DE2923818C2 - - Google Patents
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- DE2923818C2 DE2923818C2 DE2923818A DE2923818A DE2923818C2 DE 2923818 C2 DE2923818 C2 DE 2923818C2 DE 2923818 A DE2923818 A DE 2923818A DE 2923818 A DE2923818 A DE 2923818A DE 2923818 C2 DE2923818 C2 DE 2923818C2
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- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
- C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
Description
Die Erfindung betrifft ein Elektrodenabteil gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
Ein Elektrodenabteil dieses Typs ist aus der US-PS 40 69 129 bekannt.
Mehrere dieser Elektrodenabteile werden zu einer elektrolytischen
Zelle vom Filterpressen-Typ zusammengefaßt und zur
Elektrolyse von Alkalichlorid verwendet.
Unter dem Gesichtspunkt, den Raumbedarf und das Gewicht der elektrolytischen
Zelle möglichst gering zu halten bzw. bei gleicher
Größe der elektrolytischen Zelle eine Erhöhung der Effizienz zu
erreichen, werden allgemein Rahmen mit geringerer Breite bevorzugt.
Mit solchen Rahmen erhält man schmalere Elektrodenabteile.
Andererseits müssen im Rahmen bei solchen Elektrodenabteilen besondere
Strukturerfordernisse erfüllen, da eine rasche Entfernung
des bei der Elektrolyse gebildeten Gases aus dem Elektrodenabteil
erforderlich ist, um zu vermeiden, daß die elektrolytische Spannung
durch dieses Gas erhöht wird. Man hat zur Erreichung dieses
Zweckes verschiedene Anordnungen von Zuleitungsstangen und Elektrolytströmungen
erwogen. Wenn die Zuleitungsstangen im wesentlichen
senkrecht zur Aufströmung des Elektrolyten im Elektrodenabteil
angeordnet sind, wobei der Elektrolyt durch den unteren Rahmen
einströmt und wobei das Elektrolysenprodukt durch den oberen
Rahmen ausströmt, müssen die Rahmen jedoch gewöhnlich einen solchen
Aufbau haben, daß ihre horizontale Lage größer ist. Wenn
nun aber die Zuleitungsstangen in wirtschaftlicher Weise ausgebildet
werden sollen, da das Material für die Zuleitungsstangen
teuer ist, so muß die Querschnittsfläche der Zu
leitungsstangen für den Stromfluß gering sein. Andererseits
ist die Länge der Zuleitungsstangen für den Stromfluß groß,
wenn die Zuleitungsstangen in horizontaler Richtung in Rahmen
mit einer größeren horizontalen Länge angeordnet werden.
Demzufolge kommt es in den Zuleitungsstangen zu einem
großen Spannungsabfall und die Effizienz der Elektrolysezelle
wird nachteiligerweise gesenkt.
Aus der US-PS 40 56 458 ist eine Elektrolysezelle vom Filterpressen-Typ
bekannt, bei der Zuleitungsstangen mit kreisförmigem
Querschnitt vorgesehen sind, sowie daran befestigte Elektrode-Abstandhalter.
Bei der bekannten Anordnung sind die Zuleitungsstangen
nicht auswechselbar.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektrodenabteil
der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem das entwickelte Gas
rasch entfernt werden kann, ohne dazu die Breite der Rahmen zu
erhöhen, wobei ferner der Spannungsabfall in den Zuleitungsstangen
möglichst gering ist und ein problemloses Auswechseln der Zuleitungsstangen
möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Elektrodenabteil gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die Zuleitungsstangen
einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und durch den Boden des
unteren Rahmens in vertikaler Richtung eingesetzt sind und parallel
zur Auftriebsströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer
verlaufen, und die Elektroden mechanisch durch an den Zuleitungsstangen
befestigte Verbindungsorgane gehalten ist, wobei
die elektrische Verbindung der Zuleitungsstangen mit der Elektrode
durch die Verbindungsorgane vermittelt wird.
Bei diesem Aufbau des Elektrodenabteils kann der Nachteil
eines hohen Spannungsabfalls vermieden werden und das Elektrolysenprodukt
einschließlich des Gases kann rasch durch Auftriebsströmung
zum oberen Rahmen hin durch diesen entnommen werden,
da die Zuleitungsstangen vom Boden des unteren Rahmens her
eingeführt sind. Im Falle von in horizontaler Richtung eingesetzten
Zuleitungsstangen kann das Elektrolysenprodukt einschließlich
des Gases nicht glatt im Wege einer Auftriebsströmung
entnommen werden, da der Gasauftriebseffekt
durch Störungen der Strömung durch die Zuleitungsstangen
gemindert wird.
Erfindungsgemäß kann eine Steigerung der Elektrolysenspannung,
hervorgerufen durch eine längere Verweilzeit des
Gases, vermindert werden und der Zwischenraum zwischen
den Elektroden kann leicht eingestellt werden, wenn man
ein Paar Elektroden zu beiden Seiten der Zuleitungsstangen
hält und eine Beschädigung der Zuleitungsstangen beim
Zerlegen der Elektrolysenzelle zum Zwecke einer Reparatur
kann vermieden werden, da die Elektroden über Verbindungsorgane
an diesen gehalten sind.
Das Elektrodenabteil kann als Anodenabteil mit einer Anode
und als Kathodenabteil mit einer Kathode ausgebildet sein.
Die Anodenabteile und die Kathodenabteile sind jeweils alternierend
angeordnet und Membranen, z. B. Ionenaustauschermembranen
oder Asbestdiaphragmen, sind jeweils zwischen benachbarten
Abteilen angeordnet und die Rahmen für die Abteile werden
aneinander befestigt unter Bildung einer Elektrolysenzelle
vom Filterpreßtyp.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann eine Dichtung zur
Verbesserung des Packungseffekts neben der Membran angeordnet
werden. Dies ist eine bevorzugte Maßnahme.
Durch das Einsetzen der Zuleitungsstangen vom Boden des
unteren Rahmens her in vertikaler Richtung müssen die
Bus-Stangen unterhalb der Elektrolysenzelle angeordnet
werden und somit ist es erforderlich, ein Auslecken des
Elektrolyten in einem höheren Maße zu verhindern als
bei einem Aufbau, bei dem die Zuleitungsstangen in horizontaler
Richtung angeordnet sind.
Versuche haben gezeigt, daß es bevorzugt ist, eine Dichtung
zu verwenden, welche auf ihrer Oberfläche einen linearen
Vorsprung aufweist, welcher bei der Befestigung deformiert
wird. Diese ist ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung. Wenn
man einen Ionenaustauschermembran als Membran verwendet, so
ist es bevorzugt, ein Abstandselement zwischen der Membran
und der Elektrode anzuordnen, um einen Kontakt der Membran
mit der Elektrode zu verhindern.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 und 2 schematische Ansichten zweier Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Elektrodenabteils;
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A′ der Fig. 1;
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie A-A′ der Fig. 2;
Fig. 5 eine schematische Teilansicht einer Zuleitungsstange
mit einem aufgesetzten Befestigungsorgan;
Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie A-A′ der Fig. 1,
wobei jedoch in diesem Falle nur ein Teilbereich
der Verbindungsorgane den oberen hohlen Rahmen berührt;
Fig. 7 einen Schnitt entlang der Linie A-A′ der Fig. 2,
wobei jedoch in diesem Falle nur ein Teilbereich der
Verbindungsorgane den oberen hohlen Rahmen berührt;
Fig. 8, 9 und 10 jeweils schematische Teildarstellungen
abgewandelter Ausführungsformen von Zuleitungsstangen
mit Verbindungsorganen.
Im folgenden soll anhand der Fig. 1 bis 8 der Aufbau
des Elektrodenabteils erläutert werden. Gemäß den Fig. 1
bis 8 ist der das erfindungsgemäße Elektrodenabteil bildende
Rahmen 1 vorzugsweise rechteckig ausgebildet mit einer
Kammer im mittleren Bereich. Bei diesem Aufbau sind Ein
richtungen zur Einspeisung eines Elektrolyten 4 am unteren
Rahmen ausgebildet und Einrichtungen zur Entnahme eines
Elektrolysenprodukts 5 am oberen Rahmen. Die Einspeisungseinrichtung
dient der Einspeisung des Elektrolyten von einer
Stelle außerhalb der Rahmen für eine Elektrolysenzelle
in das Innere der Rahmen. Die Entnahmeeinrichtung dient der
Entnahme des Elektrolysenprodukts aus der Kammer in die
Rahmen hinein und aus diesen heraus. Dies kann z. B. dadurch
verwirklicht werden, daß man im Rahmen Löcher vorsieht. Es
ist bevorzugt, einen hohlen Rahmen 1′ zu verwenden, welcher
einen Durchgang für die Einspeisung des Elektrolyten in die
Elektrolysenkammer bildet, sowie für die Entnahme der
Elektrolysenprodukte. Dabei erhält man kompakte Rahmen mit
einer Einspeisungs- und Entleerungsfunktion und mit einem
wesentlich herabgesetzten Gewicht.
Somit sollten zumindest der untere Rahmen und der obere
Rahmen hohl sein. Am unteren Rahmen muß ein Einlaß 7 für
die Einspeisung des Elektrolyten in den hohlen Bereich des
unteren Rahmens vorgesehen sein. Ferner müssen Löcher 9
für die Einspeisung des Elektrolyten aus dem hohlen Bereich
des unteren Rahmens in die Elektrolysenkammer vorgesehen
sein. Andererseits muß der obere Rahmen Löcher 10 aufweisen
für die Entnahme des elektrolysierten Produkts aus der
Elektrolysenkammer und für den Eintritt desselben in
den hohlen Bereich des oberen Rahmens. Ferner muß der obere
Rahmen einen Auslaß 8 aufweisen für die Entnahme des elektrolysierten
Produkts aus dem hohlen Bereich des oberen Rahmens.
Das Elektrodenabteil umfaßt ein Paar Seitenrahmen 3, welche
vorzugsweise ebenfalls hohl ausgebildet sind. Die Zuleitungsstangen
2 für die Zuführung des Stroms von Bus-Stangen zu der
Elektrode sind vom Boden des Elektrodenabteils her eingesetzt.
Sie erstrecken sich durch die Einrichtung zur Einspeisung
des Elektrolyten 4 in die Elektrolysenkammer und reichen
bis in die Nähe des oberen Rahmens. Die Zuleitungsstangen 2
und die Elektrode 12 sind elektrisch und mechanisch über
Verbindungsorgane 6 miteinander verbunden. Falls erwünscht,
können die Zuleitungsstangen 2 bis zum oberen Rahmen hin
reichen. Andererseits muß man jedoch berücksichtigen, daß
die Löcher 10 für das Ausströmen der Elektrolysenprodukte
auf der Unterseite des oberen Rahmens gebildet sind und eine
ungleichförmige Strömungsverteilung bewirken und die Zuleitungsstangen
verringern die effektive Fläche der unteren
Oberfläche der oberen Rahmen. Somit ist es gewöhnlich nachteilig,
die Zuleitungsstangen bis zur Unterseite des oberen
Rahmens reichen zu lassen.
Die Fig. 6 und 7 zeigen Schnittansichten eines Elektrodenabteils,
bei dem die Zuleitungsstangen 2 den oberen Rahmen
nicht direkt berühren. Nur ein Teil der Verbindungsorgane
steht in Kontakt mit dem oberen Rahmen und die Zuleitungsstangen
werden durch die Verbindungsorgane 6 gehalten.
Die Verbindungsorgane 6 weisen jeweils einen Hohlraum 15
auf, in den die Zuleitungsstangen 2 eingesetzt sind.
Fig. 6 entspricht der Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die Zuleitungsstangen
2 nicht bis zum oberen Rahmen hinreichen. Fig. 7
entspricht der Fig. 4 mit der Ausnahme, daß die Zuleitungsstangen
2 nicht bis zum oberen Rahmen hinreichen. Die Befestigungsorgane
6 bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 6 und
7 können den in den Fig. 8 und 10 gezeigten Aufbau haben.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 umgeben die Verbindungsorgane
die Zuleitungsstangen. Ferner sind elektrische Verbindungsstreifen
mit Löchern vorgesehen, welche mit dem Verbindungsorgan
in Berührung stehen. Diese elektrischen Verbindungsstreifen
stehen geringfügig nach oben vor, so daß nur der
vorstehende Bereich der elektrischen Verbindungsstreifen den
oberen Rahmen berühren kann. Die Ausführungsform gemäß Fig. 10
entspricht der Ausführungsform gemäß Fig. 8, wobei jedoch das
Verbindungsorgan 6 im Schnitt abgerundete Kanten zeigt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist der elektrische
Verbindungsstreifen an einer Seite des Verbindungsorgans befestigt,
welches die sich nicht bis zum oberen Rahmen erstreckende
Zuleitungsstange umgibt. Die Löcher in dem elektrischen
Verbindungsstreifen erlauben einen horizontalen
Durchtritt des Elektrolyten durch den Verbindungsstreifen.
Bei der Ausführungsform der Fig. 6 und 7 wird die aus der
Elektrolysenkammer zum oberen Rahmen hin gerichtete Strömung
durch die Zuleitungsstangen 2 nicht gestört.
Man kann gemäß Fig. 3, falls erwünscht, die oberen Enden
11 der hohlen Seitenrahmen öffnen, so daß der Elektrolyt
im oberen Rahmen durch die hohlen Seitenrahmen zum hohlen
Bereich des unteren Rahmens strömen kann. Auf diese Weise
wird der Elektrolyt im Kreislauf durch die Elektrolysenkammer
geführt. Gewöhnlich ist jedoch das obere Ende 11
eines hohlen Seitenrahmens gemäß Fig. 4 verschlossen, so daß
die elektrolysierten Produkte durch den Auslaß 8 ausströmen.
Das entwickelte Gas wird in einem Gas-/Flüssigkeitsseparator
14 am Auslaß 8 abgetrennt. Die abgetrennte Lösung strömt
durch das obere offene Ende des anderen hohlen Seitenrahmens
und wird somit im Kreislauf durch die Elektrolysenkammer
geführt. Dieser Aufbau ist aus folgenden Gründen bevorzugt:
Bei einer industriellen Elektrolysenzelle werden viele
Elektrodenabteile dieses Aufbaus nebeneinander angeordnet.
Gewöhnlich haben die aus diesen Elektrodenabteilen austretenden
Lösungen nicht immer die gleiche Konzentration. Vielmehr
weicht die Konzentration bis zu einem bestimmten Grad ab.
Es ist nun nicht bevorzugt, Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen
im Kreislauf zu führen, und zwar im Hinblick
auf das Betriebsverhalten einer Elektrolysenzelle mit einer
Vielzahl von Elektrodenabteilen. Es ist vielmehr bevorzugt,
die Lösungen, welche das Gas enthalten, und aus diesen
Elektrodenabteilen austreten, in einem oder mehreren Gas-
Flüssigkeitsseparatoren zu sammeln. Hierdurch wird eine
gleichförmige Konzentration bei der Gas-Flüssigkeitstrennung
herbeigeführt. Die Lösung mit gleichförmiger
Konzentration wird sodann auf die Vielzahl von Elektrodenabteilen
aufgeführt und im Kreislauf zurückgeführt.
Wenn die Elektrolysenzelle derart betrieben wird, daß
Lösungen mit im wesentlichen gleichförmiger Konzentration
aus der Vielzahl der Elektrodenabteile austreten, so kann
man die oberen Enden 11 der hohlen Bereiche der Seitenrahmen
öffnen, so daß die jeweilige Lösung eines jeden Elektrodenabteils
gesondert im Kreislauf geführt wird.
Das Material aus dem die Rahmen bestehen, sollte in Bezug auf
die Lösung und das mit den Oberflächen der Rahmen in Berührung
kommende Gas korrosionsfest sein. Wenn man z. B. eine Elektrolysenzelle
zur Elektrolyse von NaCl verwenden will, so sollten
die Rahmen des Anodenabteils aus einem Material bestehen, welches
gegenüber Chlor korrosionsfest ist, z. B. aus Titan
oder aus mit Titan plattiertem Metall. Die Rahmen des Kathodenabteils
sollten aus einem Material bestehen, welches
alkalifest ist, wie Eisen, Edelstahl oder mit Eisen oder Edelstahl
plattiertem Metall.
Die Zuleitungsstange ist eine lange Platte, welche die Elektrode
hält und welche für den Stromfluß von der Stromquelle zur
Elektrode sorgt. Die Zuleitungsstangen sind derart angeordnet,
daß die Längsrichtung der Zuleitungsstangen im wesentlichen
parallel zur Strömung der Lösung innerhalb der Elektrolysenkammer
verläuft. Zum Beispiel sind die Zuleitungsstangen
parallel zu den Seitenrahmen des Elektrodenabteils angeordnet.
Ein Ende einer jeden Zuleitungsstange steht nach unten
über den Boden des unteren Rahmens vor und ist mit einer
Bus-Stange oder Sammelschiene für die Stromzufuhr verbunden.
Die Bus-Stangen sind parallel zur Strömung der Lösung angeordnet.
Da die Gestalt der Zuleitungsstangen die Form einer
streifenförmigen Platte hat, kann die elektrische Verbindung
mit dem Verbindungsorgan 6 vorteilhaft verwirklicht werden,
und zwar im Vergleich zu der elektrischen Verbindung mit
einer Zuleitungsstange in Form einer runden Stange. Wenn
man eine runde Zuleitungsstange verwendet, kann die elektrische
Verbindung mit dem Verbindungsorgan nicht effektiv
herbeigeführt werden, auch wenn man die unten erwähnten
Maßnahmen anwendet.
Die Zuleitungsstangen sollten aus einem Material bestehen,
welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat und gegenüber
der Lösung und dem bei der Elektrolyse gebildeten Gas, mit
denen die Zuleitungsstange jeweils in Berührung kommt, beständig
ist. Man kann ein Material verwenden, welches erhalten
wird durch Beschichtung eines elektrisch leitfähigen Materials
mit einem korrosionsfesten Material. Zum Beispiel kann man
als Zuleitungsstange eines Anodenabteils ein Material
in Form eines elektrisch leitfähigen Metalls, wie Kupfer
oder Aluminium verwenden und dieses mit einem chlorfesten
Metall, wie Titan oder Platin beschichten. Andererseits
kann man als Zuleitungsstange für das Kathodenabteil ein
elektrisch leitfähiges Metall, wie Kupfer oder Aluminium
verwenden, welches mit einem alkalifesten Metall beschichtet
ist.
Es ist bevorzugt, auf dem elektrisch leitfähigen Metallsubstrat
eine korrosionsfeste Metallschicht mit einer spezifischen
gleichförmigen Dicke vorzusehen. Daher wird vorzugsweise
eine Zuleitungsstange verwendet, welche mit einem korrosionsfesten
Material belegt ist. Zur Herstellung einer solchen
Zuleitungsstange wird das elektrisch leitfähige Metall
nach herkömmlichen Verfahren mit einem korrosionsfesten
Metall umhüllt, z. B. nach einem Schmiede-Schweißverfahren,
durch Hartlöten, durch Schmieden, durch Oberflächenbeschichtung
oder durch Explosionspreßbindeverfahren. Wie oben
beschrieben, liegt die Zuleitungsstange in Form einer langgestreckten
Platte vor. Daher ist ein Heißdiffusionspreßbindeverfahren
bevorzugt, und zwar unter dem Gesichtspunkt
vorzüglicher Herstellbarkeit, ausgezeichneter Bindeeigenschaften
zwischen dem elektrisch leitfähigen Metall und
dem korrosionsfesten Metall und großer Wirtschaftlichkeit.
Bei dem Heißdiffusionspreßbindeverfahren, welches erfindungsgemäß
angewandt wird, werden zwei Arten von Metallen wie
Kupfer und Titan oder Kupfer und Edelstahl im Vakuum bei
einem Druck von weniger als 1,33×10-2 mbar auf etwa 950 bis 1000°C
erhitzt. Hierdurch wird eine Diffusion der Metallatome
und Moleküle herbeigeführt. Dabei werden die beiden Metalle
unter einem Druck von z. B. 9,81 N/mm² zusammengepreßt. Auf
diese Weise kann man eine korrosionsfeste Metallbeschichtung
gleichförmiger Dicke auf dem elektrisch leitfähigen Substrat
der Zuleitungsstange erhalten. Die Zuleitungsstange hat daher
eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität. Man kann somit
eine Zuleitungsstange mit den gewünschten Eigenschaften
und der gewünschten Gestalt durch das Heißdiffusionspreßbindeverfahren
herstellen.
Die erfindungsgemäß verwendete Elektrode kann eine Metallelektrode
mit einer hohen Leitfähigkeit sein, welche in
Bezug auf die Lösung und das Gas, welche mit der Elektrode
in Berührung kommen, korrosionsfest ist. Zum Beispiel kann
als Anode ein Substrat aus einem der Metalle der Platingruppe,
aus Titan oder aus mit einem Metall der Platingruppe
beschichteten Titan bestehen. Die Kathode kann aus Eisen
oder aus Edelstahl bestehen. Die Elektrode kann eine plattenförmige,
eine netzförmige oder eine gitterförmige Gestalt
haben. Es ist bevorzugt, eine netzförmige Elektrode
zu verwenden, um das Anhaften des bei der Elektrolyse gebildeten
Gases an der Elektrode zu verhindern und eine gleichförmige
Stromdichte zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird die Elektrode an den Zuleitungsstangen
durch Verbindungsorgane befestigt. Die Verbindungsorgane
dienen der elektrischen Verbindung zwischen den Zuleitungsstangen
und der Elektrode. Wenn die Elektrode eine solche
Gestalt hat, daß ein Paar Elektrodenflächen einander
über die Verbindungsstangen gegenüberliegen, so sollte
der Zwischenraum zwischen den Elektroden je nach den
Änderungen der Bedingungen der Elektrolyse eingestellt werden.
Erfindungsgemäß kann der Zwischenraum zwischen den Elektroden
leicht eingestellt werden durch Auswahl der Gestalt und Größe
der Verbindungsorgane, auch wenn die Dicke der Zuleitungsstangen
stets konstant ist. Diese Verbindungsorgane werden
in Längsrichtung auf die Zuleitungsstangen aufgesetzt und
diese Verbindungsorgane werden an der Oberfläche der Elektrode
angeschweißt.
Es ist bevorzugt, eine zweckentsprechende Anzahl Verstärkungsorgane
13 zwischen den Zuleitungsstangen anzuordnen. Diese
Verstärkungseinrichtungen können aus dem gleichen Material
bestehen, wie die Verbindungsorgane. Die Gestalt der Ver
stärkungseinrichtungen ist nicht kritisch. Vorzugsweise
handelt es sich um dünne Platten. Wenn solche Verstärkungseinrichtungen
an einem Paar Elektroden durch Schweißen
befestigt werden, so wird das Elektrodenpaar mechanisch
fixiert, so daß Vibrationen oder Biegungen der Elektroden
aufgrund des hydraulischen Drucks vermieden werden.
Wie Fig. 5 zeigt, kann das Verbindungsorgan im Querschnitt
einen hohlen Bereich 15 aufweisen, wobei dieser hohle Bereich
15 sich in Longitudinalrichtung (mit Plattengestalt)
erstreckt und die Zuleitungsstange in diesen hohlen Bereich
eingeführt werden kann.
Die in Fig. 5 gezeigte Struktur wird
vorzugsweise dadurch ausgebildet, daß man die Zuleitungsstange
durch ein Heißdiffusionsdruckbindeverfahren mit einer
dünnen Platte des Verbindungsorgans umhüllt. Das Paar Seitenplatten,
welche senkrecht zur Richtung des Hohlraums verlaufen,
werden vorzugsweise an dem Elektrodenpaar durch
Schweißen oder auf andere Weise befestigt.
Die zusammengesetzten Elektroden sind bei den Enden der
Verbindungsorgane am Rahmen befestigt. Die Zuleitungsstangen
erstrecken sich über den Boden des unteren Rahmens nach unten
heraus und sind mit der Bus-Stange außerhalb des Rahmens
verbunden. Auf diese Weise ist das Paar von Elektroden mit
einem spezifischen Zwischenraum fixiert und man erzielt eine
effektive Einspeisung des Stroms. Der Zwischenraum zwischen
dem Elektrodenpaar kann auf einen gewünschten Abstand eingestellt
werden, indem man die Breite der Verbindungsorgane
variiert oder indem man die Breite der verstärkenden Einrichtungen,
falls diese vorhanden sind, variiert. Da das Paar der
Elektroden mit einem spezifischen Zwischenraum angeordnet
ist, bildet der Zwischenraum den Durchgang für den Auftrieb
der Elektrolyenprodukte. Der Gasauftriebseffekt durch das
bei der Elektrolyse gebildete Gas kommt voll zur Geltung, so
daß die Lösung und das Gas (Elektrolysenprodukt) rasch aufwärts
strömen. Wenn in den Verbindungsorganen und in den
verstärkenden Einrichtungen Löcher ausgebildet sind, so kann
der Elektrolyt durch diese Löcher innerhalb der Elektrolysenkammer
strömen, so daß die Strömung des Elektrolyten in
horizontaler Richtung nicht unterbunden ist.
Wenn die Zuleitungsstangen die Gestalt langer Platten haben,
mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, so ist
das Verhältnis der Länge der Peripherie zur Querschnittsfläche
größer als bei einer Stange mit rundem Querschnitt.
Somit haben die erfindungsgemäßen Zuleitungsstangen bei
gleicher Querschnittsfläche und gleicher Länge aufgrund
des rechteckigen Querschnitts eine größere Kontaktfläche
mit den Verbindungsorganen, so daß der elektrische Widerstand
zwischen der Zuleitungsstange und dem jeweiligen
Verbindungsorgan herabgesetzt ist. Falls erfindungsgemäß
die Zuleitungsstange plattenförmig ausgebildet ist, kann
man im Vergleich zu einer runden Stange bei gleicher Querschnittsfläche
durch Verringerung der Dicke die Breite der
Zuleitungsstange erhöhen. Wenn Zuleitungsstangen mit großer
Breite derart angeordnet werden, daß ihre Längsrichtung
im wesentlichen parallel zur Strömung der Lösung verläuft,
und daß ihre Breitenrichtung im wesentlichen parallel
zur Strömungsrichtung der Lösung verläuft, so erzielt man
Vorteile im Sinne einer Verringerung von Störungen der
Strömung der Lösung.
Wenn die Strömung der Lösung innerhalb der Elektrolysenkammer
nicht gestört werden soll, so muß man im Falle von Zuleitungsstangen
vom Typ der runden Stange den Durchmesser der
runden Stangen verringern. Wenn der Durchmesser verringert
wird, so sinkt auch die Querschnittsfläche der Zuleitungsstange
und man muß zur Erzielung des gleichen Effekts
die Zahl der Zuleitungsstangen erhöhen. Hierdurch wird der
Vorgang des Einsetzens der Zuleitungsstangen zu einem mühevollen
Vorgang und die Strömung der Lösung durch die Elektrolysenkammer
wird wiederum durch die Anzahl der Zuleitungsstangen
erhöht. Man erkennt somit aus obigen Tatsachen, daß Zuleitungsstangen
in Form von streifenförmigen Platten erhebliche
Vorteile haben. Derartig gestaltete Zuleitungsstangen können
durch Heißdiffusionspreßbindeverfahren hergestellt werden.
Die dadurch erhaltenen Zuleitungsstangen haben vorteilhafte
Charakteristika und sie sind leicht herstellbar und somit
wirtschaftlich.
Erfindungsgemäß sind die Zuleitungsstangen und die Elektroden
mechanisch und elektrisch über die Verbindungsorgane miteinander
verbunden. Wenn die Elektrode sich während der Elektrolyse
abnützt oder beschädigt wird und repariert werden muß, so
kann diese leicht entnommen werden, indem man die Verbindungen
zwischen den Verbindungsorganen und der Elektrode unterbricht.
Da die Elektrode nicht direkt mit den Zuleitungsstangen verbunden
ist, kann eine Beschädigung der teuren Zuleitungsstangen
bei der Trennoperation vermieden werden.
Das Substrat der Verbindungsorgane sollte eine hohe elektrische
Leitfähigkeit und ausgeprägte Korrosionsfestigkeit gegenüber
der Lösung und dem Gas, die mit dem Verbindungsorgan in
Berührung kommen, aufweisen. Das Verbindungsorgan für eine
Anode kann aus mit chlorfestem Metall umhüllten Substraten
bestehen, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, welche mit Titan
umhüllt sind. Andererseits kann das Verbindungsorgan für
die Kathode aus Eisen oder Edelstahl bestehen oder aus
einem Substrat aus Kupfer oder Aluminium, welches mit
Eisen oder Edelstahl umhüllt ist.
Hohle rechteckige Rohre aus Titan mit den Querschnittsabmessungen
50 mm × 50 mm × 3 mm Wandstärke werden unter Bildung eines rechteckigen
Rahmens gemäß Fig. 4 (2,1 m × 1,1 m × 0,05 m) zusammengesetzt.
Die längeren Seiten der Rahmen dienen als oberer und unterer
Rahmen. Ein Seitenrahmen dient als hohler Durchgang für den
Durchtritt des im Kreislauf geführten Elektrolyten vom
Gas-Flüssigkeitsseparator zurück zum unteren Rahmen. Ein Einlaß
für die Einspeisung des Elektrolyten führt in den hohlen
Bereich des unteren Rahmens und feine Löcher für die Einspeisung
des Elektrolyten in die Elektrolysenkammer vom hohlen
Bereich des unteren Rahmens sind an der Innenseite des unteren
Rahmens ausgebildet. Sechs Löcher für das Einsetzen von Zuleitungsstangen
sind mit im wesentlichen gleichem Zwischenraum
am unteren Rahmen ausgebildet.
Ferner sind feine Löcher für den Durchtritt der Lösung und
des Gases von der Elektrolysenkammer in den hohlen Bereich
des oberen Rahmens ausgebildet und ein Auslaß für das Ausströmen
der Lösung und des Gases aus dem hohlen Bereich des
oberen Rahmens ist am oberen Rahmen ausgebildet. Ein Einlaß
für die Rückführung des Elektrolyten vom Gas-Flüssigkeitsseparator
ist in dem bereits erwähnten Seitenrahmen ausgebildet.
Es werden Zuleitungsstangen in Form von jeweils flachen
Platten hergestellt. Hierzu wird ein Kupfersubstrat durch
ein Heißdiffusionspreßbindeverfahren mit Titan beschichtet
(1,08 m × 0,041 m × 0,013 m). Diese Zuleitungsstangen werden
in die sechs Löcher eingesetzt, so daß die flachen
Flächen der Zuleitungsstangen parallel zu den Elektroden
verlaufen und die Strömung des Elektrolyten innerhalb der
Elektrolysenkammer hierdurch nicht gestört wird.
Es wird jeweils ein Verbindungsorgan in Form einer flachen
Platte aus Titan (1,0 m × 0,017 m × 0,004 m) mit den
flachen Flächen einer jeden Zuleitungsstange verbunden.
Auf diese Weise erhält man lineare Kontaktteile für die Zuleitungsstangen,
welche sich in vertikaler Richtung erstrecken
und der elektrischen und mechanischen Verbindung dienen.
Ferner sind jeweils verstärkende Einrichtungen aus Titan
(1,0 m × 0,047 m × 0,04 m) vorgesehen. Diese sind zwischen
benachbarten Zuleitungsstangen etwa mittig angeordnet.
Eine Elektrode vom Netztyp aus mit Rutheniumoxid beschichtetem
Titan (2,0 m × 1,0 m) wird auf den Oberflächen der
Verbindungsorgane gegenüber den Zuleitungsstangen befestigt.
Dabei erhält man ein Anodenabteil. Kathodenabteile werden
mit dem gleichen Aufbau hergestellt, wobei man jedoch den
Rahmen aus Edelstahl herstellt und die Zuleitungsstangen
aus mit Edelstahl beschichtetem Kupfersubstrat (durch Heiß
diffusionspreßbindeverfahren) herstellt. Die Verbindungsorgane
und die verstärkenden Einrichtungen und die
Elektrode bestehen aus Edelstahl.
Zur Herstellung einer Elektrolysenzelle vom Filterpreßtyp
werden eine Vielzahl von Kathodenabteilen und Anodenabteilen
alternierend angeordnet. Dazwischen werden Kationenaustauschermembranen
vorgesehen. Die Rahmen der Anodenabteile und der
Kathodenabteile werden aneinander befestigt. Die Kationen
austauschermembran wird jeweils zwischen dem Anodenabteil
und dem Kathodenabteil über flache Dichtungen gehalten.
Die Dichtungen bestehen aus EPDM-Kunststoff. Sie weisen zwei Zeilen
von dreieckförmigen Vorsprüngen auf. Die Dicke des flachen
Bereichs derselben beträgt 3,5 mm und die Höhe des Vorsprungs
3,5 mm. Über jeder Elektrolysenzelle wird jeweils ein
Gas-Flüssigkeitstrenngefäß angeordnet, welches der Trennung
des Gases von der aus der Elektrolysenkammer austretenden
Lösung dient. Solche Trennkammern sind sowohl mit der Anodenseite
als auch mit der Kathodenseite verbunden. Die Auslässe
der oberen Rahmen und die Einlässe für die Rückführung des
im Kreislauf geführten Elektrolyten werden jeweils mit Hilfe
von flexiblen Schläuchen mit den Gas-Flüssigkeitstrenngefäßen
verbunden.
Bei der Elektrolyse wird der Elektrolyt im Kreislauf durch
die Gas-Flüssigkeitstrenngefäße geführt. Diese Kreislaufbewegung
wird durch den Auftrieb des in der Elektrolysenkammer entwickelten
Gases bewirkt, ohne daß andere Zwangseinrichtungen erforderlich
sind.
Es wird jeweils ein Rahmen aus Titan mit der gleichen Größe
und der gleichen Gestalt wie bei dem vorhergehenden Beispiel
hergestellt. Es werden wiederum hohle Durchgänge in den
Rahmen mit den gleichen Abmessungen gebildet, welche dem
Durchtritt der Lösung und des Gases dienen. Andererseits werden
nur zwei Durchgänge für das Einsetzen der Zuleitungsstange
in einem Seitenrahmen ausgebildet. 17 Verbindungsorgane aus
Titan mit flacher plattenförmiger Gestalt und mit einem Hohlraum
für das Einsetzen der Zuleitungsstangen (1,0 m × 0,047 m × 0,004 m)
werden in vertikaler Richtung mit im wesentlichen
gleichen Abstand voneinander angeordnet.
Die Zuleitungsstangen werden jeweils hergestellt durch Beschichtung
eines Kupfersubstrats mit Titan nach dem Heißdiffusionspreßbindeverfahren
(2,30 m × 0,153 m × 0,018 m).
Diese Zuleitungsstangen werden durch die Löcher in dem
Seitenrahmen und durch die Ausnehmungen in den Verbindungsorganen
gesteckt. Eine Elektrode vom Netztyp aus mit Ruthenium
oxid beschichtetem Titan (2,0 m × 1,0 m) wird auf beiden
Seitenflächen der Verbindungsorgane befestigt. Auf diese Weise
erhält man ein Anodenabteil.
Das Kathodenabteil wird mit gleicher Größe und Gestalt hergestellt,
wie das Anodenabteil, wobei man jedoch die in dem
vorstehenden Beispiel erwähnten Materialien für das Kathodenabteil
verwendet. Man arbeitet nun nach dem gleichen Verfahren
wie bei dem vorstehenden Beispiel, und man erhält eine Elektrolysenzelle
durch Verwendung von Anodenabteilen und Kathodenabteilen
sowie Kationenaustauschmembranen. Es wird jeweils
eine Elektrolyse durchgeführt unter Einspeisung von 5,3n-NaCl
in die Anodenabteile und unter Einspeisung von Wasser in die
Kathodenabteile der jeweiligen Elektrolysezellen des Beispiels
und des Vergleichsbeispiels, und zwar unter Bildung
von 12,7n-NaOH. Die Stromdichte wird variiert und die
Elektrolysenspannung wird jeweils gemessen. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Der Spannungsverlust des Metalleiters ist bei dem Beispiel
im wesentlichen gleich demjenigen des Vergleichsbeispiels.
Die Elektrolysenspannung ist jedoch bei dem Beispiel wesentlich
geringer als bei dem Vergleichsbeispiel. Diese Tatsache
zeigt, daß die Elektrolysenprodukte, d. h. die Lösung und das
Gas leicht im Falle des erfindungsgemäßen Beispiels aus der
Elektrolysenkammer entlassen werden können, da die Zuleitungsstangen
vom Boden des unteren Rahmens her in vertikaler
Richtung eingesetzt sind. Darüber hinaus ist bei dem Beispiel
das Gesamtgewicht der teuren Zuleitungsstangen
wesentlich herabgesetzt auf etwa ¼ des Gesamtgewichts
der Zuleitungsstangen des Vergleichsbeispiels. Selbst bei
einer Elektrolyse während etwa 18 Monaten beobachtet man
bei der erfindungsgemäßen Elektrolysenzelle keinen Durchtritt
der Lösung durch die Rahmen nach außen und die unterhalb
der Rahmen vorgesehenen Verteilerstangen werden nicht beschädigt.
Claims (3)
1. Elektrodenabteil mit einer durch Rahmen umgebenen
Elektrolysenkammer, in der eine Elektrode durch mindestens
eine Zuleitungsstange für die Stromzuführung zur Elektrode
gehalten ist, umfassend einen unteren, hohlen Rahmen mit
Einrichtungen zur Zuführung und Einspeisung eines Elektrolyten
in die Elektrolysenkammer und einen oberen, hohlen Rahmen
mit Einrichtungen zur Entnahme und Abführung der Elektrolysenprodukte,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsstangen
(2) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen
und durch den Boden des unteren Rahmens (4) in vertikaler
Richtung eingesetzt sind und im wesentlichen parallel zur
Auftriebsströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer
verlaufen und die Elektrode (12) mechanisch durch
an den Zuleitungsstangen (2) befestigte Verbindungsorgane
(6) gehalten ist, wobei die elektrische Verbindung der
Zuleitungsstangen (2) mit der Elektrode (12) durch die
Verbindungsorgane (6) vermittelt wird.
2. Elektrodenabteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsorgan (6) im
Querschnitt eine im wesentlichen kreuzförmige Gestalt (+)
aufweist, wobei in einer Seitenrichtung ein sich in Längsrichtung
erstreckender Hohlraum ausgebildet ist, durch den sich
die Zuleitungsstange (2) erstreckt, so daß diese vom Verbindungsorgan
(6) umgeben ist und wobei das Verbindungsorgan
(6) in vertikaler Richtung im wesentlichen parallel zur
Auftriebströmung des Elektrolyten in der Elektrolysenkammer
angeordnet ist und wobei ein Paar Elektroden (12) mechanisch
von beiden Seitenflächen der Verbindungsorgane (6) gehalten
sind und ein Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden
(12) besteht und wobei die Elektroden (12) über die Verbindungsorgane
(6) elektrisch mit den Zuleitungsstangen (2)
verbunden sind.
3. Elektrodenabteil nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere plattenförmige
Verstärkungseinrichtungen (13) zwischen den Zuleitungsstangen
(2) im wesentlichen parallel zu diesen innerhalb der Elektrolysenkammer
angeordnet sind, wobei ein Paar Elektroden (12)
mechanisch durch beide Seitenflächen der Verstärkungseinrichtungen
(13) gehalten werden.
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