DE2812055A1

DE2812055A1 - Bipolare elektrode und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2812055A1
Application number: DE19782812055
Authority: DE
Inventors: Teruo Ichisaka; Tadao Ikegami
Original assignee: Chlorine Engineers Corp Ltd
Current assignee: ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers Japan Ltd
Priority date: 1977-08-24
Filing date: 1978-03-20
Publication date: 1979-03-01
Also published as: NO149590B; NO149590C; CA1131173A; ES478950A1; DE2812055C2; SE7808921L; PT68469A; NL7808691A; JPS5435173A; ES471846A1; DK371978A; CH635369A5; NZ187650A; AU515183B2; AU3434178A; JPS5636231B2; IT1106281B; FI782582A; FI61526C; SE425009B

Description

CHLOEHiE ENGINEERS CORP., LTD.

Kasumigaseki Bldg. No. 25, Kasumigaseki 3-chome, Chiyoda-ku Tokyo, Japan

Bipolare Elektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode, die enthält oder besteht aus einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, die durch eine Trennwand voneinander getrennt sind und elektrisch und strukturell mitein·=. ander verbunden sind, die sich für die Elektrolyse einer wäßrigen Lösung eines Alkalimetallchlorids und dergl. zur Herstellung von Alkalimetallchloraten oder Alkalimetallhydroxiden und Chlor eignet, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser bipolaren Elektrode,

§09809/0844

Eine konventionelle bipolare Elektrode ist in der US-Patentschrift 3 859 197 beschrieben und sie hat den in der Figur 1 der beiliegenden Zeichnungen gezeigten Aufbau.

In der Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 ein Verbundteil, das durch Explosionsverschweißen einer Titanplatte 4 mit einer Flußstahlplatte 5verhalten wird. Das Verbundteil 1 sitzt in einer Öffnung einer Trennwand 12, die aus einem Titanblech 2 und einem Flußstahlblech 3 besteht, so daß es einen Teil der Trennwand 12 bildet. Der äußere Rand der Titanplatte 4 des Verbundteiles 1 ist an eine Öffnung in dem Titanblech 2 angeschweißt und der äußere Randabschnitt der Flußstahlplatte 5 ist an eine Öffnung in dem Flußstahlblech 3 angeschweißt.

Die Titanplatte 4 des Verbundteiles 1 ist an einer Anodenplatte 7 angeschweißt, deren Substrat aus Titan besteht, über einen Titan-Abstandhalter 6, der an die Platte 4 angeschweißt ist, und die Flußstahlplatte des Verbundteiles 1 ist an eine Kathodenplatte 9 angeschweißt über einen Abstandhalter 8 aus Flußstahl, der an die Platte 5 angeschweißt ist. Auf diese Weise sind die Anodenplatte 7 und die Kathodenplatte 9 elektrisch und strukturell über das Verbundteil 1 miteinander verbunden, so daß eine bipolare Elektrode mit

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einem Anodenabteil 10 und einem Kathodenabteil 11 entsteht«

Bei den konventionellen bipolaren Elektroden dieses Typs sind die Änodenplatte und die Kathodenplatte über Abstandhalter mit der Trennwand oder dem Verbundteil verbunden,. Da die Abstandhalter zuerst an beide Oberflächen der Trennwand oder des Verbund«= teiles angeschweißt und dann die Anodenplatte und die Kathodenplatte an die fixierten Abstandhalter angeschweißt werden^ ist es schwierig^ die Anoden= platte und die Kathodenplatte in horizontalen <> einheitlichen bzw« gleichmäßigen Ebenen zu halten« Da die Abstände zu den Elektrodenplatten zwischen dem Abschnitt der Trennwand, an dem sich das Verbundteil befindet ₃ und dem anderen Abschnitt der Trennwand differieren (ver° schieden sind)₉ besteht insbesondere die Gefahr _s daß eine Differenz in bezug auf den Zwischenelektrodenab° stand zwischen der Stelle des Abstandhalters auf dem Verbundteil und der Stelle des Abstandhalters auf der Trennwand auftritt.

Auf diese Weise bilden die Anodenplatt® und di© Katho= denplatte in konventionellen bipolaren Elektroden nan» gleichmäßige Ebenen und der Abstand zwischen ikiode tsnd Kathode, die einander gegenüber lie gen _g fcaxm. nicht gleichmäßig gehalten werden«. Die Folge davon ist, daß

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der Mangel einer ungleichmäßigen Verteilung des elektrischen Stromes auftritt.

Ein anderer Mangel besteht darin, daß die Anode und die Kathode nicht nahe genug zueinander gebracht werden können, da die Ebenen der Anodenplatte und der Kathodenplatte ungleichmäßig sind, so daß ein großer Spannungsverlust in der Elektrolysezelle auftritt.

Da die Verteilung des elektrischen Stromes ungleichmäßig ist, kann ferner keine gleichmäßige Reaktion an der Anode oder Kathode stattfinden, sondern die Reaktion läuft an bestimmten Stellen heftig ab, was zu lokalisierten Erhitzungseffekten führt. Dadurch wird die Lebensdauer (Gebrauchsdauer) der Elektroden abgekürzt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine bipolare Elektrode zu entwickeln, die frei von den£orstehend beschriebenen Mangeln bzw. Nachteilen ist und in der die Anodenplatte und die Kathodenplatte horizontale, einheitliche bzw. gleichmäßige Ebenen bilden; Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen bipolaren Elektrode anzugeben.

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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine bipolare Elektrode, die gekennzeichnet ist durch (a) einen Elektrodenrahmen, (b) eine an den Elektrodenrahmen angeschweißte Trennwand mit einer Verbundstruktur aus einem Anodenseiten-Blech und einem Kathodenseiten=Blech₉ (c) eine auf der Anodenseite der Trennwand angeordnete Anoden» platte, (d) eine auf der Kathodenseite der Trennwand angeordnete Kathodenplatte und (e) elektrisch leitende Abstandhalter, die mit beiden Enden an die AnodenpÜte und das Anodenseiten-Blech der Trennwand bzw. an die Kathodenplatte und das Kathodenseiten»Blech der Trennwand angeschweißt sind, wobei jeder der elektrisch leitenden Abstandhalter aus zwei Elementen besteht ₉ die zwischen der Anodenplatte bzw. der Kathodenplatte und der Trennwand aufeinander liegen und anöden- aufeinanderliegender Oberflächen verschweißt sind_s so daß die Anodenplatte und die Kathodenplatte in Form von horizontalen, gleichmäßigen Ebenen vorliegen»

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen*^

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer bipolaren Elektrode gemäß dem Stand der Technikj

Fig. 2 eine partielle Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen bi» polaren Elektrode und

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Fig. 3 ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einer bipolaren Elektrode, die besteht aus (a) einem Elektrodenrahmen, (b) einer an den Elektrodenrahmen angeschweißten Trennwand mit einer Verbundstruktur aus einem Anodenseiten-Blech und einem Kathodenseiten-Blech, (c) einer auf der Anodenseite der Trennwand angeordneten Anodenplatte, (d) einer auf der iähodenseite der Trennwand angeordneten Kathodenplatte und (e) elektrisch leitenden Abstandhalter, die mit beiden Enden an die Anodenplatte und das Anodenseiten-Blech der Trennwand bzw. an die Kathodenplatte und das Kathodenseiten-Blech der Trennwand angeschweißt sind, wobei jeder der elektrisch leitenden Abstandhalter aus zwei Elementen besteht, die zwischen der Anodenplatte bzw. der Kathodenplatte und der Trennwand aufeinander liegen und an den übereinander liegende! Oberflächen, verschweißt sind, so daß die Anodenplatte und die Kathodenplatte^r in Form von horizontalen, gleichmäßigen Ebenen vorliegen, sowie in einem Verfahren zur Herstellung einer solchen bipolaren Elektrode.

Die Fig. 2 zeigt eine partielle Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode. In der Fig. 2 stellt die Bezugsziffer 17

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einen bildrahmenartigen Elektrodenrahmen dar₂ der beispielsweise aus Flußstahl besteht„ Der Elektroden·= rahmen kann auch aus Titan bestehen_o Eine Trennwand 12 hat eine Verbundstruktur aus einem Anodenseiten=Bleeh 2 und einem Kathodenseiten-Blech 3_O Die Trennwand 12 ist an den Elektrodenrahmen 17 angeschweißt„ Ein Ab° schnitt 2^S des Anodenseiten=Bleches 2 ist an dem Elektrodenrahmen 17 befestigte Die Abschnitte 2 und 2^fl können ein einziges zusammenhängendes Blech bilden_o Bei einem Verbundteil 13 handelt es sich um ein Brei= schichten«Material aus einem Abschnitt 14 aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metallegierung₉ wie es (sie) für das Anodenseiten~Blech verwendet wird,, Z₀B₀ aus einem Metalle, wie Titan oder einer Titanlegierung _s einem Abschnitt 15 aus einem elektrisch leitenden .Materials das gegen Wasserstoffatom-Wanderung beständig ist, z.Bo aus Kupfer₉ GoId₉ Zinn₉ BIeI₂, Wickel,, Kobalt_s Chrom, Wolfram^ Molybdän und Kadmium und Legierungen dieser Metalle, und einem Abschnitt 16 aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metallegierung^ wie ©s (si©) für das Kathodenseiten^Blech verwendet wird_s Z₀B₀ ans Flußstahl oder dergl₀

Bei der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode unterliegt die Struktur des Verbundteiles oder das ¥@rfaferen gu seiner Herstellung keiner Beschränkung und die wr=> liegende Erfindung ist auch auf eine Struktur'anwendbar_s wie sie .in 'Fig, 1 gezeigt istj, bei der das Verbundt@il

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durch Einschub mit der Trennwand verbunden ist. Da die Bifferenz in bezug auf den Zwischenelektrodenabstand zwischen dem Abschnitt der Trennwand, in dem das Verbundteil vorliegt, und dem anderen Abschnitt der Trennwand in der in Fig. 2 gezeigten Struktur groß ist, ist jedoch die erfindungsgemäße Struktur besonders wirksam.

Eine Anodenplatte 7 und eine Kathodenplatte 9 sind so" angeordnet, daß sich dazwischen eine Trennwand 12 befindet. Die Anodenplatte 7 und das Anodenseiten-Blech 2 der Trennwand sind über einen elektrisch leitenden Abstandhalter 18 miteinander verbunden, wobei letzterer aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metallegierung bestehen kann, wie es (sie) für das Anodenseiten-Blech oder das Anodenplattensubstrat verwendet wird, dessen beide Seiten daran angeschweißt sind; entsprechend sind die Kathodenplatte 9 und das Kathodenseiten-Blech 3 der Trennwand 12 über einen elektrisch leitenden Abstandhalter 21 miteinander verbunden, der aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metallegierung bestehen kann, wie es (sie) für das Kathodenseiten-Blech oder die Kathodenplatte verwendet wird, wobei beide Enden daran angeschweißt sind. Damit die Anodenplatte 7 und die Kathodenplatte 9 horizontale, einheitliche bzw. gleichmäßige Ebenen bilden können, ist der elektrisch leitende Abstandhalter 18 unterteilt in ein Element 19, das an das Anodenseiten-Blech 2 angeschweißt wird, und

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ein Element 20, das an die Anodenplatte 7 angeschweißt wird, die beide aufeinander liegen und an den übereinander- · liegendei Oberflächen verschweißt sind. In entsprechender Weise ist der elektrisch leitende Abstandhalter 21 unterteilt in ein Element 22, das an das Kathodenseiten-Blech 3 angeschweißt wird, und ein Element 23, das an die Kathodenplatte 9 angeschweißt wird, die übereinander liegenund'anden übereinänderliegendoi Oberflächen verschweißt werden. Durch Unterteilung jedes Abstandhalters und Verschweißen der übereinander liegenden getramten Abstandhalterelemente unter Einstellung der Position des Teils, der an die unterteilten Abstandhalter angeschweißt werden soll, können die Anodenplatte und die Kathodenplatte als horizontale, gleichmäßige bzw. einheitliche Ebenen ausgebildet werden.

Die unterteilten Abstandhalter können verschiedene Gestalten haben. Vom Standpunkt der mechanischen Festigkeit aus betrachtet ist es bevorzugt, daß die Abstandhalterelemente 19 und 22, die an das Anodenseiten-Blech und das Kathodenseiten-Blech 3 angeschweißt werden, L-förmig sind und daß die anderen Abstandhalterelemente 20 und platten-förraig sind, wie in der Fig. 2 dargestellt.

Das Substrat der Anodenplatte 7, die Anodenseiten-Bleche 2 und 2* und der elektrisch leitende Abstandhalter 18 auf der Anodenseite bestehen aus einem Material, wie, ' z.B. Titan, das gegenüber der Anolytlösung korrosions-

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beständig ist.Dad3S Anodenseiten-Blech 2' in dem Abschnitt, der mit dem Elektrodenrahmen 17 in Kontakt steht, zur Korrosion in kleinen Röstspälten - nexgt, ist es zweckmäßig, das Anodenseiten-Blech 2¹ aus einer Palladium enthaltenden Titanlegierung oder aus Titan zu fertigen, dessen Oberfläche beispielsweise einer Diffusionsbehandlung mit Palladium unterworfen worden ist. Die Kathodenplatte 9, das Kathodenseiten-Blech 3 und der elektrisch leitende Abstandhalter 21 auf der Kathodenseite bestehen aus einem Material, wie z.B. Flußstahl, das (der) gegenüber der KafojIytlösung korro-sionsbeständig ist.

Insbesondere enthält oder besteht die Anodenplatte bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung aus einem Substrat aus einem antikorrosiven Metall oder einer antikorrosiven Metallegierung und einem auf die Oberfläche desselben aufgebrachten elektrisch leitenden Überzug. Ein geeignetes Substratmetall oder eine geeignete Substratmetallegierung ist in der Regel Titan, es können aber auch Tantal, Niob, Hafnium und Zirkonium sowie Legierungen, in denen eines oder mehrere dieser Metalle vorherrschen, verwendet werden. Zu geeigneten Materialien für die Kathodenplatte bei den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gehören elektrisch leitende Metalle, die bei ihrer Verwendung als Kathode gegen chemische Korrosion beständig sind.

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Als Kathodenplatte können Metalle, wie Eisen, Aluminium, Nickel, Blei, Zinn und Zink, Legierungen dieser Metalle und Legierungen, wie Flußstahl, rostfreier Stahl, Bronze, Messing, Monel und Gußeisen,verwendet werden, wobei im allgemeinen Flußstahl verwendet wird. Zu geeigneten Materialien für das Anodenseiten-Blech_? die verwendet werden können, gehören die gleichen Metalle oder Metallegierungen, wie sie für das Substrat der Anodenplatte verwendet werden, z.B. Titan, Tantal, Niob, Hafnium, Zirkonium und Legierungen davon. Zu geeigneten Materialien für das Kathodenseiten-Blech, die verwendet werden können, gehören die gleichen Metalle oder Metallegierungen, wie sie für die vorstehend beschriebene Kathodenplatte verwendet werden»

Das einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode ist dadurch gekennzeichnet, daß man

i) eines von zwei elektrisch leitenden Abstandhalter·» elementen an vorher festgelegte Teile des Kathoden·» seiten-Bleda es und des Anodenseiten-Bleches einer Trennwand anschweißt,

ii) den Randabschnitt des Kathodenseiten-Bleches an einen Mittelabschnitt des Elektrodenrahmens anschweißt,

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.ij¹ C^s AaodGiigaiLiGS^BiGclii auf das Eatliedenseit Elseli üsSZägi; Έηύ des. Ea^iabselinitE; des Aso

J:ji,^:i;l^äir2,S^l3

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halterslesient_D üas an siae tseIkss¹ festgslsgts Stalls des Anodsneeiten-EIselies 2 g®schweißt werden solle Obgleich in der Fig₉ 3 nicht siargsste Ht₀ wird auch eis L-förmigeSj elektrisch leitendes Abstandhaltsrelesaeiat an sins -^©riier festgelegte Stella des KatliodeassiteB=Slssli©s 3 aage-* schweißt, Caian wird der laadabselmitt dss Kathodenseiten-Bleclies 3 aneiaan Mitt^iabsclir/itt ©inas Elektrodenrabmens angeschweißt ^nd das KS.sden?siiG£i=21s©b,""2 "-jird auf das

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Kathodenseiten-Blech 3 aufgelegt und der Randabschnitt des Anodenseiten-Bleches 2⁸ wird an dem Randabschnitt des Elektrodenrahmens 17 befestigt«

Ein wefceres platten-förmiges ₉ elektrisch leitendes Abstandhalterelement 20 wird mittels einer Lehre 24 festgehalten, um seine Stirnfläche horizontal zu -.halten^ und auf das elektrisch leitende Abstandhalterelement aufgelegt _s danach wird die darüber liegende Oberfläche angeschweißt. Obgleich in der ^±g_o 3 nicht dargestellt ₉ wird auf die gleiche Weise auch ein ρlatten-förmiges, elektrisch leitendes Abstandhalterelement auf der Kathoden·= seite befestigt. Anschließend werden die Anodenplatte und die Kathodenplatte an eine Stirnfläche des plattenförmigen elektrisch leitenden Abstandhalterelementes ange s chwe iß t.

Da in der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode die Anoden= platte und die Kathodenplatte als horizontale₉ einheitliche Ebenen ausgebildet werden können ₉ kann der Abstand.zwischen der Anode und der Kathode ₉ die einander gegenüber liegen*, konstant gehalten werden und es kann eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stromes erzielt werden«. Da die Anode und die Kathode₉ die einander gegenüber liegen^ näher zueinander gebracht werden können^ kann fsraer eine ausreichende Herabsetzung der Spannung <srzi©lt werden,, Da eine gleichmäßige Verteilung des elektrischen Stromes

erhalten werden kann, läuft außerdem eine gleichmäßige Elektrodenreaktion auf der gesamten Oberfläche der Elektrode ab und es entsteht kein lokaler Erhitzungseffekt, wodurch die Lebensdauer (Gebrauchsdauer) der Elektrode verlängert werden kann.

Nach dem erf indungs gemäß en Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrode ist es möglich, auf einfache und zuverlässige Heise eine bipolare Elektrode mit einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte, die in Form von horizontalen, einheitlichen bzw. gleichmäßigen Ebenen ausgebildet sind, herzustellen.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich,daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch"der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER DIPL-ING. H. KINKEUDEY DR-ΙΝα W. STOCKMAIR 2812055 DR.INa-Arf-W.LTBW K. SCHUMANN P. H. JAKOB DlFU-INS G. BEZOLD DRRERNAC-D(PL-CHaA 8 MÜNCHEN MAXIMILIANSTRASSE P 12 498 PATENTANSPRÜCHE

1. Bipolare Elektrode, gekennzeichnet
durch

a) einen Elektrodenrahmen (17),

b) eine an den Elektrodenrahmen (17) angeschweißte
Trennwand (12) mit einer Verbundstruktur aus
einem Anodenseiten-Blech (2) und einem Kathodenseiten-Blech (3),

c) eine auf der Anodenseite (2) der Trennwand (12)
angeordnete Anodenplatte (7),

d) eine auf der Kathodenseite (3) der Trennwand (12) angeordnete Kathodenplatte (9) und

e) elektrisch leitende Abstandhalter (18, 21), die mit beiden Enden an die Anodenplatte (7) und das Anoden-

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TELEFON (OSB) 239809 TELEX 05-30380 TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIGREFi.

ORIGINAL INSPECTED

seiten-Blech (2) der Trennwand (12) bzw. an die Kathodenplatte (9) und das Kathodenseiten-Blech (3) der Trennwand (12) angeschweißt sind, wobei jeder der elektrisch leitenden Abstandhalter (18, 21) aus zwei Elementen (19, 20; 22, 23) besteht, die zwischen der Anodenplatte (7) bzw· der Kathodenplatte (9) und der Trennwand (12) über-

auf-

einander liegen und an den^einanderliegenden Oberflächen verschweißt sind, so daß die Anodenplatte (7) und die Kathodenplatte (9) horizontale, glatte Ebenen bilden.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes Abstandhalterelement (19; 22), das an das Anodenseiten-Blech (2) bzw. das Kathodenseiten-Blech (3) angeschweißt ist, eine L-Forra hat und daß das andere elektrisch leitende Abstandhalterelement (20; 23) die Form einer Platte hat.

3. Elektrode nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat der Anodenplatte (7), das Anodenseiten-Blech (2) und das elektrisch leitende Abstandhalterelement (18) auf der Anodenseite jeweils aus Titan bestehen und daß die Kathodenplatte (9) das Kathodenseiten-Blech (3) und das elektrisch leitende Abstandhalterelement (21) auf der Kathodenseite jeweils aus Flußstahl bestehen.

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4® Elektrode nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis S₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß der Abschnitt (2°) des Anodenseiten^Bleehes (2)₉ der mit dem Elektrodenrahmen (Ij) in- Kontakt steht ₉ aus einer Palladium enthaltenden Titanlegierung oder aus Titan besteht ₉ des selber ■= fläche einer Diffus ionsbehand lung mit Palladium unter= gogen worden ist_o

5_e Verfahren sur Herstellung der bipolaren Elektroden nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4_S dadurch gekenn~ zeichnetρ daß man

1) eines der beiden elektrisch leitenden Abstandhalterelemente an vorher festgelegte Teile des Kathoden= seiten^Bleches "und des Anodenseiten^Bleches der Trenn= wand anschweißte,

iii) das Anodenseiten=Blech auf das Kathodenseiten» Blech auflegt raid den Bandabschnitt des Anoden·= seit©n=Bleches an dem Rand des Elektrodenrahmens fixiert_s

iv) das andere elektrisch leitende Abstandhalterelement auf das zuerst genannte Elektrodenabstandhalter° ©lement so auflegt ₉ daß die Stirnfläche des elektrisch leitenden Abstandhalterelementes ■

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horizontal ist, und es an den darüber liegenden Oberflachen ans chwe ißt, und

v) die Anodenplatte und die Kathodenplatte jeweils an eine Stirnfläche des anderen Elektrodenabstandhalterelementes anschweißt.

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