DD216049A5

DD216049A5 - Elektrolysezelle

Info

Publication number: DD216049A5
Application number: DD84261151A
Authority: DD
Inventors: Keith Brattan; Ian Wardle
Original assignee: Ici Plc
Priority date: 1983-03-24
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1984-11-28
Also published as: NZ207473A; NO161180C; ES8501452A1; GB8405593D0; IN160767B; AU2581284A; GB8308187D0; IE840552L; PT78305A; ES530940A0; DE3464389D1; FI841149A7; US4648953A; FI73244B; AU561366B2; EP0120628A3; NO161180B; PT78305B; EP0120628A2; FI73244C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle des Filterpressentyps, bestehend aus einer Vielzahl von Anoden, Kathoden und Dichtungen sowie Ionenaustauschmembranen, die zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet sind, um in der Zelle eine Vielzahl von Anodenkammern und Kathodenkammern zu bilden. Die Zelle weist zwei Einlassammelrohre auf, mit denen die Beschickung der Anodenkammern der Zelle mit Elektrolyten und die Beschickung der Kathodenkammern der Zelle mit Fluessigkeiten erfolgt. Sie weist weiterhin zwei Auslassammelrohre auf, durch die aus den Anoden - und Kathodenkammern der Zelle die Elektrolyseprodukte abgezogen werden koennen. Die Zelle ist mit einer gemeinsamen Kammer in Verbindung mit jeder der Anodenkammern und/oder einer gemeinsamen Kammer in Verbindung mit jeder der Kathodenkammern versehen, wobei die gemeinsame(n) Kammer(n) mit Einrichtungen zur Rueckfuehrung der Fluessigkeiten zu den Anodenkammern und/oder den Kathodenkammern ausgestaltet ist (sind). Die gemeinsame(n) Kammer(n) stehen in Verbindung mit den Auslassammelrohren der Anodenkammern und/oder den Auslassammelrohren der Kathodenkammern.

Description

Berlin, den 2. 7. 1984 63 701/17

Elekt rolysezelle

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfin'dung betrifft eine ,Elektrolysezelle und insbesondere eine Elektrolysezelle vom Filterpressentyp. ;

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Elektrolysezallen bekannt, die eine Vielzahl von Anoden und Kathoden aufweisen, wobei jede Anode von der benachbarten Kathode durch eine Trennvorrichtung getrennt ist, die die Elektrolysezelle in eine Vielzahl von Anoden- und Kathodenkammern einteilt. Die Anödenkammern einer solchen Zelle sind mit Einrichtungen zur Beaufschlagung der Zelle mit Elektrolyten versehen, geeigneterweise ist dies ein übliches Saramelrohr, sowie mit Einrichtungen zum Entfernen von Elektrolyseprodukten aus der Zelle. In ähnlicher Weise sind die Kathodenkammern der Zelle mit Einrichtungen zum Entfernen der Elektrolyseprodukte aus der Zelle versehen und gegebenenfalls mit Einrichtungen zur Beaufschlagung der Zelle mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten-, zweckmäßig ist das ein übliches Sammelrohr. In solchen Elektrolysezellen kann die Trennvorrichtung eine im wesentlichen wasserundurchlässige, ionisch selektiv durchlässige (permselektive) Membran sein, beispielsweise eine Kationen-pennselektive Membran.

Elektrolysezellen vom Filterpressentyp können aus einer großen Anzahl alternierender Anoden und Kathoden bestehen, beispielsweise 50 Anoden abwechselnd mit 50 Kathoden, obgleich

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die Zelle noch weitere Anoden und Kathoden enthalten kann, beispielsweise bis zu 150 alternierende Anoden und Kathoden.

Ih den letzten Oahren sind Elektrolysezellen vom Filterpressen-Membrantyp für die Verwendung bei der.Herstellung von Chlor und wäßriger Alkalimetallhydroxidlösung mittels Elektrolyse einer wäßrigen Alkaliraetallchloridlösung entwickelt worden. Wenn eine wäßrige Alkalimetallchloridlösung in einer Elektrolysezelle des Membrantyps elektrolysiert wird, wird die Lösung in die Anodenkammern der Zelle eingebracht und das bei der Elektrolyse anfallende Chlor und die erschöpfte Alkalimetallchloridlösung aus den Anodenkammern abgezogen, Alkalimetallionen werden durch die Membranen zu den Kathodenkammern der Zellen transportiert, in die Wasser oder verdünnte Alkalimetallhydroxidlösung eingebracht wird, und bei der Reaktion von Alkalimetallionen mit Hydroxylionen anfallender Wasserstoff und die Alkalimetallhydroxidlösung werden aus den Kathodenkammern der Zelle entfernt.

In derartigen elektrolytischen Zellen des Filterpressentyps kann der Elektrolyt aus einem üblichen Sammelrohr den einzelnen Anodenkammern der Zelle zugeführt werden, und auf die gleiche Weise kann Wasser oder verdünnte Alkalimetallhydroxidlösung den einzelnen Kathodenkammern der Zelle zugeführt werden. Die Elektrolyseprodukte können aus den einzelnen Anoden- und Kathodenkammern der Zelle durch Zuführung der Produkte zu üblichen Sammelrohren abgezogen werden. Die Beschickungseinrichtungen für Elektrolyten und Wasser oder verdünnte Alkaliraetallhydroxidlösung und die Abzugseinrichtungen für die Elektrolyseprodukte können separate Rohrleitungen sein, die von separaten Sammelrohren zu jeder Anoden- und Kathodenkammer der Elektrolytzelle führen. Alternativ dazu kann die Elektrolytzelle von einer Vielzahl von Anodenplatten, Kathodenplatten und Dichtungen bestehen, wobei die Dichtungen

zwischen den benachbarten Anodenplatten und Kathodenplatten angeordnet sind, oder die Anodenplatten und die Kathodenplatten sind in den Dichtungen angeordnet, beispielsweise in darin befindlichen Vertiefungen, und die Dichtungen sowie gegebenenfalls die Anoden- und Kathodenplatten bilden eine Vielzahl von öffnungen darin, die in der Zelle zusammen eine Vielzahl von längs in der Zelle verlaufenden Kanälen bilden, die als Saramelrohre dienen. In einer solchen Zelle können die Einrichtungen für die Beschickung mit dem Elektrolyten und die Entfernung der Elektrolyseprodukte Wege in den Wänden der Dichtungen sein und/oder in den Anoden- oder Kathodenplatten, die die Sammelrohre mit den Anoden- und Kathodenkammern der Elektrolytzelle verbinden.

Elektrolytzellen dieses letztgenannten Typs sind beispielsweise in der GB-PS 1595 183 beschrieben, die Elektrolytzellen vom Membrantyp betrifft.

In Elektrolytzellen und insbesondere Elektrolytzellen des Filterpressentyps, die eine Vielzahl von einzelnen Anoden- und Kathodenkamjnern enthalten, ist es erwünscht, daß die Fließrate an Elektrolyten zu jeder Anodenkammer im wesentlichen die gleiche ist, um eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten vom Sammelrohr zu den Anodenkammern zu gewährleisten. Falls unterschiedliche Fließraten an Elektrolyten aus dem Sammelrohr zu den Anodenkammern auftreten, kann die durchschnittliche Konzentration des Elektrolyten und die Temperatur des Elektrolyten von Anodenkammer zu Anödenkammer unterschiedlich sein mit der Konsequenz, daß für den Wirkungsgrad der Arbeitsweise der Elektrolytzelle abträgliche Nebenwirkungen auftreten können. In ähnlicher Weise ist es wünschenswert, daß eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeiten in den Kathodenkammern der Zellen erfolgt und daß somit nur ein geringer oder kein Konzentrationsunterschied der

Flüssigkeiten und der Temperatur dieser in den Kathodenkammern der Zelle auftritt,

Ziel der Erfindung

•Ziel der Erfindung ist es , die Mängel in'den bekannten Elek-

. ' ' . -j . ' trolysezellen zu vermeiden,.

Darlegung des Wesens der Erfindung .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Elektrolysezelle zu schaffen, die mit Einrichtungen zur Unterstützung der Beibehaltung einer gleichmäßigen Verteilung von'Flüssigkeiten zu den Anodenkammern und/oder zu den Kathodenkammern der Elektrolysezelle versehen ist;

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Elektrolysezelle des Filterpressentyps, versehen mit einer Vieizahl von Anoden, Kathoden und Dichtungen eines elektrisch isolierenden Materials, bei der die Anoden und Kathoden in alternierender Weise angeordnet sind und bei der eine Ionenaustauschmembran zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet ist, um in der Zelle eine Vielzahl von Anodenkammern und Kathodenkammern zu bilden» Die Zelle hat zwei Einlaßsammelrohre, von denen entsprechend Elektrolyt zu den Anodenkammern der Zelle geleitet werden kann und über die Flüssigkeiten zu den Kathödenkammern der Zelle geführt werden können, sowie zwei Auslaßsammeirohre, über die entsprechend Elektrolyseprodukte aus den Anodenkammern und Kathodenkammern der Zelle abgezogen werden können. Die ZelTe ist dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer gemeinsamen Kammer _v in Verbindung mit jeder der Anodenkamraern und/oder einer gemeinsamen Kammer in Verbindung mit jeder der Kathodenkammern versehen ist, wobei die genannte(n) gemeinsame(n) Kammer(n)

mit Einrichtungen zur Rückführung von Flüssigkeiten zu den Anodenkammern und/oder zu den Kathodenkammern versehen ist (sind), und die gemeinsame(n) Kammer(n) in Verbindung mit den Auslaßsammeirohren von den Anödenkammern und/oder den Auslaßsammeirohren von den Kathodenkammern steht (stehen).

Die Anoden und Kathoden sind bei einer Elektrolytzelle des. Filterpressentyps im allgemeinen Platten, und die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Anodenplatten und Kathodenplatten beschrieben.

In der Elektrolytzelle stehen die Anodenkammern in Verbindung mit einem Einlaßsammelrohr und mit einem Auslaßsamraelrohr, das längs der Zelle angeordnet sein kann· In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrolytzelle ist jedes dieser Sammelrohre durch öffnungen in den Dichtungen gebildet und gegebenenfalls in den Anodenplatten und Kathodenplatten, wobei die öffnungen zusammen die Sammelrohre bilden« Die Verbindungseinrichtungen können Wege in den Wänden der Dichtungen und/oder in den Wänden der Anodenplatten sein.

In ähnlicher Weise stehen in der Elektrolytzelle die Kathodenkammern in Verbindung mit einem Einlaßsammelrohr und einem Auslaßsaramelrohr, das längs der Zelle.angeordnet sein kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrolytzelle wird jedes dieser Sammelrohre durch öffnungen in den Dichtungen gebildet und gegebenenfalls in den Anodenplatten und Kathodenplatten. Die Verbindungseinrichtungen können Durchbrüche in den Wänden der Dichtungen und/oder in den Wänden der Kathodenplatten sein. .

Bei den bekannten Elektrolytzellen des vorher beschriebenen Typs fließen die Flüssigkeiten von den Anodenkanimern und von den Kathodenkammern in die entsprechenden Auslaßsammelrohre

in Verbindung rait diesen Kammern« In diesen Sammelrohren erfolgt die Trennung von gasförmigen und flüssigen Elektrolyseprodukten. Beispielsweise erfolgt bei der Elektrolyse von wäßriger Natriumchloridlösung die Trennung von gasförmigem Chlor von erschöpfter wäßriger Natriumchloridlösung in, dem Sammelrohr, das in Verbindung mit den Anodenkammern stehti und die Trennung von Wasserstoff, von Natriumhydroxydlösung erfolgt in dem Sammelrohr, das in Verbindung mit den Kathodenkammern steht.

Die Flüssigkeiten in diesen Auslaßsaramelrohren führen zu keiner konstanten Druckhöhe der Flüssigkeiten in Verbindung mit den Anoden- und Kathodenkammern der Zelle. Ebenso sind die Flüssigkeiten in den Auslaßsamraelrohren von verschiedener Dichte, abhängig von der Anwesenheit gasförmiger Elektrolyseprodukte und von der unterschiedlichen Höhe. Tatsächlich kann der Flüssigkeitsspiegel in den Aus.laßsammelrohren unterhalb desjenigen der Flüssigkeiten in den Anodenkamtnern und/ oder in den Kathodenkammern sein. Es ist eine Funktion der gemeinsamen Kammer in Verbindung mit jeder der Anodenkammern und mit dem daraus führenden Auslaßsammeirohr sowie von der gemeinsamen Kammer in Verbindung mit jeder der Kathodenkammern und mit dem daraus führenden Auslaßsammeirohr, zu solch einer konstanten Druckhöhe der Flüssigkeiten in den Anodenkammern und/oder in den Kathodenkammern zu gelangen. Um diese Druckhöhe zu erreichen, muß die gemeinsame Kammer bzw. müssen die gemeinsamen Kammern mit Einrichtungen zur Rückführung von Flüssigkeiten zu den Anodenkammern und/oder zu den Kathodenkammern versehen werden, obgleich bei Verwendung tatsächlich nur eine geringe wenn überhaupt eine Rückführung von Flüssigkeiten stattfinden wird. Beispielsweise kann eine Verbindung zwischen einer gemeinsamen Kammer und den Anodenkammern und/oder zwischen einer gemeinsamen Kammer und den

Kathodenkammern mit Hilfe eines Paares verbindender Durchlässe zwischen einer gemeinsamen Kammer und jeder der Anodenkammern und/oder eines Paares verbindender Durchlässe zwischen einer gemeinsamen Kammer und jeder der Kathodenkamraern erfolgen. Die verbindenden Durchlässe können in Form von oberen und unteren Durchlässen vorliegen. Die Durchlässe können in den Wänden der Dichtungen und/oder in den Wänden der Anoden- und/oder Kathodenplatten gebildet werden. Die verbindenden Durchlässe bilden Wege, durch die Flüssigkeit zwischen oer Anodenkammer und einer gemeinsamen Kammer und zwischen der Kathodenkammer und einer getrennten gemeinsamen Kammer passieren kann, wodurch eine Drückhöhe erreicht wird, die auf die Flüssigkeiten in den Anodenkammern wirkt und eine Druckhöhe, die auf die Flüssigkeiten in den Kathodenkammern wirkt.

Wenn die Anoden und Kathoden innerhalb der Dichtungen angeordnet sind, beispielsweise in Vertiefungen in den Dichtungen, können die gemeinsamen Kammern in Verbindung mit den Anodenkammern und mit dem Auslaßsammeirohr von den Anodenkammern mit Öffnungen in den Dichtungen versehen sein, die zusammen die gemeinsame Kammer bilden. In ähnlicher Weise kann die geraeinsame Kammer in Verbindung mit den Kathodenkammern und' mit dem Auslaßsammeirohr von den Kathodenkammern mit Öffnungen in den Dichtungen versehen sein, die.zusammen die gemeinsame Kammer bilden.

Wenn Dichtungen zwischen benachbarten Anoden und Kathoden angeordnet sind, so daß die Anode von der benachbarten Kathode elektrisch isoliert ist, können die Anoden und Kathoden auch Öffnungen aufweisen, die einen Teil dar gemeinsamen Kammern bilden.

In einer alternativen Ausführungs form kann die.gemeinsame Kammer in Verbindung mit den Anodenkammern und mit dem Äuslaßsammelrohr von den Anodenkammern mit einer offenen Durchführung versehen sein, 'die im Sammelrohr angeordnet ist. In ähnlicher Weise kann die gemeinsame Kammer in Verbindung mit den Kathodenkammern und mit. dem Auslaß.sammelrohr von den Kathodenkammern mit einer offenen Durchführung versehen sein, die im Sammelrohr angeordnet ist.

In'Betrieb füllen sich die offenen Durchführungen mit Flüssigkeit und führen zu einer konstanten Flüssigkeitsdruckhöhe in den Anodenkammern und in den Kathodenkammern.

Ausf ü'hrungsbeispiel . .

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäSen Elektrolytzolle werden mit Hilfe der folgenden Zeichnungen beschrieben. Ss zeigen: ' .

Fig. 1: eine Seitenansicht einer Anode;

Fia.^:2: eine Seitenansicht einer Kathode; ' ' ,

Fig. 3: eine Perspektivansicht eines Teiles einer Elektrolytzelle einschließlich der Anoden-·und Kathoden von Fig. 1 und 2;

Fig* 4; eine Seitenansicht einer alternativen Form einer Anode ;

Fig. 5: eine Seitenansicht ainer alternativen Form einer Kathode ;

Fig.' 5:' eine 'perspektivische Ansicht eines Teils einer Eiaktrolytzelle einschließlich der Anoden und Kathoden von Fig. 4 und 5..

Unter Bezug auf Fig. 1 besteht die Anode aus einer Platte 1 mit einer zentralen Öffnung 2, die durch eine Vielzahl vertikal angeordneter Streifen 3 überbrückt ist, welche die aktive Anodenoberfläche bilden. Diese Streifen 3 sind getrennt von und liegen in einer Ebene parallel zu der Platte Eine Gruppe von Streifen ist an beiden Seiten der Platte 1 angeordnet. Die Platte 1 weist vier öffnungen 4, 5, 6, 7 auf, die in dar Zelle einen Teil eines getrennten, in der Längsrichtung angeordneten Sammelrohres bilden, um beispielsweise Elektrolyt zu den Anodenkammern zu führen, Elektrölyseprodukte aus den Anodenkammern zu entfernen, Flüssigkeit zu den Anodenkammern zu führen und Elektroiyseprodukte aus den Kathodenkammern zu entfernen. Die Anodenplatte 1 weist außerdem weitere öffnungen 8 und 9 auf, die in der Elektrolytzelle einen Teil der gemeinsamen Kammern in Verbindung mit den entsprechenden Anodenkammern und Kathodsnkammern bilden und mit Auslaßsammeirohren dafür. Die öffnung 8 steht über den Durchlaß 10 in der Wand der Anodenplatte 1 mit der öffnung 5 in Verbindung und weiterhin über die Durchlässe 11 und 12 in der Wand der Anodenplatte 1 mit der zentralen öffnung 2, die in der Elektrolytzelle einen Teil der Anodenkararaer bildet. Die Anodenplatte 1 ist außerdem mit einem Durchlaß 13 versehen, der die öffnung 4 mit der zentralen öffnung 2 und mit einem Vorsprung 14 verbindet, der über den Stromleiter 15 seinerseits mit der Sammelschiene verbunden ist.

Hinsichtlich der Fig. 2 besteht die Kathode aus einer Platte 16 mit einer zentralen öffnung 17, die durch eine Vielzahl vertikal angeordneter Streifen 18 überbrückt wird, die die aktive Kathodenoberfläche bilden. Diese Streifen 18 sind von der Platte 16 getrennt und liegen in einer Ebene parallel zu der Platte. Eine Gruppe von Streifen ist an beiden Seiten der Platte 16 angeordnet. Die Platte 16 weist vier öffnungen

- - β ο

19, 20, 21, 22 auf, die in der Zelle einen Teil des separaten, längs angeordneten Sammelrohres für,Flüssigkeiten zur Beschickung der Kathodenkammern, von den Kathodenkammern zu entfernende Elektrolyseprodukte, Elektrolyt zur Beschickung der Anodenkammern und aus den Anodenkammern zu entfernende Elektrolyseprodukte bilden. Die Kathodenplatte 16 weist weiterhin zwei öffnungen 23, 24 auf, die in der Elektrolysezelle einen Teil der gemeinsamen Kammern in Verbindung mit den Anödenkammern und Kathodenkammern bilden und mit Auslaßsammelrohren von diesen* Die öffnung 24 steht über den Durchlaß 25 in der Wand der Kathodenplatte 16 mit der öffnung 20 in Verbindung und weiterhin über die Durchlässe 26, 27 in der Wand der Platte 16 mit der zentralen Öffnung 17, die in 'der "Elektrolysenzelle einen Teil der Kathodenkammer bildet« Die Kathodenplatte 16 ist auch mit einem Durchlaß 28 versehen, der die öffnung 19 mit der zentralen öffnung 17 verbindet und mit einem Vorsprung 29, der über einen Stromleiter

' ' , i

mit einer Sammelschiene verbunden ist«

In Fig. 3 ist ein Teil einer Elektrolysezelle gezeigt, bestehend aus zwei Kathoden, 31, 32, von denen jede ein Dichtungspaar 33, 34, und 35, 36 aus einem elastischen Material aufweist, das auf beiden Seiten der Kathode angeordnet ist. Der gezeigte Teil der Zelle besteht außerdem aus zwei Anoden 37,38, die jeweils, ein Paar Dichtungen 39, 40 und 41, 42 aus elastomere^ Material aufweisen, und die an jeder Seite der Anode angeordnet sind. Weiterhin'sind drei Jonenaustauschmerabranen 43, 44, 45 zusehen, wobei eine Membran zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet ist. Die Grenzen einer Anodenkammsr werden durch die Membranen 43 und 44 gebildet, und die Grenzen einer Kathodenkammer werden durch die Membranen 44 und 45 gebildet. Die Elektrolysezelle ist außerdem mit nicht gezeigten Endplatten und mit ebenfalls

nicht gezeigten Einrichtungen zur Flüssigkeitsbeschickung für die Sammelrohre versehen sowie zur Entfernung von Elektrolyseprodukten aus den Sammelrohren.

Die Arbeitsweise der Elektrolytzelle wird beschrieben unter Bezugnahme auf die in Fig. 1 und 2 dargestellten Anoden und Kathoden, . '

In Fig. 1 wird ein Elektrolyt, beispielsweise wäßrige Alkalimetallchloridlösung zum Sammelrohr geleitet, von dem die Öffnung 4 in der Anodenplatte 1 einen Teil bildet, und der Elektrolyt gelangt durch den Durchlaß 13 in die Anodenkammer der Zelle, von der die Öffnung 2 in der Anodenplatte 1 einen Teil bildet. Gasförmige und flüssige Elektrolyseprodukte fließen aus der Anodenkammer durch den Durchlaß 11, und das flüssige Produkt füllt die gemeinsame Kammer, von der die Öffnung 8 einen Teil bildet. Das gasförmige Elektrolyseprodukt gelangt durch den Durchlaß 10 in das Saramelrohr, von dem die Öffnung 5 einen Teil bildet, und verläßt dann die Zelle. Das flüssige Elektrolyseprodukt fließt außerdem durch den Durchlaß 10 in das Sammelrohr, von dem die Öffnung 5 einen Teil bildet, und verläßt dann die Zelle. Das flüssige Produkt in der gemeinsamen Kammer, von der die Öffnung S einen Teil bildet, sichert, daß eine konstante Flüssigkeitshöhe durch die Durchlässe 12 in allen Anodenplatten aufrechterhalten wird, die mit den Anodenkammern der Zelle in Verbindung stehen. Flüssige Elektrolyseprodukte zirkulieren auch zwischen der Anodenkammer und der gemeinsamen Kammer, von der die Öffnung 8 einen Teil durch die Durchlässe 11 und 12 bildet.

In Fig. 2 wird eine Flüssigkeit, zum 3eispial Wasser oder verdünnte Alkalimetallhydroxidlösung dem Sammelrohr zugeführt, von dem die Öffnung 19 in der der Kathodenplatte

einen Teil bildet, und die Flüssigkeit gelangt durch den Durchlaß 28 in die Kathodenkaramer der Zelle, von der die Öffnung 17 in der Kathodenplatte 16 einen Teil bildet. Gasförmige und flüssige Elektrolyseprodukte fließen aus der Kathodenkammer durch den Durchlaß 26, wobei die flüssigen Produkte die gemeinsame Kammer auffüllen von der die öffnung 24 einen Teil bildet, und die gasförmigen Elektrolyseprodukte gelangen durch den Durchlaß 25 in das Sararaelrohr, von dem die öffnung 20 einen Teil bildet, und verlassen dann die Zelle. Das flüssige Elektrolyseprodukt fließt durch den Durchlaß 25 in das Sammelrohr, von dem die öffnung 20 einen Teil bildet, und verläßt dann die Zelle. Das flüssige Produkt in der gemeinsamen. Kammer, von dem die öffnung 24 einen Teil bildet, sichert, daß eine konstante Flüssigkeitshöhe durch die Durchlässe 27. in all den Kathodenplatten aufrechterhalten wird, die in Verbindung mit den Käthodenkammern der Zelle stehen. Flüssige Elektrolyseprodukte zirkulieren auch zwischen der Kathodenkammer und der Kammer, von der die Öffnung 24 einen Teil bildet, durch die Durchlässe 26 und 27.

Es wird nun die in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigte Ausführungsform besehrieben. .

In Fig. 4 besteht die Anode aus einer Platte 46 mit einer Zentralöffnung 47, die durch eine Vielzahl vertikal angeordneter Streifen 48 überbrückt wird, die die aktive Anodenoberfläche bilden. Diese Streifen 48 sind von der Platte 46 getrennt und liegen in einer Ebene parallel mit der der Platte. Eine Gruppe von Streifen ist an beiden Seiten der Platte 46 angeordnet. Die Platte 46-weist vier öffnungen 49, 50, 51, auf, die in der Zelle einen Teil eines separaten, längs verlaufenden Sammelrohres für Elektrolyten bilden zur Beschickung der Anodenkammern, aus den Anodenkammern abzuziehende Elektrolysenprodukte, Flüssigkeit für die Beschickung der Kathoden-

kammern und aus den Kathodenkammern abzuziehende Elektrolysenprodukte. Die Platte 46 weist außerdem einen Durchlaß in ihrer Wand zwischen der öffnung 49 und der zentralen öffnung 47 auf, sowie Durchlässe 54, 55 zwischen der zentralen öffnung 47 und der öffnung 50. In der öffnung 50, die einen Teil des Sammelrohres bildet, durch welches Elektrolyseprodukte aus den Anodenkammern abgezogen werden, ist eine offene Durchführung 56 angeordnet, die sich-der Länge nach über die ganze Zelle erstreckt.' Die Durchführung 56 weist eine Lippe 57 und eine Lippe 58 auf. Die Anode 46 ist außerdem mit einem Vorsprung 59 versehen, der über den Stromleiter 60 mit einer Sammelschiene verbunden ist.

In Fig. 5 besteht die Kathode aus einer Platte 61 mit einer zentralen Öffnung 62, die durch eine Vielzahl von vertikal. angeordneten Streifen 63 überbrückt ist, die die aktive Kathodenoberfläche bilden. Diese Streifen 63 sind getrennt von der Platte und liegen in einer Ebene parallel zu der der Platte. Eine Gruppe von Str-sifen ist an beiden Seiten der Platte 61 angeordnet. Die Platte 61 weist vier öffnungen 64, 65, 66, 67 auf, die in der Zelle einen Teil des separaten längs angeordneten Sammslrohres für Flüssigkeiten bilden, zur Beschikkung der Kathodenkammern, aus den Kathodenkammern abzuziehende Elektrölysenprodukte, Elektrolyten für die Anodenkammern und aus den Anodenkammern abzuziehende Elektrolyseprodukts. Die Platte 61 weist außerdem einen Durchlaß 68·in ihrer Wand zwischen der öffnung 64 und der zentralen öffnung 62 auf sowie Durchlässe 69, 70 zwischen der zentralen Öffnung 62 und der öffnung 65. In der öffnung 65, die einen Teil des Sammelrohres bildet, durch das Produkte aus den Kathodenkaramern entfernt wird, ist eine offene Durchführung 71 angeordnet, die sich der Länge nach über die'Gesamtheit der Zelle erstreckt. Die Durchführung weist eine Lippe 72 und eins Lippe 73 auf. Die

Kathode 61 ist außerdem mit einem Vorsprung 74 versehen, der über einen Stromleiter 75 mit einer Sammelschiene verbunden ist.

In Fig« 6 ist ein Teil einer Elektrolytzelle gezeigt* bestehend aus zwei Kathoden 76_f 77, von denen jede· ein Paar Dich-r tungen 78, 79 und 80, 81 aus elastomerem Material aufweist, das an beiden Seiten der Kathode angeordnet ist. Der gezeigte ,Teil der Zelle weist außerdem zwei Anoden 82, 83 auf, von denen jede ein Paar Dichtungen 84, 85 und 86, 87 aus elastomerem Material¹ besitzt, das an beiden Seiten der Zelle angeordnet ist. Weiterhin sind drei Ionenaustauschmembranen 88, 89, 90 zu sehen, wobei eine Membran jeweils zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet ist. Die Grenzen einer Anodenkammer werden durch die Membranen 88 und 89 gebildet, und die Grenzen einer Kathodenkammer werden durch die Membranen 89 und 90 gebildet, Die Elektrolytzelle hat darüberhinaus Endplatten (nicht gezeigt) und ebenfalls nicht gezeigte Einrichtungen zur Beschickung der Sammelrohre mit Flüssigkeiten 6nd zur Entfernung der Elektrolyseprodukte aus den Sammelrohren,

In der Ausführungsform von Fig* 6 sind auch zwei Durchführungen 91, 92 gezeigt, die über die Länge der Zelle angeordnet sind. ' ., ' - ' '

Die Arbeitsweise der Elektrolytzelle wird unter Bezugnahme auf die in Fig. 4 und 5 erläuterten Anoden und Kathoden beschrieben. . ,

In Fig. 4 wird der Elektrolyt, beispielsweise wäßrige Alkalimatallchioridlösung dem Sammelrohr zugeführt, dessen Öffnung 49' in der Anodenpla.tte 46 einen Teil desselben bildet, und der Elektrolyt gelangt durch den Durchlaß 53 in die Anoden-

kammer der Zelle, wo die öffnung 47 in der Anodenplatte 46 einen Teil derselben bildet. Gasförmige und flüssige Elektro-.. lyseprodukte fließen aus der Anodenkammer durch den Durchlaß 54 ab, und das flüssige Produkt füllt den Raum zwischen der Durchführung 56 und der Wand der öffnung 50 aus. Gasförmige El'sktrolyssprodukte trennen sich ab und verlassen eventuell die Zelle. Das flüssige Produkt strcat über die Lippe 58 in die Durchführung 56 hinein und verläßt die Zelle. Die Flüssigkeit kann durch den Durchlaß 55 in die Anodenkammer zurückgeleitet werden, wo die öffnung 47 in der Anodenplatte 46 einen Teil derselben bildet. Die Flüssigkeit in der Durchführung 56 im Sammelrohr, von dem die öffnung 50 einen Teil bildet, sichert durch die Druchlässe 55 in allen Anodenplatten, daß in allen Anodenkammern eine konstante Flüssigkeitshöhe aufrechterhalten wird.

In Fig. 5 wird Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Alkalimetallhydroxidlösung dem Sammelrohr zugeführt, von dem die öffnung 64 in der Kathodenplatte 61 einen Teil bildet, und die Flüssigkeit gelangt durch den Durchlaß 68 in die Kathodenkammer der Zelle hinein, von der die öffnung 62 in der Kathodenplatte 61 einen Teil bildet. Gasförmige und flüssige Elektrolyseprodukte fließen aus der Kathodenkammer durch den Durchlaß 69 heraus, und das flüssige Produkt füllt den Raum zwischen der Durchführung 71 und der Wand der öffnung 65 aus. Gasförmige Elektrolyseprodukte werden abgetrennt und verlassen eventuell die Zelle. Das flüssige Elektrolyseprodukt strömt über die Lippe 73 in'die Durchführung 71 hinein und verläßt die Zelle. Die Flüssigkeit kann durch den Durchlaß zur Kathodenkammer zurückgeführt werden, von der die Öffnung 62 in der Kathodenplatte 61 einen Teil bildet. Die Flüssigkeit in der Durchführung 71 im Sammelrohr, von der die öffnung 65 einen Teil bildet, sichert, daß in .allen Kathoden-

kammern der Zelle durch die Durchlässe 70 in allen Kathodenplatten eine konstante Flüssigkeitshöhe aufrechterhalten

wird. .'",'. ·

Flüssigkeitsundurchlässige Ionenaustauschmembranen sind aus dem Stand der Technik bekannt und sind vorzugsweise Fluorenthaltende polymere Materialien ι die anionische Gruppen enthalten. Die polymeren Materialien sind vorzugsweise Fluorkohlenstoffe mit sich wiederholenden Gruppen

< ^Cm^F2m )_M . ^Und. < ^CF2 " f h

worin m einen Wert von 2 bis 10 darstellt und vorzugsweise ist. Das Verhältnis von M zu N ist vorzugsweise ein solches,

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daß sich eine Äquivalenzmasse der Gruppen X im Bereich von 500 bis 2000 ergibt. X ist ,ausgewählt unter A oder (OCF₂-CF) A worin ρ einen Wert von beispielsweise 1 bis 3 2 ..-,.· ' ' ^: '

darstellt, Z Fluor oder Perfluoralkyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ist und A eine unter folgenden Gruppen.ausgewähl te Gruppe ist: _: . ;

- SO₃H ' \ ' .

- CF₂SO₃H .

- CCl₂SO₃H

- X¹SO₃H

- PO₃H₂ '

- COOH und -X¹OH

oder Derivate dieser Gruppen, Dabei ist X eine Arylgruppe Vorzugsweise stellt Ä die Gruppe SO-,H oder -COOH dar.

Die Elektrolysezelle besteht aus einer Vielzahl von Dichtungen aus elektrisch nicht leitendem Material, das jede Anode von den benachbarten Kathoden isoliert. Bei der Dichtung ist Flexibilität und vorzugsweise Elastizität erwünscht, und sie sollte gegen den Elektrolyten und die Elektrolyseprodukte widerstandsfähig sein. Die Dichtung kann aus organischen'Polymeren hergestellt sein, beispielsweise aus einem Olefin, ζ. B. Polyethylen oder Polypropylen ; aus einem Kohlenwasserstoff elastomeren, z. B« einem Elastomer, das auf Ethylen-Propylen-Copolymeren oder Ethylen-Propylen-Dien-Copolymeren, Naturkautschuk oder Styrol-Butadien-Kautschuk basiert; oder aus einem chlorierten Kohlenwasserstoff, z. B. Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenchlorid.

In einer Elektrolysezelle für die Elektrolyse von wäßriger Alkalimetallchloridlösung kann das Material der Dichtung ein fluoriertes polymeres Material, zum Beispiel Polytetrafluorethylen, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid od,er ein Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolytneres oder ein Substrat mit einer äußeren Schicht eines solchen fluorierten polymeren Materials sein.

In der Elektrolysezelle kann die Dichtung eine zentrale öffnung aufweisen, die durch einen rahmenähnlichen Ausschnitt definiert ist, der in der Zelle einen Teil der Anodenkammer darstellt und öffnungen in dem rahmenähnlichen Ausschnitt, die in der Zelle einen Teil der längs verlaufenden Kanäle bilden, die die Sammelrohre bilden»

Die Anode kann metallisch sein, und die Art des Metalls hängt von der Art des Elektrolyten ab, der in der Elektrolytzslle elektrolysiert wird. Ein bevorzugtes Metall ist ein filmbildendes Metall, insbesondere wenn eine wäßrige Lösung eines Alkalimetallchloride in der Zelle alektrolysiert wird.

Das filmbildende Metall kann eines der Metalle Titan, Zirkonium, Niob, Tantal oder Wolfram sein oder eine Legierung, die prinzipiell aus einem oder mehreren dieser ,Metalle besteht und anodische Polarisatiohseigenschaften aufweist, die mit denen des reinen Metalls vergleichbar sind. Vorzugsweise wird Titan allein verwendet oder eine auf Titan basierende Legierung, die Polarisationseigenschaften aufweist, die mit denen von Titan vergleichbar sind.

Die Anode weist einen zentralen Anodenteil auf und, wenn sie öffnungen hat,, die in.der Zelle einen Teil der längs verlaufenden Kanäle bilden, die die Sammelrohre darstellen, sind diese öffnungen an einer Stelle, die mit der Stelle der öffnungen in den Dichtungen übereinstimmt. Alternativ dazu können derartige öffnungen in der Anode auch nicht vorhanden sein, und die Anode kann innerhalb einer Dichtung angeordnet sein, beispielsweise in einer Vertiefung in einer Dichtung.

Der Anodenteil kann eine Vielzahl von länglichen Gliedern aufweisen, dip vorzugsweise vertikal angeordnet sind, beispielsweise in Form einer Dalousie oder als Streifen, oder er kann eine durchlöcherte Oberfläche wie ein Sieb;·Streck-· metall' oder eine perforierte Oberfläche haben. Der Anodenausschnitt kann ein Paar durchlöcherte Oberflächen aufweisen, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Der Anodenteil der Anode kann mit einem Oberzug aus einem elektrisch leitenden, elektrokätalytisch wirksamen Material versehen sein. Insbesondere dann, wenn eine wäßrige Lösung eines Alkalimetallchlorids elektrolysiert wird, kann dieser Oberzug beispielsweise aus einem oder mehreren Metallen der Platingruppe bestehen, also Platin, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Osmium und Palladium, oder aus Legierungen dieser Metalle und/oder einem Oxid oder Oxiden davon. Der Oberzug

kann aus einem oder mehreren der Metalle der Platingruppe und/ oder Oxiden davon im Gemisch mit einem oder mehreren Nicht-Edelmetalloxiden , insbesondere einem filmbildenden Metalloxid bestehen. Besonders geeignete elektrokatalytisch wirksame Überzüge sind aus Platin selbst und jenen, die auf Rutheniumdioxid/Titandioxid, Rutheniümdioxid/Zinndioxxd und Rutheniumdioxid/Zinndioxid/Titandioxid basieren. '

Derartige Oberzüge und Anwendungsverfahren derselben sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Die Kathode kann metallisch sein, und die Art des Metalls hängt auch von der Art des in der Elektrolysezelle zu elektrolysierencien Elektrolyten ab. Wo eine wäßrige Lösung eines Alkalimetallchlorids zu elektrolysieren ist, kann die Kathode beispielsweise aus Stahl» Kupfer, Nickel oder Kupfer- oder ' Nickel-überzogenem Stahl bestehen.

Die Kathode kann einen zentralen Kathodenteil haben und, wo öffnungen vorhanden sind, die in der Zelle einen Teil der längs verlaufenden Kanäle bilden, die die Sammelrohre darstellen, befinden sich diese öffnungen an einer Stelle, die mit den Stellen der öffnungen in den Dichtungen übereinstimmen« Alternativ dazu brauchen solche öffnungen in der Kathode nicht vorhanden zu sein, und die Kathode kann mit einer Dichtung angeordnet sein, zum Beispiel irr einer Vertiefung der Dichtung.

Der Kathodenteil kann eine Vielzahl von länglichen Gliedern haben, die vorzugsweise vertikal angeordnet sind, beispielsweise in Form einer Jalousie oder als Streifen, oder er kann eine durchlöcherte Oberfläche wie ein Sieb, ein Streckmetall oder eine perforierte Oberfläche aufweisen. Der Kathodenteil kann aus einem Paar durchlöcherter Oberflächen bestehen.

die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Der Kathodenteil der Kathodenplatte kann mit einem Oberzug aus einem Material versehen sein, das die Wasserstoffüberspannung an der Kathode vermindert, wenn die Elektrolysezelle bei der Elektrolyse einer wäßrigen Alkaliraetallchloridlösung eingesetzt Wird* Derartige Überzüge sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Die Anoden und Kathoden sind mit Einrichtungen für das Anlegen einer Stromquelle versehen* Beispielsweise haben sie Verlängerungen» die für das Anlegen einer entsprechenden Sammelschiene geeignet sind.

Es ist erwünscht, daß sowohl die Anoden als auch die Kathoden flexibel und daß sie vorzugsweise elastisch sind, da Flexibilität und Elastizität die Herstellung eines dichten Verschlusses unterstützen, wenn sie in einer Elektrolysezelle angeordnet sind» · ' ,. ,

Die Stärke (Dicke) der Anoden und Kathoden liegt geeigneterweise im Bereich, von 0,5 mm bis zu 3 ram.

Die Elektrolysezelle kann eine monopolare oder eine bipolare Zeile s.ein. In einer monopolaren Zelle ist eine Ionenaustauschmembran zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet. In einer bipolaren Zelle ist eine lonenaustauschraembran zwischen einer Anode einer bipolaren Elektrode und * einer Kathode einer benachbarten bipolaren Elektrode angeordnet. Im Falle der monopolaren Zelle ist es bevorzugt/ daß die-Dimensionen der Anoden und Kathoden in Richtung des Strom- ; flusses derart sind, daß sich kurze Stromwege ergeben, um in den Anoden und Kathoden niedrige Spannungsabfälle zu haben ohne Verwendung komplizierter ,Stromträgereinrichtungen. Eine

bevorzugte Dimension in Richtung des Stromflusses liegt im Bereich von 15 bis 60 cm.

Wo Anoden und Kathoden Öffnungen aufweisen, die in der Elektrolysezelle einen Teil des Sammelrohres bilden, ist es erforderlich zu sichern, daß die·Sammelrohre, die in Verbindung mit den Anodenkammern aer Zelle stehen, elektrisch von den Sammelrohren isoliert werden, die in Verbindung mit den Kathodenkammern der Zelle stehen. Diese elektrische Isolierung kann mit Hilfe von rahmenähnlichen Gliedern aus elektrisch isolierendem Material erreicht werden, die in die Öffnungen in den Anoden und Kathoden eingesetzt werden, "die einen Teil der Saramelrohre bilden.

Claims

Erfindungsahspruch

1. Elektrolysezelle des" Filterpressentyps, bestehend aus einer Vielzahl von Anoden» Kathoden und Dichtungen aus elektrisch isolierendem Material, wobei die Anoden und Kathoden alternierend angeordnet sind und eine Ionenaustauschmembran zwischen jeder benachbarten Anode und Kathode angeordnet ist, um in der Zelle eine Vielzahl von Anodenkammern und Kathodenkammern zu bilden, wobei die Zelle

weiterhin zwei EinlaSsammelrohre aufweist, über die ent- >.' · sprechend;Elektrolyt den Anodenkammern der Zelle zugeführt oder über die Flüssigkeiten den Kathodenkammern der Zelle zugeführt werden können* sowie/zwei Auslaßsammelrohre, über die entsprechend Elektrolyseprodukte aus den Anodenkammern und Kathodenkaramern der Zelle abgezogen werden können, /gekennzeichnet dadurch, daß die Zelle mit einer gemeinsamen Kammer in Verbindung mit jeder der Anodenkamraern ünd/oder einer gemeinsamen Kammer in Verbindung mit den Kathodenkammern ausgestattet ist, wobei die gemeinsame^) Kararaer(n) mit Einrichtungen zur Rückführung von Flüssig-

; keiten zu den Anodenkammern und/oder zu den Kathodenkammern versehen /Sind und die gemeinsame(n) Kammer(n) in Verbindung mit den Auslaßsammeirohren aus den Anodenkammern und/oder den Auslaßsaramelrohreri aus den· Kathodenkammern steht (stehen), '·.;- '·..-.

2* Elektrolysezelle nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anoden' und Kathoden Plattenform aufweisen»

3. Elektrolysezelle nach Punkt, 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Einlaßsammeirohre und Auslaßsammelrohre längs der Elektrolysezelle angeordnet sind. .

4. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Dichtungen vier öffnungen aufweisen, die zusammen die Sammelrohre oder einen Teil derselben bilden»

5. Elektrolysezelle nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Anoden und Kathoden vier öffnungen aufweisen, die zusammen einen Teil der Sammelrohre bilden«

6» Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung zwischen einer gemeinsamen Kammer und jeder der Anodenkammern über Paare von Durchlässe zwischen einer gemeinsamen Kammer und -jeder der Anodenkammern besteht.

7. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Verbindung zwischen einer gemeinsamen Kammer und jeder der Kathodenkammern über Paare von Durchlässen zwischen einer gemeinsamen Kammer und jeder der Kathodenkammern besteht. . . ·

8. Elektrolysezelle nach Punkt.6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß dis Durchlässe in Form von oberen und unteren Durchlässen vorliegen.

9. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 6 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daS die Durchlässe in ösn Wänden der Anodenplatten und/oder in den Wänden der Kathodenplatten gebildet werden.

10. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 9,- gekennzeichnet dadurch, daß die geneinsame Kammer in Verbindung mit den Anödenkammern und mit dem Auslaßsamraelrohr aus den Anodenkammern durch öffnungen in den Anoden und Katho-

den und Dichtungen bestimmt wird, die zusammen die gemeinsame Kammer bilden.

11. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die gemeinsame Kammer in Verbin- · dung mit den Kathodenkammern und mit ,dem Auslaßsammelrohr aus den Kathodenkammern durch öffnungen in den Anoden und Kathoden und Dichtungen bestimmt wird, die zusammen die geraeinsame Kammer bilden.

12. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch» daß die gemeinsame Kammer in.Verbindung mit den Anodenkammern und mit dem Auslaßsammeirohr aus den Anodenkammern,durch eine offene Durchführung in dem Sammelrohr gebildet wird. \ ' ⁱ

13. Elektrolysezelle nach einem der Punkte 1 bis 9 und 12, gekennzeichnet dadurch, daß die gemeinsame Kaminer in Verbindung mit den Kathodenkammern und mit dem Auslaßsammelrohr aus den Kathodehkamraern durch eine offene Durchführung in dem Sammelr'.ohr gebildet wird.

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen