DE2735237C2 - Bipolare Elektrode zur Verwendung in einer Membran- oder Diaphragmaelektrolysezelle - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode gemäß dem Oberbegriff des vorstehenden Patentanspruchs 1.
• Bei Elektrolysezellen, die unter Verwendung solcher bipolarer Elektroden aufgebaut sind, stehen die Diaphragmen oder Membranen im allgemeinen mit der Kathodenplatte in Kontakt, um einen geringen Anoden/Kathoden-Abstand zu erzielen und damit niedrige Ohmsche Verluste zu erreichen. Die bipolaren Elektroden müssen sehr eben sein, um Schädigungen der Diaphragmen oder Membranen zu vermeiden. Außerdem muß beim Aufbringen des elektrokatalytisch aktiven Überzugs eine Erhitzungsbehandlung vorgenommen werden, die nicht zu einem Verziehen der Elektrode führen darf. Schließlich muß beim Einbau der bipolaren Elektroden in eine Elektrolysezelle sehr darauf geachtet werden, daß die Diaphragmen oder Membranen nicht beschädigt werden.
• Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine bipolare Elektrode der geschilderten Art so zu verbessern, daß sie die Anwendung sehr geringer oder sogar beim Nullwert liegender Anoden/Kathoden-Abstände in solchen Zellen ohne Schädigung der Diaphragmen oder Membranen gestattet, wobei bei ihrer Herstellung nicht die außerordentliche Sorgfalt erforderlich ist, welche bei bipolaren Elektroden mit Plattenanordnung notwendig ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des vorstehenden Patentanspruchs 1.
• Aus der US-PS 19 07 812 ist eine Elektrolysezelle bekannt, deren Elektrodenplatten quer verlaufende Rippen aufweisen, auf welchen senkrecht verlaufende, in Richtung des Diaphragmas gewölbte Federblätter in parallelen Reihen angeordnet sind. In der zusammengebauten Elektrolysezelle liegen diese Federblätter direkt am Diaphragma an. Da diese Federblätter gebogen sind, besteht die Neigung, daß sie in das Diaphragma einschneiden, an welchem sie anliegen. Da diese Federblätter außerdem verhältnismäßig starr und unbeweglich sind, kann es beim Zusammenbau der Elektrolysezelle zu einer Schädigung des Diaphragmas kommen. Diese Nachteile treten nicht auf, wenn die erfindungsgemäßen bipolaren Einheiten in eine Elektrolysezelle eingebaut werden.
• Das Metall der Kathodenseite ist üblicherweise Eisen oder Stahl, insbesondere Flußstahl.
• Vorzugsweise verlaufen die Teile der Drähte oder Stäbe, die in einer im seitlichen Abstand von der jeweiligen Elektrodenoberfläche befindlichen Ebene liegen, parallel zueinander.
• Es wird weiterhin bevorzugt, daß nur die Drähte oder Stäbe auf der Kathodenseite eine Schleife aufweisen, weil das Kathodenmaterial im allgemeinen billiger ist und es preislich weniger ins Gewicht fällt, wenn diese Drähte oder Stäbe in Form einer Schleife gebogen sind.
• Die Drähte oder Stäbe, die eine Schleife bilden, geben beim Einbau der bipolaren Elektroden in eine Elektrolysezelle nach, so daß es zu keinen Schädigungen der zwischen den Elektroden angeordneten Diaphragmen oder Membranen kommt. Da die Drähte oder Stäbe sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite direkt an den Diaphragmen oder Membranen anliegen können, werden außerordentlich kurze Anoden/Kathoden-Abstände erreicht.
• Für die Drähte oder Stäbe eignen sich Stärken im Bereich von 1 bis 6 mm, vorzugsweise von 2 bis 4 mm, z. B. von 3 mm.
• Die Drähte oder Stäbe auf der Anoden- und der Kathodenplatte können durch Schweißen (z. B. Kondensatorentladungsschweißen) angebracht werden.
• Unter einem "filmbildenden Metall" ist im vorliegenden Rahmen eines der Metalle Titan, Zirconium, Niob, Tantal oder Wolfram oder eine Legierung davon zu verstehen, die hauptsächlich aus einem der genannten Metalle besteht und anodische Polarisationseigenschaften aufweist, welche mit jenen des entsprechenden Metalls vergleichbar sind. Vorzugsweise wird Titan alleine oder eine Titanlegierung mit entsprechenden Polarisationseigenschaften verwendet. Beispiele für solche Legierungen sind Titan/ Zirconium-Legierungen mit bis zu 14% Zr, Titanlegierungen mit bis zu 5% eines Platingruppenmetalls (wie Pt, Rh oder Tr) sowie Legierungen von Titan mit Niob oder Tantal, die bis zu 10% des Legierungsbestandteils enthalten.
• Der elektrokatalytisch aktive Überzug ist ein leitender Überzug, der gegenüber einem elektrochemischen Angriff resistent, jedoch hinsichtlich der Übertragung von Elektronen zwischen dem Elektrolyten und der Anode aktiv ist. Zumindest jene Teile der Drähte oder Stäbe, die seitlich im Abstand von der Anodenplatte angeordnet sind, weisen zweckmäßig einen elektrokatalytisch aktiven Überzug auf. Nach Bedarf können die gesamten Drähte oder Stäbe mit einem solchen Überzug versehen sein.
• Das elektrokatalytisch aktive Material besteht zweckmäßig aus mindestens einem Metall der Platingruppe oder einer Legierung dieser Metalle. Bevorzugt werden Oxide dieser Metalle verwendet. Diese werden vorzugsweise auch mit Oxiden anderer Metalle gemischt. Geeignete solche Oxide sind z. B. Oxide der filmbildenden Metalle, insbesondere Titan.
• Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zum Aufbringen solcher elektrokatalytisch aktiver Überzüge, bevorzugt wird jedoch eine Anstrich/Brenn-Methode. Bei dieser Methode wird ein Überzug dadurch erzeugt, daß eine Schicht eines Überzugsmittels aufgebracht wird, welches thermisch zersetzliche Verbindungen jedes der für den fertigen Überzug vorgesehenen Metalle in einem flüssigen Medium enthält, worauf dann das flüssige Medium durch Abdampfen entfernt und die trockene Schicht bei 250 bis 800°C gebrannt wird, um die Metallverbindung zu zersetzen und den Überzug mit der gewünschten Zusammensetzung herzustellen.
• Die Anodenplatte und die Kathodenplatte können beispielsweise durch Weich- oder Hartlöten miteinander verbunden werden.
• Die erfindungsgemäßen Elektroden eignen sich insbesondere für die Herstellung von Chlor durch Elektrolyse von wäßrigen Alkalichloridlösungen, insbesondere Natriumchloridlösungen.
• Die Erfindung wird durch die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
• Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße bipolare Elektrode;
• Fig. 2 eine Ansicht der Kathodenseite der bipolaren Elektrode von Fig. 1; und
• Fig. 3 einen Schnitt durch eine Elektrolysezelle, die eine bipolare Elektrode, eine Endkathode, eine Endanode sowie Trennwände zwischen den Anoden und Kathoden aufweist.
• Gemäß Fig. 1 besitzt die bipolare Elektrode eine Anode, die aus einem Titanblech 1 besteht, das mehrere, praktisch steife, 3 mm starke Titandrähte 2 trägt, welche jeweils eine einzelne Krümmung 3 aufweisen und durch Kondensatorentladungs-Bolzenschweißung bei 4 mit dem Blech 1 verbunden wurden. Die Drähte 2 weisen jeweils einen geraden Teil 5 auf, der parallel zum Blech 1 verläuft und seitlich im Abstand von diesem angeordnet ist. Die Drähte 2 sind in übereinander befindlichen Reihen derart angeordnet, daß die geraden Teile 5 in jeder Reihe im wesentlichen parallel zueinander sind und in einer Ebene liegen. Gemäß den Fig. 1 und 2 besteht der Kathodenteil der bipolaren Elektrode aus einem Flußstahlblech 6, das mehrere 3 mm starke Flußstahldrähte 7 trägt, welche durch Kondensatorentladungs-Bolzenschweißung bei 8 mit dem Blech 6 verbunden wurden. Die Drähte 7 weisen gerade Teile 9 sowie Krümmungen 10, 11 auf, durch welche eine Schleife gebildet wird, die den Drähten Flexibilität verleiht. Die Drähte 7 sind übereinander in Reihen derart angeordnet, daß die geraden Teile 9 jeder Reihe praktisch parallel zueinander verlaufen und in einer Ebene liegen.
• Die Titan-Anodendrähte 2 weisen zumindest über dem geraden Teil 5 einen elektrokatalytisch aktiven Überzug auf.
• Die Rückseite des Titanblechs 1 ist elektrisch leitend mit dem Flußstahlblech 6 verbunden. Die bipolaren Elektroden werden vorzugsweise durch Anlöten von Titanblechen, die unter Anwendung von Ultraschall vorverzinnt wurden, an ein vorverzinntes Flußstahlblech hergestellt.
• Gemäß Fig. 3 enthält die Elektrolysezelle eine bipolare Elektrode des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Typs.
• Die Zelle beinhaltet ferner eine Endanode 12 aus Titanblech, die mehrere, im wesentlichen steife, mit einem elektrolkatalytisch aktiven Überzug versehene Titandrähte 13 trägt, sowie eine Endkathode 14 aus Flußstahlblech, die mehrere zu Schleifen geformte, flexible Flußstahldrähte 15 trägt.
• Eine Trennwand 16 ist zwischen den Drähten der Endanode 12 und den Drähten der Kathode 6 der bipolaren Elektrode angeordnet und steht mit diesen Drähten in Kontakt, während eine Trennwand 17 mit den Drähten der Endanode 14 und den Drähten der Anode 1 der bipolaren Elektrode angebracht ist und mit diesen Drähten in Berührung steht. Dadurch werden Anoden- und Kathodenkammern gebildet. Die Trennwände können z. B. poröse Diaphragmen oder Kationenaustauschmembranen sein.
• Die in Fig. 3 gezeigte Elektrolysezelle enthält nur eine bipolare Elektrode. Im allgemeinen enthalten die Zellen jedoch mehrere solche Elektroden.

Claims (4)

1. Bipolare Elektrode zur Verwendung in einer Membran- oder Diaphragmaelektrolysezelle, bestehend aus einer Anodenplatte aus einem filmbildenden Metall und einer damit elektrisch leitend verbundenen Kathodenplatte aus Metall, wobei auf der Anodenseite der Elektrode ein elektrokatalytisch aktiver Überzug vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Anodenseite der Elektrode eine Anzahl von Drähten oder Stäben (2) aus einem filmbildenden Metall, die den elektrokatalytisch aktiven Überzug tragen, und an der Kathodenseite der Elektrode eine Anzahl von Drähten oder Stäben (7) aus Metall jeweils elektrisch leitend befestigt sind und daß die Drähte oder Stäbe jeweils mit einem freien Ende an der Elektrode (bei 4 bzw. 8) befestigt und so gebogen sind, daß ein Teil (5 bzw. 9) derselben in einer seitlich im Abstand von der jeweiligen Elektrodenoberfläche und zu dieser parallel verlaufenden Ebene liegt, wobei wenigstens auf einer Elektrodenseite die Drähte oder Stäbe zwischen ihrer Befestigungsstelle und dem in der genannten Ebene verlaufenden Teil in Form einer Schleife (bei 10 und 11) gebogen sind.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenplatte (6) samt den daran befestigten Drähten oder Stäben (7) aus Eisen oder Stahl besteht.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (5 bzw. 9) der Drähte oder Stäbe, die in einer seitlich im Abstand von der jeweiligen Elektrodenoberfläche verlaufenden Ebene liegen, parallel zueinander verlaufen.

4. Elektrode nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Drähte oder Stäbe (7) auf der Kathodenseite eine Schleife aufweisen.