DE2645121A1

DE2645121A1 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2645121A1
Application number: DE19762645121
Authority: DE
Inventors: Hanns Dipl Ing Froehler; Erwin Dipl Chem Dr Rossberger
Original assignee: Dipl-Ing Hanns Froehler KG; FROEHLER KG HANS
Current assignee: Froehler Hanns Dipl-Ing 8021 Icking De
Priority date: 1976-10-06
Filing date: 1976-10-06
Publication date: 1978-04-13
Also published as: SE7710530L; FI772923A; SE437166B; CA1090736A; US4134805A; DE2645121B2; FI61525B; FI61525C; DE2645121C3; BR7706500A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipu-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

ζ 8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

BUHz

Dipl.-Ing. Hanns F r ö h 1 e r KG., 8023 Pullach,

Ahornallee 9

Elektrolysezelle

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit einem Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß für den durchströmenden Elektrolyten, in welchem Monopolarelektroden angeordnet sind, wovon jede aus auf einem gemeinsamen Träger befestigten, parallel angeordneten Platten besteht, wobei die Elektroden so gegeneinander versetzt sind, daß die Platten der einen Polarität in die zwischen den Platten der anderen Polarität gebildeten Spalte hineinragen, sowie deren Verwendung.

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Zur Durchführung elektrochemischer Prozesse werden Elektrolysezellen sowohl monopolarer als auch bipolarer Bauart verwendet. Die Bipolarzelle·, die durch Hintereinanderschalten von bipolaren Elektroden beispielsweise nach Art der bekannten Filterpressen aufgebaut ist, hat den Vorteil, daß die Stromzuführungen zu den Außenelektroden im Vergleich zu einer Monopolarzelle gleicher Leistungsaufnahme schwächer dimensioniert werden können, daß eine durch Hintereinandersehalten mehrerer Bipolarzellen aufgebaute Elektrolyseanlage einen gegenüber der Monopolarzellen-Anlage geringeren Raumbedarf erfordert und der Aufbau einer solchen Anlage infolge des Wegfalls von häufig komplizierten und aufwendigen Zellverbindern einfacher ist. Die Bipolarzelle hat gegenüber einer Monopolarzelle jedoch auch eine Reihe von Nachteilen.

Es sind ferner Elektrolysezellen mit rechteckigem, quadratischem und kreisförmigem Querschnitt bekannt, wobei der Durchschluß des Elektrolyten in beliebiger Weise über entsprechende Rohranschlußflansche erfolgen kann, nämlich horizontal, mäanderförmig, schräg oder vertikal. Im allgemeinen ist die vertikale Strömungsrichtung des Elektrolyten aus strömungstechnischen Gründen zu bevorzugen, insbesondere wenn kurze Verweilzeiten in der Zelle erforderlich sind oder die Auftriebswirkung von elektrolytisch erzeugten Gasen nach dem Prinzip der Mammutpumpe genutzt werden soll.

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Aus der DT-AS 2 109 9^9 ist eine Elektrolyseeinrichtung mit hintereinandergeschalteten, vom Elektrolyten vertikal durchströmten Zellen bekannt, in denen lamellierte Bipolarelektroden angeordnet sind. Die Bipolarelektroden bestehen hierbei aus mehrschichtigen Verbundplatten, auf denen beidseitig mehrere senkrecht abstehende, fahnen- oder stegartige Elektrodenbleche oder -platten befestigt sind, und zwar auf der einen Seite Elektrodenplatten der einen Polarität, auf der anderen Seite nur solche der entgegengesetzten Polarität. Die fahnenartigen Teile der Elektroden der einen Polarität erstrecken sich in die von den fahnenartigen Teilen der Elektrode der anderen Polarität gebildeten Zwischenräume.

Schließlich ist aus der CA-PS 914 610 eine Elektrolysezelle der eingangs genannten Gattung bekannt, die vom Elektrolyten mäanderförmig-horizontal von unten nach oben durchströmt wird. Mehrere solcher Zellen können durch Rücken-an-Rücken-Verschraubung zu einer Anlage zusammengefaßt werden, deren einzelne Zellenräume vom Elektrolyten nacheinander, parallel zur Stromrichtung oder senkrecht zur Stromrichtung, parallel, durchströmt werden.

Die bekannten Zellen besitzen zur Stromaufnahme an der Außenseite des Zellengehäuses oder an der Außenseite der Elektroden-Trägerplatten, falls diese gleichzeitig eine Wand des Zellengehäuses bilden, für jede Polarität Verbindungsflächen oder Verbindungslaschen, die mit der Stromzuführung aus Kupfer oder Aluminium verschraubt oder auf andere Weise fest verbunden werden.

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Bei den aus den beiden genannten Druckschriften bekannten Elektrolysezellen bildet die Trägerplatte für die einzelnen Kathodenbleche oder -platten einen Teil des trogförraigen Zellengehäuses oder sie ist mit dem Zellengehäuse verschweißt oder verschraubt. Im allgemeinen wird das aus Eisen oder Titan bestehende Zellengehäuse mit der Kathode elektrisch leitend verbunden, also kathodisch geschaltet, während die Anode vom Zellengehäuse elektrisch isoliert und flüssigkeitsdicht befestigt wird.

Bei den bekannten Elektrolysezellen monopolarer Bauart wird der Gesamtstrom direkt zur Trägerplatte, die ggf. gleichzeitig die Zellenwand bildet, geführt und von dort gleichmäßig auf die senkrecht auf der Trägerplatte befestigten einzelnen Elektrodenbleche oder -platten verteilt. Zu-einer beispielsweise für eine Stromaufnahme von 6 kA gebauten Zelle, die eine Trägerplatte mit 11 daran befestigten Einzelkathodenplatten, die mit dem Gehäuse elektrisch auf gleichem Potential liegen, sowie eine Titanträgerplatte mit 12 daran befestigten Einzel-Anodenplatten, die in die durch die 11 Einzel-Kathoden gebildeten 12 Kathodenspalträume hineinragen und so einen Elektrolytzwischenraum von jeweils 4 mm Breite bilden, enthält, wird der Gesamtstrom über Kupferschienen zu der Kathodenträgerplatte geführt. Jede Einzelelektrode wird dabei mit 0,5 kA beaufschlagt; von der Anodenträgerplatte fließt der Strom von 6 kA über Kupferschienen zur nächsten Zelle weiter. Da die vertikale Ausdehnung der Einzelanodenplatten 600 bis 700 mm nicht überschreiten soll, weil sonst erhebliche Ausbeute- und Energieverluste auftreten, kann die Stromaufnahme und die Leistung einer Zelle nicht einfach durch Streckung in vertikaler Richtung vergrößert werden, wenn die Zelle wirtschaftlich arbeiten soll. Andererseits ist wegen der relativ

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schlechten Leitfähigkeit des für die Anoden meist eingesetzten Titans die horizontale Ausdehnung der Einzelanodenplatten von ihrer Blechstärke (Tiefe) abhängig; so ist für eine Einzelanode von 500 mm Höhe und 200 mm Breite eine Blechstärke von 1 bis 2 mm erforderlich.

Wollte man also bei einer der bekannten Zellen eine Verdoppelung der Stromaufnahme durch Verdoppelung der horizontalen Dimension erreichen, müßte man die Blechstärke vervierfachen, d.h. die Blechstärke der Einzelanodenplatte müßte mit dem Quadrat der Stromaufnahme vergrößert werden. Aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen sind deshalb die bekannten Zellen mit gegenüberliegenden, Elektroden tragenden Seitenwänden nur für eine begrenzte Stromaufnahme von etwa 10 kA geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Elektrolysenzelle der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine um eine Größenordnung höhere Stromaufnahme ermöglicht', aber dennoch möglichst einfach und kompakt gebaut ist und wirtschaftlich arbeitet. Die Aufgabe besteht weiter darin, eine Elektrolysezelle zu schaffen, bei der die Elektroden exakt montiert und leicht ausgewechselt werden können und bei der kurze Verweilzeiten des Elektrolyten innerhalb der Zelle möglich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Elektrode(n) einer Polarität ("Mittelelektrode(n)") zwischen jeweils zwei Elektroden der anderen Polarität angeordnet ist (sind).

Dadurch wird erreicht, daß erstmals Zellen für eine Stromaufnahme von 100 kA und mehr hergestellt werden können, ohne daß die Einzelanodenplatten deshalb eine größere

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Ausdehnung in allen drei Richtungen des Raumes als die für eine Stromaufnahme von etwa 0,5 kA erforderliche besitzen müssen, ohne daß also Ausbeute- und Energieverluste im Vergleich zu der mit den bekannten Zellen, deren Stromaufnahme auf maximal 10 kA . limitiert war, bisher erreichbaren Ausbeute- und Energiebilanz auftreten. Ohne daß also die als optimal erkannte Größe für die Einzelanodenplatte geändert werden muß, ist es gemäß der Erfindung möglich, äußerst kompakte und deshalb leicht montierbare und austauschbare Elektrodenpakete zu schaffen, deren Stromaufnahme 25 kA und mehr betragen kann und die nach dem Baukastenprinzip zu Zellen mit einer Stromaufnahme von 100 kA und mehr aneinandergereiht werden können. Diese erst im Rahmen der Erfindung möglich gewordenen Elektrodenpakete gestatten darüber hinaus, den Gesamtstrom nicht nur - wie bei den bisher bekannten Zellen - der die einzelnen Elektrodenplatten in irgendeiner Form tragenden Außenwand der Zelle zuzuführen, sondern direkt in das Innere der Zelle zu führen und von dort auf beide einander gegenüberliegenden Gegenelektroden zu verteilen.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle eignet sich insbesondere für Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Alkalichloraten aus AlkaliChloridlösungen, von Alkalipersulfaten aus sauren Alkalisulfatlösungen und von Alkaliperphosphaten aus Alkaliphosphatlösungen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie weitere damit erzielte Vorteile werden im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung und den Unteransprüchen erläutert.

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In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, teils in Seitenansicht, teils im Schnitt nach der Linie I-I in Fig.3,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Elektrolysezelle nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Elektrodenplatte,

Fig. 5 ein Schnitt durch ein an der Zellenwand befestigtes Elektrodenpaket,

Fig. 6 ein Schnitt durch eine zur Befestigung

der Einzelelektrodenplatten gemäß Fig. 5 verwendete Gewindering,

Fig. 7 ein Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines an der Zellenwand befestigten Elektrodenpakets, ■

Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle im Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 9 und

Fig. 9 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 8. ·

Die Elektrolysezelle (Fig. 1) besteht aus einem

Zellengehäuse 1 aus Titan mit einem sich pyramidenstumpf f örmig verjüngenden Boden 2 und einem sich pyramidenstumpf f örmig verjüngenden Deckel 3. Der Boden 2 endet nach unten in einem Einlaufstutzen 4, der Deckel 3 endet nach

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oben in einem Auslaufstutzen 5 für den Elektrolyten, der die Zelle vertikal von unten nach oben durchströmt. Am Einlaufstutzen 4 und am Auslaufstutzen 5 befindet sich je ein Flansch 6 zum Anflanschen von Zu- und Ableitungen für den Elektrolyten bzw. die Elektrolyseprodukte. Innerhalb des Zellengehäuses 1 sind drei Elektroden 7, 8, 9 angeordnet, wovon zwei derselben Polarität angehören. Die beiden äußeren Elektroden 7, 8 (Fig. 2 und 3) sind mit Hilfe von Stromzuleitungen 10, 11 aus Kupfer mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden und somit als Kathoden geschaltet, während die zwischen den beiden Kathoden 7, 8 angeordnete Mittelelektrode 9 über (nicht gezeichnete) Kupferstromzuleitungen mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden und damit als Anode geschaltet ist.

Die Mittelelektrode 9 stellt ein kompaktes Anodenpaket dar, das aus einer Vielzahl einzelner Anodenplatten 12 zusammengesetzt ist. Auch die Kathoden 7, 8 sind aus mehreren einzelnen Kathodenplatten 13 aufgebaut. Die Kathodenplatten 13 sind senkrecht auf einer Seite je einer Trägerplatte 14 äquidistant und untereinander parallel befestigt. Die Trägerplatten 14 stellen gleichzeitig die Seitenwände des Zellengehäuses 1 dar. Sie sind mit den übrigen Teilen des Zellengehäuses 1 flüssigkeitsdicht, aber elektrich isoliert verbunden, z.B. mit Hilfe von PTFE-ummantelten Schrauben verschraubt. An den Außenseiten der Trägerplatten 14 sind die Stromzuleitungen 10, 11 befestigt.' Alle übrigen Teile des Zellengehäuses 1 stehen mit der Anode 9 in elektrischer Verbindung.

Die einzelnen Anodenplatten 12 sind rechteckig und besitzen zwei in der Mittelachse symmetrisch angeordnete kreisförmige Aussparungen 15 (Fig. 4). Die Anodenplatten 12 sind an zwei die Aussparungen 15 durchdringenden Hülsen 16

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äquidistant, untereinander parallel und senkrecht zu den Längsachsen der Hülsen 16 befestigt. Die Kathodenplatten 13 sind rechteckig und besitzen an ihrer freien Längskante zwei halbkreisförmige Aussparungen, die so angeordnet sind, daß die Hülsen 16 von den an den beiden gegenüberliegenden Trägerplatten 14 befestigten Kathodenplatten 13 bis auf einen schmalen Ringspalt umschlossen werden.

Während sämtliche Kathodenteile aus Stahl bestehen, bestehen sämtliche Anodenteile aus Titan. Die Anodenplatten 12 sind ein- bzw. beidseitig mit einer üblichen Aktivierungsschicht beschichtet.

Die Hülsen 16 (Fig. 5) besitzen ein Außengewinde 17 und ein Innengewinde 18, in das ein Boden 19 eingeschraubt und eingeschweißt ist. Auf der offenen Seite trägt die Hülse 16. einen Ringflansch 20, mit dem. die Hülse 16 nach Zwischenlegen einer Dichtung 21 fest an die Innenseite' 22 der Wand 23 des Gehäuses 1 angepreßt wird. Die Befestigung der Hülse 16 an der Gehäusewand 23 erfolgt mit Schrauben 25, die in Gewindebohrungen 26 am Ringflansch 20 eingreifen. In das Innengewinde 18 der Hülse 16 ist ein Gewindestab 27 aus Kupfer eingeschraubt, auf dessen freies Ende die mit · dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbundene Stromzuführung 28 mittels zweier Kupfermuttern 29 aufgeschraubt ist. Die Gewindehülsen 16 dienen somit nicht nur als Träger sondern auch als Stromzuführungen für das Anodenpaket.

Die Hülse 16 kann nach weiteren, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung an ihrem offenen Ende auch mit einem Ringflansch ohne Gewindebohrungen für Befestigungsschrauben versehen sein; in diesem Falle kann die Befestigung an der Außenwand des Zellengehäuses direkt mit einem in das Innengewinde der Hülse eingeschraubten Gewindestab aus Kupfer und einer an der Zellenaußenseite aufgeschraubten Gegenmutter vorgenommen werden. Die Hülse 16 kann auch massiv aus Kupfer hergestellt

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und mit Titan durch Flammspritzen beschichtet sein, wobei der zur Befestigung an der Außenwand des Zellengehäuses vorgesehene Gewindestab in eine in die Kupferseele der Hülse eingebrachte Gewindebohrung, die sich nur über einen kleinen Teil der Länge der Hülse zu erstrecken braucht, eingeschraubt wird.

Zur Montage des Anodenpaketes 9 werden zunächst die Hülsen auf einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Montageplatte so befestigt, daß der Ringflansch 20 auf der Montageplatte ruht. Dann wird eine einseitig beschichtete Anodenplatte mit Hilfe der Aussparungen 15 von oben auf die senkrecht stehenden Hülsen aufgeschoben, und zwar so, daß die nicht beschichtete Seite die freie Fläche des Ringflansches 20 berührt. Die nur lose aufgeschobene Anodenplatte 12 wird dann ,an jeder Hülse 16 mit Hilfe eines Gewinderings 30 festgeschraubt. Danach wird eine beidseitig beschichtete Anodenplatte 12 auf die Hülsen 16 aufgeschoben und mit einem weiteren Gewindering 30 festgeschraubt. Dies wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Anzahl von Anodenplatten mit den Hülsen 1β fest verbunden ist. Als letzte Anodenplatte 12 wird wieder eine einseitig beschichtete Platte, diesmal jedoch mit der Beschichtung nach unten, aufgelegt und mit einen Gewindering 30 befestigt.

Da die einzelnen Anodenbleche 12 vorzugsweise für eine Stromaufnahme von 0,4 bis 0,5 kA pro beschichtete Seite ausgelegt sind, werden beispielsweise für eine 20 kA-Zelle zwei äußere einseitig beschichtete und 19 dazwischenliegende beidseitig beschichtete Anodenplatten benötigt. Die Titangewindehülsen können analog bis zu etwa 30 Anodenplatten aufnehmen.

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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Gewinderinge 30 einen Schlitz 31, eine senkrecht dazu verlaufende Gewindebohrung 32 und eine Spannschraube 33 auf (Fig. 6), mit deren Hilfe sie auf das Außengewinde 17 der Hülsen 16 au%epreßt werden können.

Dadurch wird erreicht, daß die Kontaktwiderstände für den Stromübergang von den den Strom zuführenden Hülsen auf die einzelnen Elektrodenplätten so gering wie nur möglich gehalten werden. Außerdem läßt sich durch Wahl der geeigneten Breite der Gewinderinge jeder gewünschte Abstand der einzelnen Elektrodenplatten voneinander exakt einstellen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle der Kontaktpressung und dem Stromübergang dienenden Flächen an den Hülsen 16, den Anodenplatten 12 und den Gewinderingen 30 mit einer gut leitenden Platinbeschichtung versehen. Zu diesem Zweck nüssen alle diese Flächen plan sein.

Während die oben beschriebene Befestigungsweise der Anodenplatten 12 auf den Hülsen 16 vor allem für Zellen mittlerer Stromaufnahme von beispielsweise etwa 20 kA verwendet wird, wird für Zellen höherer Stromaufnahme nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorzugsweise eine andere

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Befestigungsart verwendet (Fig. 7). Die Hülse 35 aus Titan besitzt, wie die Hülse 16, ein Innengewinde 36, einen eingeschraubten und eingeschweißten Boden 37 und einen Ringflansch 38. Auf dem äußeren Zylindermantel dagegen trägt die Hülse 35 kein Gewinde, sondern äquidistante ringförmige Erhebungen 39 derselben Stärke wie die Anodenplatten 12 und von einem Durchmesser, der nur um 1 bis 2 mm kleiner ist als der Durchmesser der Aussparungen 15 in den Anodenplatten 12. Bei der Montage werden zwei solcher Hülsen 35 mit dem Ringflansch 38 nach unten wieder auf einer Montageplatte befestigt. Dann wird eine einseitig beschichtete Anodenplatte 12 mit der Aktivschicht nach oben auf die beiden Hülsen 35 aufgeschoben und mit Hilfe von Senkkopfschrauben 40 auf dem Ringflansch 38 befestigt. Die jeweils folgenden beidseitig beschichteten Anodenplatten 12 werden mit Unterlegschablonen in Hontagestellung ■ gebracht und mittels eines geeigneten Schweißverfahrens (z.B. Argon-Lichtbogen-Impulsschweißung) an den ringförmigen Erhebungen 39 stellenweise angeheftet.

Das Schweißverfahren muß mit einer genügend starken Energiekonzentration verbunden sein, damit die Schweißung in kürzester Zeit ausgeführt werden kann. Die Schweißzone darf nicht breiter als 1 mm sein, damit sich die Elektrodenplatten nicht verziehen.

Für Zellen bis zu einer Stromaufnahme von etwa 20 kA benötigt man unabhängig von der Art der Befestigung der Anodenplatten an den stromzuführenden Hülsen nur ein Anodenpaket, das auf vorzugsweise zwei stromzuführenden Hülsen

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befestigt ist. Bei Zellen hoher Stromaufnahme, beispielsweise von 100 kA oder mehr, werden mehrere solcher Anodenpakete mit jeweils mehr als zwei stromzuführenden Hülsen benötigt. Beispielsweise enthält eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die für eine Stromaufnahme von etwa 100 kA ausgelegt ist, 4 Anodenpakete für eine Stromaufnahme von jeweils etwa 25 kA (Fig. 8 und 9). Bei dieser Zelle befinden sich in dem trogförmigen Zellengehäuse 41 mit dem sich kegelstumpfförmig nach unten verjüngenden Boden 42 und dem sich ebenso nach oben verjüngenden Deckel 43 mit Einlauf- und Auslaufstutzen 44 bzw. 45 für den die Zelle vertikal von unten nach oben durchströmenden Elektrolyten und mit Anschlußflanschen 46. für die Elektrolytzu- bzw. -ableitungen 4 Anodenpakete 47 bis 50, die als Mittelelektroden jeweils zwischen zwei der insgesamt drei Kathoden 51 bis 53 angeordnet sind. Die Kathoden 51 bis 53 sind auf einem Tragrost 54 verankert, von diesem und damit vom Zellengehäuse 41 jedoch durch Isolatoren 55 elektrisch isoliert.

Jedes der Anodenpakete 47 bis 50 ist aus 3 Hülsen 35 aufgebaut, auf die 27 einzelne Anodenplatten 12, davon 25 beidseitig und 2 einseitig beschichtete, nach dem oben beschriebenen Verfahren aufgeschweißt sind. Die beiden Außenkathoden 51, 53 bestehen aus je einer Stahlträgerplatte 56 mit nach jeweils einer Seite senkrecht angeschweißten Eisenblechen 57. Die Mittelkathode 52 besteht aus einer Stahlträgerplatte 58 mit nach beiden Seiten senkrecht angeschweißten Eisenblechen 57.

Bei der Montage dieser Zelle wird zunächst die Mittelkathode 52 unter Zwischenlegen des Isolators 55 auf dem Tragrost 54 befestigt. Dann werden die 4 Anodenpakete 47 bis 50 an

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den Seitenwänden 59 des Zellengehäuses 41 unter Zwischenlegen von O-Ringdichtungen (nicht gezeichnet) und Kupferscheiben 60 befestigt, vorzugsweise so, daß sie im Bedarfsfall zu Reparatur und Wartungszwecken nach Abnehmen des Deckels im ganzen aus dem Zellengehäuse nach oben herausgehoben werden können. Zuletzt werden die beiden Außenkathoden 51, 53 in horizontaler Richtung eingeschoben und unter Zwischenlegen von Isolatoren 55 auf dem Tragrost 54 befestigt. Zum Schütze der Rückseiten der Außenkathoden 51, 53 werden zwischen den Stahlträgerplatten 56 und den Seitenwänden 61 des Zellengehäuses 41 Anoden 62 senkrecht angeordnet und mit dem Gehäuse 41 elektrisch leitend verbunden. Zuletzt wird der Deckel 43 des Zellengehäuses 41 aufgesetzt und am Flansch 65 flüssigkeitsdicht verschraubt. Die zwischengelegte Dichtung 66 braucht nicht elektrisch zu isolieren, da der Deckel 43 und der Boden 42 des Gehäuses 41 anodisch geschaltet sind.

Am Beispiel der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungenform einer 100 kA-Elektrolysezelle werden die mit der Erfindung erzielten Vorteile besonders deutlich. Durch das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip, wonach innerhalb einer Eifctrolysezelle die Elektrode bzw. Elektroden einer Polarität zwischen jeweils zwei Elektroden der anderen Polarität angeordnet ist bzw. sind, wird erstmals ermöglicht, überhaupt Elektrolysezellen mit einer so hohen Stromaufnahme wie etwa 100 kA oder mehr zu bauen, die trotz dieser hohen Stromaufnahme unter Bedingungen arbeiten, die denjenigen der bisher bekannten Monopolarzellen mit einer

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Stromaufnahme von etwa 10 kA äquivalent sind. Unter "Bedingungen" sind hierbei in erster Linie zu verstehen: Stromverluste, Stromausbeute, gleichmäßige .Verteilung der Stromdichte über den gesamten Zellenquerschnitt, Verweilzeit des Elektrolyten innerhalb der Zelle, Strömungsverhältnisse u. dgl.

Unabhängig von ihrer Größe und der Stromaufnahme, für die sie ausgelegt ist, hat die erfindungsgemäße Elektrolysezelle weiter den Vorteil, daß sie bei gleicher Leistung viel kompakter gebaut ist als die bekannten Monopolarzellen, daß sie korrosionsbeständiger ist, daß die Reaktionsprodukte schnell aus dem Elektrolysenraum abgeführt werden können und daß die Elektroden exakt montiert und besonders leicht ausgewechselt und gewartet werden können. Diese Vorteile bedingen ihrerseits wieder, daß die erfindungsgemäße Zelle besonders einfach und vergleichsweise billig herstellbar ist, und gewährleisten, daß der Betrieb der erfindungsgemäßen Zelle besonders wirtschaftlich ist.

Weitere Vorteile bestehen darin, daß die Stromverbindung bei Hintereinanderschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Zellen einfach zu gestalten ist, wodurch die Abstände zwischen den Zellen kurz gehalten werden können, und daß die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen leicht in jedes beliebige Elektrolytverteilersystem eingeordnet werden können, beispielsweise so, daß der Elektrolyt aus einem gemeinsamen Sammelbehälter in die einzelnen Zellen strömt, diese parallel durchläuft und wieder in einen gemeinsamen Sammelbehälter, der gleichzeitig als Gasabscheider eingerichtet sein kann, mündet.

Die besonders vorteilhafte Paketbauweise für die Mittelektroden, die in der vorstehenden Beschreibung stets für anodisch geschaltete Elektroden erläutert wurde, kann ganz analog

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auch dann angewandt werden, wenn die Polaritäten ausgetauscht werden. Es können also auch den Anodenpaketen analoge Kathodenpakete aus den beschriebenen Hülsen und einzelnen Elektrodenplatten aufgebaut v/erden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht das Zellengehäuse in elektrischem Kontakt mit dem Anodenpaket bzw. der Stromzuführung zur Anode. Auf diese Weise wird das Zellengehäuse anodisch gegen jegliche Korrosion geschützt. Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber den bekannten Honopolarzellen, bei denen das Gehäuse meist auf gleichem Potential mit den Kathoden liegt. Im letzteren Falle müssen nämlich, falls das Gehäuse aus Stahl oder einer Eisenlegierung besteht, dessen nicht dem direkten Stromfluß ausgesetzte Flächen, z.B. an den Zu- und Abflußöffnungen, durch Hilfsanoden kathodisch geschützt v/erden; falls aber das Gehäuse aus Titan besteht, bewirkt die kathodische Wasserstoffentwicklung die Ausbildung einer Titanhydridschicht. Dies wiederum hat zur Folge, daß sich wegen der Aufweitung des Titangitters durch die Wasserstoffaufnahme spröde Schichten auf der Oberfläche bilden, die unter Betriebsbedingungen, vor allem bei wechselnden Temperaturen, von der Metallunterlage abspringen. Das Titangehäuse versprödet und wird im ungünstigsten Falle durch Rißbildung an den Ecken und Kanten perforiert; sogar Kurzschlüsse können durch abgeblätterte Titanhydridteile in den schmalen Elektrodenspalten auftreten.

Die Charakteristiken einiger Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle sind in den folgenden Beispielen beschrieben:

Beispiel 1

Eine Zelle mit 20 kA Stromaufnahme für die Chloratelektrolyse wird entsprechend der vorstehenden Montagebeschreibung unter

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Verwendung von einem aus drei Gewindehülsen, auf denen die einzelnen Anodenplatten mit den beschriebenen spannbaren Gewinderingen befestigt sind, aufgebauten Anodenpaket zusammengebaut. Der Abstand der einzelnen Elektrodenplatten untereinander beträgt 3,0 mm. Der Widerstand der Stromzuführung am Anodenpaket wird zu 20 bis 60 λιΩ. experimentell ermittelt. Der Energieverlust an der Stromzuführung zum Anodenpaket beträgt somit 60 bis 180 Watt, entsprechend 0,1 bis 0,3 % der Zellenleistung, und ist als sehr niedrig zu bezeichnen. Die Spannung beträgt unter Elektrolysebedingungen bei 80⁰C 3,1 Volt bei einer Stromdichte von 3 kA/m Anodenfläche. Die Stromausbeute liegt zwischen 93 und 95 %.

Beispiel 2

Eine Chloratelektrolysezelle von 25 kA Stromaufnahme wird unter Verwendung eines aus 25 doppelseitig beschichteten und 2 einseitig beschichteten Anodenplatten und 3 Gewindehülsen bestehenden Anodenpakets zusammengebaut. Bei 3 kA/m Stromdichte hat die Zelle eine Spannung von 3,1 Volt.

Beispiel 3

Für eine Elektrolysezelle, die zur Herstellung von Persulfaten und Perphosphaten geeignet ist, wird ein.Anodenpaket unter Verwendung von 11 Einzelanodenplatten, wovon 2 einseitig beschichtet sind, und 3 Gewindehülsen montiert. Die Einzelanodenplatten bestehen aus 5 mm starkem Titan und haben eine Größe von 500 χ 400 mm; sie sind beidseitig (Innenplatten) bzw. einseitig (Außenplatten) mit 50/um starker Reinplatin-Folie explosionsplatfcLert. (Es können aiich Anodenplatten mit geeigneten galvanischen Beschichtungen von Reinplatin verwendet werden. Nicht geeignet sind dagegen Beschichtungen, wie sie für die Chloratelektrolyse verwendet werden, da diese keine Aktivsauerstoff-Verbindungen zu bilden im Stande sind.) Das Anoden-

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paket wird in einem Gehäuse aus Titan so befestigt, daß letzteres mit der positiven Polarität in elektrischem Kontakt steht, wodurch es vollständig gegen elektrolytische Korrosion geschützt ist. Die Kathoden bestehen aus Edelstahl geeigneter Zusammensetzung (es können auch Kathoden aus Rein-Titan verwendet werden) . Die Stromaufnahme der Zelle beträgt 20 ;cA bei einer anodischen Stromdichte von 6 kA/m . Der Abstand der einzelnen Elektrodenplatten voneinander beträgt 5 mm/- Unter den Bedingungen zur Herstellung von Kaliumpersulfat (1,3 Mol/l K₂SO/, 2 Mol/l H₂SO^) beträgt die Spannung 5,1 Volt.

Die Zelle ist ebenso zur Herstellung von Ammoniumpersulfat und Natriumpersulfat sowie von Perphosphaten geeignet. K^P₂Og erhält man beispielsweise durch Elektrolyse einer alkalischen Kaliumphosphatlösung (ca. 3 Mol/l) bei 3 kA/m und einer Spannung von 4,9 Volt. Demgegenüber besaßen die bisher gebräuchlichen diaphragmalosen Zellen zur Herstellung von Persulfaten bzw. Perphosphaten nur eine Stromaufnahme von 0,5 bis 1,5 kA!

Die Elektrodenpakete der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle können sinngemäß auch mit Diaphragmen versehen und in der Chlor-Alkali-Elektrolyse eingesetzt werden.

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Claims

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Patentansprüche

fly Elektrolysezelle mit einem Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß für den durchströmenden Elektrolyten, in welchem Monopolarelektroden angeordnet sind, wovon jede aus auf einem gemeinsamen Träger befestigten, parallel angeordneten Platten besteht, wobei die Elektroden so gegeneinander versetzt sind, daß die Platten der einen Polarität in die zwischen den Platten der anderen Polarität gebildeten Spalte hineinragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode(n) (9j 47,48,49,50) einer Polarität (»Mittelelektrode(n)») zwischen jeweils zwei Elektroden (7,8; 51 - 53) der anderen Polarität angeordnet ist (sind).
2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode(n) aus einer Vielzahl einzelner Elektrodenplatten (12) mit symmetrisch angeordneten kreisförmigen Aussparungen (15) besteht (bestehen), welche mittels wenigstens zweier Hülsen (16; 35), die die Aussparungen (15) durchdringen, zu einer kompakten Einheit fest verbunden sind.
3. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (16) ein Außengewinde (17) tragen und die einzelnen Elektrodenplatten (12) mittels Gewinderingen (30) auf den Hülsen (16) festgeschraubt sind.

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4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinderinge (30) geschlitzt sind und mittels einer Spannschraube (33) mit ihrem Innengewinde (34) auf das Außengewinde (17) der Hülsen (16) fest aufpreßbar sind.
5· Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (35) von ihrer Mantelfläche senkrecht abstehende ringförmige Erhebungen (39) aufweisen, mit denen die einzelnen Elektrodenplatten (12) verschweißt sind.
6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (16; 35) mit Kupferstäben als Stromzuführungen fest verbunden sind.
7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Stromzuführungen verwendeten Kupferstäbe mit den Hülsen (16; 35) verschraubt sind.
8. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode(n) (9;
47 - 50) anodisch geschaltet ist (sind).
9. Elektrolysezelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektrodenplatten (12), die
Hülsen (16; 35) und die Gewinderinge (30) aus korrosionsfestem und/oder elektrochemisch passivierbarem Material bestehen oder mit einem solchen Material beschichtet sind.
10. Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatten (12), die Hülsen (16; 35) und die Gewinderinge (30) aus Titan bestehen oder mit Titan beschichtet sind.

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11. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode(n) (9j 47 - 50) kathodisch geschaltet ist (sind).
12. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellengehäuse (1; 41) mit der (den) Anode(n) in elektrischer Verbindung steht.
13. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellengehäuse (1; 41) aus passivierbarem Metall besteht.
14. Elektrolysezelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellengehäuse (1; 41) aus Titan besteht.
15. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß.das Zellengehäuse (1; 41) mit je einem pyramidenstumpfförmigen Deckel (3; 43) und Boden (2; 42) ausgebildet ist.
16. Elektrolysezelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden (2; 42) und im Deckel (3; 43) des Zellengehäuses (1; 41) Flansche als Ein- und Auslaß für den Elektrolyten vorgesehen sind.
17. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7 - 9; 47 - 53) so im Zellengehäuse (1; 41) angeordnet sind, daß die einzelnen Elektrodenplatten (12,13; 12,57) senkrecht stehen und die durch die Elektrodenplatten gebildeten Zwischenräume vom Elektrolyten senkrecht von unten nach oben und gleichmäßig über den gesamten Zellenquerschnitt durchströmt werden.

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18. Verwendung der Elektrolysezelle gemäß den Ansprüchen 1 bis 17 für aus mehreren hintereinandergeschelteten, vom Elektrolyten parallel durchströmten Zellen gebildete Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Alkalichloraten, -persulfaten und -perphosphaten.

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