EP0045743A1 - Zusammengesetzte bipolarelektrode für die alkalimetallchlorid-elektrolyse und andere elektrolyseprozesse - Google Patents
Zusammengesetzte bipolarelektrode für die alkalimetallchlorid-elektrolyse und andere elektrolyseprozesseInfo
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- EP0045743A1 EP0045743A1 EP80901846A EP80901846A EP0045743A1 EP 0045743 A1 EP0045743 A1 EP 0045743A1 EP 80901846 A EP80901846 A EP 80901846A EP 80901846 A EP80901846 A EP 80901846A EP 0045743 A1 EP0045743 A1 EP 0045743A1
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- bipolar electrode
- cathode
- anode
- electrolysis
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
- C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
Definitions
- the invention relates to a composite bipolar electrode for electrolytic cells with perforated pre-anodes and pre-cathodes and gas and liquid-tight separation of anolyte and catholyte space.
- Bipolar electrolysis cells have the advantage over monopolar cells that no current leads to the electrodes are required and the cell can be built very compactly. You will find e.g. for water electrolysis, and also for chlor-alkali electrolysis, bipolar cell constructions have recently been used, especially for the membrane process.
- titanium with a suitable noble metal oxide coating has proven to be the best, for the cathode, on the other hand, steel, either bare or with an activation based on nickel-sulfur or nickel-zinc, as e.g. in patents FR-7805208 and US-3,272,728, respectively.
- Titanium is not suitable as a cathode, since the atomic hydrogen that is formed dissolves in titanium and forms hydride, which is detached from the alkali. Since a metallic partition also acts as an electrode and is exposed to the corresponding stress, titanium is also not readily usable for the partition as a material. In addition, titanium and steel cannot be easily connected by welding.
- the electrodes of the previously known bipolar membrane cells therefore generally consist of a dividing wall in “sandwich construction”, which consists of titanium on the anode side and steel on the cathode side, the two metals being connected by explosion plating.
- the current leads to the titanium anodes are welded to the partition on one side and the current leads to the steel cathodes are welded on the other side.
- This construction is complex, material-intensive, heavy and expensive, since the explosion-plated sheet must have a gev / isse minimum thickness for manufacturing reasons. In addition, hydrogen diffusion can cause problems.
- the invention has for its object to provide a composite bipolar electrode for electrolytic cells according to the type mentioned, which while avoiding the disadvantages of the prior art allows a lightweight, material-saving design, which still allows a very precise compliance with uniform electrode spacing and a minimal ohm 'see voltage drop results.
- This object is achieved in that the partition between the anode and cathode space is formed by a film made of a material that is resistant to both the conditions on the anode side and the conditions on the cathode side, e.g. PTFE, and a support grid, preferably made of expanded metal.
- the film can either be connected to the support grid in a suitable manner, or it can rest freely on the support grid. In this case, the support grid is arranged on the side of the film where the lower pressure prevails.
- the support grid is on the anolyte side and is preferably made of titanium.
- the support grid is then supported at regular intervals against the anode, which is also made of expanded titanium, and clamped at the contact points at which the current transfer from the anode to the cathode takes place.
- the contact point is designed so that it can be detached again and the anode and cathode can be removed for recoating.
- the contact point is covered against the medium.
- the sealing between the anolyte and catholyte space is carried out in a known manner by means of an O-ring seal.
- the film can be very thin as it is diffusion tightness due to the perforated rear wall is not important. Even thermal expansions do not have a negative effect if the expanded metal is dimensioned accordingly.
- An embodiment of the described bipolar electrode for a chloralkali membrane cell emerges from the single figure of the drawing, which represents a cross section through an electrolyzer with several bipolar elements 1.
- the current is fed in at the end anode 2 and discharged at the end cathode 3.
- a bipolar element consists of the frame 4, the frame seals 5.
- the electrode itself consists of the expanded metal anode 8 made of coated titanium, the support grid 9, the foil 10 and the perforated steel cathode 11.
- the current from the cathode is collected in rounds 12, which are connected to the cathode by welding, and transferred by the screw contact 13 to titanium webs 14, which transfer it further to the anode 8 connected by spot welding.
- the anolyte and catholyte space are sealed by O-ring 15.
- the screw connection is covered with a cap 16 made of a suitable elastomer, which at the same time regulates the distance between the electrodes via the membrane resting on the anode.
- Such a bipolar electrode has a titanium material expenditure of only a fraction of that of an explosion-plated bipolar electrode and an ohmic voltage drop between the anode and cathode of less than 50 mV.
- bipolar electrode described is not limited to chlor-alkali electrolysis using the membrane process, but is also possible and advantageous in other electrolysis processes if the anode and cathode are made of different materials, the anolyte and catholyte are must be kept together and it is difficult to find a material for the partition that is equally resistant to the anolyte and the catholyte.
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Description
Zusammengesetzte Bipolarelektrode für die Alkalimetallchlorid- Elektrolyse und andere Elektrolyseprozesse
Die Erfindung betrifft eine zusammengesetzte Bipolarelektrode für Elektrolysezellen mit perforierten Voranoden und Vorkathoden und gas- und flüssigkeitsdichter Trennung von Anolyt- und Katholytraum.
Bipolare Elektrolysezellen haben gegenüber monopolaren Zellen den Vorteil, daß keine Stromzuführungen zu den Elektroden benötigt werden und die Zelle sehr kompakt gebaut v/erden kann. Sie finden z.B. für die Wasserelektrolyse breite Anwendung, und auch für die Chloralkali-Elektrolyse sind besonders für das Membranverfahren bipolare Zellenkonstruktionen neuerdings in Anwendung.
An die Elektroden von Bipolarzellen werden eine Eeihe von Anforderungen gestellt: sie müssen auf der einen Seite als Anode wirken und dort gegen die anodischen Betriebsbedingungen beständig sein, auf der anderen Seite als Kathode wirken und von den an der Kathode gebildeten Stoffen nicht angegriffen werden. Im allgemeinen müssen sie auch eine Trennung der Medien auf der Anodenseite und Kathodenseite voneinander sicherstellen. Die Elektroden sollen niedrige Überspannungen haben und eine gute
Abführung der gebildeten Gase ermöglichen. Diese Forderungen führen z.B. bei der Wasserelektrolyse zu perforierten Vorelektroden, die auf beiden Seiten einer Trennwand angeordnet, mit dieser elektrisch leitend verbunden sein und auf der einen Seite als Kathode, auf der anderen als Anode wirken. Bei der Chloralkali-Elektrolyse sind die Medien auf der Anodenseite Alkalichloridlösung mit saurem pH-Wert und Chlor, dazu unterchlorige Säure, Chlorat und Sauerstoff, auf der Kathodenseite Alkalihydroxidlösung und Wasserstoff.
Von den verschiedenen in Frage kommenden Werkstoffen für die Anode hat sich am besten Titan mit einer geeigneten Edelmetalloxidbeschichtung bewährt, für die Kathode hingegen Stahl, entweder blank oder mit einer Aktivierung auf Basis Nickel-Schwefel oder Nickel-Zink, wie sie z.B. in den Patenten FR-7805208 bzw. US-3 272 728 beschrieben ist.
Titan ist als Kathode nicht geeignet, da der entstehende atomare Wasserstoff im Titan in Lösung geht und Hydrid bildet, das von der Lauge abgelöst wird. Da eine metallische Trennwand ebenfalls als Elektrode wirkt und der entsprechenden Beanspruchung ausgesetzt wird, ist Titan auch für die Trennwand als Werkstoff nicht ohne weiteres zu gebrauchen. Hinzu kommt, daß sich Titan und Stahl nicht auf einfache Weise durch Schweißen verbinden lassen.
Die Elektroden der bisher bekannt gewordenen bipolaren Membranzellen bestehen daher im allgemeinen aus einer Trennwand in "Sandwich-Bauweise", die auf der Anodenseite aus Titan, auf der Kathodenseite aus Stahl besteht, wobei die beiden Metalle durch Explosionsplattierung verbunden sind. Auf die Trennwand sind auf der einen Seite die Stromzuführungen zu den Anoden aus Titan, auf der anderen Seite die Stromzuführungen für die Kathoden aus Stahl angeschweißt.
Diese Konstruktion ist aufwendig, materialintensiv, schwer und teuer, da das explosionsplattierte Blech aus Herstellungsgründen eine gev/isse Mindestdicke haben muß. Außerdem können durch Wasserstoffdiffusion Probleme auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zusammengesetzte Bipolarelektrode für Elektrolysezellen gemäß der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei Vermeidung der angesprochenen Nachteile des Standes der Technik eine leichte, materialsparende Bauweise erlaubt, die trotzdem eine sehr genaue Einhaltung gleichmäßiger Elektrodenabstände gestattet und einen minimalen Ohm'sehen Spannungsabfall ergibt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennwand zwischen Anoden- und Kathodenraum durch eine Folie aus einem Material gebildet ist, das sowohl gegen die Bedingungen auf der Anodenseite, als auch gegen die Bedingungen auf der Kathodenseite beständig ist, z.B. PTFE, und einem Stützgitter, vorzugsweise aus Streckmetall. Die Folie kann entweder mit dem Stützgitter auf geeignete Weise verbunden werden, oder auch frei auf dem Stützgitter aufliegen. In diesem Fall wird das Stützgitter auf derjenigen Seite der Folie angeordnet, wo der niedrigere Druck herrscht.
Wenn man also, um eine niedrigere Zellenspannung zu erreichen, mit einem leichten Überdruck auf der Kathodenseite arbeitet, befindet sich das Stützgitter auf der Anolytseite und ist vorzugsweise aus Titan hergestellt. Das Stützgitter wird dann in regelmäßigen Abständen gegen die Anode, die ebenfalls aus Titanstreckmetall besteht, abgestützt und an den Kontaktstellen, an denen der Stromübergang von der Anode zur Kathode erfolgt, eingeklemmt. Die Kontaktstelle wird dabei so ausgeführt, daß sie wieder lösbar ist und Anode und Kathode zur Wiederbeschichtung ausgebaut v/erden können. Die Kontaktstelle wird gegen das Medium abgedeckt. Die Abdichtung zwischen Anolyt- und Katholytraum erfolgt in bekannter Weise durch eine O-Ring-Dichtung. Die Folie kann sehr dünn sein, da es
auf Diffusionsdichtigkeit infolge der perforierten Rückwand nicht ankommt. Auch thermische Dehnungen wirken sich bei entsprechender Bemessung des Streckgitters nicht nachteilig aus.
Aus der einzigen Figur der Zeichnung, die einen Querschnitt durch einen Elektrolyseur mit mehreren Bipolarelementen 1 darstellt, geht eine Ausführungsform der beschriebenen Bipolarelektrode für eine Chloralkali-Membranzelle hervor. Der Strom wird an der Endanode 2 zugeführt und an der Endkathode 3 abgeführt. Ein Bipolarelement besteht jeweils aus dem Rahmen 4, den Rahmendichtungen 5. der Bipolarelektrode 6 und der Trennmembran 7. Die Elektrode selbst besteht aus der Streckmetallanode 8 aus beschichtetem Titan, dem Stützgitter 9, der Folie 10 und der perforierten Kathode aus Stahl 11. Der Strom von der Kathode wird in Ronden 12, die mit der Kathode durch Schweißung verbunden sind, gesammelt und durch den Schraubkontakt 13 auf Titanstege 14 übertragen, die ihn weiter auf die durch Punktschweißung verbundene Anode 8 übertragen. Die Abdichtung zwischen Anolyt- und Katholytraum erfolgt durch O-Ring 15.
Zum Schutz der Kontaktverbindung gegen das Medium ist die Ver- schraubung mit einer Kappe 16 aus einem geeigneten Elastomer überzogen, die gleichzeitig über die auf der Anode ruhende Membran den Abstand zwischen den Elektroden reguliert.
Eine derartige Bipolarelektrode hat bei einem Materialaufwand an Titan von nur einem Bruchteil des bei sprengplattierten Bipolarelektroden einen Ohm'schen Spannungsabfall zwischen Anode und Kathode von weniger als 50 mV.
Die Anwendung der beschriebenen Bipolarelektrode ist nicht auf die Chloralkali-Elektrolyse nach dem Membranverfahren beschränkt, sondern auch bei anderen Elektrolyseprozessen möglich und vorteilhaft, wenn Anode und Kathode aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, Anolyt und Katholyt aus-
einandergehalten werden müssen und es Schwierigkeiten macht, einen Werkstoff für die Trennwand zu finden, der gleich gut gegen den Anolyten und den Katholyten beständig ist.
Claims
1. Zusammengesetzte Bipolarelektrode für Elektrolysezellen mit perforierten Voranoden und Vorkathoden und gas- und flüssigkeitsdichter Trennung von Anolyt- und Katholytraum, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwand von einer Folie (10) gebildet ist, die durch ein Metallgitter (9) verstärkt ist.
2. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Folie (10) mit dem Metallgitter (9) auf geeignete Weise fest verbunden ist.
3. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Folie (10) sich auf das Metallgitter (9) abstützt und durch den Differenzdruck zwischen Katholyt- und Anolytraum in ihrer Lage gehalten ist.
4. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung zwischen Kathode (3), Anode (2) und Trennwand (7) lösbar ist und jedes Teil für sich ohne Beschädigung austauschbar und erneuerbar ist.
5. Bipolarelektrode nach Anspruch 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennwand (1) mit einer ausreichenden Zahl von gas- und flüssigkeitsdichten Durchführungen versehen ist, in denen Anode (2) und Kathode (3) miteinander stromleitend verbunden sind.
6. Bipolarelektrode nach Anspruch 1, 4 und 5 für die Alkalimetallchlorid-Elektrolyse, gekennzeichnet dadurch, daß das Metallgitter (9) aus Titan-Streckmetall geeigneter Maschenweite besteht.
Applications Claiming Priority (2)
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| DE19792940120 DE2940120A1 (de) | 1979-10-01 | 1979-10-01 | Zusammengesetzte bipolarelektrode fuer die alkalimetallchlorid-elektrolyse u.a. elektrolyseprozesse |
| DE2940120 | 1979-10-01 |
Publications (1)
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| EP0045743A1 true EP0045743A1 (de) | 1982-02-17 |
Family
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Family Applications (1)
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Country Status (4)
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- 1980-09-22 WO PCT/DE1980/000140 patent/WO1981000864A1/de unknown
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1981
- 1981-05-15 NO NO811674A patent/NO811674L/no unknown
Non-Patent Citations (1)
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| See references of WO8100864A1 * |
Also Published As
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| WO1981000864A1 (en) | 1981-04-02 |
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Effective date: 19820413 |
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Inventor name: WILL, HARALD Inventor name: KLEIN, KURT Inventor name: HAUSMANN, EDGAR |