DE2737086B2

DE2737086B2 - Elektrolysierverfahren und Elektrolysiervorrichtung

Info

Publication number: DE2737086B2
Application number: DE2737086A
Authority: DE
Inventors: Hugh Corpus Christi Tex. Cunningham
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1977-08-17
Publication date: 1981-07-30
Also published as: DE2737086C3; GB1591414A; CA1075200A; NL7705676A; US4093525A; NL169202C; IT1083281B; SE434521B; BE857938A; NL169202B; US4152239A; DE2737086A1; AU2494477A; FR2362218B1; JPS5326278A; AU505984B2; SE7708866L; FR2362218A1

Description

In Diaphragmazellen, einschließlich der mit permionischen Membranen ausgerüsteten Zellen, werden in großem Maßstab Alkalihydroxid, Wasserstoff und Chlor hergestellt.

Dazu werden bipolare Elektrolysiervorrichtungen verwendet.

Bipolare Elektrolysiervorrichtungen sind in dem Aufsatz von Kircher, »Electrolysis of Brines in Diaphragma Cells«, in dem Buch von Sconce, Chlorine, Reinholt Publishing Corp, New York, New York (1962),

beschrieben.

Bipolare Elektrolysiervorrichtungen bieten eine Einsparung hinsichtlich des Baumaterials und des erforderlichen Raumes. Um jedoch von den Vorteilen der bipolaren Elektrolysiervorrichtungen Gebrauch zu tu machen, sollte die Elektrolyse bei hohen Stromdichten durchgeführt werden, zum Beispiel bei Stromdichten von höher als etwa 1290 Ampim² oder sogar höher als etwa 2050 Amp./m². Wenn die Elektrolyse bei solchen Stromdichten durchgeführt wird, ist es wesentlich, daß der elektrische Strom durch die Elektrolysiervorrichtung mit einem minimalen elektrischen Widerstand zwischen benachbarten Zellen der Vorrichtung fließt Es ist außerdem ebenfalls wichtig, daß das Hindurchsickern des Elektrolyten in die Trägerplatten vollständig verhindert wird.

In den anfangs verwendeten bipolaren Elektrolysiervorrichtungen wurde das Fließen der Elektrizität durch die Trägerplatte dadurch erhöht, daß ein Metall zu Metall Kontakt zwischen dem Titan der Anolytoberflä-

2) ehe der Trägerplatte und dem Stahl der katholytbeständigen Oberfläche der Trägerplatte hergestellt wurde, zum Beispiel durch eine Explosionsverbindung der Trägerplatten. Bei anderen Konstruktionen von bipolaren Eiektrolysiervorrichtungen leiteten elektrisch lei-

m tende Bauteile der Trägerplatte den Strom von den Kathoden durch die Trägerplatte zu den damit verbundenen Anoden. Eine Art um dies zu erreichen bestand in der Verwendung von Kupferstiften, die sich durch die Trägerplatte erstreckten.

» Es wurde jedoch bald festgestellt, daß be^: bipolaren Elektrolysiervorrichtungen mit Trägerplatten aus Stahl-Titanlaminaten der an der kathodischen Stahloberfläche entstehende atomare Wasserstoff durch den Stahl der Trägerplatte in Richtung des Titangliedes der Träger platte wanderte. Dieses führte zur Bildung von Titanhydrid an der Grenzfläche zwischen dem Stahl und dem Titan. Lösungen dieses Problems sind in den US-PS 37 59 813 unri 38 49 280 zu finden. Wie dort ausgeführt wird, sind Einrichtungen in Kombination mit der kathodischen Oberfläche der Trägerplatte vorgesehen, um einen Eintritt des Wasserstoffs in den Stahl zu verhindern oder um alternativ den Wasserstoff zwischen dem Stahl und dem Titan abzuführen. Diese konstruktiven Ausführungen sind aufwendig und arbei ten auch noch nicht zufriedenstellend.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine bipolare Elektroeinheit zu schaffen und ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolyse aufzuzeigen, die in einfacher Weise Schädigungen des Titangliedes durch diffundierenden Wasserstoff vermeidet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Elektrolyseverfahren nach Anspruch 1 und die bipolare Elektrolysiervorrichtung nach Anspruch 3. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Es wurde gefunden, daß, wenn bewirkt werden kann, daß der elektrische Strom durch die Trägerplatte in seitlicher Richtung fließt, das heißt, senkrecht zu dem gesamten Fließen des elektrischen Stroms von der ersten anodischen Halbzelle der Elektrolysiervorrichtung, die Diffusion des Wasserstoffs in Richtung und in das Titan wesentlich reduziert werden kann. Die Bildung von Titanhydrid wird weiterhin vermindert,

:i wenn das anodische Teil der Trägerplatte im Abstand ; von dem kathodischen Teil der Trägerplatte angeordnet :-.:;· ist und Leitungseinrichtungen an der Peripherie der i-.,ΐ Trägerplatte vorgesehen sind.

-J Bei der Erfindung wird der elektrische Stroi.a von den

■■? Kathoden der ersten Zelle eines Zellenpaars durch die ^ri Trägerplatte gegen die Leitungseinrichtungen in einer : I Richtung seitlich zu dem Gesamtfluß des Stromes durch Kf die Elektrolysiervorrichtung geführt, wobei der Strom '■-■■ dann durch die Leitungseinrichtungen geht und durch ι ο f; die Trägerplatte zu den Anoden seitlich zu der Richtung

des Gesamtflusses des Stromes. Die bipolare Elektrolysiervorrichtung besitzt eine Trägerplatte mit einem anodischen Teil und einem getrennten kathodischen Teil, von den Anoden und den Kathoden abgesetzte Leitungseinrichtungen, so daß der elektrische Strom von der Kathode der ersten Zelle seitlich zu der Richtung des Gesamtflusses des elektrischen Stroms durch die Zelle zu den Leitungseinrichtungen und dann durch die Leitungseinrichtungen fließt und anschließend seitlich zu der Richtung des gesamten Flusses des Stroms zu den Anoden der sich anschließenden Zelle.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Abbildungen näher erläutert, wobei die Abbildungen folgendes zeigen

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer bipolaren Elektrolysiervorrichtung;

Fig.2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht in Richtung der Anoden einer einzelnen Zelle der Elektrolysiervorrichtung von F i g. 1;

Fig.3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht in Richtung der Kathoden einer einzelnen Zelle der Elektrolysiervorrichtung von F i g. 1;

Fig.4 eine teilweise weggeschnittene seitliche Aufrißansicht einer bipolaren Einheit der Elektrolysier- r. vorrichtung der F i g. 1,2 und 3;

Fig.5 eine weggeschnittene Aufrißansicht einer Trägerplatte für eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der die anodischen und kathodischen Elemente in einer peripheren Wand der Elektrolysiervorrichtung vereinigt sind;

Fig.6 eine weggeschnittene Grundrißansicht einer bipolaren Einheit von einer noch anderen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 7 eine weggeschnittene Seitenansicht einer anderen bipolaren Einheit nach der Erfindung, bei der der Strom von einer Elektrode durch Mittel direkt zu den peripheren Wänden fließt und dann zu der Trägerplatte und de;· nächst benachbarten Elektrode. In F i g. 1 wird eine bipolare Elektrolysiervorrichtung so

I gezeigt und in den Fig.2 und 3 sind Einzelzellen dieser Vorrichtung dargestellt. Die bipolare Elektrolysiervorrichtung 1 hat eine Vielzahl von elektrolytischen Einzelzellen 11 bis 15, die elektrisch und mechanisch in Reihe angeordnet sind, wobei eine anodische Endzelle

II an einem Ende der Elektrolysiervorrichtung 1 und eine kathodische Endzelle 15 an dem entgegengesetzten Ende der Vorrichtung 1 vorhanden ist. Zwischen den Zellen 11 und 15 liegen die anderen Zellen 12 bis 14.

Am Kopf der Elektrolysiervorrichtung 1 befinden sich die Solebehälter 21. Die Sol* wird von einem Sammelrohr 25 durch die Soleleitungen 23 zu den Solebehältern 21 und von dort zu den einzelnen elektrolytischen Zellen 11 bis 15 gefördert. Die Solebehälter 21 nehmen auch Chlorgas aus den Einzelzellen 11 bis 15 durch die Leitungen 31 auf und geben das Chlorgas durch die Chlorleitungen 27 an die Chlorsammelleitung 29 ab. Wasserstoff wird aus den Einzelzellen 11 bis 15 durch die Wassei Stoffleitungen 33, die zu der Wasserstoffsammelleitung 35 führen, abgeführt Ein flüssiges Katholytprodukt wird aus den Zellen durch die Einrichtung zur Isolierung des Katholyten abgetrennt, zum Beispiel durch bekannte Einrichtungen zur Entfernung der Zellflüssigkeit, wie Rohre oder Ablaufrinnen. Bei dem Katholytprodukt kann es sich zum Beispiel um eine Zellflüssigkeit handeln, die Kaliumchlorid und Kaliumhydroxid in einer Diaphragmazelle enthält, der Kaliumchlorid zugeführt wird. Ein anderes katholytisches Produkt kann eine Zellflüssigkeit sein, die Natriumchlorid und Natriumhydroxid in einer Diaphragmazelle enthält, der Natriumchlorid als Ausgangsstoff zugeführt wird. Ein weiteres katholytisches Produkt kann Natriumhydroxid in einer Zelle mit einer permionischen Membran sein, der Natriumchlorid als Ausgangsstoff zugeführt wird. Der Abgang des katholytischen Produkts wird in einem Trog oder einer Wanne für die Zellflüssigkeit gesammelt

Beim Betrieb einer bipolaren Elektrolysiervorrichtung fließt ein elektrischer Strom von den Anoden der ersten elektrolytischen Zelle durch den Elektrolyten zu den Kathoden der ersten elektrolytischen Zelle, wobei sich Chlor an den Anoden, Wasserstoff an den Kathoden und Alkalihydroxid in der Katholytflüssigkeit bildet. Der elektrische Strom fließt dann von der Kathode der ersten Zelle zu den Anoden der nächsten benachbarten Zelle der Elektrolysiervorrichtung.

Bei dem Verfahren der Erfindung ist der Fluß des elektrischen Stroms typischerweise vier Richtungsänderungen unterworfen. Der Strom ändert zuerst seine Richtung von der allgemeinen Richtung des Stromflusses von einer Zelle zu der anderen Zelle, das heißt, von dem Vektorfluß des Stromes in eine seitliche Richtung dazu. Zweitens, wenn der elektrische Strom eine Leitungseinrichtung erreicht, die nachher noch genauer beschrieben werden wird, ist die Richtung des Stromflusses im allgemeinen parallel zu dem vektoriellen Fluß. Drittens, wenn der Strom von der Leitungseinrichtung zu dem anodischen Element der Trägerplatte fließt, ändert er erneut seine Richtung in eine Richtung seitlich oder quer zu dem vektoriellen Fluß des Stroms. Viertens, wenn der Strom in die Anode der nächsten benachbarten Zelle der Elektrolysiervorrichtung eintritt, kehrt er zurück in die Richtung des vektoriellen Flusses des Stroms. In dieser Weise wird ein indirekter Weg für das Fließen des elektrischen Stroms geschaffen.

Unter der vektoriellen Richtung bzw. Vektorrichtung des Stromflusses wird die Richtung des Stromflusses von der anodischen Halbeinheit am einen Ende der Elektrolysiervorrichtung zu der kathodischen Halbeinheit an dem entgegengesetzten Ende der Elektrolysiervorrichtung verstanden.

Die Änderung der Richtung von der Kathode durch das kathodische Element der Trägerplatte zu der Leitungseinrichtung bzw. dem Leiter wird dadurch erreicht, daß man den Strom durch abgesetzte Leitereinrichtungen führt, die durch das kathodische Element der Trägerplatte zu dem anodischen Element der Trägerplatte führen. Während des Flusses durch das kathodische Element der Trägerplatte fließt der Strom seitlich zu der vektoriellen Richtung des Stromflusses. Die Richtung des Flusses des Siroms durch die Leitungseinrichtungen ist im allgemeinen die vektorielle Richtung des Stromflusses durch die Zelle. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Strom entweder durch periphere Wände der Elektrolysiervorrichtung zu den

anodischen Elementen der Trägerplatte fließt, wobei abgesetzte Leitungseinrichtungen innerhalb des Zellkörpers vorhanden sind, die die Anoden und Kathoden über periphere Wände verbinden.

Beim Verlassen des Leiters wird der Strom veranlaßt, zu den Anoden der nächst benachbarten Zelle seitlich zu der vektoriellen Richtung des Stromflusses zu fließen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Strom veranlaßt werden, von den Kathoden durch elektrische Einrichtungen zu fließen, die die Kathode und den Rückschirm der Kathode direkt mit den peripheren Wänden der Zelle verbinden und von den peripheren Wänden der Zelle seitlich durch die Anodenelemente der Trägerplatte zu den Anoden der nächsten benachbarten Zelle der Elektrolysiervorrichtüng.

Die Trägerplatte 51 hat anodische 81 und kathodische 53 Elemente. Bei der Erfindung sind die anodischen 81 und kathodischen 53 Elemente der Trägerplatte elektrisch voneinander über einen Hauptteil ihrer Flächen isoliert Das bedeutet, daß sie im Abstand voneinander angeordnet sind und nur in beschränkten Bereichen in elektrischem Kontakt miteinander stehen. Typischerweise können entgegengesetzte Seiten der Teile der Elemente, die dem Elektrolyten ausgesetzt sind, voneinander im Abstand angeordnet sein oder es können entgegengesetzte Seiten der die Elektrode tragenden Teile der Elemente der Trägerplatte im Abstand voneinander angeordnet sein. Der elektrische Kontakt erfolgt durch abgesetzte Leiter, wobei diese innerhalb der Trägerplatte oder der peripheren Wände der Elektrolysiervorrichtung angeordnet sein können.

Die Trägerplatte 51 schließt von den Anoden 91 und den Kathoden 61 abgesetzte Leitungsmittel bzw. Leiter ein. Diese sind so gestaltet, daß der Strom zuerst seitlich gegenüber dem gesamten vektoriellen Stromfluß durch die Elektrolysiervorrichtung fließt, dann parallel im Verhältnis zu dem gesamten vektorieüen Stromfluß durch die Elektrolysiervorrichtung und zum Schluß seitlich zu dem gesamten vektoriellen Stromfluß durch die Elektrolysiervorrichtung zurück zu der Kathode.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in den F i g. 2,3 und 4 erläutert. Diese Vorrichtung besitzt eine bipolare Einheit 41 mit den Kathoden 61 der vorhergehenden Zelle 12 der Elektrolysiervorrichtung 1, die Anoden 91 der darauffolgenden Zelle 13 der Elektrolysiervorrichtung 1 und eine periphere Wand 43. Es werden auch die Kathoden 61 der folgenden Zelle 13 der Elektrolysiervorrichtung 1 gezeigt

Das anodische Element 81 der bipolaren Einheit schließt ein Stahlglied 85 und ein Titanglied 83 ein. Die beiden Glieder 85 und 83 können durch Explosion miteinander verbunden sein. Das kathodische Element schließt ein Stahlglied 53 und ein Kompressionsglied 55, das mit dem Stahlglied durch eine Schweißverbindung 73 verbunden ist, ein. Die Kathoden 61 schließen Kathodenfinger 63, Kathodenbasen 67, Kathodenstifte 65 and einen kathodischen Rückschirm 69 ein.

Die Kompressionsemrichtmig 55, das heißt eine Platte oder ein Blatt ist auf die Stahloberfläche 85 der anodischen Einheit 81 geschweißt und hält in dieser Weise die kathodische Einheit 53 an der Stahloberfläche 85 der anodischen Einheit 81. Wie ans den F i g. 2,3 und 4 hervorgeht, fließt der elektrische Strom von den Kathoden 61 durch die Stifte 65 zn den kathodischen Gliedern 53 der Trägerplatte 51, wo seine Richtimg geändert wird in eine seitliche Richtung zu dem gesamten vektoriellen Stromfluß durch die Elektrolysiervorrichtung 1. Der Wasserstoff diffundiert aber durch das kathodische Glied 53 zu einem Hohlraum zwischen dem kathodischen Glied 53 und dem ', anodischen Glied 85. Von dort wird er an die Atmosphäre abgegeben. Der Strom fließt dann durch das kathodische Teil 53 der Trägerplatte 51 zu der Schweißverbindung 73. Danach fließt der Strom durch die Verbindung 73 in einer Richtung parallel zu dem

ίο gesamten vektoriellen Stromfluß, dann seitlich zu der Richtung des gesamten vektoriellen Stromflusses durch das anodische Element 81 der Trägerplatte 51 zu den Anoden 91.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung wird in den Fig.5 und 6 gezeigt. Die dort verwendete bipolare Einheit 4! besitzt eine Anode 91, die irr. Abstand von dem anodischen Element 81 der Trägerplatte 51 auf einem Träger 87 angeordnet ist und eine Kathode 63, die im Abstand von dem kathodischen

2(i Element 53 der Trägerplatte 51 auf einem Träger 71 angeordnet ist. Die Kathode 63 kann ein Diaphragma oder eine Membran 75 besitzen.

Die Trägerplatte 51 schließt ein anodisches Glied 81 entweder aus Stahl 85 oder aus Titan 83 ein, wobei das

2-, Titan 83 dem Anolyten ausgesetzt ist oder es besteht in einer alternativen Ausbildungsform nur aus Titan. Die bipolare Einheit 41 schließt außerdem eine periphere Wand 43 ein. Elektrischer Strom geht von der Kathode 63 durch den Träger 71 zu der kathodischen Einheit 53,

so dann seitlich zu der peripheren Wand 43, durch die periphere Wand 43 als ein abgesetzter Leiter von den Anoden 91 und Kathoden 61 zu dem anodischen Element 81 der Trägerplatte, danach seitlich durch das anodische Element 81 der Trägerplatte 51 zu dem

r, Anodenträger 87 und dann zu den Anoden 81. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 ist infolgedessen die periphere Wand 43 die Leitungseinrichtung der elektrolytischen Zelle.
Zusätzlich kann eine isolierende Wand oder Sperre 101 zwischen dem anodischen Glied 81 und dem kathodischen Glied 53 der Trägerplatte 51 vorhanden sein.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den F i g. 7 und 8 dargestellt. Der Elektrodenträger kann s im Abstand von der Trägerplatte 51 angeordnet sein und sich von einer peripheren Wand 43 zu der entgegengesetzten peripheren Wand 43 erstrecken. Die bipolare Einheit 41 schließt eine Anode 91 und eine Kathode 61 ein, die durch eine Eisen-Titan-Trägerplatte

so 51 getrennt sind und von einer peripheren Wand 43 umgeben werden. Die Kathode 63 wird von einem Trägerglied 71 getragen, das sich nach außen von der Trägerplatte 51 erstreckt, wogegen die Anode 91 mit dem leitenden Träger 111 verbunden ist, der sich im Abstand von der Trägerplatte 51 befindet und sich von der peripheren Wand 43 zu der entgegengesetzten peripheren Wand 43 erstreckt Bei der in den F i g. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform ist der Leiter 111 mit einem Gleichrichtennetafl beschichtet, zum Beispiel ein

eo mit Titan umkleidetes Kupfertefl, das sich vom Kopf 43 der Zelle bis zn dem Boden erstreckt, wobei es ein Glied 87 besitzt, das die Anode 91 trägt Der elektrische Strom fließt von der Kathode 63 der Zelle 12 zu der Trägerplatte 51, von dort ab in einer seitlichen Richtung zu dem gesamten vektorieüen FIuB zu der peripheren Wand 43 und durch die periphere Wand 43 zu dem leitenden Träger 111 und dann durch diesen Träger 111 zn der Anode 91 der nächsten benachbarten Zelle 13 der

Elektrolysiervorrichtung 1.

Bei der Erfindung sind die anodischen und kathodischen Elemente der Trägerplatte elektrisch voneinander auf einem größeren Teil ihrer Oberfläche isoliert, zum Beispiel zu 99% oder mehr. Sie können zusätzlich auch physikalisch voneinander getrennt sein. Zum Beispiel kann eine elektrisch isolierende Sperre, wie

Keramik oder ein Polymeres, zwischen dem anodischen Element und dem kathodischen Element der Trägerplatte angeordnet sein. Diese Sperren, wie zum Beispiel ein Polymerfilm, sollten ein ausreichend hohes Durchschlagpotential haben, um einer Spannung von 0,2 bis 0,5 Volt über einen Zeitraum von mehreren Jahren zu widerstehen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Durchführen einer Elektrolyse in einer bipolaren Elektrolysiervorrichtung durch Hindurchführen eines elektrischen Stroms von Anoden der ersten elektrolytischen Zelle durch den Elektrolyten zu Kathoden der ersten elektrolytischen Zelle, Entwickeln von Wasserstoff an diesen Kathoden und Führen des elektrischen Stroms von diesen Kathoden zu Anoden einer darauffolgenden Zelle der Elektrolysiervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß man den elektrischen Strom von den Kathoden der ersten Zelle seitlich zu dem vektoriellen Fluß des Stroms durch die Elektrolysiervorrichtung zu an der Peripherie angeordneten Leitungseinrichtungen führt und den elektrischen Strom parallel zu dem vektoriellen Fluß des Stroms durch diese Leitungseinrichtungen und dann seitiich zu dem vektoriellen Fluß des Stroms durch die Elektrolysiervorrichtung zu den Anoden der darauffolgenden Zelle fuhrt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den elektrischen Strom von den Kathoden der ersten Zelle zu einem kathodischen Element einer Trägerplatte und seitlich zu dem vektoriellen Fluß des Stroms durch die Elektrolysiervorrichtung durch dieses kathodische Element zu an der Peripherie angeordneten Leitungseinrichtungen führt und den elektrischen Strom parallel zu dem vektoriellen Fluß des Stroms durch diese Leitungseinrichtungen zu einem anodischen Element der Trägerplatte und dann seitlich zu dem vektoriellen Fluß des Stroms durch die Elektrolysiervorrichtung durch das anodische Element zu den Anoden der darauffolgenden Zelle führt

3. Bipolare Elektrolysiervorrichtung mit einer Vielzahl von elektrisch und mechanisch in Reihe geschalteten einzelnen elektrolytischen Zellen, wobei jede Zelle Anoden und Kathoden hat, die Kathoden einer Zelle von den Anoden der nächsten benachbarten Zelle durch eine dazwischen ungeordnete Trägerplatte getrennt sind, wobei die Trägerplatte ein anodisches und ein kathodisches Teil enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das anodische (81) und das kathodische Teil (53) im Abstand voneinander angeordnet sind und von den Anoden (91) und den Kathoden (61) abgesetzte Leitungseinrichtungen vorhanden sind, die die Anoden und die Kathoden über periphere Wände (43) elektrisch verbinden.

4. Bipolare Elektrolysiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das anodische (81) und das kathodische Teil (53) im Abstand voneinander angeordnet sind und von den Anoden und den Kathoden abgesetzte Leitungseinrichtungen vorhanden sind, die das anodische und das kathodische Teil der Trägerplatte (51) über periphere Wände (43) elektrisch verbinden.