DE2746332A1

DE2746332A1 - Bipolare elektrolytische zelle

Info

Publication number: DE2746332A1
Application number: DE19772746332
Authority: DE
Inventors: Derek Arthur Burton; Geoffrey Reginald Sherfield; Stuart Mcleish Wheatley
Original assignee: A Johnson and Co London Ltd
Current assignee: A Johnson and Co London Ltd
Priority date: 1976-10-15
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1978-04-20
Also published as: FR2367835A1; AU507711B2; JPS5538431B2; JPS5348973A; GB1529989A; AU2928877A; IT1084890B; FR2367835B1; NL7709869A; US4140616A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Zellen und betrifft insbesondere eine bipolare elektrolytische Zelle.

Durch die Erfindung ist eine bipolare elektrolytische Zelle geschaffen worden, die eine Reihe von durch Abstände getrennten Elektroden aufweist, zu denen mindestens eine bipolare Zwischenelektrode gehört; hierbei ist die Reihe von Elektroden nicht in einem Gehäuse angeordnet, dessen Innenraum gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen ist; ferner sind ein Einlaß zum Zuführen einer Elektrolytflüssigkeit und ein Auslaß zum Abführen behandelter Flüssigkeit vorhanden; die Zelle ist so ausgebildet, daß von dem Einlaß aus Flüssigkeit zu dem Auslaß strömen kann, und zwar längs eines Strömungswegs, längs dessen sie nacheinander sämtliche Räume zwischen den Elektroden der Reihe durchströmt, wobei die Flüssigkeit in jedem Fall über die ihr zugewandten Flächen der beiden Elektroden hinwegströmt, durch die der betreffende Raum abgegrenzt ist; die erfindungsgemäße Zelle ist

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dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite jeder Elektrode mit einem überzug aus einem elektrisch isolierenden Material versehen ist.

Die erfindungsgemäße Zelle könnte z.B. zum Elektrolysieren einer Natriumchloridlösung oder von Seewasser zur Erzeugung von Natriumhypochlorit und Wasserstoff benutzt werden.

Der Ausdruck "bipolar" bezeichnet üblicherweise eine Elektrode, bei der eine Fläche als Anode und die davon abgewandte Fläche als Kathode zur Wirkung kommt, und solche Elektroden enthaltenden Zellen werden als bipolare Zellen bezeichnet. Eine erfindungsgemäße Zelle könnte unter RUckumwälzung des Elektrolyts betrieben werden.

Die bzw. jede bipolare Zwischenelektrode könnte eine mit einer Kathode zusammenhängende Anode aufweisen, d.h. es ist kein Körper aus einem elektrisch isolierenden Material vorhanden, auf dessen Außenseite ein elektrisch leitendes Material in Form einer Schicht aufgebracht ist. Hierbei könnte man jedoch das elektrisch leitende Material für die bzw. jede bipolare Zwischenelektrode in der Weise herstellen, daß man ein elektrisch leitendes Material mit einem elektrisch isolierenden Material mischt. Beispielsweise könnte man einen Kunststoff verwenden, der in allen Teilen mit Kohlenstoff-Fasern verstärkt ist. Wenn bei der bzw. jeder bipolaren Zwischenelektrode eine Kathode und eine Anode miteinander zusammenhängend ausgebildet sind, könnte man alternativ auch Graphit oder ein Metall verwenden, wobei eine Verkleidung dazu dient, den Graphit bzw. das Metall gegen den Elektrolyt zu schützen, und wobei die Verkleidung gegenüber einem chemischen Angriff widerstandsfähiger ist als der Graphit bzw. das Metall.

Die Reihe von Elektroden könnte stehend angeordnet sein. Hierbei befindet sich der Einlaß vorzugsweise am unteren Ende der Zelle und der Auslaß am oberen Ende. Die Zelle ist außerdem vorzugsweise so aufgebaut, daß der genannte Strömungsweg an keiner Stelle nach unten verläuft und daß sowohl

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die Unterseite der bzw. jeder Zwischenelektrode als auch die Unterseite der betreffenden oberen Elektrode gegen die Waagerechte geneigt ist. Hierbei sind ferner die oberen und unteren Flächen der bzw. jeder Zwischenelektrode gegen die Waagerechte vorzugsweise in entgegengesetzten Richtungen geneigt. Vorzugsweise ist auch die Oberseite der untersten Elektrode gegen die Waagerechte geneigt.

Der auf der Außenseite jeder Elektrode angeordnete elektrisch isolierende Überzug könnte aus einem Kunststoff, z.B. Nylon, bestehen.

Die einander nachgeschalteten Räume zwischen benachbarten Elektroden sind vorzugsweise nur durch eine Öffnung verbunden, die sich durch die die betreffenden Räume voneinander trennende Elektrode erstreckt, und längs der Ränder der Elektroden sind zwischen den benachbarten Elektroden Dichtungen angeordnet, die vorzugsweise einen unrunden Querschnitt haben. Hierbei bilden die Dichtungen vorzugsweise die einzigen Einrichtungen, durch welche die Elektroden im gewünschten Abstand voneinander gehalten werden. Ferner könnte jede Dichtung teilweise in einer zugehörigen Nut einer der gegeneinander abzudichtenden Elektroden angeordnet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen senkrechten Schnitt einer elektrolytischen Zelle nach der Erfindung.

Zu der dargestellten elektrolytischen Zelle gehört eine stehend angeordnete Reihe von 21 keilförmigen Graphitelektroden, bei der eine Anode 1 am unteren Ende der Reihe und eine Kathode 2 am oberen Ende angeordnet ist; zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 sind 19 bipolare Elektroden 3 angeordnet, bei denen jeweils die Unterseite als Kathode und die Oberseite als Anode zur Wirkung kommt. Bei jeder dieser bipolaren Elektroden sind eine Anode und eine Kathode miteinander zusammenhängend ausgebildet. Sämtliche Elektroden

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bestehen aus Graphit und haben eine kreisrunde Grundrißform; jedoch könnte man auch Elektroden mit einer anderen Grundrißform verwenden; die Elektroden 1 und 2 ähneln einander, d.h. sie weisen jeweils eine ebene Fläche auf, die im rechten Winkel zur senkrechten Achse der Reihe von Elektroden verläuft, sowie eine davon abgewandte Fläche, die gegen diese Achse unter einem von 90° verschiedenen Winkel geneigt ist. Die Elektroden 3 ähneln einander, und jede Elektrode besitzt zwei voneinander abgewandte Flächen, die gegenüber der Achse der Elektrodenreihe in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind. Bei jeder Elektrode 3 ist das dickere Ende zwischen den dünneren Enden der beiden benachbarten Elektroden angeordnet. Jede Elektrode ist mit einer durchgehenden Öffnung 4 versehen, die sich zwischen den beiden geneigten Flächen erstreckt und dem dünneren Ende der Elektrode benachbart ist. Jede der Elektroden 1 und 2 ist mit einer durchgehenden öffnung versehen, die sich zwischen den beiden Hauptflächen erstreckt und dem dünneren Ende der Elektrode benachbart ist; diese öffnungen stehen in Verbindung mit einem Einlaß 5 zum Zuführen einer Flüssigkeit bzw. einem Auslaß 6 zum Abführen der Flüssigkeit aus der Zelle.

Die stehende Reihe von Elektroden ist zwischen zwei Lagebestimmungsplatten 7 und 8 angeordnet, die dazu dienen, den Einlaß 5 in Fluchtung mit der Öffnung der Anode und den Auslaß 6 in Fluchtung mit der öffnung der Kathode zu halten; ferner wird durch die Platten 7 und 8 ein elektrischer Anschluß 9 gegenüber der Anode und ein elektrischer Anschluß 10 gegenüber der Kathode in der richtigen Lage gehalten. Die Anschlüsse 9 und 10 sind mit der Anode 1 bzw. der Kathode 2 durch Gewindestifte 11 und 12 verbunden, die in die Anode bzw. die Kathode eingeschraubt sind.

Der durch die Elektroden und die Lagebestimmungsplatten 7 und 8 gebildete Stapel ist zwischen zwei Stirnplatten 15 und 16 mit Hilfe von sechs Zuganker- und Nutteranordnungen 14 eingespannt, von denen in der Zeichnung nur eine dargestellt ist; längs der Ränder der Elektroden sind zwischen benach-

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barten Elektroden Dichtungen 13 aus einem elektrisch isolierenden Material angeordnet, und diese Dichtungen bilden die einzigen vorhandenen Einrichtungen, durch welche die Elektroden nach außen abgedichtet und in den gewünschten Abständen voneinander gehalten werden; gemäß der Zeichnung sind die Dichtungen 13 zwischen den Elektroden fest eingespannt. Im nicht zusammengedrückten Zustand könnten die Dichtungen 13 vorspringende Leisten oder dergl. aufweisen, die mit den zugehörigen Flächen der Elektroden zusammenarbeiten. Die Platten 15 und 16 sind mit einer oberen Unterstützung und einer unteren Unterstützung 18 jeweils durch vier Kopfschrauben- und Mutteranordnungen 19 bzw. 20 verbunden, von denen in der Zeichnung jeweils nur eine dargestellt ist. Zu dem Einlaß 5 und dem Auslaß 6 gehören jeweils ein Innenteil 5a bzw. 6a und ein Außenteil 5b bzw. 6b. Die Außenteile 5b und 6b stützen sich jeweils über eine Dichtung 22 bzw. 21 an den Unteretützungsteilen 18 bzw. 17 ab.

Um ein Durchbiegen der Schraubenanordnungen 14 nach außen zu verhindern, sind gemäß der Zeichnung zwei Spannschellen 24 um sie herumgelegt und mit Hilfe von Schrauben- und Mutteranordnungen 25 festgespannt, welche jeweils durch zwei einander benachbarte Abkantungen 26 an den Enden der betreffenden Spannschelle ragen. Die Schrauben der Anordnungen 14 und die Spannschellen 24 bestehen aus mit Kunststoff überzogenem Stahl.

Jede der Dichtungen 13 steht teilweise in Eingriff mit einer Nut, die sich längs des Umfangs der Oberseite der unmittelbar darunterliegenden Elektrode 3 erstreckt. Hierdurch werden die Dichtungen 13 zuverlässig in ihrer Lage gehalten. Auf ihrer Unterseite sind die Elektroden 3 nicht mit Nuten versehen.

Die Umfangsfläche jeder Elektrode 3 ist mit einem dünnen überzug aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einen Kunststoff, z.B. Nylon, versehen. Diese Überzüge 23 siad is d«r Zeichnung bezüglich ihrer Dicke Ober-

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trieben dargestellt. Die Elektroden werden einzeln mit einem Überzug 23 versehen, bevor sie zu einem Stapel vereinigt werden, wobei das Überzugsmaterial z.B. in Form eines Pulvers aufgebracht wird.

Die vorstehend beschriebene Zelle ist in einem Gehäuse 24a angeordnet, das zur Atmosphäre offen ist, so daß sich die Reihe von Elektroden 3 nicht in einem nach außen abgeschlossenen Gehäuse befindet. Die überzüge 23 dienen hierbei dazu, Spannungsüberschläge zu verhindern.

Der Elektrolyt, der von dem Einlaß 5 aus zu dem Auslaß 6 durch die Zelle geleitet wird, bewegt sich an keiner Stelle längs eines nach unten verlaufenden Strömungswegs durch sämtliche hintereinandergeschalteten Räume zwischen den Elektroden des Stapels, wobei der Elektrolyt in jedem Fall über die Hauptflächen der beiden Elektroden hinwegströmt, die den betreffenden Raum abgrenzen.

Man könnte die Arbeitsflächen sämtlicher Elektroden dadurch abändern, daß man den Graphit mit Verkleidungen versieht, die den Graphit gegen den Elektrolyt schützen und im Vergleich zu Graphit eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen die chemische Einwirkung haben, die während des Betriebs der Zelle auftritt. Statt Graphit zu verwenden, könnte man die Elektroden auch aus Metall herstellen, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, und sie zum Schutz gegen den Elektrolyt an ihren Arbeitsflächen mit Verkleidungen versehen, die im Vergleich zu dem Metall eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen chemische Wirkungen haben, welche beim Betrieb der Zelle auftreten. Solche Verkleidungen können z«B. bei der Kathode 2 und den unteren Flächen der Elektroden 3 aus Titan bestehen, während man bei der Anode 1 und den oberen Flächen der Elektroden 3 Titan verwendet, das mit einer Überzugsschicht aus Platin versehen ist. Um die Verkleidungen zuverlässig zu befestigen, kann man sie mit den Elektroden durch Schrauben verbinden und/oder sie mit ihnen mit Hilfe eines leitfähigen Klebstoffs verkleben.

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Ferner besteht die Möglichkeit, die einzelnen Elektroden aus einem Kunststoffmaterial herzustellen, z.B. einem Epoxy- oder Polyesterharz, das mit Kohlenstoff-Fasern verstärkt ist.

Der Patentanwalt:

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

11. Bipolare elektrolytische Zelle mit einer Reihe von in Abständen voneinander angeordneten Elektroden, zu denen mindestens eine bipolare Zwischenelektrode gehört, wobei die Reihe von Elektroden nicht in einem gegenüber der Atmosphäre abgeschlossenen Gehäuse angeordnet ist, einem Einlaß zum Zuführen eines flüssigen Elektrolyts und einem Auslad zum Abführen der behandelten Flüssigkeit, wobei die Zelle so aufgebaut ist, daß die Flüssigkeit von dem Einlaß aus zu dem Auslaß einen Strömungsweg passiert, längs dessen sie nacheinander sämtliche Räume zwischen benachbarten Elektroden innerhalb der Reihe durchströmt, wobei sie jeweils über die den betreffenden Raum auf entgegengesetzten Seiten abgrenzenden Flächen benachbarter Elektroden hinwegströmt, dadurch gekennzeichnet , daß die Außenfläche jeder Elektrode (1, 2, 3) mit einem Überzug (23) aus einem elektrisch isolierenden Material versehen ist.

2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder bipolaren Zwischenelektrode (3) eine mit einer Kathode zusammenhängende Anode gehört.

3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material, aus dem jede bipolare Zwischenelektrode (3) besteht, durch Mischen eines elektrisch leiten-

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ORIGINAL INSPECTED

den Stoffs mit einem elektrisch isolierenden Stoff hergestellt worden ist.

4. Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material ein in allen Teilen mit Kohlenstoff-Fasern verstärktes Kunststoffmaterial ist.

5. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material, aus dem jede bipolare Zwischenelektrode (3) besteht, Graphit oder Metall ist und mit einer Verkleidung versehen ist, die den Graphit bzw. das Metall gegen den Elektrolyt schützt und im Vergleich dazu eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen die chemische Einwirkung besitzt, die während des Betriebs der Zelle auftritt.

6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe von Elektroden (1, 2, 3) einen stehend angeordneten Stapel bildet.

7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Einlaß (5) am unteren Ende der Zelle und der Auslaß (6) am oberen Ende befindet.

8. Zelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle so aufgebaut ist, daß der Strömungsweg für den Elektrolyt an keiner Stelle nach unten verläuft, und daß die Unterseite der bzw. jeder Zwischenelektrode (3) sowie die Unterseite der obersten Elektrode (2) gegen die Waagerechte geneigt sind.

9. Zelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite und die Unterseite der bzw. jeder Zwischenelektrode (3) gegen die Waagerechte in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind.

10. Zelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der untersten Elektrode (1) gegen die Waagerechte geneigt ist.

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11. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende überzug (23) auf der Außenseite jeder Elektrode aus einem Kunststoffmaterial besteht.

12. Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial Nylon ist.

13. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinandergeschalteten Räume zwischen benachbarten Elektroden (1, 2, 3) miteinander jeweils nur durch eine Öffnung (4) verbunden sind, die sich zwischen benachbarten Räumen durch die betreffende Elektrode erstreckt, und daß Dichtungen (13) zwischen benachbarten Elektroden längs der Ränder der Elektroden angeordnet sind.

14. Zelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (13) einen unrunden Querschnitt haben.

15. Zelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (13) die einzigen Einrichtungen sind, mittels welcher die Elektroden (1, 2, 3) in den gewünschten Abständen voneinander gehalten werden.

16. Zelle nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung (13) mindestens teilweise in Eingriff mit einer zugehörigen Nut einer der Elektroden (1, 2, 3) steht.

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