DE3025907A1

DE3025907A1 - Bipolare elektrolyseeinrichtung mit einer synthetischen trennschicht

Info

Publication number: DE3025907A1
Application number: DE3025907A
Authority: DE
Inventors: Hugh Cunningham; Jun Carl William Raetzsch
Original assignee: PPG Industries Inc
Current assignee: PPG Industries Inc
Priority date: 1979-07-11
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1981-01-15
Also published as: FR2461022B1; IT8023207A0; GB2056494A; CA1139264A; JPS5616688A; BE884255A; IT1132166B; FR2461022A1; GB2056494B; NL8002931A

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine bipolare Elektrolyseeinrichtung, insbesondere eine besondere konstruktive Ausbildung der Elektroden einer bipolaren Einheit.

Bei der industriellen Herstellung von Chlor und Alkalihydroxid beispielsweise Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid werden elektrolytische Zellen verwendet, die ein vom Katholytraum mittels einer permionischen Trennschicht getrennten Anolytraum aufweisen, verwendet. In einer elektrolytischen Zelle mit einer ionendurchlässigen Trennschicht weist der Anolytraum eine saure Anolytflüssigkeit mit einem pH-Wert zwischen etwa 2,5 und etwa 5,5 auf, die etwa 125 bis 250 g pro Liter Alkalichlorid enthält und wobei Chlor an der Anode entwickelt wird. Im Katholytraum befindet sich eine alkalische Katholytflüssigkeit, die einen Alkalihydroxidgehalt von mehr als etwa 1 Mol pro Liter aufweist und wobei Wasserstoff an der Kathode abgeschieden wird.

Die synthetische Trennschicht trennt die saure Anolytflüssigkeit von der alkalischen Katholytflüssigkeit unter Aufrechterhaltung der Differenzen des pH-Wertes und der Konzentration. Die synthetische Trennschicht kann ein mikroporöses Diaphragma oder eine permionische Membran sein. Mikroporöse Diaphragmen beispielsweise mikroporöse Fluorkohlenstoffilme erlauben die Diffusion von Chlorionen durch die Trennschicht, so daß eine Zellflüssigkeit entsteht, die etwa 10 bis 15 Gew.% Alkalihydroxid und etwa 15 bis 25 Gew.% Alkalichlorid enthält.

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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die synthetische Trennschicht eine permionische Membrane, genauer gesagt eine Kationenselektive permionische Membran. Die für die Chloralkalielektrolyse geeigneten kationenselektiven permionischen Membranen bestehen aus Fluorkohlenwasserstoffharzen mit sauren Gruppen, wie Carbonsäuregruppen, Sulfonsäuregruppen, Phosphoniumsäuregruppen, Phosphorsäuregruppen oder Derivaten oder Vorläufern davon. Die kationenselektiven permionischen Membranen sind im wesentlichen undurchlässig für Chloridionen, so daß eine im wesentlichen chloridfreie Zellflüssigkeit entsteht, die etwa 10 bis etwa 50 Gew.% Alkalihydroxid aufweist.

Die zu erwartende lange Lebensdauer und Stabilität von synthetischen Trennschichten regt deren Verwendung in bipolaren Elektrolyseeinrichtungen an, bei denen es ebenso wichtig ist, daß sie kostengünstig hergestellt und betrieben werden können. Bipolare. Elektrolyseeinrichtungen sind gekennzeichnet durch eine Rückplatte, die auch als bipolare Einheit oder bipolare Elektrode bezeichnet wird und nachstehend noch im Detail beschrieben wird. Die bipolare Einheit weist eine bipolare Rückplatte auf, die als tragendes Glied dient und Kathoden einer Zelle einer bipolaren Elektrolyseeinheit trägt und die Anoden der nächsten benachbarten Zelle der Elektrolyseeinrichtung trägt.

Eine Einzelzelle einer bipolaren Elektrolyseeinrichtung wird gebildet aus einem Anodenelement einer bipolaren Elektrode oder bipolaren Einheit und einem Kathodenelement der nächsten benachbarten bipolaren Elektrode oder

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bipolaren Einheit. Die Kathoden sind elektrolytdurchlässig und überzogen mit einer ionendurchlässigen Trennschicht, wie es später noch beschrieben wird.

Zum Betrieb der bipolaren Elektrolyseeinrichtungen wird Sole in die einzelnen getrennten Zellen eingebracht und ein elektrisches Potential an die Elektrolyseeinrichtung angelegt. Aufgrund des elektrischen Potentials fließt ein Strom von einer Kraftquelle zum anodischen Ende der Einheit und von der anodischen Einheit der Elektrolyseeinrichtung zu den einzelnen Zellen,, die in Serie geschal tet sind und am Ende zur kathodischen Endeinheit und dann zurück zur Kraftquelle oder zu einer benachbarten bipolaren Elektrolyseeinrichtung.

Die übliche Sole ist beispielsweise konzentriert oder eine gerade gesättigte Sole, die etwa 300 bis etwa 325 g pro Liter Natriumchlorid oder etwa 400 bis etwa 450 g pro Liter Kaliumchlorid aufweist. Die Sole wird in die Anolyträume der einzelnen elektrolytischen Zellen eingespeist und Chlor aus den Anolyträumen der einzelnen Zellen abgezogen, während Wasserstoff und alkalische. Zellflüssigkeit aus den einzelnen KathoIyträumen der Elektrolyseeinrichtung gewonnen wird.

Wenn die synthetische Trennschicht ein mikroporöses Diaphragma ist, enthalt die Katholytflüssigkeit üblicherweise annähernd 120 bis 220 g pro Liter Natriumchlorid und etwa 110 bis etwa 150 g pro Liter Natriumhydroxid oder etwa 160 bis etwa 300 g pro Liter Kaliumchlorid und etwa 160 bis etwa 22Og pro Liter Kaiiumhydroxid.

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Wenn bei einer alternativen Ausführungsform die synthetische Trennschicht eine pennionische Membran anstelle eines mikroporösen Diaphragmas ist, kann die Katholytflüssigkeit bis zu 300 g oder mehr pro Liter Natriumhydroxid und entsprechend geringere Mengen an Natriumchlorid enthalten, beispielsweise weniger als etwa 10 g pro Liter Natriumchlorid und vorzugsweise weniger als Ig pro Liter Natriumchlorid. Alternativ kann die Katholytflüssigkeit bis zu 450 g oder mehr pro Liter Kaliumhydroxid und einen entsprechend niedrigeren Anteil beispielsweise weniger als 10 g pro Liter Kaliumchlorid, vorzugsweise weniger als 1 g pro Liter Kaliumchlorid enthalten.

Obwohl die bipolaren Elektrolyseeinheiten dazu prädestiniert sind, örtlich hergestellt und betrieben zu werden, insbesondere mit synthetischen Trennschichten zwischen dem Anolytraum und dem Katholytraum der einzelnen Zellen, bereitet es erhebliche Schwierigkeiten das für die synthetischen Trennschichten verwendete Fluorkohlenstoffmaterial in die notwendige Form zu bringen, insbesondere bei fingerförmigen Elektroden, wenn diese in Reihen nahe nebeneinander in bipolaren elektrolytischen Zellen angeordnet werden sollen.

Die erforderliche Beschäftigungsweise, Fugen und Faltung erfordern hohe Temperaturen, scharfe Reagenzien, hohen Druck oder die Kombination derartiger Maßnahmen, was sich jedoch nachteilhaft auf die Elektroden auswirkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, eine konstruktive Gestaltung einer bipolaren Elektrolyseein-

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richtung und Verwendung einer synthetischen Trennschicht zwischen dem Anolytraum und dem Katholytraum jeder einzelnen Zelle vorzusehen, wobei eine elektrolytdichte
Verbindung vorhanden ist, so daß ein kompliziertes nachträgliches Fugen und Befestigen der permionischen Membran oder eines mikroporösen Diaphragmas vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine besondere konstruktive Gestaltung, bei der die Kathodenfinger unabhängig
einzeln von einer Kathodenrückseitenabschirraung entfernbar ausgebildet und angeordnet sind. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildungsform tragen die einzeln unabhängig
voneinander demontierbaren Kathodenfinger jeweils eine
getrennte ionendurchlässige synthetische Trennschicht.
Die ionendurchlässige synthetische Trennschicht umschließt jeden einzelnen Kathodenfinger und ist zwischen der Kathode und der Kathodenrückseitenabschirmung perforiert, so daß ein Strom von Katholytflüssigkeit an dieser Stelle möglich ist und die Trennschichten sind so befestigt und ausgebildet, daß sie sich außerhalb der Kathodenabschirmung
gegenseitig stützen.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine bipolare
Elektrolyseeinrichtung mit einer synthetischen Trennschicht gemäß Anspruch 1.

Bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen und Nebenansprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nun anhand der Abbildungen noch näher erläutert.

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Figur 1 ist eine maßgerechte Wiedergabe einer bipolaren Elektrolyseeinrichtung mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenaufbau und den dazwischen angeordneten synthetischen Trennkombinationen.

Figur 2 zeigt im Teilschnitt die Einrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt einen seitlichen Teilschnitt der Elektrolyseeinrichtung nach den Figuren 1 und 2.

Figur 4 ist ein Teilschnitt eines einzelnen Kathodenelementes der bipolaren Elektrolyseeinrichtung nach den Figuren 1 bis 3.

Figur 5 ist eine maßgerechte Explosionszeichnung eines einzelnen Kathodenelementes einer bipolaren Elektrolyseeinrichtung gemäß Figuren 1 bis 4.

Figur 1 zeigt eine bipolare Elektrolyseeinrichtung mit einer Vielzahl von einzelnen elektrolytischen Zellen 11, 12, 13 und 14, die elektrisch und mechanisch in Reihe geschaltet sind mittels bipolarer Einheiten 21, 23, 25. und 27, die ihrerseits ebenfalls wieder elektrisch und mechanisch in Reihe geschaltet sind.

Die bipolare Elektrolyseeinrichtung 1 weist ein SoIezuführungssammelrohr 91 auf, das durch den Sole/Chlortank 95 ebenso wie die Solerückführleitung 99 mit dem Anolytraum jeder einzelnen Zelle in Verbindung steht. Durch die Chlor/Soleleitung 97 gelangt Chlor in den Soletank 95, wo Chlor und Soleschaum voneinander getrennt werden und Chlor durch das Solezuführungssammelrohr 91 gewonnen wer-

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den kann. Auf diese Weise ist eine Kreislaufführung der Anolytflüssigkeit möglich, insbesondere, wenn sich die Solerückführleitung 99 bis in den Anolytraum, beispielsweise unterhalb des Elektrolytniveaus erstreckt. Zusätzlich wird eine verarmte Sole aus dem Anolytraum durch die Soleabzugsleitung 111 entfernt. Die Zufuhr von Säure zu den einzelnen Anolyträumen erfolgt durch die SäurezuführungsSammelleitung 101, um eine saure Anolytflüssigkeit zu bilden.

Durch die Wasserzuführungssammelleitung 103 kann Wasser in die Katholyträume der einzelnen elektrolytischen Zellen 11, 12, 13 und 14 über die einzelnen Wasserzuführungs leitungen 105 eingespeist werden. Wasserstoff wird abgezogen durch die Wasserstoffgewinnungsleitung 109 und die Sammelleitung 107. Zellflüssigkeit wird gewonnen durch die Zellflüssigkeitsabzugsleitung 115 und die entsprechende Sammelleitung 113.

Die individuellen bipolaren Einheiten 21, 23, 25 und 27 weisen Rückplatten 31 auf, die den Anolytraum der einzelnen Zelle abtrennen, beispielsweise den der Zelle 11 vom Katholytraum der vorhergehenden Zelle, beispielsweise Zelle 12. Die Rückplatte 31 weist eine anolytbeständige Oberfläche 41 auf der einen Seite und eine katholytbeständige Oberfläche 61 auf der gegenüberliegenden Seite auf. Die anolytbeständige Oberfläche 41 ist hergestellt aus einem Gleichrichtermetall und kann eine Folie, eine Platte, eine Beschichtung oder eine Auskleidung sein. Als Gleichrichtermetalle werden die Metalle bezeichnet, die ein Oxid bei Einwirkung eines sauren Mediums unter anodischen Bedingungen bilden. Dies sind

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beispielsweise Titan, Tantal, Wolfram, Niob, Zirkon und dergleichen. Die gegenüberliegende Seite der Rückplatte 31 weist eine katholytbeständige Oberfläche 61 auf. Unter einer katholytbeständigen Oberfläche wird verstanden eine Oberfläche aus Eisen, Eisenlegierungen, wie Stahl, rostfreiem Stahl oder einem niedrig gekohlten weichen Stahl.

Weiterhin kann, dies wird nicht gezeigt, eine dritte Schicht zwischen der anolytbeständigen Oberfläche 41 und der katholytbeständigen Oberfläche 61 der Rückplatte 31 vorhanden sein. Die dritte Schicht soll das Verspröden der anolytbeständigen Oberfläche 41 der Rückplatte 31 durch Wasserstoff verhindern. Diese kann in Form eines Überzuges aus metallischem Kupfer vorliegen, einer Platte oder einer Folie oder einer Folie eines Metalles der Platingruppe, die zwischen der anolytbeständigen Oberfläche 41 und der katholytbeständigen Oberfläche 61 angeordnet ist. Alternativ kann aber auch eine F.olie aus einem für nascierenden Wasserstoff im wesentlichen undurchlässigen Material zwischen der Katholytflüssigkeit und der katholytbeständigen Oberfläche 61 der Rückplatte 31 angeordnet sein.

Die einzelnen Anoden 43 sind aus den vorstehend bereits genannten Gleichrichtermetallen hergestellt und weisen eine elektrokatalytische Oberfläche auf. Die einzelnen Anoden 43 können auf die anolytbeständige Oberfläche 41 der Rückplatte 31 aufgeschweißt sein. Alternativ können die einzelnen Anoden auch an nicht gezeigten Stäben angeschweißt sein oder an Verlängerungen des kathodischen Leiters.

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Die einzelnen Anodenscheiben 43 können perforierte durchlöcherte Metallsiebe, Folien, Platten und dergleichen sein. Sie stehen jeweils parallel zueinander und erstrecken sich rechtwinklig von der anolytbeständlgen Oberfläche 41 der Rückplatte "31, wodurch Elektrodenfinger gebildet werden zwischen den fingerförmigen Elektroden entgegengesetzter Polarität.

Die Kathodenstruktur schließt einzelne hohle Kathodenfinger 63 ein mit Seitenwänden, einer Vorderkante, einer Bodenkante und einer Führungskante oder Spitze. Die Kathodenfinger sind aus üblichem brauchbaren Material hergestellt, beispielsweise einem das elektrisch leitfähig, widerstandsfähig gegenüber Alkali ist und in eine für Elektrolyten durchlässige Form gebracht werden kann. Der Strom eines Elektrolyten zwischen der permionischen Membran 81 und dem Katholytraum muß möglich sein. Die elektrolytdurchlässige Form kann gebildet werden durch eine perforierte Platte, eine perforierte Folie, ein Metallsieb oder ein aufgeweitetes Metallsieb, um offene Flächen von etwa 30 bis etwa 70% zu haben.

Das Material für die einzelnen Kathodenfinger 63 kann Eisen sein oder eine Eisenlegierung, wie Stahl, Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder rostfreier Stahl. Zusätzlich kann die Kathode 63 einen wasserstoffüberspannungssreduzierenden Katalysator oder einen bipolarisierenden Katalysator auf der Oberfläche haben.

Die Kathodenfinger 63 weisen Öffnungen 64 in ihrer Basis auf, mit der sie an einer rückseitigen Abschirmung 67, die analoge Öffnungen 68 aufweist, angeordnet sind. Unter

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Öffnungen wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß dort im wesentlichen kein Metallsieb, keine perforierte Platte oder dergleichen vorhanden ist, so daß ein ungehinderter Strom der Katholytflüssigkeit und des Wasserstoff gas es zwischen den Räumen möglich ist.

Die Kathodenrückseitenabschirmung 67 ist im wesentlichen parallel und im Abstand von der kathodischen Oberfläche 61 der Rückenplatte 31 angeordnet. Die Kathodenrückseitenabschirmung 67 hat im wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie die kathodische Oberfläche 61 der Rückplatte 31. Sie kann aus dem gleichen Material gefertigt sein wie die Kathodenfinger 63 und das Material kann auch in der gleichen Ausführungsform verwendet werden» D.h. sie kann aus einem elektrisch leitfähigen, elektrolytundurchlässigen Metall bestehen, das in eine elektrolytdurchlässige Form gebracht ist, beispielsweise als perforierte Platte, perforierte Folie, Metallsieb oder aufgeweitetes Metallsieb mit 30 bis 70% offener Fläche. Als Materialien kommen Eisenlegierungen, wie Stahl, Weichstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt oder rostfreier Stahl infrage. Alternativ kann die kathodische Rückseitenabschirmung 67 auch aus einem nicht leitfähigen Material hergestellt werden, beispielsweise aus einem schweren polymeren Material oder einem mit Polymeren überzogenen Material und kann im wesentlichen elektrolytundurchlässig sein.

Die hohlen Kathodenfinger 63 sind an der kathodischen Abschirmung 67 angebracht und erstrecken sich senkrecht von ihr und stehen in direktem Kontakt mit der Abschirmung» Der Raum innerhalb der Kathodenfinger 63 und der Raum zwischen der Kathodenabschirmung 67 und der kathodischen

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Oberfläche 61 der Rückplatte bilden den Katholytraum. Die Elektrolytzufuhr, beispielsweise Wasser zum Katholytraum erfolgt durch die Sammelleitung 103 und die Wasserzuführungsleitung 105, während das abgezogene Gas durch die Wasserstoffgewinnungsleitung 109 zur Sammelleitung 107 geführt wird.

Die synthetische Trennschicht 81 trennt den Anolytraum vom Katholytraum und erstreckt sich auf den hohlen Elektroden 63. Obwohl in dieser Ausführungsweise die hohlen Elektroden als Kathoden bezeichnet werden, ist es selbstverständlich, daß man die hohlen Elektroden ebenso als Anoden ausbilden kann, wenn man die entsprechend entgegengesetzten Materialien verwendet und auf diese Weise einen Katholytraum bildet, der von hohlen Anoden umgeben ist und bei der die hohlen Anodenfinger eine permionische Membran oder ein mikroporöses Diaphragma tragen.

Die synthetische Trennschicht 81 kann eine permionische Membran sein. Darunter wird eine Membran verstanden, die im wesentlichen undurchlässig für Anionen ist und im wesentlichen durchlässig ist für den Strom von Kationen und auf diese Weise die Wanderung von Alkaliionen zuläßt aber die Wanderung von Chloridionen durch Sperrwirkungen unterdrückt. Alternativ kann die synthetische Trennschicht 81 auch ein mikroporöses Diaphragma sein, wobei die Trennschicht dann im wesentlichen durchlässig ist für den gesamten Elektrolytstrom, einschließend beides Kationen und Anionen.

Üblicherweise besteht die synthetische Trennschicht aus einem Fluorkohlenwasserstoff. Wenn die Trennschicht 81

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eine permionische Membran ist, besteht sie üblicherweise aus einem Fluorkohlenwasserstoff mit Säuregruppen daran, beispielsweise Sulfonsäuregruppen, Carbonsäuregruppen, Phosphoniumsäuregruppen, Phosphorsäuregruppen und Vorläufern oder Reaktionsprodukten derartiger Gruppen.

Dieses Material aus fluorierten Kohlenwasserstoffen ist dadurch gekennzeichnet, daß es Schwierigkeiten bereitet, es zu Folien zu verarbeiten. Ebenso schwer ist es, aus diesen Folien komplizierte Formen herzustellen. Dazu sind im allgemeinen Ultraschall, Wärme, Druck oder chemische Verfahren notwendig, um die Folien der synthetischen Trennschicht 81 aneinander zu binden. Es wurde gefunden, daß man besonders erwünschte und gute Resultate erhält, wenn die Folien direkt miteinander vereinigt werden bei der Herstellung beispielsweise durch Ultraschall, chemische Verfahren, Druck oder Hitze mit den notwendigen Einrichtungen und Apparaturen auf jeder Seite der zu vereinigenden Stoffe, beispielsweise Pressen und Erwärraungselemente.

Wie gezeigt, besteht erfindungsgemäß eine Kombination von unabhängig entfernbaren einzelnen Kathodenfingern 63, wobei jede Kathode ihre eigene synthetische Trennschicht besitzt und diese Folie eine öffnung 82 aufweist zwischen dem eigentlichen Kathodenfinger 63 und der Rückseitenabschirmung 67 und die dicht die Basis des Kathodenfingers 63 umschließt.

Unabhängig entfernbare Kathoden sind beispielsweise in Figur 5 wiedergegeben. In der Abbildung ist gezeigt, wie sich Bolzen 71 nach außen aus der Basis des Kathodenfingers 63 erstrecken. Die Bolzen können Gewindebolzen sein aus einem üblichen elektrisch leitfähigen Material, wie

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Kupfer, Eisen oder dergleichen und einen Durchmesser haben zwischen etwa 4,76 ram und etwa 7,94 mm (3/16 inch bis 5/16 inch). Diese Ausführung ist beschrieben in US-Patentschrift 40 16 064, die sich auf einen Kathodenaufbau für Diaphragmazellen richtet.

Wie beschrieben, sind die Bolzen 71 elektrisch und mechanisch mit den Kathodenfingern 63 verbunden. Beispielsweise können die Bolzen an den Kathodenwänden angeschweißt sein durch Punktschweißen oder dergleichen. Nach einer weiteren Ausführungsform können die Bolzen 71 an einem Stutzen angeschweißt sein, der seinerseits wieder an den Wänden der Kathodenfinger 63 angeschweißt ist.

Die kathodische Rückseitenabschirmung 67 weist Öffnungen auf. Diese Öffnungen stimmen mit den Bolzen überein und sind im Durchmesser größer als der Durchmesser der Bolzen, um ein geringfügiges seitliches Verschieben der Kathodenfinger 63 zu ermöglichen, aber eng genug im Durchmesser, um ein Befestigen der Bolzen 71 zu ermöglichen. Wie in de bereits erwähnten Patent angegeben ist, weisen die Öffnungen zur Aufnahme der Bolzen 71 einen Durchmesser auf, der etwa 6,4 bis 12,7 mm großer ist als der Durchmesser der Bolzen 71.

Weiterhin weist die kathodische Rückseitenabschirmung 67 öffnungen 68 auf, die einen ungehinderten Durchtritt der Zellflüssigkeit und Wasserstoff zwischen den Hohlräumen der Kathodenfinger 63 und dem Raum zwischen der Abschirmung 67 und der kathodischen Oberfläche 61 der bipolaren Rückplatte 31 ermöglichen.

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Die elektrische Verbindung zwischen der bipolaren Rückplatte 61 und den einzelnen hohlen Kathodenfingern 63 wird durch ein System flexibler elastischer Leitungen hergestellt, wie es im wesentlichen im bereits erwähnten US-Patent beschrieben ist. Diese flexiblen elastischen Leitereinrichtungen schließen Leiterkontakte 69 ein, die an den einzelnen Kathodenfingern 63 befestigt sind, wie es in Abbildung 5 gezeigt ist. Elektrisch und mechanisch sind diese Kontakte mit den Kathodenfingern verbunden und erstrecken sich von den Kathodenfingern zur kathodischen Oberfläche 61 der bipolaren Rückplatte 31. Unter flexibel und elastisch ist zu verstehen, daß die Leiterkontakte ein Bewegen und Justieren der Kathodenfinger 63 erlauben, aber trotzdem eine dichte Verbindung zwischen zwei Paaren elektrischer Leiter vorhanden ist.

Ein Paar der Leitfähigkeitsbolzen 71 ist mit jedem Kathodenfinger 63 verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Ein zweites Paar von Leiterkontakten ist an der katholytbeständigen Oberfläche 61 der bipolaren Rückplatte 31 angebracht oder direkt mit der Rückplatte 31 verbunden durch Verschrauben, Schweißen oder dergleichen.

Jeder der Kathodenfinger 63 trägt eine unabhängige ionendurchlässige synthetische Trennschicht 81. Wie es in Figur 4 dargestellt ist, hüllt die Membran 81 jeden einzelnen Kathodenfinger 63 ein und wird zwischen der Basis des Kathodenfingers 63 und der Kathodenabschirmung 67 eingespannt, um dadurch Elektrolytdichtigkeit zwischen der Abschirmung und dem Kathodenfinger zu erreichen.

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Wie es in Figur 5 gezeigt wird, stimmen die Öffnungen in der Basis der Kathodenfinger 63 mit den Öffnungen 82 in der Basis der permionischen Membran 81 überein und korrespondieren ferner mit den Öffnungen 68 in der Kathodenabs chirmung 67 und den Öffnungen 66 der Dichtung 65. Diese Öffnungen oder Perforierungen erlauben das Durchführen des Leitungsbolzens 71 und den Durchtritt von Elektrolyt und Wasserstoff. Die synthetische Trennfolie 81 umschließt den Kathodenfinger 63, wie zuvor beschrieben, und ist selbst befestigt durch die überstehenden Ränder 83. Die Befestigung kann vollendet werden durch Ultraschalleinrichtungen, chemische Einrichtungen oder Temperatur nach dem Einhüllen der hohlen Kathodenfinger 63.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Aufbaues kann eine elastische Dichtungsschicht 65 vorgesehen sein zwischen der Kathodenabschirmung 67 und der permionischen Membran oder dem mikroporösen Diaphragma 81, die öffnungen 66 aufweist, die mit den Öffnungen 82 und 64 in der Trennschicht 81 bzw. der Kathode 63 übereinstimmen. Die Dichtungsschicht 65 verbessert die Elektrolytdichtigkeit zwischen der permionischen Membran und der Kathodenrückseitenabschirmung.

Die Erfindung wurde an verschiedenen Beispielen beschrieben, die aber damit die Erfindung nicht begrenzen. Beispielsweise können nach einer anderen Ausführungsform eine bipolare Elektrolyseeinrichtung eine Vielzahl von bipolaren Einheiten, die mechanisch und elektrisch in Reihe geschaltet sind, aufweisen, wobei jedes bipolare Element eine Rückplatte mit einer katholytbeständigen Oberfläche auf der einen Seite und einer anolytbeständi-

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gen Oberfläche auf der anderen Seite aufweist und diese Rückplatte den Anolytraum einer Zelle vom Katholytraum der vorhergehenden benachbarten Zelle trennt und bei der sich Kathoden von der katholytbeständigen Oberfläche aus und Anoden von der anolytbeständigen Oberfläche aus erstrecken. Die Anoden können eine anodische Rückseitenabschinnung aufweisen parallel zu und im Abstand von der anolytbeständigen Oberfläche der Rückplatte sowie hohle Anodenfinger, die auf der Abschirmung in engem Kontakt befestigt sind und sich senkrecht nach außen von der anodischen Abschirmung erstrecken und wobei der Raum innerhalb der hohlen Anodenfinger und der Rückseitenabschirmung und der anolytbeständigen Oberfläche der Rückplatte einen Anolytraum bildet und wobei eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht auf der hohlen Anode angebracht ist_o Wenn die zuvor beschriebene konstruktive Gestaltung verwendet wird, sind die Anodenfinger unabhängig entfernbar vom anodischen Rückseitenschirm und jeder der hohlen Anodenfinger trägt eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht. Die ionendurchlässige synthetische Trennfolie umschließt einen individuellen Anodenfinger, der perforiert ist und öffnungen hat zwischen den hohlen Anodenfingern und der anodischen Rückseitenabschirmung und auf diese Weise den Strom von Anolytflüssigkeit ermöglichen und wobei die Trennfolie selbst an der anodischen Rückseitenabschirmung befestigt ist. Zusätzlich kann die anodische Rückseitenabschirraung selbst eine Beschichtung aufweisen, auf der Seite zur Trennfolie, wodurch eine elektrolytdichte Verbindung gebildet wird. Auf diesem Weg wird Sole in den Anolytraum zwischen der anodischen Abschirmung und der anolytbeständigen Oberfläche der Rück-

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platte eingebracht, während die einzelnen hohlen Anodenfinger elektrisch in Verbindung miteinander stehen durch den üblichen Anolytraum mit Einrichtungen zur Gewinnung von Chlor und erschöpfter Sole aus dem Anolytraura zwischen der anodischen Abschirmung und der anolytbeständigen Oberfläche der Rückplatte.. Nach einer weiteren Ausführungsform kann die synthetische Trennschicht auch ein mikroporöses Diaphragma oder eine permionische Membran sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind nicht leitende, nicht katholytische Abstandhalter vorgesehen, an der Membran tragenden Elektrode zwischen der Membran und der Elektrode, um die Membran auf Abstand von der Elektrode zu halten. Alternativ oder zusätzlich können Abstandhaltereinrichtungen auch an den entgegengesetzten Elektroden angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

1	Bipolare Elektrolyseeinrichtung	Rückplatte der bipolaren Einheit
11-14 Elektrolytisehe Zellen	anolytbestandige Oberfläche
21,23,25,27 bipolare Einheiten	Anoden
31	katholytbeständige Oberfläche
41	Kathodenfinger
43	Öffnungen
61	Dichtung, elastische Schicht
63	öffnungen
64	Ka thod enrücks e i tenab s chirraung
65	Öffnungen
66	Leiterkontakte
67	Bolzen
68	pennionische Membran, synthetische Trennschicht
69	Öffnungen
71	überstehender Rand
81	S olezuführungssammelrohr
82	Sole-Chlortank
83	Chlor/Soleleitung
91	Sο1erückfuhr1eitung
95	Säurezuführungssammelrohr
97	Was s erzuführungs sammelIe itung
99	Wasserzuführungsleitung
101	WasserstoffSammelleitung
103	Wasserstoffabzugsleitung
105	Soleabzugsleitung
107	Zeilflüssigkeitssammelleitung
109
111
113

115 Zellflüssigkeitsabzugsleitung

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Leerseite

Claims

Pat entanwälte Dr. Michael Harm Dr. H.-G. Sternagel Ludwigstr. 67 6300 Gießen (1311) St/He PPG Industries, Inc., Pittsburgh, Pa., U.S.A. Bipolare Elektrolyseeinrichtung mit einer synthetischen Trennschicht Priorität: 11. Juli 1979, USA Serial No. 56,579 Patentansprüche :

1. Bipolare Elektrolyseeinrichtung mit einer Vielzahl von mechanischen und elektrisch in Reihe geschalteten bipolaren Einheiten, wobei j ede bipolare Einheit aufweist

a) eine Rückplatte mit einer anolytbeständigen Oberfläche auf der einen Seite und einer katholytbestandigen Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite und die Rückplatte den Anolytraum einer Zelle vom Katholytraum der vorhergehenden benachbarten Zelle der Elektrolyseeinrichtung trennt;

b) Anoden, die sich von der anolytbeständigen Oberfläche der Rückplatte aus erstrecken j

c) Kathoden, die sich von der katholytbestandigen Oberfläche aus erstrecken und die eine Kathodenrückseitenabschirmung parallel zu und im Abstand von der katholytbestandigen Oberfläche aufweisen

mit hohlen, daran befestigten Kathodenfingern, die den Flüssigkeitsdurchtritt ermöglichen und sich rechtwinklig von der Kathodenrückseitenabschirmung aus erstrecken und wobei der Raum im Inneren der Kathodenfinger und der Raum zwischen der Kathodenrückseitenabschirmung und der katholytbeständigen Oberfläche den Katholytraum bildet;

d) eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht auf den Kathoden,

dadurch gekennzeichnet , daß

e) die Kathodenfinger (63) unabhängig entfernbar von der Kathodenrückseitenabschirmung (67) sind;

f) jeder der Kathodenfinger (63) eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht (81) trägt;

g) die ionendurchlässige Trennschicht (81) die einzelnen Kathodenfinger (63) umschließt, zwischen dem Kathodenfinger (63) und der Kathodenrückseitenabschirmung (67) perforiert ist, um den Durchstrom von Katholytflüssigkeit zu ermöglichen und die mit sich in Abstand von der Kathodenrückseitenabschirmung (67) verbunden ist.

2. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich η e t , daß die Kathodenrückseitenabschirmung (67) eine elastische Schicht auf der der synthetischen Trennschicht (81) zugewandten Seite aufweist, so daß eine elektrolytdichte Verbindung entsteht.

3. Bipolare Elektrolyseeinrichttmg «ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (103, 105) zum Zuführen von Elektrolyt in den Katholytraum zwischen der Kathodenrückseiten-

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abschirmung (67) und der katholytbeständlgen Oberfläche (61) der Rückplatte (31) vorhanden sind.

4. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (109, 115) zum Gewinnen von Gas und Elektrolyt aus dem Katholytraum zwischen der Kathodenrückseitenabschirmung (67) und der katholytbeständlgen Oberfläche (61) der Rückplatte (31) vorhanden sind.

5. Bipolare Elektrölyseeinrichtüng nach Anspruch!, dadurch ge k?e η η ζ e "i c h η e t , '■-■' daß die synthetische Trenhschicht (81) ein mikroporöses Diaphragma" ist.V ^; · ■?

6. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h . g. e k e η η ζ ei c h η e t , , daß die synthetische Trennschicht (81) eine perm- -. ionische Membran ist. *....·.-

7. Bipolare Elektfolyseeinrichtung mit einer Vielzahl von mechanischen und elektrisch in Reihe geschalteten bipolaren Einheiten, wobei.jede bipolare Einheit aufweist ,

a) eine Rückplatte mit einer anolytbeständigen Oberfläche auf der einen Seite und einer katholytbeständigen Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite und die Rückplatte den Anolytraum einer Zelle vom Katholytraum der vorhergehenden benachbarten Zelle der Elektrolyseeinrichtung trennt;

b) Kathoden, die sich von der katholytbeständlgen _v Oberfläche der' Rückplatte aus erstrecken;

c) Anoden, die sich von der anolytbeständigen Oberfläche aus erstrecken, die eine Anodenrückseitenabschirmung parallel zu und im Abstand von der anolytbeständigen Oberfläche aufweisen mit hohlen daran befestigten Anodenfingern, die einen Flüssigkeit sdurchtr it t ermöglichen und sich rechtwinklig von der Anodenrückseitenabschirmung aus erstrecken und wobei der Raum in Innern der Anodenfinger und der Raum zwischen der Anodenrückseitenabschirmung und der anolytbeständigen Oberfläche den Anolytraura bildet;

d) eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht auf den Anoden,

dadurch gekennzeichnet , daß

e) die Anodenfinger (63) unabhängig entfernbar von der Anodenrückseitenabschirmung (67) sind;

f) jeder der Anodenfinger (63) eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht (81) trägt;

g) die ionendurchlässige Trennschicht (81) die einzelnen Anodenfinger (63) umschließt, zwischen den Anodenfingern (63) und der Anodenrückseitenabschirmung (67) perforiert ist, um den Durchstrom von Anolytflüssigkeit zu ermöglichen und mit sich in Abstand von der Anodenrückseitenabschirmung (67) verbunden ist.

8. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Anodenrückseitenabschirmung (67) eine elastische Schicht auf der der Trennschicht (81) zugewandten Seite aufweist, so daß eine elektrolytdichte Verbindung entsteht.

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9. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen zum Zuführen von Elektrolyt in den Anolytraum zwischen der Anodenrückseitenabschirmung (67) und der anolytbeständigen Oberfläche (41) der Rückplatte (31) vorhanden sind.

10. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen zum Gewinnen von Gas und Elektrolyt aus dem Anolytraum zwischen der Anodenrückseitenabschirmung und der anolytbeständigen Oberfläche (41) der Rückplatte (31) vorhanden sind.

11. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die synthetische Trennschicht (81) ein mikroporö ses Diaphragma ist.

12. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die synthetische Trennschicht (81) eine permionische Membran ist.

13. Bipolare Elektrolyseeinrichtung mit einer Vielzahl von mechanischen und elektrisch in Reihe geschalteten bipolaren Einheiten, wobei jede bipolare Einheit aufweist

a) eine Rückplatte mit einer anolytbeständigen Oberfläche auf der einen Seite und einer katholytbeständigen Oberfläche auf der entgegengesetzten Seite und die Rückplatte den Anolytraum einer

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Zelle vom KathoIyträum der vorhergehenden benachbarten der Elektrolyseeinrichtung trennt;

b) anodische Elektroden, die sich von der anolytbeständigen Oberfläche der Rückplatte aus erstrecken;

c) kathodische Elektroden, die sich von der katholytbeständigen Oberfläche der Rückplatte aus erstrecken, wobei

d) mindestens einer der Elektrodensätze jeweils als hohle Elektrodenfinger ausgebildet ist, die an in Abstand von und parallel zu den Rückplatten angeordneten Elektrodenabschirmungen befestigt sind und sich rechtwinklig davon erstrecken und ein Flüssigkeitsdurchlaß an der Befestigungsstelle vorhanden ist, so daß ein zusammenhängender Elektrolytraum aus dem Inneren der Elektrodenfinger und dem Raum zwischen der Rückplatte und der Elektrodenabschirmung gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet , daß

e) die hohlen Elektrodenfinger (63) jeweils unabhängig voneinander entfernbar von der Elektrodenabschirmung (67) ausgebildet sind,

f) jeder dieser hohlen Elektrodenfinger (63) eine ionendurchlässige synthetische Trennschicht (81) trägt,

g) die die einzelnen hohlen Elektrodenfinger (63) umschließende ionendurchlässige synthetische Trennschicht (81) zwischen den Elektrodenfingern (63) und der Abschirmung (67) perforiert ist, wodurch ein Elektrolytdurchtritt ermöglicht wird und die Trennschichten (81) in Abstand von der Abschirmung (67) untereinander verbunden sind.

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14. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet ,
daß die Elektrodenrückseitenabschirmung (67) eine elastische Schicht, auf der der Trennschicht (81) zugewandten Seite aufweist, so daß eine elektrolytdichte Verbindung zwischen der Abschirmung (67) und der Trennschicht (81) entsteht.

15. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet ,

daß Einrichtungen (103, 105) zum Zuführen von Elektrolyt in den Raum zwischen der Abschirmung (67) und der Rückplatte (31) vorhanden sind.

16. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet ,
daß Einrichtungen (109, 115) zum Gewinnen von Gas und Elektrolyt aus dem Elektrolytraum zwischen der Rückseitenabschirmung (67) und der Rückplatte (31) vorhanden sind.

17. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die synthetische Trennschicht (81) ein mikroporöses Diaphragma ist.

18. Bipolare Elektrolyseeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die synthetische Trennschicht (81) eine permionische Membran ist.

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