DE2148337A1 - BIPOLAR MULTIPLE ELECTROLYSIS CELL WITH DIAPHRAGMA - Google Patents
BIPOLAR MULTIPLE ELECTROLYSIS CELL WITH DIAPHRAGMAInfo
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Description
Aktenzeichen: 64 019File number: 64 019
Die Erfindung betrifft eine bipolare Mehrfach-Elektrolyse-Zelle mit Diaphragma zur Zerlegung von Alkalihalogenid-Lösungen in Alkalilauge, Halogenid und Wasserstoff. Insbesondere bezieht sich die verbesserte Zellenausführung auf elektrische Alkali-Chlor-Diaphragmazellen zur*Gewinnung von Alkalilauge, Chlor und Wasserstoff.The invention relates to a bipolar multiple electrolysis cell with a diaphragm for the decomposition of alkali halide solutions in alkali lye, Halide and hydrogen. In particular, the improved cell design relates to alkaline-chlorine electrical diaphragm cells for * extraction of alkali, chlorine and hydrogen.
Bei derartigen Elektrolysezellen wird kompakte Bauweise bei einfachem Aufbau, hohe elektrische Belastbarkeit und damit hohe Wirtschaftlichkeit angestrebt. Da die durch die Elektrolysezelle geführten Medien chemisch und/oder physikalisch besonders aktiv sind, muß widerstandsfähiges Material verwendet und eine konstruktive Ausführung gefunden werden, die den Anforderungen gerecht wird.In such electrolytic cells, compact design is simple Construction, high electrical load capacity and thus high economic efficiency aimed at. Because the media passed through the electrolytic cell are chemically and / or physically particularly active, resistant material must be used and a structural design must be found that meets the requirements.
Bekannt sind verschiedene Konstruktionen von Mehrfach-Elektrolyse-Zellen, bei denen die Elektroden bipolar sind und ein-Diaphragma verwendet wird. Bei diesen Zellentypen besteht die bipolare Elektrode aus einer Metallkohstruktion mit aufgebrachtem Diaphragma. So besteht z.B. die bipolare Elektrode nach der deutschen OS 1.421.051 Fig.5 aus einem Titan-Blech, das auf der Anodenseite mit einem Edelmetall, wie z.B. Platin, beschichtet ist, auf der anderen Seite unbeschichtet ist, warzenförmige Erhebungen hat, über diese elektrisch leitend mit einem Drahtgewebe verbunden ist und wobei die so gebildete Kammer die Kathode darstellt. Das Drahtgewebe ist außen mit einem Asbestfaser-Vlies beschichtet, das das Diaphragma da'rstellt. Mit einer solchen bipolaren Elektrode läßt sich eine gleichmäßige Stromverteilung im Elektrolyten und ein gleichmäßiger Stromfluß in"der Elektrode nicht erzielen. Der von der mit Edelmetall beschichteten Elektrodenseite der Anode, abgehende gleichmäßig verteilte Strom gelangt über den Anolyten in das Asbestdiaphragma an das Drahtgewebe, von hier über die einzelnen Warzen der Titan-Elektrode in das Titan-Blech selbst und dann zur Edelmetallbeschichtung. Die Punktberührung an den Warzen ist problematisch. Darüber hinaus hat ein Drahtgewebe infolge der vielen Punktkontakte boi den sich kreuzenden Drähten zusätzlich elektrischen Widerstand. Die aperessiven Medien in der Zelle führen beiVarious designs of multiple electrolysis cells are known, where the electrodes are bipolar and a diaphragm is used. With these types of cells, there is a bipolar electrode Made of a metal construction with an attached diaphragm. For example, there is the bipolar electrode according to the German OS 1.421.051 Fig. 5 made of a titanium sheet, which is coated on the anode side with a noble metal such as platinum, and uncoated on the other side is, has wart-shaped elevations over which it is electrically conductive a wire mesh is connected and wherein the chamber thus formed represents the cathode. The wire mesh is on the outside with an asbestos fiber fleece coated, which creates the diaphragm. With such a bipolar electrode, a uniform current distribution can be achieved in the electrolyte and a steady flow of current in "the electrode not achieve. The evenly distributed current going out from the electrode side of the anode coated with noble metal passes through the Anolyte in the asbestos diaphragm to the wire mesh, from here over the individual warts of the titanium electrode into the titanium sheet itself and then to the precious metal coating. The point contact on the warts is problematic. In addition, as a result of the many point contacts on the intersecting wires, a wire mesh also has electrical connections Resistance. The aperessive media in the cell lead to
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Oxydbildung weiterhin zu Kontaktunterbrechungen im Drahtgewebe. Die auf der Kathodenseite ungeschützte Titan-Elektrode ist dem Wasserstoff ausgesetzt und versprödet nach kurzer Zeit.Oxide formation continues to lead to interrupted contacts in the wire mesh. the The unprotected titanium electrode on the cathode side is exposed to hydrogen and becomes brittle after a short time.
Nach den deutschen OS lr592.O2O und OS 2.030.610 wird die bipolare Elektrode gebildet aus einer Trägerplatte, die gleichzeitig Trennwand für die einzelnen Zellen ist, aus einer Vielzahl von Anodenplatten auf einer Seite der Trägerplatte und aus einer Vielzahl von Kathodenfingern auf der anderen Seite der Trägerplatte. Die Anoden werden aus geeignetem chlorbeständigen Material hergestellt, und die Kathoden, die in Form von Metalldrahtgewebe oder -Gitter vorliegen, sind aus Eisen, Nickel, Chrom oder aus einem gegen die Medien Wasserstoff und Alkali-Verbindung beständigen Metall. Das Metalldrahtgewebe wird mittels einer Stützvorrichtung auf der Trägerplatte fixiert und ist mit einem Asbestfaservlies beschichtet, welches als Diaphragma wirkt. Um möglichst viel Elektrodenfläche auf einem bestimmten Raum unterzubringen, v/erden die Anodenteile und Kathodenteile der Elektroden kammartig ausgestaltet und greifen in zusammengebautem Zustand berührungsfrei ineinander. Bipolare Elektroden dieser Konstruktion sind kompliziert im Aufbau, haben eine Menge korrosionsgefährdeter Kontaktstellen, weisen eine ungleichmäßige Stromverteilung und lange Stromwege im Leitermaterial, in Anoden und Kathoden auf, da diese teilweise vom elektrischen Strom längs durchflossen werden und nicht quer. Für Reparatur und Instandhaltung sind bipolare Elektroden der bekannten Konstruktion nicht problemlos wegen der vielen Einzelteile je Elektrode und der im Betrieb unkontrollierbaren Kontaktstellen.According to the German OS l r 592.O2O and OS 2.030.610, the bipolar electrode is formed from a carrier plate, which is also a partition for the individual cells, from a large number of anode plates on one side of the carrier plate and from a large number of cathode fingers on the other side of the carrier plate. The anodes are made of suitable chlorine-resistant material, and the cathodes, which are in the form of metal wire mesh or mesh, are made of iron, nickel, chromium or a metal that is resistant to the media of hydrogen and alkali compounds. The metal wire mesh is fixed on the carrier plate by means of a support device and is coated with an asbestos fiber fleece, which acts as a diaphragm. In order to accommodate as much electrode area as possible in a certain space, the anode parts and cathode parts of the electrodes are designed in a comb-like manner and, in the assembled state, interlock without contact. Bipolar electrodes of this construction are complicated in structure, have a large number of contact points at risk of corrosion, have an uneven current distribution and long current paths in the conductor material, in anodes and cathodes, as these are partially traversed by the electric current in a lengthways and not across them. Bipolar electrodes of the known construction are not problem-free for repair and maintenance because of the many individual parts per electrode and the contact points that cannot be controlled during operation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher üblichen Vorrichtungen zu überwinden.The invention is based on the disadvantages of the previous conventional devices to overcome.
Diese Aufgabe "wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathodenseite aus der mit einem Metall oder einer Metall-Legierung vollständig beschichteten Titanblechsedte besteht. Als Metalle für die Kathoden- · seite eignen sich insbesondere Nickel, Eiijen, Chrom oder Kupfer oder eines ihrer Legierungen, die gegen Wasserstoff und den Katholyten beständig sind. Um bei pe^ebenr-n Außenabir.oiJsungen der Mehrfacht-lekt vc:~ lysezclLe eine gute Außen-bd i t-h tur.g und eine große < ;i"kli.Vt.· FL1IcIi-According to the invention, this object is achieved in that the cathode side consists of sheet titanium metal completely coated with a metal or a metal alloy. Particularly suitable metals for the cathode side are nickel, egg, chromium or copper or one of their alloys, which for hydrogen and the catholyte are resistant to the multi-Fanned lekt vc at pe ^ ebenr-n Außenabir.oiJsungen: ~ lysezclLe a good foreign-bd i th tur.g and a large <i "kli.Vt. · FL. 1 IcIi-
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für die elektrochemische Reaktion zu erhalten, werden nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Metallelektroden im Rahmenbereich glattflächig und im Reaktionsraumbereich profiliert ausgebildet. Die Profilierung auf den Metallelektroden kann so ausgestaltet sein, daß der Abstand von Metallelektrode zu Metallelektrode an jeder Stelle gleich groß ist oder daß die Erhöhungen und Vertiefungen von zwei benachbarten Metallelektroden sich gegenüberstehen. Falls es erwünscht ist, kann die Metallelektrode und die Mehrfachelektrolysezelle so gestaltet werden, daß die Erhöhungen der Metallelektroden das zwischen ihnen liegende Diaphragma abstützen.For the electrochemical reaction to be obtained, according to a further embodiment of the invention, the metal electrodes are in the frame area Smooth-surfaced and profiled in the reaction space area. The profiling on the metal electrodes can be designed in this way be that the distance from metal electrode to metal electrode is the same at every point or that the elevations and depressions of two adjacent metal electrodes face each other. If desired, the metal electrode and the multiple electrolytic cell can be used be designed so that the elevations of the metal electrodes support the diaphragm between them.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Metallelektrode korrosionsgefährdete Kontaktstellen nicht aufweist, gleichmäßige Stromverteilung hat, damit hohe elektrochemische Belastung zuläßt und dazu raumsparend ist. Die erforderlichen Gasabführungsräume erfahren durch eine zweckmäßige Profilierung keine Beeinträchtigung. Die den Elektrolysewiderstand aufbauenden Abstände der Metallelektroden können konstruktiv einfach und dauerhaft eingehalten werden.The advantages achieved with the invention are in particular: that the metal electrode according to the invention is at risk of corrosion contact points does not have, has uniform current distribution, so that high electrochemical loading is possible and is space-saving. The required gas discharge spaces are provided by an appropriate one Profiling no impairment. The distances between the metal electrodes that build up the electrolysis resistance can be structurally simple and are permanently adhered to.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.l eine bipolare Mehrfachelektrolysezelle im Längsschnitt, Fig.2 einen Querschnitt der in Fig.l dargestellten Mehrfachelektrolysezelle, Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. They show: FIG. 1 a bipolar multiple electrolysis cell in longitudinal section, FIG. 2 shows a cross section of the multiple electrolysis cell shown in FIG.
Fig.3 einen Längsschnitt mit profilierten Elektroden Fig.H einen Horizontalschnitt einer Elektrodenausführung, Fig.5 " » » »3 shows a longitudinal section with profiled electrodes, FIG. H shows a horizontal section of an electrode design, FIG. 5 "» »»
Fig.6 " Querschnitt einer Metallelektrode im vergrößerten Maßstab.Fig.6 "Cross-section of a metal electrode in an enlarged Scale.
Die in Fig.l und 2 dargestellte Mehfachelektrolysezelle besteht aus einer Stirnplatte 1, auf der die Stromzuführung 2 angebracht ist. An diese Stirnplatte, die zur Zellenseite hin als Anode wirkt, schließt der elektrisch nicht leitende Rahmen 3 an. Der Rahmen hat in der Pegel solch eine Breite, wie sie für den Abstand zum folgenden Diaphragma M erforderlich ist. Dem Diaphragma t folgt ein Rahmen 5,The multiple electrolysis cell shown in Fig.l and 2 consists of an end plate 1 on which the power supply 2 is attached. On this faceplate, which acts as an anode on the cell side, the electrically non-conductive frame 3 connects. The level of the frame is as wide as it is for the distance to the following Diaphragm M is required. The diaphragm t is followed by a frame 5,
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an den nun die erste bipolare Metallelektrode 6 gemäß der Erfindung anschließt. Durch wiederholten Anbau von Rahmen, Diaphragmen, Rahmen und Metallelektroden läßt sich eine Mehrfachelektrolysezelle von gewünschter Länge bauen. Den Abschluß der Mehrfachelektrolysezelle bildet die zweite Stirnplatte 7, von der die Stromführung 8 wegführt Die ganze Mehrfachelektrolysezelle wird mittels bekannter, nicht dargestellter Spannvorrichtungen, wie z.B. Zuganker, zusammengehalten. Ober bekannte, nicht dargestellte Dichtungsmittel zwischen den Einzelelementen wie Metallelektroden, Rahmen und Diaphragmen wird Dichtheit . erzielt. Der Rahmen 3 für den Anolytraum hat eine ZufüJwung 9 für den Elektrolyten und eine Abführung 10 für Chlorgas und Anolyten. Der Rahmen 5 für den Kathdytraum weist eine Abführung 11 für Katholyt und Wasserstoffgas auf.which is now connected to the first bipolar metal electrode 6 according to the invention. A multiple electrolysis cell of the desired length can be built by repeatedly adding frames, diaphragms, frames and metal electrodes. The end of the multiple electrolysis cell is formed by the second end plate 7, from which the current conduit 8 leads away. The entire multiple electrolysis cell is held together by known clamping devices, not shown, such as tie rods. Using known sealing means, not shown, between the individual elements such as metal electrodes, frames and diaphragms, tightness is achieved . achieved. The frame 3 for the anolyte compartment has an inlet 9 for the electrolyte and an outlet 10 for chlorine gas and anolyte. The frame 5 for the cathode space has an outlet 11 for catholyte and hydrogen gas.
Die in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Metallelektroden zeigen zum einen eine mögliche Form der Profilierung und zum anderen die Anordnung von zwei sich gegenüberliegenden Metallelektroden.The metal electrodes shown in Figures 3, 4 and 5 show on the one hand a possible form of profiling and on the other hand the arrangement of two opposing metal electrodes.
In dem in Fig.6 dargestellten vergrößerten Querschnitt einer Sektion der erfindungsgemäßen Metallelektrode ist 12 das Titanblech, das auf der Anodenfläche mit einer Aktivierungsschicht 13 aus Metall oder einem Metalloxyd bedeckt ist. Diese Aktivierungsschicht soll möglichst dicht sein, um.keine inaktiven Flächen zu haben. Sie muß jedoch nicht . unbedingt dicht sein, da das noch freie Titan sofort oxydiert und gegen Anolyt und Chlor beständig ist. Die Aktivierungsschicht ist nur im Flächenbereich des Anolyten erforderlich., da hier die elektrochemischen Vorgänge ablaufen. Die auf der Kathodenseite aufgebrachte Metall- oder Metallegierungs-Schicht 14 dagegen ist von solcher Stärke und einem Ausmaß, daß sie die Titanoberfläche dicht und vollständig abdeckt. Katholyt und Wasserstoff kommen dadurch nicht in Berührung mit dem Titanblech.In the enlarged cross-section of a section shown in FIG of the metal electrode according to the invention is 12 the titanium sheet, which is on the anode surface with an activation layer 13 made of metal or covered with a metal oxide. This activation layer should if possible be tight so that there are no inactive surfaces. However, it does not have to . must be impervious, as the titanium that is still free will oxidize immediately and is resistant to anolyte and chlorine. The activation layer is only required in the area of the anolyte, since the electrochemical Processes take place. The metal or metal alloy layer 14 applied to the cathode side, on the other hand, is of such a type Strength and to the extent that it covers the titanium surface tightly and completely. This means that catholyte and hydrogen do not come in Contact with the titanium sheet.
Das Aufbringen der Aktivierungsschicht auf der Anodenseite und das Aufbringen der Metall- oder Metallegierungs-Schicht auf der Kathodenseite des Titanbleches können nach mehreren Methoden erfolgen. SoThe application of the activation layer on the anode side and that The metal or metal alloy layer can be applied to the cathode side of the titanium sheet using a number of methods. So
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wird z.B. kathodenseitig die Metall- bzw. Metallegierungs-Schicht mechanisch, z.B. mittels Sprengplattieren oder chemisch oder elektrochemisch aufgebracht. Die Reihenfolge der Beschichtungen ist abhängig von den gewählten einzelnen Methoden. Die aufgebrachte Metall- oder Metalllegierungs-Schicht muß so gut auf dem Titanblech haften, daß trotz Profilierung der Metallelektrode der erforderliche elektrische Kontakt zwischen beiden Metallen über die ganze Fläche gewährleistet ist.. Da die kathodenseitige Beschichtung sich über die ganze Fläche erstreckt, kann eine Minderung der Kontaktflächen durch chemischen oder physikalischen Angriff der ßßaktionsmedien nicht erfolgen.For example, the metal or metal alloy layer on the cathode side is mechanically, e.g. by means of explosive plating or chemically or electrochemically upset. The order of the coatings depends on the individual methods chosen. The applied metal or The metal alloy layer must adhere so well to the titanium sheet that, despite the profiling of the metal electrode, the required electrical Contact between the two metals is guaranteed over the entire surface is .. Because the cathode-side coating extends over the entire surface extends, the contact areas cannot be reduced by chemical or physical attack by the action media.
Die Profilierung der erfindungsgemäßen Metallelektrode ist nicht auf eine eindimensionale Periodizität, z.B. lineare Wellen, beschränkt, sondern kann auch zweidimensional sein, z.B. Reihen und Zellen von Warzen. Gasstauräume für das aufsteigende Chlor- und Wasserstoffgas sollten jedoch vermieden werden.The profiling of the metal electrode according to the invention is not on a one-dimensional periodicity, e.g. linear waves, limited, but can also be two-dimensional, e.g. rows and cells of warts. Gas storage spaces for the ascending chlorine and hydrogen gas however, should be avoided.
Zellen der vorbeschriebenen Art mit Metallelektroden können auch als Brennstoffzellen verwendet werden. Dabei vertauscht sich die Bedeutung der beiden Worte Anode und Kathode, und die Reaktionsmedien sind andere als Alkalihalogenid.Cells of the type described above with metal electrodes can also be used as Fuel cells are used. The meaning of the two words anode and cathode is interchanged, and the reaction media are other than alkali halide.
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