenplatte entlang ihrer Ränder U-förmig umgebogen, so daß auf ihrer von der durchbrochenen Kathodenplatte abgewandten Seite ein Kanal gebildet wird. Der Kanal besitzt vorzugsweise entlang eines Randes mindestens einen Austritt für Flüssigkeiten und/oder Gase und entlang des entgegengesetzten Randes mindestens einen Eintritt für Elektrolyt.

Bevorzugt ist eine gewellte Platte, wie z. B. eine solche aus Titan, in den Kanal eingeführt, um das Profil des Kanals zu stützen.

Die Platte aus Anodenmetall kann mit der ersten Platte durch irgendeine geeignete Nfaßnahme elektrisch leitend verbunden werden. Vorzugsweise wird der Belag aus dem Arbeitselektrodenmaterial auf die Platte des Anodenmetalls aufgebracht, nachdem das Verbinden durchgeführt y/orden ist.

Das Verbinden der Platten kann beispielsweise durch Weichföten oder Hartlöten erfolgen. Ein besonders geeignetes Lötverfahren ist in der GB-PS 1236097 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die Platte aus Anodenmetall mit einem Lot beschichtet, indem die Platte erhitzt wird, während die zu beschichtende Oberfläche mit dem geschmolzenen Lot bedeckt wird und eine durch Ultraschall erregte Sonde über im wesentlichen die gesamte zu beschichtende Oberfläche bewegt wird, wobei die Sonde in Kontakt mit der Oberfläche Und mit dem geschmolzenen Metall oder der geschmolzenen Legierung ist. Die so erhaltene beschichtete Platte wird dann mit der ersten Platte verlötet, die ebenfalls vorher mit Lot überzogen worden ist.

Geeignete Lote sinu z. B. binäre Legierungen von Zinn mit Zink, Blei, Antimon oder Wismut und ternäre zinnhaltige Legierungen, wie z. B. Zinn/Zink-Blei-Legierungen. Es wird bevorzugt, eine Zink/ Zinn-Legierung zu verwenden.

Die bevorzugten erfindungsgemäßen bipolaren Einheiten, bei denen die Anodenplatte entlang ihrer '' Ränder U-förmig umgebogen ist, um einen Kanal zu bilden, und bei der in den Kanal Ein- und Austritte münden, eignen sich besonders zum Aufbau einer elektrolytischen Zelle, die sich für die Elektrolyse von wäßrigen Lösungen von Alkalimetallhalogeniden eignet. Die Erfindung betrifft deshalb weiterhin eine unter Verwendung mindestens einer solchen bipolaren Einheit aufgebaute elektrolytische Zelle, die sich besonders für die Elektrolyse von wäßrigen Lösungen und von Alkalimetallhalogeniden eignet und die da-" > durch gekennzeichnet ist, daß die Einheit oder eine Reihe von nebeneinander angeordneten Einheiten auf der einen Seite des Kathodenkastenr, mit einer entsprechend ausgebildeten Anodenplatte und auf der anderen Seite mit einem entsprechend geformten Ka-■!" thodenkasten abgedeckt ist, wobei d?·- Kathodenkasten von der Anodenplatte der benachbarten Einheit jeweils durch eine isolierende Dichtung getrennt ist.

Vorzugsweise ist ein Diaphragma zwischen einer jeden Anode und Kathode angeordnet. Im allge.nei- -'"> nen befindet sich das Diaphragma in Kontakt mit der durchbrochenen Kathodenplatte. Es kann jedes geeignete Diaphragmamaterial verwendet werden, aber es wird bevorzugt, daß das Diaphragma aus Polytetrafluoräthylen besteht, wie es in der britischen Patent-Ji) schrift 1081046 beschrieben ist. Andere geeignete Diaphragmamaterialien sind z. B. Asbest, der beispielsweise dadurch auf die durchbrochene Platte aufgebracht werden kann, daß man die Platte in eine Asbestaufschlämmung eintaucht und ein Vakuum anti legt, um den Asbest auf die Platte zu ziehen.

Es ist erwünscht, daß die Austritte aus den Ano-Iyträumen mit einem Entschäumungsraum verbunden sind, der in Abstand von den Anolyträumen angeordnet ist, wie es beispielsweise in der britischen Patenten schrift 1123321 beschrieben ist. Bei einer solchen Anordnung ist der Entschäumungsraum auch mit den Eintritten für den Anolytraum verbunden.

Der Abstand zwischen der Anodenplatte und der benachbarten durchbrochenen Kathodenplatte der ■r> nächsten Einheit liegt vorzugsweise zwiichen 5 und 10 mm.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer bipolaren Einheit, gesehen in Richtung des Pfeils BB' von Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt an der Linie AA' von Fig. 1, Fig. 3 eine Aufsicht auf die Einheit,

Fig. 4 eine Ansicht einer anderen Konstruktion der ,-, bipolaren Einheit, gesehen in Richtung des Pfeils DD' von Fig. 5,

Fig. 5 einen Schnitt an der Linie CC von Fig. 4,

Fig. 6 eine Ansicht der bipolaren Einheit der Fig. 4 und 5, gesehen in P^:chtung des Pfeils EE' in Fig. 5, bo wobei verschiedene daran befestigte Teile zu sehen sind, die in den Fig. 4 und 5 nicht gezeigt sind.

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Zelle, welche 2 der bipolaren Einheiten der Fig. I, 2 und 3 beinhaltet, und

h') Fig. 8 eine schematiche Darstellung der in Fig. 7 gezeigten Zelle bei der Verwendung für die Elektrolyse von Kochsalzlösung.

Die in den Fig. 1 bis 7 gezeigte bipolare Einheit

besitzt eine Anodenplatte 1 aus Titan, die elektrisch leitend mit einer Platte 2 aus Weichstahl verbunden ist. Auf der anderen Seite trägt die Anodcnplattc einen Platinbelag.

Bei den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Einheiten sind die horizontalen Ränder der Titanplatte umgebogen, so daß ein umlaufender Kanal 3 entsteht, der durch ein Wellblech 4 aus Titan unterstützt wird. Dieser Kanal 3 ist mit Eintritten 5 und Austritten 6 versehen.

An die vier Kanten der Platte 2 sind Wände 7 aus Weichstahl angeschweißt, so daß ein offener Kasten entsteht, der die Platte 2 zum Boden hat. Die Wände 7 sind mit Randteilen 8 versehen, an denen ein Drahtnetz 9 aus Weichstahl befestigt ist, das die Kathode darstellt. Die Teile 2,7 und 9 bilden einen Kathodenkasten. Die oberen und unteren Wände 7 eines jeden Kastens besitzen Austritte 10 und 11.

Die Fig. 7 und 8 zeigen zwei der bipolaren Einheiten der Fig. 1 bis 3, die in eine elcktrolytische Zelle eingebaut sind. Die Endanode 12 und die Endkathode 13 sind von ähnlicher Konstruktion wie die Anodenbzw. Kathodenteile der bipolaren Einheit. So besitzt die Endanode 12 eine Platinoberfläche, die der Oberfläche auf einer Anodenplatte 1 ähnlich ist, und außerdem Eintritte 21, die den Eintritten 5 entsprechen, und Austritte 22. die den Austritten 6 entsprechen. Die Endkathode 13 besitzt ein Drahtnetz 25 aus Weichstahl, das der Kathode 9 ähnlich ist, Austritte 23, die den Austritten 10 entsprechen, und Eintritte 24, die den Eintritten 11 entsprechen.

Eine Dichtung 14 schafft eine elektrische Isolation zwischen benachbarten Anoden und Kathoden. Die Dichtung kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein, wie z. B. aus einem verstärkten Formaldehydharz oder aus Polytetrafluorethylen.

Poröse Diaphragmen aus Polytetrafluoräthylen. welche Titandioxidfiillstoff enthalten, sind in Nachbarschaft zur Kathode angeordnet.

Die Endanode 12 und die Endkathode 13 sind mit Stromzuführschienen 16 und 17 ausgerüstet.

Die Zelle wird dadurch zusammengebaut, daß die verschiedenen Komponenten in der richtigen Reihenioigc in einem (nichi gezeigten) geeigneten Rahmen angeordnet und zusammengedrückt werden.

Obwohl die gezeigte Zelle nur 2 Einheiten aufweist, kann sie mehrere Einheiten besitzen, je nach den Spannungen, mit denen gearbeitet werden soll. So wird die Zelle gewöhnlich mindestens 10 Einheiten und beispielsweise bis zu 100 Einheiten aufweisen.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 7 gezeigten Zelle in der Anwendung für die Elektrolyse von Kochsalzlösung. Kochsalzlösung betritt die Zelle durch einen Kanal 35, während Chlor an den Anoden 1 und 20 und Wasserstoff an den Kathoden 9 und 25 in Freiheit gesetzt wird. In den Kathodenräumen der Zelle wird außerdem Natriumhydroxid gebildet.

Das Chlor wird mit einer solchen Geschwindigkeit in Freiheit gesetzt, daß ein Schaum aus Chlor in Kochsalzlösung in den Anodenräumen der Zelle gebildet wird. Die Kraft der Chlorblasen hat zur Folge, daß der Schaum durch ein Rohr 30 aus der Zelle und i einen Entschäumungsraum 32 getragen wird, wo da Chlor sich von der Kochsalzlösung trennt. Das ChIo verläßt den Entschäumungsraum 32 durch einen Aus tritt 34. Ergänzungskochsalzlösung wird durch ei Rohr 33 zugeführt. Der Pegel der Kochsalzlösung 3 im Entschäumungsraum 32 ist ausreichend hoch, da sichergestellt ist, daß Kochsalzlösung durch das Roh 35 zurück zur Unterseite der Zelle zirkuliert.

Der im Kathodenraum gebildete Wasserstoff trit durch ein Rohr 31 aus, und das gebildete Natriumhy droxid tritt in Mischung mit Kochsalzlösung durch ei Rohr 36 aus.

Die in den Fig. 4 und 5 gezeigte bipolare Einhe unterscheidet sich von der vorstehend beschriebene Ausführungsform im wesentlichen dadurch, daß de obere und dr:r untere umgebogene Rand der Anoden platte 1 mit Ausbuchtungen 40 bzw. 41 versehen is An diese Ausbuchtungen sind Eintritte 42 und Aus trittc 43 angeschlossen. Gemäß Fig. 6 sind die Aus tritte 43 mit Behältern 44 verbunden, welche als Ent schäumungsräume dienen. Das Gas verläßt dies Behälter 44 durch Austritte 45 und die Flüssigke durch Austritte 42. Ergänzungsflüssigkeit kann de Behältern 44 durch Eintritte 46 zugeführt werden Gemäß den Fig. 5 und 6 besitzt der Anodenkaste Austritte 47. die mit Behältern 48 verbunden sine von denen jeder einen Austritt für Gase 49 und eine Austritt für Flüssigkeiten 50 aufweist.

Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel nä her erläutert.

Beispiel

Eine Zelle, die aus zwei bipolaren Einheiten gemä den Fig. 4 bis 6 aufgebaut war, wurde zur Elektrolys von Kochsalzlösung bei einer Betriebstemperatur vo 80 bis 85° C während eines Zeitraums von 5 Tage verwendet. Es wurden die folgenden Resultate erhal ten:

Spannung an einer Zusammenstellung (von einer Anode zur

Anodenstromdichte
Konzentration der zugeführten
Natriumchloridlösung
Katholytkonzentration

3 2? ν
2kA/m²

Anodengasanalyse

307 g/l NaCI
122,8 g/l NaOH 0,55 g/l NaClO₃ 180,2 g/l NaCl
Cl₂ 98,0Vol.-% CO₂ 1 Vol.-% O₂ 1 Vol.-% H₂ 0 Vol.-% N₂ 0 V0I.-9I

Zellenstromausbeute 96,5%

Umwandlungen 49,9%

Es ist ersichtlich, daß die Zelle gutes Chlor und eins gute Umwandlung bei vorzüglichen Spannungs Strom-Verhältnissen ergibt. Die Zelle besitzt ein« sehr kompakte Konstruktion und vermeidet die Not wendigkeit eines Zellengehäuses.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Bipolare Einheit für eine elektrolytische Zelle, bestehend aus einer Platte aus einem Anodenmetall, welche auf eine Seite einen Belag aus einem Arbeitselektrodenmaterial aufweist und weiche auf der anderen Seite elektrisch leitend mit einer ersten Platte aus Eisen oder Stahl verbunden ist, und aus einer durchbrochenen Kathodenplatte aus Eisen oder Stahl, die parallel und im Abstand zur ersten Platte verläuft und mit dieser in elektrischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (2) und die durchbrochene Kathodenplatte (9) zusammen mit sich zwischen ihnen erstreckenden Wänden (7) einen Kathodenkasten bilden.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbrochene Platte (9) aus einem gewebten Netz besteht.

3. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (2) und die durchbrochene Platte (9) aus Weichstahl bestehen.

4. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kasten einen Austritt für Gase (10) und einen Austritt für Flüssigkeiten (11) aufweist.

5. Einheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durchbrochene Platte (9) durch Querstreben gestützt wird, die mit der ersten Platte (2) verbunden sind.

6. Einheit nach einen>der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenplatte (1) entlang ihrer Rän 'er U-förmig umgebogen ist, so daß auf ihrer von der durchbrochenen Kathodenplatte abgewandten Seite ein Kanal (3) gebildet wird.

7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) entlang eines Randes mindestens einen Austritt (6) für Flüssigkeiten und/oder Gase aufweist und daß der Kanal entlang des entgegengesetzten Randes mindestens einen Eintritt (5) für Elektrolyt aufweist.

8. Unter Verwendung mindestens einer bipolaren Einheit nach Anspruch 7 aufgebaute elektrolytische Zelle, die sich für die Elektrolyse von wäßrigen Lösungen von Alkalimetallhalogeniden eignet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit oder eine Reihe von nebeneinander angeordneten Einheiten auf der Seite des Kathodenkastens mit einer entsprechend Anspruch 6 und 7 ausgebildeten Anodenplatte (12) und auf der anderen Seite mit einem entsprechend Anspruch 4 geformten Kathodenkasten (13) abgedeckt ist, wobei der Kathodenkasten von der Anodenplatte der benachbarten Einheit jeweils durch eine isolierende Dichtung (14) getrennt ist.

9. Elektrolytische Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröses Diaphragma (15) zwischen einer jeden Anode und Kathode angeordnet ist.

K). Elektrolytisch«: Zelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Diaphragma (15) mit der durchbrochenen Kathodenplatte (9, 25) in Kontakt hcfindet.

1 I. Elektrolytisch*· Zelle nach einem der Ansprüche S his K). dadurch gekennzeichnet, daß die

Austritte (6,22) aus den Anolyträumen mit einem Entschäumungsraum (32) verbunden sind, der seinerseits mit den Eintritten (5, 21) zum Anolytraum verbunden ist.

12. Elektrolytische Zelle nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Anodenplatte (1) und der benachbarten durchbrochenen Kathodenplatte (9, 25) der nächsten Einheit zwischen 5 und Ul mm liegt.