DE1567964A1

DE1567964A1 - Kathodenstruktur fuer elektrolytische Zellen

Info

Publication number: DE1567964A1
Application number: DE19671567964
Authority: DE
Inventors: Emery Alvin T; Ruthel Walter W
Original assignee: Hooker Chemical Corp
Current assignee: Hooker Chemical Corp
Priority date: 1966-05-16
Filing date: 1967-05-16
Publication date: 1970-10-08
Also published as: NL135673C; GB1168715A; FI50145B; ES340556A1; NL6706798A; BE698533A; US3493487A; SE371939B; US3464912A; SE341176B; FI50145C

Description

Dipl-Ing. F.Weickmann, Dr. Ing. A/Weickmann, Dipi^-Ing. H.Weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanwälte

8 MÖNCHEN^/, mdhlstkasse 22, rufnummer «3921/22 "] 567964

Case 1669/1670

HOOKEH CHEMICAL CORPORATION Niagara Falls, N.Y., USA

Kathodenstruktur für elektrolytisch Zellen

Die Erfindung befaßt sich mit elektrolytischen Zellen zur Elektrolyse von wässrigen lösungen und insbesondere mit der Kathodenstruktur einer elektrolytischen Zelle vom Diaphragmatyp, die besonders zur Elektrolyse von wässrigen, alkalichloridhaltigen Lösungen geeignet ist.

Chloralkalidiaphragmazellen werden in weitem Umfang seit vielen Jahren zur Herstellung von Chlor, Alkalien und Wasserstoff verwendet. Im Verlauf der Jahre wurden diese Zellen zu einem solchen Ausmaß vervollkommnet, daß hohe Betriebswirksamkeiten, bezogen auf die eingesetzte elektrische Energie, erhalten werden. Die neuesten Entwicklungen von Diaphragmachloralkalizellen bestanden in Verbesserungen zur Erhöhung der

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Produktionskapazität der Einzelzellen, wodurch eine höhere Produktionsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Zellraumfläche erhalten wurde. In letzter Zeit wurden Chloralkalizellen entwickelt, die zur Verwendung mit einer größeren Stromstärke als 55000 Ampere je Zelle geeignet sind. Um hohe Wirksamkeiten von Ghloralkalidiaphragmazellen mit derartig hoher Stromkapazität im Vergleich zu den üblicheren Zellen mit niedrigerer Spannung von etwa 30 000 Ampere oder niedriger zu erhalten, wurden verschiedene strukturelle Verbesserungen für diese Hochspannungszellen entwickelt, um deren Strom- und Kraftwirksamkeit aufrechtzuerhalten oder zu erhöhen. Lediglich eine Vergrößerung der fiinzelbestandteile derartiger Zellen ergeben, obwohl sie wirksame Zellen erlauben, nicht stets die günstigsten Wirksamkeiten, wenn man Konstruktionskosten und Betriebsverhalten berücksichtigt.

Mit der erhöhten Größe der elektrolytischen Zellen traten Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der relativ engen Toleranzen der Anodenblattanordnung hinsichtlich der durchlöcherten Kathodenstruktur auf. Zellen von höherer Kapazität besitzen eine wesentlich erhöhte Größe, während der bevorzugte Abstand zwischen Anode und Kathode gleich verbleibt. Palis der Abstand zwischen Anode und Kathode zu klein ist, erfolgt ein elektrischer Kurzschluß; die Zellen werden elektrisch un-

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wirksam, wenn die Elektroden einen zu großen Abstand besitzen. Um hohe "Wirksamkeiten zu erhalten, müssen relativ enge Toleranzen der Blattanordnung für den gesamten Umfang von Anoden- und Kathoden-Oberflächen aufrechterhalten werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einer Kathodenstruktur, die besonders für Hochspannungs-Chloralkalizellen geeignet ist, wobei ein günstiger Spannungsabfall durch die Kathodenfinger erhalten wird. Eine weitere Aufgabe der- Erfindung besteht in einer Kathodenkonstruktion, die aus verstärkten, durchlöcherten Siebfingern besteht, die auf der Kathodenseitwand in einer Weise befestigt sind, durch die ein verbesserter elektrischer Kontakt unter einem erheblich verringerten Kupferbedarf erhalten wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einer Kathodenstruktur, die besonders für Hochspannungschloralkalizellen geeignet ist, wobei relativ enge Toleranzen der Kathoden- und Anodenabstände leichter erhalten werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einer verbesserten Kathodenstruktur mit erhöhter Konstruktionsfestigkeit, wodurch eine Fehlanordnung'aufgrund von Verwerfen und Verbiegen der Kathodenstruktur erheblich vermindert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einer verbesserten Kathodenstruktur, die sich

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leichter herstellen läßt. Diese und weitere Ziele und Aufgabenstellungen ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.

Gemäß der Erfindung besteht die Kathodenanordnung für eine elektrolytische Zelle aus einer ZuIeitungsschiene, einem Zuleitungsstreifen und einer mit Umwandung versehenen Umfassung mit Seitwänden, an denen eine Mehrzahl von innen verstärkten, durchlöcherten Siebfingern befestigt sind, wobei sich die Finger praktisch quer über das Innere der Umfassung erstrecken, und die inneren Verstärkungseinrichtungen direkt an mindestens einer Seite dieser Umfassung befestigt sind und in elektrischen Kontakt mit den Siebfingern stehen und die Befestigung anstoßend an einen außen angebrachten Schienenstreifen an der Außenseite einer Seite der Umfassung angebracht ist, wobei der Schienenstreifen praktisch von der Höhe der Verstärkungseinrichtungen am Punkt von deren Befestigung ist und der Schienenstreifen direkt an der Zuleitung^schiene befestigt i.st.

Aufgrund der Erfindung ergibt sich eine Schienenanordnung für eine Kathode, durch die die Konstruktionskosten von Kathoden für elektrolytische Zellen erheblich vermindert werden können und wodurch bis zu etwa 75$ des bisher für Schienenverbindungen erforderlichen Kupfers eingespart werden können, während gleichzeitig der

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Spannungsabfall über die Zelle im wesentlichen beibehalten oder sogar verbessert werden kann.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine Kathodenstruktur für eine elektrolytische Ohloralkalidiaphragmazelle, die aus einer leitenden Metallumfassung besteht, worin eine umlaufende, durchlöcherte Metallkammer angebracht ist, mit der in Verbindung eine Mehrzahl, von durchlöcherten Metallvorsprüngen steht, die die* Breite der Kathodenstruktur überqueren, wobei diese durchlöcherten Vorsprünge eine praktisch rechteckige Form mit praktisch scharfen Ecken von 90° besitzen und die Befestigung dieser Vorsprünge an der Umlaufkammer hiermit einen praktisch scharfen Winkel von 90° bildet.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung ergibt sich auch eine verbesserte Kathodenstruktur für elektrolytische Ciiloralkalizellen vom Diaphragmatyp, durch die eine genaue Einstellung der Kathode zu den Anodenblätterm leichter zu bewirken und beizubehalten ist. Weiterhin kann die Kathodenstruktur mit niedrigeren Kosten hergestellt werden, wobei sich eine erhöhte Strukturfestigkeit einstellt. Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der vorliegenden Kathodenstruktur ist deren Elastizität bei der Abbiegung und ihre Beständigkeit gegenüber einer permanenten Strukturänderung bei einer Verbiegung.

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Die Erfindung wird im folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, worin

Fig. 1 eine Seitansicht einer elektrolytischen Zelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teiles der Zelle nach Fig. 1 entlang Ebene 2-2;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt des mittleren Kathodenteiles der Zelle nach Fig. 1 entlang Ebene 3-3} und

Fig. 4 eine teilweise Schnitt- und Seitansicht der Kathodenfinger und der mit Umwandung versehenen Umfassung zeigen, in der ein Teil des Zellbodens gezeigt ist und in der die Stellung der Kathodenfinger bezüglich der Anodenblätter, die in dem Zellboden befestigt sind, erläutert ist.

Da die vorliegende Erfindung bei vielen unterschiedlichen elektrolytischen Verfahren angewandt werden kann, von denen die Chloralkalielektrolyse von besonderer Bedeutung ist, wird die Erfindung im folgenden besonders unter Bezugnahme auf derartige Verfahren beschrieben. Jedoch darf diese Beschreibung nicht als Begrenzung der Brauchbarkeit und Einsatzfähigkeit der vorliegenden Erfindung aufgefaßt werden.

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Die elektrolytische Diaphragmazelle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Zelloberteil 12, einem Zellboden 16 und einem Kathodenabschnitt mit einer äußeren Seitwandfassung H und einer Mehrzahl von durchlöcherten Kathodenfingern 28. Der Zelloberteil 12 und der Zellboden 16 sind normalerweise aus Beton gefertigt, können jedoch auch aus anderen Materialien sein, die gegenüber den Reaktionsbedingungen innerhalb der Zelle inert sind. Die Seitwandumfascung 14 befindet sich normalerweise an vier Seiten und besteht aus Metall, woran an einer Seite eine Mehrzahl von senkrecht angebrachten Zuleitungsatreifen angebracht ist. Eine elektrische Verbindung wird zwiechen den Schienenstreifen 24 und der Zuleitungsschiene 22 hergestellt. Eine Zufuhrstelle für elektrischen Strom wird zu der Zuleitungsschiene 22 von einer benachbarten Zelle, einem Dynamo, einem Gleichrichter o.dgl. gespeist.

Die Mehrzahl der Kathodenfinger kann jeden Wert zwischen etwa 2 und 100 oder darüber besitzen, jedoch liegt am bevorzugtesten die Zahl der Kathodenfinger im Bereich von etwa 10 bis 30. Die Anzahl der an der äußeren Seitwand der Kathode befestigten Schienenstreifen kann ebenfalls im weiten Umfang zwiechen 1 und der Anzahl der Kathodenfinger variieren und hat bevorzugter einen Wert zwischen der Zahl der Verstärkungaeinrichtungen in den Kathodenfingern oder etwas weniger.

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Zwischen dem Zelloberteil 12 und der äußeren Seitwand Umfassung 14 der Kathode befindet sich die Abschlußdichtung 18. Eine ähnliche Abschlußdichtung 20 ist zwischen der äußeren Seitwandumfassung H der Kathode und dem Zellboden 16 angebracht. Diese Dichtungen dienen sowohl als Dichtungseinrichtungen zur Verhinderung des Ausleckens von Flüssigkeiten und von Gasen als auch als Isoliermaßnahmen, um den Metallkathodenabschnitt elektrisch zu isolieren.

Der Kathodenabschnitt ist aus einem leitenden Metall und vorzugsweise einem Eisenmetall, wie Weichstahl oder einer Ferrolegierung, wie rostfreiem Stahl, gefertigt. Jedoch können auch stärker leitende Metalle wie Kupfer, Nickel, Messing und ähnliche Metalle eingesetzt werden, da durch das Kathodenpotential während des Zellbetriebes die Gefahr der Korrosion dieser Metalle vermindert wird. Die innere Struktur der Kathode besteht auch vorzugsweise aus einem ähnlichen Eisenmetall, wie z.B. Weichstahl. Diese Innenkonstruktion ist aus einer Mehrzahl von durchlöcherten Kathodenfingern 28 aufgebaut, die aus Verstärkungseinrichtungen 26, an denen das Kathodensieb 36 befestigt ist, zusammengesetzt sind. Beim Betrieb der Zelle als Chloralkalizelle wird ein flüssigkeitsdurchlässiges Diaphragma über den Siebkatnodenfingern 28 aufgebracht oder abgeschieden, wodurch sich getrennte Anoden- und Kathodenbehälter bilden. Die Katnodenfinger 28 befinden sich zu-

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einander in einem solchen Abstand, daß, wenn die Zelle zusammengebaut ist, Anodenblätter 30, die an einem leitenden Material 32 z.B. durch Einbetten in Blei oder einem anderen leitenden Metall im Zellboden 16, befestigt sind, hinsichtlich der Kathodenfinger 28 zentriert sind. Das leitende Metall wird anschließend mit einem nichtleitenden, gegenüber Alkalien und/oder Chlor-beständigen Dichtungsmittel 34 abgedichtet. Die Anodenblätter 30 sind auf diese Weise sicher in einem gleichen bestimmten Abstand zwischen den Kathodenfingern 28 festgestellt.

Die Verstärkungseinrichtung 26 besteht vorzugsweise aus einer geriffelten oder gerippten Platte oder einem derartigen Blech aus einem Eisenmetall, welches sich quer über das Innere der Zelle innerhalb der Kathodenfinger 28 erstreckt. Die Metallverstärkungseinrichtungen 26 sind direkt, beispielsweise durch Schweißen, an dem Inneren der Seite des Schienenstreifens 24 der Seitwand Umfassung 14 befestigt. Die Befestigung ist vorzugsweise fortlaufend über praktisch die gesamte Höhe der Verstärkungseinrichtungen an dem Punkt der Befestigung gefertigt. Das gegenüberstehende Ende der Verstärkungseinrichtung 26 kann auch-an der äußeren Seitwandumfassung 14 an der Seite gegenüber dem Schienenstreifen 24 in der gleichen Weise befestigt sein. Jedoch braucht diese Befestigung keinen vollständigen elektrischen Kontakt mit der■Seitwand zu ergeben. Das Kathodengitter 36 ist elektrisch

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leitend, beispielsweise durch Schweißen, Meten, Rodeln u.dgl., an den Verstärkungseinrichtungen 26 "befestigt.

Der Schienenstreifen 24 und die ZuIeitungsschiene 22 bestehen vorzugsweise au3 einem hochleitenden Metall wie Kupfer. Die Verstärkungseinrichtung 26 ist direkt an der äußeren Seitwand 14 gegenüberstehend dem außen angebrachten Schienenstreifen 24 vorzugsweise durch eine Schweißung 25 befestigt. Eine derartige Schweißung zwischen den Schienenstreifen 24 und um diese herum ergibt eine erhöhte Schweißfläche und eine ausgezeichnete elektrische Leitung durch die Seitwand 24 zu dem Kathodengitter 36 mittels der Verstärkungseinrichtungen 26. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit zu dem Kathodengitter 36 kann auch die Stärke der_sVerstärkungseinrichtungen 26 erhöht werden. Insofern hat die Verstärkungseinrichtung 26 vorzugsweise eine Stärke zwiscnen etwa 0,12 bis 0,76 cm (0,05 bis 0,3") und bevorzugter von etwa 0,25 bis 0,51 cm (0,1 bis 0,2").

Der leitende Schienenstreifen 24 aus Kupfer hat vorzugfweise praktisch die gleiche Höhe wie die Verstärkungseinrichtung 26 an der Stelle der Befestigung an der äußeren Seitwandumfassung 18. Unter diesen Bedingungen wird der Strom leicht zu sämtlichen Abschnitten des Kathodengitters 36 mit einem Minimum an Abstandsweg durch die Verstärkungseinrichtungen 26 geführt. Der

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Schienenstreifen 24 hat vorzugsweise eine niedrigere Stärke als die Zufuhrschiene 22. Sie genauen Abmessungen für die Schienen einer speziellen Zelle sind weiter abhängig von dem zu erwartenden Stromverbrauch in der Zelle und der Stromförderungskapazität der entsprechend eingestellten Schienen. Die Breite des Schienenstreifens kann auch in Abhängigkeit von einer Anzahl Faktoren, wie Strombelastungskonduktivität des verwendeten Metalles, Länge des Streifens, Anteil der gewünschten Schweißungsflache, Fabrikationskosten u.dgl. variieren. Eine für die meisten Zwecke geeignete Breite ist diejenige, die etwa zwischen der Innenseitenbreite eines Kathodenfingers bis zu etwa dem Abstand zwischen den inneren Verstärkungseinrichtungen liegt. Der Abstand zwischen den Schienenstreifen ändert sich natürlich mit deren Breite, wobei dieser Abstand bis zu einem Wert etwa des Abstandes zwischen den Kathodenfingerverstärkungseinrichtungen betragen kann.

So werden bei einer bevorzugten Ausführungsform Schienenstreifen benachbart zu jeder Verstärkungseinrichtung angebracht und die Fläche zwischen den Streifen mit der Schweißung gefüllt, wobei die Säume der Schweißung über der Stelle zentriert sind, wo die inneren Verstärkungseinrichtungen an der Seitwandumfassung befestigt sind. Das Schweißmetall besteht vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie die Schienenstreifen. Durch dieses Verfahren

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der Befestigung der Schienenstreifen an der Kathodenseitwand wird die Schweißfläche erheblich erhöht, wobei diese Fläche den Kontakt mit dem niedrigsten Widerstand zu der Kathode bildet. Die Höhe der Streifen wurde bereits vorstehend beschrieben, d.h. sie ist praktisch gleich den Verstärkungseinrichtungen an dem Punkt der Befestigung. Diese Höhe läßt sich weiter so beschreiben, daß sie mehr als etwa eine Hälfte der Höhe der Kathodenumfassung beträgt.

Unmittelbar oberhalb und unterhalb der Stelle der Befestigung der Verstärkungseinrichtungen 26 an der äußeren Seitwandumfässung 24 sind Gasabzugseinrichtungen 38 und Alkaliabzugseinrichtungen 40 vorhanden. Das durch die Elektrolyse an der Kathode gebildete Wasserstoffgas wird üblicherweise durch die Gasabzugseinrichtung 38 in eine Umlaufkammer, die die Kathodenfinger umgibt, abgenommen, aus der das Gas evtl. abgezogen wird. Da die Salzlösung von dem Anodenbehälter in den Kathodenbehälter strömt, worin das A'tzkali während der Elektrolyse gebildet wird, ist eine Alkaliabzugseinrichtung 40 zum Abziehen der Alkalien von den Kathodenfingern in eine Umlaufkammer, die die Kathodenfinger umgibt, vorgesehen, auf der die Alkalien schließlich aus der Zelle selbst abgezogen werden,

Obwohl die Zuleitschiene 22 als zwei einzelne Schienen

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dargestellt ist, kann auch eine einzige lange Schiene verwendet werden, an der einer oder mehrere Stromführschienen befestigt sein können. Auch kann ein fortlaufender Schienenstreifen 24 zur direkten Befestigung an der äußeren Seitwandumfassung unmitterbar gegenüber stehend der Stelle, wo die Verstärkungseinrichtungen 26 innen an der Umfassung befestigt sind, verwendet werden.

Bei einer gemäß dem Stand der Technik aufgebauten Kathodenanordnung unter Verwendung einer die Kathode umgebenden umlaufenden Schiene sind 401 kg (885 pounds) Kupfer erforderlich, um eine Zellspannung von etwa 4 "Volt bei 55 000 Ampere zu ergeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind nur 102 kg (225 pounds) Kupfer erforderlich, um die gleiche Spannung bei der gegebenen Stromdichte zu erhalten. Durch Erhöhung dieser Kupfermenge, z.B. durch Verwendung von Kupfer in den Kathodenfingern, kann die Spannung gegenüber derjenigen des Standes der Technik für die gleiche Gewichts-menge Kupfer vermindert werden.

Die elektrische Verbindung mit anderen Zellen in einer Reihe wird hergestellt, indem die Anodenschiene der Zelle, eingebettet in den Betonzellboden (nicht gezeigt), mit der Kathodenzufuhrschiene der benachbarten Zelle befestigt wird. Die Verbindung zwischen den Anoden- und Kathoden-Schienen wird unter Verwendung von stark leitenden

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Kabeln oder Schienen, vorzugsweise aus Kupfer, und Verbolzen oder Befestigung dieser Schienen in den Aufnahmelöchern 23 der Zufuhrschiene· 22 hergestellt. Im allgemeinen werden die Zellen unmittelbar nebeneinander in einer Reihe gestellt, so daß die Schienenverbindung zwischen den Zellen einen minimalen Abstand hat.

Beim Betrieb der Zelle als Chloralkalizelle wird das Alkalichlorid, beispielsweise Natriumchlorid, in die Zelle als Salzstrcm der gewünschten Konzentration eingeführt. Das Salzlaugenniveau innerhalb der Zelle wird auf einen Wert oberhalb der Anodenblätter innerhalb der Zelle gebracht. Durch Einstellung der Höhe innerhalb der Zelle wird der hydrostatische Druck, der auf das die Siebkathodenfinger bedeckende Diaphragma ausgeübt wird, variiert, wodurch die Strömung durch das Diaphragma variiert wird. Unter normalen Betriebsbedingungen beträgt die Höhe der Salzlauge oberhalb der Anodenblätter etwa 2,5 bis 38 cm oder mehr (1 bis 15¹¹).

Bs wurde vorstehend festgestellt, daß die Zelle zur Elektrolyse von Alkalichloridlösungen geeignet ist und im allgemeinen gehören hierzu nicht nur natriumchlorid, sondern auch Kaliumchlorid, Lithiumchlorid, Rubidiumchlorid und Cäsiumchlorid. Bei der Elektrolyse werden bei Verwendung eines die Siebkathode bedeckenden Dia-

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phragmas Alkalilauge, Chlor und Wasserstoff gebildet. Unter Anwendung bestimmter Modifikationen und Änderungen des Verfahrens der Umsetzung, beispielsweise Entfernung dea Diaphragmas oder weitere Umsetzung der gebildeten Alkalien und des Chlor können auch Alkalichlorate in der vorliegenden Zelle gebildet werden. So werden in einigen «Fällen, wenn sie zur Herstellung von Alkalichloraten verwendet werden, lösungen, die sowohl Alkalichlorat als auch Alkalichlorid enthalten, zu der Zelle zur weiteren Elektrolyse zurückgeführt. Bei einer noch weiteren Modifikation kann die vorliegende Zelle auch zur Elektrolyse von Chlorwasserstoff durch Elektrolysieren von Chlorwasserstoff in Verbindung mit einem Alkalichlorid verwendet werden. Somit ist die vorliegende Zelle äußerst wertvoll bei diesen und vielen weiteren wässrigen elektrolytischen Verfahren.

Die vorstehend beschriebene Zelle bringt signifikante Vorteile gegenüber den bisherigen Zellen. Eine äußerst wichtige Bedeutung hat die äußerst hohe Betriebswirksamkeit bei ungewöhnlich hohen Stromkapazitäten in der Größenordnung von 60 000 Ampere und darüber. Diese hohen Amperewerte ergeben eine beträphtlich größere Produktivität bei einer gegebenen Zellraumfläche. Das neue Kathodenstruktursystem der vorliegenden Zelle ergibt eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit für die mittlere Fläche der Kathodenfinger, wodurch sich ein minimaler

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Spannungsabfall über die Zelle, verbunden mit einer wesentlichen Verminderung des Aufwandes an Kupfer im Vergleich zu den bisherigen Chloralkalielektrolysenzellen ergibt. Außer daß sie bei extrem hohen Stromstärken betrieben werden kann, läßt sich die vorliegende Zelle auch wirksam bei niedrigeren Amperezahlen, beispielsweise etwa 30 000 Ampere oder weniger, oder auch höheren Amperezahlen bis hinauf zu 100 000 Ampere betreiben.

Ein besonderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung läßt sich unter Bezugnahme auf die nachfolgende Zeichnung erläutern, worin Fig. 5 eine Ansicht in der Ebene einer Kathodenstruktur gemäß der Erfindung und Fig. 6 ein vergrößerter Teilschnittansicht der Kathode nach Fig. b entlang der Linie 2-2 zeigt, worin weiterhin die Stellung der Anodenblätter und des Zellbodene bezüglich der durchlöcherten Ka tho denvor sprtlnge erläutert ist.

Der Kathodenabschnitt 11 besteht gemäß der Erfindung aus einer Umfassung mit Seitwänden 15, die vorzugsweise eine rechteckig gebildete Struktur von geeigneter Größe entsprechend der speziellen Zelle und deren Kapazität, mit der die Zelle verwendet werden soll, bildet, und aus einer Hehrzahl durcnlöcherter Vorüprünge 19· Die Umfassung umgtten an der Oberseite und am Boden der

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Seitwand 15 Flansche 13 und 13A. Die Plansche 13 und 13A werden zur bequemeren Abdichtung des Kathodenabschnittes hinsichtlich Wasserdichtigkeit bei der zusammengesetzten elektrolytischen Zelle verwendet. Der Plansch 1-3A ruht auf einer Dichtung 31 > die sich zwischen der Kathode 11 und dem Zellboden 29 befindet. Der Plansch 13 ergibt eine Komtaktplatte, auf der der Zelloberteil (nicht gezeigt) ruht. Den inneren Teil der Kathode 11 umgebend ist eine ϋιη^μΐkammer 17 vorhanden. Das in dem Kathodenabschnitt während der Elektrolyse freigesetzte Gas wird über die durchlöcherten Torsprünge 19 zu der Umlaufkammer 17 geführt, von wo es zu der Gasabzugseinrichtung 21 kommt.

Sich über die Kathode 11 erstreckend, ist eine Mehrzahl von durchlöcherten Vorsprüngen 19 vorhanden. Diese werden allgemein als Kathodenfinger bezeichnet. Die Anzahl der durchlöcherten Vorsprünge kann in weitem Umfang in Abhängigkeit von der speziellen Zellgröße variieren, jedoch sind im allgemeinen etwa 2 bis 100 oder mehr und bevorzugt 5 bis 50 und am bevorzugtesten etwa 15 bis 25 vornanden.

Bei der Verwendung der vorliegenden Vorrichtung.als Chloralkalidiaphragmazelle wird ein inertes Diaphragma auf der durchlöcherten Struktur aufgebracht oder abge-

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schieden. Das zur Abdeckung des Gitters oder des durchlöcherten Teils der Kathode verwendete Diaphragma besteht aus einem flüssigkeitsdurchlässigen und halogenbeständigen Material. Vorzugsweise besteht das Material aus in situ an den äußeren Oberflächen der Kathode oder der durchlöcherten Vorsprünge 29 und der Umlaufkaamer 17 abgeschiedenen Asbest, wobei das Diaphragmamaterial den Anodenblättern gegenübersteht. Jedoch können auch andere Arten von Diaphragma verwendet werden, was von der innerhalb der Zelle in Betracht kommenden Umsetzung und Reaktionsbedingungen abhängig ist. Andere Diaphragmamaterialien, beispielsweise solche, die aus synthetischen organischen Stoffen wie z.B. gewebtem nachchloriertem Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Polypropylen, Teflon u.dgl. bestehen, können verwendet werden. Diese und andere geeignete Materialien sind den Fachleuten geläufig. Die vorliegende Kathodenatruktur ist geeignet, die Verwendung sämtlicher Arten von Diaphragmen einschließlich Schichtasbest, abgelagertem Asbest und synthetischen Stoffen, die in Form von gewebten Tüchern vorliegen können, zu erlauben.

Die durchlöcherten Vorsprünge 19 und die Umfangskammer 17 3ind vorzugsweise aus einem Metallmaschensieb gefertigt, können jedoch auch aus perforierten Metallplatten oder ähnlichen durchlöcherten Strukturen bestehen. Die Metallteile der Kathode bestehen aus einem leitenden

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Metall und beetehen vorzugsweise aus relativ billigem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Jedoch können auch andere Metalle vawendet werden wie z.B. Titan, Nickel, Chrom, Kupfer, Eisen, Tantal u.dgl. und Legierungen hiervon, insbesondere rostfreier dtahl und andere Chromstähle, Nickelstahle u.dgl. Auch können verschiedene Teile der Kathode aus Kupfer oder anderen Metallen mit niedrigem Widerstand gefertigt sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. FaIIa Kupfer oder andere Metalle mit niedrigem Widerstand verwendet werden, wird es bevorzugt, die Verstärkungseinrichtungen 2b aus derartigen Metallen au fertigen, da die Verstärkungseinrichtungän eine zweifache Punktion der Zuleitung dor elektrischen Energie su den durchlöcherten Gitteroberflächen und zur Verstärkung der Vorsprünge i.aben. Dadurch können gesteigerte elektrische Wirksamkeiten durcn die Verwendung von verschiedenen stärker leitenden Metallen oder Legierungen erhalten werden.

Die durchlöcherten Vorsprünge 19 sind aus einem ilascnensieb oder -gitter aus niedrigem Kohlenstoffstahl od. dgl., wie beschrieben, gefertigt, wobei 3charfe Biegungen angewandt werden, so daß sich relativ scharfe ücken 57 von 90° mit einem relativ kleinen Radius der Krümmung, beispielsweise weniger als etwa 1 cm und vorzugsweise weniger als 0,8 cm Halbmesser für den äußeren Radius ergeben.

BADORlGtMAt.

Der Radius der Krümmung stellt ein Mittel zur Messung der Kurven, bezogen auf den Radius des durch die Biegung gebildeten Bogens dar. Die angegebenen Messungen sind für den Radius eines Außenseitenbogens, wobei der Innenseitenbogen einen entsprechend kleineren Radius in Abhängigkeit von der Stärke des durchbrochenen Metalles besitzt, gegeben. Durch die scharfen Ecken von 90° wird die Strukturfestigkeit der Kathode erhöht, insbesondere wenn sie in Verbindung mit den Verstärkungseinrichtungen 24 verwendet wird. Obwohl die Verstärkungseinrichtung 2b vorzugsweise aus einer gerippten oder gewellten Struktur bestent, können auirh andere Verstärkungseinrichtungen, z.B'. Barren, Platten u.dgl., verwendet werden.

In gleicner Weise werden die Verbindungen der durchlöcherten Vorsprünge 19 mit der Umlaufkammer 17 mit relativ scharfen Winkeln von 90° - wie vorstehend beschrieben hergestellt. Die"durchlöcherten Vorsprünge 19 werden in üblicher Weise, a.B. durch Schweißen, an dem durchlöcherten Abschnitt der Umlaufkammer befestigt, während die Verstärkungseinrichtung 25 sich vorzugsweise bis zur Seitwand der Katnode erstreckt und daran befestigt ist.

Bei der zusammengesetzten Zelle befindet sich der Kathodenabschnitt 11 oberhalb des Zellbodens 29 in solcher Weise, daß die Anodenblätter 23 von dem Zellboden 29 nacn aufwärts zwiscnen die durchlöcherten Vorsprünge

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vorspringen. Der Anordnungsatostand zwischen dem Anoden- · blatt und den durchlöcherten Fingern beträgt normalerweise etwa 5,1 bis 9,5 mm (1/8 bis 3/§")· Infolgedessen wird, wenn die Höhe und Breite der Kathodenstruktur zunimmt, die kritische Bedeutung einer geeigneten Einrichtung der Anoden- und Kathodenfunktionen miteinander über die gesamte Höhe und Breite der Elektrodenoberflächen zunehmend schwieriger, wenn ihre Größe zunimmt. Aufgrund der vorliegenden Erfindung werden diese Schwierigkeiten wesentlich verringert oder vermieden und die gewünschte Kathodenausrichtung hinsichtlich der Anode läßt sich weit leichter erhalten. Während bisher geringfügige Verwerfungen, Verbiegungen u.dgl. der durchlöcherten Vorsprünge extreme Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung geeigneter Abstände zwischen Anode und Kathode über weite Strecken ergaben, werden gemäß der vorliegenden Erfindung diese Schwierigkeiten vermieden und Maßnahmen zur Beibehaltung des gewünschten Anoden-Kathoden-Abstandes für die gesamten gegenüberstehenden Anoden- und Kathoden-Oberflächen durch Ausbildung einer weit steiferen Struktur erhalten, die gegenüber permanenten Strukturabbiegungen beständig ist.

Die Anodenblätter 23 sind am Zellboden 29 mittels eines leitenden Metalles 33 befestigt. Das leitende Metall 33 besteht normalerweise aus Blei oder einem anderen relativ niedrig schmelzenden leitenden Metallmaterial, welches

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leicht um die Anodenblätter geformt werden kann. Bin speziell bevorzugtes Metall schmilzt bei einer Temperatur unterhalb desjenigen Wertes, bei dem Kohlenstoffoder Graphitanodenblätter geschädigt werden. EjJi Dichtungsmaterial 35, beispielsweise ein inertes organisches Polymeres oder ein harzartiges Material, wird über dem leitenden Metall 33 zur Vermeidung eines elektrolytischen Angriffes durch den Elektrolyten auf das leitende Metall während des Zellbetriebes aufgebracht.

Bei der Verwendung einer elektrolytischen Zelle unter Verwendung der vorliegenden Kathodenstruktur als Chloralkalizelle wird ein Alkalimetallchlorid, beispielsweise Natriumchlorid, in die Zelle als Salzlösungsstrom mit gewünschter Konzentration eingeführt. Die Salzlösungshöhe innerhalb der Zelle wird auf eine Stelle oberhalb der Anodenblätter innerhalb der Zelle gebracht. Durch Einstellung des Niveaus innerhalb der Zelle wird der auf das die durchlöcherten Kathodenfinger bedeckende Diaphragma ausgeübte .hydrostatische Druck variiert, wodurch die Strömung des Elektrolyten durch das Diaphragma in den Kathodenbehälter geändert wird. Unter normalen Betriebsbedingungen beträgt die Höhe der Salzlauge oberhalb der Anodenblätter etwa 2,5 bis 38 cm oder mehr.

Wie vorstehend beschrieben, kann der Kathodenabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung in einer zur Elektrolyse

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von Alkalichloridlösungen verwendeten Zelle verwendet werden, wozu nicht nur Natriumchlorid, sondern auch Kaliumchlorid, Lithiumchlorid, Rubidiumchlorid und Cäsiumchlorid gehören. Bei der Elektrolyse unter Anwendung eines die durchbrochene Kathode bedeckenden Diaphragmas werden Ätzalkali, Chlor und Wasserstoff gebildet. Unter Anwendung bestimmter Modifikationen und Änderungen beim Verfahren der Umsetzung, beispielsweise durch Entfernung des Diaphragmas oder weitere Umsetzung der gebildeten Ätzlauge und Chlor, können auch Alkalichlorate in der vorliegenden Zelle gebildet werden. So können in bestimmten Fällen, wenn die Zelle zur Herstellung von Alkalichloraten verwendet wird, Lösungen, die sowohl Alkalichlorid als auch Alkalichlorat enthalten, zu der Zelle zwecks weiterer Elektrolyse zurückgeführt werden. Bei einer weiteren Modifikation kann die vorliegende Kathodenstruktur in einer Zelle zur Elektrolyse von Chlorwasserstoff mittels Elektrolysieren von Chlorwasserstoff in Verbindung mit einem Alkalichlorid verwendet werden. Somit ist die vorliegende Zelle und die darin verwendete Kathodenstruktur sowohl für diese als auch für viele andere wässrige elektrolytische Verfahren äußerst wertvoll.

Der im Vorstehenden beschriebene Kathodenabschnitt erbringt signifikante Vorteile bei Verwendung als Kathoden-

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abschnitt einer elektrolytischen Zelle. Eine äußerst wichtige Bedeutung hat hierbei die extrem hohe elektrisch© Wirksamkeit beim Betrieb bei ungewöhnlich hohtn Stiöffl* kapazitäten in der Größenordnung von 60 000 Ampere und darüber. Bei einer derartig hohen Stromstärke ergibt sich eine beträchtlich höhere Produktivität bei einer gegebenen Zellraumfläche. Aufgrund der neuen Kathodenstruktur gemäß der Erfindung ergibt sich eine verbesserte Regelung der Strukturtoleranzen, wodurch der praktische Betrieb sehr großer elektrolytischer Zellen ermoglioht wird. Weiterhin hat man die Möglichkeit, bei äußerυt hohen Stromkapazitäten zu arbeiten, obwohl die Zelle auch wirksam bei niedrigen Amperewerten, beispielsweise etwa 30 000 Ampere oder weniger betrieben werden kann, jedocn kann sie auch bis zu Amperezanlen von 100 000 betrieben werden.

Beispiel

Eine Kathode für eine elektrolytische Zelle wurde entsprechend der Erfindung, wie in den Zeichnungen dargestellt, aufgebaut. Die Kathode besaß feine zum Betrieb bei 60 ©00 Ampere bestimmte Größe. Die durchlöcherten Pinger wurden unter Anwendung relativ scharfer Ecken mit Biegungen von einem Durcüschnittsaußenradius der Krümmung von 0,79 cm und einem Innendurchschnittsradius der Krümmung von ©twa 0,4 cm hergestellt. Die Kathodenstruktur gemäß d@r vorliegenden Erfindung wurde hinsichtlich Steifigke®t><üit ■■-■■■'■.-■ '

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einer.abgerundeten bekannten Struktur mit durchlöcherten Fingern von vergleichbarer Amperekapazität verglichen, indem die zur Abbiegung der durchlöcherten Finger nahe der Mitte der Kathodenstruktur erforderliche Kraft gemessen wurde. Es wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Vorliegende Kathode

Abbiegung, cm 0,24 0,32 0,63

(inches) (3/32)(1/8) (1/4)

erford. Kraft, kg 23 27 zu

(pounds) (51) (60) hoch

zur

Messung auf d.

Bekannte Kathode

0,24 0,32 0,63 (3/32) (1/8) (1/4)

zu 7,7 11 nied-.(17) (24) rig ζ.

Messg.
auf d.

verwend; verwend. Instrument Instrum.

Bei Abbiegungen oberhalb etwa 0,63 cm zeigte die Struktur der bekannten Kathode eine Neigung zur Beibehaltung der Verbiegung, während die Kathode gemäß der Erfindung bei derartigen Abbiegungen elastisch verblieb. Durch die Beständigkeit der vorliegenden Kathodengestaltung gegenüber Abbiegungen ergibt sich eine erhöhte elektrische Wirksamkeit, insbesondere bei verlängertem G-ebrauch, aufgrund der erhöhter. Eignung, den gewünschten Anoden- und Kathodenabstand beizubehalten.

Im vorstehenden wurde die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben, orine daß dadurch, eine Begrenzung eintreten kann, da für den Fachmann vielerlei Änderungsmöglichkeiten gegeben sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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BAD

Claims

1. Kathodenanordnung für eine elektrolytische Zelle, bestehend aus einer Zufuhrschiene, einem Schienenstreifen und einer Umfassung mit Seitwänden, wobei an mindestens einer dieser Seitwände eine Mehrzahl von innen verstärkten, durchlöcherten Gitterfingern angebracht sind, die sich im wesentlichen quer über das Innere der Wandumfassung erstrecken, wobei die inneren Verstärkungseinrichtungen an mindestens einer Seite der Umfassung angebracht sind und in elektrischer Verbindung mit den Gitterfingern stehen und die Befestigung an den Schienenstreifen an der Außenseite einer Seite der Umfassung anstößt, wobei der Schienenstreifen praktisch die Höhe der Verstärkungseinrichtung an der Stelle der Verstärkungsbefestigung besitzt und der Schienenstreifen mit einer Zufuhrschiene verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Schienenstreifen, die aus senkrecht angebrachten Kupferstreifen im Abstand zueinander bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand zwischen den senkrecht angebrachten Kupferstreifen im wesentlichen mit Schweißmaterial ausgefüllt ist.

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4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißsäume an die inneren Verstärkungseinri^htungen anstoßen.

5· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Verstärkungseinrichtungen der Kathodenfinger aus einer geriffelten oder gerippten Platte aus einem Eisenmetall besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an d"er Außenseite einer Seite der Seitwandumfassung befestigte Schienenstreifen aus einem kontinuierlichen Kupferstreifen praktisch von der Höhe der Verstärkungseinrichtung an der Stelle der Befestigung an der SeitwandUmfassung besteht.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß der Schienenstreifen aus einer Mehrzahl von Kupferstreifen besteht, wobei die Anzahl dieser Streifen einen Wert bis zu der Anzahl der inneren Verstärkungseinrichtungen besitzen.

8. Anordnung nach Ansprucn 1, gekennzeichnet durch eine Anbringung zwischen einem Zellboden und einem Zelloberteil.

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BAD ORIGINAL

9. Kathodenstruktur nach Anspruch 1 bis 8, insbesondere für eine elektrolytische Chloralkalidiaphragmazelle, gekennzeichnet durch 'eine leitende Metallumfassung mit einer darin angebrachten umlaufenden durchlöcherten Metallkammer, wobei die Kammer in Verbindung hiermit eine Mehrzahl von durchlöcherten Metallvorsprüngen, die die Breite der Kathodenstruktur überquert, besitzt, wobei die durcnlöcherten Vorsprünge eine praktisch rechteckige Form besitzen und praktisch scharfe Ecken von 90° besitzen und die Befestigung dieser Vorsprünge an der Umlaufkammer niermit einen praktisch scnarfen Winkel von 90° bildet.

10. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch g e k e η η zeicnnet, daß die durcnlöcherten Vorsprünge aus einem Stanlmaschensieb bestehen.

11. Vorrichtung nacß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlöcherten Vorsprünge innen mit Verstärkungseinrichtungen verseilen sind.

12. Anordnung nacn Anspruch 11, dadurcn gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung aus einer geriffelten oder gerippten Platte beatent, die sich praktisch quer über die Kathodenstruktur erstreckt, wobei die geriffelte oder gerippte Platte praktisch die Innennöhe der Vorsprünge besitzt.

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13. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß .. die durchlöcherten Vorsprünge praktisch die gleiche
Höhe wie die Kathodenstruktur besitzen.

H. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn.ze ich net, daß die Kathodenstruktur etwa 5 bis etwa 50
durchlöcherte VorSprünge besitzt.

15. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeich net, daß die relativ scharfen Ecken einen Außenseitenradius der Krümmung von weniger als 1 cm besitzen.

16. Anordnung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeich ne t, daß die relativ scharfen Ecken einen Außenseitenradius der Krümmung von weniger als etwa 0,8 cm besitzen.

Ö098-A1/U4B BAD OFHGINAl.