DE2427891B2 - Anode für elektrolytische Zellen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine konstruktiv stabile und maßgenaue Anode mit einer Anodensteigleitung und
ausgedehnten leitenden Flächen für elektrolytische Zellen.
Eine derartige Anode mit einer Steigleitung bzw. einem Leiterstab und an diesen angeordneten elektrisch
leitenden Flächen ist bereits bekannt (US-PS 35 91 483). Sie findet insbesondere bei Alkalimetallchlorat- oder
Alkalimetallhypochlorit-Zellen sowie Membran-Chlor-Alkalizellen Verwendung. Die leitenden Flächen sind
aus Materialien hergestellt, die eine ausreichend kleine Chlorüberspannung besitzen und gegen den Elektrolyten
chemisch inert sowie korrosionsbeständig sind. Dazu gehören Metalle aus der Platingruppe, Oxide
dieser Metalle und Mischungen der Metalle und Oxide. Üblicherweise ist die leitende Fläche als Überzug
beispielsweise aus Titan, Tantal, Zircon oder Niob auf einer perforierten bzw. durchlöcherten Trägerfolie aus
Titan vorgesehen.
Zusätzlich zu den chemischen und elektrischen Eigenschaften muß die Anode auch mechanisch-strukturelle
Voraussetzungen aufweisen. So müssen die Trägerfolien in hohem Maße eben sein und während des
Betriebs eben bleiben, da Oberflächenungenauigkeiten
is zu Abstandsänderungen zwischen Anode und Kathode
und damit zu Änderungen des Stromflusses und einer Verminderung des Wirkungsgrades der Zelle führen.
Aus diesen Gründen muß auch eine parallele Ausrichtung der Trägerfolien mit einem gleichförmigen
Abstand gefordert werden. In Verbindung mit diesen mechanischen Eigenschaften ist allgemein eine hohe
strukturelle Festigkeit der Anode zu fordern, die sich grundsätzlich durch eine Vielzahl von Verschweißungspunkten
zwischen den Trägerfolien und der Anodensteigleitung süwie durch zusätzliche innere Verstrebungen
ergeben würde. Hier setzen jedoch Schwierigkeiten ein, die nicht nur in dem erhöhten Herstellungsaufwand,
sondern insbesondere darin begründet sind, daß der vorzugsweise verwendete Werkstoff Titan schwer
schweißbar ist und der Schweißvorgang noch durch den elektrisch leitenden Überzug, beispielsweise in Form
von Oxiden erschwert wird. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang, daß der Schweißvorgang
auch bei Verwendung innerer Verstrebungen leicht zu einem Verziehen der Anordnung und damit zu
Maßabweichungen und nicht mehr ebenen und/oder parallelen Flächen führt, so daß gegebenenfalls
zeitaufwendige Nachbearbeitungen zum Glätten u. dgl. ausgeführt werden müssen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv stabile und maßgenaue
Anode zu schaffen, die aus wenigen Komponenten in einfacher Weise durch Punktverschweißung zusammengebaut
werden kann, ohne daß dabei ein Verziehen oder Verwerfen mit der Folge unzulässiger Verformungen
oder Maßabweichungen zu befürchten ist. Dabei soll die fertiggestellte Anode eine gute strukturelle Stabilität
aufweisen, um auch den Anforderungen während des Betriebs standzuhalten.
so Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Paar an der zylindrischen Anodensteigleitung
diametral gegenüberliegend angebrachten Metallfolien, die jeweils eine ebene, in zwei Enden auslaufende
Hauptfläche besitzen und mit der Anodensteigleitung derart verbunden sind, daß die Hauptflächen parallel
verlaufen und das erste Ende der einen Metallfolie jeweils parallel und in Flucht zu dem zweiten Ende der
anderen Metallfolie liegt, wobei das zweite Ende der Metallfolie zur Bildung eines sich gegen das erste Ende
der jeweils anderen Metallfolie erstreckenden Schenkels abgebogen ist, der jeweils einen am ersten Ende der
anderen Metallfolie befestigten und zu diesem parallelen Anschlag aufweist, und durch eine auf den
Metallfolien vorgesehene an sich bekannte elektrisch leitende Oberflächenbelegung.
Bei dieser Ausbildung ist die Anode ohne besondere Verstrebungen im wesentlichen nur aus der Steigleitung
und zwei Metallfolien hergestellt, die außerdem noch
identisch ausgebildet sein können. Die Anode kann daher einfach und preiswert hergestellt werden. Durch
die gegenseitige Befestigung der Anodenkomponenten, bei der sich die Metalifolien gegenseitig an ihren Enden
abstützen und außerdem im mittleren Bereich ihrer Hauptflächen durch die zwischeniiegende Anodensteigleitung
im Abstand zueinander gehalten sind. Dadurch besitzt die Anode trotz ihres vergleichsweise einfachen
Aufbaus eine den Belastungen im Betrieb genügende Strukturfestigkeit Von besonderer Bedeutung ist ferner
die symmetrische Ausbildung der Anode in allen durch die Achse der Steigleitung verlaufenden Ebenen. Infolge
dieser Symmetrie können auch die Schweißpunkte bzw. Schweißlinien entsprechend angeordnet werden. Dadurch
wird die Gefahr, daß sich die Anode beim Verschweißen verzieht, wesentlich herabgesetzt oder
sogar ganz beseitigt Ferner schafft die erfindungsgemäße Ausbildung mit großen ununterbrochenen ebenen
Hauptflächen der Metallfolien die Möglichkeit, die Anodenkomponenten beim Zusammenbau bzw. vor
dem Zusammenschweißen im wesentlichen vollflächig zu lagern und abzustutzen sowie gegebenenfalls in der
endgültigen gegenseitigen Anordnung festzuklemmen, was nicht nur die Herstellung erleichtert, sondern auch
die Maßgenauigkeit der fertigen Anode begünstigt. Ebenso führt das Fehlen von inneren Verstrebungen
und das Fehlen von Verformungen der Metallfolien im Bereich ihrer Hauptflächen dazu, daß sich die Anode
leicht reinigen läßt und daß sich erforderlichenfalls ein neuer elektrisch leitender überzug leicht aufbringen
läßt Ebenfalls lassen sich nach einem falschen Gebrauch oder einer Beschädigung die richtigen Abmessungsrelationen
der Anode vergleichsweise einfach wieder herstellen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anode ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 die Anode in perspektivischer Darstellung;
F i g. 1A in vergrößerter Draufsicht einen Bereich der
verwendeten Metallfolie;
F i g. 2 einen Schnitt längs Linie 2-2 in F i g. 1;
F i g. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in F i g. 1; und
F i g. 4A bis 4D die Anordnung und Abstützung der Anodenkomponenten in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten.
F i g. 1 zeigt die Gesamtanordnung einer Anode 10 der in der US-PS 35 91 483 generell beschriebenen Art
Diese Ausführungsform der Anode besitzt eine Anodensteigleitung 12, welche mit AnodenUberzügen
14 versehene Metallfolien trägt und haltert. Die Anodensteigleitung 12 wird durch ein zylindrisches
Element mit einem leitenden Kern 16 in Form eines Kupferrohres (F i g. 2 und 3) gebildet, auf dem ein
Titanüberzug 18 vorgesehen ist. Für eine derartige Steigleitung können mehrere Materialien verwendet
werden. In der vorgenannten US-PS sind mehrere geeignete Materialkombinationen beschrieben. Als
Überzug ist jedoch Titan bevorzugt. Das obere Ende der Anodensteigleitung 12 ist durch eine Titankappe 20
abgeschlossen, weiche beispielsweise durch Schweißen an ihr befestigt ist. Diese Kappe 20 dient zum
vollständigen Abschluß sowie zur vollständigen Abdichtung des Kupferrohres 16 am oberen Ende. Am unteren
Ende der Anodensteigleitung 12 ist ein Montageflansch 22 vorgesehen. Dieser Flansch 22 ist aus einer
Titanlegierung hergestellt und ermöglicht die Verbindung der Gesamtanordnung mit einem (nicht dargestellten,
aber in der obengenannten US-PS beschriebenen) Basiselement Weiterhin ist im unteren Ende der
Anodensteigleitung 12 ein mit Gewinde versehener Kupfei einsatz 24 vorgesehen, welcher ein Element zur
Verbindung der Anodenanordnung mit dem Basiselement darstellt Darüber hinaus sind am unteren Ende der
Anodensteigleitung 12 Angriffsflächen 36 für einen Schraubenschlüssel vorgesehen, welche den Ein- und
Ausbau der Anodenanordnung erleichtern aber nicht unbedingt erforderlich sind.
Im Rahmen der Erfindung wesentlich ist der Gesamtaufbau und die Gesamtausgestaltung der Anoden-Metallfolien
und deren relative Lage zur Anodensteiglcitung 12. Wie oben schon ausgeführt können
diese Metallfolien aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, wobei auf ihnen auch verschiedene
elektrisch leitende Überzüge vorgesehen werden können. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die
Anodenüberzüge 14 jedoch auf perforierten MetaJlfolien
angebracht, welche eine Dicke von 0,18 cm besitzen und zur Bildung einer Maschenform gemäß Fig. IA
perforiert sind. Der gesamte offene Flächenbereich kann bei der hier in Rede stehenden Ausführungsform
variieren; gemäß Fig. IA ist etwa die Hälfte des gesamten Flächenbereichs der Metallfolien frei. Weiterhin
sind die den Anodenüberzug 14 tragenden Metallfolien über ihrer gesamten Fläche vorzugsweise
gleichförmig perforiert bzw. offen, was in F i g. 1 nicht eigens dargestellt ist
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Anodenbelegungen 14 auf zwei perforierten Metallfolien
vorgesehen, welche gemäß F i g. 2 identische Konfiguration besitzen. Eine erste Metallfolie besitzt
dabei eine erste Hauptfläche 30 mit einem ersten Ende 32 und einem zweiten Ende 34. Am zweiten Ende 34 ist
einstückig ein kurzer abgebogener Schenkel 36 vorgesehen. Die Länge dieses Schenkels 36 ist gleich
dem Außendurchmesser der Anodensteigleitung 12. Am anderen Ende des Schenkels 36 ist ein Anschlag 38
vorgesehen, der derart abgebogen ist, daß er parallel zur Hauptfläche 30 verläuft Eine zweite Metallfolie 40 ist
identisch gleich der Metallfolie 28. Diese Metallfolie 40 besitzt eine erste Hauptfläche 30' mit einem ersten Ende
32' und einem zweiten Ende 34'. Ein sich vom Ende 34' wegerstreckender Schenkel 36' endet in einem Anschlag
38'
Die Metallfolien 28 und 40 sind an der Außenseite der Anodensteigleitung 12 sich diametral gegenüberliegend
angeordnet Die Hauptflächen 30 und 30' der Metallfolien 28 und 40 verlaufen parallel zueinander und sind mit
der Anodensteigleitung 12 durch eine Reihe von Schweißpunkten 42 verbunden. Die ersten Enden 32 und
32' der Metallfolien verlaufen dabei parallel zu den Anschlägen 38 und 38' der zweiten Enden 34 und 34' und
sind mit diesen verbunden. Diese Verbindungen werden durch eine Folge von Schweißpunkten 44 und 46
gebildet. Vorzugsweise besitzen die Schweißpunkte einen relativ gleichförmigen Abstand, wobei deren
Anzahl derart gewählt ist, daß wenigstens die Hälfte bzw. jeder zweite Streifen der maschenförmigen
Metallfolie mit der Anodensteigleitung bzw. mit der anderen Metallfolie verbunden ist.
Wie oben schon ausgeführt, besitzt die erfindungsgemäß zusammengebaute Anode einen höheren Grad an
Ebenheit bei relativ genauen Toleranzgrenzen. Dies ergibt sich aus der Symmetrie der Anodenanordnune in
bezug auf jede Ebene, welche die Achse der Anodensteigleitung 12 enthält. Alle Schweißlinien sind
dabei relativ zueinander symmetrisch angeordnet. Zur Gewährleistung dieser Symmetrie ist eine minimale
Anzahl von Komponenten erforderlich, wobei im Vergleich zu bekannten Anoden keine Querverstrebungen
erforderlich sind. Bei sehr großen Anoden können jedoch auch einige Querverstrebungen vorgesehen
werden. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß die Anode auch leichter und einfacher erneuerbar ist,
d. h. daß neue Oxydüberzüge leichter auf die Außenflächen der Anodenfolien aufzubringen sind.
Die Fig.4A—4D zeigen eine bevorzugte Folge von
Herstellungsschritten zur Herstellung einer Anode nach den F i g. 1 —3. Gemäß F i g. 4A beginnt die Herstellung
durch Auflegen einer ersten Metallfolie 28 auf eine starre ebene Fläche eines Plattensatzes 50 mit zwei
Platten 52 und 54, deren Größe so gewählt ist, daß mit Ausnahme der für den Schweißvorgang erforderlichen
Bereiche alle Teile der Fläche 30 bedeckt sind. Die Anodensteigleitung 12 wird in ihrer gewünschten Lage
auf die Metallfolie 28 aufgelegt und in dieser Stellung gehalten. Danach wird gemäß Fig.4C die zweite
Metallfolie 40 auf die Metallfolie 28 und die Anodensteigleitung 12 aufgelegt. Vor oder nach dem Auflegen
der Folie 40 wird ein zweiter Plattensatz 56 mit zwei starren ebenen Platten 58 und 60 derart eingebracht,
daß die Räume zwischen den Folien 28 und 40 ausgefüllt werden (s. auch F i g. 4B).
Nach dem Zusammensetzen der Metallfolien und der Anodensteigleitung wird ein dritter Plattensatz 62 auf
die Fläche 30' der Metallfolie 40 aufgesetzt. Dieser Plattensatz 62 besitzt ebenfalls zwei Platten 64 und 66,
deren Größe so gewählt ist, daß sie mit der gesamten Fläche 30' abgesehen von den für den Schweißvorgang
erforderlichen freiliegenden Bereichen in Eingriff treten. Fig.4D zeigt einen weiteren Verfahrensschritt,
welcher vorzugsweise vor dem Schweißvorgang eingeschaltet wird. Dabei handelt es sich um die Einwirkung
einer Klemmkraft F auf die Schenkel 36 und 36', um diese Schenkel gegen feste Anschläge zu drücken und
sie während des Schweißvorgangs in ihrer Lage zu halten. Wenn die Plattensätze mit den verschiedenen
Bereichen der Anodenanordnung klemmend in Eingriff stehen, kann die Punktschweißung derart durchgeführt
werden, daß die Plattensätze relativ zu drei Sätzen von Schweißelektroden 68, 69 und 70 schrittweise bewegt
werden. Die Schweißelektroden 68—70 sind vorzugsweise jeweils in einer Linie angeordnet, wobei sie derart
gespeist werden, daß alle Schweißpunkte gleichzeitig
ίο oder nahezu gleichzeitig erzeugt werden.
Für ein Ausführungsbeispiel mit durch Titan beschichteten Metallfolien mit einer Dicke von 0,18 cm und einer
Anodensteigleitung mit einem durch Titan beschichteten Kupferkern mit einem Außendurchmesser von
3,17 cm werden gute Schweißergebnisse durch Kupferelektroden mit einem Durchmesser von 0,64 cm erzielt.
Die Elektroden werden dabei mit einer Kraft im Bereich von 435,6 kg gegen die Komponenten der Anodenanordnung
gedrückt, wodurch ein Kontaktdruck von 2,8 kg/cm2—4,2 kg/cm2 erreicht wird. Der Strom liegt
dabei in einem Bereich von 10 00—13 000 A bei einer Spannung von 6—10 V, wobei die Elektroden in vier
Perioden bzw. Veo Sekunden mit den Komponenten in Eingriff stehen.
Die genannten Parameter ändern sich dabei in gewisser Weise direkt mit der Dicke der Metallfolien.
Da geringe Stromabweichungen auch Abweichungen der Schweißqualität für Materialien derselben Dicke zur
Folge haben, ist eine Steuerung der Punktschweißelektroden derartig erforderlich, daß in einem Zeitpunkt
lediglich eine Elektrode gespeist wird. Auf diese Weise bleibt die Strombelastung vergleichsweise konstant.
Diese Steuerung kann in an sich bekannter — und daher nicht näher dargestellter — Weise erfolgen. Für den
Schweißvorgang ist weiterhin wichtig, daß alle Schweißelektroden in Flucht zur Anodenanordnung
ausgerichtet sind und daß sie die gleiche Relativbewegung in bezug auf die Anodenanordnung ausführen.
Damit wird sichergestellt, daß die Aufheizung und die daraus resultierenden thermischen Dehnungen innerhalb
der Anordnung über die Breite konstant bleiben.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Konstruktiv stabile und maßgenaue Anode mit einer Anodensteigieitung und ausgedehnten leitenden
Flächen für elektrolytische Zellen, gekennzeichnet durch ein Paar an der zylindrischen
Anodensteigleitung (12) diametral gegenüberliegend angebrachten Metallfolien (28, 40), die jeweils eine
ebene, in zwei Enden (32, 34; 32', 34') auslaufende Hauptfläche (30,30') besitzen und mit der Anodensteigleitung
(12) derart verbunden sind, daß die Hauptflächen (30, 30') parallel verlaufen und das
erste Ende (32, 32') der einen Metallfolie jeweils parallel und in Flucht zu dem zweiten Ende (34,34')
der anderen Metallfolie liegt, wobei das zweite Ende (34, 34') der Metallfolien (28, 40) zur Bildung eines
sich gegen das erste Ende (32, 32') der jeweils anderen Metallfolie erstreckenden Schenkel (36,36')
abgebogen ist, der jeweils einen am ersten Ende (32, 32') der anderen Metallfolie befestigten und zu
diesem parallelen Anschlag (38, 38') aufweist und durch eine auf den MetaJJfoJien vorgesehene an sich
bekannte elektrisch leitende Oberflächenbelegung (14).
2. Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Enden (32, 32') im gleichen
Abstand von der Achse der Anodensteigleitung (12) angeordnet sind.
3. Anode nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (38,38') mit den
ersten Enden (32,32') und die ebenen Hauptflächen (30, 30') mit den sich diametral gegenüberliegenden
Seiten der Anodensteigleitung (12) durch jeweils eine relativ gleichförmige Folge von Schweißpunkten
(44,46 bzw. 42) verbunden sind.
4. Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien (28,
40) gleiche Größe und Gestalt besitzen.
5. Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolien (28,
40) aus Titan und daß die elektrisch leitende Oberflächenbelegung (14) aus einem Oxid hergestellt
sind.
6. Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodensteigleitung
(12) einen Kupferkern (16) sowie eine darauf vorgesehene Titanbelegung (18) besitzt.
7. Anode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (36, 36')
und die Anschläge (38, 38') einstückig an den Metallfolien (28, 40) vorgesehen sind und daß die
Verbindungen (44,46) zwischen den Anschlägen und den ersten Enden (32, 32') symmetrisch zur Achse
der Anodensteigleitung (12) liegen.
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