DE4318533A1 - Bipolare Elektrolysezelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine neue bipolare Elektrolysezelle, die einen sehr geringen Leitungswiderstand aufweist, bei der es leicht möglich ist, eine verbrauchte Anode zu ersetzen, und die beim Auftreten von Störungen nur sehr geringen Scha­ den nimmt.

Die Verwendung einer solchen bipolaren Elektrolysezelle ver­ mindert die für die Elektrolyse notwendige Zellenspannung, erleichtert das Ersetzen der Anode, wenn sie sich in ihren Gebrauchseigenschaften verschlechtert hat und vereinfacht beim Auftreten von Störungen die Reparatur der Elektrolyse­ zelle.

Zur industriellen Elektrolyse von z. B. Salzsole sind ver­ schiedene Arten von Aufbauten für Elektrolysezellen bekannt. Bei der industriellen Elektrolyse ist eine Verringerung der benötigten Spannung selbstverständlich wichtig. Es ist daher wünschenswert, daß der Leitungswiderstand der Elektrolyse­ zelle gering ist. Weiterhin ist es wünschenswert, daß die Elektrolysezelle so konstruiert ist, daß die Anode leicht ersetzt werden kann, wenn sich ihre Leistungseigenschaften, z. B. aufgrund von Zersetzung oder Beschädigung verschlech­ tert haben. Es ist daher wünschenswert, daß eine Elektroly­ sezelle so konstruiert ist, daß sie möglichst geringen Scha­ den nimmt, wenn Störungen auftreten.

Der nächstliegende Stand der Technik wird im folgenden unter Bezugnahme auf eine bei der Elektrolyse einer wäßrigen Alka­ lichloridlösung verwendeten Elektrolysezelle beschrieben.

In dem Verfahren, das im allgemeinen als "Ionenaustauscher­ membran-Salzelektrolyseverfahren" ("ion-exchange membrane salt electrolysis" method) bezeichnet wird, wird eine Salz­ sole unter Verwendung einer fluorhaltigen Kationenaustau­ schermembran elektrolysiert, wodurch sich an der Anode Chlor und an der Kathode Natronlauge und Wasserstoff bildet. Es ist bekannt, daß dieses Verfahren eine höhere Energieaus­ beute erreicht und Natronlauge höherer Reinheit erzeugt, als das übliche Quecksilber- oder Diaphragmaverfahren.

In jüngerer Zeit wurde Energieeinsparung immer wichtiger, so daß es immer bedeutender wird, bei der Salzelektrolyse mit­ tels der Ionenaustauschermembranverfahren eine noch höhere Energieausbeute zu erreichen. Es wurde daher eine Technik entwickelt, mit deren Hilfe Salzelektrolyse mit einer nied­ rigeren elektrischen Spannung und/oder einer höheren Stromausbeute durchgeführt werden kann.

Üblicherweise wird die Salzelektrolyse bei einer elektri­ schen Spannung durchgeführt, die um ein Volt oder mehr über dem theoretischen Wert der Zellenspannung von etwa 2,2 Volt liegt. Es ist bekannt, daß dies auf die Überspannungen an der Anode und an der Kathode und auf die verschiedenen Wi­ derstände, wie den Membranwiderstand, den Lösungswiderstand und den Leitungswiderstand zurückzuführen ist. Um eine Ver­ ringerung der Zellenspannung zu erreichen, ist es daher wichtig, eine Verringerung der Anodenüberspannung, der Ka­ thodenüberspannung, des Membranwiderstandes, des Lösungswi­ derstandes und des Leitungswiderstandes der Elektrolysezelle zu erzielen.

Zur Zeit wird im Stand der Technik eine Elektrode auf Titan­ grundlage als Anode verwendet, die mit einem Katalysator be­ schichtet ist, der eine niedrige Chlorüberspannung aufweist, wie z. B. Rutheniumoxid.

Als Kathode werden verschiedene Elektroden mit einer niedri­ gen Wasserstoffüberspannung verwendet. Durch diese Techniken konnten die Anoden- und Kathodenüberspannungen weitgehend beseitigt werden.

Da die katalytische Aktivität der Anode sich mit fortschrei­ tender Elektrolyse graduell verschlechtert, ist es notwen­ dig, nach längerer Anwendung den Elektrodenkatalysator durch einen neuen auszutauschen. Üblicherweise wird für diesen Austausch die Anode durch eine neue ersetzt.

Als Kationenaustauschermembran wird eine fluorhaltige Katio­ nenaustauschermembran verwendet, die aus einem Körper aus Fluorharz in Verbindung mit Carbonsäure und/oder Sulfonsäu­ regruppen als stationäre Ionen besteht. Die Membran wurde bezüglich der Reduzierung der Zellenspannung, der Stromaus­ beute und der Haltbarkeit verbessert, und als Ergebnis er­ hielt man eine Membran mit erheblicher Verringerung des Mem­ branwiderstandes und Verbesserung der Stromausbeute.

In jüngerer Zeit waren daher alle Versuche, Elektrolysezellen zu verbessern, darauf gerichtet, die Lösungs- und Leitungswi­ derstände, beispielsweise durch ein verbessertes elektroly­ tisches Verfahren und eine verbesserte Elektrolysezelle, zu verringern. Um den Lösungswiderstand zu verringern, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Kathode und die Anode während der Elektrolyse so nahe wie möglich aneinander positioniert sind. Das bedeutet, daß die Anode und die Ka­ thode jeweils sehr nahe an der Membran liegen. Um das An­ steigen der Zellenspannung aufgrund von Blasen zu mildern, die während der Elektrolyse gebildet werden und sich an die Membranoberfläche anhaften, wird üblicherweise eine Membran verwendet, die einer Behandlung unterzogen wurde, so daß die Blasen auf der Anoden- und/oder Kathodenseite der Membran­ oberflächen nicht mehr anhaften (bubble-opening treatment).

Industriell angewendete Elektrolysezellen können grob in mo­ nopolare und dipolare Arten unterteilt werden. Im Vergleich zu den monopolaren Arten weisen die bipolaren Elektrolyse­ zellen eine Reihe von Vorteilen auf. Ihr Aufbau kann bei­ spielsweise verhältnismäßig einfach sein, da nicht jede Zelle einzeln verkabelt werden muß. Weiterhin können bei­ spielsweise kompakte und preiswerte Gleichrichter und Sam­ melschienenleiter verwendet werden, da kein hoher Strom er­ forderlich ist. Vom industriellen Standpunkt ist es daher ein großer Vorteil, in bipolaren Elektrolysezellen eine Ver­ ringerung des Leitungswiderstandes zu erreichen.

Der Leitungswiderstand hängt in großem Maße beispielsweise von der Konstruktion und dem Material der Elektrolysezelle ab. Das bedeutet, daß der Leitungswiderstand von dem Weg ab­ hängt, den der Strom in der Elektrolysezelle nimmt und von dem spezifischen Widerstand des Materials der Elektrolyse­ zelle im Stromweg. Es ist daher möglich, eine Verringerung des Leitungswiderstandes zu erzielen, indem der Stromweg so kurz wie möglich gemacht wird und/oder indem ein Material mit einem möglichst geringen spezifischen Widerstand für die stromführenden Teile der Zelle verwendet wird.

Bei Elektrolysezellen für die Chloralkalielektrolyse tritt jedoch eine Schwierigkeit auf. Während es möglich ist, die Kathode aus einem Material mit einem möglichst geringen spe­ zifischen Widerstand, wie z. B. Nickel oder eine Legierung auf Eisenbasis herzustellen, wird die Anode üblicherweise aus einem Material, wie z. B. Titan oder einer Legierung auf Titanbasis hergestellt, da diese Materialien zwar einen ver­ hältnismäßig großen spezifischen Widerstand aufweisen, aber gegenüber Chlorgas weitgehend beständig sind. Weiterhin wird in einer herkömmlichen bipolaren Elektrolysezelle eine im wesentlichen flache Titanplatte für die anodenseitige Trenn­ wand verwendet und Trennwand und die Anode sind elektrisch und mechanisch miteinander durch leitende Rippen aus Titan verbunden. Weiterhin wird im allgemeinen ein Zwischenraum von 30 bis 50 mm zwischen der Anode und der anodenseitigen Trennwand benötigt, damit in der Anodenkammer ein Durchlaß ist, so daß sich eine einheitliche Lösung bilden kann und damit das erzeugte Chlorgas aus der Elektrolysezelle abge­ leitet werden kann.

In einer herkömmlichen bipolaren Elektrolysezelle erfolgt daher eine Erhöhung der Spannung aufgrund des sogenannten Leitungswiderstandes, wenn der Strom auf der Anodenseite durch die leitenden Rippen, die einen großen spezifischen Widerstand haben, fließt. Im Hinblick darauf wird eine bipo­ lare Elektrolysezelle benötigt, bei der insbesondere der Leitungswiderstand auf der Anodenseite verringert ist.

In der JP-A-58-71382 wird daher eine Elektrolysezelle vorge­ schlagen, bei der die Anoden- und Kathodenkammern aus einer dünnen Platte aus einem korrosionsbeständigem Metall mit einer geriffelten Oberfläche bestehen, damit der Leitungswi­ derstand der Elektrolysezelle verringert wird.

Figur 4 und 5 auf Seite 5 der vorstehend zitierten Druck­ schrift zeigen jeweils einen Aufriß einer Elektrolysezelle nach einer derart bevorzugten Ausführungsform. Die elektri­ sche Verbindung zwischen den Kathoden- und Anodenkammern der Elektrolysezelle wurde durch Druckschweißen hergestellt, wo­ durch der Spannungsverlust vermieden wurde, der bei Verwen­ dung eines Leiters aufgetreten wäre. Außerdem, da die Anode direkt mit den vorstehenden Teilen der anodenseitigen Trenn­ wand verbunden ist, wird der Spannungsverlust, der bei Ver­ wendung von leitenden Rippen aufgetreten wäre, verhindert. Gemäß der vorstehenden Druckschrift wurde daher eine wesent­ liche Verringerung des sogenannten Leitungswiderstandes er­ zielt.

Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Elektrolysezelle zur Elektrolyse eines Alkalichlorids tritt jedoch eine Schwierigkeit auf:

Für die anodenseitige Trennwand besteht nämlich die Gefahr der Beschädigung, wenn die Anode entnommen und ersetzt wird, nachdem der Elektrodenkatalysator sich nach längerem Ge­ brauch verschlechtert hat. Weiterhin ist das Anbringen einer neuen Anode nur unter größerem Aufwand möglich. Zusätzlich werden in der Ionenaustauschermembran nach längerer Chloral­ kalielektrolyse kleine Löcher erzeugt, so daß Zellenteile in der Nähe dieser Löcher, z. B. die Anode und die anodenseitige Trennwand, korrodieren können. Eine solche Beschädigung an der Anodenseite einer Elektrolysezelle kann nur beseitigt werden, indem man die anodenseitige Trennwand der Elektroly­ sezelle durch eine neue ersetzt, was jedoch einen hohen Auf­ wand und viel Material erfordert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine bipolare Elektroly­ sezelle zur Verfügung zu stellen, in der die vorstehend be­ schriebenen Schwierigkeiten nicht auftreten. Insbesondere soll der Leitungswiderstand auf der Anodenseite gering sein, die Anode soll-leicht ersetzbar sein, nachdem sich ihre ka­ talytische Aktivität verschlechtert hat, und Reparaturen sollen selbst bei während des Betriebs auftretenden Störun­ gen leicht und ökonomisch durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine bipolare Elektrolyse­ zelle, umfassend eine Anode, eine Kathode und eine anoden­ seitige Trennwand, die ein oder mehrere Vorsprünge auf der Anodenseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vor­ sprünge mit der Anode mittels eines leitenden Bestandteils oder mehreren leitenden Bestandteilen elektrisch verbunden sind.

Die bipolare Elektrolysezelle kann weiterhin Ausbuchtungen aufweisen, die dadurch gebildet werden, daß die anodensei­ tige Trennwand so ausgeformt ist, daß sie auf der Kathoden­ seite hervortritt.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen bipolaren Elektrolyse­ zelle ermöglicht es, die Elektrolyse aufgrund des geringem Leitungswiderstandes auf der Anodenseite mit einer geringen Spannung durchzuführen und ermöglicht weiterhin die Anode leicht zu ersetzen sowie Beschädigungen der Elektrolysezelle sehr leicht und ökonomisch zu beheben, wobei diese Schäden sich zudem in sehr engen Grenzen halten, selbst wenn sich kleine Löcher in der Membran bilden.

Kurze Beschreibung der Figuren:

Fig. 1 ist eine Aufsicht einer Elektrolysezelle nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Aufsicht einer Elektrolysezelle nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 ist ein Aufriß entlang der Linie A-A′ der Fig. 1;

Fig. 4 ist ein Aufriß entlang der Linie B-B′ der Fig. 2;

Fig. 5 ist eine Aufsicht einer herkömmlicherweise verwende­ ten bipolaren Elektrolysezelle;

Fig. 6 ist ein Aufriß entlang der Linie C-C′ der Fig. 5;

Fig. 7 ist ein Aufriß einer herkömmlichen Elektrolysezelle, die Vorsprünge aufweist; und

Fig. 8 ist ein Aufriß einer weiteren herkömmlichen Elektro­ lysezelle.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Da bipo­ lare Elektrolysezellen an und für sich dem Fachmann bekannt sind, werden nur die erfindungswesentlichen Bestandteile un­ ter Bezugnahme auf eine bipolare Elektrolysezelle zur Elek­ trolyse von wäßrigen Alkalichloridlösungen ausführlich be­ schrieben. In den Figuren sind Bestandteile wie Elektrolyt­ lösungsvorrat, Austrittsdüsen oder die Kathode nicht ge­ zeigt, da diese aus den gleichen Materialien sein können und die gleiche Struktur aufweisen können, wie herkömmliche bi­ polare Elektrolysezellen, und ebenfalls in geeigneter Weise in die erfindungsgemäße Elektrolysezelle eingebunden werden können.

Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele eines bevorzugten Aufbaues einer bipolaren Elektrolysezelle gemäß der Erfindung. Fig. 3 und 4 zeigen beispielhaft die Beziehung zwischen der anodenseitigen Trennwand, der kathodenseitigen Trennwand und der Anode.

In den Figuren bedeutet das Bezugszeichen 1 die anodensei­ tige Trennwand, die üblicherweise aus einer flachen Platte aus Titan oder einer Legierung auf Titanbasis besteht. Be­ zugszeichen 2 bezeichnet die kathodenseitige Trennwand, die üblicherweise aus einer flachen Platte, z. B. aus rostfreiem Stahl oder Nickel besteht. Es ist erfindungswesentlich, daß die anodenseitige Trennwand 1 Vorsprünge 4+4′ aufweist, die in Richtung der Anode 6 vorstehen. Bezugszeichen 4 betrifft eine vorstehende Ebene und Bezugszeichen 4′ betrifft eine geneigte Ebene, wie sie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist. Es ist auch möglich, daß die anodenseitige Trennwand 1 Vorsprünge 5 aufweist, die in Richtung auf die Kathode (nicht abgebildet) gerichtet sind.

Um eine wirksamere Verringerung des Leitungswiderstandes und eine verbesserte mechanische Stärke der Elektrolysezelle zu erzielen, können leitende Bestandteile 3 zwischen der anodenseitigen Trennwand 1 und der kathodenseitigen Trenn­ wand 2 angebracht sein.

Es ist ferner wesentlich, daß weitere leitende Bestandteile 3′ zwischen der anodenseitigen Trennwand 1 und der Anode 6 angebracht sind. Es ist wünschenswert, daß zumindest die anodenseitige Oberfläche der Trennwand 1 aus Titan oder einer Legierung aus Titanbasis hergestellt ist. Beispiels­ weise kann die Trennwand 1 aus einer dünnen Titanplatte oder aus einem beschichteten Material, bestehend aus Titan und einem von Titan verschiedenen guten Leiter, gebildet sein. Beispiele der von Titan verschiedenen guten Leiter beinhal­ ten Kupfer, Legierungen auf Kupferbasis, Eisen und Legierun­ gen auf Eisenbasis. Wenn die Trennwand aus einem beschichte­ ten Material besteht, das aus Titan und einem von Titan ver­ schiedenen Material aufgebaut ist, wird der Titanteil natür­ lich als Anodenseite verwendet.

Die Höhe der Vorsprünge 4+4′ oder der Unterschied in der vertikalen Ausdehnung zwischen den vorstehenden Ebenen 4+4′ und den Ausbuchtungen 5 ist bevorzugt nicht weniger als 10 mm und nicht mehr als 70 mm. Die flachen Bereiche der anodenseitigen Trennwand 1 oder die Ausbuchtungen 5 dienen als Durchlaß für die elektrolytische Lösung und Gas, denn wenn die vorstehend erwähnte Höhe oder der Unterschied in der vertikalen Ausdehnung weniger als 10 mm beträgt, wird die erzielte Spannungsverminderung verhältnismäßig klein sein. Andererseits, wenn dieser Abstand größer als 70 mm ist, wird die Ausdehnung der Elektrolysezelle ausgesprochen groß und ein unerwünschter Anstieg des Leitungswiderstan­ des, des Raumbedarfs und der Materialkosten pro Zelle tritt auf.

Die Vorsprünge 4+4′ können die gleiche oder eine unter­ schiedliche Konfiguration aufweisen. Weiterhin, während die Vorsprünge 4+4′ wie gezeigt, im wesentlichen vertikal vor­ stehen, verwendet eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Vorsprünge, die in einem Winkel von vorzugs­ weise nicht mehr als 45° bezüglich der Senkrechten geneigt sind. Ein Neigungswinkel von mehr als 45° würde bedeuten, daß sich an den Vorsprüngen Blasen halten könnten und die elektrolytischen Eigenschaften der Zelle würden negativ be­ einflußt.

Es ist nicht notwendig, daß die Vorsprünge und Einbuchtungen in vertikaler Richtung kontinuierlich ausgebildet sind. Es ist vielmehr bevorzugt, daß sie in obere und untere Teile unterteilt sind, da hierdurch die Bestandteile der Elektro­ lyselösung sich besser mischen können. Dies kann beispiels­ weise mit einer Konfiguration wie in Fig. 2 gezeigt, er reicht werden.

Die Konfiguration der vorspringenden Flächen 4 unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Sie kann z. B. rechteckig, parallelogrammartig, polygonal, kreisförmig oder elliptisch sein.

Fig. 5 und 6 zeigen eine herkömmliche bipolare Elektroly­ sezelle und den Zusammenhang zwischen ihrer anodenseitigen Trennwand, ihrer kathodenseitigen Trennwand und ihrer Anode.

Leitende Rippen 7 sind an die anodenseitige Trennwand 1 an­ gebracht und die Anode 6 ist an diese leitenden Rippen 7 be­ festigt. Wie vorstehend beschrieben, bestehen die leitenden Rippen 7 herkömmlicherweise aus Titan oder einer Legierung auf Titanbasis. Wenn an diese leitenden Rippen Elektrizität angelegt wird, tritt eine Spannungserhöhung aufgrund des Leitungswiderstandes auf. Um eine Verringerung der Zellen­ spannung zu erzielen, ist es daher wünschenswert, daß die leitenden Rippen so kurz wie möglich gemacht werden. Da je­ doch die Durchgänge zur Abführung der Elektrolyselösung und des Chlorgases an die Außenseite der Elektrolysezellen auf der Rückseite der Anode angebracht sind, muß üblicherweise ein Abstand von 30 bis 50 mm zwischen der Rückseite der Anode und der anodenseitigen Trennwand zur Verfügung ge­ stellt werden.

Mindestens ein Teil der anodenseitigen Trennwand 1 ist elektrisch mit der kathodenseitigen Trennwand 2 verbunden, die z. B. aus Nickel oder Eisen besteht. Die kathodenseitige Trennwand 2 ist mit der Kathode (nicht gezeigt) mittels lei­ tender Rippen (nicht gezeigt) verbunden.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, daß das Verhältnis zwi­ schen der Gesamtfläche der vorstehenden Ebenen 4, die paral­ lel zur Anode sind und der elektrolytisch wirksamen Fläche im Bereich von nicht weniger als 5% und nicht mehr als 60% liegt. Wenn das Verhältnis weniger als 5% ist, tritt eine Erhöhung des Leitungswiderstandes auf, und der erfindungsge­ mäß erzielte Effekt verringert sind. Besonders bevorzugt ist daher, daß das Verhältnis nicht niedriger als 15% ist. Ist andererseits das Verhältnis größer als 60%, wird die Zufüh­ rung der Elektrolyselösung verschlechtert und das erzeugte Gas wird nicht so gut abgeleitet, so daß sich eine Erhöhung der Zellenspannung und/oder eine Verschlechterung der Stromausbeute ergibt und in einigen Fällen sogar die Membran beschädigt wird.

Die kathodenseitige Trennwand 2 kann aus einem herkömmli­ cherweise verwendeten Material gebildet sein und ihre Konfi­ guration unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Es kann sich beispielsweise um eine flache Platte handeln oder um eine Platte mit Vorsprüngen und Einbuchtungen wie die anodenseitige Trennwand. Wenn Vorsprünge und Einbuchtungen auf der kathodenseitigen Trennwand vorhanden sind, sind die Vorsprünge auf der kathodenseitigen Trennwand genau so defi­ niert, wie die Vorsprünge auf der anodenseitigen Trennwand. Die Konfiguration dieser kathodenseitigen Vorsprünge kann gleich oder verschieden von der der anodenseitigen Vor­ sprünge sein.

Der Oberflächenbereich der kathodenseitigen Trennwand kann aus Nickel oder aus einer Legierung auf Nickelbasis gebildet sein, wodurch insbesondere während der Elektrolyse die Kor­ rosion vermindert wird. Die kathodenseitige Trennwand kann ausschließlich aus Nickel oder einer Legierung auf Nickelba­ sis gebildet sein, oder sie kann aus einem Verbundmaterial gebildet sein, bei der eine Nickelschicht oder eine Schicht aus einer Legierung auf Nickelbasis auf die Oberfläche einer Eisenplatte oder einer Platte aus einer Legierung auf Eisen­ basis durch Plattierung oder thermisches Sprühen aufgebracht ist. Im letzteren Fall ist die Schicht aus Nickel oder aus der Legierung auf Nickelbasis an der Kathodenseite ange­ bracht.

Es ist wesentlich, daß zumindest ein Teil der anodenseitigen Trennwand 1 und der kathodenseitigen Trennwand 2 elektrisch miteinander verbunden sind. In dieser Hinsicht ist es wün­ schenswert, daß zumindest ein Teil dieser elektrischen Ver­ bindung in Form einer Verbindung zwischen der inneren Ober­ fläche eines Vorsprungs der anodenseitigen Trennwand und der Oberfläche der kathodenseitigen Trennwand zur Verfügung ge­ stellt wird.

In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel, das einen Aufriß ent­ lang der Linie A-A′ der Fig. 1 darstellt, ist die kathoden­ seitige Trennwand 2 im wesentlichen flach, währenddessen die anodenseitige Trennwand 1 Vorsprünge hat.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der obere Bereich der inneren Oberfläche eines jeden Vorsprungs der anodenseitigen Trenn­ wand 1 elektrisch mit der inneren Oberfläche der kathoden­ seitigen Trennwand 2 mittels eines leitenden Bestandteils 3 verbunden, der an die innere Oberfläche der kathodenseitigen Trennwand 2 im wesentlichen vertikal angebunden ist. Es ist wünschenswert, daß die leitenden Bestandteile 3 einen gerin­ gen elektrischen Widerstand aufweisen. Bevorzugt sind sie aus Kupfer, Nickel, Eisen oder einer Legierung, die minde­ stens eines dieser Metalle enthält, hergestellt.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Verbindungen kön­ nen die anodenseitigen und die kathodenseitigen Trennwände weiterhin an anderen Stellen verbunden sein. Hierdurch würde die mechanische Stärke der Trennwände verbessert werden, beispielsweise durch eine direkte Verbindung zwischen den flachen Bereichen der anodenseitigen Trennwand und der ka­ thodenseitigen Trennwand.

Es ist wesentlich, daß die vorstehenden Ebenen 4 der anoden­ seitigen Trennwand 1 und die Anode 6 durch Vermittlung der leitenden Bestandteile 3 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Erfindung würde keinen besonderen Vorteil aufwei­ sen, wenn eine direkte Verbindung zwischen den vorspringen­ den Flächen 4 auf der anodenseitigen Trennwand 1 und der Anode 6 bestünde, ohne daß leitende Bestandteile 3′ dazwi­ schen angebracht sind.

In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel, das ein Aufriß ent­ lang der Linie B-B′ der Fig. 2 darstellt, haben die katho­ denseitige Trennwand 2 und die anodenseitige Trennwand 1 die gleiche Konfiguration.

In diesem Beispiel ist es wünschenswert, daß zumindest die vorstehenden Ebenen 4 der anodenseitigen Trennwand 1 elektrisch mit der kathodenseitigen Trennwand 2 verbunden sind. Diese Verbindung kann über die leitenden Bestandteile 3 hergestellt werden. Wenn die vorspringenden Flächen 4 auf der Anodenseite direkt mit der Rückwand der kathodischen Trennwand 2 verbunden sind, wie in Fig. 4 dargestellt, kann eine bemerkenswerte Verringerung des Leitungswiderstandes erzielt werden. Dies ist daher eine bevorzugte Ausführungs­ form der Erfindung. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist eine Anordnung, in der die gesamte innere Oberfläche der anodenseitigen Trennwand 1 mit der kathodenseitigen Trenn­ wand 2 elektrisch verbunden ist.

Die elektrische Verbindung zwischen der anodenseitigen Trennwand 1 und der kathodenseitigen Trennwand 2 kann bei­ spielsweise durch Punktschmelzen oder mittels Stoßwellen (explosion bonding) hergestellt werden. Es ist weiterhin be­ vorzugt, einen Verbundbestandteil einzusetzen, bei dem die anodenseitigen und die kathodenseitigen Trennwände durch Druckschweißen aneinandergebunden sind und der anschließend in die gewünschte Form gebracht wurde. Weiterhin ist es mög­ lich, eine Titanplatte und eine Nickelplatte beispielsweise durch Preßformen in die gewünschte Konfiguration zu bringen.

Es ist erfindungswesentlich, daß die vorspringenden Flächen 4 auf der anodenseitigen Trennwand 1 und die Anode 6 über die leitenden Bestandteile 3′ miteinander elektrisch verbun­ den sind. Die Erfindung würde keinen besonderen Vorteil auf­ weisen, wenn eine direkte Verbindung zwischen den vorsprin­ genden Flächen 4 der anodenseitigen Trennwand 1 und der Anode 6 ohne die leitenden Bestandteile 3′ dazwischen herge­ stellt würde.

Fig. 7 und 8 zeigen herkömmliche Elektrolysezellen mit Vorsprüngen und Einbuchtungen auf der anodenseitigen Trenn­ wand im Aufriß. In diesen herkömmlichen Beispielen sind die vorspringenden Flächen 4+4′ auf der anodenseitigen Trennwand direkt mit der Anode 6 verbunden, wodurch verschiedene Schwierigkeiten auftreten. Beispielsweise ist die anodensei­ tige Trennwand anfällig für Beschädigungen. Daher zeigen diese herkömmlichen Beispiele nicht die Vorteile der Erfin­ dung.

Solche vorstehend beschriebenen herkömmlichen Elektrolyse­ zellen, wie sie in den Fig. 7 und 8 im Aufriß dargestellt sind, können selbstverständlich zu einem elektrolytischen Zellaufbau gemäß der Erfindung umgebaut werden, indem man eine elektrische Verbindung zwischen der anodenseitigen Trennwand und der Anode mittels leitender Bestandteile 3′ herstellt.

Das Material für die leitenden Bestandteile 3′ sollte neben der Leitfähigkeit ein ausreichendes Maß an Haltbarkeit auf­ weisen, da es den Bedingungen in der Anodenkammer ausgesetzt ist, in der die Elektrolyse durchgeführt wird. Daher ist es bevorzugt, daß zumindest der Oberflächenteil der leitenden Bestandteile 3′ aus Titan oder einer Legierung auf Titanba­ sis hergestellt ist. Die leitenden Bestandteile 3′ können ebenfalls einen inneren Anteil aus einem guten Leiter, wie z. B. Kupfer umfassen. Die leitenden Bestandteile 3′ können quadratische oder runde Stäbe aus Titan oder quadratische oder runde plattierte Materialien in Form von Titanstäben sein, einschließlich solcher, die innen einen Anteil Kupfer aufweisen.

Weiterhin kann einer oder mehrere der leitenden Bestandteile 3′ für jede der vorspringenden Flächen 4 verwendet werden. Es ist bevorzugt, daß die für die leitenden Bestandteile 3′ vorgesehenen Fläche auf den vorspringenden Flächen 4 70% oder weniger der Fläche der vorspringenden Flächen 4 ausmacht. Wenn diese vorgesehene Fläche mehr als 70% aus­ macht, tritt in dem Bereich eine Verschlechterung der Ver­ sorgung mit Elektrolyselösung auf, was nicht nur zu einer Erhöhung der Spannung und/oder einer Verringerung der Stromausbeute führt, sondern ebenfalls schädlich für die Membran ist. Andererseits ist es bevorzugt, daß die entspre­ chend vorgesehene Fläche nicht weniger als 5% der vorsprin­ genden Fläche ausmacht. Ein Flächenbereich von weniger als 5 % würde bedeuten, daß die leitenden Bestandteile 3′ extrem dünn sind und der Leitungswiderstand würde ansteigen.

Weiterhin, wenn die anodenseitige Trennwand mit der Anode mittels der leitenden Bestandteile 3′ verbunden ist, ist der Abstand zwischen den vorspringenden Flächen 4 der anodensei­ tigen Trennwand und der Rückseite der Anode vorzugsweise 2 mm oder mehr, insbesondere 3 mm oder mehr. Wenn der Abstand weniger als 2 mm beträgt, wird die anodenseitige Trennwand 1 leicht beschädigt, was die Vorteile der Erfindung verringern würde. Obwohl erfindungsgemäß keine Einschränkungen bezüg­ lich der oberen Grenze dieses Abstandes gegeben sind, wird ein extrem großer Abstand zu einer Vergrößerung des Raumbe­ darfs für die Elektrolysezelle selbst und weiterhin zu einer Erhöhung des Leitungswiderstandes führen. Der Abstand ist daher bevorzugt nicht mehr als 10 mm, insbesondere nicht mehr als 5 mm.

Für die erfindungsgemäße Elektrolysezelle ist eine beliebige Anode für die Chloralkalielektrolyse verwendbar. Beispiels­ weise ist es möglich, eine Anode zu verwenden, in der auf einer Titangrundlage eine Katalysatorschicht aus beispiels­ weise Rutheniumoxid aufgebracht ist, das eine geringe Chlo­ ridüberspannung aufweist. Weiterhin ermöglicht die Verwen­ dung einer Elektrode in Form einer porösen Platte, deren Konfiguration keinen besonderen Beschränkungen unterliegt, daß das erzeugte Chlorgas durch die Rückseite der Anode zum Außenraum der Zelle abgeleitet werden kann. Derart konfigu­ rierte Elektroden sind allgemein bekannt als "gelochte Me­ talle", "Streckgitter" oder "Netzelektroden".

Die Verbindung zwischen der kathodenseitigen Trennwand und der Kathode kann auf eine beliebige herkömmliche Art und Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann die Verbindung zwischen der kathodenseitigen Trennwand und der Kathode mit­ tels leitender Rippen hergestellt werden, die so angeordnet sind, daß sie einen Zwischenraum von 10 bis 50 mm zwischen der Trennwand und der Kathode definieren, wenn die kathoden­ seitige Trennwand im wesentlichen die Form einer flachen Platte aufweist, wie im Fall der Abbildung 3. Alle herkömm­ lich bekannten leitenden Rippen sind für diesen Zweck ver­ wendbar.

Wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, die kathodenseitige Trenn­ wand aus einem Material mit Vorsprüngen und Einbuchtungen gebildet ist, ist es möglich, daß eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Einbuchtungen 5 auf der Anodenseite und der Kathode hergestellt wird. Wenn es notwendig ist, kann eine elektrische Verbindung auch mittels leitender Be­ standteile wie im Fall der Anode hergestellt werden.

In der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird eine bemer­ kenswerte Verringerung der Zellenspannung dadurch erzielt, daß eine aktive Kathode mit einer geringen Wasserstoffüber­ spannung verwendet wird. Solch eine aktive Kathode kann her­ gestellt werden, indem eine aktive Nickelschicht durch Plat­ tierung auf die Oberfläche einer Elektrode aus Eisen, eine eisenartigen Legierung, Nickel, oder einer Legierung auf Nickelbasis gebildet wird.

Ein Verfahren zur Herstellung solch einer aktiven Kathode ist beispielsweise in der JP-A-58-6983 offenbart. Wenn eine solche aktive Kathode eingerichtet wird, ist es bevorzugt, daß die Kathode und alle übrigen Bestandteile innerhalb der Kathodenkammer dem Plattierungsverfahren für die aktive Ka­ thode unterworfen werden, nachdem die Kathode mit der Trenn­ wand verbunden ist.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Elektrolyse einer wäßri­ gen Alkalichloridlösung unter Verwendung der vorstehend be­ schriebenen dipolaren Elektrolysezelle beschrieben. Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zur Elektrolyse von wäßrigen Alkalichloridlösungen. Erfindungsgemäß ist es möglich, von diesen bekannten Verfahren ein geeignetes auszuwählen.

Beispielsweise wird eine Vielzahl der vorstehend beschriebe­ nen bipolaren Elektrolysezellen in Serie geschaltet, wobei Trennwände zwischen den Anoden und den Kathoden angebracht sind, so daß Anoden- und Kathodenkammern festgelegt werden. Die Zahl der in Reihe geschalteten Zellen unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und ist üblicherweise etwa 5 bis 30. Obwohl es bevorzugt ist, für die Trennwände fluorhaltige Kationenaustauschermembranen zu verwenden, ist es auch mög­ lich, das sogenannte Diaphragmaverfahren anzuwenden, in dem beispielsweise eine Asbestmembran verwendet werden kann.

Obwohl ein Zwischenraum zwischen den Anoden und den dazuge­ hörigen Membranen und zwischen den Kathoden und den dazuge­ hörigen Membranen möglich ist, ist es bevorzugt, einen di­ rekten Kontakt einzurichten, da hierdurch der Lösungswider­ stand gemildert wird. Es ist ebenfalls bevorzugt, daß die Kationenaustauschermembranen einer Blasenöffnungsbehandlung (bubble opening treatment) auf den anodenseitigen Oberflä­ chen und/oder den kathodenseitigen Oberflächen unterworfen wurde. Solche Kationenaustauschermembranen sind im Stand der Technik bekannt.

Die Anodenkammern werden mit einer geläuterten Alkalichlo­ ridlösung und die Kathodenkammern mit reinem Wasser und/oder einer Alkalilauge beschickt. Während es möglich ist, daß jede Kammer einzeln mit Lösung versorgt wird, wird üblicher­ weise ein paralleles Versorgungssystem verwendet.

Die Konzentrationen der verwendeten Lösungen unterliegen keinen speziellen Beschränkungen. Üblicherweise liegt die Konzentration der Alkalichloridlösung im Bereich von 230 g/Liter bis zur Sättigung und die Konzentration der Alkali­ lauge beträgt 32 Gew.-% oder weniger.

Die Stromzuführung erfolgt in Serie von der Anode am äußer­ sten Ende zur Kathode am äußersten Ende. Mit fortschreiten­ der Elektrolyse wird Chlor und die verdünnte Alkalichlorid­ lösung von den Anodenkammern und Wasserstoff und Alkalilauge von den Kathodenkammern abgeleitet. Obwohl die Ableitung ge­ trennt durchgeführt werden kann, wird sie üblicherweise parallel bei den Anoden- und Kathodensystemen durchgeführt. Nach den Reinigungsverfahren werden Chlor und Wasserstoff als Produkte erhalten. Ein Teil der verdünnten Alkalichlo­ ridlösung wird üblicherweise zurückgeführt und der übrige Teil wird entfernt oder in einigen Fällen neu verwendet.

Teile des Alkalilauge werden üblicherweise zurückgeführt und der Rest nach Konzentration als Produkt erhalten.

Die Konzentration des abgeleiteten verdünnten Alkalichlorids und der abgeleiteten Alkalilauge unterliegt keinen besonde­ ren Beschränkungen. Üblicherweise liegen die Konzentrationen des abgeleiteten Alkalichlorids im Bereich von 230 bis 170 g/Liter und die Konzentration der Alkalilauge ist im Bereich von 20 Gew.-% bis 50 Gew.-%.

Die Stromdichte der Elektrolyse unterliegt keinen besondere Beschränkungen. Üblicherweise liegt sie etwa bei 1 bis 7 KA/m².

Die Temperatur der Elektrolyse unterliegt ebenfalls keinen besonderen Beschränkungen. Üblicherweise liegt sie bei etwa 75 bis etwa 100°C.

Wie vorstehend beschrieben, kann durch Verwendung einer er­ findungsgemäßen bipolaren Elektrolysezelle aufgrund des ge­ ringeren Leitungswiderstandes auf der Anodenseite eine Ver­ ringerung der Zellenspannung erzielt werden, weiterhin wird das Ersetzen einer Anode erleichtert, deren katalytische Ak­ tivität sich verschlechtert hat, und es können Reparaturen der Elektrolysezelle bei Störungen während des Verfahrens einfacher und ökonomischer durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße bipolare Elektrolysezelle kann neben der Elektrolyse von Alkalichloridlösungen selbstverständlich auch in anderen Bereichen der industriellen Elektrolyse an­ gewendet werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen bekannten Elektrolysezellen weist die neue erfindungsgemäße bipolare Elektrolysezelle eine Reihe von Vorteilen auf, die wie folgt zusammengefaßt werden können:

Erstens ist der Leitungswiderstand der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle gering, wodurch man eine Verringerung in der Zellenspannung erzielt. Dies wird deutlich, wenn man die erfindungsgemäßen Elektrolysezellen nach Fig. 1 und 2 mit der Elektrolysezelle nach Fig. 5 vergleicht, die ein typi­ sches Beispiel einer herkömmlichen Elektrolysezelle zeigt. Bei der in Fig. 5 dargestellten Elektrolysezelle wurde die elektrische Verbindung zwischen der anodenseitigen Trennwand und der Anode mittels leitender Rippen aus Titan herge­ stellt. Da die Elektrizitätszufuhr zur Anode über diese Rip­ pen aus Titan erfolgt, die einen verhältnismäßig großen spe­ zifischen Widerstand aufweisen, tritt ein großer Spannungs­ verlust auf. Der Spannungsverlust durch den Leitungswider­ stand macht einen großen Teil der Zellenspannung aus.

Im Gegensatz dazu wird in der erfindungsgemäßen Elektrolyse­ zelle die elektrische Verbindung zwischen der anodenseitigen Trennwand und der Anode einzig durch die leitende Bestand­ teile 3′ bewirkt, die eine sehr geringe Länge aufweisen. Da­ her kann der Spannungsverlust aufgrund des Leitungswider­ standes zwischen der anodenseitigen Trennwand und der Anode extrem verringert werden. Als Ergebnis wird eine Verringe­ rung der Zellenspannung erzielt. Da die anodenseitigen und die kathodenseitigen Trennwände elektrisch durch Zellteile aus Kupfer oder Nickel verbunden sind, ist der Spannungswi­ derstand zwischen ihnen vernachlässigbar.

Zweitens kann die Anode leicht durch eine neue ersetzt wer­ den, wenn sich ihre katalytische Aktivität nach längerer An­ wendung verschlechtert hat. Dies liegt daran, daß in der er­ findungsgemäßen Elektrolysezelle die anodenseitige Trennwand 1 und die Anode 6 miteinander mittels leitender Bestandteile verbunden sind, so daß, wenn die Anode ersetzt wird, keine Gefahr besteht, die Trennwand zu beschädigen. Zusätzlich kann das Entfernen und Wiederanbringen von Anoden einfach durchgeführt werden.

Drittens verwendet die erfindungsgemäße Elektrolysezelle einen Aufbau, in dem die anodenseitigen vorspringenden Flä­ chen 4 und die Anode 6 über leitende Bestandteile 3′ verbun­ den sind, so daß der Bereich, der durch die vorspringenden Flächen 4 auf der anodenseitigen Trennwand blockierten Anodenlöcher verhältnismäßig gering ist - im Gegensatz zu den herkömmlichen Elektrolysezellen wie sie in Fig. 7 und 8 dargestellt sind und die als Beispiel in der JP-A-58-71382 offenbart sind. Dies bewirkt, daß der Zellenbereich zwischen der Anode und der Membran, wie auch die anderen Zellbereiche mit einer ausreichenden Menge an Elektrolyselösung versorgt wird und daß sich kein Chlorgas ansammeln kann, so daß die­ ser Membranbereich nicht ungünstig beeinflußt wird. Weiter­ hin korrodiert die anodenseitige Trennwand auch nicht, selbst wenn kleine Löcher in der Membran gebildet werden, da in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle die anodenseitige Trennwand 1 von der Membran 2 mm oder mehr entfernt ist. Es werden ausschließlich die Anode oder die leitenden Bestand­ teile 3′, die die Anode und die Trennwand elektrisch verbin­ den korrodiert. Wenn daher die Zelle instandgesetzt wird, ist es nur notwendig, die korrodierte Anode und/oder die leitenden Bestandteile 3′ zu ersetzen, wodurch wesentliche Instandsetzungskosten eingespart werden und die Instandset­ zung vereinfacht wird.

Daher kann durch das Bereitstellen der leitenden Bestand­ teile 3′, die auf den vorspringenden Flächen 4 der anoden­ seitigen Trennwand angebracht sind, die durch Fehlfunktion auftretende Korrosion in einem erstaunlichen Maß verringert werden. Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle zeigt daher wesentlich bessere Eigenschaften als die herkömmlichen Elek­ trolysezellen.

Es soll noch abschließend bemerkt werden, daß die Ausgestal­ tung der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle und ihre Wir­ kungsweise vor dem Hintergrund dessen erfolgte, daß die Er­ finder feststellten, daß jegliche Korrosion, die auf Grund von Verätzung durch Alkali erfolgt, das durch Ätzlösung, die durch Lecks in die Anodenkammer gelangt, nur über einen Be­ reich von etwa 1 mm von der Rückseite der Anode in Richtung auf die anodenseitige Trennwand hin, wirkt.

Claims (6)

1. Bipolare Elektrolysezelle, umfassend eine Anode, eine Kathode und eine anodenseitige Trennwand, die mindestens einen Vorsprung auf der Anodenseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser (diese) mit der Anode mittels eines leitenden Bestandteils (oder mittels mehrerer lei­ tender Bestandteile) elektrisch verbunden ist (sind).

2. Bipolare Elektrolysezelle nach Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen der anodenseitigen Trennwand und der Rückseite der Anode im Bereich von 2 mm bis 10 mm ist.

3. Bipolare Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Verhältnis der Gesamtfläche der Vorsprünge zu der elektrolytisch wirksamen Fläche im Bereich von 5% bis 60% ist.

4. Bipolare Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die anodenseitige Trennwand eine (oder meh­ rere) Ausbuchtung(en) aufweist (aufweisen), die dadurch gebildet wird (werden), daß die anodenseitige Trenn­ wand so ausgeformt ist, daß sie auf der Kathodenseite hervortritt.

5. Bipolare Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Höhe des Vorsprungs (der Vorsprünge) oder der Unterschied in der vertikalen Ausdehnung zwischen dem Vorsprung (den Vorsprüngen) und der Ausbuchtung (den Ausbuchtungen) etwa 10 mm bis 70 mm ist.

6. Verwendung einer bipolaren Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Chloralkalielektrolyse.