DE2828892A1

DE2828892A1 - Monopolare diaphragma-elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2828892A1
Application number: DE19782828892
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Bianchi; Giovanni Meneghini; Oronzio De Nora
Original assignee: Oronzio de Nora Impianti Elettrochimici SpA
Current assignee: De Nora SpA
Priority date: 1977-07-01
Filing date: 1978-06-30
Publication date: 1979-01-11
Also published as: GB2001102A; JPS5743152B2; SE7805928L; JPS5655581A; NL7806896A; FR2401239A1; JPS562155B2; IT1114623B; FR2401239B1; GB2001102B; JPS5414374A; CA1092055A; ZA783174B; US4162953A; BE868548A; DE2828892C2

Description

PATENTANWÄLTE

München, 30. Juni 1978
M/19 146

267.079

Monopol are Diaphragma-Elektrolysezel 1 e

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PROF.'DR. DR. J. REITSTÖTTER ? i DR.-ING. WOLFRAM BUNTE /. DR. WERNER KSNZEBACH

D-8GOO MÜNCHEN AO. SAUERSTRASSE 22 ■ FERNRUF (O89) 37 öS 33 · TELEX S2152O8 ISAR D POSTANSCHRIFT: D-8OOO MÜNCHEN 43. POSTFACH 78O

ORONZIO DE NORA ΪΜΡΪΑΝΤΪ i

ELETTROCHIMICI S.p.A. j

Via Bistolfi 35 j

20134 Mailand / Italien i

^! M/19 146 IP -ST -

, 267.079

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle monopolarer j Art mit einem Diaphragma und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich eine Elektrolysezelle, die zur Elektrolyse von Al kaiimetallhalogeniden ausgelegt ist.

Seit Jahrzehnten werden monopolare Zellen mit Diaphragmen zur Herstellung vor. Halogen und Al kai imetal 1 hydroxiden aus wäßrigen Lösungen von Al kaiimetal!halogeniden eingesetzt. Solche bej kannten Zellen sind mit einer Reihe von Kathoden und Anoden - versehen_s die einander gegenüberliegend angeordnet und durch ] , ein permeabies Diaphragma, üblicherweise aus Asbestfasermaterial₉

j getrennt sind. Das Asbestfasermaterial ist durch Durchsaugen einer Suspension von Asbestfasern in einem flüssigen Medium auf einer Kathodenstruktur aus Metallsieb abgeschieden.

ι In jüngerer Zeit wurde das übliche Asbestdiaphragma in einigen ι Fällen durch kationische Membranen ersetzt, die für den Elektro-, lyten im wesentlichen nicht permeabel sind, Der Elektrolyt₃ der aus einer wäßrigen Lösung von Al kaiimetal1 haiogenid besteht, wird in das Anodenabteil eingeführt, wo sich, an der Anode Halogen formt_s während im Kathodenabteil Wasserstoff an der j Kathode entweicht und Alkalimetallhydroxid gebildet wird.

Bei permeablen Diaphragmen perkoliert der im Anodenabteil ent- > haltene Elektrolyt durch das Diaphragma in das Kathodenabteil und zwar aufgrund eines Druckunterschieds, der durch das Diaphragma aufrechterhalten wird. Eine Lösung von Alkalimetallhydroxid,' die einen bestimmten Prozentgehalt an Alkalimetallhalogenid enthält, sammelt sich im Kathodenraum. Diese Lösungen werden an- i schließend abgetrennt. '

Bei nicht-perkolierenden kationischen Membranen zirkuliert der j Elektrolyt durch das Anodenabteil, wobei seine Konzentration I

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beinahe konstant gehalten wird, und die Al kaiimetal 1 ionen werden selektiv durch die kationische Membran in das Kathodenabteil überführt«, wo sie sich mit den an der Kathode durch die Wasserelektrolyse gebildeten Hydroxyl ionen unter Bildung von Alkalimetallhydroxid vereinigen. Dieses ist in diesem Fall im wesentlichen frei von Al kai!halogenid . ^:

Zellen dieser Art und deren Betrieb sind in den US-Patentschriften 2 987 463, 3 390 072₉ 3 403 083, 3 591 483, 3 773 634 und 3 859 196 vollständig beschrieben. Auf die Offenbarung dieser Patentschriften wird hier ausdrücklich Bezug genommen. j

Derartige Zellen müssen jedoch von Zeit zu Zeit stillgelegt und demontiert werden* um das Diaphragma zu erneuern (im Mittel alle 4 bis 12 Monate) und_s falls erforderlich» auch den elektrokatalytischen überzug auf den dimensionsstabilen Titananoden- ! basen, die mit katalytischen überzügen versehen sind, welche j üblicherweise Oxide von Metallen der Platingruppe oder gemisch-!, te Oxide von Metallen der Platingruppe und von Ventilmetallen ι (valve metals) enthalten= «

Die Anoden werden üblicherweise auf den stromführenden Hebern* \ die sich vom Unterteil der Zelle nach oben erstrecken, instal- [ lierts so daß man sie leicht entfernen kann. Die Anodenstrukturen werden üblicherweise auf stromführenden Hebern oder auf Stromschienen aus Ventilmetall, beispielsweise aus Titan oder Kupfer, das mit Titan überzogen ist, montiert. Auf diesen sind die Anoden aus Sieb oder gereckten Titanplatten, welche mit einem elektrokatalytischen überzug versehen sind, durch Schweißen befestigt. Die stromführenden Heber oder Stromschienen sind mit dem Unterteil der stählernen oder kupfernen Zelle verschraubt. Das Unterteil dient als Stromverteilungsplatte an die Anoden, welche auf den stromführenden Hebern montiert sind. Die bloße Oberfläche des Unterteils im Inneren der Zelle

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ist durch eine Gummi schicht oder eine Schicht aus einem anderen korrosionsresistenten Materials wie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 591 463 erläutert_s vor Korrosion geschützt. Die Montage der Anoden auf den stromführenden Hebern, die sich vom Zellenunterteil nach oben erstrecken, erfordert eine große Anzahl an Verbindungsstellen, die dazu führen, daß an diesen Verbindungen schwache Punkte auftreten, an denen eine Zwischenraumkorrosion erfolgt und gelegentlich Undichtigkeiten auftreten, was zur Folge hat, daß das Unterteil und die Heber oder Strom- ₍ schienen₉ an welche die Anoden geschweißt sind, korrodieren. '

Kürzlich wurden expandierbare Anodenstrukturen vorgeschlagen (vgl, US-Patentschriften 3 674 676 und 3 941 676), die aus einem Spreizelement für die beiden Platten, aus elektrokatalytisch überzogenem Titan bestehen. Diese Platten sind an die mit dem Zellenunterteil verbundenen stromführenden Heber oder Stromschienen angeschweißt. Auf diese Weise können die in zurückgebogener Position auf den Hebern montierten Anoden durch einen elastischen oder Expansionseffekt expandiert werden, nachdem der Kathodenkasten auf die Basis positioniert wurde. Hierdurch wird das Anodensieb in Richtung zu den Oberflächen des Diaphragmas gedrückt. Bei einer anderen Konstruktion sind die Anoden \ auf einer vertikalen Platte_s die eine der Wände des Zellenge- \ häuses bildet, mit Hilfe von zwei oder mehreren Hebern oder ; Stromschienen, die den zuvor beschriebenen entsprechen, mon- 1 tiert. Die die Anoden bildenden gereckten Platten oder Siebe \ sind einzeln auf die Heber oder Stromschienen geschweißt. Zwi- j sehen den beiden expandierbaren Anodenplatten befindet sich ein exzentrisches System, das von außerhalb der Zelle bedienbar ist. Dieses wird dazu verwendet,, um die Anoden zu den ι Diaphragmen auf den entsprechenden Kathoden hin zu bewegen. ι Obgleich derartige Systeme die Montage der Kathoden erleichtern¹ und dazu beitragen, den endgültigen Elektrodenabstand zu ver- { ringern, weisen sie beträchtliche Nachteile auf. Diese beruhen ·

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auf dem Umstand, daß die Anoden auf dem Unterteil oder der
Seitenplatte der Zelle montiert sind. Wenn man auf dem Unterteil montierte Anoden verwendet* muß die Zelle soviele Bohrungen oder Verbindungen aufweisen₉ wie Stromschienen oder Heber
für die in der Zelle enthaltenen Anoden vorliegen. In den elektrischen Verbindungen zwischen der positiven Platte auf dem Zellenunterteil und den Hebern oder Stromschienen der Anoden, die
an der positiven Platte verschraubt sind, treten beträchtliche
Ohm'sche Stromverluste auf. Wenn es erforderlich wird, den
elektrokatalytischen überzug der Anoden zu erneuern, muß das
Anodensieb von den Hebern oder Stromschienen oder von den Spreizelementen abgenommen werden und nach dem neuerlichen überziehen' wieder an die Heber angeschweißt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrolytische _: Diaphragmazelle der monopolaren Art zu schaffen_s die mit Strom-· trägern oder Hebern versehen ist, welche mit der positiven
Platte auf dem Unterteil der Zelle permanent verbunden sind, '

mit im wesentlichen flächigen Anoden, die weder mit den Hebern | noch mit irgendeinem anderen Element der Zelle mechanisch verbunden sind. Es soll eine verbesserte Diaphragmazelle der monopolaren Art geschaffen werden, bei der die üblichen Wartungs- : stufen aufgrund der Tatsache erleichtert sind, daß die Anoden ! aus der Zelle entfernt werden können, ohne daß sie von irgend- ; einem Element der Zelle mechanisch abmontiert werden müssen. ! Es sollen auch verbesserte Anoden für Elektrolysediaphragmazellen der monopolaren Art geschaffen werden* die im wesentlichen aus flachen, perforierten oder löcherigen Platten bestehen. Es sollen monopolare Zellen mit im wesentlichen flachen,-perforierten oder löcherigen Venti!metallanodenplatten ge- j schaffen werden₉ die entfernt₃ von neuem überzogen und in sol- ι ehe Zellen wieder eingebaut werden können, ohne daß Probleme
hinsichtlich eines Aufheizens der Anoden nach jedem neuerlichen
überziehen aufgrund ungleichmäßiger thermischer Expansionsdifferenzen zwischen verschiedenen Teilen der Anoden auftreten.

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Die.Erfindung wird hauptsächlich unter Bezug auf die Elektrolyse von Alkalimetallhalogeniden beschrieben. Selbstverständ- ; lieh kann sie auch für andere Zwecke eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Zelle besteht aus einem Unterteil oder
einer positiven Platte aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder anderem

', Gerüstmaterial mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, dessen

j in Bezug auf die Zelle innere Oberfläche mit einer Platte oder j einem Mantel aus Ventilmetall, wie Titan, Tantal, Zirkonium,
Hafnium, Niob oder deren Legierungen, überzogen sein kann. [

Von der positiven Platte erstrecken sich in geeigneten Abständen angeordnete Stromträger, Stromschienen oder Heber, die vorzugsweise aus Ventilmetall oder einem anderen Konstruktions- ;

j metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, wie Eisen, Kupfer oder Aluminium gefertigt sind, welches mit einem Ventilmetall- ; mantel überzogen ist, nach oben, um Strom zu den Anoden zu

1 ei ten.

Die Stromträger sind vorzugsweise an die positive Platte angeschweißt, um eine perfekte elektrische Kontinuität sicherzustellen. Die Abdeckung aus Ventilmetall ist an die Stromträger i angeschweißt, um eine kontinuierliche Oberfläche aus Ventil- ; metall zwischen dem Abdeckmantel und den Stromträgern oder

: Hebern zu schaffen, die gegenüber dem Elektrolyt und den Elektro- ; lyseprodukten resistent ist.

Auf den Stromträgern oder Hebern sind ein oder mehrere Arme ^! : transversal zu deren Achse angeschweißt. Diese bestehen aus

biegsamen Elementen aus Ventilmetall, welche an die StromträgeH

angeschweißt sind und in der Nähe ihrer freien Enden mit geeig-j ^: neten elektrischen Kontaktoberflächen versehen sind, welche i vorzugsweise mit Edelmetall oder Legierungen von Edelmetallen, }

welche gegenüber Korrosion resistent sind und nicht passivier- i

; i

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bar sind, überzogen sind. Diese bilden den Federdruckkontakt mit den Anoden.

Der Kathodenkasten oder das Zeilengehäuse, welches die von Diaphragmen oder Membranen bedeckten Kathodenstrukturen enthält» ist auf der mit Ventilmetall überzogenen Zellenbasis gelagert. Die Kathodenstruktur ist vorzugsweise aus einer Reihe paralleler Kathoden gefertigt, die vorzugsweise aus hohlen, parallelen Fingern aus Stahl- oder Nickelsieb oder einem anderen geeigneten Kathodenmaterial bestehen und vollständig durch die j Diaphragmen oder Membranen überzogen sind. Sie steht an der j Basis dieser Finger mit der mit Diaphragma überzogenen Katholyt-; und Wasserstoffgewinnungskammer in Verbindung, die auf der ! Innenseite der Seitenwände des Zellengehäuses oder des Kathodenkastens gebildet ist. ^;

Die Stromträger und an ihnen angeschweißten Querarme sind mit ■ dem Unterteil verbunden, so daß sie zwischen den Kathoden der Zelle ausgerichtet sind. j

Die Anoden sind aus flachen_s gereckten oder löcherigen Ventilmetall piatten_s die mit einem elektrokatalytischen Oberzug versehen sind, gefertigt. Sie sind in den Zwischenräumen zwischen den Kathodenfingern und den Stromträgern oder Hebern (und den daran angeschweißten Querarmen) angeordnet und sind an ihrer ! Unterkante lose am Unterteil oder der Basis der Zelle aufge-ί stützt. ;

Wenn die Anoden zwischen den Kathodenfingern positioniert sind_s,

i werden die an die Stromträger oder Heber geschweißten Querarme

durch Verwendung von Spreizelementen oder durch die Rotation von exzentrischen Elementen oder durch Abnehmen der Halteelemente auf den elastischen Armen gegen die angrenzenden Anoder ! gedrückt, so daß die Kontaktoberflächen der Querarme gegen

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die Rückseiten der Anoden gepreßt werden, deren Vorderseiten
gegen die Oberfläche der Diaphragmen oder Membranen der Kathoden anliegen. Vorzugsweise sind auf der Oberfläche der Diaphragmen oder Membranen geeignete Abstandshalter angeordnet um zwischen den aktiven Anodenoberflächen und den Diaphragmen oder

j Membranen der Kathoden einen minimalen Abstand aufrecht zu er-

hai ten.

Der elektrische Strom wird über eine Reihe Feder-gehaltener
j Kontakte zwischen den Kontaktoberflächen der an die Stromträgeri angeschweißten Arme und den rückwärtigen Oberflächen der flachen Anoden (d.h. den Oberflächen der Anoden, die nicht gegen
: die Diaphragmen oder Membranen gerichtet sind) an die Anoden
verteilt.

. Die Zelle ist durch eine Abdeckung verschlossen_s die üblicher-' weise mit einer Vorrichtung zur Einführung von Sole in die
Zelle und einer Vorrichtung zur Gewinnung des Kalogens versehen ist.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt., daß_s obgleich der Strom
durch Kontakte unter Federdruck an die Anoden geleitet wird, ι ! diese Maßnahme dennoch ausreicht, um eine adäquate Verbindung
zu schaffen' und merkliche Ohm'sche Verluste in den Kontakten ' zu vermeiden. Die beweglichen Kontakte müssen nur eine be- ^! grenzte Strombelastung übernehmen, da der Strom durch mehrere
Kontaktpunkte, die sich vom Oberteil bis zum Unterteil der . Anoden erstrecken, verteilt wird.

Die erfindungsgemäße Zelle schafft im Vergleich zu den be- ι kannten Zellen beträchtliche Vorteile. Denn der Boden ist mit '< einer Reihe von Stromträgern oder Hebern versehen, die hieran I angeschweißt oder auf andere Weise permanent befestigt sind ;

i und mit einem Mantel aus Ventilmetall überzogen sind,, welcher

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an der Basis eines jeden Stromträgers angeschweißt ist. Daher weist das Unterteil keine Verbindungsfugen auf und ist somit gegen Spaltenkorrosion oder jegliche andere Korrosion wirksam geschützt. Das gesamte Zellenunterteil, das die positive Platte der Zelle und die darauf montierten Stromleiter enthält, stellt eine einstückige Struktur dar_s die praktisch keine Wartung erfordert. Das Entfernen und Wiedereinsetzen der Anoden in die ! Zelle gestaltet sich so als extrem einfache und direkte Operation, die durchgeführt werden kann, ohne daß man irgendwelche ' mechanischen oder geschweißten Verbindungen lösen oder zerstören müßte. j

Die flachen, gereckten Siebanoden aus Ventilmetall können ' entfernt und außerhalb der Zelle reaktiviert werden, indem _; j man den elektrokatalytischen überzug erneuert, ohne daß es er- , j forderlich wäre, das Sieb oder die gereckten Platten von den : ' entsprechenden Stromträgern oder Hebern abzuschneiden. Im Gegensatz hierzu ist es bei den bekannten Anodenstrukturen erforder- -lieh, die Platten von den Hebern abzuschneiden, da der elektro-i katalytische Oberzug auf die netzartigen Anodenplatten durch ' Hitzeverfahren aufgebracht wird, die zu einer Beschädigung des an das Änodensieb angeschweißten Stromträgers, wie dies bei ι. den Konstruktionen des Standes der Technik der Fall ist_s führen \ wurden (vgl-. US-Patentschrift 3 940 328). Auch ist die Demonj tage der Zelle zum Entfernen und neuerlichen Einbringen des

Diaphragmas auf die Kathoden wesentlich erleichtet, da die Anoden aus der Zelle entfernt werden können, wodurch Kathoden- ! kasten und Kathoden ohne Hinderung oder Störung durch die Anoderj

• entfernt und wieder eingesetzt werden können.

Die Zeichnungen und die nachfolgende detaillierte Beschreibung

• erläutern verschiedene Ausführungsformen der Erfindung* ohne ■ daß diese jedoch darauf beschränkt wäre.

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Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen monopolaren Zelle mit Diaphragma.Die in dieser Figur dargestellte Zelle ist teilweise aufgeschnitten.

Figur 2 ist eine schematische Ansicht von einem Ende des Unterteils der Zelle gemäß Figur 1 mit einstückigen Stromträgern oder Hebern, die am Unterteil befestigt sind.

Figur 3 ist ein teilweise geschnittener Aufriß eines Strom- ! trägers, der am Unterteil der Zelle befestigt ist. ;

Figur 4 ist eine Querschnittsansicht im wesentlichen entlang der Linie 4-4 gemäß Figur 1, in der drei Kathodenstrukturen schematisch dargestellt sind.

Figuren 5_S 6, 7, 8, 9 und 10 sind Aufsichten auf einige bevorzugte Systeme für die Stromzuführung zu den Anoden der ^: in Figur 1 erläuterten Zelle. ;

Die in Figur 1 dargestellte Zelle besteht aus einem Unterteil 1, das aus Stahl, Kupfer oder einem anderen Konstruktionsmetall gefertigt ist. Die innere Oberfläche des Unterteils 1 ist mit einer Platte 20 aus Titan oder einem anderen Ventilmetall ausgekleidet (Figur 2). Das Unterteil 1 bildet die positive Platte' zur Verteilung des Stroms an die Anoden der Zelle und ist durch die Endstücke 2 mit den positiven Schienen für das Energiever- j tei1ungssystem verbunden. Der Kathodenkasten oder das Zellengehäuse, das vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist und in der Zeichnung allgemein mit 3 bezeichnet wird, ruht auf dem Unter- i teil- Das Unterteil ist vom Kathodenkasten 3 durch eine iso- | lierende Dichtung elektrisch isoliert. Die Dichtung bildet eine; hydraulische Abdichtung zwischen dem Kathodenkasten und dem j

ZeI1enunterteil. I

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j Der Kathodenkasten enthält eine Siebauskleidung aus Stahl mit j niedrigem Kohlenstoffgehalt und umfaßt eine Reihe paralleler ι Hohlkathoden oder Finger 4, die an beiden Enden am Seitengitter 5 angeschweißt sind, das wiederum um die ganze innere Oberfläche des Kathodenkastens oder des Gehäuses 3 iTi einem Abstand von der inneren Oberfläche des Kastens geschweißt ist, so daß sich ein Raum 6 bildet, der zusammen mit dem Raum innerhalb der verschiedenen Hohlkathoden 4 das Kathodenabteil der Zelle bildet. Der Kathodenkasten oder das Zellengehäuse 3 ist über j die Endstücke 8 mit den negativen Schienen des Energievertei- \ lungssystems verbunden.

Auf den Kathoden 4 und den Seitengittern 5 des Kathodenkastens ; ist das Diaphragma_s das üblicherweise aus Asbestfaser besteht., ! nach bekannten Techniken abgeschieden. Diese Techniken bestehen im wesentlichen darin, daß man eine Suspension aus Asbestfasern¹ durch die Siebe des die Hohlkathoden 4 und Seitenwand 5 bilden-; den Netzes durchsaugt, um das Asbestmaterial auf dieser Netzstruktur abzuscheiden. ;

! Vom Unterteil 1 der Zelle erstrecken sich die Stromträger oder Heber 9 nach oben zwischen die Reihen der Kathodenfinger 4. !

j Die Stromträger 9 sind an das leitfähige Unterteil 1 der Zelle ; angeschweißt, um sicherzustellen, daß in diesem Bereich nur . ! ein minimaler Ohm'scher Verlust auftritt. Der Titanmantel um

den Kern der Stromträger oder Heber ist an die Titanplatte 20 angeschweißt, welche die innere Oberfläche des Unterteils der Zelle bedeckt.

Die Stromträger oder Heber 9 sind mit mindestens zwei Querarmen j aus Titan versehen, die ihrerseits auf zwei gegenüberliegenden ,

Seiten des Stromträgers angeschweißt sind, wie dies in den ι Figuren 2 bis 10 beschrieben und dargestellt ist. ι

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Die Anoden 7 der Zelle bestehen aus gereckten Platten oder Netzen aus Titan, welche mit einem el ek tr okatalyti sehen überzug versehen sind. Dieser enthält vorzugsweise Oxide von Metallen der Platingruppe zusammen mit Oxiden der Ventilmetalle. Die Anoden 7 ruhen lose auf der Titanplatte 20 am Unterteil der Zelle und werden gegen die mit Diaphragmen überzogenen Oberflächen der Hohlkathoden gepreßt. Dies erfolgt durch die Querarme, welche an den Stromträgern 9 angeschweißt sind. Diese Arme sind vorzugsweise mit Hilfe von Spreizelementen auseinandergespreizt. Die Querarme 22 sind mit zwei oder mehreren j Kontakten 23 versehen, welche sich vorzugsweise über die gesamte Höhe der Anoden erstrecken. Diese Kontakte drücken gegen die innere Oberfläche der Anoden und verteilen den elektrischen Strom an die Anoden. Die Zelle ist durch eine Abdeckung 10 ; vervollständigt, die vorzugsweise aus einem nicht leitenden ! Kunststoffmaterial besteht und auf dem oberen Flansch des j Kathodenkastens 3 aufliegt.

Die Zelle ist mit Elektrolyt (beispielsweise mit konzentrierter! Natriumchloridsole) gefüllt, so daß die Elektrodenstrukturen vollständig eingetaucht sind. Der Flüssigkeitsspiegel wird durch Zusatz von Elektrolyt durch den Verteiler 11, welcher mit einem Elektrolytspiegelanzeiger 12 verbunden ist, aufrechterhalten. ,

Der Elektrolyt perkoliert durch das Diaphragma und sammelt sich im Kathodenabteil, von wo aus er zusammen mit dem gebilde-! ten Natriumhydroxid durch den Auslaß 13 abgelassen wird. Die [ Position des Elektrolytauslasses ist einstellbar, um den hydraul lischen Druckunterschied durch das Diaphragma, welcher zur Aufrechterhaltung des gewünschten Elektrolytflusses durch das Diaphragma erforderlich ist, hervorzurufen und zu regulieren.

Das an den Anoden gebildete Chlor sammelt sich im oberen Raum der Abdeckung 10 oberhalb des Elektrolyts und strömt durch den

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Auslaß 14 zum Chlorgewinnungssysteni. Der an den Kathoden freigesetzte Wasserstoff sammelt sich im bberen Teil des Kathodenabteils und strömt durch den Auslaß 15.

Das Unterteil 1 der Zelle aus leitfähigem Metall (vorzugsweise j aus Kupfer oder Eisen) ist mit einer Platte 20 aus Titan abgedeckt (Figur 2). Die Stromträger oder Heber 9 aus Titan oder mit Titan überzogenem Metall sind am Unterteil der Zelle permanent befestigt. Die Basisflansche 21 der Titanheber oder Stromträger 9 sind an die Titanplatte 20 angeschweißt.

Zwei Querarme 22 aus Titan sind an jeder Seite eines jeden ; Stromträgers 9 angeschweißt. Mindestens zwei vertikale Kontakte ! 23 aus Titan (vorzugsweise an der Kontaktoberfläche mit Platin

■ platiert) sind auf den beiden Querarmen 22 angeschweißt.

Die Querarme 22 sind ferner mit Führungen 24 versehen_s um ge- _: eignete Spreizelemente oder Halteelemente (nicht dargestellt) \ einsetzen zu können.

: Figur 3 zeigt einen Stromträger 9 im Aufriß (teilweise ge~ j schnitten), der vorzugsweise aus einem Kupferkern 25 und einem

■ Titanmantel 26 besteht. Der Kupferkern 25 ist direkt an das Unterteil 1 der Zelle über die Schweißung 37 angeschweißt. Die Basisflansche 21 aus Titan sind an der Titanplatte 2O₅ welche das Unterteil 1 abdeckt_s angeschweißt. Ein Titandeckel 27_s

; der an das obere Ende des Stromträgers angeschweißt ist_s vervollständigt den Schutz des Kupferkerns vor Korrosion.

Die Querarme 22 sind aus geeignet geformten Titanplatten hergestellt. Sie sind paarweise auf gegenüberliegenden Mantellinien an dem zylindrischen Stromträger 9 angeschweißt. Die Kontakte 23 sind aus einer Titanplatte gebildet, die vorzugsweise auf der Kontaktoberfläche mit Platin platiert ist und an die Querarme 22 (aus Titan) angeschweißt oder mit diesen

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einstückig ausgebildet ist. Die Arme 22 erstrecken sich vorzugsweise von angenähert dem Oberteil bis angenähert dem Unterteil der Anodenplatten 7_s welche lose auf dem Unterteil der
Zelle aufgestützt sind.

Figur 4 stellt eine vergrößerte Seitenschnittansicht eines
Teils der Elektroden der Zelle nach der in den Figuren 1 bis 3
erläuterten Konstruktion dar. Die Kathodenhohlfinger 4 aus
Metallsieb., welches mit dem Diaphragma (nicht dargestellt)
überzogen ist und mit dem Diaphragma-überzogenen Seitengitter 5
in Verbindung stehen, sind ebenfalls dargestellt.

Die Anoden 7, die vorzugsweise aus gereckten Titanplatten gefertigt sind., welche mit einem el ektrokatalyti sehen Oberzug
versehen sind, ruhen lose auf der Titanplatte 20, welche das
Unterteil der Zelle abdeckt und werden durch die Querarme 22, ^; die vorzugsweise unter Federspannung stehen, gegen die Kathodendiaphragmen gedrückt. Abnehmbare Abstandshalter 28 aus inertem
Material sind zwischen die Anoden 7 und das Diaphragma einge- : setzt, um den gewünschten Abstand der Anoden vom Diaphragma
zu schaffen. Die Kontakte 23, die an die Querarme 22 angeschweißt sind, welche wiederum an die Stromträger 9 geschweißt , sind, stehen mit den Anoden 7 in Kontakt und leiten positiven ^! Strom an die Anoden.

Figur 5 stellt eine Aufsicht auf die Elektroden der Zelle gemäß
Figur 4 dar. Die Hohl siebkathodenfinger 4 sind mit dem Diaphrag-j ma 29 überzogen. Abstandshalter 28 aus inertem Material (beispielsweise aus Teflon) sind rittlings auf den Kathoden eingesetzt, um den gewünschten Abstand zwischen den Anoden und den ; Diaphragmen zu halten. Die Querarme 22, an denen die Kontakte : 23 (welche vorzugsweise aus Titan, das mit einem Metall der j Platingruppe platiert wurde, hergestellt sind) angeschweißt ι sind, sind an den Stromträgern oder Hebern 9 angeschweißt. Während der Montage der Zelle werden die Querarme 22 durch Halte- j

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elemente 30 aus Stahl oder anderem Material in zurückgebogener Position .(unterbrochene Linien in den Figuren 5 bis 10) gehal- , ten. Nachdem die Anoden 7 in die Zelle eingesetzt wurden, werden die Halteelemente 30 aus den Führungen 24 herausgenommen, vorzugsweise dadurch, daß man die Halteelemente aus dem Zellengehäuse nach oben herauszieht. Aufgrund ihrer Elastizität ■■ drücken die Arme 22 über die Kontakte 23 die Anoden 7 gegen

die Abstandshalter 28. Hierdurch wird eine perfekte Positionie-^: rung der Anoden und gleichzeitig die Verteilung des elektrischen Stroms durch die Kontakte 23 an die Anoden sichergestellt. j

! Figur 6 zeigt eine alternative Konstruktion des Energiever- i sorgungssystems der Anoden der Zelle. Bei dieser Ausführungs™ form sind die Kontakte 23 einstückig mit den Querarmen 22 ausgebildet. Diese sind vorzugsweise aus einzelnen Titanplatten geformt und dann auf die Stromträger 9 aufgeschweißt. Die ; Kontakte 23 sind dadurch gebildet, daß die Querarme 22 geeignet geformt sind, und die Oberflächen der Kontakte 23 sind Vorzugs-weise mit einem Metall der Platingruppe platiert, so daß ein | guter elektrischer Kontakt mit den Anoden gebildet wird» Bei dieser Erläuterung ist die zurückgebogene Position der Querarme durch unterbrochene Linien dargestellt. Nachdem die Anoden! 7 in die Zelle eingesetzt worden sind, werden die Arme 22 durch, Einsetzen sich verjüngender Spreizelemente 31, die vorzugsweise' aus Titan bestehen, in die Führungen 33 der Querarme ausein- j

ι andergespreizt. ;

Figur 7 ist eine Aufsicht auf eine weitere alternative Konstrukj

tion des Energieversorgungssystems an die Anoden der Zelle. ' Hierbei sind die Querarme 22 aus einzelnen Titanplatten geformt] welche an den Stromträgern 9 angeschweißt sind. Diese bestehen aus einem röhrenförmigen Kupferkern, der mit Titan überzogen ist. Die Kontaktoberflächen 23 sind in den Querarmen durch Um- ; biegen der Titanplatte entlang ihrer gesamten Höhe ausgebildet,!

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wobei sich eine keilförmige, konkave Oberfläche bildet, die so ausgelegt ist_s daß sie mit einer gleichen konvexen Oberfläche 23Aj die durch gleiches Biegen der Anoden 7 gebildet ist, zusammenpaßt. Die Kontaktoberflächen 23 und 23A sind mit einem überzug aus einem Metall der Platingruppe oder einem Metalloxid der Platingruppe oder anderem nicht passivierbarem Material , versehen. Die durch die unterbrochenen Linien in zurückgebogener. Position dargestellten Querarme 22 werden durch Einsetzen der keilförmigen Spreizelemente 31 auseinandergespreizt, so daß die Anoden 7 durch die Oberflächen der Kontakte 23 an die angrenzenden Hohlkathodendiaphragmen gedruckt werden und hierdurch Strom an die Anoden übertragen wird. j

Figur 8 stellt eine Aufsicht auf ein weiteres Beispiel dar_s ·

auf welche Weise die Anoden zu den Kathoden bewegt werden kön- ;

nen₅ sowie für das Energieversorgungssystem für die Anoden. j In diesem Beispiel weisen die an die Stromträger 9 angeschweißten Querarme 22 je vier vertikale Kontakte 23 auf, die voneinander

in Abstand gehalten sind, um Strom an die Anoden 7 anstelle von Ί

zwei Linien, wie bei den vorstehenden Ausführungsformen er- ^! läutert, entlang von vier parallelen, vertikalen Linien zu

leiten. Die Arme 22 sind durch Einsetzen keilförmiger Spreiz- | elemente, die den Spreizelementen 31 der Figur 7 entsprechen,

in Schlitze/ die für diesen Zweck vorgesehen sind_s auseinander- ' gespreizt.

Figur 9 stellt eine Aufsicht auf eine andere Konstruktion der j Spreizvorrichtung und des Energiezuführungssystems für die ' Anoden dar. Wie bei der vorherigen Ausführungsform sind die Querarme 22 mit vier vertikalen Kontakten 23 versehen, die jeweils in gleichem Abstand voneinander entlang den Armen 22 angeordnet und mit Platin-platierten Kontaktbereichen versehen sind. Das Spreizsystem der Arme 22 besteht aus zwei oder mehrerep röhrenförmigen Elementen 32 (die vorzugsweise aus einem inerten

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Material, wie Titan oder geeigneten Kunststoffmaterialien gefertigt sind), mit ovalem Querschnitt, welche in geeignete Sitze 33 eingesetzt sind» die dadurch gebildet sind, daß die Querarme 22 in geeigneter Weise ausgeformt sind. Nachdem die Anoden 7 in die Zelle eingesetzt worden sind, werden die Halteel einen te 30 abgezogen und die röhrenförmigen Elemente 32 in ihren Sitzen 33 gedreht, um sie mit ihren Hauptachsen senkrecht zu den Anoden 7 zu positionieren. Hierdurch werden die Querarme 22 noch weiter aufgespreizt und drücken die Kontakte 23 gegen die Anoden 7. Diese liegen an geeigneten Abstandshaltern ι 28 an,, die auf der äußeren Oberfläche des Diaphragmas 29 angeordnet sind, welches die Kathodenfinger 4 überzieht.

Figur 10 ist eine Aufsicht auf eine nicht ganz so bevorzugte Aus· führungsform des Energiezuführungssystems an die Anoden der Zelle. Bei dieser Ausführungsform sind die Anoden 7 mit mindestens zwei Titanansätzen 34 versehen, welche in vertikaler Position auf der Rückseite der Anoden angeschweißt sind. Diese ' Titanansätze 34 sind mit einer trapezoidal en oder äquivalent j geformten Führung versehen. Gleiche vertikale Titanansätze 35 i sind an den Querarmen 22 angeschweißt. Man verwendet Schwalbenschwanzgleiter 36 aus Titan, um die Anoden 7 mit den Quer- j armen 22 fest zu verbinden. Alle Kupplungsoberflächen der Führungen 34 und der Titangleiter sind vorzugsweise mit einem ! überzug aus nicht passivierbarem Metall versehen. Sie sind vorzugsweise mit einem Metall der Platingruppe, das gegenüber Korrosion resistent ist, platiert, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Anoden und den Armen 22 sicherzustellen. ,' Die in zurückgebogener Position durch die unterbrochenen Linien in der Figur dargestellten Arme 22 werden auseinandergespreizt.] Dies erfolgt durch Einsetzen von Spreizelementen. Es kann auch ' dadurch erfolgen, daß man gegebenenfalls angeordnete Halte- j elemente abnimmt. In diesem Falle drücken die Querarme auf- ] grund der elastischen Rückfederungskraft die Anoden 7 gegen i

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die Abstandselemente 28_S welche auf den durch das Diaphragma
29 überzogenen Hohlkathodenfingern 4 angeordnet sind. In dieser . Figur wird der elektrische Kontakt zwischen den Armen 22 und
den Anoden 7 durch den Einsatz der Schwalbenschwanzgleiter 36
in die trapezoidalen Führungen der vertikalen Ansätze 34 und 35, welche an den Anoden 7 und an den Enden der Arme 22 angeschweißt sind, hergestellt.

Wenn die Anoden der Ausführungsform gemäß Figur 10 aus der Zelle herausgenommen werden sollen, entfernt man die Gleiter 36 dadurch, daß man sie nach oben abzieht. Dann drückt man die Arme
22 zueinander, um einen Raum zwischen den zurückgebogenen Armen
22 und den Diaphragmen zu schaffen, wodurch die Anoden aus der
Zelle frei herausgezogen werden können. Anschließend läßt sich,
das ZeIiengehäuse 3, das die mit Diaphragma überzogenen Hohlfinger 4 enthält, ohne weiteres vom Zellenunterteil 1 abheben.
Bei den Ausführungsformen der Figuren 5 bis 9 werden die Spreizelemente 31, 32 etc. entfernt oder abgezogen, und die Arme 22 ^! werden während der Entfernung der Anoden aus der Zelle in zurückgebogener Position gehalten; anschließend wird das Zellengehäuse vom Zellenunterteil abgenommen.

Es liegt auf der Hand, daß mindestens die Kontaktbereiche der '■ beweglichen Kontakte und der passenden Anoden mit einer Schicht
aus einem elektrisch leitenden, in der Anolytumgebung nicht _: passivierbaren Material überzogen sein müssen. Erfindungsgemäß i wurde festgestellt, daß nach den industriell durchgeführten ; überzugsverfahren die löcherigen Anoden normalerweise auch auf
ihrer rückwärtigen Oberfläche (d.h. der von der gegenüberliegenden Kathode abgewandten Oberfläche) mit dem elektrisch leiten- j den, katalytischen und nicht passivierbaren überzug versehen
werden und daher keine andere spezielle Behandlung der Kontaktflächen benötigen. Dagegen kann der Kontaktbereich der beweglichen Kontakte vor dem Zusammenbau mit einer Schicht aus einem:

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Metall der Platingruppe oder einer Legierung davon, sowie mit ^; einer Schicht aus einem anderen elektrisch leitenden und nicht ! passivierbaren Material , beispielsweise derselben Zusammensetzung,

die zum überziehen der dimensionsstabilen Anoden verwendet wird, j überzogen werden.

ι - _t

Der in der vorliegenden Anmeldung gebrauchte Begriff "Diaphragma" soll poröse Diaphragmen und Membranen umfassen.

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Claims

267.079 PatentansDrüche

1. Monopolare Elektrolysezelle mit einem leitfähigen Unterteil (1), einem Zellengehäuse (3), das in Abstand gehaltene, mit einem Diaphragma überzogene Hohlkathoden (4) auf dem Zellenunterteil enthält, einem Zeilenoberteil , positiven Stromverbindungsstücken für das Untertei1,negativen Stromverbindungsstücken für das Zellengehäuse, in Abstand gehaltenen Stromleitern, die mit dem Zellenunterteil (1) elektrisch verbunden sind und sich von diesem nach oben zwischen die Kathoden (4) erstrecken, biegsamen Stromträgerarmen auf dan Stromleitern, flachen Ventilmetallanoden (7) , die auf de··*. Zellenunterteil (1) zwischen den Stromleitern und den Kachoden lose aufliegen, Feder-gehaltenen Kontakten zwischen den flachen Ventilmetallanoden und den biegsamen Stromträgerarmen zur Bildung und Unterbrechung einer Stirnverbindung zwischen den Anoden (7) und den Stromträgerarmen, sowie einem elektrisch leitenden, elektrokatalytisehen überzug auf den Anoden.

2. Zelle nach Anspruch 1, worin die Ventilmetall anöden (7) aus einer gereckten Siebkonstruktion bestehen.

3. Zelle nach Anspruch 1, worin die Ventilmetallanoden (7) mit ; ι einem elektrisch leitenden, elektrokatalytischen überzug ' versehen sind, der ein Oxid eines Metalls der Platingruppe . und ein Oxid eines Ventilmetalls enthält.

4. Monopolare Elektrolysezelle mit Diaphragma_?mit einem Unter- ; teil, das mit dem positiven Pol der elektrischen Stromquelle;

verbunden ist und mit dem die Anoden der Zelle elektrisch ; verbunden sind, und einem Kathodenkasten, der mit dem negati-

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ven Pol der elektrischen Stromquells verbunden ist und mit dem die Kathoden der Zelle verbunden sind und der durch hohle,poröse Strukturen gebildet ist, die gleiche Abstände voneinander aufweisen, zueinander parallel sind und mit Diaphragmen überzogen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß sich vorn Unterteil (1) der Zelle vertikal Stromträger (9) zv/ischen den porösen Hohlkathodenstrukturen (4) erstrecken, biegsame Querarir.e (22), die mit Kontakten (23) zur Verteilung des elektrischen Stroms versehen sind, auf den Stromträgern (9) befestigt sind, die Anoden (7) aus im wesentlichen flachem Ventilmetallnetz in den Spalt zwischen die Querarme (22) und die mit Diaphragma überzogenen Kathodenoberflächen der angrenzenden Kathoden (4) eingesetzt sind, die unteren Kanten der Anoden (7) auf dem Unterteil (1) der Zelle aufliegen und gegen isolierende Abstandshalter (28) auf den mit Diaphragma überzogenen angrenzenden Kathodenoberflächen durch die von den Kontakten auf die Rückseite der Anoden (7) als Ergebnis ' der Spreizung der beweglichen Querarme durch elastische ' ! Wirkung oder den Einsatz von Spreizelementen ausgeübte Kraft in Position gehalten sind.

5. Zelle nach Anspruch 4, worin die biegsamen Querarme (22) durch die Elastizität der Arme gespreizt sind.

6. Zelle nach Anspruch 4, worin die biegsamen Querarme (22) durch Spreizelemente (31) gespreizt sind.

7. Zelle nach Anspruch 4, worin die Anoden (7) aus gereckten Ventilmetall pl atten geformt sind, welche mit einem elektrokatalytischen überzug aus Metallen der Platingruppe und deren Oxiden versehen sind.

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Zelle nach Anspruch 4 , worin die Anoden (7) mit einem überzug versehen sind, der Oxide von Metallen der Platingruppe und Venti1 metal 1oxide enthält.

Zelle nach Anspruch 4, worin die Kontakte (23) auf den Querarmen (22) und die Anoden (7) Kontaktoberflächen aufweisen, die mit einem elektrisch leitenden und nichtpassivierbaren überzug versehen sind, der aus einem Material, ausgewählt unter Metallen der Platingruppe, deren Legierungen und/oder deren Oxide, besteht.

; 10. Verfahren zum Ein- und Ausbauen dimensionsstabiler, ■ elektrokatalytisch überzogener Venti!metall anöden in bzw. ";; aus monopolaren elektrolytischen Zellen, insbesondere den Zellen der Ansprüche 1 bis 9, mit darin befindlichen, in Abstand gehaltenen Diaphragma-überzogenen Kathoden und Stromleitern, die sich vom Unterteil der Zellen nach oben zwischen die Kathoden erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß man die Anoden lose auf dem Unterteil der Zelle aufstützt, biegsame Stromträgerarme mit Feder-gehaltenen Kontakten zwischen den Armen und den Anoden auf den Leitern anordnet, eine Vorrichtung zum Festhalten der Stromträgerarme in gegeneinander zusammengedrücktem Zustand

^: während des Einsetzens der Anoden in die Zellen anbringt, während des Einsetzens der Anoden in die Zellen die Strom-

^: trägerarme aneinandergedrückt hält, die Anoden in die ' Zelle einsetzt, die Haltevorrichtung abnimmt, damit die Arme die Anoden an die Kathoden drücken und einen elektrischen Kontakt zwischen den Armen und den Anoden bilden,

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und die Arme während des Entfernens der Anoden unter Unterbrechung der Feder-gehaltenen Kontakte zur Schaffung von Raum zur Entfernung der Anoden gegeneinander zusammengedrückt hält.

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