DE861550C - Elektrolytischer, fuer UEberdruckbetrieb bestimmter Wasserzersetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrolytische Überdruckwasserzersetzer der Filterpressenbauart, welche in bekannter Weise aus einer von Zugankern ■zusammengepreßten Säule von aneinandergereihten, durch isolierende Dichtungen voneinander getrennten Zellen mit bipolar wirkenden Hauptelektroden und Trennungsdiaphragmen bestehen. Bei solchen Elektrolyseuren hat man grundsätzlich zwei Systeme zu unterscheiden, nämlich solche mit einem das Zellenpaket umgebenden Druckkessel und solche mit einzeln druckfesten Zellenrahmen. Die Erfindung befaßt sich ausschließlich mit einem System der letztgenannten Art.

Bei den genannten Elektrolyseuren pflegt man den Hauptelektroden innerhalb der einzelnen Zellen je eine Vorelektrode zuzuordnen, welche z. B. aus einem gelochten Blech besteht, das durch ein System von Tragbolzen mit der zugehörigen Hauptelektrode verbunden ist und parallel zu dieser steht. Man hat auch schon vorgeschlagen, für diese Vorelektroden Drahtgewebe an Stelle der gelochten Bleche zu verwenden und die Länge der Tragbolzen so zu bemessen, daß diese Gewebe am Diaphragma anliegen. In beiden Fällen erfolgt der Gasabzug hauptsächlich innerhalb des zwischen Haupt- und Vorelektrode liegenden freien Raumes, dessen Tiefe nach der beabsichtigten Strombelastung bemessen wurde und von der Länge der Tragbolzen bestimmt war.

Die Erfindung verzichtet auf die Anwendung der erwähnten Tragbolzen oder Distanzmittel und benutzt für die Vorelektroden relativ dicke Drahtgewebeplatten, wobei Drahtstärke und Raumerfüllung dieser Gewebe so bemessen! sind, daß zwischen ihren Maschen ein ausreichender Elektrolytraum verbleibt und diese Drahtgewebeplatten einerseits auf den ebenen Hauptelektroden und anderseits auf

der Oberfläche des Diaphragmas derart flächig.aufliegen, daß der von' den Zugankern' erzeugte Pakkungsdruck auf der ganzen Berührungsfläche den notwendigen. Kontaktdruck zwischen Haupt- und Vorelektrode erzeugt. Diese Konstruktion läßt sich allerdings nur für Überdruckelektrolyseure anwenden, -da sie voraussetzt, daß das entstehende Gasvolumen klein genug .bleibt, um für ein ausreichen^ des Elektrolytvolumen Platz zu lassen. Sie bietet in ίο diesem Fall jedoch eine überraschende Anzahl von wichtigen- technischen Vorteilen.

Zunächst wird durch den Fortfall des schwierig und teuer herzustellenden Tragbolzensystems, mit welchem bisher die Haupt- und Vorelektrode verbunden werden mußten, eine sehr wesentliche Vereinfachung für den Bau des Elektrolyseurs erzielt. Die erwähnten Drahtgewebe brauchen nämlich beim Aufbau -des Elektrolyseurs nur eingelegt zu werden.; zur Erleichterung der Montagieempfiehltes sichallerdings, sie vorher an den zugehörigen Hauptelektroden durch eine Anzahl Punktschweißungen zu fixieren. Diese Befestigung spielt aber für den Stromübergang keine entscheidende Rolle, da letzterer vielmehr durch die zahllosen Berührungspunkte zwischen der Hauptelektrode und dem flächig auf die Hauptelektrode gepreßten Gewebe sichergestellt wird. Um dabei die Kontaktfläche der einzelnen Kontaktstellen zu egalisieren und zu vergrößern, geht man vorzugsweise von plan gepreßten Gewsbeplatten aus. Die Fixierung des Elektrodengewebes namentlich auf der Anode hat aber noch einen anderen sehr wichtigen Vorteil. Sie gestattet nämlich eine Vernickelung der Hauptelektrode und des Elektrodengewebes in einem Arbeitsgang. Auf diese Weise wird eine nachträgliche Freilegung der unvernickelten Knotenpunkte des Gewebes vermieden. Weiterhin gelangt man' auf dem erfindungsgemäßen Wege zu wesentlich schmaleren Einzelzellen,'da der freie Raum zwischen Haupt- und Vorelektrode eingespart wird. Man glaubte bisher, diesen freien Raum zur Sicherstellung eines störungslosen Gasabzuges und zur Unterbringung einer ausreichenden Elektrolytmenge nicht entbehren zu können. Es haben aber eingehende Versuche mit erfindungsgemäß ausgestalteten Zellen erwiesen, daß dieses Vorurteil für Druckzeilen mit mehr als 3 atü Betriebsdruck nicht gerechtfertigt ist, weil die durch den Druck erzielte Verminderung des Gasvolumens genügend Raum für den Elektrolyt freigibt. Wenn man ferner als Vorelektroden Drahtgewebe benützt, deren Schußfäden in lotrechter Richtung angeordnet und dicker als die Kettenfäden bemessen sind, dann entstehen innerhalb des Gewebes entlang den Schußfäden lotrechte Gasabzugskanäle, die einen unbehinderten Abzug der feinen-Gasbläschen ermöglichen.

Eine vergrößerte Oberfläche der Vorelektrode kann man hierbei ohne Beeinträchtigung des Gasab'zuges erreichen, wenn man die Zahl der Kettenfäden des betreffenden Metallgewebes um ein Vielfaches' größer.wählt als die Zahl der Schußfäden. Auf diesem Wege läßt sich eine die Projektionsfläche um ein Mehrfaches übersteigende Gesamtelektrodenoberfläche in einem Raum von so geringer Tiefe unterbringen, daß der elektrolytische Leitungswiderstand innerhalb der Gewebe verschwindend klein wird, so daß auch die Hauptelektrode im Gegensatz zu alten Konstruktionen, bei denen die Vorelektroden von Distanzstücken¹ getragen werden, voll an der Elektrolyse teilnehmen kann. Damit wird die Zellenspannung entscheidend herabgedrückt.

Schließlich erreicht man auf dem erfindungsgemäßen Wege eine überaus gleichmäßige, flächige Einspannung des Diaphragmas zwischen den Vorelektroden. Während nämlich Vorelektroden, welche von Bolzen getragen werden, sich zwischen den einzelnen Tragbolzen bereits bei der Herstellung und gegebenenfalls unter dem Quellungsdruck des Diaphragmas stets ein wenig durchbiegen und daher eigentlich nur in unmittelbarer Bolzennähe am Diaphragma gut anliegen, spannen Drahtgewebe, welche einerseits auf dem Diaphragma und anderseits auf den Hauptelektroden flächig unter Druck aufliegen, das Diaphragma an zahllosen Berührungspunkten fest zwischen sich ein und stützen dieses gegen Druckdifferenzen! ab. Infolgedessen können solche, insbesondere beim Anfahren des Elektrolyseursi oft unvermeidbare Druckdifferenzen, zwischen Anoden- und Kathodenraum zu keiner Zerreißung des Diaphragmas und einer hierdurch verursachten Knallgasbildung mehr führen.

Darüber hinaus wirkt die beschriebene Einspannung des Diaphragmas zwischen flächig auf den Hauptelektroden abgestützten Metallgeweben auch der Auflösung des Pappdiaphragmas, auf dessen Verwendung man bei Druckelektrolyseuren zur Erzielung einer ausreichenden Gastrennung angewiesen ist, in sehr erheblichem Maße entgegen. Man kann diese Wirkung noch erhöhen, indem man erfindungsgemäß die Vorelektroden aus je zwei Drahtgeweben verschiedener Maschengröße und Drahtstärke zusammensetzt, welche· übereinandergelegt sind und von denen das gröbere Gewebe auf der Seite der Hauptelektrode, das feinere Gewebe hingegen auf der Seite des Diaphragmas liegt. Denn dann liegt das Diaphragma unter dem Druck einer vergrößerten Anzahl von voll abgestützten Berührungspunkten der Vorelektroden, und wenn man die Gitterkonstante des feineren Gewebes kleiner als die mittlere Länge der zur Herstellung des Pappdiaphragrnias benutzten Asbestfasern wählt, so ver- no mögen sich praktisch keine Fasern mehr vom Diaphragma abzulösen.

Dies gilt allerdings nur für die zwischen den Vorelektroden eingespannte Hauptzone des Diaphragmas, während die Asbestpappe sich an dem über die Vorelektroden hinausragenden Rand zunächst noch auflösen könnte. Man vermeidet dies nach dför Erfindung dadurch, daß man das Diaphragma innerhalb der erwähnten Randzone durch Pressen verdichtet und beiderseitig mit einem Metallbelag versieht, welcher entweder aus einem feindrähtigen Netz oder einer Metallfolie besteht. Um diese Metallbelegungen; in engem Kontakt mit der Oberfläche des Diaphragmas zu halten, werden sie am besten an der Peripherie gemeinsam mit dem Diaphragma eingespannt und innen bis unter die Vorelektrode

geführt, deren Rand man zu diesem Zweck so hoch biegen kann, daß er auf die durch Pressung verdichtete Randzone des Diaphragmas übergreift.

Durch den erfindungsgemäßen Einbau ergibt sich eine ungewöhnlich schmale Einzelzelle, etwa io bis 12 mm gegen bisher 50 bis 70 mm. In einem Großelektrolyseur von 7 m Länge lassen sich demnach anstatt wie bisher etwa 125 bei atmosphärischem Druck arbeitenden Zellen nunmehr bis zu 600 Zellen unterbringen.

Weiterhin wird bei einem erfindungsgemäßen Elektrolyseur der Packungsdruck der Zelleneinbauten von Zelle zu Zelle durch die bipolar wirkenden Hauptelektroden weitergegeben. Um hierbei einen selbsttätigen Ausgleich kleiner Differenzen zu erreichen, empfiehlt es sich, den Hauptelektroden durch membranartige Gestaltung eine gewisse, sehr kleine Nachgiebigkeit zu geben. Man stellt sie daher am besten aus dünnen Blechscheiben her, welche am Rand auf einen vom Zellenrahmen getragenen Bord durch elektrische Nahtschweißung befestigt sind'.

Trotz der kleinen Zellenbreite erlaubt der erfindungsgemäße Zellenaufbau eine verhältnismäßig hohe spezifische Strombelastung. Versuche haben ergeben, daß man die Zelle mit einer Stromstärke von 10 bis 15 Amp./dm² belasten kann, wenn je Quadratdezimeter der Projektionszone ein freier Elektrolytraum von 60 bis 100 cm³ vorgesehen ist. Bei dieser Belastung kann man die obenerwähnten Vorteile der Spannungserniedrigung noch voll in Anspruch nehmen, und praktisch arbeitet die Zelle dann mit einer Spannung von weniger als 1,8 Volt.

Die Erfindung sei im folgenden an Hand der

Zeichnungen ergänzend erläutert. Von diesen zeigt Fig. ι einen stark vergrößerten Horizontalschnitt durch den Rand einer erfindungsgemäßen Zelle und Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt durch eine Zelle von abgeänderter Ausführungsform.

Dabei sind gleichartige Teile in beiden Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Gemäß Fig. 1 tragen die vollkommen gleichartig gestalteten, ringförmigen Zellenrahmen 1 und 2 auf der inneren Peripherie je ein ringförmiges Bord3,4, auf das die membranartigen· Blechscheiben 5, 6 aufgeschweißt sind, die als bipolar wirkende Hauptelektroden dienen. Zwischen den Zellenrahmen 1, 2, welche von den außenliegenden (nicht gezeichneten) Zugankern, die das ganze Zellenpaket zusammenhalten, in der Richtung der Pfeile P fest aufeinandergepreßt werden, sind das aus Asbestpappe bestehende Diaphragma 7 und in Fig. 2 auch der Dichtungsring 8 eingespannt. Als Vorelektroden dienen die Drahtgewebe 9 und io, deren (angeschnittene) Schußfäden in lotrechter Richtung verlaufen und wesentlich dicker gewählt sind als die in horizontaler Richtung verlaufenden Kettenfäden. Infolgedessen entstehen entlang den Schußfäden lotrecht durchgehende Gasabzugskanäle.

Die Gewebe 9, 10 sind vor dem Einbau plan gepreßt, wobei sich die Berührungsflächen mit den Hauptelektroden etwas abflachen. Sie sind weiterhin zur Vereinfachung der Montage durch eine Anzahl von Punktschweißungen 11, 12, welche man passend über ihre Oberfläche verteilt, an die zugehörigen Hauptelektroden angeheftet. Das als anodische Vorelektrode dienende Gewebe 9 ist ebenso wie die zugehörige Seite der Hauptelektrode 5 vernickelt. Dabei ist es wichtig, daß diese beiden Vernickelungen gemeinsam, d.h. erst nach dem Anheften des Gewebes 9 an die Hauptelektrode 5 vorgenommen werden, damit der Nickelüberzug auch die Punktschweißungen überdeckt und damit die Fäden des Gewebes sich während und nach dem Vernickeln nicht mehr gegeneinander bewegen. Das als kathodische Vorelektrode dienende Gewebe 10 und die Hauptelektrode 6 bestehen aus Eisen.

Wie man erkennt, ist die Dicke der als Vorelektroden dienenden Gewebe 9, 10 in bezug auf die Dicke des Diaphragmas 7 und die lichte Weite α der Zelle" so bemessen, daß diese Gewebe 9, 10 zwischen dem Diaphragma und ihrer zugehörigen Hauptelektrode 5, 6 fest eingespannt liegen und dabei die Zusammendrückbarkeit des Diaphragmas 7 erheblich beanspruchen. Diese Beanspruchung wird dabei so weit getrieben, daß die Gewebe 9, 10 unter dem Druck P der erwähnten Zuganker, die das ganze Zellenpaket zusammenhalten, mit dem vollen Kontaktdruck auf die zugehörige Hauptelektrode gepreßt werden, den man für einen fast widerstandsfreien Stromübergang praktisch benötigt. Dabei liegt das Gewebe in unzählig vielen Punkten an seiner Hauptelektrode an, und die Messung hat gezeigt, daß auf solchem Wege der Übergangswiderstand zwischen Haupt- und Vorelektrode auch bei monatelangem Betrieb in vernachlässigbar kleinen Grenzen gehalten werden kann. Gleichzeitig wird auf diese Weise auch das Diaphragma 7 fest eingespannt und innerhalb der ganzen Projektionszone der Vorelektroden wirksam abgestützt.

In der außerhalb dieser Projektionszone liegenden Ringzone, d. h. zwischen Einspannung des Diaphragmas und Peripherie der Vorelektroden, wird das Diaphragma vorzugsweise durch Pressung verdichtet und weist daher einen entsprechend schmaleren Querschnitt auf. Innerhalb dieser verdichteten Randzone kann das Diaphragma dann z. B. mit Paraffin imprägniert werden, so daß es gleichzeitig, als Dichtung zwischen den Zellenrahmen wirkt. Noch wichtiger ist es jedoch, daß man das Diaphragma 7 auch innerhalb dieser Zone beiderseitig mit Metall belegt. Diesem Zweck dienen nach Fig. 1 die beiden Nickelfolien 13, 14, welche vorzugsweise perforiert sind und unmittelbar auf der Oberfläche des Diaphragmas 7 aufliegen. Zur Sicherung einer festen Auflage sind die beiden Folien 13, 14 außen an ihrer Peripherie gemeinsam mit dem Diaphragma zwischen den Zellenrahmen 1,2 eingespannt und innen bis unter den Rand der Vorelektroden 9, 10 geführt. Gleichzeitig sind die Ränder der. Vorelektroden 9, 10 ein wenig hochgebogen, so daß sie die verdichtete Randzone des Diaphragmas 7 ein Stück weit übergreifen und die Folien 13, 14 dort auf das Diaphragma 7 pressen.

In Fig. 2 sind die Folien 13,14 durch engmaschige Metallgewebe 15, 16 ersetzt, die an der Peripherie ebenfalls gemeinsam mit dem Diaphragma 7

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zwischen den Zellenrahmen i, 2 eingespannt liegen, die aber unter dem Rand der Vorelektroden 9, 10 nicht enden, sondern das ganze Diaphragma 7 auch innerhalb der Projektionszone der Vorelektroden beiderseitig voll bedecken. Sie wirken dann selbst als Teil der Vorelektroden mit, so daß innerhalb der Projektionszone der Vorelektroden 9, 10 auf jeder Seite des Diaphragmas ein grobmaschiges, mit der zugehörigen Hauptelektrode in Kontakt stehendes Gewebe 9, ίο, und ein feinmaschiges, mit dem Diaphragma in Berührung stehendes Vorelektrodengewebe 15, 16 liegt. Der Druck der Vorelektroden wird auf diese Weise gleichmäßiger auf die Oberfläche des Diaphragmas verteilt und dieses noch besser abgestützt. Werden die Maschen der beiden Feingewebe 15,, 16 so klein gewählt, daß ihre größten Abmessungen (Diagonale) kleiner als die mittlere Faserlänge des für die Herstellung des Diaphragmas benutzten Asbestes sind, so verhindem die Gewebe 14, 15 überdies praktisch restlos die Ablösung von Asbestfasern vom Diaphragma 7, so daß sich die bisher übliche, im Kreislauf vorgenommene Filterung des Elektrolyten erübrigt und man den Elektrolyseur ohne Gefahr für das Diaphragma mit Betriebstemperaturen von 90 bis 125⁰ C anfahren kann.

Claims (12)

1. PATENTANSPRÜCHE: " -

   I. Elektrolytischer, für Überdruckbetrieb bestimmter Wasserzersetzer der Filterpressenbauart, dessen durch Zuganker zusammengepreßte Zellen mit durckf estern Rahmen und bipolar wirkenden Hauptelektroden sowie am Diaphragma anliegenden Vorelektroden ausgerüstet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Drahtgewebe bestehenden Vorelektroden (9, ιό) mit ihrer Gewebeoberfläche unmittelbar auf den ebenen Hauptelektroden (5, 6) aufliegen, wobei Drahtstärken und Raumerfüllung dieser Gewebe so bemessen sind, daß zwischen ihren Maschen ein

   " ausreichender Elektrolytraum verbleibt und die Gewebe das Diaphragma (7) unter solchem Druck zwischen sich einspannen, daß der durch die Zuganker herbeigeführte Packungsdruck den erforderlichen Kontaktdruck zwischen den einzelnen Vor- und Hauptelektroden erzeugt.
2. 2. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Vorelektroden aus einem dünnen und engmaschigen, am Diaphragma anliegenden Drahtgewebe (15, i 6) und einem dicken und weitmaschigen, an der ebenen Hauptelektrode anliegenden Drahtgewebe (9,10) bestehen, die miteinander durch den Packungsdruck in Kontakt gehalten werden.
3. 3.Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorelektroden aus Drahtgeweben (9,10) bestehen,derenSchußfäden in lotrechter Richtung angeordnet und dicker als die Kettenfäden bemessen sind.
4. 4. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorelektroden aus Drahtgeweben (9, 10) bestehen, bei denen die Zahl der Kettenfäden die Zahl der Schußfäden um ein Mehrfaches übersteigt.
5. 5. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorelektroden aus plan gepreßten Geweben (9, 10) bestehen.
6. 6. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Vorelektroden dienenden Gewebe (9, 10) an den Hauptelektroden durch Punktschweißungen (11, 12) mechanisch fixiert sind.
7. 7. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch6, dadurch gekennzeichnet, daß die anod'ischen "Elektrodengewebe (9) mit' den zugehörigen Hauptelektroden (5) gemeinsam vernickelt sind.
8. 8.Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma (7) aus einer Asbestpappe besteht, welche in den außerhalb des Andruckbereiches der Vorelektroden (9, 10) liegenden Randzonen zwischen unmittelbar anliegenden Metallflächen (13, 14 bzw. 15, 16) eingeschlossen ist.
9. 9.Überdruckwasserzersetzer nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone der als Diaphragma dienenden Asbestpappe (7) durch Pressen verdichtet ist und daß der Metallbelag an der Peripherie durch Einspannung zwischen den Zellenrahmen (1, 2) und innen durch die Ränder der Vorelektroden (9, ro) auf das Diaphragma gedrückt wird.
10. 10. Überdruckwasserzersetzer nach Ansprüchen 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallbeläge aus 'engmaschigen Metallgeweben (15, 16) bestehen, welche sowohl die unter den Vorelektroden (9, 10) liegende Fläche des Diaphragmas bedecken als auch bis zur peripheren Einspannung des Diaphragmas (7) reichen. ■
11. 11. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolar wirkenden Hauptelektroden (S, 6) aus ebenen dünnen Blechscheiben bestehen, die an ihrer Peripherie auf einem Tragbord (3, 4) des aus gerundetem Profileisen hergestellten Zellenrahmens (1, 2) aufgeschweißt sind.
12. 12. Überdruckwasserzersetzer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektroden und das Verdrängungsvolumen der Einbauten (Vorelektroden, Diaphragma) so aufeinander abgestimmt sind, daß das für den Elektrolyt frei bleibende Volumen sich je Qiuadratdezimeter der vom Elektrolyt erfüllten Projektionszone der Vorelektroden (9, 10) auf 60 bis γόο cm³ bemißt.

    Hierzu I Blatt Zeichnungen

    I 5606 12.