DE2940120A1

DE2940120A1 - Zusammengesetzte bipolarelektrode fuer die alkalimetallchlorid-elektrolyse u.a. elektrolyseprozesse

Info

Publication number: DE2940120A1
Application number: DE19792940120
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr.-Ing. Hausmann; Kurt 1000 Berlin Klein; Dipl.-Ing. Harald Will
Original assignee: KREBSKOSMO GES F CHEMIE ING TE
Current assignee: KREBSKOSMO GES F CHEMIE ING TE
Priority date: 1979-10-01
Filing date: 1979-10-01
Publication date: 1981-04-16
Also published as: NO811674L; EP0045743A1; WO1981000864A1

Description

Zusammengesetzte Bipolarelektrode für die Alkalimetallchlorid-
Elektrolyse und andere Elektrolyseprozesse Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte Bipolarelelektrode für Elektrolysezellen mit perforierten Voranoden und Vorkathoden und gas- und flüssigkeitsdichter Trennung von Anolyt- und Katholytraum.
Bipolare Elektrolysezellen haben gegenuber monopolaren Zellen den Vorteil, daß keine Stromzuführungen zu den Elektroden benötigt werden und die Zelle sehr kompakt gebaut werden kann. Sie finden z.B. für die Wasserelektrolyse breite Anvendung, und auch für die Chloralkali-Elektrolyse sind besonders für das Mbmbranverfahren bipolare Zellenkonstruktionen neuerdings in Anwendung.
An die Elektroden von Bipolarzellen werden eine Reihe von Anforderungen gestellt: sie müssen auf der einen Seite als Anode wirken und dort gegen die anodischen Betriebsbedingungen beständig sein, auf der anderen Seite als Kathode wirken und von den an der Kathode gebildeten Stoffen nicht angegriffen werden. Im allgemeinen müssen sie auch eine Trennung der Medien auf der Anodenseite und Kathodenseite voneinander sicherstellen. Die Elektroden sollen niedrige Uberspannungen haben und eine gute bfiihrg der gebildeten Gase ermöglichen. Diese Forderungen führen z.B. bei der Wasserelektrolase zu perforierten Vorelektroden, die auf beiden Seiten einer Trennwand angeordnet, mit dieser elektrisch leitend verbunden sein und auf der einen Seite als Kathode, auf der anderen als Anode wirken. Bei der Chloralkali-Elektrolyse sind die Medien auf der Anodenseite Alkalichloridlösung mit saurem pH-Wert und Chlor, dazu unterchlorige Säure, Chlorat und Sauerstoff, auf der Kathodenseite Alkalihydroxidlösung und Wasserstoff.
Von den verschiedenen in Frage kommenden Werkstoffen für die Anode hat sich am besten Titan mit einer geeigneten Edelmetalloxidbeschichtung bewährt, für die Kathode hingegen Stahl, entweder blank oder mit einer Aktivierung auf Basis Nickel-Schwefel oder Nickel-Zink, wie sie z.B. in den Patenten FR-7805208 bzw.
UEL3 272 728 beschrieben ist.
Titan ist als Kathode nicht geeignet, da der entstehende atomare Wasserstoff im Titan in Lösung geht und Hydrid bildet, das von der Lauge abgelöst wird. Da eine metallische Trennwand ebenfalls als Elektrode wirkt und der entsprechenden Beanspruchung ausgesetzt wird, ist Titan auch für die Trennwand als Werkstoff nicht ohne weiteres zu gebrauchen. Hinzu kommt, daß sich Titan und Stahl nicht auf einfache Weise durch Schweißen verbinden lassen.
Die Elektroden der bisher bekannt gewordenen bipolaren Membranzellen bestehen daher im allgemeinen aus einer Trennwand in "Sandwich-Bauweise", die auf der Anodenseite aus Titan, auf der Kathodenseite aus Stahl besteht, wobei die beiden Metalle durch Explosionsplattierung verbunden sind. Auf die Trennwand sind auf der einen Seite die Stromzuführungen zu den Anoden aus Titan, auf der anderen Seite die Stromzufürrungen für die Kathoden aus Stahl angeschweißt.
Diese Konstruktion ist aufwendig, materialintensiv, schwer und teuer, da das explosionsplattierte Blech aus Herstellungagründen eine gewisse Mindestdicke haben muß. Außerdem können durch Wasserstoffdiffusion Probleme auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine zusammengesetzte Bipolarelektrode für Elektrolysezellen gemäß der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei Vermeidung der angesprochenen Nachteile des Standes der Technik eine leichte, niaterialsparende Bauweise erlaubt, die trotzdem eine sehr genaue Einhaltung gleichmäßiger Elektrodenabstände gestattet und einen minimalen Ohmschen Spannungsabfall ergibt. Diese Aufgabe wird orfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennwand zwischen Anoden- und Kathodenraum durch eine Folie aus einem Material gebildet ist, das sowohl gegen die Bedingungen auf der Anodenseite, als auch gegen die Bedingungen auf der Zathodenseite beständig ist, z.B. PTFE, und einem Stützgitter, vorzugsweise aus Streckmetall. Die Folie kann entweder mit dem Stützgitter auf geeignete Weise verbunden werden, oder auch frei auf dem Stützgitter aufliegen. In diesem Fall wird das Stützgitter auf derjenigen Seite der Folie angeordnet, wo der niedrigere Druck herrscht.
Wenn man also, um eine niedrigere Zellenspannung zu erreichen, mit einem leichten Überdruck auf der Kathodenseite arbeitet, befindet sich das Stützgitter auf der Anolytseite und ist vorsugsweise aus Titan hergestellt. Das Stützgitter wird dann in regelmäßigen Abständen gegen die Anode, die ebenfalls aus Titanstreckmetall besteht, abgestützt und an den Eontaktstellen, an denen der Stromübergang von der Anode zur Kathode erfolgt, eingeklemmt.
Die tontaktstelle wird dabei so ausgeführt, daß sie wieder lösbar ist und Anode und Kathode zur Wiederbeschichtung ausgebaut werden können. Die Kontaktstelle wird gegen das Medium abgedeckt.
Die Abdichtung zwischen Anolyt- und Katholytraum erfolgt in bekannter Weise durch eine O-Ring-Dichtung. Die Folie kann sehr dünn sein, da es auf Diffusionsdichtigkeit infolge der perforierten Rückwand nicht ankommt. Auch thermische Dehnungen wirken sich bei entsprechender Bemessung des Streckgitters nicht nachteilig aus.
Aus der einzigen Figur der Zeichnung, die einen Querschnitt durch einen Elektrolyseur mit mehreren Bipolarelementen 1 darstellt, geht eine Ausführungsform der beschriebenen Bipolarelektrode für eine Chloralkali-Nembranzelle hervor. Der Strom wird an der Endanode 2 zugeführt und an der Endkathode 3 abgeführt. Ein Bipolarelement besteht jeweils aus dem Rahmen 4, den Rahmendichtungen 5, der Bipolarelektrode 6 und der Erennmemt an 7. Die Elektrode selbst besteht aus der Streckmetallanode 8 aus beschichtetem Titan, dem Stützgitter 9, der Folie 10 und der perforierten Kathode aus Stahl 11. Der Strom von der Kathode wird in Ronden 12, die mit der Kathode durch Schweißung verbunden sind, gesammelt und durch den Schraubkontakt 13 auf Titanstege 14 übertragen, die ihn weiter auf die durch Punktschweißung verbundene Anode 8 übertragen. Die Abdichtung zwischen Anolyt- und Katholytraum erfolgt durch O-Ring 15.
Zum Schutz der Kontaktverbindung gegen das Medium ist die Verschraubung mit einer Kappe 16 aus einem geeigneten Elastomer überzogen, die gleichzeitig über die auf der Anode ruhende Nembran den Abstand zwischen den Elektroden reguliert.
Eine derartige Bipolarelektrode hat bei einem Materialaufwand an Titan von nur einem Bruchteil des bei sprengplattierten Bipolarelektroden einen Ohm'schen Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode von weniger als 50 mV.
Die Anwendung der beschriebenen Bipolarelektrode ist nicht auf die Chloralkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren beschränkt, sondern auch bei anderen Elektrolyseprozessen möglich und vorteilhaft, wenn Anode und Kathode aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, Anolyt und Katholyt auseinandergehalten werden müssen und es Schwierigkeiten macht, einen Werkstoff für die Trennwand zu finden, der gleich gut gegen den Anolyten und den Katholyten beständig ist.

Claims

PatentansPruche 1. Zusammengesetzte Bipolarelektrode für Elektrolysezellen mit perforierten Voranoden und Vorkathoden und gas- und flüssigkeitadichter Trennung von Anolyt- und Katholytraum, Sekennzeichnet dadurch, daß die Trennwand von einer Folie (10) gebildet ist, die durch ein Metallgitter (9) verstärkt ist.
2. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Folie (10) mit dem Metallgitter (9) auf geeignete Weise fest verbunden ist.
3. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Folie (10) sich auf das Metallgitter (9) abstützt und durch den Differenzdruck zwischen Katholyt- und Anolyttraum in ihrer Lage gehalten ist.
4. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung zwischen Kathode (3), Anode (2) und Trennwand (7) lösbar ist und jedes Teil für sich ohne Beschädigung austauschbar und erneuerbar ist.
5. Bipolarelektrode nach Anspruch 1 und 4, gokennseichnet dadurch. daß die Trennwand (1) mit einer ausreichenden Zahl von gas- und flüssigkeitsdichten Durchführungen versehen ist, in denen Anode (2) und Kathode (3) miteinander stromleitend verbunde sind.
6. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, 4 und 5 für die Alkalimetallchlorid-Elektrolyse, gekennzeichnet dadurch, daß das Metallgitter (9) aus Titan-Streckmetall geeigneter Maschenweite besteht.