DE2645121C3

DE2645121C3 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2645121C3
Application number: DE2645121A
Authority: DE
Inventors: Hanns Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Froehler; Erwin Dipl.-Chem. Dr. 8131 Berg Rossberger
Original assignee: Dipl-Ing Hanns Froehler Kg 8023 Pullach
Current assignee: Froehler Hanns Dipl-Ing 8021 Icking De
Priority date: 1976-10-06
Filing date: 1976-10-06
Publication date: 1979-10-11
Also published as: SE7710530L; FI772923A; DE2645121A1; SE437166B; CA1090736A; US4134805A; DE2645121B2; FI61525B; FI61525C; BR7706500A

Description

Die Erfindung betriff! eine Elektrolysezelle mit einem (ichiiusc nut einem Einlaß und einem Auslaß für den durchströmenden 1 Jekirulvten. in w elehem Monopnlar elektroden 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 monopoiarer 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 Monopolarzellen-Anlage geringeren Raumbedarf erfordert und der Aufbau einer solchen Anlage infolge des Wegfalls von

>o häufig komplizierten und aufwendigen Zellverbindern einfacher isi. Die Bipoiai/ciie hai 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.

!5 Aus der DE-AS 21 09 949 ist eine Elektrolyseeinrichtung mit hintereinandergeschalteten, vom Elektrolyten vertikal durchströmten Zellen bekannt, in denen lameliierte Bipolarelektroden angeordnet sind. Die Bipolarelektroden bestehen hicicci aus mchrschichtigen Verbundplatten, auf denen beidseitig mehrere senkrecht abstehende, fahnen- oder stegartige Elektrodenbleche oder -platten befestigt sind, und zwar auf der einen Seite Elektrodenplattcn 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 mäandcrförmig-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 Stromrichlung oder senkrecht zur Stromrichtung, parallel durchströmt werden.

Die bekannten Zellen besitzen zur Stromaufnahme an der Außenseite des Zellengehäuses oder an der

b(> Außenseite der EJektroden-TragerphiUcn, falls diese gleichzeitig eine Wand des Zellengehäuscs bilden, für ledc Polarität Verbindungsflächen oder Vcrbindtingslaschen, die mil der Stromzuführung aus Kupfer oder Aluminium verschraubt oder auf andere Weise fest

hi verbunden werden.

Bei den aus den beiden genannten Druckschriften bekannten Elektrolysezellen bildet die Trägerplatte für die· einzelnen Kathodenblechc oder -platten einen Teil

des irogförmigcn 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 Nüssigkeitsdicht befestigt wird.

Bei den bekannten Elektrolysezellen monopolarer Bauart wiru 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 Il Einzel-Kathoden gebildeten 12 Kathodenspalträume hineinragen und so einen Elektrolytenzwischenraum von jeweils 4 mm Breite bilden, enthalt, 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 Ze¹Ie wirtschaftlich arbeiten soll. Andererseits ist wegen der relativ schlechten Leitfähigkeit des für die Anoden meist eingesetzten Titans die horizontale Ausdehnung der Einzelanodenplatten von ihrer Blcchstärke (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 Biechstärke der Einzelanodenplatte müßte mit dem Quadrat der Stromaufnahme vergrößert werden. Aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen sind deshalb die bekannten Zellen mit gegenüberliegenden, Elektroden tragendeti Scitenwänden nur für eine begrenzte Stromaufnahme von etwa 10 kA geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Elektrolysezelle 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 je ein Mittelelcktrodenpaket einer Polarität (»Mittelelektrode«) mit mittiger Stromzufuhr /wischen jeweils zwei Elcktrodenpaketen der anderen Polarität angeordnet ist.

Dadurch wird erreicht, daß erstmals /.ell'in für eine Stromaufnahme von 100 kA. und mehr hergestellt werden können, ohne daß die Einzelanodenplattcn deshalb eine größere Ausdehnung in allen drei Richtungen des Raumes als die für fine Stromabnahme von etwa 0,5 kA erlorderliche besitzen müssen, ι line daß also Ausbeute- und Energievcrluste im Vergleich /u der mit den bekannten Zellen, deren Stromaulnahme auf maximal 1OkA limitiert war, bisher erreichbaren Ausbeute- und Energiebilanz auftreten. Ohne dal) also die als optimal erkannte Größe für die Einzelanodunplatle 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 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

2Ί Innere der Zelle zu führen un.. von dort auf beide einander gegenüberliegende Gegenc.ektroden /u verteilen.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle eignet sich insbesondere für Eleklrolyseanlagen zur Herstellung von Alkalichloraten aus Alkalichloridlösungen, von Alkalipersulfaten aus sauren Alkalisulfatlösungen und von Alkaliperphosphaten aus Alkaliphosphutlösungen.

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

In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine Ausführungsform c-.-r erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, teils in Seitenansicht, teils im Schnitt

S5 nach der Linie l-l in F ι g. 3.

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Elektrolysezelle nach F i g. 1.

F i g. 3 ein Schnitt nach der Linie H-Il in F i g. I.
Fi g. 4 eine Draufsicht auf eine Elektrodenplatte.

F i g. 5 ein Schnitt durch ein an der Zellenwand oefestigtes 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 Ausfühiungsbeispiel eines an der Zellenwand befestigten Elektrodenpakets.

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

F i g. 9 ein Schnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 8.
Die Elektrolysezelle (Fig. 1) besteht aus einem Z.ikngehäuse I aus Titan mit einem sich pyramidenstumpfförmig verjüngenden Boden 2 und einem sich pyramidenstumpr'förmig verjüngenden Deckel 3. Der Boden 2 endet nach unten in einem Einlaufstutzen 4. der Deckel 3 endet nach 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 /um Anflanschen von Zu- und Ableitungen für den Elektrolyten bzw. die Elektrolyseprodukte. Innerhalb des Zellengehäuscs 1 sind drei Elektrodenpakete 7, 8, 9 angeordnet, wovon zwei derselben Polarität angehören.

ί·3 Die beiden äußeren Elektrodenpakete 7, 8 (F ι g. 2 und 3) sind mit Hilfe von Strom/uleitungen 10, 11 aus Kupfer mit dem negativen Pol einer Spannungsquclle verbunden und somit als Kathoden geschaltet, während das

/wischen den beulen Kathoden 7, K ,iii^nuilmk¹ Millclclcktrotlciipakcl 4 über (im In gc/eichiieic) kiiplersli oin/ulciluilgen mil dein positiven ΙΌΙ ilei Spannimgsquellc verbunden und (Ι,ιιηιΙ .ils Anode geschähet ist.

I).is Mittelelektrodcnpakel 4 slelll ein kompaktes Anodcnp.ikel dar, das aus einer Vielzahl einzelner Anotlfnpliil ten 12 zusammengesetzt ist. Auch die KnI hodenpakc-te 7, 8 Sinti ;ius mehreren einzelnen kalhodenplatlen H ;iiil'geh;itit. Die kathodcnplatteii Ii sind senkrecht auf einer Seite |e einer trägerplatte 14 .i(|iiulist,int und untereinander parallel befestigt. Die I ragerplallen 14 stellen gleichzeitig die Seiienwande des Zellcngehäiiscs 1 il;ir. Sie sind mil den übrigen I eilen des Zellengchäiises I fliissigkeitsdichl. ;iber elektrisch isoliert verbunilen. /.Ii. mit HiIIe von

Außenseiten tier Trägerplallen 14 sind die Stromzulei Hingen 10, Il befestigt. Alle übrigen teile des /cllengchauses I stehen mn der Anode 9 in elektrischer Verbindung.

Die einzelnen Anodenplatten 12 sind rechteckig und besitzen zwei in der Mittelachse symmetrisch angeordnete kreisförmige Aussparungen 15 (I ig. 4). Die Anodenplatten 12 sind an zwei die Aussparungen 15 durchdringenden Hülsen lh aqmdistant, untereinander parallel und senkrecht /u ilen Längsachsen der Hülsen 16 befestigt. Die kathodenplallen I i sind rechteckig und besitzen an ihrer freien l.angskante zwei halbkreisförmige Aussparungen, die so angeordnet sind, daß the Hülsen lfi von den an ilen beulen gegenüberliegenden I rägerplallen 14 befestigten kathodcnplalten I i bis auf einen sehmalen Ringspalt umschlossen w eitlen.

Wahrend samtliche kathotlenteile aus Stahl bestehen, bestellen sämtliche Anotlenleile aus Titan. Die Anotlenplatten 12 sind ein- bzw beidseitig mit einer üblichen Aktiv lerungsschicht beschichtet.

Die Hülsen 16 (F i g. ^ri) besitzen ein Außengew ι η tie 17 und ein Innengewinde 18. in das cm Hoden 19 eingeschraubt und eingeschweißt ist. Auf der offenen Seile trügt tlie Hülse 16 einen Ringflanseh 20. mit dem die Hülse 16 nach Zwischenlegen einer Dichtung 21 fest an die Innenseite 22 der Wand 23 des Ciehätises I angepreßt wird. Die Befestigung der Hülse 16 an der Gelläusewand 23 erfolgt mn 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 linde die mit dei ι positiven Pol einer Spannungsquelle verbundene Stromzuführung 28 mittels /wcier Kupfernuniern 29 aufgeschraubt ist. Die Gewindehülsen 16 dienen somit mehl nur als Träger sondern auch als Strom/uführungen lür das Anodenpaket.

Die Hülse 16 kann nach weiteren, in der Zeichnung mehl dargestellten Ausführungsformen der Erfindung an ihrem offenen F'ntle auch mit einem Ringflanseh ohne Gewindebohrungen für Befestigungsschrauben versehen sein: in diesem ["alle kann die Befestigung an der Außenwand des Zellengehäuses direkt mit einem in das Innengewinde der Hülse eingeschraubten Gewindestab aus kupfer und einer an der Zellenaußenscite aufgeschraubten Gegenmutter vorgenommen werden. Die Hülse 16 kann auch massiv aus kupfer hergestellt und mit Titan durch flammspritzen beschichtet sein, wobei eier zur Befestigung an der Außenwand des Zellengehauses vorgesehene Gevvindcstab in eine in die kupferseele der Hülse eingebrachte Gewindebohrung. die sich nur über einen kleinen Teil der l.anse der Hülse zu ei .Ία ken lit .im hl. cuigesi hi.iiibl und.

/in Montage des Anodenpaketes 4 werden ζιιιι,κ hsi die lliilven 16 aiii einei (in der Zeichnung nicht dargestellten) Montageplatte so belesligi. dall tlci Rmgll.insch 20 aiii tier Montageplatte ruht. Dann wird eine einseitig best hu htete Anotlenplatle 12 mn Hilfe tier Aussparungen 15 von oben auf die senkrcihi stehenden Hülsen aufgeschoben, und zwar so. ti,ill die nicht beschichtete Seite die freie I lache des Ringllan sches 20 berührt. Die nur lose aufgeschobene Anoden platte 12 wird dünn an jeder Hülse 16 mn HiHe eines ( lew milermgcs i() festgeschraubt. Danach wird eine beidseitig beschichtete Anodenplatte 12 auf die Hülsen 16 aufgeschoben und mit einem weiteren Gewindering 50 festgeschraubt. Dies wird so lange w ietlerholl. bis the gewünschte Anzahl von Anodenplatlen mit den Hülsen

w ieder eine einseitig beschichtete l'lütle. diesmal letloch mit tier Beschichtung nach unten, aufgelegt und nut einem Gewindering 10 befestigt.

Da die einzelnen Anodenbleche 12 vorzugsweise fur eine Stromabnahme von 0.4 bis 0.5 kA pro beschichtete Seite ausgelegt sind, werden beispielsweise fur eine 2OkA Zelle zwei äußere einseitig beschichtete und l^y dazwischenliegende beidseitig beschichtete Anodenplatten benotigt. Die Titangewindeliulsen können analog bis zu etwa 30 Anodenplatten aufnehmen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform tier Frfin llung weisen die Gewinderinge 30 einen Schlitz 31. eine senkrecht dazu verlaufende Gcvindebohrung 32 und eine Spannschraube 13 auf (I" ig. b). nut tieren Hilfe sie auf das Außengewinde 17 der Hülsen 16 aufgepreßt werden können.

Dadurch wird erreicht, daß die kontaklw itlerstäntle fur den .Stromübergang von den den Strom zuführenden Hülsen auf die einzelnen Flektrodenplatten so gering wie nur möglich gehalten werden. Außerdem läßt sich durch Wahl der geeigneten Breite der Gewinderinge jeder gewünschte Abstand tier einzelnen Flektrodennlatten voneinander exakt einstellen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle der Kontaktpressung und dem Stroniübergang dienenden Flächen an tlen Hülsen 16, den Anodenplattcn 12 und den Gewinderingcn 30 mit einer gut leitenden Platinbeschichtung versehen. Zu diesem Zweck müssen alle diese Flächen plan sein.

Während die oben beschriebene Befestigung'.weise der Anodenplatten 12 auf den Hülsen 16 vor allem für Zellen mittlerer Stromabnahme von beispielsweise etwa 20 kA verwendet wird, wird für Zellen höherer .Stromaufnahme nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Krfindung vorzugsweise eine andere Befestigungsart verwendet (Fig. 7). Die Hülse 35 aus Titan besitz.!, wie die Hülse 16. ein Innengewinde 36. einen eingeschraubten und eingeschweißten Boden 37 und einen Ringflanseh 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 I bis 2 mm kleiner ist als der Durchmesser der Aussparungen 15 in den Anodenplattcn 12. Bei der Montage werden zwei solcher Hülsen 35 mit dem Ringflanseh 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 Ringflanseh 38 befestigt. Die jeweils folgenden beidseitig beschichteten

Anodenplatten 12 werden mit IJnterlcgschabloncn in Montagesielhing gehrai Iu und tnilicls eines 1,'CCIiMK¹ItMi 11 imi-ilUi-rl.ihiι-iis (/.Ι!. Argon I.K¹InIn'gen-Impuls μ hu eißiing) ,in ilen 1 mgfoi-inigen l-.rhehungen 54 sieilenw eise angcheltet.

).is Sein». CiIU eil, ilrvn muß mn cinei genügend stan·, cn i ncrgickon zentral ion \ e ■ Minden sein, damit die Schweißung in kürzester /.eit ausgelührt werden kann I )u' Sc h we iß zone da rl nicht breiIer al , i Mim sein, dann¹ Mt h die I lektrndcnplatien nicht \ erziehen.

I iir /eilen bis zu einer Stromabnahme um i'iua JOkA bencitigt man unabhängig um tier Art der Befestigung der Anodenplailcn an den stromzu.uhien ilen Hülsen nur ein Anodenp.ikel. das auf vorzugsw eise zu ei stromziifuhi enden Hülsen belesligt isl. Bei /eilen hoher Stromaiifnahme. beispielsweise \on H)OkA oder mehr. ·.·. erde:; mehrere solche: A υ·.".!·.· η ρ-'.k'-Me mii icueils mehr als zu. ei stromzufühienden Hülsen be not igl. Beispiel sw eise enthalt eine weitere heu uv ng Ic Ausfuhrungsform der ei fmdungsgemäßen Elcktroksezelle. the für eine Stn miauinahme von etwa H)OkA ausgelegt ist. 4 Anodenpakete für eine .Stromaufnahme um jeweils etwa 2^r> kA (I 1 g. 8 und 9). Bei dieser /eile befinden sich in dem trogiörniigen Zellengchäuse 41 mit dem sich kegelstumpffornng nach unten verengenden Boden 42 und dem sich ebenso nach oben verjüngenden Deckel 4} mit Emiauf- und Auslaufstutzen 44 bzw. 45 für den die /.eile 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 zu ei der insgesamt tlrei Kathodenpakete 51 bis 53 angeordnet sind. Die Kathodenpakete 51 bis 53 sind auf einem Tragrost 54 verankert, von diesem und damit vom /ellengehäuse 41 jedoch durch Isolatoren 55 elektrisch isoliert.

|edes der Anodenpakete 47 bis 50 ist aus 3 Hülsen 35 aufgebaut, auf die 27 einzelne Anodenplatten 12. davon 25 beidseitig und 2 einseitig beschi htete. 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 Eisenblechen 57.

Bei der Montage dieser Zelle wird zunächst das Mittelkathodenpaket 52 unter Zwischenlegen des Isolators 55 λιιϊ dem Tragrost 54 befesti"!. Dünn werden die 4 Anodenpakete 47 bis 50 an den Seitenwänden 59 des Zeüehgehäuses 4i umer Zu iseheniegen vuii O-Ringdichtungen (nicht gezeichnet) und Ringflanschen 60 befestigt, vorzugsweise so. daß sie im Bedarfsfall zu Reparatur- und Wartunüszweeken nach Abnehmen dos 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, 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 verschraubi. Die zwischengeiegte Dichtung 66 braucht nicht elektrisch zu isolieren, da der Deckel 43 und der Boden 42 des Gehäuses 41 anodisch

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Am Beispiel der vorstehend beschriebenen bc.oivuL' !cn Ausluhrmirstorm einer H)OkA I lektroksezelle werden die mn der Erlmdung erzielten Vorteile besonders deutlich. Durch das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip, wonach innerhalb einer Elektroksczelle ein Elektrotien|)aket einer Polarität zwischen H'wi'ils zuei I lektrotlenpakelen der anderen Polarität .iiigeordnet ist. wird erstmals ermöglich',, überhaupt I lektroKsezellen nut einer so hohen Stromabnahme wie etwa 100 kA oi'er mehr zu hauen, the trotz dieser hohen Stroinaulnahiiie unter Bedingungen arbeiten, die denjenigen der bisher bekannten Monopolaizcllcn mil einer Stromaulnahnie von etwa 1OkA äquivalent sind. I'tiler "Bedingungen" sind hierbei m erster Linie /\i verstehen: Stromverluste. Stromausbcute. gleichmäßige ViM-n.-iliiiiu Jit Siromdichtc über den i'esamten /ellenqucschnitt. Verweilzeit ties Elektrolyten inner halb tier /eile. .Stromungsverhältnisse u. dgl.

Unabhängig von ihrer Größe und tier Stiomaiifnahme. 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. tlaß die Reaktionsprodukte schnell aus uem Elektroksenraiim abgeführt werden können und tlaß 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 tier Betrieb der erfintlungsgemäßcn Zelle besontlers wirtschaftlich ist.

Weitere Vorteile bestehen darin, tlaß 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 Elektrolytverteilersvstcm eingeordnet werden können, beispielsweise so, dab tier Elektrolyt aus einem gemeinsamen Sammelbehälter in die einzelnen Zellen strömt, these parallel durchlault und wieder in einen gemeinsamen Sammelbehälter, der gleichzeitig als Gasabscheider eingerichtet sein kann, mündet.

Die besonders vorteilhafte Paketbauwcise 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 ims UO) ue^e ι n icucncn !linsen limu c :n/.e mt-ii i.n-f\nv denplatten 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 Monopolarzeücn. bei denen das Gehäuse meist auf gleichem Potential mit den Kathoden liegt. Im letzteren Falle müssen nämlich, falls das Gehäuse aus Stahl od;r einer Eisenlegierung besteht, dessen nicht dem direkte η Stromfluß ausgesetzte Flächen, z. B. an den Zu- und Abflußöffnungen, durch Hilfsanode!! kathodisch geschützt werden: 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 ! M in mi Hers durch die Wasserstoll aiii nähme spröde Schichten mil' der Oberfläche bilden, die unter Betriebsbedingungen, vor allem bei wechselnden I emperaturen. von der Melallunlerlage abspringen. [),is Titaiijiehäusc versprodet und wird im ungünstig sten Rille durch Kil.ibildung iin den Ecken und Kiinten perlonert; sog;:^r Kurzschlüsse können durch abgeblätleite 1 ilanhydruheile in ilen schnullen Elektiodenspal ten aiillreleii.

Die ( haraklenstiken einiger Ausführungslornien der crlindungsgcniällen Elektrolysezelle sind in den lolgenden Beispielen beschrieben:

Beispiel 1

line Zelle nut 20 kA Stromaufnahme für the C hloratclektrolyse w ird entsprechend der vorstehenden Montagebeschreibung unter Verwendung von einem .ins drei (lew indehülsen. auf denen die einzelnen Anodenplatteü mit den beschriebenen spannbaren (iewinderingen befestigt sind, aufgebauten Anodenpakel zusammengebaut. Der Abstand der einzelnen Elektrodenplatten untereinander beträgt 3,0 mm. Der Widerstand der Stromzuführung am Anodenpaket wird zu 20 bis 60 μίϊ experimentell ermittelt. Der Energieverlust an der Stromzuführung zum Anodenpaket beträgt somit 60 bis 180 Watt, entsprechend 0,1 bis 0.3% der Zellcnleistiing, und ist als sehr niedrig zu bezeichnen. Die Spannung beträgt unter Elektrolysebedingungen bei 80 C 3.1 Volt bei einer Stromdichte von 3 kA/m-' Anodenfläche. Die Stromausbeute liegt zwischen 93 und

Beispiel 2

Kinc Chloratelektrolyse/clle von 25 kA .Stromaufnahme wird unter Verwendung eines aus 25 doppelseitig beschichteten und 2 einseitig beschichteten Anodenplatten und 3 Gewindehiilsen bestehenden Anodenpakets zusammengebaut. Bei 3 kA/m-' Stromdichte hat die /eile eine Spannung von 3 1 Volt.

Beispiel !

I ür eine Elektrolysezelle, die zur Herstellung von Persulfate!! und Perphosphalen geeignet ist, wird ein Anodenpaket unter Verwendung von 11 l.inzelanoden platten, wovon 2 einseitig beschichtet sind, und i (icwindehülscn montiert. Die I in/elanodenplatten bestehen aus 5 nun starken! I itan und haben eine (ί rolle von 500 χ 400mm: sie sind beidseitig (Innenplalten) bzw. einseitig (Aullcuplatten) mit 50 um starker Kcmplatinl olle explosionsplattiert. (Is können aiiih Anodenplanen mit geeigneten galvanischen Beschichliingen von Reinplalin verwendet werden. Nicht geeignet sind dagegen Heschu lüunge:!. wie sie tür die Chlor,Heleklidlvse verv.· iiilei werden, da diese keine Aktivsauerstoff-Verbindungen /u bilden im Stande sind.) Das Anodenpaket wird in einem Gehäuse aus Titan so befestigt, dall letzteres mit der positiven Polarität in elektrischem Kontakt steht, wodurch es vollständig gegen elektronische Korrosion geschützt ist. Die Kathoden bestehen aus Kdelsiahl geeigneter Zusammensetzung (es können auch Kathoden aus Kein Titan verwendet werden). Die Stromaufnahme der /eile beträgt 20 kA bei einer anodischen Stromdichte von b k.A/m-'. Der Abstand der einzelnen Klektroden platten voneinander beträgt 5 nun. Unter den Bedingtingen zur Herstellung von Kaliiimpersulfat (1.3 Mol/l KjSC)₄. 2 Mol/l H .SO₄) beträgt die Spannung 5.1 Volt.

Die Zelle ist ebenso zur Herstellung von Ammoniumpersulfat und Natriumpersulfat sowie von Perphosphaten geeignet. K₄PjOh erhält man beispielsweise durch F.lektrolve einer alkalischen Kaliumphosphatlösung (ca. J 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-Alkaii-F.lektrolyse eingesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnunecn

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolysezelle mit einem Gehäuse mit einem Einl.iQ 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelelektrodenpaket eine Vielzahl mittig angeschlossener Elektrodenplatten (12) mil ,ymmetrisch angeordneten kreisförmigen rxüssparurigcn \i~*j üuiwcist, wciCiiC miticis 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) geschützt sind und mittels einer Spannschraube (33) mit ihrem Innengewinde (34) auf das Außengewinde

(17) der Hülsen (16) fest ^;_-tifpreßbar 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 Elcktrodenplatten (12) verschweißt sind.

6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsen (16; 35) mit Kupferstäben als Stromzuführungen 'est verbunden sind.

7. Elektrolysezelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Stromzuführungen verwendeten Kupferstäbc mit den Hülsen (16; 35) verschraubt sind. .

8. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelclcktrodenpaket (9; 47 — 50) anodisch geschalte! 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 I bis 9. dadurch gekcnn/ek hnet, daß das Zcllengehäuse (1; 41) mit je einem pyramidcnslumpfförmigcn Deekcl(3;43)und Boden (2; 42) ausgebildet ist.

11. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ςΐϋdurch gekennzeichnet, daß die einzelnen |-:iektrodenplalten(l2, 13; 12, 57) senkrecht stehen.