DD249050A5 - Verfahren zum herstellen eines einheitsuebertragungselementes fuer elektrischen strom fuer monopolare oder bipolare elektrochemische filter-pressen-zelleneinheiten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen und Zusammenbauen einer monopolaren oder einer bipolaren elektrochemischen Filterpressen-Zelleneinheit, die ein Uebertragungselement fuer elektrischen Strom verwendet. Das Uebertragungselement ist ein integral ausgebildetes Einheits-Strukturgussteil, das zwischen den peripheren Begrenzungen fuer einander benachbarte Elektrolyt-Kammern von zwei Zellen, die auf sich gegenueberliegenden Seiten des Uebertragungselements angeordnet sind, positioniert ist. Das Uebertragungselement enthaelt einen planaren Tragabschnitt, der Anoden- und/oder Katoden-Vorspruenge hat, welche sich nach aussen von sich gegenueberliegenden Seiten des Tragabschnitts aus erstrecken. Die Vorspruenge dienen nicht nur als mechanische Stuetze fuer jeweilige flache Plattenanoden- und/oder Katodenkomponenten, sondern sie dienen auch als Abtasthaltemittel und elektrische Stromkollektoren und -verteiler zum Sammeln und Weiterleiten von Teilstroemen von der Elektrodenkomponente einer Zelle zu der Elektrodenkomponente der naechsten Zelle. Fig. 1

Description

Diese unterschiedliche elektrische Verbindungsanordnung erzwingt, daß eine monopolare Zellenreihe noch in anderer Weise von einer bipolaren Zellenreihe unterschiedlich ist. Beispielsweise dient eine monopolare Anodeneinheit, die in dem inneren Abschnitt einer monopolaren Zellenreihe angeordnet ist, als die Anoden für deren zwei benachbarte Zellen. In gleicherweise wirkt die innere Zellenmonopolarkatodeneinheit als die Katoden für zwei Zellen, die dieser benachbart sind. Weitere Beschreibungen von monopolaren Elektroden, die in einer Filterpressen-Reihe aus elektrolytischen Zellen verwendet werden, sind in den US-PS 4056458 und 4315810 gegeben. Beide dieser Patentschriften lehren die Verwendung eines Typs von Struktur, um eine monopolare Zelleneinheit zu halten, und sie lehren die Verwendung von anderen Strukturen (einer Vielzahl von Leiterstäben oder -schienen), um elektrische Energie von einer elektrischen Quelle, die außerhalb der Zellen angeordnet ist, den monopolaren Elektrodenelementen, die innerhalb der Zelle angeordnet sind, zuzuführen. Andere Kompliziertheiten der monopolaren Zellenreihe, die zahlreiche Teile und zahlreiche Verbindungen benötigen, werden durch ein Studium dieser beiden Patentschriften ersichtlich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Verwendung eines Übertragungselements für elektrischen Strom, das die Kosten der Herstellung der Zelleneinheiten und den Arbeitsaufwand, der zu deren Zusammenbau erforderlich ist, senkt, deren Fertigung vereinfacht, in starkem Maße die Verformung der Komponenten einer Zelleneinheit verringert und eine viel stabilere Zellenstruktur schafft, als dies für bipolare Filterpressen-Zellen gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.

Das Verringern der Verformungsgefahr für die Komponenten einer Zelleneinheit erlaubt, daß die Zellen mit besserem Wirkungsgrad betrieben werden, d. h., daß sie mehr Elektrolyse-Produkteinheiten je Elektrizitätseinheit produzieren. Eine Verringerung der Verformung verringert die Abweichung von der Breite des Zwischenraums zwischen den Elektroden jeder Elektrolysezelle.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion von monopolaren Zellenreihen, die sehr viel einfacher und viel stabiler sind und dadurch wirtschaftlicher zu fertigen und zu betreiben sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Herstellen und den Zusammenbau von elektrolytischen Zelleneinheiten, die als sich wiederholende Einheiten in Filterpressen-Zellenreihen verwendet werden. Solche Zelleneinheiten beinhalten ein Übertragungselement für elektrischen Strom (im folgenden als „ECTE" bezeichnet), das einen im allgemeinen planeren Tragabschnitt, eine Vielzahl von Vorsprüngen, die von sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts vorstehen, und einen rahmenähnlichen Flanschabschnitt, der sich um die Umfangsränder des Tragabschnitts herum erstreckt, enthält. Das ECTE ist sowohl für monopolare als auch bipolare Zelleneinheiten verwendbar. Es ist bei der Elektrolyse von Sole und in anderen chemischen Prozessen verwendbar.

Die Verwendung eines integral ausgebildeten Übertragungselements für elektrischen Strom in einer monopolaren oder bipolaren Zelleneinheit als ein grundsätzliches Aufbauelement ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung schafft zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen eines Übertragungselements für elektrischen Strom, das als eine Hauptkomponente einer aus einer Vielzahl von sich wiederholenden Zelleneinheiten verwendbar ist, die zwischen zwei Endzellen einer Zellenreihe einer elektrochemischen Filterpresse angeordnet sind, welches Verfahren einen Schritt zum Bilden des Übertragungselements für elektrischen Strom aus einem elektrisch leitenden Metall in einer Gießform enthält, wobei das Innere der Gießform derart ausgebildet ist, daß das Übertragungselement einen planaren Tragabschnitt, einen rahmenförmigen Flanschabschnitt, der sich um einen peripheren Randabschnitt des Tragabschnitts herum erstreckt, welcher periphere Begrenzungen von Elektrodenkammern bildet, die auf sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts angeordnet sind, und eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die nach außen von den sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts vorstehen, wobei das Übertragungselement aus einem integral ausgebildeten, einteiligen, strukturierten Element besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement zur Verwendung in einer monopolaren oder einer bipolaren Zelleneinheit geeignet ist und Klemmstücke für zumindest einen elektrischen Strom führenden Leiter enthält, die auf dem Tragabschnitt oder dem Flanschabschnitt des Übertragungselements vorgesehen sind, wobei die Klemmstücke ausschließlich für die Endzelleneinheiten einer bipolaren Zellenreihe oder für jede der Zelleneinheiten einer monopolaren Zellenreihe verwendet werden.

Das bevorzugte Verfahren zum integralen Ausbilden eines Einheits-ECTE sieht das Gießen von geschmolzenem Metall, vorzugsweise eines eisenhaltigen Metalls, in eine Sandform vor. Andere Verfahren zum integralen Ausbilden eines Einheits-ECTE umfassen das Spritzgießen, das Pressen von pulverförmigem Metall und dessen Sintern, das heiß-isostatische Pressen, das Heißschmieden und das Kaltschmieden.

Des weiteren liegt es innerhalb des Schutzumfangs für die vorliegende Erfindung, ein Einheit-vETCE oder ein einteiliges ECTE integral durch Verwenden von Einsätzen, Kokillen und Gußkernen auszubilden. Tatsächlich hat das teilweise Anordnen von Kokillen aus speziellen Metallen überraschenderweise nicht nur zum Herstellen von mehr gleichförmigen Gußstücken, sondern gleichzeitig auch zum Herstellen eines ECTE mit besseren elektrischen Leitungseigenschaften geführt. Bei einem derartigen Vorgehen werden diese Kokillen dann selbstverständlich zu Einsätzen.

Zur eindeutigen Definition wird nun die Bedeutung der Kokillen, der Einsätze und der Gußkerne beim Formen von Metallstrukturen, welche Ausdrücke allgemein beim Stand der Technik verwendet werden, erläutert. Kokillen sind Gegenstände, die in eine Gießform eingeführt werden und als Hilfen beim Gießen des Gußstücks wirken. Deren vorrangiger Zweck besteht darin, die Abkühlrate des geschmolzenen Metalls an speziellen Orten der Form zu steuern. Durch Steuern des Abkühlens des geschmolzenen Metalls kann eine Metallschrumpfung akkurater gesteuert werden, was die Teilequalität durch verringerte Uhvollkommenheiten und Mängel verbessert. Kokillen können oder können nicht ein integraler Bestandteil des Gußstücks werden, und sie können ebenso in einigen Fällen als Einsätze wirken.

Einsätze sind solche Gegenstände, die in einer Gießform angeordnet werden, um die Funktion der Gießform zu unterstützen oder das Ausbilden des Gußstücks zu unterstützen. Sie können auch ein funktionelles Teil des fertigen Artikels werden. Sie behalten ihre Identität zu sich ändernden Graden bei, nachdem die Ausbildung des Artikels beendet ist. Sie sind üblicherweise metallisch, obwohl jedes andere geeignete Material verwendet werden kann. Einsätze können in einigen Fällen ebenso als Kokillen wirken.

Gußkerne sind Gegenstände, die in einer Gießform angeordnet werden und dazu dienen, Metall von vorbestimmten Bereichen der Gießform fernzuhalten. Gußkerne werden in der Gießform dort verwendet, wo es unpraktisch oder unmöglich wäre, die Gießform in einer Weise auszubilden, daß Metall von vorbestimmten Stellen ferngehalten werden könnte. Ein typisches Beispiel wäre ein Gußkern, der verwendet würde, um einen inneren Hohlraum eines gegossenen Metallkörpers zu erzeugen. Gußkerne können in einigen Fällen auch als Kokillen wirken.

Speziell anwendbare Kokillen, diezu Einsätzen gemachtwerden, um die elektrische Leitfähigkeiteines ECTEzu erhöhen, werden quer zu dem planaren Tragabschnitt angeordnet und verlaufen in die Vorsprünge hinein. Bevorzugte Einsätze oder Kokillen werden aus einem festen Metall hergestellt, daß die Masse des Metalls des ECTE hat, die um dieses herum ausgebildet ist, ausmacht. Vorzugsweise wird das Metall, das um dieses herum geformt wird, durch Eingießen desselben in seinem geschmolzenen Zustand in eine Sandgußform geformt.

Gußkerne können ebenfalls zum Ausbilden von Öffnungen verwendet werden, die durchgehend durch den planaren Tragabschnitt des ECTE in einer monopolaren Zelleneinheit verlaufen, um die Zirkulation zu verbessern. Solche Gußkerne würden keinen ersichtlichen Vorteil in einer bipolaren Zelleneinheit bringen, solange das ECTE zumindest einen Seitenscheider odereinenTrog auf einerseinerSeiten aufweist, um das Vermischen von die Anode umgebendem Elektrolyt odervon die Katode umgebendem Elektrolyt aus benachbarten bipolaren Kammern zu verhindern.

Das Verfahren zum Zusammenbauen der Zelleneinheit kann des weiteren das Einsetzen eines geeigneten Seitenscheider auf einer oder auf beiden Seiten des ECTE, um das Metall des ECTE vor einer korrosiven Einwirkung durch den Elektrolyt zu schützen, dessen Anwendung erwartet wird, umfassen.

Das Verfahren zum Zusammenbauen der Zelleneinheit sieht des weiteren vorzugsweise das elektrische und mechanische Verbinden planparallel angeordneter Elektrodenkomponenten indirekt an jeder Seite des ECTE durch Anschweißen dieser Elektroden komponenten an den Seitenscheider, der seinerseits direkt oder indirekt über eine Metallzwischenscheibe oder einen Metallblock des ECTE angeschweißt ist, vor. Diese Elektrodenkomponenten können die Elektroden selbst sein, oder sie können elektrisch leitende Teile zum Weiterleiten von elektrischem Strom zu den eigentlichen Elektroden sein. Üblicherweise weisen die Elektroden ein katalytisch aktives Material auf, das auf diesen abgelagert ist.

Nachdem die Zelleneinheiten individuell hergestellt sind, werden sie in die Form einer Filterpressen-Zellenreihe durch Zusammendrücken derselben mit einer hydraulischen Presse', durch Schrauben, durch Zugstangen oder dergl. gebracht. Die vorliegende Erfindung ist auch für die Anwendung auf die neue entwickelten Festpolymerelektrolyt-Elektroden geeignet. Festpolymerelektrolyt-Elektroden bilden eine lonenaustauschmembran, die ein elektrisch leitendes Material hat, das in die lonenaustauschmembran eingebettet oder an diese gebondet ist. Solche Elektroden sind aus dem Stand derTechnik bekannt und beispielsweise in den US-PS'n 4457815 u. 4457823 offenbart.

Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung auch für die Anwendung auf eine sog. Nullspalt-Zelle geeignet. Eine Nullspalt-Zelle ist eine solche, in welcher zumindest eine Elektrode in körperlichem Kontakt mit der lonenaustauschmembran steht. Wahlweise können auch beide der Elektroden in körperlichem Kontakt mit der lonenaustauschmembran stehen. Solche Zellen sind in den US-PS'n 4444639,4457822 u. 4448622 offenbart.

Elektrodenkomponenten, die verwendet werden können, sind vorzugsweise feingelöcherte Strukturen, die im wesentlichen flach sind und aus einem Blech oder einer perforierten Streckmetallplatte, einer ausgestanzten Platte oder einem gewebten Metalldraht hergestellt sein können. Wahlweise können die Elektrodenkomponenten Stromkollektoren sein, die mit einer Elektrode in Berührung stehen. Die Elektroden können wahlweise eine katalytische aktive Deckschicht auf deren Oberfläche aufweisen. Die Elektrodenkomponenten können an die Vorsprünge oder an den Seitenscheider angeschweißt sein, falls ein Seitenscheider verwendet wird. Vorzugsweise sind die Elektrodenkomponenten angeschweißt, weil in diesem Fall der elektrische Kontakt besser ist.

Andere Elektrodenkomponenten, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, enthalten Stromkollektoren, Abstandsstücke, Mattenstrukturen und andere Elemente, die dem Fachmann bekannt sind. Es können spezielle Elemente oder Aufbauten für Nullspalt-Konfigurationen oder Festpolymerelektrolyt-Membranen verwendet werden. Außerdem können elektrolytische Einheiten gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Gaskammer an eine Verwendung im Zusammenhang mit einer gasverbrauchenden Elektrode — in einigen Fällen auch als depolarisierte Elektroden bezeichnet — angepaßt werden. Die Gaskammer ist zusätzlich zu den Flüssigelektrolytkammern erforderlich. Eine Vielfalt von Elektrodenkomponenten, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind dem Fachmann aus dem Stand derTechnik bekannt und beispielsweise in den US-PS'n 4444623,4350452 u. 4444641 offenbart. Ein besseres Verständnis dervorliegenden Erfindung wird durch getrennte, imfolgenden gegebene Erläuterungen ihrer Aspekte in bezug auf bipolare und monopolare Anordnungen erreicht.

Beim Herstellen und Zusammenbauen einer verbesserten Zelleneinheit, die zum Bilden einer bipolaren Zelle verwendet wird, wird die Zelleneinheit von einer benachbarten Zelleneinheit durch einen Scheider, beispielsweise eine im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige lonenaustauschmembran oder eine flüssigkeitsdurchlässige poröse Asbest-Membran ausgenommen in einer Chlorat-Zelle getrennt, wobei kein Scheider verwendet wird, wenn Alkalimetallchlorid (Sole), wie beispielsweise NatriumIorid, elektrolysiertwird, um das jeweilige Alkalimetallchlorat, z. B. Natriumchloratzu erzeugen. Obgleich die vorliegende Erfindung ebenfalls auf Zelleneinheiten anwendbar ist, die keinen Scheider zwischen der Anode und der Katode verwenden, wird sie trotzdem vorrangig mit Rücksicht auf Zelleneinheiten diskutiert, die permselektive lonenaustauschmembranen verwenden, um zu zeigen, was mit den Membranen geschehen würde. Die Membranen werden abdichtbar zwischen jeweils zwei der Zelleneinheiten angeordnet, um so eine Vielzahl von Zellen zu bilden. Jede der Zelleneinheiten hat vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, zumindest eine planparallel angeordnete Membran, die die Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyt und die Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyt jeder Zelleneinheit definiert und diese Kammern voneinander trennt. Die Zelleneinheit hat ein ECTE, das die Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyt einer Zelleneinheit, die auf einer Seite des ECTE angeordnet ist, von der Kammer für den die

Katode umgebenden Elektrolyt einer benachbarten Zelleneinheit, die auf der gegenüberliegenden Seite des ECTE angeordnet ist, körperlich trennt. Das ECTE hat eine planparallel angeordnete feindurchlöcherte „Flachplatten"-Anodenkomponente, die in der benachbarten Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyt angeordnet ist, und eine planparallel angeordnete feindurchlöcherte „Flachplatten^Katodenkomponente, die in deren angrenzender Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyt angeordnet ist. Beide Elektrodenkomponentenseiten sind im wesentlichen parallel zu der Membran angeordnet, die planparallel zwischen diesen und dem ECTE angeordnet ist. Das ECTE verbindet die Anodenkomponente der angrenzenden Kammer für den die Anode umgebendenen Elektrolyt elektrisch durch sich mit der Katodenkomponente der angrenzenden Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyt.

Die anodenseitigen und katodenseitigen Kammern, die an das ECTE angrenzen, weisen eine Struktur um deren Umfang herum auf, um deren körperliche Definition zu vervollständigen. Diese Zelleneinheit hat außerdem einen Leiter für elektrischen Strom, der dieser zum Bilden eines elektrischen Strompfades durch das ECTE von deren benachbarter katodenseitiger Kammer zu deren benachbarter anodenseitiger Kammer zugeordnet ist. Diese Zelleneinheit enthält Komponenten-Haltemittel zum Aufrechterhalten vorbestimmter Abstände der Anode und Katode'der beiden Zellen, die an das ECTE angrenzen, von dem

Die vorliegende Erfindung sieht ein gießbares Metall als Teil des ECTE vor, welches elektrische Energie durch das ECTE von der katodenseitigen Kammer zu der angrenzenden anodenseitigen Kammer überträgt. Vorzugsweise ist dieses Metall formbares Eisen.

Das ECTE wird in einer Weise gebildet, daß eine strukturelle Einheit geschaffen wird, die erforderlich ist, um sowohl die angrenzenden Elektroiytkammern körperlich zu halten, während sie mit dem Elektrolyt beschickt werden, als auch die zugeordneten Zellenzubehörteile zu halten.

Die Anodenkomponenten-Haltemittel und derjenige Teil des Leiters für elektrischen Strom, der in dem ECTE auf der Anodenseite des ECTE angeordnet ist, bestehen aus einer Vielzahl von Anoden-Vorsprüngen, die sich um eine vorbestimmte Höhe von dem Tragabschnitt des ECTE nach außen in die anodenseitige Kammer erstrecken, die an den Tragabschnitt angrenzt. Diese Anodenvorsprünge können mechanisch und elektrisch entweder direkt oder indirekt mit der Anodenkomponente durch zumindest ein kompatibles Metallteil verbunden sein, das anliegend an die Anodenkomponente und die Anodenvorsprünge zwischen der Anodenkomponente und den Anodenvorsprüngen angeordnet ist. Vorzugsweise haben die Anodenvorsprünge alle flache Endflächen, die vorzugsweise in der gleichen geometrischen Ebene liegen.

Die Katodenkomponenten-Haltemittel und der Teil des Leiters für elektrischen Strom, der auf der Katodenseite des planaren Tragabschnitts liegt, besteht aus einer Vielzahl von Katodenvorsprüngen, die sich um eine vorbestimmten Höhe von dem Tragabschnitt aus nach außen in die katodenseitige Kammer erstrecken, die an den Tragabschnitt angrenzt. Diese Katodenvorsprünge können mechanisch und elektrisch entweder direkt oder indirekt mit der Katodenkomponente durch zumindest ein kompatibel schweißbares Metallteil verbunden sein, das anliegend an die Katodenkomponente und die Katodenvorsprünge zwischen der Katodenkomponete und den Katodenvorsprüngen angeordnet ist. Vorzugsweise haben die Katodenvorsprünge alle flache Endflächen, die vorzugsweise in derselben geometrischen Ebene liegen.

Die Erfindung sieht des weiteren vorzugsweise Anodenvorsprünge vor, die in einer Weise einen Abstand voneinander aufweisen, daß der die Anode umgebende Elektrolyt frei durch die Gesamtheit der andernfalls unbesetzten Stellen der angrenzenden Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyt zirkulieren kann, und in gleicher Weise weisen die Katodenvorsprünge einen Abstand in einer Weise voneinander auf, daß der die Katode umgebende Elektrolyt frei durch die Gesamtheit der andernfalls unbesetzten Stellen der angrenzenden Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyt zirkulieren kann.

Vorzugsweise wird das Material des Einheits-ECTE aus eisenhaltigen Metalle^wie Eisen, Stahl, rostfreier Stahl oder aus Nickel, Aluminium, Kupfer, Chrom, Magnesium, Tantal, Kadmium, Molybdän, Zirkonium, Blei, Zink, Vanadium, Wolfram, Iridium, Rhodium, Kobalt, Legierungen von allen diesen und Legierungen davon ausgewählt. Mehr vorzuziehen ist es, das Metall des ECTE aus eisenhaltigen Metallen auszuwählen, deren vorrangiger Bestandteil Eisen ist.

Die Erfindung sieht vorzugsweise einen anodenseitigen Seitenscheidervor, der aus einem Metallblechstück hergestellt ist, das über solche Oberfläch en der Seite der anodenseitigen Kammer des ECTE gelegt ist, die ansonsten den korrosiven Einflüssen des die Anode umgebenden Elektrolyten ausgesetzt wäre.

Vorzugsweise ist das Metal I des anodenseitigen Seitenscheider gegen Korrosion durch den die Anode umgebenden Elektrolyten beständig und ist mit Hauben ausgebildet, dieüberundumdie Anodenvorsprünge herum passen, wobei der Seitenscheider mit den flachen Enden der Anodenvorsprünge des ECTE verbunden wird.

Vorzugsweise sieht die Erfindung außerdem vor, daß der Seitenscheider in geeigneter Weise um die einen Abstand voneinander aufweisenden Anodenvorsprünge in Richtung auf den planaren Tragabschnitt in den Räumen zwischen den Vorsprüngen niedergedrückt ist, so daß eine freie Zirkulation des die Anode umgebenden Elektrolyts zwischen den in einer Reihe angeordneten ECTE's und der Membran der angrenzenden Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten ermöglicht ist.

Es sei angemerkt, daß der Seitenscheider die ECTE-Oberfläche, die an die Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten angrenzt, als eine Begrenzung ersetzt, die in Berührung mit dem die Anode umgebenden Elektrolyten steht.

Der Seitenscheider aus Metali ist vorzugsweise mit den Anodenvorsprüngen durch Verschweißen, Verlöten, Hartverlöten oder sog. „filmforming" durch ein Metallzwischenteil verbunden, das zwischen den Vorsprüngen und dem Seitenscheider angeordnet ist, wobei das Metall des Zwischenteils kompatibel sowohl mit dem Metall des anodenseitigen Seitenscheiders als auch mit dem Metall, aus dem das ECTE hergestellt ist, verschweißbar ist, d. h. kompatibel mit beiden Metallen bis zu dem Punkt verschweißbar ist, an dem es eine feste Verbindung an den Schweißstellen bilden kann.

Der anodenseitige Seitenscheider ist aus einem Metall hergestellt, das aus Titan, Tantal, Niobium, Hafnium, Zirkonium, Legierungen von jedem und Legierungen daraus ausgewählt ist.

Ein anderer Weg zum Verbinden eines anodenseitigen Seitenscheiders mit dem ECTE, wenn diese Metalle nichtkompatibel verschweißbar sind, besteht darin, daß keine Metallzwischenlage verwendet wird, der anodenseitige Seitenscheider jedoch direkt auf die Anodenvorsprünge durch „Explosionsbonding" oder „Diffusionsbonding" gebondet wird.

In den meisten Fällen ist es erwünscht, daß sich der anodenseitige Seitenscheider über die Seitenfläche des rahmenähnlichen Flanschabschnitts des ECTE auf der Seite der Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten erstreckt, um so einen Dichtungsstreifen an dieser Seite für die Membran zu bilden, wenn die Zellensegmente zusammengepreßt werden, um eine Zellenreihe zu bilden.

In den meisten Fällen ist es erwünscht, daß der anodenseitige Seitenscheider mit dem ECTE an den Enden der Anodenvorsprünge verbunden wird. Indessen sieht die Erfindung auch vor, den Seitenscheider mit den Seiten dieser Vorsprünge zu verbinden oder sogar den Seitenscheider mit dem planaren Tragabschnitt zwischen den Vorsprüngen zu verbinden. Vorzugsweise wird jedoch der anodenseitige Seitenscheider an die Enden der Anodenvorsprünge durch eine Metallzwischenlegscheibe geschweißt.

Ein katodenseitiger Seitenscheider wird weniger häufig als ein anodenseitiger Seitenscheider gefordert. Indessen gibt es Umstände, beispielsweise in katodenseitigen Kammern mit Hochkonzentrations-Ätzlaugen, für die ein katodenseitiger Seitenscheider benötigt wird. Demzufolge sieht die vorliegende Erfindung auch einen katodenseitigen Seitenscheider vor, der aus einem Metallblechteil hergestellt ist, das über die betreffenden Oberflächen des ECTE gepaßt wird, welches ansonsten dem Elektrolyt der benachbarten Zelle ausgesetzt wäre. Vorzugsweise ist dieser katodenseitige Seitenscheider aus Nickel hergestellt.

In einigen Fällen können Plastik-Seitenscheider verwendet werden, in denen Möglichkeiten für eine elektrische Verbindung der Katodenkomponente mit den Katodenvorsprüngen durch das Plastikmaterial hindurch vorgesehen sind. Es können auch Kombinationen von Plastik- und Metall-Seitenscheidem verwendet werden. Dasselbe gilt für die anodenseitigen Seitenscheider.

Der katodenseitige Seitenscheider wird in geeigneter Weise derart um die einen Abstand voneinander aufweisenden Katodenvorsprünge herum in Richtung auf den planaren Tragabschnitt in die Räume zwischen den Vorsprüngen niedergedrückt, daß eine freie Zirkulation des Elektrolyts zwischen den in einer Reihe angeordneten ECTE's und der Membran der jeweils benachbarten katodenseitigen Kammer ermöglicht ist. Es sei angemerkt, daß der Seitenscheider an die Stelle der ECTE-Oberfläche, die an die katodenseitige Kammer angrenzt, als eine Begrenzung tritt, die mit dem Elektrolyt in Berührung steht. Anders als bei dem anodenseitigen Seitenscheider ist es üblicherweise nicht notwendig, daß der katodenseitige Seitenscheider mit den Katodenvorsprüngen durch Metallzwischenstücke verbunden wird. Demzufolge wird bevorzugt, daß der katodenseitige Seitenscheider direkt mit den Katodenvorsprüngen'durch Verschweißung ohne ein Metallzwischenstück, das zwischen den Vorsprüngen und dem Seitenscheider angeordnet ist, verbunden wird. Es kann indessen ein Metallzwischenstück verwendet werden. Wenn dies der Fall ist, muß das Metallzwischenstück kompatibel sowie mit dem Metall des katodenseitigen Seitenscheiders als auch mit dem Metall verschweißbar sein, aus dem das ECTE hergestellt ist.

Das Metall für den katodenseitigen Seitenscheider wird aus eisenhaltigen Metallen, Nickel, Chrom, Magnesium, Tantal, Kadmium, Zirkonium, Blei, Zink, Vanadium, Wolfram, Iridium, Molybdän, Kobalt, Legierungen von jedem und Legierungen davon ausgewählt.

In vielen Fällen ist es erwünscht, daß die Metalle des ECTE, des katodenseitigen Seitenscheiders und der Katodenkomponente der benachbarten Zelle alle aus eisenhaltigen Metallen ausgewählt sind.

In einigen Fällen wird bevorzugt, die Metallzwischenlagen, die zwischen den Katodenvorsprüngen und den benachbarten katodenseitigen Seitenscheidern liegen, vorzusehen. Die Metallzwischenlagen sind ähnlich denen, die beim Anbringen der anodenseitigen Seitenscheider erläutert wurden. Indessen kann in den meisten Fällen das Metall des katodenseitigen Seitenscheiders direkt an den planaren Tragabschnitt ohne Notwendigkeit einer Metallzwischenlage angeschweißt werden. Der katodenseitige Seitenscheider wird so ausgebildet, daß er über und um die Enden der Katodenvorsprünge herum paßt und direkt auf einer Seite des-Seitenscheiders an die Vorsprünge in einer Weise angeschweißt werden kann, daß eine elektrische Verbindung zwischen dem ECTE und der Katodenkomponente geschaffen werden kann. Die Katodenkomponente selbst wird direkt an die gegenüberliegende Seite des katodenseitigen Seitenscheiders angeschweißt.

Wie bei dem anodenseitigen Seitenscheider ist es vorzuziehen, daß sich der katodenseitige Seitenscheider ebenfalls umfangsmäßig über die Seitenfläche des Flanschabschnitts in der katodenseitigen Kammer erstreckt, um so eine Dichtungsfläche an dieser Stelle für die Membran zu bilden, wenn die Zellensegmente zusammengepreßt werden, um eine Zellenreihe zu bilden.

In den meisten Fällen ist es erwünscht, daß der katodenseitige Seitenscheider des ECTE mit den Enden der Katodenvorsprünge verbunden ist. Indessen sieht die Erfindung auch das Verbinden des Seitenscheiders mit dem Tragabschnitt zwischen den Vorsprüngen vor.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen und Zusammenbauen von Zelleneinheiten für monopolare Zellen, die zu einer Filterpressen-Konfiguration zusammengebaut werden.

Das ECTE für die monopolare Zelleneinheit ist dasselbe, wie es zuvor für die bipolare Zelleneinheit beschrieben wurde, jedoch mit der Ausnahme, daß jedes monopolare ECTE außerdem Mittel zum elektrischen Verbinden desselben mit einer externen Stromquelle aufweist. Diese Mittel können als ein getrenntes Element dem ECTE zugefügt werden oder können mit demselben integral ausgebildet sein. Andererseits kann das monopolare ECTE dieselbe körperliche Form wie das bipolare ECTE haben und kann aus denselben Metallen hergestellt sein. Es wird in gleicher Weise hergestellt, beispielsweise durch einen einzigen Gießvorgang, um eine integrale Einheit des Tragabschnitts, des peripheren Flansches und der Elektrodenkomponenten-Vorsprünge auf sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts auszubilden.

Selbstverständlich sind im Gegensatz zu der bipolaren Zelleneinheit in der monopolaren Zelleneinheit die Vorsprünge auf den sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts von gleicher Art, d. h. die Vorsprünge auf den sich gegenüberliegenden Seiten sind entweder alle Anodenvorsprünge, oder sie sind alle Katodenvorsprünge. Es ist nicht so, daß sie Anodenvorsprünge auf einer Seite und Katodenvorsprünge auf der anderen Seite sind, wie dies im Falle von bipolaren Zelleneinheiten gegeben ist. Die Endzellen für eine monopolare Zellenreihe sind solche Zelleneinheiten, bei denen nur auf einer Seite eine Elektrodenkomponente benötigt wird.

Die einzige elektrische Polarität der monopolaren Zelleneinheit verlangt auch, daß die Elektrolytkammern, die auf beiden Seiten des ECTE angeordnet sind, von gleicher Art sind, d.h. diese angrenzenden Kammern sind entweder beide Kammern für den die Anode umgebenden Elektrolyt oder sind beide Kammern für den die Katode umgebenden Elektrolyt.

Das ECTE ist so ausgebildet, daß es eine strukturelle Einheit bildet, um das Zellengewicht tragen zu können. Es sieht außerdem den elektrischen Strompfad für die beiden Elektrodenkomponenten vor, der elektrisch auf den sich gegenüberliegenden Seiten desselben mit diesen verbunden ist, wenn es elektrisch als eine Anode — oder umgekehrt — wenn es elektrisch als ein Katode angeschlossen ist.

Die Seitenscheider, die für bipolare Elektrodenzelleneinheiten erläutert wurden, sind zum großen Teil gleich denen, die für monopolare ElektrodenzelleneipJieiten vorgesehen sind. Sie können in ihrem Aussehen gleich sein, und sie dienen der gleichen Funktion des Schützens des ECTE vor einem elektrochemischen Angreifen.

Selbstverständlich kann anders als im Falle der bipolaren anodenseitigen und katodenseitigen Seitenscheider, wie sie zuvor erläutert wurden, wobei jedes ECTE einen anodenseitigen Seitenscheider auf einer seiner Seiten und einen katodenseitigen Seitenscheider auf seiner anderen Seite hat, das monopolare ECTE entweder anodenseitige Seitenscheider oder katodenseitige Seitenscheider auf beiden seiner Seiten abhängig davon, ob das monopolare ECTE als eine Anode oder als eine Katode benutzt wird, aufweisen. Es sei angemerkt, daß es, wenn die katodenseitige Elektrolyt-Konzentration unterhalb 22% bei einer Temperatur unterhalb 85⁰C liegt, nicht notwendig ist, katodenseitige Seitenscheider vorzusehen. Diese monopolaren anodenseitigen bzw. katodenseitigen Seitenscheider werden aus denselben Materialien und mittels derselben Verfahren, wie diejenigen, die zuvor für die bipolaren Zelleneinheit beschrieben wurden, hergestellt. Die monopolaren anodenseitigen und katodenseitigen Seitenscheider werden ebenfalls in gleicher Weise, wie zuvor für anodenseitige und katodenseitige Bipolar-Seitenscheider beschrieben, an dem monopolaren ECTE angebracht.

Die monopolaren Elektrodenkomponenten sind gleich denen, die für die bipolaren Elektrodenzelleneinheiten beschrieben sind und werden in gleicher Weise befestigt oder angebracht. Wie die bipolaren Elektrodenkomponenten müssen die monopolaren Elektrodenkomponenten nicht notwendigerweise die Elektroden selbst sein, wobei die Elektroden als der Ort definiert sind, an dem elektrochemische Reaktionen eingeleitet werden. Die Elektrodenkomponenten können Teile sein, die selbst die elektrische Energie zu den Anoden und von den Katoden leiten.

Einlaß- und Auslaßdüsen sind vorzugsweise in Form eines Guß*teils aus Titan oder Nickel ausgebildet und von einer Form, daß sie in Kanäle oder Nuten in dem peripheren, rahmenähnlichen Flanschabschnitt passen.

Bipolare Zellen verwenden sowohl katodenseitige als auch anodenseitige Düsen, während monopolare Zellen die eine oder die andere Art verwenden.

Ausführungsbeispiel

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Figuren zu deren besserem Verständnis im einzelnen beschrieben, wobei die Figuren bevorzugte Ausführungsbeispiele für das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen und wobei in den Figuren gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet sind, welchen Bezugszeichen ab Fig.4 jeweils die Ziffer „1" bzw. „2" vorangestellt ist.

Fig. 1: zeigt eine teilweise gebrochene perspektivische Explosionsansicht eines bipolaren Übertragungselements für elektrischen Strom zusammen mit zugeordneten Teilen, die eine bipolare Filterpressen-Elektroden-Zelleneinheit bilden.

Fig. 2: zeigt eine Seitenschnittansicht von drei bipolaren Filterpressen-Zelleneinheiten, die die Übertragungselemente für elektrischen Strom verwenden, wobei die Zelleneinheiten so dargestellt sind, als würden sie in einer Filterpressen-Zellenreihe auftreten.

Fig. 3: zeigt eine Explosionsdarstellung einer Seitenansicht einer Zelleneinheit.

Fig. 4: zeigt eine teilweise gebrochene perspektivische Explosionsansicht eines monopolaren Einheits-Übertragungselements für elektrischen Strom und zugeordnete Komponenten, die eine monopolare Anodentyp-Filterpressen-Zelleneinheit einer Zellenreihe bilden.

Fig. 5: zeigt eine Seitenschnittansicht von drei monopolaren Zelleneinheiten, die gleichfalls so dargestellt sind, als würden sie als drei bipolare Zelleneinheiten gemäß Fig. 2 verwendet, d. h. die Zelleneinheiten sind in einer Filterpressenanordnung dargestellt, die eine monopolare Anodenzelleneinheit aufweist, welche zwischen zwei gleichen monopolaren Katodenzelleneinheiten angeordnet ist.

Fig. 6: zeigt eine Explosionsdarstellung einer Seitenansicht im Schnitt der Zelleneinheit, die verwendet wird, um eine monopolare Anodenzelleneinheit zu bilden, die gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, wobei die Schnittansicht längs einer Linie 8-8 in Fig. 8 gezeigt ist und nur solche Teile darstellt, die tatsächlich die imaginäre Schnittebene längs der Linie 8- in Fig. 8 berühren, um diese Elemente nicht durch Zeigen anderer Teile, die hinter der imaginären Schnittansichtsebene liegen und normalerweise in einer Schnittansicht gezeigt sind, zu verundeutlichen.

Fig. 7: zeigt eine teilweise gebrochene Ansicht einer monopolaren Katodenzelleneinheit, die Elemente verwendet, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt sind.

Fig. 9: zeigt eine Explosionsdarstellung einer Seitenansicht der Zellenstruktur, die zum Bilden einer monopolaren Katodenzelleneinheit verwendet wird, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird, wobei die Schnittansicht längs einer Linie 11-11 in Fig.7 dargestellt ist und nur solche Teile zeigt die tatsächlich die imaginäre Schnittebene, die längs der Linie 11-11 in Fig. 7 verläuft, berühren, um diese Elemente nicht nur Zeigen der anderen Teile, welche hinter der imaginären Schnittebene liegen und normalerweise in einer Schnittarisicht dargestellt werden, zu verundeutlichen.

Wie bereits erläutert, zeigen Fig. 1, Fig. 2 u. Fig. 3 eine Elektrolysezelleneinheit 10 für eine sog. Flachplatten-Bipolarelektroden-Filterpresse, welche Elektrolysezelleneinheit 10 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Übertragungselement ECTE 12 zur Übertragung elektrischen Stroms verwendet, das nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das ECTE 12 aus gegossenem, formbarem Eisen hergestellt. Es hat einen stabilen planaren Tragabschnitt 14, einen peripheren rahmenähnlichen Flanschabschnitt 16, der sich seitlich von sich gegenüberliegenden Seiten der peripheren Ränder des Tragabschnitts 14 aus erstreckt, sowie vorstehende und einen Abstand voneinander aufweisende Anodenvorsprünge 18 und vorstehende und einen Abstand voneinander aufweisende Katodenvorsprünge 20.

Durch Gießen all dieserTeile in Form eines einzigen Einheitselements werden zahlreiche Probleme gleichzeitig beseitigt oder stark verringert. Beispielsweise werden die meisten der Verformungsprobleme, Flüssigkeitsleckprobleme, elektrische Fehlverteilungsprobleme und Kompliziertheiten der Zellenkonstruktion im Falle einer Massenproduktion weitgehend beseitigt. Die erreichbare Einfachheit des Zellenaufbaus erlaubt es, ECTE's herzustellen, die sehr viel zuverlässiger sind und die wirtschaftlicher konstruiert sind.

In Fig. 1 ist eine Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten einer angrenzenden Zelle auf der rechten Seite des ECTE 12 gezeigt. Auf der linken Seite des ECTE 12 ist eine Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten einer weiteren angrenzenden Zelleneinheit zu sehen. Auf diese Weise trennt das ECTE 12 eine Zelle von der anderen. Ein sehr wichtiges Merkmal von Zellen dieses Typs besteht darin, daß elektrische Energie von einer Zelle zu der anderen mit Mitteln, die so kostengünstig wie möglich sind, geleitet werden kann.

Auf der Seite der Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten des ECTE 12 ist ein flüssigkeitsundurchlässiger anodenseitiger Seitenscheider 26 vorgesehen, der vorzugsweise aus einem einzigen Blechteil aus Titan hergestellt ist, obgleich er auch aus zwei oder mehr Blechteilen hergestellt sein könnte. Dieser Seitenscheider 26 wird warm durch eine Presse in einer Weise ausgeformt, daß er über und im wesentlichen gegen die Oberflächen des ECTE 12 auf dessen Seite mit der anodenseitigen Kammer anliegend paßt. Dies wird gemacht, um das verformbare Eisen des ECTE 12 gegen die korrosive Umgebung der anodenseitigen Kammer 22 zu schützen. Der Seitenscheider 26 bildet außerdem die linke Begrenzung der Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten, wobei eine Ionenaustausch membra η 27 die rechte Begrenzung bildet (vgl. Fig. 1). Das ECTE 12 wird so gegossen, daß dessen periphere Struktur den rahmenähnlichen Flanschabschnitt 16 bildet, der nicht nur als Stütze für die periphere Begrenzung der Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten sondern auch als Stütze für die periphere Begrenzung der Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten dient. Vorzugsweise wird derTitan-Seitenscheider 26 ohne innere mechanische Spannungen ausgebildet, um einen Seitenscheider zu schaffen, den atomarer Wasserstoff nicht so leichtangreifen kann, um spröde, elektrisch nichtleitende Titanhydride zu bilden. Atomarer Wasserstoff ist dafür bekannt, daß er unter inneren mechanischen Spannungen stehendes Titan leichter angreift. Um diese inneren Spannungen in dem Seitenscheider zu verhindern, wird dieser durch Heißformung bei einer erhöhten Temperatur von 482°C bis 704°C hergestellt. Sowohl das Seitenscheider-Metall als auch die Presse werden auf diese erhöhte Temperatur erhitzt, bevor der Seitenscheider in die gewünschte Form gepreßt wird. Der Seitenscheider kann in der erhitzten Presse für ungefähr 15 Minuten belassen werden, um die Bildung von inneren mechanischen Spannungen, wenn dieser auskühlt, zu verhindern. Andere Verfahren, die benutzt werden können, um einen Seitenscheider zu bilden, sind Vakuumformverfahren, hydraulische Formverfahren, Explosionsformverfahren, Kaltformverfahren und andere Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Deranodenseitige Seitenscheider 26 aus Titan wird mit dem ECTE 12 aus verformbarem Eisen durch Widerstands-oder . Kondensatorentladungs-Schweißung verbunden. Ein derartiges Schweißen wird indirekt durch Anschweißen des Seitenscheiders 26 an flache Enden 28 der zylindrisch geformten, massiven Anodenvorsprünge 18 durch Vanadiumscheiben 30 und Titanscheiben 31, welche ihrerseits an die Vanadiumscheiben 30 angeschweißt werden, durchgeführt. Vanadium ist ein Metall, das selbstschweißend ist und das kompatibel mit Titan und Eisen verschweißbar ist. Unter kompatiblem Schweißen ist zu verstehen, daß eine Verbindung geeigneter mechanischer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit gebildet wird. Dies wird des öfteren durch Zusammenschweißen zweier oder mehrerer Metalle derart erreicht, daß sie eine verformbare, stabile Verbindung bilden. Titan und Eisen sind nicht kompatibel miteinander verschweißbar, jedoch sind beide kompatibel mit Vanadium verschweißbar. Demzufolge werden die Vanadiumscheiben 30 als Metallzwischenstücke zwischen den Eisen-Anodenvorsprüngen 18 und dem Titan-Seitenscheider 26 verwendet, um das Zusammenschweißen derselben so durchzuführen, daß sowohl eine elektrische Verbindung zwischen dem Seitenscheider 26 und dem ECTE 12 als auch mechanisches Haltemittel für das ECTE 12, um den anodenseitigen Seitenscheider 26 halten zu können, gebildet wird. Zum besseren Anschweißen eines dünnen Titan-Seitenscheiders 26 an die Eisen-Anodenvorsprünge 18 wird die zweite Scheibe 31, die aus Titan hergestellt ist, an die Außenseite der Vanadiumscheibe 30 vor dem Anschweißen des Seitenscheiders 26 an die Anodenvorsprünge 18 des ECTE 12 angeschweißt.

Eine bevorzugte Anbringung des anodenseitigen Seitenscheiders 26 an dem ECTE 12 kann aus der Zeichnung (Fig. 2) ersehen werden. Der Seitenscheider 26 hat in sich eingedrückte hohle Hauben 32. Diese Hauben 32 sind stumpf kegel ig ausgebildet, sind jedoch anstelle der massiven Ausführung, wie sie für die Anodenvorsprünge 18 vorgesehen ist, hohl. Die Hauben 32 sind derart dimensioniert und haben einen derartigen Abstand voneinander, daß sieü berund um die Anodenvorsprünge 18 herum passen. Die Hauben 32 sind in ihrer Eindrucktiefe derart dimensioniert, daß deren innere Endflächen 34 gegen die Titanscheiben 31 stoßen, nachdem die Titanscheiben 31 und die Vanadiumscheiben 30 an die flachen Enden 28 der Anodenvorsprünge 18 angeschweißt worden sind. Die besondere Form dieser Vorsprünge und Hauben ist nicht bedeutsam. Sie könnte quadratisch sein, oder es könnte irgendeine andere geeignete Form vorgesehen werden. Indessen sind die Enden 28 vorzugsweise flach, und sie liegen vorzugsweise in derselben imaginären geometrischen Ebene. Tatsächlich können die Anodenvorsprünge 18 und die Hauben 32 derart ausgebildet und angeordnet sein, daß sie eine Zirkulation des die Anode umgebenden Elektrolyten und eine Gaszirkulation in der Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten in vorbestimmter Weise leiten. Der anodenseitige Seitenscheider 26 wird mittels Widerstands- oder Kondensatorentladungsschweißung mit den inneren Endflächen 34 seiner eingebauchten Haüben 32 an die flachen Enden 28 der Anodenvorsprünge 18 durch die zwischengefügten, kompatibel verschweißbaren Vandiumscheiben 30 und die Titanscheiben 31 angeschweißt.

Als eine Anodenkomponente 36 ist ein im wesentlichen flaches Blech aus einem Streckmetall, ein gestanztes Blech, eine Metallstreifenanordnung oder ein gewebter Draht aus Titan vorgesehen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Anodenkomponente 36 eine katalytische Deckschicht, die ein Oxyd von Ruthenium enthält. Sie wird direkt an die Außenseiten von flachen Enden 38 der eingebauchten Hauben 32 des Seitenscheiders 26 angeschweißt. Diese Schweißstellen bilden eine elektrische Verbindung und ein mechanisches Haltemittel für die Anodenkomponente 36. Es können auch andere katalytische Deckschichten verwendet werden.

Es sei nochmals betont, daß die Anodenkomponente 36 nicht die Anode selbst sein muß. Sie kann vielmehr eine stromverteilende, planare Oberfläche haben, die die elektrische· Energie zu der Anode entweder direkt oder indirekt durch eine Mattenstruktur oder andere Elektrodenelemente leitet.

In Fig. 2 ist die Ionenaustausch mem bran 27 so dargestellt, daß siein einer Ebene zwischen der Anodenkomponente 36 einer Zelleneinheit 10 und einer Katoden komponente 46 der nächsten angrenzenden Zelleneinheit 10 angeordnet ist, um so eindeutig die anodenseitige Kammer und die katodenseitige Kammer der Zelle zu definieren, die zwischen dem planaren Tragabschnitt 14 jedes von zwei benachbarten ECTE's 12 angeordnet sind.

Repräsentativ für Typen von permselektiven Ionenaustausch membranen, die für die Anwendung in der Struktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, in Betracht gezogen werden, sind diejenigen, die in den US-PS'n 3909378,4329435, 4065366,4116688,4126588,4209635,4212713,4251333,4270996,4123336,4151053,4176215,4178218,4340680,4357218, 4025405,4192725,4330654,4337137, 4337211,4358412 u. 4358545 offenbart sind.

Es liegt selbstverständlich innerhalb des Schutzumfangsfür die vorliegende Erfindung, eine Vielzahl von Zellen vorzusehen, die mehr als eine Membran verwenden, beispielsweise eine Dreikammer-Zelle mit zwei Membranen, die einen Abstand voneinander aufweisen, um sowohl eine Kammer zwischen diesen als auch die Kammern, die auf sich gegenüberliegenden Seiten jeder Membran zwischen jeder Membran und deren jeweils benachbarter Zelleneinheit 10 liegen, zu bilden.

Der Ort der Anode 36 innerhalb der Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten in bezug auf den titanverkleideten Tragabschnitt 14 wird durch die Beziehungen zwischen den seitlichen Ausdehnungen des Flanschabschnitts 16 von dem Tragabschnitt 14 aus, die Ausdehnung der Anodenvorsprünge 18 von dem Tragabschnitt 14 aus, der Dicke der Vanadiumscheibe 30, der Dicke des anodenseitigen Seitenscheiders26 und dgl. bestimmt.£s ist leicht ersichtlich, daß die Anodenkomponente 36 durch Ändern der Ausdehnung der Anodenvorsprünge 18 von dem Tragabschnitt 14 aus in einer anderen Position angeordnet werden kann. Es kann indessen bevorzugt sein, daß sich der Flanschabschnitt 16 auf der Anodenseite des Tragabschnitts 14 um den gleichen Abstand wie die Anodenvorsprünge 18 von dem Tragabschnitt 14 aus erstrecken. Dies ergibt eine weitere Vereinfachung der Konstruktion des ETCE 12, weil ein maschinelles Planieren sowohl der Enden 28 der Anodenvorsprünge 18 als auch von Seitenflächen 16a des Flanschabschnitts 16 gleichzeitig in einer Weise durchgeführt werden kann, daß diese Oberflächen alle in derselben geometrischen Ebene liegen. Derselbe Aspekt gilt für gleiche Flächen 16c auf der Katodenseite des ECTE 12. Eine Abkehr von dieser bevorzugten Ausführung kann dann getroffen werden, wenn ein beträchtlicher Abstand zwischen einer Elektrodenkomponente und der Membran vorgesehen ist, beispielsweise um eine Mattenstruktur zu erhalten oder um einen elektrolytischen Spalt zu schaffen.

Zum Zwecke einer Flüssigkeitsdichtung zwischen der lonenaustauschmembran 27 und der Flansch-Seitenfläche 16 a wird es für den anodenseitigen Seitenscheider 26 bevorzugt, diesen in Form eines Troges mit einem abgewinkelten Rand 42 auszubilden, der sich um dessen Umfang herum erstreckt. Der Rand 42 paßt eben gegen die Seitenfläche 16a des Tragabschnitts 16. Der periphere Abschnitt der lonenaustauschmembran 27 paßt eben gegen ein erstes peripheres Dichtungsteil 44, das seinerseits gegen den Rand 42 des Seitenscheiders paßt. Ein zweites peripheres Dichtungsteil 45 paßt eben gegen die andere Seite des peripheren Abschnitts der lonenaustauschmembran 27. In einer Zellenreihe, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, paßt das Dichtungsteil 45 eben gegen einen abgewinkelten Rand 72 an dem katodenseitigen Seitenscheider oder gegen die seitliche Fläche 16c des Flanschabschnitts 16 auf der Katodenseite des nächsten benachbarten ECTE 12 und eben gegen die lonenaustauschmembran 27, wenn dort kein Seitenscheider 48 vorhanden ist. Es können unterschiedliche Dichtungsteile gewählt werden, um wahlweise eine Ma'ttenstruktur zu erhalten oder um einen elektrolytischen Spalt zu schaffen.

Obgleich die lonenaustauschmembran 27 so gezeigt ist, daß Dichtungsteile 44,45 auf jeder ihrer Seiten um deren peripheren Abschnitt herum angeordnet sind, erlaubt dieser Zellenaufbau die Verwendung nur eines Dichtungsteils auf einer der Seiten der Membran. . .

In manchen Fällen ist es erwünscht, einen Seitenscheider 48 vorzusehen, jedoch muß dieser nicht notwendigerweise vorhanden sein. Beispielsweise würdein der Elektrolyse von Natriumchlorid-Sole zum Erzeugen von Ätzflüssigkeit in der Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyten bei Konzentrationen unterhalb von 22% und bei Elektrolyttemperaturen bei der Katode unterhalb von ungefähr 85°C ein ECTE 12 aus eisenhaltigem Metall überlicherweise keinen Nickel-Seitenscheider48 benötigen, um das ECTE vor dem Elektrolyt bei der Katode zu schützen. Jedoch wird üblicherweise für eine derartige Sole-Elektrolyse bei Temperaturen des Elektrolyts bei der Katode oberhalb ungefähr 85⁰C und Ätzflüssigkeits-Konzentrationen oberhalb ungefähr 22% ein Nickel-Seitenscheider48 benötigt, um das Metall des ETCE 12 vor Korrosion durch den Elektrolyt zu schützen. In Fig. 2 u. Fig. 3 ist die Katodenseite (die linke Seite) des ETCE 12 so dargestellt, daß sie als Spiegelbild seiner Anodenseite in diesem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel erscheint. Der Flanschabschnitt 16 bildet die periphere Begrenzung der Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten, während der katodenseitige Seitenscheider 48 und die lonenaustauschmembran 27 die restlichen Begrenzungen bilden. Die einen Abstand voneinander aufweisenden Katodenvorsprünge 20 können massive zylindrische oder stumpfkegelförmige Vorsprünge sein, die sich nach außen von dem Tragabschnitt 14 aus in die Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten erstrecken. Die bevorzugte Abstumpfung der Kegel ergibt nahezu einen Zylinder. Die Form dieser Katodenvorsprünge 20 ist nicht kritisch. Sie sind an ihren Enden 40 vorzugsweise flach, und diese Enden 40 liegen alle vorzugsweise in derselben geometrischen Ebene. Dies trifft auch auf die eingebauchten Hauben 70 des katodenseitigen Seitenscheiders 48, der zuvor erläutert wurde, zu. Diese Katodenvorsprünge 20 und die Hauben 70 des Seitenscheiders können so geformt und so angeordnet sein, daß sie die Zirkulation des die Katode umgebenden Elektrolyten und die des Gases in vorbestimmter Weise leiten.

Wenn ein Seitenscheider auf der Seite der Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyten des ECTE 12 gewünscht wird, kann dieser leicht in der gleichen Weise, wie dies für den anodenseitigen Seitenscheider 26 zutrifft, geschaffen werden. Der katodenseitige Seitenscheider 48 ist aus einem Metall hergestellt, das hochwiderstandsfähig gegen korrosives Angreifen des Elektrolyten in der Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten ist. Das Metall muß ausreichend verformbar und verarbeitbar sein, um es aus einem einzigen Metallblechteil in die nichtplanare Form, die gezeigt ist, pressen zu können. Dies ergibt sich auch aus der Tatsache, daß stumpfkegelförmige Hauben 70 auszubilden sind, die in das Blech einzudrücken sind. Selbstverständlich müssen die Hauben 70 einen Abstand derart voneinander haben, daß sie sowohl über und um die einen Abstand voneinander aufweisenden Katodenvorsprünge 20 als auch die anderen Teile dieser Seite des ECTE 12 passen, welche Seite ansonsten dem Elektrolyt in der Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten ausgesetzt wäre. Es wird bevorzugt, daß dieser Seitenscheider 48 einen eingebauchten Rand 72 hat, der sich derart um dessen Umfang erstreckt, daß er gegen die seitliche Fläche 16c des Flanschabschnitts 16 auf der Seite des ECTE 12, die der Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten benachbart ist, stößt. Der Seitenscheider 48 wird vorzugsweise mit dem ECTE 12 durch Anschweißen mittels Widerstands- oder Kondensatorentladungsschweißung von inneren Endflächen 74 direkt in anstoßender Weise an die flachen Enden 40 der Katodenvorsprünge 20 verbunden. Das bedeutet, daß es vorzuziehen ist, daß das Metall des

Seitenscheiders 48 und das des ECTE 2 kompatibel miteinander verschweißbar sind. Wenn diese Metalle nicht kompatibel miteinander verschweißbar sind, werden metallische Zwischenstücke oder Kombinationen von metallischen Zwischenstücken verwendet, die mit dem Metall des Seitenscheiders 48 und dem des ECTE 12 kompatibel verschweißbar sind. Solche Zwischenstücke (nicht gezeigt) werden zwischen die flachen Enden 40 und die inneren Endflächen 74 eingefügt. Indessen sind derartige Zwischenstücke nicht notwendig, wenn der Seitenscheider 48 aus Nickel hergestellt ist und das ECTE aus einem verformbaren Eisen, wie dies bevorzugt wird, hergestellt ist.

Es sei angemerkt, daß die peripheren Ränder sowohl der Anodenkomponente 36 als auch der Katodenkomponente 46 einwärts in Richtung auf das ECTE 12 und weg von der lonenaustauschmembran 27 gebogen sind. Dies wird gemacht, um die in manchen Fällen ausgezackten Ränder dieser Elektrodenkomponenten daran zu hindern, die lonenaustauschmembran 27 zu berühren und einzureißen.

Die Katodenkomponente ist eine feindurchlöcherte, im wesentlichen planare Platte aus Nickel und wird an dem Nickel-Seitenscheider48 durch Anschweißen als eine Katode 46 an eine äußere Oberfläche 76 der Hauben 70, die in dem Seitenscheider 48 ausgebildet sind, angebracht. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Nickel-Katodenkomponente 46 eine katalytische Deckschicht auf sich und dient demzufolge als die Katode selbst. Sie kann gegen die lonenaustauschmembran 27 gepreßt werden, wie die benachbarte Titan-Anodenkomponente 36 gegen die lonenaustauschmembran gepreßt wird, um so nahezu keinen Spalt zwischen der lonenaustauschmembran 27 und den ihr benachbarten Elektroden entstehen zu lassen. Eine bevorzugte katalytische Deckschicht für die Nickel-Katodenkomponente 46 ist eine heterogene Mischung aus Nickeloxyd und Rutheniumoxyd. Ein bevorzugtes Verfahren zum Ablagern dieser Deckschicht ist in der US-Patentanmeldung Serial No.499, 626 offenbart, die am 31. Mai 1983 eingereicht worden ist. Selbstverständlich könnte die Nickel-Katodenkomponente 46 ohne katalytische Abdeckschicht vorgesehen sein, oder die Katodenkomponente könnte lediglich ein Übertragungsmittel für elektrische Energie sein, die aus einer Katode zugeführt wird, welche durch andere Elemente (nicht gezeigt) gebildet ist, die in die Membran eingebettet oder gegen sie gepreßt sind.

Sowohl die anodenseitige als auch die katodenseitige Kammer 22 bzw. 24 haben Einlaß- und Auslaßmittel zum Einführen von Rohmaterialien und zum Entleeren von Produktgasen und Produktflüssigkeiten. Diese Einlaß- und Auslaßmittel verlaufen durch den Flanschabschnitt 16 in dem ECTE 12. Die bevorzugten Einlaß- und Auslaßmittel sind am besten durch die anodenseitigen Kammerauslaßmittel gezeigt, deren verschiedene Komponenten (80 bis 85) in Fig. 1 und (180 bis 185) in Fig. 4 dargestellt sind. Ein seitlich offener Kanal 80 ist in dem Flanschabschnitt 16 auf dessen der Anode zugewandten Seite ausgebildet. In denTitan-Seitenscheider 26 ist eine Öffnung 81 eingeschnitten. Die Öffnung 81 in dem Seitenscheider 26 stimmt mit den Begrenzungen des Kanals 80 überein. Eine Düse 82 wird dicht ander Öffnung 81 in den Flansch des Seitenscheiders 26 in einer Weise eingeschweißt, daß der Boden der Düse 82 zumindest die Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten erreicht und die Oberseite der Düse 82 sich zumindest zu der Oberseite des Kanals 80 hin erstreckt, so daß keine auf der Anodenseite entstehenden Produkte das Eisen des Kanals 80 berühren können. Von den Seiten der Düse 82 erstrecken sich Schraubbefestigungsschuhe 83, so daß die Düse 82 an dem Flanschabschnitt 16 durch Schrauben 84 befestigt werden kann, die in gebohrte und mit Gewinde versehene Löcher 85 eingeschraubt werden, welche in dem Flanschabschnitt 16 ausgebildet sind.

Ein Einlaß für die Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten (nicht gezeigt) gleich dem Auslaß für die Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten, der zuvor beschrieben wurde, ist auf der unteren der Anode zugewandten Seite des Flanschabschnitts 16 ausgebildet. Einlaß- und Auslaßmittel (nicht gezeigt) für die anodenseitigen und katodenseitigen Kammern werden in gleicherweise wie der Auslaß für die Kammer für den die Anode umgebenden Elektrolyten gebildet, mit der Ausnahme, daß die Einlaß- und Auslaßmittel in dem Flanschabschnitt auf der Katodenseite des ETCE 12 ausgebildet werden, und mit der weiteren Ausnahme, daß die katodenseitigen Düsen aus Nickel anstelle von Titan hergestellt sind. Die bipolare Zelle arbeitet wie folgt:

Zulaufsole wird fortlaufend in die Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten über den Kammereiniaß für diese Kammer zugeführt, während frisches Wasser oder verdünnte Ätzlösung in die Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten über den Einlaß für diese Kammer zugeführt wird. An die Zellenreihe wird elektrische Spannung (Gleichspannung) in einer Weise gelegt, daß die Anode 36 jeder Zelle positiv in bezug auf die Katode 46 in dieser Zelle wird, d. h. daß der positive elektrische Leiter der Stromquelle elektrisch mit der Anode der Endzelleneinheit an einem Ende der Zellenreihe verbunden wird und daß der negative elektrische Leiter der Stromquelle elektrisch mit der Katode der Endzelleneinheit an dem anderen Ende der Zellenreihe verbunden wird. Mit Ausnahme des Falles depolarisierter Katoden oder Anoden verläuft die Elektrolyse wie folgt: An der Anode 36 wird fortlaufend Chlorgas erzeugt, und Natrium-Kationen werden durch die lonenaustauschmembran 27 zu der Kammer für den die Katode umgebenden Elektrolyten transportiert. In der katodenseitigen Kammer 24 werden fortlaufend Wasserstoffgas und eine wäßrige Lösung von Natriumhydroxid gebildet. Das Chlorgas und verarmte Sole strömen fortlaufend aus der Kammer 22 für den die Anode umgebenden Elektrolyten durch den Auslaß dieser Kammer, während das Wasserstoff gas und das Natriumhydroxid fortlaufend aus der Kammer 24 für den die Katode umgebenden Elektrolyten über den katodenseitigen Auslaß austreten. Depolarisierte Elektroden können verwendet werden, um die Erzeugung von Wasserstoff oder Chlor oder von beiden zu unterdrücken, wenn dies gewünscht wird.

Die Seitenscheider 26 und 48 können aus verschiedenen Blechteilen gebildet werden, die dichtend zusammengeschweißt werden können, um eine undurchlässige einzige Platte zu bilden. Dies macht es notwendig, daß sie so druckgeformt werden, daß sie stumpfkegelförmige Hauben 32 und 70 aufweisen. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf Hauben 32,70 beschränkt ist, die stumpfkegelförmig sind, oder niht auf Anoden- und Katodenvorsprünge 18 bzw. 20 beschränkt ist, die zylindrisch oder stumpfkegelförmig sind. Die Enden 28 und 40 der Anoden-und Katodenvorsprünge 18 und 20 sollten ausreichende Flächeninhalte aufweisen, mit denen elektrische Verbindungen zu deren betreffenden Elektroden hergestellt werden können, um einen elektrischen Pfad mit einem ausreichend niedrigen elektrischen Widerstand zu schaffen. Die Anoden- und Katodenvorsprünge 18 und 20 sollten derart einen Abstand voneinander aufweisen, daß sie einen nahezu gleichförmigen und ausreichend niedrigen elektrischen Potentialgradienten über die Seite der Elektrode, mit der sie verbunden sind, haben. Sie sollten einen Abstand derart voneinander aufweisen, daß sie eine freie elektrolytische Zirkulation von irgendeinem nichtbesetzten Punkt innerhalb deren betreffender Elektrolytkammer zu irgendeinem anderen unbesetzten Punkt innerhalb dieser Kammer ermöglichen. Daher sollten die Vorsprünge einen nahezu gleichförmigen Abstand voneinander in deren betreffenden Kammern aufweisen. Es sei angemerkt, daß, obgleich die Anoden- und Katodenvorsprünge 18 und 20 in einer Rückseiten- zu-Rückseiten-Beziehung auf dem Tragabschnitt 14 dargestellt sind, sie so nicht angeordnet sein müssen. Sie können gegeneinander versetzt angeordnet sein.

Die Materialien, aus denen die Anoden- und Katodenvorsprünge 18 u. 20 hergestellt sind, sind vorzugsweise dieselben wie die des ETCE 12, da es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, diese als integrale Teile des Zellenelements auszubilden. Die Metalle, aus denen die anodenseitigen und katodenseitigen Seitenscheider 26 u. 48 hergestellt sind, sind üblicherweise unterschiedlich voneinander, und zwar wegen der unterschiedlichen elektrolytischen Korrosion und der unterschiedlichen elektrolytischen Korrosionsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind. Dies gilt nicht nur für Chlor-Alkali-Zellenelektrolyte, sondern auch für andere Elektrolyte. Indessen sind einige Materialien in beiden Elektrolyten verwendbar. Daher müssen die ausgewählten Metalle so beschaffen sein, daß sie den Bedingungen angepaßt sind, denen sie später ausgesetzt sein können. Typischerweise ist Titan das bevorzugte Metall für den anodenseitigen Seitenscheider 26.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die monopolare Zelleneinheit, die durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist in Fig.4 gezeigt.

Mit Ausnahme der Anordnung und Positionierung dieser Zellenelemente besteht im wesentlichen der wichtigste Unterschied zwischen diesen und den bipolaren Zelleneinheiten in deren elektrischen Verbindungsmitteln. Ein zusätzlicher Unterschied besteht darin, daß eine bipolare Zelleneinheit ihre längste Ausdehnung in horizontaler Richtung hat, während eine monopolare Zelleneinheit ihre längste Ausdehnung in der vertikalen Richtung hat. Dieser Unterschied betreffend die längste Ausdehnung wird nur bevorzugt, ist jedoch nicht kritisch für Zellen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Es ist ersichtlich, daß das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung Zelleneinheiten-Strukturteile zum Zusammenbauen von monopolaren Zelleneinheiten erzeugt, die als bipolare Zelleneinheiten lediglich durch Umordnung der Seitenscheider und der Elektrodenkomponenten und durch Vorsehen eventuell notwendigerelektrischerVerbindungen verwendet werden können. Der Tragabschnitt weist nicht nur eine ausreichende Dicke auf, um das Gewicht entweder einer monopolaren oder einer bipolaren Zelleneinheit tragen zu können, sondern ist auch ausreichend dick (zumindest etwa 1 cm), um einen sehr niederohmigen elektrischen Pfad für die monopolaren Zelleneinheiten zu schaffen. Diese Kombination von Merkmalen führt zu einem neuartigen, einfachen, austauschbaren ECTE, das wirtschaftlich herzustellen und wirtschaftlich mit anderen Zellenteilen zusammenzubauen ist, um entweder eine monopolare oder eine bipolare Zelleneinheit zu schaffen, die wirtschaftlich zu betreiben ist und die eine lange ausnutzbare Lebensdauer hat.

In der monopolaren Zelleinheit, die in Fig.4 gezeigt ist, sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Teile der bipolaren Zelleneinheit 10 gemäß Fig. 1 bis Fig. 3 verwendet, denen jedoch die Ziffer „1" vorangestellt ist.

In der monopolaren Anodenzelleneinheit 110, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist das Einheits-ECTE 112mitAnoden-Seitenscheidem 126 auf sich gegenüberliegenden Seiten desselben ausgestattet, um so Kammern für den die Anode umgebenden'EI'ektrolyten auf den sich gegenüberliegenden Seiten eines Tragabschnitts 114 zu bilden. Die Zelleneinheit 110 ist des weiteren mit einer Anodenkomponente 136 und einer lonenaustauschmembran 127 versehen, um im wesentlichen die strukturellen Komponenten der Anodenzelleneinheit zu vervollständigen. Wenn die Zelleneinheit eine Katodenzelleneinheit ist, sind die elektrischen Verbindungsmittel derart angeschlossen, daß das ECTE 112 katodisch betrieben wird, wobei die Elektroden auf sich gegenüberliegenden Seiten des ECTE 112 die Katoden sind, um Kammern für den die Katode umgebenden Elektrolyten auf den sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts 114 zu bilden.

Selbstverständlich haben die monopolaren Anoden- u. Katoden-ECTE's jeweils ein elektrisches Verbindungsmittel, nämlich ein Anoden- bzw. Katodenbus-Anschlußmittel in Form eines Klemmstücks 190. Dieses Verbindungsmittel ist an einem Flanschabschnitt 116 angebracht. Andererseits bestehen die vorrangig beutenden strukturellen Unterschiede zwischen den monopolaren und bipolaren Zelleneinheiten darin, daß in einer bipolaren Zelleneinheiten darin, daß in einer bipolaren Zelleneinheit einer Seite Teile hat, die an eine Verwendung in einer Anodenumgebung angepaßt sind, während die gegenüberliegenden Seite Teile hat, die an eine Verwendung in einer Katodenumgebund angepaßt sind, wogegen in einer" monopolaren Zelleneinheit beiden Seiten für denselben Elektrolyt ausgelegt sind. Wenn die Teile jedoch derart beschaffen sind, daß sie zwischen monopolaren und bipolaren Zelleneinheiten austauschbar sind, besteht alles, was jemand vor dem Zusammenbauen dieser Teile zu tun hat, darin, zu bestimmen, welchen Typ von Zelleneinheit er für seine speziellen Zellenreihen wünscht, bevor er die Teile, die aus einer Gruppe von Teilen entnommen werden, welche gemäß dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zusammenzubauen sind, zusammenbaut.

Daher wird, wenn eine monopolare Anodenzelleneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung gewünscht wird, ein Titan-Seitenscheider 26 an jeder Seite des ECTE 12 angebracht, woraufhin das Anbringen der Anode 36 an jedem der Seitenscheider erfolgt. Für die Katodenzelleneinheiten für diese Zellenreihe wird ein Nickel-Seitenscheider 48 an jeder Seite des ECTE 12 angebracht, woraufhin das Anbringen einer Katodenkomponente 46 an jedem der Seitenscheider 48 erfolgt. Vorstehend wurde eine Verfahrensart zum Herstellen und Zusammenbauen einer Zelleneinheit einer Filterpressen-Zellenreihe sowohl aus monopolaren als auch aus bipolaren Zellenreihen für elektrochemische Filterpressen beschrieben. Ein notwendiger Schritt zum Vervollständigen des Zusammenbauens irgendeiner Filterpressen-Zellenreihe besteht in der Bestimmung der ArtdesZuführens von elektrischer Energie zu der Zellenreihe. Eine betriebsfähige bipolare Zellenreihe wird durch Verbinden einer positiven elektrischen Stromquellenleitung oder eines entsprechenden Leiters mit einem Ende der Zellenreihe und einer negativen Stromquellenleitung oder eines entsprechenden Leiters mit dem anderen Ende der Zellenreihe gebildet, wobei die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Leitern oder Leitungen über die dazwischenliegenden Zelleneinheiten der Reihe gelegt wird. Eine elektrochemische monopolare Filterpressen-Zellenreihe wird vollständig gebildet, wenn sich abwechselnde Zelleneinheiten der Zellenreihe jeweils mit einer positiven bzw. einer negativen elektrischen Stromversorgungsklemme verbunden werden. Das bedeutet, daß jede zweite Zelleneinheit einer monopolaren Zellenreihe mit dem positiven Pol einer elektrischen Stromquelle verbunden wird, während die dazwischenliegenden anderen Zelleneinheiten jeweils mit dem negativen Pol der elektrischen Stromquelle verbunden werden.

Es werden Anoden- oder Katoden-Klemmstücke 190, die dazu verwendet werden, die Stromquelle mit der monopolaren Anodenzelleneinheit bzw. der monopolaren Katodenzelleneinheit zu verbinden, bevorzugt, die integral mit den betreffenden ECTE's 12 gegossen werden können, was aber nicht unbedingt notwendig ist.

Beispiel:

Es wurden vier Übertragungselemente für elektrischen Strom für einen 61 cm χ 61 cm-Nominal-Monopolar-Elektrolyseur gegossen.

Alle Übertragungselemente für elektrischen Strom wurden aus ASTM A536, GRD65-55-12-Schmiedeeisen gegossen und waren in bezug auf ihre Rohgußabmessungen identisch. Die fertiggestelten Gußteile wurden inspiziert und in ihrer strukturellen Beschaffenheit für in Ordnung und frei von irgendwelchen Oberflächenfehlern befunden. Die wesentlichen Abmessungen waren: 61cm χ 61cm Nominal-Außenabmessungen, 2 cm Dicke des Tragabschnitt 16,2,5 cm Durchmesser der Vorsprünge, die auf jeder Seite des Tragabschnitts angeordnet waren und direkt eineinander gegenüberstanden, 2,5cm Breite der Dichtungsfläche und 6,4cm Dicke um den Umfang des Zellengußteils herum. Maschinell bearbeitete Flächen beinhalten die Dichtungsflächen (beide Seiten parallel) und dieOberseitenflächejedes Vorsprungs (alle Flächen in einer einzigen Ebene und parallel zu der gegenüberliegenden Seite verlaufend maschinell bearbeitet). Es waren 16 Vorsprünge auf jeder Seite vorgesehen.

Die Katodenzelle enthielt 0,9 mm dicke schützende Nickel-Seitenscheider auf jeder Seite der Zelleneinheit. Einlaß- und Auslaßdüsen, die ebenfalls aus Nickel hergestellt waren, wurden vor einer Punktschweißung der Seitenscheider an die Zelleneinheit an diese Seitenscheider angeheftet. Der endgültige Zusammenbau beinhaltete ein Punktschweißen katalytisch beschichteter Nickelelektroden an die Seitenscheider an jedem Ort eines Vorsprungs.

Der Abstand zwischen den Ebenen der Enden der Vorsprünge betrug 58,2 mm für die monopolare Katodenzelle, was mit der ECTE-Dicke korrespondierte. Die Zellendicke über alles von der Außenseite einer Nickel-Elektrodenkomponente zu der Außenseite der anderen Nickel-Elektrodenkomponente betrug 69,2 mm. Demzufolge betrug die ECTE-Dicke 92% der Gesamtdicke.

Die Endkatodenzelle war ähnlich der Katodenzelle mit der Ausnahme, daß auf der einen Seite der ersteren kein schützender Nickel-Seitenscheider erforderlich war und daß eine diesem ansonsten zugeordneten Nickelelektrode fehlte.

Die Anodenzelle enthielt 0,9 mm dicke schützende Titan-Seitenscheider auf jeder Seite des ECTE. Einlaß- und Auslaßdüsen, die ebenfalls aus Titan hergestellt waren, wurden vor der Punktschweißung der Seitenscheider an das ECTE an diese Seitenscheider mittels Schweißung angeheftet. Der endgültige Zusammenbau beinhaltete ein Punktschweißen von Titanelektroden an die Seitenscheider an jedem Ort eines Vorsprungs durch zwischen liegende Vanadium- und Titan-Scheiben, die Anoden waren mit einer katalytischer! Schicht aus gemischten Oxyden von Ruthenium und Titan bedeckt.

Die Endanodenzelle war ähnlich der Anodenzelle mit der Ausnahme, daß kein schützender Titan-Seitenscheider auf der einen Seite der Endanodenzelle erforderlich war und daß eine diesem ansonsten zugeordnete Titan-Elektrode fehlte.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Übertragungselements für elektrischen Strom für elektrochemische Filterpressen-Zelleneinheiten, das als eine Hauptkomponente einer aus einer Vielzahl von sich wiederholenden Zelleneinheiten verwendbar ist, die zwischen zwei Endzellen einer Zellenreihe angeordnet sind, welches Verfahren einen Schritt zum Bilden des Übertragungselements für elektrischen Strom aus einem elektrisch leitenden Metall durch Gießen geschmolzenen Metalls in eine Gießform enthält, wobei das Innere der Gießform derart ausgebildet ist, daß das Übertragungselement einen planaren Tragabschnitt, einen rahmenförmigen Flanschsabschnitt, der sich um einen peripheren Randabschnitt des Tragabschnitts herum erstreckt, welcher periphere Begrenzungen von Elektrodenkammern bildet, die auf sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts angeordnet sind, und eine Vielzahl von Vorsprüngen aufweist, die nach außen von den sich gegenüberliegenden Seiten des Tragabschnitts vorstehen, wobei das Übertragungselement aus einem integral ausgebildeten, einteiligen, strukturierkten Element besteht, und wobei das Übertragungselement nach Abkühlung aus der Gießform entnommen wird, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (12; 112; 212) Anschlußstücke (190; 290) für zumindest einen elektrischen Strom führenden Leiter enthält, die auf dem Tragabschnitt (14; 114; 214) oder dem Flanschabschnitt (16; 116; 216) des Übertragungselements (12; 112; 212) vorgesehen sind, wobei die Anschlußstücke (190; 290) ausschließlich für die Endzelleneinheiten einer bipolaren Zellenreihe oder für jede der Zelleneinheiten einer monopolaren Zellenreihe benutzt werden.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Bilden eines Seitenscheiders (26; 126) für zu mindest eine Seite der sich gegenüberliegenden Seiten desÜbertragungselentes(12; 112) für elektrischen Strom aus zumindest einem Metallblechteil, das undurchlässig für den Elektrolyten und chemisch nichtreagierend auf denselben ist, dem es ausgesetzt wird, wobei der Seitenscheider (26; 126) derart gebildet wird, daß es die betreffende Seite bedeckt und im wesentlichen mit der Form des Übertragungselements (12; 112) für elektrischen Strom übereinstimmt und Hauben (32; 132) aufweist, die in den Seitenscheider (26; 126) in einer Weise eingedrückt sind, daß der Seitenscheider (26; 126) elektrisch und mechanisch mit den Vorsprüngen (18; 118) auf der genannten Seite des Übertragungselements (12; 112) für elektrischen Strom durch Schweißen verbunden werden kann, und Anschweißen zumindest einer Anzahl der Hauben (32; 132) des Seitenscheiders (26; 126) an die Vorsprünge (18; 118).

3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schritt zum Anschweißen des Seitenscheiders (26; 126) an die Vorsprünge (18; 118) des Übertragungselements (12; 112) für elektrischen Strom durch ein Metallteil (30; 31; 130; 131), das zwischen den Vorsprüngen (18; 118)

. und dem Seitenscheider (26; 126) angeordnet ist, wobei das zwischenliegende Metallteil (30; 31; 130; 131) aus einem Metall besteht, das kompatibel mit beiden Metallen, nämlich dem des Übertragungselements (12; 112) für elektrischen Strom und dem des Seitenscheiders (26; 126) verschweißbar ist.

4. Verfahren nach Punkt 1,2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Übertragungselement (12; 112) für elektrischen Strom aus einem eisenhaltigen Metall hergestellt ist und daß der Seitenscheider (26; 126) aus einem Metall, das aus Titan und Nickel ausgewählt ist, hergestellt ist.

5. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet durch Anschweißen einer im wesentlichen planparallel angeordneten Elektrodenkomponente, namentlich einer Anode oder Katode, an die Vorsprünge des Ubertragungselements oder an den Seitenscheider.

6. Verfahren nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Seitenscheider (26; 126) an zumindest einer Seite des Übertragungselements (12; 112) für elektrischen Strom zwischen dem Übertragungselement (12; 112) und der Elektrodenkomponente (36; 136) angebracht wird, um dadurch die Elektrodenkomponente (36; 136) an dem Seitenscheider (26; 126) ansteile des Ubertragungselements (12; 112) anliegen zu lassen.

7. Verfahren nach einem der Punkte 2 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Seitenscheider Eindrücke in dem Blech vorgesehen werden, derart, daß die Eindrücke über die Vorsprünge passen, wobei das Anbringen des Seitenscheiders an den Seiten des Übertragungselements durch Anschweißen zumindest der Hälfte der Eindrücke an die Vorsprünge durchgeführt wird, die auf jeder Seite der Übertragungselemente angeordnet sind.

Hierzu 9 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Zelleneinheit für eine von sich wiederholenden Einheiten einer Reihe von „bipolaren" Elektroden von Elektrolysezellen, die in einer Konfiguration angeordnet sind, die allgemein als Filterpressen-Zellenreihe bezeichnet wird. Überraschenderweise bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf ein Verfahren zum Verwenden nahezu derselben Zelleneinheit für eine der sich wiederholenden Einheiten einer Reihe von „monopolaren" Elektrolysezellen. Monopolare Zellen, die in einer Filterpressen-Konfiguration angeordnet sind, sind dem Fachmann bekannt. Was nicht bekannt ist, ist die Möglichkeit, ein flüssigkeitsundurchlässiges Strukturelement, d.h. ein Übertragungselement für elektrischen Strom, sowohl in einer bipolaren als auch in einer monopolaren Zellenkonfiguration zu verwenden. Dies ist wegen der unterschiedlichen innewohnenden elektrischen Stromübertragungseigenschaften, die für eine Elektrode, die in einer monopolaren oder einer bipolaren Zellenanordnung benötigt werden, überraschend. Die Strukturvon bipolaren Zellen betrifft Zellen, die im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige, planare lonenaustauschmembranen verwenden, die zwischen flachseitigen, im wesentlichen parallelen, feindurchlöcherten Elektroden, d.h. Metall-Anoden und -Katoden angeordnet sind, wenn diese Elektroden in einem Abstand von der flüssigkeitsundurchlässigen Struktur montiert sind, die benachbarte Elektrolysezellen körperlich voneinander trennt. Solche Zellen sind insbesondere in der Elektrolyse wäßriger Lösungen von Alkalimetallchloriden anwendbar, insbesondere in der Elektrolyse wäßriger Lösungen von Natriumchlorid. Die Zellenstruktur kann auch beim Elektrolysieren anderer Lösungen verwendet werden, um Produkte₍wie Kaliumhydroxid, Jod, Brom, Bromsäure, Perschwefelsäure, Chlorsäure, Adipinsäurenitril und andere organische Verbindungen herzustellen, die durch Elektrolyse gewonnen werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Idealerweise ist die Zwischenraumbreite zwischen der Anode und der Katode gleichförmig groß, um eine gleichförmige Stromdichte verteilt über die Oberflächen der Elektroden zu erzielen. Unter anderem bewirkt eine Strukturverformung eine Veränderung dieses Zwischenraums, was dazu führt, daß einige Teile der Anode und der Katode näher als andere zusammenliegen. An diesen Orten ist der elektrische Widerstand kleiner, und der elektrische Stromfluß ist höher. Auf diese Weise ist die elektrisch bedingte Erwärmung größer. Diese elektrisch bedingte höhere Erwärmung ist in einigen Fällen ausreichend, um die Membran an diesen Stellen zu beschädigen. Die Stellen mit unannehmbar hoher elektrischer Stromkonzentration und großer Wärmeentwicklung werden hier als „heiße Punkte" bezeichnet. Um diese „heißen Punkte" zu vermeiden, wurden bisher beim Stand der Technik die Zellenstrukturen mit einer größeren Zwischenraumbreite als erforderlich zwischen der Anode und der Katode jeder der Elektrolysezellen ausgelegt. Dies erhöht selbstverständlich die Zellenbetriebsspannung und senkt den Zellenbetriebs-Wirkungsgrad. Die Kompliziertheit der Konstruktion und der Herstellung ist ein weiterer Nachteil derartiger Zellen.

Mit Ausnahme der Strukturen, die für die Endzellen einer bipolaren Zellenreihe verwendet werden, sind die Strukturen für die Zwischenzellen in den Reihen gleicheZellenstruktur-Einheiten, diezusammengepreßtwerden. BeispielefürderartigeZellen, die in Zellenreihen betrieben werden, sind in den US-PS 4111779, 4017375, 4364815, 4115236, 3960698, 3859197, 3752757, 4194670, 3788966, 3884781,4137144 und 3960699 offenbart.

Monopolare Zellen unterscheiden sich zu nächst von bipolaren Zellen darin, daß jede Anode und jede Katode dieser ZeI I en in den Reihen jeweils elektrisch parallelgeschaltet sind und nicht in elektrischer Reihenschaltung, wie dies bei bipolaren Zellen der Fall ist, miteinander verbunden sind. Das bedeutet, daß in typischen monopolaren Zellenreihen die Anode jeder Zelle elektrisch durch deren periphere Zellenstruktur mit derselben positiven elektrischen Versorgungsspannungsquelle wie jede der anderen Anoden der Zellen in den Reihen verbunden ist, so daß jede Anode im wesentlichen auf dem gleichen absoluten Spannungspotential liegt. In gleicherweise ist die Katode jeder monopolaren Zelle durch deren periphere Zellenstruktur mit derselben negativen elektrischen Versorgungsspannungsquelle wie jede der anderen Zellen-Katoden in den Reihen verbunden, so daß jede Katode in den monopolaren Zellenreihen im wesentlichen auf dem gleichen absoluten Spannungspotential liegt. Auf diese Weise sind, obwohl die Zellen in einer monopolaren Konfiguration körperlich in einer Seite-an-Seite-Reihenkonfiguration angeordnet sind, trotzdem deren gleiche Elektroden in einer elektrisch parallelen Konfiguration miteinander verbunden. Ein monopolarer Zellenaufbau kann als Stapel oder Reihe bezeichnet werden. Zwei oder mehr monopolare Zellenaufbauten können elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sein. Im Gegensatz dazu sind die Elektroden in einer bipolaren Zellenreihe in einer elektrischen Reihenschaltung anstelle einer elektrischen Parallelschaltung miteinander verbunden. In einer bipolaren Zellenreihe ist der positive stromführende elektrische Leiter nur mit der Anode einer der zwei Endzellen der bipolaren Reihe verbunden, und der negative elektrischen Strom führende Leiter ist an die Katode der anderen Endzelle geführt, die an dem gegenüberliegenden Ende der bipolaren Zellenreihe angeordnet ist. Es wird ein hohes Gleichspannungspotential von einer Quelle derart an die Leiter gelegt, daß ein elektrischer Strom von Zelle zu Zelle in der bipolaren Zellenreihe fließt. Zwei oder mehr bipolare Zellenreihen können elektrisch parallel miteinander verbunden sein.