DE2645121B2 - Elektrolysezelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mil 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.

Zur Durchführung elektrochemischer Prozesse werden Elektrolysezellen sowohl monopolaret als auch bipolarer Bauart verwendet. Die Bipolarzelle, die durch

ίο 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 Hintereinanderschalten mehrerer Bipolarzellen aufgebaute Elektrolyseanlage einen gegenüber der Monopoiarzellen-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.

Aus der DE-AS 21 09 949 ist eine Elektrolyseeinrichtung mit hintereinandergeschalteten. vom Elektrolyten vertikal durchströmten Zellen bekannt, in denen lamellierte Bipolarelektroden angeordnet sind. Die Bipolarelektroden bestehen hierbei ius mchrschichtigen Verbundplatten, auf denen beidseitig mehrere senkrecht abstehende, fahnen- oder stegartige Elektrodenbleche oder -platten befestigt sind, und zwar auf der einen Seite Elektrodenplatlen 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 Elektroden der anderen Polarität gebildeten Zwischenräume.

Schließlich ist aus der CA-PS 9 14 610 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-Vcrschraubung 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 /ur Stromabnahme an der Außenseite des Zellengehäuses oder an der Außenseite der Elektroden-Trägerplattcn, falls diese gleichzeitig eine Wand des Zellengchäuscs bilden, für jede Polarität Verbindungsflächen oder Verbindungslaschen, die mit der Stromzuführung aus Kupfer oder Aluminium verschraubt oder auf andere Weise fest verbunden werden.

Bei den aus den beiden genannten Druckschriften bekannten Elektrolysc/.clien bildet die Trägerplatte für die einzelnen Kathodcnblcchc oder -platten einen Teil

des trogförmigen 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 Elektrclysezellen monopolarer Bauart wird der Gesamtsirom 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 Elektrolytenzwischenraurn von jeweils 4 mm Breite bilden, enthält, wird der Gesamtstvom über Kupferschienen zu der Kr-:hodenträgerplatte geführt. Jede Einzelelektrode wird dabei mit 0.5 kA beaufschlagt; von der Anodenträgerplatte fließt der Strom von 6 kA über Kupl'erschienen 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 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.

Wolke 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 rr.'.t gegenüberliegenden, Eijktroden tragenden .Seitenwänden nur für eine begrenzte Stromaufnahme von etwa 10 kA geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden ui j eine Elektrolysezelle der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine um eine Größerordnung höhen. 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 Verweilzeitcn des Elektrolyten innerhalb der Zelle möglich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß je ein Mittelelekiroclenpaket einer Polarität (»Mittclelektrode«) mit mittiger Stromzufuhr zwischen jeweils zwei Elcktrodcnpakctcn der anderen Polarität angeordnet ist.

Dadurch wird erreicht, daß erstmals Zellen (ür eine .Stromaufnahme von 100 kA und mehr hergestellt werden können, ohne d'ß die Ehizclanodenplattcn deshalb eine größere Ausdehnung in allen drei Richtungen des Raumes als die für eine Siromaufnahme von etwa 0,5 kA erforderliche besitzen müssen, ohnn daß also Ausbeute- und Energieverluste im Vergleich zu der mit den bekannten Zellen, deren Stromaufnahme auf maximal 1OkA 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 montier-

bare und austauschbare Elektrodenpakete zu schaffen, deren Stromaufnahme 25 kA und mehr betragen kann und die nach dem Baukastenprinzip zu Zellen mit einer Stromaufnahme von 10OkA 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 gegenüberliegende GegeneieKtroden 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.

In der Zeichnung ist

F i g. I eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, teils in Seitenansicht, teils im Schnitt

J5 nach der Linie I-1 in Fi g. 3,

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

Fig. 3 ein Schnitt nach der Linie H-Il in Fig. 1,
F i g. 4 eine Draufsicht auf eine Elektrodenplaite.

Fig. 5 ein Schnitt durch ein an der Zellenwand befes'^;gtes Elektrodenpaket,

Fig. 6 ein Schnitt durch einen zur Befestigung der Einzelelektrodenplatten gemäß F i g. 5 verwendeten Gewindering,

F i g. 7 ein Schnitt durch ein zweites Au'.führungsbeispiel eines an der Zellenwand befestigten Elektrodenpakets.

F i g. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle im Schnitt nach der Linie Ill-Ill in Fi g.9und

F i g. 9 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 8.
Die Elektrolysezelle (Fig. 1) besteht aus einem Zellengehäuse 1 aus Titan mit einem sich pyraniidenstunipftöimig verjüngenden Boden 2 und einem sich pyramidenstumpfföimig verjüngenden Deckel 3. Der Boden 2 endet nach unten in einem Einlaufstut/en 4, der Deckel 3 endet nach oben in einem Auslaufstutzen 5 für den Elektrolyten, der die Zelle vertikal von unten nach oben durchströmt. Am Einlaufstut/en 4 und am Auslaufstutzen 5 befindet sich je ein Flansch 6 zum Anflanschen von Zu· und Ableitungen für den Elektrolyten bzw. die Elcktrolyseprodukt'.¹. innerhalb des Zcllcngehäuscs I sind drei Elcktrodenpakcte 7, 8, 9 angeordnet, wovon zwei derselben Polarität angehören.

hi Die beiden äußeren F'-cktrotlenpaketc 7, 8 (F i g. 2 und 3) sind mit Hilfe von Stromzuleitungen 10,11 aus Kupfer mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden und somit als Kaihoden geschaltet, während das

/wischen den beiden Kathoden 7, 8 angeordnete Mittelelektrodcnpaket 9 über (nicht gezeichnete) Kupferstromzuleiliingcn mit dem positiven Pol der Spannungsquelle verbunden und damit als Anode geschaltet ist.

Das Mittelelcktrodenpakct 9 stellt ein kompaktes Anodenpaket dar. das aus einer Vielzahl einzelner Anodenplatten 12 zusammengesetzt ist. Auch die Kathodenpakete 7, 8 sind aus mehreren einzelnen Kathodenplatten 13 aufgebaut. Die Kathodenplatten 13 sind senkrecht auf einer Seite je einer Trägerplatte 14 aquidislant und untereinander parallel befestigt. Die Trägerplatten 14 stellen gleichzeitig die Seitenwände des /.ellengehäuscs I dar. Sie sind mit den übrigen Teilen des Zellengehäuses I flüssigkeitsdicht, aber elektrisch isoliert verbunden. z.B. mit Hilfe von PTf Ε-ummantelten Schrauben verschraubt. An den Außenseiten der Trägerplatten 14 sind die Strom/.uleitungen 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 equidistant, 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 Kathodenieile aus Stahl bestehen, bestehen sämtliche Anodenteile aus Titan. Die Anodenplatten 12 sind ein- bzw. beidseitig mit einer üblichen Aktivierungsschicht beschichtet.

Die Hülsen 16 (F i g. 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 Gew indebohrungen 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 Stromzuführunger, für das Anodenpaket.

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

Tt's-,Vv^· Hn^ -#»·^ Ώ n%^€" * * rrt % η sir ο ιλ iA ar Aiif^Amii-ons-f j~1f»'* TTvftJv.: vjv-i LUi l*\,i VOHgUt tg tiii uvi / \i_i w\-11 π αϊ tu να L. ο

Zel'er.gehäuses vorgesehene Gewindestab in eine in die Kupferseele der Hülse eingebrachte Gewindebohrung, die sich nur über einen kleinen Teii der Länge der Hülse /ti erstrecken braucht, eingeschraubt wird.

Zur Montage ties Anodenpaketes 9 werden /unachsi die Hülsen 16 auf einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Montageplatte so befestigt, dall der Ringflansch 20 auf der Montageplatte ruht. Dann wird eine einseitig beschichtete Anodenplatte 12 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 Ringflan

in sches 20 berührt. Die nur lose aufgeschobene Anodenplatte 12 wird dann an jeder Hülse 16 mit Hilfe eines Gewinderinges 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 Anodenplat'.en mit den Hülsen 16 fest verbunden ist. Als letzte Anodenplaltc 12 wird wieder eine einseitig beschichtete Platte, diesmal jedoch mit der Beschichtung nach unten, aufgelegt und mit einem Gewindering 30 befestigt.

Da die einzelnen Anodcnblcehe 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 Anodenplatter benötigt. Die Titangewindehülsen können analog bis zu etwa 30 Anodcnplatten aufnehmen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsforni der Erfindung weisen die Gewinderinge 30 einen Schiit/ 31. eine senkrecht dazu verlaufende Gewindebohriing 32 und eine Spannschraube 33 auf (Fig. 6). mit deren Hilfe sie auf das Außengewinde 17 der Hülsen 16 aufgepreßt werden können.

Dadurch wird erreicht, daß die Kontaktwiderstünde

J5 für den Stromübergang von den den Strom zuführenden Hülsen auf die einzelnen Elcktrodenplatten 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 Ausfuhrungsform der Erfindung sine! alle der Kontaktpressung und dem Stromübergang dienenden Flächen an den Hülsen 16. den Anodenplatten 12 und den Gewinderingen 30 mit

^5 einer gut leitenden Platinbeschichtung versehen. Zu diesem Zweck müssen 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 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 IZ Bei der Montage werden zwei solcher Hülsen 35 mit dem Ringfiansch 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 Ringfiansch 38 befestigt. Die jeweils folgenden beidseitig beschichteten

Anodenplatlen 12 werden mil Unterlegschablonen in Montageslellimg gebracht und milt els eines geeigneten Seliw eißverfahrens (/. 11. Argon-l.ichthogen-lmpulssclnvcißung) an den ringförmigen Erhebungen 39 stellenweise angeheftel. ■>

Has Schweil.Kerfahren mill! mil einer genügend starken V.nergiekonzentration verbunden sein.damit die Sehweiliii.ig in kürzester Zeit ausgeführt werden kann Die SchwcilJ/.onc darf nicht breiter als I mm sein, damit sieh die Klektrodenplattcn nicht verziehen in

I ui /eilen bis /ti einer Stromabnahme von etwa 20 kA benötigt man unabhängig von der Art der Befestigung der Anodcnplatten an den stromzuführcnden Hülsen nur ein Anodenpaket, das auf vorzugsweise zwei sirom/uführenden Hülsen befestigt ist. Bei Zellen hoher Stromaufnahme, beispielsweise von K)OkA oder mehr, werden mehrere solcher Anodenpakete mit irwrilü mehr als zwei strom/uführcndcn Hülsen benötigt. Beispielsweise enthält eine weitere bevorzugte Ausführungsform der crfindungsgemäßen Elektrolysezelle, die für eine Stromaufnahme von etwa 100 kA ausgelegt ist, 4 Anodenpakete für eine .Stromaufnahme von jeweils etwa 25 kA (F i g. 8 und 9). Bei dieser Zelle befinden sich in dem trogförmigen Zellcngehäusc 4) 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 Elel'.trolytzu- bzw. -ableitungen 4 Anodenpakete 47 Jo bis 50. die als Mittelelektroden jeweils zwischen zwei der insgesamt drei Kathodenpakctc 51 bis 53 angeordnet sind. Die Kathodenpakete 51 bis 53 sind auf einem Tragrost 54 verankert, von diesem und damit vom Zellengehäuse 41 jedoch durch Isolatoren 55 elektrisch isoliert.

ledes der Anodenpakete 47 bis 50 ist aus 3 Hülsen 35 aufgebaut, auf die 27 einzelne Anodenplattcn 12. davon 25 beidseitig und 2 einseitig beschichtete, nach dem oben beschriebenen Verfahren aufgeschweißt sind. Die beiden Außenkathodenpakete 51, 53 bestehen aus je einer Stahlträgerplatte 56 mit nach jeweils einer Seite senkrecht angeschweißten Eisenblechen 57. Das Mittelkathodenpaket 52 besteht aus einer Stahlträgerplatte 58 mit nach beiden Seiten senkrecht angeschweißten ⁴^ Eisenblechen 57.

Bei der Montage dieser Zelle wird zunächst das Mittelkathodenpaket 52 unter Zwischenlegen des Isolators 55 auf dem Tragrost 54 befestigt. Dann werden die 4 Anodenpakete 47 bis 50 an den Seitenwänden 59 des Zellengehäuses 41 unter Zwischenlegen von O-Ringdichtungen (nicht gezeichnet) und Ringflanschen 60 befestigt, vorzugsweise so, daß sie im Bedarfsfall zu Reparatur- und Wartungszwecken nach Abnehmen des Deckels 43 im ganzen aus dem Zellengehäuse nach oben herausgehoben werden können. Zuletzt werden die beiden Außenkathodenpakete 51, 53 in horizontaler Richtung eingeschoben und unter Zwischenlegen von Isolatoren 55 auf dem Tragrost 54 befestigt. Zum Schütze der Rückseiten der Außenkathodenpakete 51, ^Μ 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 Zeüengehäuses 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

gesi'hnliiM sind.

Am Beispiel der wn stehend beschriebenen bevorzug ten Ausführungsform einer lOO-kA-Eleklrolysezelle «erden die mit der Erfindung erzielten Vorteile besonders deutlich. Durch das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip, wonach innerhalb einer Elektrolysezelle ein l'.leklrodenpaket einer Polarität zwischen jeweils zwei Elektrodenpakelen der anderen Polarität angeordnet ist. wird erstmals ermöglicht, überhaupt Elektrolysezellen mit einer so hohen Stromabnahme wie etwa 100 kA oder mehr zu bauen, die trotz dieser hohen Slromaufnahme unter Bedingungen arbeilen, die denjenigen der bisher bekannten Monopolarzellen mit einer Stroniaufnahmc von etwa 1OkA äquivalent sind. Unter »Bedingungen« sind hierbei in erster Linie zu verstehen: Stromverluste. Stromausbeute, gleichmäßige Verteilung der Stromdichte über den gesamten /cllenquerschnilt. Vcrweilzcit des Elektrolyten innerhalb der Zelle. Slrömungsverhältnisse u. dgl.

Unabhängig von ihrer Größe und der Stromaufnahme, für die sie ausgelegt ist. hat die erfindungsgemäßc Elektrolysezelle weiter den Vorteil, daß sie bei gleicher Leistung viel kompakter gebaut ist als die bekannten Monopolarzellen, daß sie korrosionsbeständiger ist. d;«ß die Reaktionsprodukte schnell aus dem Elcktrolyscnraum abgeführt werden kotinen 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 kurzgehalten werden können, und daß die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen leicht in jedes beliebige Elcktrolytverteilersystem 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 Mittelelektroden. die in der vorstehenden Beschreibung stets für anodisch geschaltete Elektroden erläutert wurde, kann ganz analog 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 werden.

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 Monopolarzellen, 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 werden; falls aber das Gehäuse aus Titan besteht, bewirkt die kathodische Wasserstoffentwicklung die Ausbildung einer TitanhydridschichL Dies wiederum hat zur Folge, daß sich wegen der Aufweitung

des I itangitters durch die Wasserslolfaufnahme sprotlc Schichten auf der Oberfläche bilden, die unter Betriebsbedingungen, vor allem bei wechselnden Temperaturen, vnn der Metallunlcrlagc abspringen. Das Titangehäuse versprödct und wird im ungünstigsten lalle durch Mißbildung an den Ecken und Kanten perforiert; sogar Kur/schliisse können durch abgeblätterte Titanhyuridteile in ilen schmalen Eleklrodcnspalicn auftreten.

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

H e i s ρ i e I I

Eine /eile mit 20 k/\ .Stromaufnahme für die C hloratelcklrolysc wird entsprechend der vorstehenden \l,..ll_:,,,_eK.j.^.[,r_L..|,_:,.,., .1..1.Jr Vnriuniiilnn

aus drei Gewindehülsen, auf denen die einzelnen Anodenplatten mit den beschriebenen spannbaren Gewinderingen befestigt sind, aufgebauten Anodenpaket zusammengebaut. Der Abstand der einzelnen Elektrodenplatien untereinander beträgt 3.0 mm. Der Widerstand der Stromzuführung am Anodenpaket wird zu 20 bis 60 μ£2 experimentell ermittelt. Der Encrgicverlust an der Stromzuführung zum Anodenpaket beträgt somit 60 bis 180 Watt, entsprechend 0.1 bis 0,3% der Zellcnleislung, und ist als sehr niedrig zu bezeichnen. Die Spannung beträgt unter Elektrolysebcdingungen bei 80"C 3.1 Volt bei einer Stromdichte von 3 kA/m² Anodenfläche. Die .Stromausbeute liegt zwischen 93 und 95%.

Beispiel 2

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

10

Beispiel 3

l-'iir eine Elektrolysezelle, die zur Herstellung von l'ersulfalen und Perphosphaten geeignet ist. wird ein

'> Anodenpaket unter Verwendung von 11 Ein/.elanodenplatten. wovon 2 einseitig beschichtet sind, und 3 Gewindehülsen montiert. Die Einzelanodenplalten bestehen aus 5 mm starkem Titan und haben eine Cirolle von 500 χ 400 mm; sie sind beidseitig (Inncnplatten)

ίο bzw. einseitig (Außenplatten) mit 50 μηι starker Reinplatin-Folie cxplosionsplatliert. (Ks können auch Anodenplatten mit geeigneten galvanischen Beschichlungen von Reinplatin verwendet werden. Nicht geeignet sind dagegen Beschichtungen, wie sie für die C'hloratelektrolyse verwendet werden, da diese keine Aktivsauerstoff-Verbindungen zu bilden im Stande sind.) Das Anodcnpakel wird in einem Gehäuse aus Titan so befestigt, dal! letzteres mit der positiven

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 kA 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 KjSO₄.2 Mol/l I I.SO4) beträgt die Spannung 5.1 Volt.
Die Zelle ist ebenso zur Herstellung von Ammoniumpersullat und Nalriumpersulfat sowie von Perphosphalen geeignet. K4IM)« erhält man beispielsweise durch Elektrolyse einer alkalischen Kaliumphosphatlösung (ca. 3 Mol/l) bei 3 kA, m² 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 Elcktrodenpakete der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle können sinngemäß auch mit Diaphragmen verschen und in der Chlor-Alkali-Elektrolyse eingesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. 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 je ein Mittelelektrodenpaket (9; 47, 48, 49, 50) einer Polarität mit mittiger Stromzufuhr zwischen jeweils zwei Elektrodenpaketen (7, 8; 51—53) der anderen Polarität angeordnet ist.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelelektrodenpaket eine Vielzahl mittig angeschlossener Elektrodenplaiten (12) mit symmetrisch angeordneten kreisförmigen Aussparungen (Ü5) aufweist, welche mittels wenigstens zweier stromzuführender Hülsen (16; 35), die die Aussparungen (15) durchdringen, 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.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinderinge (30) geschlitzt sind und mittels einer Spannschraube (33) mit ihrem Innengewinde (34) aui 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 Strornzuführungen 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 das Mitlelelektrodenpaket (9; 47—50) anodisch geschaltet ist.

9. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellengehäuse (1; 41) mit der (den) Anode(n) in elektrischer Verbindung steht

10. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bij 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zellengehäuse (1; 41) mit je einem pyramidenstumpfförmigen Deckel (3;43) und Boden (2; 42) ausgebildet ist.

11. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elektrodenplattcn (12,13; 12,57) senkrecht stehen.