DE2653849C2 - Bipolare Elektrolysezelle und Elektrolyseverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrolysezelle, bestehend aus mehreren Zelleneinheiten, einem Anodenabteil und einem Kathodenabteil in jeder Zellencinheit, wobei die Anoden- und Kathodenabteile von den Anoden- und Kathodenabteilen der angrenzenden Zelleneinheiten durch eine Trennwand aus einem Eisenmetall auf der Kathodenseite und einer öffnungsfreien

65 Ventilmetall-Trennwand auf der Anodenseite getrennt sind, wobei die Rahmen um jede Zelleneinheil im wesentlichen rechteckig sind und die Anoden und Kathoden sich im wesentlichen vom Ober- bis zum Unterteil und vor einer bis zur anderen Seite der Rahmen erstrekken, mehreren Ventilmetallanoden in Hohlfingerform in jedem Anodenabteil, mehreren Metallkathoden in Hohlfingerform in den Kathodenabteilen, elektrischen Kathodenverbindungen, die durch die Eisenmetallwände zwischen der Basis der Kathodenfinger und den elektrischen Anodenverbindungen hindurchreichen, wobei die elektrischen Verbindungen die Kathoden vom Eisenmetall der Trennwände in Abstand halten, wobei sich die Anoden und Kathoden im wesentlichen vom obere» bis zum unteren Teil und von einer Seite zur anderen Seite der Abteile vertikal erstrecken, die Anoden und Kathoden zueinander seitlich verschoben und ineinandergepaßt sind, um zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen einen im wesentlichen gleichmäßigen Abstand zu bilden, einer Auskleidung auf den Seitenwänden der Anodenabteile, die gegenüber dem Elektrolyten und den Elektrolysebedingungen widerstandsfähig ist, einer Einspeisevorrichtung für einen Elektrolyten in die Zelle, einer Elektrolysestrom-Durchleitungsvorrichtung durch den Elektrolyten zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen, einer Ableitungsvorrichtung für Anodengase und Kathodengase aus der Zelle und einer Ableitungsvorrichtung für eine Katholytflüssigkeit aus den Kathodenabteilen der Zelle.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, das zu einer Zirkulation vom Vorder- zum Rückteil des Anodenabteils und von der Mitte zu den Seiten des Anodenabteils führt

Die Erfindung betrifft somit Elektrolysezellen und Elektrolyseverfahren, die beispielsweise für die Elektrolyse von Alkalimetallhalogenide^ wie Lithium-, Natrium- und Kaliumchloriden, -bromiden und jodiden und — allgemeiner ausgedrückt — für die Elektrolyse von Halogeniden und für die Elektrolyse anderer Salze, die unter Elektrolysebedingungen elektrolytisch zersetzt werden, für die Herstellung von Chloraten oder Perchloraten, für die Elektrolyse von Chlorwasserstoffsäure zur Herstellung von Wasserstoff und Chlor, für die Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff, für die Elektrolyse von Natrium- und Kaliumsulfat, zur Herstellung von Ätznatron oder Ätzkali und Schwefelsäure, für die Elektroosmose und Elektrodialyse, für organische Oxidations- und Reduktionsreaktionen und für andere Verfahren, die durch Elektrolysereaktionen durchgeführt werden können, eingesetzt werden.

Die Zelle und das Verfahren werden unter Bezugnahme auf die Elektrolyse von Natriumchlorid zur Herstellung von Chlor und Ätznatron beschrieben, jedoch dient dies lediglich zur Erläuterung der Erfindung. Die erfindungsgemäße Elektrolysevorrichtung wird im übrigen anhand einer bipolaren Zelle aus mehreren Einheiten beschrieben, jedoch liegt es auf der Hand, daß sie auch in Form einzelner Einheiten entweder getrennt oder

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betrieben werden können.

Aus der DE-OS 22 04 446 ist eine Elektrolysezelle bekannt, <Jie jedoch durch die geradlinige Anordnung von Elektroden nur eine geringe Elektrodenoberfläche und damit einen geringen Wirkungsgrad bildet.

Aus der DE-OS 20 30 610 ist eine Elektrolysezelle bekannt, bei der die Anoden und Kathoden fingerförmig ineinander greifen und somit eine optimale Aufteilung

der Elektrodenflächen schaffen. Bei dieser bekannten Anordnung ist jedoch der Wirkungsgrad auch relativ gering, weil der Elektrolyt nur im Elektrodenspalt zirkulieren kann und somit eine, über die Elektrodenfläche gesehen, ungenügende Homogenität des Elektrolyten auftritt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bipolare Elektrolysezelle zu schaffen, bei der der Elektrolyt durch den Elektrolyseprozeß selbst zur Zirkulation angeregt wird, so daß im Elektrodenspalt eine kontinuierliche Zufuhr des frischen und eine kontinuierliche Abfuhr des verbrauchten Elektrolyten stattfindet.

Diese Aufgabe wird bei einer Elektrolysezelle nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß in den Zelleneinheiten Ventilmetall-Trägerschienen an der Basis der Anodenfinger vorgesehen sind, die eine Wand zwischen der Basis der Anodenfinger und der öffnungsfreien Trennwand mit Ventilmetallauskleidung bilden und elektrische Anodenverbindungen, welche die Trägerschienenwand von der öffnungsfreien Trennwand mit Ventilmetallauskleidung in Abstand halten und dadurch einen Raum für die nach unten gerichtete Zirkulation des Elektrolyten bilden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen.

Bei der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle können die Anoden- und Kathodenreaktionen mit einem besseren Wirkungsgrad als bei den Elektrolysezellen nach dem Stand der Technik durchgeführt werden, sie sind leichter und kostensparender konstruiert und können leichter in Betrieb gehalten werden, da zwischen den Demontagen zum Auswechseln des Diaphragmas und anderen Reparaturen eine längere Betriebsdauer als bisher möglich ist.

Bei den erfindungsgemäßen Elektrolysezellen ergibt sich eine erhöhte Elektrolytrezirkulation, als dies bei Elektrolysezellen nach dem Stand der Technik der Fall ist Die Elektrolytzirkulation findet in sämtlichen Zellen statt, so daß eine gleichmäßigere Elektrolytzusammensetzung als bisher erzielt wird. Dem Elektrolyten kann Diaphragmamaterial zugesetzt werden, das dann durch die Elektrolysezelle zirkuliert wird, um je nach Bedarf zusätzliches Diaphragmamaterial auf dem Diaphragma abzuscheiden.

Den Anodengasen steht ein größerer Raum zur Verfügung, als dies bisher möglich war, so daß diese Gase unter minimaler Behinderung aus dem Elektrolysespalt und aus der Zelle entweichen können, wodurch eine erhöhte Zirkulation des Elektrolyten in der Zelle erreicht wird.

Die Zeichnungen erläutern eine Ausführungsform der Erfindung. In den Zeichnungen bedeuten:

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer bipolaren Zelle im wesentlichen entlang der Linie 1-1 gemäß F ig. 3;

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht mit weggebrochenen Teilen und weggelassenen Partien der in F i g. 1 erläuterten Zelle; F i g. 3 eine Draufsicht auf die in den F i g. 1 und 2 erläuterte bipolare Zelle, wobei Teile der Zelle weggelassen sind;

F i g. 4 eine vergrößerte, geschnittene Aufsicht auf einen Teil der bipolaren Zelleneinheit am Anodenende der Zelle, die eine Zwischentrennwand zeigt;

F i g. 5 eine Aufsicht auf einen Querschnitt durch einen Teil einer bipolaren Zelleneinheit am Kathodenende der Zelle, die eine Zwischentrennwand zeigt;

Fig.5a eine perspektivische Teilansicht von zwei Zelleneinheiten, wobei Teile weggebrochen sind;

F i g. 6 eine teilweise geschnittene Ansicht der in jeder Zelleneinheit verwendeten Zuführungseinrichtung;
Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Solespiegel- Ausgleichsvorrichtung und des Solespiegelanzeigers;

Fig.8 (Blatt 3) eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kathodenendrahmens;
F i g. 9 eine Seitenansicht eines Kathodenfingers;

Fig. 10 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Kathodenfingerendes, im wesentlichen entlang der Linie 10-10 gemäß F ig. 9;

F i g. 11 eine Aufsicht auf einen Querschnitt durch einen Kathodenfinger, im wesentlichen entlang der Linie 11-11 gemäß F ig. 9;

F i g. 12 eine Vorderansicht eines Kathodenfingers;

F i g. 13 eine Aufsicht auf eine Anodenanordnung und

Fig. 13a einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 13; Fig. 14, 14a und 15 Einzelheiten der Anodenwandkonstruktion;

F i g. 16 vertikal befestigte Stabanoden;

F i g. 17 eine Aufsicht auf einen Querschnitt durch das Anodenende einer modifizierten Zellenkonstruktion; und

F i g. 18 eine Aufsicht auf einen Querschnitt durch das Kathodenende der modifizierten Zelle gemäß F i g. 17.

Die erfindungsgemäße bipolare Zelle umfaßt mehrere rechteckige Zelleneinheiten Ia-Ii)-Ic-IZi-IMy-IA usw. (Fig.2). Die Anzahl an Zelleneinheiten kann je nach der gewünschten Kapazität variieren. Die erläuterte Ausführungsform besteht aus zehn bipolaren Zelleneinheiten, einem Anodenendelement und einem Kathodenendelement, also elf einzelnen Zeileneinheitcn in bipolarer Verbindung. Die Anzahl derartiger Einheiten kann größer oder kleiner als erläutert sein. Jede Zelleneinheit weist einen Solebehälter 10a, iOb, 10c, 10c/. 10c, 1Oi 10/ lOJt auf, die vorzugsweise auf deren Oberteil (Fig.3) befestigt sind, obgleich die Solebehäller obcrhalb der Zelleneinheiten aufgehängt und hiermit verbunden sein können. Jede Zelleneinheit kann als einzelne unipolare Zelle gebraucht werden und man kann Stromverbindungen zwischen einer oder mehreren getrennten unipolaren Zelleneinheiten vorsehen. Jede ZeI-leneinheit ist in einem rechteckigen Metallrahmen 2 eingebaut, der mit Endflanschen 2a (F i g. 4,5 und 5a) versehen ist, die an gleiche Endflansche der benachbarten Zellenrahmen 2 angrenzen. Zwischen den Flanschen jeder mittleren Rahmeneinheit sind isolierende Dichtungen montierten Zelleneinheiten in fluid-dichtcr Verbindung halten. Der Rahmen 2 des Anodenendelemcnts 1 k ist an der Anodenendplatte 3a angeschweißt oder mit dieser auf andere Weise verbunden, wie dies in Position 2c in der F i g. 4 dargestellt ist Die an das Kathodencndelement anliegenden Flansche 2a des rechteckigen Rahmens 2 grenzen gegen einen mit einem Flansch versehenen Kathodenendrahmen 2d an, wobei sich eine isolierende Dichtung 2b zwischen jedem Flanschansatz 2a befindet, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist Der mit einem Flansch versehene Kathodenendrahmen 2c/ ist an der Kathodenendplatte 3c angeschweißt oder auf andere Weise befestigt

Die Anordnung der Zelleneinheiten wird durch mehrere lange Schrauben 4 zusammengehalten, die mit Kunststoffhülsen 4c überzogen und von den Endplatten 3a und 3c in geeigneter Weise isoliert sind. Das Kathodenende einer jeden langen Schraube 4 ist mit Federringen 4a und abnehmbaren Muttern 4b versehen, wie

in den Fig.4 und 5 dargestellt. Die langen Schrauben sind von den rechteckigen Rahmen 2 und den Flanschen 2<7 in Abstand gehalten.

Die Zwischeneinheiten der erläuterten bipolaren Zelle sind im wesentlichen alle gleich. Das Anodenendelemcnt und das Kathodenendelement jeder Zellenanordnung unterscheiden sich von den dazwischenliegenden Einheiten in der zur Befestigung der positiven elektrischen Verbindungen am Anodenende und der negativen Verbindungen am Kathodenende der Zellenanordnung erforderlichen Konstruktion, sowie in anderen, an den Endeinheiten erforderlichen Einzelheiten, wie dies insbesondere in den F i g. 4 und 5 erläutert ist.

In jedem rechteckigen Rahmen 2 sind mehrere Anoden 5 und Kathoden 6 untergebracht. Die Anoden 5 und Kathoden 6 liegen vorzugsweise in Form ineinandergesetzter hohler Finger oder Wellen vor, wie dies in den F i g. 4 und 5 (ebenso F i g. 13, 17 und 18), erläutert ist; sie können aber auch in Form flacher Platten'vorliegcn oder eine andere Gestalt aufweisen. Die Hohlwellenform führt zu einer größeren Anoden- und 'Kathodenoberfläche in den Rahmen 2 als irgendeine andere Form. Die Anoden 5 können aus einem Metall gebildet sein, das Anodenbedingungen widersteht, wie Titan, Tantal, Zirkonium, Niob oder einem anderen Ventilmetall oder filmbildenden Metall, oder aus Legierungen dieser Metalle. Dort wo die Wände eines jeden A'nodenabieils dem Anolyten und Anodenbedingungen ausgesetzt werden, sind sie mit einer korrosionsfesten Auskleidung 5a, wie Titan oder Tantal oder Legierungen davon, oder einem geeigneten Polyester oder einem anderen Harzmaterial ausgekleidet. Das Titan, Tantal oder ein anderes Ventilmaterial der Anoden 5 kann in massiver oder netzartiger Form, in Stab- oder Maschenform oder in einer anderen geöffneten Form vorliegen. Die Anoden sind entweder auf der Innen- oder Außenseite oder auf beiden Seiten der Hohlfinger 5 mit einem elektrisch leitenden, elektrokatalytischen Überzug versehen, beispielsweise einem Überzug, der ein Metall oder Metalloxid der Platingruppe, gewünschtenfalls zusammen mit Titan und/oder anderen Metallen oder -oxiden enthält, wie dies beispielsweise in den US-PSen 36 32 498 und 37 11 385 beschrieben ist

Die Kathodenfinger 6 sind vorzugsweise aus einem Metallsieb 6a (F i g. 5 und 11) gebildet und stehen über ein Metallstützsieb 6b hervor. Die Kathodenwellen oder -finger sind auf der Oberseite und dem Boden mit einem Metallsiebmaterial verschlossen. Man kann auf die Siebe 6a und 6b ein geeignetes Diaphragma aus Asbest oder einem ionen-permeablen Diaphragmamaterial aufbringen, um das Anodenabteil jeder Zelleneinheit vom Kathodenabteil abzutrennen. Geeignete Verstärkungen 6c können im Inneren der Siebkathodenfinger vorgesehen sein, um zu verhindern, daß sie zusammenbrechen, falls das Diaphragmamaterial durch Vakuum auf den Siebfingern abgeschieden wird. Das Diaphragmamaterial bedeckt die Seitenwände, sowie das Ober- und Unterteil der Kathodenfinger 6 und das Stützsieb 6b. Die Diaphragmen 6c sind in den Fig. 11 und 12 nur teilweise und schematisch durch die gestrichelten Linien gezeigt, jedoch liegt es auf der Hand, daß die Finger 6 und die Stützsiebe 6b vollständig mit Diaphragmen überzogen sind. Die Stützsiebe 6b sind von der Kathodenendplatte 3c bzw. Trennwand 3/durch rückwärtige Stützsiebträger 6Λ in Abstand gehalten. Bei Chlorat-, Perchlorat- oder anderen Elektrolyseverfahren, bei denen Diaphragmen nicht erforderlich sind, werden die Diaphragmen weggelassen; für diese Verwendung werden vorzugsweise flache, massive Anodenplatten verwendet.

Beispielsweise zur Herstellung von Chlor trennen die Diaphragmen die Anolytabteile von den Katholytabteilen und halten die in jedem dieser Abteile gebildeten Gase voneinander getrennt, wie dies auf dem Gebiet der Diaphragmazellentechnik bekannt ist. Im Falle der Herstellung von Chlor und Ätzalkali aus einer Natriumchloridsole verhindern die Diaphragmen, daß sich das an der Anode freigesetzte Chlor mit dem an der Kahtode gebildeten Natriumhydroxid und Wasserstoff vermischt. Dieser Zellentyp arbeitet beim Einsatz zur Herstellung von Chlor/Ätznatron üblicherweise bei einer Stromdichte von ungefähr 2045 A/m² und einer Zellenspannung in den einzelnen Zelleneinheiten von ungefähr 3,40 bis 3,60 Volt. Die Anolytabteile werden vollständig mit Anolyt geflutet betrieben, mit Ausnahme von Anolytgasblasen, die sich unter der Zellenabdeckung bewegen können.

Die Anodenwellen oder -finger 5 und die einzelnen Kathodenfinger 6 werden getrennt hergestellt, montiert und an eine Anzahl von in Abstand gehaltenen Anodenträgerschienen Sb, bzw. an die Kathodenstützsiebe 6b, angeschweißt. Die Anodenträgerschienen Sb werden mittels einer Serie in Abstand gehaltener Montageansätze aus Titan 8 mit Titanansätzen Tb verbunden, die ihrerseits mit der Titanauskleidung 5a der Anodenabteile verbunden sind. Dies geschieht vorzugsweise durch Schweißen. Hierdurch wird die getrennte Herstellung und Montage der einzelnen Anoden und Kathoden, sowie die Ausrichtung der durch die Teile 7,7a, 7b, 6/usw. gebildeten, zusammengesetzten Verbindungsstäbe, die sich zwischen den Anoden und Kathoden erstrecken, ermöglicht, was zu einer besseren Leitung und zur Verminderung Ohm'scher Verluste in den Zellen führt.

Die Anodenendplatte 3a ist mit einer Anzahl von Reihen kreisförmiger Öffnungen 3d versehen. Vormontierte, zusammengesetzte Verbindungsstäbe, die aus einem Stahlzapfen 7, einem Kupferzapfen 7a und einem Titanansatz 7b bestehen und vorzugsweise durch Reibungsschweißen aneinandergeschweißt wurden, sind — wie in F i g. 4 dargestellt — in öffnungen 3d eingeschweißt. Die Titanauskleidung 5a des Anodenabteils ist — wie in Fig.4 dargestellt — an den Titanansätzen 7b angeschweißt und die Montageansätze 8 sind an den Titanansätzen 76 angeschweißt. Anodenträgerschienen Sb, die sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Anodenfinger erstrecken, sind mit Hilfe der Montageansätze 8 an den Titanansätzen 7f> befestigt und bilden eine Wand, die das Innere der Anodenabteile in einen vorderen Teil, der die Anodenfinger 5 enthält, und einen rückwärtigen Raum 5Jt hinter den Anodenfingern aufteilt Der Anolyt. der durch den Gashebeeffekt der Anodengase im vorderen Teil des Anodenabteils in den oberen Bereich der Anodenfinger 5 gefördert wurde, kann in den Räumen 5k in das untere Teil des Anodenabteils rezirkuliert werden. Zwischen den Montageansätzen 8 und den Anodenträgerschienen Sb ist ein schmaler Spalt 8a freigelassen, der gemeinsam mit den öffnungen zwischen den in Abständen angeordneten Montageansätzen 8 einen begrenzten Anolytfluß zwischen dem Vorder- und Rückteil der Anodenabteile erlaubt. Die Spalte 8a und die Räume zwischen den Montageansätzen 8 sind im Vergleich zu den massiven Bereichen der Anodenträgerschienen und den Montagean-Sätzen 8 relativ klein. Das Verhältnis von massiven Wänden Sb zu den öffnungen 8a beträgt ungefähr 6:1. Dieses Verhältnis ist jedoch nicht kritisch, und das Verhältnis zwischen der massiven Fläche und der offenen

Fläche der Trennwände kann etwas größer oder kleiner sein.

Die maschigen Titanfinger 5 sind an jeder Seite der Basis der Finger 5 an die Anodenträgerschienen 86 angeschweißt. In F i g. 4 sind nur zwei Anodenfinger 5, eine Anodenfingerendwand 56 und zwei Anodenmontageansätze 8 gezeigt, jedoch liegt es auf der Hand, daß sich die Serie aus Anodenfingern 5 von Seite zu Seite jeder Welleneinheit erstreckt, wobei sich an jedem Ende der Serie aus Anodenfingern 5 ein Endfinger 5b befindet, wie dies in den F i g. 4 und 13 dargestellt ist und daß sich entsprechende Kathodenfinger 6 zwischen jedem Anodenfinger 5 erstrecken, wie dies in größerem Maßstab in den F i g. 4 und 5 erläutert ist.

Die Anodenträgerschienen 8b schaffen eine Wand zwischen dem hohlen Innenraum der Anodenfinger 5, wodurch ein Teil des Elektrolyten, der durch die aufsteigenden Anodengasblasen (Chlor) im Elektrodenzwischenspalt 5c und im Inneren der hohlen Anodenfinger 5 nach oben getragen wird, in den Räumen 5k hinter der Wand aus Schienen 8b nach unten in die unteren Teile der Anodenabteile rezirkuliert wird, wodurch vom Vorder- zum Rücktei! jedes Anodenabteils eine Auf- und Abwärtszirkulation geschaffen wird. Die offenen Bereiche in der Wand erlauben in gewissem Umfang einen Elektrolytenausgleichsfluß zwischen dem rückwärtigen Raum 5k und dem Vorderteil des Anodenabteils, sie beeinträchtigen jedoch nicht die Auf- und Abwärtszirkulation des Anolyten. Die höhere Stromdichte, bei der diese Zellen betrieben werden, führt zu einem größeren Blasenvolumen im Vorderteil des Anodenabteils, was zu einem heftigen Aufwärtsfluß des in diesem Teil des Anodenabteils enthaltenen Elektrolyt führt und eine Abwärtsbewegung des Elektrolyten im rückwärtigen Raum 5A- bewirkt.

In jeder Zelleneinheit ist die Basis jedes Kathodenfingers 6 über einen konisch erweiterten Teil 6d, der auch an mehrere kurze Stahlstäbe 6e angeschweißt ist (vgl. Fig.9 bis 11), an einem Kathodenstützsieb 6b angeschweißt. Runde Stahlstäbe 6/sind, vorzugsweise durch Reibungsschweißen, an den kurzen Stahlstäben 6e angeschweißt. Ein Kupferzapfeinsatz la ist vorzugsweise am Ende jedes Stahlstabs 6/ reibungsverschweißt, und für die mittleren Zelleneinheiten ist ein Titanansatz 7b, vorzugsweise durch Reibungsschweißen, am Kupferzapfeinsatz Ta angeschweißt. Die runden Stahlstäbe 6/ sind in Löcher eingeschweißt, die in den Trennwänden 3/der mittleren Zelleneinheiten (F i g. 4 und 5) vorgesehen sind und die Titanauskleidung 5a auf der Anodenseite der mittleren Trennwand 3/ist an die Titanansätze Tb angeschweißt

Die Kathodenfinger 6 sind dann an den kurzen Stahlstäben 6e und am Stützsieb 6b angeschweißt und die Anodenfinger 5 sind mittels der Montageansätze 8, die von den Anodenträgerschienen 86 ausgehen, an den Titansätzen 76 angeschweißt oder in anderer Weise verbunden.

Die Titanauskleidungen 5a und die Titanansätze Tb führen zu einer vollständigen Abtrennung der Anodenabteilungen von der stählernen Anodenwand 3a und von den stählernen Wänden 3/ von jeder der dazwischenliegenden Trennwände zwischen den mittleren Zelleneinheiten. Die Auskleidung 5a und die Ansätze Tb schaffen eine durchgehende, öffnungsfreie Titanwand zwischen den Anodenabteilen und den Kathodenabteilen und hindern den Anolyten und die Anodengase daran, mit den stählernen Endwänden 3a und den dazwischenliegenden stählernen Wänden 3/ in Kontakt zu gelangen. Die an die runden Stahlstäbe 6/"angeschweißten mittleren Wände S/schaffen eine durchgehende, öffnungsfreie Stahlwand zwischen den Kahtodenabteilen und der Rückseite der Titanauskleidungen 5a und verhindern, daß Katholyt oder Katholytprodukle mit den Titanauskleidungen der Anodenabteile in Kontakt gelangen. Bei den Ausführungsformen der F i g. 1 bis 11 sind die Titanauskleidungen 5a nicht an den stählernen Wänden 3a oder 3f angeschweißt und der Strom fließt im wesentlichen zwischen den Zelleneinheiten entlang den reibungsverschweißten, zusammengesetzten Verbindungen 6e, 6i 7a und Tb.

An der endständigen Kathodenendeinheit, die in F i g. 5 dargestellt ist, erstrecken sich die Stahlstäbc 6/Ίη Öffnungen 3e durch die Kathodenendplatte 3c und sind hierin verschweißt. Kathodenstützsiebträgerschienen 6Λ erstrecken sich zwischen den mittleren, stählernen Trennwänden 3f, der endständigen Kathodenendplalte 3c und den Kathodenstützsieben 6b in jedem Kathodenabteil, um die Kathodenstützsiebe zu tragen und hinter den Sieben 6b einen Raum zum freien Ausströmen von Katholytflüssigkeit und Wasserstoff in den rückwärtigen Teil der Kathoden zu schaffen. Die Kupferzapfen Ta verhindern, daß Wasserstoff durch die stählernen Kathodenstrukturen in die Titanstrukturen der Zelle wandert, was zur Bildung von Titanhydrid und schließlich zur Zerstörung der Zelle führen würde.

Wie zuvor beschrieben, ist das Innere jedes Anodcnabteils mit einer Auskleidung 5a aus Titan oder einem anderen Auskleidungsmaterial, das gegenüber anodischen Bedingungen widerstandsfähig ist, versehen. Die Wände 56 an jedem Ende der Anodenwellen 5, das Innere des Rahmens 2 und die Anoden sowie alle Verbindungen innerhalb des Anodenabteils sind aus Titan oder einem anderen Ventilmetall hergestellt, das sich über mindestens einen Teil der Flansche 2a erstreckt.

Das Innere der Kathodenabteile, die Kathoden als solche, das Stützsieb für die Kathoden und dergleichen, bestehen vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen Eisenmetall, das gegenüber Kathodenbedingungen widerstandsfähig ist.

Zur Herstellung von Chlor trennen die Diaphragmen auf den Kathoden und den Kathodenstützsieben jede Zelleneinheit in ein Anodenabteil und ein Kathodenabteil und erlauben den Fluß des Elektrolyten durch die Diaphragmen, wobei an den Kathoden Wasserstoff unter Bildung von Wasserstoffgas freigesetzt wird und wobei die Natriumionen, die sich mit den OH--Ionen unter Bildung von Natriumhydroxid verbinden, und Chlor an den Anoden freigesetzt werden.

Die mittleren, stählernen Trennwände 3/" und die Titanauskleidungen 5a schaffen öffnungsfreie Trennwände zwischen jeder der mittleren Zelleneinheiten 16, Ic usw. Die Zelle Xk ist in gleicher Weise mit Titan 5a ausgekleidet, während die Kathodenpiaüe 3c und das Kathodeninnere der Kathodenendeinheit aus Stahl oder einem anderen Eisenmetall bestehen. Wenn man Chlorate, Perchlorate usw. herstellt, werden die Diaphragmen weggelassen, jedoch ist der Betrieb der Zelle im übrigen gleich.

Die Sole wird durch die Soleverteiler 9 oder 9a, die mit einer Soleeinspeisungsquelle 9/ verbunden sind (F ig. 2) in jede Zelleneinheit la, 16, lc, Iy, \k eingeführt. Der Verteiler 9a wird zur Befüllung und zur Aufnahme des Betriebs der Zelle mit ungesättigter Sole, zur Reinigung der Zellen während einer Stillegung und als Vcrsorgungshilfsleitung im Falle eines Versagens oder einer Verstopfung des Zuflusses an gesättigter Sole durch den

Soleverteiler 9, gebraucht. Der Verteiler 9 wird für den normalen Betrieb mit gesättigter Sole gebraucht. Die Verwendung ungesättigter Sole während des Anfahrens verhindert eine Kristallisation von Salz in den Zellen, den Zufiihrungsleitungen und dergleichen, bis die Zellen ihre normale Betriebstemperatur erreicht haben. Der Solespiegel in den Solebehältern während eines normalen Betriebs ist durch die Linie 9g(Fig. 1) dargestellt, der Soleanfahrspiegel ist durch die Linie 9Λ gezeigt. Von den Verteilern 9 oder 9a fließt die Sole durch Sqleeinspeisbchläuche 96 oder 9c in Soleeinspeistrichter 9d in jedem der aus Glasfaser verstärktem Polyester hergestellten Solebehälter 10a, 106,10c, 10Λ, 10^ und 10k, die oberhalb des Oberteils jeder der Zelleneinheiten la, 16, lc. Ia Iy und IJt angeordnet sind. Die Soleeinspeisschläuche sind mit Abschließkammern etc. versehen. Die Soleeinspeistrichter oder Tauchrohre 9</ erstrecken sich durch den Solebehälter bis angenähert zum Boden jeder Zclleneinheit la, 16 usw., wie in Fig. 1 dargestellt, so daß die frische Sole an oder unter das Unterteil der Anodenfinger 5 befördert wird. Die Anodenfinger 5 und die Kathodenfinger 6 erstrecken sich angenähert vom Oberteil bis zum Unterteil der Anoden- und Kathodenabteile, sind jedoch eine kurze Strecke vom Unter- und Oberteil dieser Abteilungen entfernt, wie dies in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, um die Zirkulation und Rezirkulation des Elektrolyten in den Zelleneinheiten zu erlauben und um das Entweichen der Anoden- und Kathodengase zu ermöglichen.

Jeder der Zellenbehälter 10a, 106, 10c usw. ist durch .Solebehälterverbindungen 11a und 116 an jedem Ende und durch eine Gassteigeleitung 11 in der Mitte mit seiner entsprechenden Zelleneinheit la, 16, Ic usw. verbunden. Das Unterteil der Gassteigleitung 11 ist bündig mit dem Oberteil jedes Anodenabteils, und das Oberteil erstreckt sich bis nahe zum Normalbetriebs-Solespiegel oder kurz darüber, so daß die Hauptmenge des Chlors (oder anderer Anodengase) durch die mittlere Verbindung in die Solebehälter fließt. Die Verbindungen 11a und 116 erstrecken sich eine kurze Strecke unterhalb des Oberteils der Anodenabteile und in die Sole im gefluteten Anolytabteil. Frische Sole fließt durch den Einspeisetrichter 9c/und die VerbinJungen 11a nach unten, und rezirkulierte Sole fließt durch die Verbindungen 11a und 116 in die Anodenabteile nach unten, so daß während des Betriebs an jedem Ende der Zelleneinheiten la, 16, Ic und so weiter eine ständige Rezirkulation von Sole und Anolyt nach unten und, zusammen mit Chlor, durch die Gassteigleitung in der Mitte jedes Solebehällcrs 10a, 106 usw. nach oben erfolgt, wie dies durch die Pfeile in F i g. 1 angezeigt ist Gleichzeitig wird eine Rezirkulation des Anolyten von der Vorder- zur Rückseite jedes Anodenabteils der Zelleneinheit la, 16, Ic usw. geschaffen, und zwar durch die Chlorgasblasen, die in den Anodenzwischenspalten 5c zwischen den Anoden 5 und den mit Diaphragma überzogenen Kathodenfingern 6 und in den Räumen 5d innerhalb der hohlen Anodenfinger 5 aufsteigen und die den Anolyten in das Oberteil der Anodenabteile tragen, wo sich ein Teil des Anolylen von den Gasblasen trennt und nach unten in den Räumen 5Ar hinter den Anodenträgerschienen 86 fließt, wie dies durch die Pfeile in der aufgeschnittenen Zelle Iy in F i g. 2 dargestellt ist

Beim Erreichen des Oberteils des Anodenabteils entweicht die Hauptmenge der Chlorgasblasen durch die Gassteigleitung 11, wodurch dem in der Gassteigleitung 11 befindlichen Elektrolyten ein nach oben gerichteter Schub erteilt wird. Der Elektrolyt steigt mit dem Gas in das Oberteil der Steigleitung 11 auf und fließt in die Elektrolytwanne in den Solebehältern 10a, 106 usw. über, wodurch sich das Chlorgas von der Sole trennt. Gleichzeitig bewegt sich ein äquivalentes Volumen an Elektrolyt durch die Verbindungen Ha und 116 nach unten und tritt in der Nähe der Seitenwände in das Anodenabteil ein.

Der gestrichelte Kreis in F i g. 5 zeigt unter bezug auf die Breite des Anodenabteils den angenäherten Standort der absteigenden Verbindung Wa.

Auf diese Weise wird eine Zirkulationsbewegung des Elektrolyten zum Anodenteil und dem hiermit zusammenwirkenden Solebehälter hin und von diesem weg geschaffen. Diese Bewegung führt im Zusammenwirken mit der Rezirkulationsbewegung des Anolyten innerhalb einer jeden Anodenabteilung, diese resultiert aus der Aufteilung des Anodenabteils durch die von den Anodenträgerschienen 86 gebildete Trennwand in einen vorderen Teil, in welchem ein Aufwärtsfluß des Gases und damit des Anolyten stattfindet und in einen rückwärtigen Teil 5Ar (F i g. 4), in dem der in das Oberteil des Anodenteils geförderten Anolyt zum unteren Bereich des Abteils rezirkuliert wird — zu einer intensiven Rezirkulation des Anolyten von den Nahbereichen der Seitenwände nach der Mitte des Anodenabteils hin und durch die Solebehältersteigleitung 11 und die Fallröhre 11a und 116, sowie von der Vorder- zur Rückseite oder von der Ober- zur Unterseite des Anodenabteils.

Eine derartige Rezirkulierung weist viele Vorteile auf; die Zusammensetzung und Temperatur des Anolyten werden in der ganzen Zelle im wesentlichen gleichmäßig gehalten, die zwei Rezirkulierungsbewegungen erleichtern die schnelle Entfernung der Gasblasen aus dem Elektrodenzwischenspalt und ihre Abtrennung vom Elektrolyten und erlauben die vollständige Ausnützung des Aufwärtsschubs, der dem Elektrolyten durch die aufsteigenden Gasblasen versetzt wird; die durch den Einspeistrichter 9c/ als Ausgleich für den während des Betriebs der Zelle durch das Diaphragma in die Kathodenabteile perkolierten Elektrolyten eingespeiste frische Sole wird sofort in den Kreislauf hineingezogen. Auf diese Weise kann die Zelle bei sehr hohen Stromwirkungsgraden hohe Stromdichten aushalten.
Als Alternative für die erläuterte Ausführungsform können die Solebehälter 10a, 106,10c usw. durch einen einzelnen Solebehälter für mehrere Zelleneinheiten la bis IA: ersetzt sein. In diesem Falle können die Gassteigleitungen 11 von jeder Zelleneinheit mit einer gemeinsamen Sammelvorrichtung verbunden sein, die sich in den Solebehälter bis zu einer Höhe erstreckt, die nahe bei oder gerade oberhalb des normalen Solespiegels liegt, während die Fallrohre Verteilerrohr ausgehen können, das mit dem Unterteil des Solebehälters verbunden ist, um den Elektrolyten zurückführen.

Die Verbindungen la und 116 können sich alternativ in das Unterteil des Anodenabteils oder in seine Nähe erstrecken, während die Gassteigleitungen 11 so vertikal wie möglich und während die Gassteigleitungen 11 so vertikal wie möglich und frei von engen Biegungen oder horizontalen: Abschnitten sein sollten. Das Oberteil der Anodenabteile kann auch leicht nach oben zur Gassteigleitung geneigt sein, um die Entfernung der Gasblasen, die den oberen Teil der Abteilung erreichen, zu begünstigen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zelle liegt darin, daß die intensive Rezirkulationsbewegung des Anolyten es gestattet, daß das Diaphragmamaterial, wie beispielsweise Asbestfasern oder -pulver, in Sus-

pension gehalten wird. Die auf den Kathodensieben abgeschiedenen Diaphragmen unterliegen der Abnutzung und Verschlecherung. Bei den Diaphragmazellen des Standes der Technik ist es erforderlich, nach jeweils drei bis sieben Monaten Betrieb das Asbestdiaphragma vollständig zu erneuern. Bei der erfindungsgemcßen Zelle ist es möglich, eine bestimmte Menge Asbestmaterial entweder in Faser- oder in Pulverform periodisch oder jeweils wenn erforderlich, in den Anolyten einzuführen. Die so eingeführten Asbestfasern werden im Anolyten in Suspension gehalten und werden langsam auf den Diaphragmen, insbesondere an Stellen, an denen die Porosität größer ist abgeschieden. Auf diese Weise werden begrenzte erschöpfte Bereiche des Diaphragmas, kleine Löcher und dgL mit einer zusätzlichen Schicht aus Asbestmaterial überzogen, was dazu führt, daß eine ungehinderte Erosion der Diaphragmen bis zu ihrem irreversiblen Bruch vermieden wird und während des normalen Zellenbetriebs eine optimale Diaphragmaporosität aufrechterhalten wird.

Am Ende jedes Solebehälters 10a, 106,10c usw. sind mit einem Verschluß versehene Diaphragmaeinfüllöffnungen 13 vorgesehen, durch die in dem Maße neues Diaphragmamaterial in die Zelleneinheiten eingebracht werden kann, indem die Diaphragmen während des Betriebs erodiert oder verschlechtert werden. Das Diaphragmamaterial wird durch die Öffnungen 13 in Form einer Aufschlämmung oder in Form feuchter, massiver Stangen eingeführt und durch die rezirkulierende Sole über die Verbindung 11a nach unten getragen, und zwar unterhalb des Bodens der mit Diaphragma überzogenen Kathoden; anschließend wird das Diaphragmamaterial nach oben entlang den Kathodenfingern 6 und den Kathodensieben 66 rezirkuliert, wo es sich auf irgendeinem Teil des Diaphragmas abscheidet, auf dem mehr Diaphragmamaterial benötigt wird, um die porösen Bereiche, die sich in den Diaphragmen gebildet haben, zu reparieren.

Aus den Solebehältern 10a, 106. 10c usw. strömt das von der Sole abgetrennte Chlor durch Chlorauslässe 14 aus jedem Solebehälter in ein Chlorsammelrohr 14a, das zu einem Chlorsammelrohrauslaß 146 führt, welches mit einem Chlorgewinnungs- oder -beseitungssystem verbunden ist.

Während die erschöpfte Sole durch die auf den Kathoden 6 und den Kathodenstützsieben 66 befindlichen Diaphragmen hindurchströmt, wird an den Kathoden Wasserstoff entwickelt, und die Natriumionen verbinden sich mit den OH--Ionen unter Bildung von Natriumhydroxid. Das Natriumhydroxid fließt aus jeder ZeI-leneinheit la, 16, lcusw.durch einen Ätzalkaliauslaß 15, der an das Unterteil jeder Kathodenkammer in den Zelleneinheiten angrenzt, hindurch und in drehbare, umgekehrte, U-förmige Ätzalkaliflüssigkeitsauslaß- oder Überlaufrohre 15a, die das Ätzalkali in einen Zellenflüssigkeitstrog 156 ablassen, aus dem es in ein Ätealkaligewinnungs- oder -bsseitigungssystem fließt. Die Stellung, in die die umgekehrt U-förmigen, drehbaren Rohre 15a gedreht werden, bestimmt den Katholytspiegel in jeder der Zelleneinheiten la. 16, Ic usw. und regelt den Ano- ω lytfluß durch die Diaphragmen, der von der hydrostatischen Druckdifferenz durch die Diaphragmen abhängt. Im Kathodenabteil jeder der bipolaren Einheiten freigesetzter und von der Katholytflüssigkeit abgetrennter Wasserstoff strömt durch einen Wasserstoff kanal 14c entlang dem Oberteil jedes Kathodenabteils bis zum Ende der Zelleneinheiten In, Ic usw., wo er unter Ablenkplatten 14c/ und durch Öffnungen (nicht dargestellt) in eine WasserstoffablaSkammer 16 (F i g. 1) und durch eine Öffnung im Oberteil der Kammer 16 in ein Wasscrstoffauslaßrohr 16a und Rühre 166 zu einem Wasserstoffsammelrohr 16cund anschließend zu einem Gewinnungssystem strömt. Der Wasserstoffauslaß der Zwischenelemente befindet sich am Ende einer jeden Zelleneinheit Jedes der Wasserstoffauslaßrohre 166 ist mit einem Teilstück 16/ aus Fyrex-Glas versehen, das eine Überwachung des Wasserstoffstroms erlaubt und das Wasserstoffablaßsystem von den Zellenströmen isoliert Der Wasserstoffauslaß für das endständige Kathodenendelement befindet sich auf der Seite des Kathodenendelements und ist bei Punkt 16rf (F i g. 3) angezeigt Der Wasserstoff aus der endständigen Kathodenkammer in der Zelleneinheit la fließt vom Mittelteil der Zelleneinheit durch die Auslässe 16g im Kathodenelement in den Wasserstoffsammler 16Λ, der mit dem sich zwischen dem Mittelteil der Kathodenendplatte 3c und dem Wasserstoffauslaß 16c/ für die endständige Kathodeneinheit verbundenen Verlängerungsrohr \6f in Verbindung steht

Ein Rückführungskanal 20 für die Katholytflüssigkeit (F s g. 1 und 5a) erstreckt sich von der Wasserstoffablaßkammer 16 am Oberteil jeder Zelleneinheit in den unteren Teil einer jvden Katholytkammer, um irgenwelche Katholytflüssigkeit im Wasserstoffablaßstrom in die Kathodenabteile zurückzuführen. Im Kathodenelcment leitet ebenfalls ein Rückführungskanal 20a für Katholytflüssigkeit in der Mitte dieses Elements die Katholytfiüssigkeit in das Kathodenabteil im Kathodenendelemcnl.

F i g. 5a zeigt einen Teil zweier mittlerer Zelleneinheiten, bei denen die Einheit 16 eine im wesentlichen vollständige Einheit darstellt und die Einheit Ic teilweise aufgeschnitten ist, um die Innenkonstruktion zu zeigen. Die Einheit Ic zeigt lediglich die mit Diaphragma überzogenen Kathoden 6 mit dem Stützsieb 66 und den Trägern 6Λ, die das Stützsieb 66 vom stählernen Teil einer mittleren Trennwand 3f'in Abstand halten.

Die Einheit Ic zeigt die ineinandergesetzten Anodenfinger 5 aus Titan und die Kathodenfinger 6. Durch den Wasserstoffkanal 14c strömt Wasserstoff in die Wasscrstoffablaßkammer 16, aus der er in das hh-Auslaßrohr 16a, das mit einem Teilstück aus Pyrex-GIas 16/ versehen ist strömt und die Katholytflüssigkeit fließt in den Katho!ytflüssigkeitsrückfuhrungskanal20.

Jedes Anodenabteil ist mittels Auslaßrohren 17a (Fig. 1, 4 und 7) aus jeder Zelleneinheit mit dem sich entlang der ganzen Zelle erstreckenden Ausgleichssammelrohr 17 verbunden. Jedes Auslaßrohr J7a weist ein isolierendes Verbindungsrohr 17e (Fig.7) auf, das durch das Mundstückelement 17/" in das Anolytabtcil hereinragt, um die Titanauskleidung 5a des Anolytabteils vor elektrolytischer Korrosion zu schützen. In der Nähe jedes Endes des Sammelrohres 17 erstrecken sieh Solespiegelanzeigerohre 176, die mit durchsichtigen oberen Teilen 17c aus Pyrex-Glas oder einem anderen geeigneten Material versehen sind, nach oben und sind durch Verbindungsstücke 17c/ in die Solebehälter 106 und 1Oy hineinverbunden. Durch das Sammelrohr 17, das mit ieder Zelleneinheit la, 16, lc usw. verbunden ist, wird sichergestellt, daß in jeder Zelleneinheil der richtige Solespiegel aufrechterhalten wird.

Am Anodenende der Zelle sind positive Verbindungsendstücke 18a, 186 und 18c zur Verbindung mit einer geeigneten Gleichstromquelle angeordnet. An dem Kathodenende der Zelle sind negative Verbindungsendstücke ISd, 18eund 18/Vorgesehen.

Fig. 13 zeigt eine Aufsicht auf die Anodenfinger 5

und die Anodenfingerendwand 56, und zwar so wie sie in jeder Zelleneinheit angeordnet sind, und Fig. 13a stellt einen vergrößerten Ausschnitt dar, der die durch die Anodenträgerschienen 86 und die Montageansätze 8 sowie dis Spalte Sa gebildete Trennwand darstellt

Die Fig. 14 und 14a erläutern die aus Strecknietallplattsn bestehende, netzartigen Anoden 5, welche aus Titan, Tantal oder einem anderen Ventilmeiall·hergestellt und mit einem elektrisch leitenden, elektrokatalytischen Überzug (in den Zeichnungen nicht dargestellt) auf mindestens einer Seite der Anode versehen sind. Die überzogene Seite jeder Anode befindet sich vorzugsweise gegenüber einer mit Diaphragma überzogenen Kathode 6, wobei sich dazwischen der Elektrodenzwischenspalt befindet Diese Anoden weisen kreissektorförmige öffnungen 5e auf, bei denen der unten befindliche Bereich 5g jeder Öffnung 5e sich hinter der vertikalen Mittelebene der Anode und der obere Mittelbereich 5Λ jeder öffnung vor der vertikalen Mittelebene der Anodenoberfläche befinden. Die Ecken jeder Öffnung liegen angenähert in der vertikalen Ebene der Anode. Die untere Hälfte 5g jeder öffnung ist zur Kathode 6 hin (Fig. 14a) geneigt oder verschoben, wogegen die obere Hälfte 5Λjeder kreissektorförmigen öffnung von der Kathode 6 weggeneigt oder verschoben ist, so daß die in der unteren Hälfte der und unterhalb jeder öffnung freigesetzten Gase durch die öffnung auf die Rückseite der Anode (von der Kathode weg) hindurchgehen und durch die nach vorne geneigte obere Hälfte der öffnung von der Anode weg nach rückwärts abgelenkt und in den Elektrolytraum auf der Rück- oder Innenseite der hohlen Finger 5 der Anode gelenkt werden, wie dies durch die Pfeile 5/in den Fig. 14a und 15 dargestellt ist. In F i g. 14 zeigen die ausgezogenen Teile der Pfeile die Abzugsrichtung 5/ der gebildeten Gase entlang dem unteren Schenkel jeder Öffnung 5e an, die gestrichelten Anteile der Pfeile zeigen den Weg der Gase hinter dem oberen Teil jeder öffnung 5e und von der Kathode weg an. Durch diese Konstruktion wird die Haupimcnge des entlang der nach der Rückseite der Anode geneigten Schenkel entwickelten Gases bei der Freisetzung in die öffnung 5e hinein durch die nach der Vorderseite der Anode geneigten Schenkel zur Rückseile der Anode hin abgelenkt. Auf diese Weise wird die Hauptmenge der im Bereich der überzogenen Oberfläche der Anoden freigesetzten Gase durch die Öffnung in den Anoden gelenkt und vom Elektrodenzwischenspalt zwischen den Anodenoberflächen und den Kathoden und ihren Diaphragmen in das Innere 5c/der Anodenfinger 5 abgeleitet. Fig. 15 stellt einen vergrößerten Ausschnitt der Anode gemäß F i g. 14 dar.

Obgleich in den F i g. 14,14a und 15 kreissektorförmige Öffnungen 5e erläutert sind, liegt es auf der Hand, daß auch quadratische, runde, dreieckige, hexagonale oder anders gestaltete öffnungen in den Anodenflächen vorgesehen sein können, wobei der untere Bereich jeder öffnung nach der Seite der Anode hin geneigt ist, die gegenüber der Kathode liegt, und der obere Bereich jeder öffnung nach der Se',¹:" der Anode hin geneigt oder verschoben ist, die dem inneren Seider Anodenfingcr gegenüberliegt; auf diese Weise wird dieselbe Aufgabe gelöst, nämlich die Leitung der auf der Vorderseite jeder Anode entwickelten Gase durch die darin befindliche öffnung und deren Ableitung auf die Rückseite jeder Anode in das Innere der hohlen Anodenfinger, die für die Ableitung der Anodengase einen größeren Raum schaffen als dies beim Elektrodenzwischenspalt als solchem der Fall ist.

Anstelle von netzförmigem Metall können die Anodenwände aus in Abständen gehaltenen Titanstäben 5j bestehen, die auf geeigneten Trägern 5z, weiche an den Anodenträgerschienen 8b befestigt sind, vertikal montiert sind, wie dies in Fi g. 16 erläutert ist bei der die im Elektrodenzwischenspalt gebildeten Anodengase leicht zwischen die Stäbe und in das hohle Innere der Anoden-Finger gelangen.
Die Fig. 17 und 18 erläutern eine modifizierte Konstruktion, bei der die Anodenfinger 5 auf Trägerschienen 86 befestigt sind, die zwischen jeder Trägerschiene Spalte 8a und die Anodenmontageansätze 8 aufweisen. Die Anodenmontageansätze 8 sind durch Schweißen oder auf andere Weise mit Titanansätzen Tb verbunden, die ihrerseits an eine öffnungsfreie Titanauskleidung 5a angeschweißt sind, welche sich auf der Anodenseite der positiven stählernen Endplatte 3a und der mittleren stählernen Trennwand 3/ befindet Bei dieser Ausführungsform ist die Titanauskleidung 5a an die Stahlplatten 3a und 3/ angeschweißt, so daß Strom durch die Endplatten 3a—5a und die dazwischenliegenden Trennwände 3/— 5a von den Anoden zum Kathodenende der Zelle fließt Die Kathodenfinger 6 in den F i g. 17 und 18 sind zwischen den Anoden 5 befestigt, wie dies in Verbindung mit den F i g. 4 und 5 beschrieben ist und zwar auf stählernen Winkelträgern 6Λ, die aus der Kathodenendplatte 3c und den mittleren stählernen Trennwänden 3/hervorragen, so daß die Anodenplatte 3a, die Kathodenendplatte 3c und die mittleren Trennwände 3/ öff-

nungsfrei sind, d. h. keine öffnungen aufweisen. Bei der Herstellung von Chlor sind die Kathoden 6 mit Diaphragmen versehen, wie dies zuvor beschrieben wurde. Die anderen Teile der F i g. 17 und 18 sind gleichen Teilen in den F i g. 4 und 5 vergleichbar.

Sowohl bei den Hauptausführüngsformen der F: g. 1 bis 16, wie auch bei der modifizierten Ausführungsform der F i g. 17 und 18 bilden die Titanauskleidungen 5a und die Titanansätze Tb eine öffnungsfreie Ventilmetallauskleidung für die Anodenabteile, und die Ventilmetallansätze Tb, die aus der Auskleidung 5a vorstehen, tragen die auf den Anodenträgerschienen 8b befestigten Anodenfinger, so daß die Basen der hohlen Anodenfinger von der Auskleidung 5a der Anodenabteile in Abstand gehalten sind, wodurch ein Raum 5* für die nach unten gerichtete Rezirkulation des Elektrolyten hinter den Trägerschienen 86 geschaffen wird.

Die Zelle ist auf einem in geeigneter Weise isolierten Fuß 19, U-Trägerelementen 19a, Isolatoren 196 und einstellbaren Höhenschrauben 19c befestigt. Auf den Trägerelementen 19a befindliche Gleitplatten aus Teflon (nicht dargestellt), erlauben das Rücken des Elements zur Montage und Demontage entlang dem Träger.

Die aus glasfaserverstärktem Polyester bestehenden Solebehälter 10a, 106, 10c usw., weisen in ihren Seitenwänden ausgebildete Verstärkungsrillen 10m (Fig. 1) auf, die jedoch den Fluß der Sole von einem zum anderen Ende der Solebehälter nicht hindern. Der Raum oberhalb des in F i g. 1 angezeigten Solenormalspiegels wird durch Chlor oder gegebenenfalls gebildeten Schaum ausgefüi'u. Der Soief'iuG vom uiiiüeicn Clilorauslaß 11 zu den unteren Verbindungen 11a oder 116 zeigt eine Tendenz den Schaum zu brechen und darin eingeschlossene Chlorblasen freizusetzen.

Obgleich Titan und Stahl als bevorzugte Konstruktionsmetalle beschrieben sind, kann jegliches Ventilmetall oder filmbildende Metall für die Anodenteile und jegliches Eisenmetall für die Kathodenteile der Zellen verwendet werden; es können auch verschiedene, einan-

der nicht ähnliche Metalle für die Anoden- und Katho- 6e

denteile der Zelleneinheiten gebraucht werden. 6/

Die eingesetzten Metalle und Kunststoffe sollten ge- 6g

eignet sein, den korrodierenden oder anderen Bedin- 6Λ

gungen in den Anoden- und Kathodenabteilen und an- s 7

deren Teilen der Zellen zu widerstehen, wenn der Be- Ta

trieb mit einem bestimmten Elektrolyten durchgeführt 76

wird. Obgleich man üblicherweise Diaphragmen auf den 8

Kathoden verwendet, können Diaphragmen auch auf Sa

den Anoden und Kathoden gebraucht werden. Verwen- to 86 det man nicht-poröse, ionenselektive Membranen als

Diaphragmen, muß eine fortlaufende Rezyklisierung 9

mindestens eines Teils des Anolyten und Katholyten 9a J

vorgesehen werden, um die Konzentrationen sowohl 96 \

des Anolyten, wie auch des Katholyten, konstant zu hai- 15 9c j

ten. Die Zellen können für bestimmte Zwecke auch oh- 9d

ne Diaphragmen gebraucht r/erden, beispielsweise bei 9/

der Herstellung von Chlorat, Perchlorat, Hypochlorit, 9g

Perjodat und bei anderen Elektrolyseverfahren, bei de- 9h

nen ein Diaphragmatrennung der Elektrolyseprodukte 20 10a—π

nicht erforderlich ist In derartigen Fällen müssen das 10m

ganze Zellenabteil und die darin befindlichen Struktu- Il

ren aus einem geeigneten Material gefertigt sein, das Ha, durch den Elektrolyt und die Elektrolyseprodukte nicht

korridiert werden kann. Die Kathodenstrukturen sind 25 13

vorzugsweise exakt wie die Anodenstrukturen gefertigt, 14

wodurch hinter den die Elektroden tragenden Wänden 14a

zwei Rezirkulationsräume geschaffen werden, damit das 146

auf den Elektroden freigesetzte Gas nach oben in den 14c

mittleren Bereich des Zellenabteils fließt und ein Teil 30 14c/

des in das Oberteil des Abteils geförderten Elektrolyten 15

durch die Räume hinter den beiden, aus den durch die 15a

Anodenträgerschieneneinrichtung bzw. Kathodenträ- 156

gerschieneneinrichtung gebildeten Wänden in das Un- 16

terteil des Abteils rezirkuliert wird. 35 16a,

16c

Liste der Bezugszeichen 16c/

16/

la—k Zelleneinheit \6g

2 Rahmen 40 16Λ

2a Flansch 16/

26 Dichtung 17

2c Schweißung 17a

2c/ Kathodenrahmen 176

3a stählerne Anodenendplatte,-endwand 45 17c

3c Kathodenendplatte, Kathodenabteilendwand 17c/

3d öffnung 17e

3/ öffnungsfreie Eisen/Stahl (Trenn)wand 17/

4 Zugstab-Schraube 18

4a Federring 50 18a, 6, c

46 Mutter 18c/, e, /

4c Kunststoffhülse 19

5 Anodenfinger, Hohlfinger 19a 5a Ventilmetall—Titan—Auskleidung 196 56 Anodenfingerendwand 55 C

5d Inneres der Anode 20,20a

5e kreissektorförmige öffnung

5g unterer Bereich, untere Hälfte der öffnung

5h oberer Mittelbereich

5/ Abzugsrichtung der gebildeten Gase 60

5y Titanstab

5k Zirkulationsraum

5z Träger

6 Kathodenfinger

6a Metallsieb 65

66 Kathodenstützsieb, Sieb

6c Verstärkung

6c/ konisch erweitertes Teil der Kathodenfinger

18

Stahlstab

elektrische Verbindung, Stahlstab Diaphragma Stählerner Winkelträger, Stützsiebträger Stahlzapfen elektrische Verbindung, Kupferzapfen Titan Anodenverbindung, Titanansatz Titan Anoden Montageansatz öffnung für Elektrolytdurchfluß, Spalt Titan/Ventilmetall Trägerschiene, Anoden-Trägerschienenwand, Wand

Soleverteiler Soleeinspeisungsschlauch

Sole Einspeisetrichter, Tauchrohr Soleeinspeisungsquelle Elektrolyt-, Solespiegel Soleanfahrspiegel Solebehälter Verstärkungsrille Gassteigleitung, erste Leitung Solebehälterverbindung, Fallrohr, zweite Leitung

Diaphragmaeinfüllöffnung,-Einlaß Chlorauslaß Chlorsammeirohr Chlor-Sammelrohrauslaß Wasserstoffkanal Ablenkplatte Ätzalkaliauslaß Ätzalkaliflüssigkeitsauslaß,-Überlaufrohr Zellenflüssigkeitstrog Wasserstoffablaßkammer Wasserstoffauslaßrohr Wasserstoffsammeirohr Wasserstoffauslaß Verlängerungsrohr Auslaß

Wasserstoffsammler Pyrex-Glas-Teilstück Ausgleichssammelrohr Auslaßrohr Solespiegelanzeigerohr durchsichtiges Teil Verbindungsstück Verbindungsrohr Mundstückelement

positives Verbindungsendstück negatives Verbindungsendstück isolierter Fuß

Trägerelement

Isolator

Kathode

Katholytflüssigkeitsrückführungskanal Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Bipolare Elektrolysezelle, bestehend aus mehreren Zelleneinheiten, einem Anodenabteil und einem Kathodenabteil in jeder Zelleneinheit, wobei die Anoden- und Kathodenabteile von den Anoden- und Kathodenabteilen der angrenzenden Zelleneinheiten durch eine Trennwand aus einem Eisenmetall auf der Kathodenseite und einer öffnungsfreien Ventilmetall-Trennwand auf der Anodenseite getrennt sind, wobei die Rahmen um jede Zelleneinheit im wesentlichen rechteckig sind und die Anoden und Kathoden sich im wesentlichen vom Ober- bis zum Unterteil und von einer bis zur anderen Seite der Rahmen erstrecken, mehreren Ventilmetallanoden in Hohlfingerform in jedem Anodenabteil, mehreren Metallkathoden in Hohlfingerform in den Kathodenabteilen, elektrischen Kathodenverbindungen, die durch die Eisenmetallwände zwischen der Basis der Kathodenfinger und den elektrischen Anodenverbindungen hindurchstreichen, wobei die elektrischen Verbindungen die Kathoden vom Eisenmetall der Trennwände in Abstand halten, wobei sich die Anoden und Kathoden im wesentlichen vom oberen bis zum unteren Teil und von einer Seite zur anderen Seite der Abteile vertikal erstrecken, die Anoden und Kathoden zueinander seitlich verschoben und ineinandergepaßt sind, um zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen einen im wesentlichen gleichmäßigen Abstand zu bilden, einer Auskleidung auf den Seitenwänden der Anodenabteile, die gegenüber dem Elektrolyten und den Elektrolysebedingungen widerstandsfähig ist, einer Einspeisevorrichtung für einen Elektrolyten in die Zelle, einer Elektrolysestrom-Durchleitungsvorrichtung durch den Elektrolyten zwischen den Anoden- und Kathodenoberflächen, einer Ableitungsvorrichtung für Anodengase und Kathodengase aus der Zelle und einer Ableitungsvorrichtung für eine Katholytflüssigkeit aus den Kathodenabteilen der Zelle, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zelleneinheiten Ventilmetall-Trägerschienen (Sb) an der Basis der Anodenfinger (5) vorgesehen sind, die eine Wand zwischen der Basis der Anodenfinger (5) und der öffnungsfreien Trennwand (Zf) mit Ventilmetallauskleidung (5a) bilden und elektrische Anodenverbindungen (7b), welche die Trägerschienenwand (Sb) von der öffnungsfreien Trennwand (Zf) mit Ventilmetallauskleidung (5a) in Abstand halten und dadurch einen Raum (5k) für die nach unten gerichtete Zirkulation des Elektrolyten bilden.

2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Anodenfinger (5) von getrennten Anodenträgerschienen (Sb) hervorragen.

3. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (Sb) an der Basis der Anodenfinger (5) öffnungen (Sa) für einen begrenzenden Elektrolytdurchfluß aufweist.

4. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelleneinheit mit einer Vorrichtung zur Einstellung des Katholytflüssigkeitsspiegels in den Kathodenabteilen versehen ist.

5. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelleneinheit einen mit Titan ausgekleideten rechteckigen Rahmen (2) mit Flanschen (2a) aufweist, die mit den Flanschen (2a) der angrenzenden Zelleneinheiten zusammenpassen, zwischen den Flanschen isolierende Dichtungen (2b) vorgesehen sind und alle Zelleneinheiten durch Zugstäbe (4), die von den sie umgebenden Teilen abisoliert sind, in fluiddichter Verbindung gehalten werden.

6. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die öfffnungsfreien Trennwände (Zf) mit der Ventilmetall-Auskleidung (5a,) Rückseite an Rückseite zusammengehalten werden, und bipolare, metallische elektrische Verbindungen (6f, 7a) sich durch die Trennwand (Zf) aus Eisenmetall hindurch zwischen der Basis der Anodenfinger (5) und der Kathodenfinger (6) erstrecken.

7. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über jeder Zelleneinheii ein Solebehälter (10a, iOb. 10c... 10./ lOJt...) vorgesehen ist, der das gebildete Anodengas und den Elektrolyten aus der Zelleneinheit aufnimmt und den Elektrolyten zur Zelleneinheit zurückzirkuliert.

8. Elektrolysezelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Solebehältern (10a,...) mit einem Verschluß versehene öffnungen (13) zur Aufnahme von Diaphragmareparaturmaterial vorgesehen sind.

9. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der rechteckige Rahmen (2) der Kathodenabteile Bohrungen für den Durchtritt der Katholytflüssigkeit durch eine Seite des Rahmens in einen einstellbaren Kahtolytauslaß aufweist.

10. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (5) mittels Titan-Anodenverbindugnen (7b), an denen die Anodenbasen über Titanträgerschienen (Sb) verbunden sind, von der öffnungsfreien Ventilmetallauskleidung (5a) der Trennwände gelragen werden, eine Titanauskleidung (5) auch an den Seitenwänden der Anodenabteile vorgesehen ist und die Kathoden (6) auf den Eisenmetalltrennwänden (Zf) befestigt sind.

11. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (6) einer Zelleneinheit mit den Anoden (6) der angrenzenden Zelleneinheit durch stabartige Verbindungen verbunden sind, durch welche der Strom hauptsächlich zwischen den Zelleinhciten fließt.

12. Elektrolysezelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die stabartigen Verbindugncn aus Stahl-(6/?, Kupfer-(7a,>, und Titanabschnitten (7b) bestehen, die aneinander reibungsverschweißt sind.

13. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmetall (5a) und das Eisenmetall (Zf) der Trennwände verschweißt sind und der Strom zwischen den Zelleneinheiten hauptsächlich durch die geschweißten Trennwände fließt.

14. Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnel, daß zwischen dem Solebehälter (10a ) und dem Anodenabteil durch mindestens zwei geflutete Leitungen (11,11a, 11 ty Verbindungen bestehen, von denen die erste (11) mit dem Oberteil des Anodenabteils bündig ist und sich innerhalb des Solebehälters (iOa,...)

im wesentlichen vertikal bis auf etwa die Höhe des normalen Elektrolytspiegels (9g) im Solebehälter (10a,...)erstreckt, und die zweite Leitun»(11a, Wb) erstreckt, und die zweite Leitung (lla, Wo) vom Unterteil des Solebehälters (10a,...) bis zu einem Punkt im Anodenabteil geführt ist, der sich im wesentlichen unterhalb des oberen Teils des Anodenabte'üs befindet, wodurch das freigesetzte Anodengas durch die erste Leitung (11) entweicht und dem Elektrolyten in der Leitung (11) eine Aufwärtsbewegung verleiht, wodurch in der zweiten Leitung (lla, Wb) eine Abwärtsbewegung des Elektrolyten entsteht

15. Elektrolyseverfahren unter Verwendung einer Elektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Elektrolyten zwischen den Anoden (5) und Kathoden (6) und im Inneren der hohlen Finger der Anoden (5) durch den Hebeeffekt der bei der Elektrolyse gebildeten Anodengase zirkulieren läßt, die Gase aus dem Elektrolyten abtrennt und einen Teil des Elektrolyten nach unten in den Raum (5k) zwischen der Anodenträgerwand (8b) an der Basis der Anoden (5) und der Anodenabteilwand (5a, 3a; 5a, Zf) zur Zirkulation des Anolyten auf der Vorderseite der Anodenträgerwand (Sb) nach oben und auf der Rückseite der Anodenträgerwand (8b) nach unten leitet.

16. Elektrolyseverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man das Anodengas und einen Teil des Elektrolyten in der Nähe der Mitte der Zelleneinheit nach oben in den Solebehälter leitet, im Solebehälter die Anodengase vom Elektrolyten abtrennt, sowie den erschöpften Elektrolyten nach unten in die Zelleneinheit in die Nähe mindestens einer Seite der Zelleneinheit rezirkuliert um eine Rezirkulation des Elektrolyten von der Vorder- zur Rückseite des Änodenabteils und von der Mitte zur Seite des Änodenabteils der Zelleneinheit zu schaffen.

17. Elektrolyseverfahren unter Verwendung einer Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man Diaphragmamaterial in den Solebehälter und vom Solebehälter in die Zelleneinheit einspeist und durch die Zelleneinhcit rezirkuliert.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß man die Zelle mit einem gefluteten Anolytabteil, das mit einem darüber befindlichen Soleeinspeisetank durch mindestens eine geflutete, vertikale Leitung verbunden ist, die vom Oberteil des Anolytabteils zum Oberteil des Einspeisetanks führt, betreibt, wodurch der Anolyt durch den Gashebeeffekt der Gasblasen zum Aufsteigen gebracht wird, und den Anolyt aus dem Anolytabteil durch eine weitere geflutete Leitung, die vom Einspeistank zum Anolytabteil führt, rezirkuliert.