EP1285103B1

EP1285103B1 - Bipolare mehrzweckelektrolysezelle für hohe strombelastungen

Info

Publication number: EP1285103B1
Application number: EP01960214A
Authority: EP
Inventors: Michael Gnann; Wolfgang Thiele; Gerd Heinze
Original assignee: United Initiators GmbH and Co KG
Current assignee: United Initiators GmbH and Co KG
Priority date: 2000-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: CN1197999C; ZA200208519B; US20030150717A1; RU2002132878A; NO20025397L; HK1055767A1; JP4808898B2; AU2001281770A1; WO2001086026A8; NO20025397D0; TW526289B; BR0110700A; ES2398742T3; DE10022592B4; CA2407875C; DE10022592A1; EP1285103A1; CN1427900A; US7018516B2; JP2003534452A

Description

Die Erfindung betrifft eine bipolar geschaltete Mehrzweckelektrolysezelle in hoher Bauform für vorzugsweise hohe Strombelastungen zwischen 1 und 10 kA/m² je bipolarer Einzelzelle. Sie ist bei entsprechender Anpassung der Materialien für die Elektroden und die übrigen Zellenbaugruppen an das betreffende Stoffsystem sowohl in der Umwelttechnik zum elektrochemischen Abbau von anorganischen und organischen Schadstoffen als auch in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Herstellung anorganischer und organischer Produkte einsetzbar. Eine spezielle Anwendung ergibt sich mit der Herstellung von Peroxodisulfaten und Perchloraten.
Bipolare Elektrolysezellen in Filterpressenbauart, bestehend aus einem Spannrahmen, den beiden Elektrodenrandplatten mit Stromzuführungen und einer beliebigen Anzahl bipolarer Elektrodenplatten nebst peripherer Ausrüstungen für die Zu- und Abführung der Elektrolytlösungen sowie des Kühl- bzw. Temperiermediums, sind in zahlreichen Ausführungsformen und für die unterschiedlichsten Anwendungen bekannt. Sie können ungeteilt oder mittels Ionenaustauschermembranen bzw. mikroporösen Diaphragmen in Zwei- oder Mehrkammerzellen geteilt ausgeführt werden. Die erforderlichen Elektroden- bzw. Elektrolyträume können als separate Baugruppen ausgebildet oder in die Elektrodenrandplatten bzw. in die bipolaren Elektrodenplatten integriert sein.
Gegenüber den analog aufgebauten monopolaren Elektrolysezellen in Filterpressenbauart besteht der große Vorteil der bipolaren Elektrolysezellen darin, daß die Stromzuführung nur zu den beiden Randplatten von außen herangeführt zu werden braucht, wahrend der Stromtransport in den bipolaren Einzelzellen nur von der einen Seite der Elektrodenplatte auf die andere Seite meist intern erfolgt. Größtenteils kommt man nicht mit einer einfachen bipolaren Elektrodenplatte aus, bei der Anoden- und Kathodenseite aus dem gleichen Elektrodenmaterial bestehen. Vielfach und besonders bei Mehrzweckelektrolysezellen ist es erforderlich, Anoden und Kathoden aus unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise aus Metallblechen bestehend, bereitzustellen. Diese können dann direkt oder indirekt über Kontaktkörper elektrisch leitend miteinander verbunden sein.
Eine mögliche Ausführungsform für eine solche bipolare Mehrzweckelektrolysezelle mit großem Höhen-zu Breiten-Verhältnis, welches hier notwendig ist, um den "Gas-Lift-Effekt" zur Elektrolytumwälzung zu erzielen, als Bestandteil eines vielseitig aufgebauten und anwendbaren Gas-Lift-Elektrolyse und Reaktionssystems ist in der DE 44 38 124 beschrieben. Dabei handelt es sich um eine im Hinblick auf die Nutzung des Auftriebes durch die entwickelten Gase optimierte Elektrolysezellenkonstruktion mit einer Gesamthöhe von 1,5 bis 2,5 m. Die bipolaren Elektrodenplatten bestehen aus Elektrodengrundkörpern aus imprägniertem Graphit oder aus Kunststoffen mit eingearbeiteten Zu- und Abführungen für die Elektrolytlösungen und das Kühlmedium sowie beidseitig aufgebrachten bzw. im Falle der Graphitgrundkörper auch integrierten Elektroden und Elektrolyträumen.
Dabei sind die beiden Elektroden im Falle der Graphitgrundkörper über diesen miteinander elektrisch leitend verbunden, im Falle der Kunststoffgrundkörper durch eingebrachte Kontaktelemente. Solche Kontaktelemente sind innerhalb der durch Elektrolytrahmen aus elastischem Material abgedeckten Dichtflächen angeordnet. Die Kontaktierung erfolgt durch den Anpreßdruck beim Zusammenbau.
Bei solchen innerhalb der Kunststoffgrundkörper im Bereich der Dichtrahmen angebrachten Kontaktelementen kommt es besonders bei hohen zu übertragenden Stromstärken zu Nachteilen und Risiken. So besteht die Gefahr einer Überhitzung einzelner Kontaktelemente und dadurch bedingt eines Ausfalls der gesamten bipolaren Einheit. Der vorzugsweise aus thermoplastischen Kunststoffen gefertigte Elektrodengrundkörper beginnt an den überhitzten Stellen zu erweichen, der Anpreßdruck auf die Kontakte läßt nach und es kommt zwangsläufig zu einer Überlastung der anderen Kontaktelemente. Eine weitere Folge können Schmelzen der Grundplatten, elektrische Überschläge, unkontrollierte Elektrolytaustritte und auch mögliche Explosionen der sich dann mischenden Elektrolysegase sein. Jedenfalls zieht der Ausfall einer bipolaren Einheit durch solche Kontaktschäden zwangsläufig die Außerbetriebnahme der gesamten Filterpressenzelle nach sich. Das Risiko eines solchen Ausfalls ist um so größer, je höher die Strombelastung der einzelnen Kontaktelemente ist, je niedriger der Erweichungspunkt der verwendeten Kunststoffgrundkörper und um so höher die erforderliche Elektrolyttemperatur ist.
Ein weiterer Nachteil solcher innenliegender Kontakte ist, daß bei Undichtigkeiten im Dichtsystem Elektrolyt in den Preßkontakt eintritt und dort zu unkontrollierbaren Korrosionserscheinungen führt. Diese Korrosion führt ebenfalls zum Ausfall oder Zerstörung der Elektrolysezelle.
Deshalb haben sich solche bipolaren Elektrolysezellen mit Kunststoffgrundkörpern bisher nur für niedrige bis mittlere Strombelastungen von 100 bis 1000 A und für niedrige Arbeitstemperaturen durchsetzen können.
Diese Schwierigkeiten ließen sich auch dadurch beseitigen, daß auf die Verwendung solcher Kunststoffgrundkörper verzichtet wird. Der Übergang zu einer der bekannten Ganzmetallkonstruktionen für bipolare Elektrolysezellen, z.B. mit durch Schraubverbindungen elektrisch leitend verbundenen beiden Metallelektrodenblechen bzw. kathodischen und anodischen Halbzellen zur jeweiligen bipolaren Einheiten bringt gegenüber den Ausführungen mit Kunststoffgrundkörpern aber auch eine Reihe von Nachteilen mit sich. So erfordert die Minimierung der Verlustströme zwischen den auf unterschiedlichem Spannungsniveau liegenden, durch die Elektrolytleitungen miteinander verbundenen Einzelzellen besondere Maßnahmen, da der elektrische Widerstand in den Verbindungsleitungen für die Elektrolytlösungen wesentlich geringer ist als bei Verwendung der elektrisch isolierend wirkenden Kunststoffgrundkörper mit den darin eingearbeiteten Zu- und Abführungen für die Elektrolytlösungen.
In der Vielzahl der bisher beschriebenen Elektrolysezellen lassen sich die verwendeten Elektroden normalerweise nicht als einfach zu fertigende und damit im Sinne einer Mehrzweckzelle auch leicht auswechselbare Metall-elektrodenbleche einsetzen. Sobald Kühlkanäle oder bei Verwendung durchbrochener Elektroden Elektrolytrückräume erforderlich werden, sind Schweißkonstruktionen für die oft aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien oder Materialverbunden bestehenden beiden Halbzellen einer bipolaren Einheit meist unumgänglich. Insbesondere bei hochwertigen und/oder schwer verarbeitbaren Elektrodenmaterialien ist der dafür zu betreibende apparative Aufwand relativ groß. Da der elektrische Kontakt zwischen den beiden Halbzellen der bipolaren Einheiten meist durch eine Vielzahl von Schraubverbindungen bewirkt wird, ist die Montage wesentlich aufwendiger als die der Zellenkonstruktionen, bei denen dieser Kontakt beim Zusammenspannen automatisch hergestellt werden kann. Auch erfordert der Übergang zu anderen Elektrodenmaterialien meist eine geänderte, den Materialeigenschaften angepaßte Konstruktion.
Eine Elektrolysezelle für hohe Strombelastungen in monopolarer Ausführung wird in DE- 39 38 160 beschrieben.
Die Monopolarbauweise hat den grundsätzlichen Nachteil, daß eine Vielzahl von Einzelzellen in Reihe geschaltet werden muß um in einen günstigen Spannungsbereich für die Stromtransformation zu kommen (z.B. 200 V).
Der Elektrolyt-seitige und Strom-seitige Anschluß führt zu hohen Kosten in der Ausführung.
Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Zellen liegt in der Ausführung als Hohlkörper.
Der Abtrag der aktiven Beschichtung der Anode führt dazu, daß der gesamte Anodenkörper neu gefertigt werden muß. Gleiches gilt für die Kathode.
Beim Pressen der Elektrodenhohlkörper deformieren sich diese und da sie keine innere Abstützung haben (dies wäre fertigungstechnisch extrem schwierig zu realisieren) führt dies zu einer ungenügenden Planparallelität der Elektroden. Im Extremfall kann dies zu Kurzschlüssen und damit zur Zerstörung und Explosion der Zelle führen.
Diese Probleme erhöhen sich mit zunehmender Größe der Zelle und führen dazu, daß nur relativ kleine Ausführungsformen realisiert werden die mit den geschilderten Nachteilen zu hohen Bau- und Betriebskosten führen.
Die angestrebte vielseitig einsetzbare Mehrzweckelektrolysezelle für hohe Strombelastungen läßt sich deshalb auf dieser Grundlage kaum verwirklichen.
Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, eine nach dem Filterpressenprinzip aufgebaute bipolare Mehrzweckelektrolysezelle mit Elektrodengrundkörpern aus Kunststoff bereitzustellen, bei denen eine gute und betriebssichere Kontaktierung der Metallelektrodenbleche auch bei hohen Strombelastungen unter Umgehung der dargestellten Nachteile der bekannten technischen Lösungen gewährleistet ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen dargelegte Erfindung in folgender Weise gelöst: Es werden Stromzuführungsplatten und bipolare Elektrodenplatten mit einem Höhe zu Breite-Verhältnis von 30:1 bis 1,5: 1, vorzugsweise 10:1 bis 1,5: 1, eingesetzt, bei denen die Metallelektrodenbleche und die Elektrolytdichtrahmen seitlich über die Elektrodengrundkörper aus Kunststoffen hinausragen und sowohl mit beidseitig im Abstand von 1 bis 50 mm, vorzugsweise 5 bis 50 mm von den Elektrodengrundkörpern angeordneten senkrechten Kontaktschienen als auch im Bereich der Elektrolytdichtrahmen mit den Elektrodengrundkörpern zu mechanisch stabilen, als selbständige Einheiten montierbaren, bipolaren Elektrodenplatten verbunden sind, wobei der elektrische Kontakt zwischen Elektrodenplatten und Kontaktschienen sowie die elektrische Isolierung zweier benachbarter bipolarer Einheiten gegeneinander durch die Elektrolytdichtrahmen bei gleichzeitiger Abdichtung der Elektrolyträume beim Verspannen der Elektrodenplatten mittels des Spannrahmens durch den Anpreßdruck herbeigeführt wird. Um einzeln handhabbare Zellenelemente zu erhalten, werden die Kathoden- und Anodenbleche eines Bipolarelements mit den jeweiligen Kontaktschienen ein- oder beidseitig zweckmäßig mittels Senkkopfschrauben verschraubt. Diese Verschraubung dient jedoch nur dem besseren Handling und ist nur zu einem geringen Teil für den Stromfluß verantwortlich, der erst durch den Preßkontakt optimiert wird.
Da somit der Stromkontakt durch einen Luftspalt vom Elektrolyt-führenden Zellrahmen getrennt ist, führen Undichtigkeiten im Dichtsystem nicht zum mittelfristigen Ausfall der Stromzuführung, da eventuell austretender Elektrolyt drainiert wird und dadurch solche Undichtigkeiten rechtzeitig erkannt und abgestellt werden können.
Die Metallelektrodenbleche bestehen im Falle der Anodenbleche aus Ventilmetallen vorzugsweise aus Titan, welche im elektrochemisch aktiven Bereich in bekannter Weise mit Aktivschichten aus Edelmetallen, Edelmetalloxiden, Mischoxiden von Edelmetallen und anderen Metallen sowie sonstigen Metalloxiden, wie z. B. Bleidioxid, belegt sind. Alternativ kommen als Träger solcher Aktivschichten auch andere Ventilmetalle, wie Tantal, Niob oder Zirkonium in Betracht. Aber auch verbleiter, vernickelter, verkupferter Stahl bzw. Nickelbasislegierungen, kommen für spezielle Anwendungen in Betracht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Anodenbleche eine Edelmetallauflage aus massivem Platin auf und sind erhältlich durch heißisostatisches pressen von Platinfolie und Titanblech.
Als Kathodenmaterial kommt vorzugsweise Edelstahl, Nickel, Titan, Stahl und Blei zur Anwendung. Bevorzugt kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung Kathoden aus hochlegierten Edelstählen der Werkstoff Nr. 1.4539 zum Einsatz, deren aktive Elektrodenfläche als Streckmetall ausgebildet ist und die rückseitig direkt auf dem als Stütze dienenden durchbrochenen Kathodenrahmenteil aufliegen.
Unter durchbrochenen Metallelektrodenblechen sind insbesondere solche aus Streckmetallen zu verstehen. Aber auch in anderer Weise perforierte Bleche oder Jalousieelektroden kommen in Betracht.
Als Kontaktschienen werden bevorzugt solche aus Kupfer eingesetzt, die verzinnt oder an den Kontaktflächen versilbert bzw. mit Edelmetallen beschichtet sein können. Die Strom-Kontaktflächen der Elektroden sind vorzugsweise mit gut leitenden Überzügen versehen, wie z.B. durch Galvanisieren aufgebrachte Platin-, Gold-, Silber- oder Kupferschichten. Bevorzugt sind die Kontaktschienen und die Elektrodenkontakte vergoldet bzw. platiniert und die Stromübertragung erfolgt durch den durch Verspannen des Elektrodenpaketes entstehenden Preßkontakt.
Die erfindungsgemäße konstruktive Lösung mit außerhalb der Kunststoffgrundkörper, aber noch innerhalb des Spannrahmens angeordneten Kontaktschienen wird aber erst dann auch für Elektrolysezellen großer Strombelastung und Verwendung teurer und/oder schlecht leitfähiger Elektrodenmaterialien optimal nutzbar, wenn die erfindungsgemäße hohe und schmale Bauform mit vorzugsweise 1,5 bis 3 m Höhe und einem Höhen/Breiten-Verhältnis von 10:1 bis 1,5:1 der Elektrodenplatten angewandt wird. Ähnliche Zellenabmessungen sind zwar für Gas-Lift-Zellen bereits wiederholt vorgeschlagen worden, aber dort ausschließlich mit dem Ziel einer Optimierung des Auftriebes durch die entwickelten Gase zur Erziehung eines maximalen Gas-Lift-Effektes.
Im vorliegenden Fall ergeben sich in Kombination mit der erfindungsgemäßen Kontaktierung auch bei Elektroden ohne Gasentwicklung die folgenden Vorteile: Zunächst wächst bei gleicher Breite der Kontaktschienen die verfügbare Kontaktfläche proportional zur Zellenhöhe an, wodurch sich geringere Wärmebelastungen der Kontakte ergeben. Aber auch der Stromtransport von den Kontaktflächen durch die Metallelektrodenbleche wird begünstigt, da bei gleicher wirksamer Elektrodenfläche, gleicher Dicke der Elektrodenbleche und gleicher Strombelastung der für den Stromtransport maßgebliche Querschnitt mit der Höhe der Elektrodenplatten anwächst und gleichzeitig die Weglänge für den Stromtransport mit zunehmender Höhe geringer wird. Unter diesen Randbedingungen nimmt der elektrische Widerstand und damit der Spannungsabfall in den Elektrodenblechen mit dem Quadrat der Zellenhöhe ab. Bei gleichem zulässigen Spannungsabfall können also bei den erfindungsgemäß anzuwendenden schmalen und hohen Elektrodenplatten wesentlich dünnere oder weniger elektrisch leitfähige Elektrodenbleche bzw. wesentlich höhere Strombelastungen eingesetzt werden. Dies ist besonders bei durchbrochenen Elektrodenblechen, bei denen ja eine Verringerung des Querschnitts für den Stromtransport in Kauf genommen werden muß, von großer Wichtigkeit. Auch wird im Falle der Montage des Zellenpaketes bei dünnen Blechelektroden eine evtl. Welligkeit des Bleches nach der Pressung ausgeglichen und somit eine Planparallelität der Elektrode erreicht.
Durch außen auf die Kontaktschienen aufgelötete Kupferrohre können die Kontakte mittels Kühlwasser auch bei hohen Strombelastungen auf oder unter Raumtemperatur gehalten werden. Auf diese Weise werden Erwärmungen des Zellrahmens, des Dichtsystems und der Stromkontakte und die damit verbundenen Probleme wie Verformungen und Überhitzungen vollständig vermieden.
Die Planparallelität der Elektroden zueinander ist die Voraussetzung für hohe Stromausbeuten und gleichmäßige Elektroden korrosion.
Durch die in der beschriebenen Zellenkonstruktion im Dichtrahmen frei beweglichen Elektrodenplatten (schwimmenden) führen Verspannungen und thermische Dehnungen nicht zu Verformungen und Wölbungen der Elektroden, so daß eine ausgezeichnete Parallelität erreicht wird die durch einen im Folgenden beschriebenen Unterdruck auf die Anodenrückseite, bei einer besonderen Ausführungsform, noch stabilisiert werden kann.
Schließlich spielt die Höhe der Zelle eine Rolle bei der Kühlung der hochbelasteten Kontaktschienen.
Es wurde nämlich gefunden, daß sich insbesondere bei hohen Elektrolysetemperaturen in den oben und unten offenen Spalten zwischen Kunststoffgrundkörpern und Kontaktschienen eine Luftströmung ausbildet, die eine Kühlung der Kontakte und der seitlich über die Kunststoffgrundkörper hinausragenden Metallelektrodenbleche bewirkt. Dieser Kühleffekt nimmt ebenfalls sowohl infolge des "Schornsteineffektes" als auch der sich vergrößernden "Kühlfläche" mit der Zellenhöhe deutlich zu.
Damit konnte erreicht werden, daß die Kontakte, insbesondere bei höheren Elektrolyttemperaturen bei einer erfindungsgemäß aufgebauten Bipolarzelle, eine deutlich geringere Temperatur annehmen als bei den Elektrolysezellen mit inneren Kontaktelementen, bei denen unter vergleichbaren Bedingungen an den Kontaktelementen deutlich höhere Temperaturen gemessen werden als im Zelleninneren. Ein weiterer bereits erwähnter sehr wesentlicher Vorteil des Abstandes zwischen Zellenrahmen und Kontaktsteg ist, daß damit eine Drainage eines möglicherweise in geringem Umfang austretenden Elektrolyten erfolgen kann. Dringt nämlich Elektrolyt in den Kontaktspalt ein, so entsteht Salz und der Kontakt verschlechtert sich innerhalb kürzester Zeit.
Ein wesentlicher zusätzlicher Effekt der Anodenstabilisierung wird durch das Kühlmittel erreicht.
Das auslaufende Kühlmittel wird im Niveau unter die Höhe des Einlaufs abgesetzt. Dadurch entsteht ein durch die Niveaudifferenz einstellbarer Unterdruck, der das Anodenblech auf den Kunststoffgrundkörper saugt und somit zugleich die Planparallelität verbessert und eine Vorwölbung der Anode bei Druckschwankungen in der Zelle verhindert. Durch diese Maßnahme kann ein sehr geringer Elektrodenabstand von 2 bis 4 mm und somit ein geringer Elektrolytwiderstand und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden.
Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit bei geringem Massedurchsatz wird ein hoher Stofftransport zur Anodenoberfläche erreicht, der zu einer hohen Ausbeute des Anodenproduktes führt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 a einen vereinfachten Vertikalschnitt einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit je einem durchbrochenen und einem massiven Metallelektrodenblech, letzteres von der Rückseite her gekühlt;
Fig. 1b eine Schnittansicht entlang der Linie Ib-Ib in Fig. 1 a;
Fig. 2a einen vereinfachten Vertikalschnitt einer zweiten nicht-erfindungs-gemäßen Ausführungsform mit zwei massiven Elektrodenblechen, beide von der Rückseite her gekühlt.
Fig. 2b eine Schnittansicht entlang der Linie IIb-IIb in Fig. 2a;
Fig. 3a einen vereinfachten Vertikalschnitt einer dritten nicht-erfindungsgemäße Ausführungsform mit zwei durchbrochenen Metallelektrodenblechen ohne zusätzliche Kühlung.
Fig. 3b eine Schnittansicht entlang der Linie IIIb-IIIb in Fig. 3a;
Fig. 4 einen vereinfachten Vertikalschnitt durch eine bipolare Elektrolysezelle mit drei gemäß Fig. 1 a aufgebauten bipolaren Elektrodenblechen und vereinfacht dargestelltem Spannrahmen.

Bei allen Ausführungsformn wurde auf die Wiedergabe technischer Details, wie z.B. für das Dichtsystem und die Befestigung der Elektrodenbleche und der Kontaktschienen verzichtet.
In den Figuren 1a bis 3c sind beispielhaft und schematisch drei Ausführungsformn einer geteilten bipolaren Mehrzweckelektrolysezelle in Schnittdarstellungen durch die elektrochemisch wirksamen Bereiche dargestellt, wobei die oberen Figuren Seitenansichten und die unteren Figuren Draufsichten darstellen.
Die bipolare Mehrzweckelektolysezelle, wie diese in ihrer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1a und 1b dargestellt ist, und dabei das Bezugszeichen 10 trägt, ist Teil einer nicht dargestellten Elektrolyseeinrichtung. Die bipolare Mehrzweckelektolysezelle 10 besteht aus einem Elektrodengrundkörper 12 aus Kunststoff, an dem beidseitig Metall-Elektrodenbleche oder Elektrodenplatten angebracht sind, wobei in dieser Ausführungsform das eine Elektrodenblech 14 massiv, und das andere Elektrodenblech 16 im elektrochemisch wirksamen Bereich durchbrochen ist. Der Elektrodengrundkörper 12 weist sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung im Querschnitt eine doppel-T Form auf, wodurch zwischen dem Elektrodengrundkörper 12 und den jeweiligen Elektrodenblechen 14, 16 Kanäle 18, 20 gebildet werden. Auf dem massiven Elektrodenblech 14 ist zusätzlich ein Elektrolytdichtrahmen 22 aus elastischem Material angebracht, der auf der Außenseite des massiven Elektrodenblechs 14 vom Elektrodengrundkörper 12 aus betrachtet einen weiteren Kanal 24 bildet. Dabei dient der von dem massiven Elektrodenblech 14 und dem Elektrolytdichtrahmen 22 gebildete Kanal 24, sowie der zwischen dem Elektrodengrundkörper 12 und dem durchbrochenen Elektrodenblech 16 gebildete Kanal 20, der im folgenden als Elektrodenrückraum bezeichnet wird, dazu, die Elektolytlösungen für die Elektrolyse aufzunehmen. Der zwischen dem Elektrodengrundkörper 12 und dem massiven Elektrodenblech 14 gebildete Kanal 18 dient dazu, Kühlflüssigkeit zur Kühlung des massiven Elektrodenblechs 14 sowie gegebenenfalls des Elektrodengrundkörpers 12 aufzunehmen und wird im folgeneden als Kühlraum bezeichnet.
In den Elektrodengrundkörper 12 sind Zu- und Ableitungen für die Elektrolytlösungen eingearbeitet, wobei die Zuleitungen 26 und 28 in einem unteren Mittelbereich des Elektrodengrundkörpers 12 angeordnet sind und die zugehörigen Ableitungen 30 und 32 in einem oberen Mittelbereich davon angeordnet sind. Die Zu- und Ableitungen sind über jeweilige Einlaßöffnungen 34, 36 und Auslaßöffnungen 38, 40 mit den Elektrolytkanälen 24 und 20 verbunden, durch welche die Elektolytlösungen für die Elektrolyse geleitet werden, wobei die Einlass- und Auslassöffnungen 34 und 38 für den am massiven Elektrodenblech 14 ausgebildeten Kanal 24 durch das massive Elektrodenblech 14 hindurchführen.
Wie bereits erwähnt, ist zur Kühlung des massiven Elektrodenblechs 14 zwischen dem Elektrodengrundkörper 12 und dem Elektrodenblech 14 ein
Kühlraum 18 vorgesehen, in den, bzw. durch den ein Kühlmittel, in diesem Fall Kühlwasser, über in einem unteren bzw. oberen Mittelbereich des Elektrodengrundkörpers 1 2 angeordnete Zuleitungen 42 und Ableitungen 44 sowie entsprechende Verbindungskanäle 46 und 48 geleitet bzw. gepumpt werden kann. Dabei kann natürlich auch ein "Lift-Effekt" ausgenutzt werden, wobei aber auch Kühlmittel denkbar wären, bei denen ein umgekehrter Effekt auftritt. Das durchbrochene Metallelektrodenblech benötigt keine zusätzliche Kühlung, da sie von der Elektrolytlösung ausreichend gekühlt wird und nur in Randbereichen auf dem Grundkörper aufliegt, wodurch ein Wärmestau vermieden wird.
Auf dem durchbrochenen Metallelektrodenblech 16 liegt eine lonenaustauschermembran 50 auf, die über geeignete Mittel an dem durchbrochenen Elektrodenblech 1 6 angebracht ist.
Aus der Draufsicht in Fig. 1b ist schließlich ersichtlich, daß Kontaktschienen 52 die seitlich verlängerten Metallelektrodenbleche 14 und 16 kontaktieren und zwischen den jeweiligen Kontaktschienen und dem Rand des Grundkörpers 12 Spalten 54 ausgebildet sind, welche durch die Metallelektrodenbleche seitlich begrenzt sind.
In den Fig. 2a und 2b ist eine weitere Ausführungsform gezeigt. Darin wird eine mit 110 bezeichnete Mehrzweckelektrolysezelle dargestellt, wobei Bauelemente, die solchen der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1a und 1b entsprechen, mit denselben Bezugsziffern, jeweils vermehrt um die Zahl 100, versehen sind. Es wird im folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen, so daß im übrigen auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen wird.
Während bei der ersten Ausführungsform ein massives 14 und ein durchbrochenes Elektrodenblech 16 verwendet werden, werden bei der zweiten Ausführungsform zwei massive Elektrodenbleche 114 verwendet, auf denen jeweils ein Elektrolytdichtramen 122 aufliegt. Die Einlass- und Auslassöffnungen 134, 136 und 138, 140 für die an den massiven Elektrodenblechen 114 ausgebildeten Kanäle 128 sind in dieser Ausführungsform durch beide Elektrodenbleche 114 hindurchführen.
Beidseitig des Grundkörpers 112 sind zwischen dem Grundkörper 112 und den Elektrodenblechen Kühlräume 118 vorgesehen, um die massiven Elektrodenbleche 114 zu kühlen. Die Kühlräume 118 werden wiederum über Zuleitungen 142 und Ableitungen 144 sowie entsprechende Verbindungskanäle 146 und 148 mit Kühlflüssigkeit versorgt.
Bei der Verwendung von Mehrzweckelektrolysezellen mit zwei massiven Elektrodenblechen 114, wird im eingespannten Zustand, d.h. wenn mehrere erfindungsgemäße Mehrzweckelektrolysezellen durch Spannrahmen zusammengeschlossen werden, zwischen die dann in der Mitte zwischen zwei Dichtrahmen liegende Membran und die Kathoden bzw. Anodenfläche ein sogenanntes "Spacer-gitter" eingebracht, welche das Aufliegen der Membran auf einer der Elektrodenoberflächen verhindert und einen geordne-ten Elektrolytfluß sicherstellt. Derartige Spacer werden in verschiedenen Formen für Elektrolysezwecke angeboten.
In den Fig. 3a und 3b ist eine weitere, mit 210 bezeichnete nicht-erfindungs-gemäße Mehrzweckelektrolysezelle dargestellt, wobei Bauelemente, die solchen der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1a und 1b entsprechen, mit denselben Bezugsziffern, jeweils vermehrt um die Zahl 200, versehen sind. Es wird im folgenden nur auf die Unterschiede eingegengen.
Während bei der ersten Ausführungsform ein massives 14 und ein durchbrochenes Elektrodenblech 16 verwendet wird, werden bei dieser Ausführungsform zwei durchbrochene Elektrodenbleche 216 verwendet, wobei zu deren elektrischen Isolierung zusätzlich auf einer der Elektrodenbleche ein dünner Dichtrahmen 256 angebracht ist, auf dem die lonenaustauscher-membran 250 über geeignete Mittel angebracht ist. Die lonenaustauschermembran 250 kann aber auch direkt auf einem Elektrodenblech angeordnet sein, wobei dann ein dünner Dichtrahmen auf der Membran, oder dem freien Elektrodenblech angebracht wird. Durch die ausschließliche Verwendung von durchbrochenen Elektrodenblechen sind in dieser Ausführungsform Kühlräume nicht erforderlich.
In Fig. 4 wird der Stromtransport durch eine Zelle aus drei erfindungsgemäß aufgebauten bipolaren Elektrodenplatten und den beiden Randelektrodenplatten mit beidseitiger Stromzuführung und bis zu den seitlichen Kontaktschienen verbreiterten Kunststoffgrundkörpern verdeutlicht.
Zugrundegelegt wurde die Aufbauvariante nach Fig. 1a mit einem durchbrochenen und einem massiven Metallelektrodenblech je bipolarer Elektrodenblech. Die Bezeichnungen der numerierten Bauelemente sind die gleichen wie bei Fig 1.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren 1 und 4 dargestellten konstruktiven Ausführungsformen beschränkt.

Claims

Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle für hohe Strombelastungen, bestehend aus einem Spannrahmen, zwei Elektrodenrandplatten mit Metallelektrodenblechen und Stromzuführung sowie aus bipolaren Elektrodenplatten, letztere bestehend aus:
je einem Elektrodengrundkörper (12) aus Kunststoff, mit einseitig oder beidseitig eingearbeiteten Elektrodenrückräumen (20) und/oder Kühlräumen (18), eingearbeiteten Zu- und Abführungsleitungen für die Elektrolytlösungen (26,28,30,32) und das Kühlmedium (42, 44),

beidseitig auf den Grundkörper (12) aufgebrachten Metallelektrodenblechen (14,16), die im elektrochemisch wirksamen Bereich massiv und/oder durchbrochen sind,

auf den massiven Metallelektrodenblechen (14) aufliegende Elektrolytdichtrahmen (22) aus elastischem Kunststoff,

auf den durchbrochenen Metallelektrodenblechen (16) und/oder den Elektrolytdichtrahmen (22) aufliegende Ionenaustauschermembranen (50) zur Trennung der Elektrodenräume,
dadurch gekennzeichnet,

dass die Elektrodenplatten ein Höhen zu Breiten-Verhältnis von 30:1 bis 1,5:1 aufweisen, die Metallelektrodenbleche (14,16), wobei das Eleketrodenblech (14) massiv und das andere Elektrodenblech (16) im elekterochemisch wirksamen Bereich durchbrochen ist, und die Elektrolytdichtrahmen (22) seitlich über die Elektrodengrundkörper (12) hinausragen und sowohl mit beidseitig im Abstand von 1 bis 50 mm von den Elektrodengrundkörpern (12) angeordneten senkrechten Kontaktschienen (52), als auch im Bereich der Elektrolytdichtrahmen (22) mit den Elektrodengrundkörpern (12) zu mechanisch stabilen, als selbständige Einheiten montierbaren, bipolaren Elektrodenplatten verbunden sind, wobei die elektrische Isolierung zweier benachbarter bipolarer Einheiten gegeneinander durch die Elektrolytdichtrahmen (22) bei gleichzeitiger Abdichtung der Elektrolyträume beim Verspannen der Elektrodenplatten mittels des Spannrahmens durch den Anpressdruck herbeigeführt wird, wobei die Kontaktschienen (52) die seitlich verlängerten metallelektrodenbleche (14) und (16) kontaktieren und zwischen den jeweiligen Kontaktschienen und dem Rand des Elektrodengrundkörpers (12) Spalten (54) ausgebildet sind, welche die metallelektrodenbleche seitlich begrenzen.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anodenbleche aus Ventilmetallen, vorzugsweise Titan, mit Aktivschichten aus Edelmetallen bestehen.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anodenbleche eine Edelmetallauflage aus massivem Platin, erhältlich durch heißisostatisches Pressen von Platinfolie und Titanblech aufweisen.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kathodenblechmaterial Nickel, Titan, Stahl, Edelstahl oder Blei ist.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kathodenbleche aus hochlegierten Edelstählen, z.B. solchen mit der Werkstoffnr. 1.4539, bestehen, deren aktive Elektrodenflä-chen als Streckmetall ausgebildet sind und die rückseitig direkt auf dem als Stütze dienenden, durchbrochenen Kathodenrahmenteil aufliegen.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Stromkontaktflächen der Elektroden mit gut leitenden Überzügen aus Platin, Gold, Silber oder Kupferschichten versehen sind.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktschienen aus Kupfer bestehen, welches verzinnt, vorsilbert oder mit einem Edelmetall beschichtet ist.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kontaktschienen und die Elektrodenkontakte vergoldet bzw. platiniert sind und die Stromübertragung durch den durch Verspannen des Elektrodenpaketes entstehenden Presskontakt erfolgt.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen Elektrodengrundkörpern und senkrecht stehenden Kontaktschienen ein Luftspalt von mehreren Millimetern besteht, der bei leichten Elektrolytleckagen eine Drainage erlaubt und eine Unterwanderung der Stromkontakte verhindert.
Bipolare Mehrzweckelektrolysezelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektrodenplatten eine Höhe von 1,5 bis 3 m und eine Höhen/Breitenverhältnis von 10:1 bis 1,5:1 aufweisen.