DE2432546A1

DE2432546A1 - Bipolare elektroden mit eingebauten rahmen

Info

Publication number: DE2432546A1
Application number: DE2432546A
Authority: DE
Inventors: Pierre Bouy; Michel Conan; Hubert De Lachaux
Original assignee: Rhone Progil SA
Current assignee: Rhone Progil SA
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1974-07-04
Publication date: 1975-01-30
Also published as: AR199742A1; SU676180A3; FR2237984A1; IL45190A0; BE817206A; JPS539590B2; NO138698B; DD111806A5; IT1016318B; NL7409040A; JPS5075985A; PL90063B1; US3980545A; CH601497A5; RO71102A; NO138698C; DE2432546B2; AU7084974A; BR7405532D0; FR2237984B1

Description

Bipolare Elektroden mit eingebauten

Rahmen

Die Erfindung betrifft bipolare Elektroden für Elektrolysezellen in der Art von FiIterpressen, bei denen der Kathodenrahmen und/oder der Anodenrahmen eingebaut ist.

Bipolare Elektroden sind bekannt; sie bieten den Vorteil einer kompakten Konstruktion und einer einfachen Stromzuführung, weil sie die Montage von Elementarzellen, bestehend aus aufeinanderfolgenden Elektroden, in Serie ermöglichen. Diese Elektroden zeichnen sich durch eine räumliche Trennung der beiden aktiven Teile und einen sorgfältigen Zusammenbau dieser beiden Teile aus, der den Stromdurchgang bei hoher Stromdichte mit sehr geringen Widerstandsverlusten gestattet.

409085/1289

Zwar sind die Eigenschaften von Zellen in der Art von Filterpresse seit langem "bekannt; die bis dahin verwendeten Materialien für die Herstellung der Elektroden, der Verbindungsstücke und Dichtungen, der Rahmen oder der Diaphragmen ermöglichten aber nicht, eine ausreichende Garantie für ein gutes Arbeiten derartiger Zellen zu geben.

Seit einigen Jahren konnte die Zuverlässigkeit dieser komplexen Konstruktionen und die elektrische Belastung je Elektrodenflächeneinheit verbessert werden durch die Verwendung von Metallstrukturen als Elektroden, in deren Aufbau Titan und dessen Homologe aufgenommen wurden, wobei die Anodenteile dieser Strukturen bedeckt wurden mit leitenden aktiven Flächen auf der Basis von Edelmetallen oder Edelmetalloxiden, die von den Elektrolyten nicht angegriffen werden.

Derartige bipolare Elektroden sind Gegenstand der älteren Anmeldung P 22 62 141. Der Anodenteil besteht aus Titan mit einer leitenden aktiven Schicht und der Kathodenteil aus Weichstahl. Diese Elektroden sind gekennzeichnet durch die räumliche Trennung der beiden Bereiche, von denen mindestens einer gelocht (durchbrochen) ist, sowie durch die elektrische Verbindung dieser beiden Bereiche über den Kontakt, der durch Aufplattieren von Titan auf Weichstahl gebildet wird. Die mechanische Verbindung zwischen den beiden aktiven Bereichen und den durch Plattieren erhaltenen Verbundkörpern erfolgt mit Hilfe von Platten oder Formteilen aus Titan und den Weichstahlplatten.

Die Konstruktion oder der Aufbau von Filterpressenzellen für große Produktionsleistungen unter Verwendung dieser Elektroden bringt jedoch schwierige Probleme hinsichtlich der Trennung von Gas und Flüssigkeit und des Elektrolyt umlauf s mit sich. .Um diese Machteile oder Schwierigkeiten zu vermeiden, werden nach obigem älteren Vorschlag Rahmen aus zwei unterschiedlichen Teilen beschrieben. Die untere Zone dient zur Aufnahme einer Anode oder Kathode und die obere

409885/1289 - 5 ~

Zone hat die Form eine3 geschlossenen Kastens, um die Trennung des Elektrolyten von den "bei der Elektrolyse gebildeten Gasen sicherzustellen.

Die Tatsache, daß elektrolytisch aktive Bereiche verwendet werden, von denen mindestens einer gelocht ist, macht die Anwesenheit einer Scheide - oder Trennwand notwendig, um einen Angriff dieser elektrolytisch aktiven Bereiche oder ein Termischen von Anolyt und Katolyt zu verhindern. Eine derartige Trennwand kann aus Metall mit unterschiedlichem vom Elektrolyten nicht angreifbarem Material auf beiden Seiten sein.

Die beiden Bereiche sind räumlich getrennt; für gute Steifigkeit und plane Lage ist zu sorgen, umsomehr, als der interpolare Abstand zwischen aufeinanderfolgende Elektroden konstant und minimal sein muß, um so die Verwendung eines vorgefertigten Diaphragmas zu ermöglichen.

Die Erfindung betrifft nun eine Vorrichtung für den Aufbau von bipolaren Elektroden« angestrebter Festigkeit und planer lage. Sie besteht darin, daß die Kathodenrahmen und/oder Anodenrahmen in die Bimetall-Bodenplatte der Elektrode integriert werden, das heißt mit der Bimetall-Bodenplatte einteilig verbunden werden; die Bimetall-Bodenplatte dient als Bezugsebene,zu der die Kathoden- und Anodenteile im rechten Winkel stehen, wobei die senkrechte Ausrichtung relativ zu der Bezugsebene durch Stromzuführungen bewerkstelligt wird, auf die die Kathoden- und Anodenteile aufgeschweißt sind und die Versteifungen bilden und die plane Lage der Elektrodenteile in ihrecparallelen Ausrichtung relativ zur Bezugsebene gewährleisten.

Mit Hilfe dieser Vorrichtung wird einerseits der Strom— durchgang durch die bipolaren Elektroden sichergestellt und andererseits eine gesamte Steifheit des Ganzen erreicht, so daß man einen konstanten interpolaren Abstand aufrechterhal—

£09885/128 9

ten kann.

Bach, obigem älteren Vorschlag besteht die Anodenfläche aus Titendrähten, überzogen mit Edelmetall, die untereinander an ihren Enden verbunden sind, um ihre Verformung zu verhindern. Die Kathodenfläche besteht aus einer Lochplatte oder einen Hetz aus Eisen.

Die Stellung der Anodenfläche ist ausschließlich durch die Stromzuführungen gegeben, die durch, die Bimetall-Bodenplatte der Elektrode hindurchdringen.

Die Kathodenfläche ist einerseits an diese Stromzuführungen und andererseits an den Kathodenrahmen befestigt.

Kästen dienen zur Trennung von Gas und Elektrolyt; sie können getrennt oder integriert sein.

Alle diese Bauteile sind fest eingespannt in einem Rahmenwerk, an dessen Enden die Stromzuführungen anschließen.

Ausgehend von dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich zahlreiche Varianten von bipolaren Elektroden mit eingebautem Rahmen herstellen. Nachfolgend werden verschiedene Beispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Beispiel 1

,Bipolare Elektrode mit eingebautem Kathodenrahmen (Fig.1 bis 4).

Fig. 1 zeigt die Außenansicht der Elektrode und des Rahmens; Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Elektrode; Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt (in Querrichtung) des Elektrodenunterteils;

Fig. 4- zeigt einen Teilquerschnitt in Querrichtung des Elektrodenoberteils, das heißt in der Höhe des Kastens für die Auftrennung von Gas und Elektrolyt.

409885/1289

-5-

Der Kathodenrahmen besteht einerseits aus einem Skelett in Form eines rechteckigen Rohres 1 aus Flußstahl und andererseits aus einem Weichstahlblech 2, um das Skelett gebogen und aufgeschweißt zur Begrenzung der Kathodenkainmer. Der obere Bereich, in welchem die Trennung von Gas und Katolyt erfolgt, wird durch ein V/eichstahlblech 3 gebildet. Dieser obere Bereich ist mit dem unteren Bereich durch die Öffnungen 5 verbunden. Im oberen Teil des Oberbereiches des Rahmens ist ein Rohr 7 für das an der Kathode produzierte Gas vorgesehen. Im Bodenbereich des unteren Teils des Rahmens kann die Alkalilauge über das Rohr 8 auslaufen.

Die Anodenseite des unteren Bereichs des Rahmens wird mit einem anodisch passiven Metall geschützt, zum Beispiel eine Titanfolie 9 am Skelett 1 mit Schrauben 10 fixiert, da sich Titan nur schwer auf Flußstahl aufschweißen läßt.

Die Verbindung des Flußstahlbleches 2 mit der Titanfolie 9 stellt die Bimetall-Bodenplatte der Elektrode dar, die als Bezugsebene dient. Die kleinen Flußstahlplatten 6 gewährleisten die Steifigkeit und plane Lage der Verbindungsebene zwischen unterem und oberem Teil.

Auf dieser Bimetall-Bodenplatte der bipolaren Elektrode werden dann die beiden Teile dieser Elektrode fixiert, das heißt, der anodisch aktive Bereich und. der kathodisch aktive Bereich.

Der anodisch aktive Teil besteht aus Titandrähten 11, die an ihren Enden durch Stege 12 aus Titan verbunden sind, um die Deformation zu verhindern. Dieses aus Titandrähten und -Stegen gebildete Gitter wird entlang seiner Mittellinie auf einen aus Kupfer und Titan stranggepreßten Stab 15 geschweißt, dessen Länge die maximale Höhe der Anodenfläche bestimmt. Die Anzahl der parallelen Stäbe bestimmt die maximale Breite der Anodenfläche. Die Anodenfläche soll mit

- 6 409885/1289

einer leitenden, nicht angreifbaren Schicht überzogen sein, zum Beispiel einem Plat iniae tall.

Der Kathodenteil ist ein Gitter, ein lochblech oder ein Streckmetall 17 aus Flußstahl.

Der Stromdurchgang durch die Anoden- und Kathodenflächen erfolgt auf einer Anodenseite über die Anschlüsse 14t in Form τοπ Kupferplatten 15» die durch die aus den Blechen 2 und 9 gebildete Bimetall-Bodenplatte hindurchgehen. Die Kupferplatten sind auf der einen Seite auf den Stab 13 gelötet, wobei das Kupfer der Lötstelle vorher freigelegt wurde, und auf der anderen Seite auf das Blech 2. TTm diese Platten Tor dem stark korrodierenden Anolyten zu schützen₅ ist vorher eine Schutzkappe 16 aus Titan aufgeschweißt worden und zwar von der Anodenseite auf den Stab 13 und von der Seite der Bodenplatte auf das öütanblech 9«

Die elektrische Verbindung von der Kathodenseite zur Anodenseite wird hergestellt mit Hilfe einer Stahlplatte 18, die auf Kupferträgern aufgelötet ist, welche durch die Bimetallbodenplatte gehen. Bevor das Stahlgitter 17 auf die Stahlplatte 18, die als StromTerteiler dient, aufgeschweißt wird, werden die Enden der Kupferplatte 15, die in den Kathodenraum reichen, mit Kappen aus Weichstahl 19 geschützt, die auf die Stahlplatte 18 aufgeschweißt werden. ⁴

TJm eine sehr ebene Kathodenfläche zu erhalten, auf die im Falle der Chloralkalielektrolyse ein Diaphragma aufgelegt wird, wird das Kathodengitter 17 auf den äußeren Umfang des Rahmens mit Hilfe von kleinen Vfinkeleisen aus Stahlblech gehalten.

409885/1289

Beispiel 2

Bipolare Elektrode mit Kathoden- und Anodenrahmen und aufgesetzten kathodischen und anodischen Bläschenabscheidern. Eine derartige Elektrode wird schematise]! in den Figuren 5 und 6 der beigefügten Zeichnung widergegeben.

5 zeigt einen Längsschnitt durch die Elektrode; Pig. 6 zeigt einen Teilquerschnitt durch den unteren Teil der Elektrode.

In diesem Beispiel sind sowohl der Kathodenrahmen als auch der Anodenrahmen eingebaut. Das Metallgerüst, das aus dieser Verbindung hervorgeht, besteht für den Kathodenrahnien aus dem Weichstahlrohr 1 und dem Weichstahlblech 2 (wie in Beispiel 1) und für den Anodenrahmen aus dem Weichstahlrohr 21 und dem Titanblech 9» das dieses rechteckige Bohr 21 bedeckt, um es vor dem Anolyten zu schützen und das auf dem reekteckigen Rohr mit Hilfe von Schrauben 10 befestigt ist. Die oberen Bereiche der Rahmen, in denen die erzeugten Gase von dem Elektrolyten getrennt werden., sind auf dem Metallrahmen aufgesetzt. Sie können gleich hoch oder ungleich hoch sein, wie in Pig. 5 gezeigt, je nach der Trennung von Gas und Flüssigkeit in jedem Abteil. Die Zone des Bläschenabscheiders des Kathodenrahmens, ausgeführt aus Flußstahlblech, steht unmittelbar in Verbindung mit dem Kathodenbereich und zwar über Öffnungen 23 ,die im oberen Bereich des Rahmens angebracht oder gebohrt sind. Die Zone des Bläschenabscheiders 24-des Anodenrahmens, ausgeführt aus dünnem Titanblech, steht mit der Anodenkammer über Titanrohre 25 in Verbindung, die das Gerüst aus Flußstahl schützen.

Die Verbindung von Stahlblech 2 mit Titanblech 9 -stellt die Bimetall-Bodenplatte der Elektrode dar, die als Bezugsebene dient.

Auf dieser Bodenplatte werden die anodisch und kathodisch aktiven Flächen sowie die Stromdurchgänge zwischen den beiden Flächen aufgeführt wie in Beispiel 1.

409885/1289

2432540

Beispiel 3

Es handelt sich um eine bipolare Elektrode mit eingegliedertem Kathodenrahmen und/oder Anodenrahmen, mit kathodischen und/oder anodischen Bläschenabscheidern, die aufgesetzt sind (wie in Beispiel 2) oder (wie in Beispiel 1) einteilig verbunden sind mit Stromdurchgängen zwischen "vereinfachten aktiven Anoden- und Kathodenflächen. Pig. 7, ein Querschnitt (in Querrichtung), zeigt ein Verbindungsstück 26 aus Flußstahl, das auf das Bodenblech 2 (ebenfalls aus Flußstahl) aufgeschweißt ist, wobei das Aufschweißen von der Seite der Kathodenkammer her erfolgt. In dieser Kammer ist auf dieses Verbindungsstück die Stahlplatte 18 aufgeschweißt, die das Kathodengitter trägt und den Strom über die gesamte Hohe der Elektrode verteilt.

Auf der Anpdenseite ist die Baugruppe aus dem costranggepreßtem Stab 13 und der Kupferplatte 15 auf das Verbindungsstück'26 aufgelötet. Das Titanblech 9₅ Element der Bimetall-Bodenplatte, schützt ebenfalls die Kupferplatte 15, indem es mit dem Titan des Stabes verschweißt und damit verbunden ist.

Beispiel 4-

Bipolare Elektrode mit eingegliedertem Kathoden und/oder Anodenrahmen mit kathodischen und/oder anodischen Bläschen- " abscheidern, die aufgesetzt (wie in Beispiel 2) sind oder (wie in Beispiel 1) mit Stromdurchgängen zwischen vereinfachten anodisch und kathodisch aktiven Flächen einteilig verbunden sind. Fig. 8 "f(Schnitt in Querrichtung) und I¹Ig* 9 (Längsschnitt) zeigen die Ausführung einer derartigen Elektrode.

409885/1289

Ein Sockel 27 aus Flußstahl ist auf das Flußstahlblech 2, Teil der Bimetall-Bodenplatte, aufgeschweißt.

Der Durchgang des elektrischen Stroms zwischen dem anodisch aktiven Bereich - bestehend aus Titandrähten 11, aufgeschweißt auf den aus Kufer-Titan stranggepreßten Stab 13 und dem kathodisch aktivem Teil - bestehend aus einem Gitter aus Flußstahl 17 (wie in Beispiel 1) - erfolgt mit Hilfe von Stangen 29 aus Kupfer, die geschützt durch Hülsen 30 aus Titan sind.

Die Flußstahlringe 28 werden mit Festsitz auf den Stangen aus Kupfer angebracht, indem diese Ringe erhitzt werden. Der endgülte Zusammenbau wird durchgeführt durch Verschweißen des Ringes 28 mit dem Sockel 27« Die Schweißnaht muß ausgezeichnet beschaffen sein, v/eil sie dem Stromdurchgang zwischen den beiden Bereichen der bipolaren Elektrode dient. Der elektrische Strom zwischen den beiden Teilen fließt von den Titandrähten 11 zum Stab 13» zur Kupferstange 29, die durch Wärme in die Ringe 28 gepreßt ist, und über die Verschweißung zum Sockel 27· Die auf dem Sockel 27 aufgeschweißten Stahlplatten 18 verteilen den Strom entlang dem Kathodengitter 17 aus Stahl.

Ansprüche

40 9 885/12

Claims

Patentansprüche

(T) Bipolare Elektrode! für Eilterpressen-Elektrolysezellen, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathodenrahmen (1,2,3) und/oder Anodenrahmen einteilig mit der Bimetall-Bodenplatte (2,9) der Elektrode, die als Bezugsebene dient, verbunden sind, daß die Kathodenteile (Gitter 17) und Anodenteile (11,12) zu dieser Ebene mit Hilfe von Stromzuführungen (13,14,15,18), auf die sie aufgeschweißt sind, senkrecht angeordnet sind, wobei die Stroazuführungen (13,14,15,18) Versteifungen bilden und die Planheit dieser Elektrodenteile und ihre parallele Anordnung in Bezug auf die Bezugsebene, bestehend aus der Bimetall—Bodenplatte, bewirken.
2. Bipolare Elektroden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stellung der Anodenfläche (11,12) gegeben ist durch die Stromzuführungen (13,15,16), die die Bimetall-Bodenplatte (2,9) der Elektrode durch— queren.
3· Bipolare Elektrodennach den Ansprüchen 1 oder 2,. dadurch gekennzeichnet , daß die Kathodenfläche (Gitter 17.) einerseits auf den Stromzuführungen (15? 18) und andererseits auf dein Kathodenrahmen (1,2,3) befestigt ist.
4· Bipolare Elektrodennach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzu— führungen, die Versteifungen bilden, ein Stromdurchgangsstück aus Kupfer (Kupferplatte 15) zwischen dem anodisch -

kathodisch

aktiven Teil (11,12) und dem aktiven Seil (Gittern) aufweisen, wobei das 8tromdurchgangsstück (Kupferplatte 15)

5/

- 11-

mit besagtem kathodisch aktiven Teil (11,12) mit Hilfe mindestens eines Verbindungsstückes aus Stahl (Stahlplatte 18), das zur Verteilung des Stroms auf der Kathodenseite dient, verbunden ist.
5· Bipolare Elektrodennach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromzuführungen, die Versteifungen bilden, ein Stromdurchgangsstück aus Kupfer (Kupferstange 29) aufweisen, das auf der Anodenseite auf einen stranggepreßten Stab (13) aus Kupfer und Titan aufgelötet ist,und daß dieses Stromdurchgangsstück (Kupferplatte 15) auf der Anodenseite mit Hülsen (Schutzkappen 16) aus Titan geschützt und auf der Kathodenseite mit mindestens einem Ring (28) aus Flußstahl unter festem Sits verbunden ist, welcher seinerseits mit einem Sockel (27) fest verschweißt ist, der mit Stahlplatten(18) einteilig verbinden ist, die den Strom im kathodisch aktivem Teil (Gitter 17) verteilen»
6. Bipolare Elektrodennach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß Kasten

(Bläschenabscheider 22,24) für die Trennung von Gas und Elektrolyt mit der Elektrode einteilig verbunden oder aufgesetzt sind.
7. Elektrodennach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Anodenfläche aus mit Edelmetall überzogenen Titandrähten (11), die an ihren Enden untereinander verbunden sind, besteht.
8. Elektrodennach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathodenfläche aus gelochten !Folien oder einem Eisengitter (17) besteht.

409885/1289