EP0189535B1 - Elektrolyseapparat - Google Patents
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- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
- C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
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- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
Definitions
- the invention relates to an electrolysis apparatus for producing chlorine from aqueous alkali halide solution, which has a plurality of electrolysis cells, each consisting of a housing made of two half-shells, the housing has devices for supplying the electrolysis current and the electrolysis input materials and devices for discharging the electrolysis current and the electrolysis products, anode and cathode have a plurality of breakthrough sections and breakthrough-free sections in a parallel arrangement, the anode and cathode are arranged separated from one another by a dividing wall, and the half-shells in half-box form consist of electrically conductive material.
- an electrolysis apparatus which consists of several electrolysis cells.
- Each electrolysis cell has a housing that consists of two half-shells, which has the usual facilities for the supply and discharge of the input and output materials and the introduction and discharge of the electrolysis current.
- Anode and cathode are separated from each other by a non-metallic partition, a so-called membrane.
- the half-shells are made of a non-conductive material.
- the current supply from the current leads of the cell to the anode and from the cathode to the anode of the neighboring cell is punctiform, i.e. there is a star-shaped current distribution at the anode or cathode.
- This type of current distribution is disadvantageous with regard to the loss of voltage in each electrolysis cell.
- high current densities occur at individual points on the power line due to the local concentration of the current flow.
- the object of the invention is to create an electrolysis apparatus which avoids a concentration of current and which has an advantageous current distribution in the electrolysis cell.
- the cathodes can be made of iron, cobalt, nickel or chromium or one of their alloys, and the anodes can be made of titanium, niobium or tantalum or an alloy of these metals or of a metal or oxide ceramic material.
- the anodes are provided with an electrically conductive, catalytically active coating which contains metals of the compounds of the group of platinum metals. Due to the shape of the electrodes, which consist of perforated material such as perforated sheet metal, expanded metal, wattle or structures made of thin sheets with blind-like openings, and their arrangement in the electrolysis cell, the gases formed during the electrolysis can easily enter the space behind the electrodes. With this gas discharge from the electrode gap achieved is a reduction in the gas S tandes blasenwidef between the electrodes and thus a reduction of the cell voltage.
- the half-shells can be made of iron, iron alloys, cast iron or anode material, whereby care must be taken that the half-shell on the anode side is made of a chlorine-resistant material.
- the framework-like stiffeners between the half-shell and the electrode are expediently made of the same material as the electrode in question.
- the ion exchange membranes customary in chloralkali electrolysis come into consideration as the partition.
- This ion exchange membrane prevents the mixing of hydrogen and chlorine, but because of its selective permeability only allows the passage of alkali metal ions into the cathode compartment, that is, they largely prevent the passage of halide into the cathode compartment and the passage of hydroxyl ions into the anode compartment. This gives you a practically salt-free lye.
- the electrolysis apparatus can consist of an electrolysis cell but also of a large number of cells connected in series, the electrical contact of adjacent cells taking place via the electrically conductive contact strips.
- the half-shells 1 and 2 consists of the half-shells 1 and 2 with the bottoms 3 and with the contact strips 4 and 5.
- the half-shells are provided with flange-like edges, between which the membrane 7 is clamped by means of the seals 6.
- the membrane 7 can also be clamped in by other known means.
- the framework-like metallic stiffeners 8 are arranged in such a way that they are fastened, usually welded, to the bottom of the half-shell 1 or 2, and on the other hand, the electrode as an anode 9 or cathode on the opposite side 10 wear ..
- the electrodes are designed so that both the electrolysis input product and the output products can flow or flow freely. Every electrolysis cell is equipped with the usual supply and discharge lines. 1 to 3, for the sake of clarity, these lines have not been shown.
- the electrolysis cells are connected in an electrically conductive manner to the adjacent electrolysis cells via the contact strips 4 and 5, respectively. From the contact strips 4, the electrical current then flows through the Half-shell bottom over the stiffeners 8 and into the anode 9. After passing through the membrane 7, the current is taken up by the cathode 10 in order to flow via the stiffeners 8 into the other half-shell bottom and then into the contact strip 5 of the same cell and from here into to cross the contact strip 4 of the next cell.
- FIG. 2 shows the width of the contact strips 4 and 5 as well as the example of the formation of the electrode 9 and 10 in the form of a blind. This shape ensures that the electrolysis liquids and products can get into and out of the electrolysis space between the electrodes unhindered.
- one or more spacers 11 may be arranged in front of the electrode, i.e. the anode 9 or cathode 10. These spacers expediently extend vertically, partially or entirely over the height of the electrode.
- the breakthrough-free sections 12 can be seen from the electrode shown in FIG. 3, it can be anode 9 or cathode 10.
- the back of these breakthrough-free sections is attached to the stiffeners 8 in an electrically conductive manner, as shown in FIG. 2.
- the contact strips 4 and 5 are arranged on the half-shell base 3. This ensures that the current transfer and the current paths from the contact strips to the electrode are as short as possible, the current density in the current-carrying parts is as low as possible and the current distribution on the electrode is optimal. Because of the construction according to the invention, the voltage loss of a cell or of an entire electrolysis apparatus is very low.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zur Herstellung von Chlor aus wässeriger Alkalihalogenidlösung, der mehrere Elektrolysezellen aufweist, die je aus einem Gehäuse aus zwei Halbschalen bestehen, das Gehäuse Einrichtungen zum Zuführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsstoffe und Einrichtungen zum Abführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseprodukte aufweist, Anode und Kathode mehrere Durchbruchs-Sektionen und durchbruchsfreie Sektionen in paralleler Anordnung aufweisen, Anode und Kathode durch eine Trennwand voneinander getrennt angeordnet sind, und die Halbschalen in Halbkastenform aus elektrisch leitendem Material bestehen.
- Nach DE-OS 2538414 ist ein Elektrolyseapparat bekannt, der aus mehreren Elektrolysezellen besteht. Jede Elektrolysezelle weist ein Gehäuse auf, das aus zwei Halbschalen besteht, die üblichen Einrichtungen hat zur Zu- und Abfuhr der Eingangs- und Ausgangsstoffe und der Ein- und Ableitung des Elektrolysestromes. Anode und Kathode sind durch eine nicht metallische Trennwand, eine sogenannte Membran, voneinander getrennt. Die Halbschalen bestehen aus einem nicht leitenden Material. Die Stromführung von den Stromzuführungen der Zelle zu der Anode und von der Kathode zu der Anode der benachbarten Zelle erfolgt punktförmig, d.h. es liegt jeweils eine sternförmige Stromverteilung an Anode bzw. Kathode vor. Diese Art der Stromverteilung ist ungünstig in bezug auf den Spannungsverlust jeder Elektrolysezelle. Darüber hinaus treten an einzelnen Stellen der Stromleitung hohe Stromdichten auf durch örtliche Konzentration des Stromflusses.
- Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, einen Elektrolyseapparat zu schaffen, der eine Stromkonzentration vermeidet und der eine vorteilhafte Stromverteilung in der Elektrolysezelle aufweist.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Elektrolysezellenkonstruktion nach den Merkmalen der Patentansprüche.
- Die Kathoden können aus Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom oder einer ihrer Legierungen, und die Anoden aus Titan, Niob oder Tantal oder einer Legierungdieser Metalle oder aus einem metall- oder oxydkeramischen Material bestehen. Darüber hinaus sind die Anoden mit einem elektrisch leitfähigen, katalytisch wirksamen Überzug versehen, der Metalle der Verbindungen der Gruppe der Platinmetalle enthält. Durch die Form der Elektroden, die aus durchbrochenem Material wie Lochblech, Streckmetall, Flechtwerk oder Konstruktionen aus dünnen Blechen mit jalousieartigen Durchbrüchen bestehen, und ihre Anordnung in der Elektrolysezelle können die bei der Elektrolyse gebildeten Gase leicht in den Raum hinter den Elektroden eintreten. Durch diesen Gasabzug aus dem Elektrodenspalterreicht man eine Verminderung des Gas- blasenwidefStandes zwischen den Elektroden und damit eine Verminderung der Zellenspannung.
- Die Halbschalen können aus Eisen, Eisenlegierungen, Gusseisen bzw. Anodenmaterial bestehen, wobei darauf zu achten ist, dass die Halbschale der Anodenseite aus einem gegen Chlor beständigen Material hergestellt wird.
- Die fachwerkähnlichen Versteifungen zwischen Halbschale und Elektrode werden zweckmässigerweise aus dem gleichen Material gefertigt wie die betreffende Elektrode.
- Als Trennwand kommen die in der Chloralkalielektrolyse üblichen lonenaustauschmembranen in Betracht. Als lonenaustauschermaterial eignet sich zum Beispiel ein Copolymerisat aus Tetrafluoräthylen und einer Perfluorvinyläthersulfonsäure.
- Diese Ionenaustauschermembran verhindert die Vermischung von Wasserstoff und Chlor, erlaubt aber wegen ihrer selektiven Permeabilität nur den Durchgang von Alkalimetallionen in den Kathodenraum, das heisst, sie verhindern weitgehend den Übergang von Halogenid in den Kathodenraum und den Durchtrittvon Hydroxylionen in den Anodenraum. Dadurch erhält man eine praktisch salzfreie Lauge.
- Der Elektrolyseapparat kann aus einer Elektrolysezelle aber auch aus einer Vielzahl hintereinandergeschalteter Zellen, wobei der elektrische Kontakt benachbarter Zellen jeweils über die elektrisch leitenden Kontaktstreifen erfolgt, bestehen.
- Dererfindungsgemässe Elektrolyseapparat wird anhand der Figuren in beispielsweiser Ausführung erläutert.
- Fig. 1: zeigt einen Schnitt durch einen Elektrolyseapparat mit 2 Elektrolysezellen
- Fig. 2: zeigt perspektivisch einen Ausschnitt aus Fig. 1
- Fig. 3: zeigt eine Elektrode in jalousieförmiger Ausführung mit durchbruchsfreien Sektionen
- Das Gehäuse einer Elektrolysezelle nach Fig. 1 besteht aus den Halbschalen 1 und 2 mit den Böden 3 und mit den Kontaktstreifen 4 bzw. 5. Die Halbschalen sind mit flanschartigen Rändern versehen, zwischen denen mittels der Dichtungen 6 die Membran 7 eingespannt wird. Die Einspannung der Membran 7 kann auch durch andere bekannte Mittel erfolgen. In den Halbschalen 1 und 2 sind die fachwerkähnlichen metallischen Versteifungen 8 derart angeordnet, dass sie einmal am Boden der Halbschale 1 bzw. 2 befestigt, in der Regel verschweisst, sind, und zum anderen auf der gegenüberliegenden Seite die Elektrode als Anode 9 bzw. Kathode 10 tragen.. Die Elektroden sind derart gestaltet, dass sowohl das Elektrolyseeingangsprodukt als auch die Ausgangsprodukte frei fliessen bzw. strömen können. Jede Elektrolysezelle ist mit den üblichen Zu- und Abfuhrleitungen ausgestattet. In den Fig. 1 bis 3 wurde der Übersicht halber auf eine Darstellung dieser Leitungen verzichtet.
- Durch die Aneinanderreihung von mehreren Elektrolysezellen in Scheibenfilterpressenbauart mittels bekannter Spannvorrichtungen. werden die Elektrolysezellen über die Kontaktstreifen 4 bzw. 5 jeweils zu benachbarten Elektrolysezellen elektrisch leitend verbunden. Von den Kontaktstreifen 4 fliesst der elektrische Strom dann durch den Halbschalenboden über die Versteifungen 8 und in die Anode 9. Nach Durchtritt durch die Membran 7 wird der Strom von der Kathode 10 aufgenommen, um über die Versteifungen 8 in den anderen Halbschalenboden und dann in den Kontaktstreifen 5 der gleichen Zelle zu fliessen und von hier in den Kontaktstreifen 4 der nächsten Zelle überzutreten.
- Aus Fig. 2 ist die Breite der Kontaktstreifen 4 bzw. 5 ersichtlich sowie die beispielsweise Ausbildung der Elektrode 9 bzw. 10 in Jalousieform. Durch diese Form wird erreicht, dass die Elektrolyseflüssigkeiten und -Produkte ungehindert in und aus dem Elektrolyseraum zwischen den Elektroden gelangen können. Je nach Erfordernis können vor der Elektrode, d.h. der Anode 9 oder Kathode 10 ein oder mehrere Distanzhalter 11 angeordnet sein. Diese Distanzhalter erstrecken sich zweckmässigerweise senkrecht, teilweise oder ganz, über die Höhe der Elektrode.
- Aus der in Fig. 3 dargestellten Elektrode, es kann Anode 9 oder Kathode 10 sein, sind die durchbruchsfreien Sektionen 12 ersichtlich. Die Rückseite dieser durchbruchsfreien Sektionen ist elektrisch leitend an den Versteifungen 8 befestigt, gemäss Fig. 2. Fluchtend zu den fachwerkähnlichen metallischen Versteifungen 8 sind am Halbschalenboden 3 die Kontaktstreifen 4 bzw. 5 angeordnet. So wird erreicht, dass der Stromübergang und die Stromwege von den Kontaktstreifen bis zur Elektrode möglichst kurz, die Stromdichte in den stromführenden Teilen möglichst gering und die Stromverteilung auf der Elektrode optimal ist. Aufgrund der erfindungsgemässen Konstruktion wird erreicht, dass der Spannungsverlust einer Zelle oder eines gesamten Elektrolyseapparates sehr gering ist.
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