DE2545328A1

DE2545328A1 - Dichtung fuer eine elektrolytische zelle und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2545328A1
Application number: DE19752545328
Authority: DE
Inventors: Primo Bosa; Jeffrey D Eng; @@ Figueras Wilfredo E; Cyril J Harke
Original assignee: Hooker Chemicals and Plastics Corp
Current assignee: Occidental Chemical Corp
Priority date: 1974-10-17
Filing date: 1975-10-09
Publication date: 1976-04-29
Also published as: US3968022A; IT1043190B; FI752699A7; FR2330779A1; NO753465L; BE834545A; NL7512249A; SE7511613L; JPS5164478A; GB1498488A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. ^. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. Λ.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 München 86, den

postfach 860 820

möhlstrasse 22, rufnummer 98 39 21/22

HOOKER CHEMICALS & PLASTICS CORP., 545 Third Street, Niagara Falls, New York, 14302, V.St.A.

Dichtung für eine elektrolytische Zelle und Verfahren zu

ihrer Herstellung

Die Erfindung betrifft eine Dichtung für eine elektrolytische Zelle, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Dichtung·

Die Dichtung soll verhindern, daß Fluid durch eine Öffnung in der Wand einer elektrolyt!sohen Zelle austritt, durch die ein Leiter zur Zuführung von Elektrizität an eine Zellenelektrode läuft. Die Erfindung bezweckt, Dichtungen für solche Durchlässe zu schaffen, die speziell für langzeitige Abdichtung geeignet sind, so gut abdichten, daß leichte Gase, beispielsweise Wasserstoff, nicht entweichen können, und eine derartige Abdichtung trotz Ausdehnung und Kontraktion der Materialien für das Gehäuse der elektrolytischen Zellen, in denen die Dichtungen verwendet werden, aufrechterhalten. In elektrolyticchen Zellen sind Mittel für die elektrische Verbindung zu den verschiedenen Elektroden vorgesehen. Normalerweise sind in monopolaren Zellen und bipolaren Zellen mit äußeren Verbindungen, die dazu dienen, Elektrizität von den Kathoden der vorgeschalteten Zellen (bezogen auf die Richtung des Gleichstromes) zu den Anoden der nachgeschalteten Zellen in der Reihenschaltung zu leiten, derartige Verbindungen gewöhnlich außerhalb der Zelle, hauptsächlich an deren Oberende, angeordnet und die Leiter, die Elektrizität von den Elektroden zu sol—

609818/0719

chen Verbindungsstücken bzw. von diesen Verbindungsstücken zu den Elektroden leiten, gehen durch öffnungen in den Zeil— wänden und zwischen ihnen und diesen öffnungen ist ein freier Eaum gelassen. Ein solcher Spielraum ist notwendig, damit die leiter bequem durch die öffnungen geführt und die Elektroden in die richtige Lage gebracht werden können. In ähnlicher Weise haben auch bipolare Zellen mit Innenverbindung öffnungen, die abgedichtet werden müssen, um zu verhindern, daß Fluide verschiedener Zellen unerwünschter Weise miteinander in Verbindung treten; außerdem ist eine Zuleitung für die erste Zelle der Reihenschaltung und eine Ableitung für die letzte Zelle vorgesehen und diese Leiter verbinden das Innere der Zellen mit der äußeren elektrischen Schaltung. Es werden also öffnungen in den Zellwänden für den elektrischen Anschluß angebracht, die abgedichtet werden müssen, damit nicht der Elektrolyt oder Elektrolyseprodukte unerwünschter Weise entweichen können. Das wohl schwerwiegendste Problem ist dabei, den Austritt von Wasserstoff aus dem katholytisehen Abteil zu verhindern. Der Grund hierfür ist, daß sich Wasserstoff wegen seines niedrigen Molekulargewichtes nur schwer einsperren läßt und außerdem in hohem Maß entflammbar und explosiv ist.

Gemäß der Erfindung weist eine Dichtung zum Verhindern des Durchtrittes von Fluid durch eine öffnung in einer Wand einer elektrolytischen Zelle, durch welche ein stromführender Leiter zu einer Zellenelektrode läuft, einen Teil einer Zellwand auf, in der eine sich verjüngende öffnung vorgesehen ist, die im äußeren Teil der Wand weiter ist als im inneren Teil, sowie einen Silikonkautschuk in dem schmäleren, sich verjüngenden Öffnungsabschnitt, einen elektrolytfesten Gummi in dem weiteren konischen Öffnungsabschnitt und Vorrichtungsteile, um den letztgenannten Gummi gegen den Silikonkautschuk zu pressen, so daß der Silikonkautschuk fest gegen die Wand und den Leiter abdichtet. Die Dichtung ist speziell nützlich, um ein Entweichen eines Gases, beispielsweise Wasserstoff, aus einer elektrolytischen Zelle zu verhindern, beispielsweise einer

609818/0719

bipolaren Zelle mit äußeren elektrischen Anschlüssen. Vorzugsweise kann als elektrolytfester Gummi Neopren verwendet werden. Die Erfindung umfaßt auch modifizierte Konstruktionen der Dichtung, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und ein Verfahren zum Elektrolysieren von Salzsole in einer Zelle, ohne daß Wasserstoff zwischen den Leitern und den öffnungen der Zellwand, durch die die Leiter laufen, entweichen kann_e

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Darin zeigen:

Fig.1 eine vertikale Schnittansicht der Durchtrittsstelle eines Leiters zur Zu- bzw. Ableitung von Elektrizität zu oder von einer Zellenelektrode, wobei der Dichtungsmechanismus gezeigt ist, der einen Austritt von Fluid durch die Öffnung der Zellwand verhindert; und

Fig.2 eine partielle vertikale Schnittansicht zweier bipolarer elektrolytischer Zellen mit Außenanschlüssen, wobei die oberen Teile der Zellen mit den dort vorgesehenen Dichtungen gezeigt sind.

In Fig.1 ist ein Gehäuseteil 11 einer elektrolytischen Zelle für die Elektrolyse von Salzsole gezeigt, der eine konische Wand 13 hat, die sich derart verjüngt, daß ihr weiteres offenes Ende näher an der Außenseite der Zelle und ihr engeres Ende näher an der Innenseite der Zelle zu liegen kommt. An dem engen inneren Ende der öffnung am Ende der konischen Verjüngung ist ein eich nicht verjüngender Wandteil 15 vorgesehen, der zylindrisch ist und dessen Achse ebenso wie die Achse der konischen öffnung bzw. des sich verjüngenden Wandteils parallel zu der Achse eines zylindrischen Leiters 17 verläuft, der Strom von einer nicht gezeigten Kathode in der elektrolytischen Zelle über einen nioht dargestellten Anschluß zu einem weiteren nioht dargestellten Anschluß leitet, um die Elektrizität zu der Anode einer ebenfalls nicht dargestellten benachbar-

G on fi 18/0719

ten Zelle zu führen, die mit der dargestellten Zelle in bipolarer Beziehung steht. Eine Dichtung 19 besteht aus einem Silikonkautschukteil 21 und einem Neoprenteil 23, die beide gemeinsam eine Öffnung zwischen der Zellwand und dem Leiter ausfüllen. In dem dargestellten Ausftihrungsbeispiel erstreckt sich der Silikonkautschukteil nach innen zum Zelleninneren hin, dichtet die öffnung zwischen dem leiter und der Zellwand ab und bildet auch noch einen dünnen Dichtungsring zwischen dem Leiter und dem zylindrischen, sich nicht verjüngenden Zellwandteil. Auf dem Silikonkautschuk und dem elektrolytfesten Gummi, beispielsweise Neopren, die sich in der konischen öffnung zwischen dem Leiter und der Zellwand befinden, sind Vorrichtungsteile vorgesehen, um den Gummi gegen den Silikonkautschuk zu pressen und dadurch die Abdichtung des Silikonkautschuke gegen die Wand und den Leiter zu verbessern, so daß kein Fluid, nicht einmal Wasserstoffgas, durch die öffnung austreten kann. Diese Vorrichtungsteile sind: eine Beilagscheibe 24 oder ein ähnliches Teil, um die Festziehkräfte gleichmäßig auf den Neopren- und Silikonkautschuk zu übertragen; eine Dichtungsmutter 25 zum Festziehen, die die Beilagscheibe gegen das Neopren drückt, und ein Bund 27, der mit Befestigungsmitteln 29» die in dem gezeigten Beispiel Schrauben sind, an dem Gehäuseteil 11 festgelegt ist. Die Dichtungsmutter und der Bund sind mit Gewinde versehen, so daß die Mutter festgeschraubt oder losgeschraubt werden kann, um nach Wunsch fester oder leichter gegen die Beilagscheibe 24 zu drücken, wodurch das Ausmaß der Kompression des Silikonkautschuks und des Neoprene gesteuert werden kann.

In den Teilen der bipolaren Zellen, die in Fig.2 gezeigt Bind, sind aus Gründen der Anschaulichkeit manche Teile etwas schematisch gezeigt und andere, beispielsweise Zuleitungen, Ableitungen für das Produkt und mechanische Mittel zum Befestigen der Zellen aneinander, sowie spezielle Konstruktionen, wie Dichtungen zum Abdichten verschiedener öffnungen in den Zellen, wo Zellteile miteinander verbunden werden, sind ganz

609818/0719

weggelassen. In Fig.2 sind zwei bipolare elektrolytische Membranzellen 31 und 33» die zur Elektrolyse von Salzsole dienen, nebeneinander dargestellt, wobei ihre Wände 35 und 37 miteinander in Kontakt sind. Statt der gesonderten Wände 35 und 37 in dem gezeigten Beispiel können die Zellen auch so ausgebildet sein, daß nur eine Zelle eine derartige Wand hat und die andere an dieser einen Zelle mit Hilfe einer Umfangsdichtung derart angeordnet und befestigt ist, daß weder Elektrolyt noch Elektrolyseprodukte entweichen können. leiter 39» 41, 43 und 45 leiten Elektrizität zu Elektroden 47 bzw. 49, 51, 53, wobei die Elektroden 47 und 51 Anoden und die Elektroden 49 und 53 Kathoden sind. Kationen-aktive, selektiv permeable Membranen 48 und 50 unterteilen die Zellen in Anoden- und Kathodenabteile. In den Zellen sind Anolyte 55 und 57 und Katholyte 56 und 58 vorhanden. Zwischen den Zellen 31 und 33 überträgt- ein elektrisches Verbindungsstück 59 Elektrizität von dem Kathodenleiter 41 der ersten Zelle zum Anodenleiter 43 der zweiten Zelle. Erfindungsgemäße Dichtungen 63 und 67 verhindern ein Austreten von Wasserstoffgas aus den.Zellen durch Öffnungen zwischen den Kathodenleitern 41 und 45 und den Zellwänden, weitere Dichtungen 61 und 65 verhindern ein Austreten von Chlorgas durch entsprechende öffnungen zwisohen den Anodenleitern 39 und 43 und den Zellwänden.

Der in Fig.1 gezeigte Gehäuseteil 11 kann aus irgendeinem •geeigneten Material für eine solche Konstruktion sein, das von dem Elektrolyt nicht angegriffen wird und ausreichend fest ist und zufriedenstellende andere strukturelle Eigenschaften hat, so daß es sich nicht in unerwünschtem Maß ausdehnt, zusammenzieht oder während der Elektrolyse von Salzlösung oder anderen zu behandelnden Materialien verdirbt. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung eines organischen polymeren Kunststoff materials, beispielsweise niedrigpolymeres Alken, wobei das Beste ein Polypropylen ist. Das Polypropylen kann ein Gemisch von Homopolymer und Oopolymer sein und weist vorzugsweise einen geeigneten Füllstoff auf, für den Asbest, Kalziumsilikatfasern und Flockenglimmer sich besonders gut eignen«

609818/0719

Das Mischungsverhältnis des Füllstoffes zum Polymer liegt normalerweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 1,5 ι wobei 1:5 bis 1 : 2 besonders günstig ist»

Der sich verjüngende Teil der Zellwand 13 reicht normalerweise durch mehr als die Hälfte der Wanddicke und hat gewöhnlich eine Konuslänge zwischen 1 und 10 cm, vorzugsweise zwischen 3 und 5 cm. Die konische Wand 13 verläuft gewöhnlich unter einem Winkel zwischen 5 und 20°, vorzugsweise zwischen 7 und 12°, wobei ein Winkel zwischen 9 und 10° zur Achse der betreffenden öffnung und des Leiters am günstigsten ist. Es können verschiedene Schnittprofile für die öffnung verwendet werden, beispielsweise Pyramidenformen, die im Schnitt quadratisch, achteckig oder rechteckig sind, oder verzerrte, kegelstumpfförmige Schnitte, beispielsweise elliptische; doch ist es vorzuziehen, die öffnungen kegelstumpfförmig zu gestalten, weil für den Leiter die zylindrische Form zweckmäßiger ist als Formen, die den oben erwähnten Schnittprofilen entsprechen. Am engeren Ende der Verjüngung läuft die Zellwand vorzugsweise parallel zum Leiter und mit einem Zwischenraum zwischen dem Leiter und der Zellwand von etwa 0,3 bis 1,5 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm. Der Silikonkautschuk, der den unteren sich verjüngenden Teil der öffnung zwischen dem Leiter und der konischen Zellwand ausfüllt, hat eine Länge, die 0,1 bis 10 mal so groß ist wie die Länge des anderen elektrolytfesten Grummis, beispielsweise des Neopren; vorzugsweise ist der Silikonkautschuk 0,5 bis 3 mal so lang und der Abstand jenseits des engen Endes der Verjüngung zwischen dem Silikongummi und der Innenfläche der Zellwand (nicht der Spalt) beträgt 0,2 bis 5 mal die Länge des sich verjüngenden Silikonkautschukteils, vorzugsweise 0,3 bis 2 mal diese Länge. Die Wand der Zelle braucht in dieser "Verlängerung" nur ungefähr parallel zum Leiter zu verlaufen, es ist jedooh zweckmäßiger, wenn sie genau oder nahezu genau parallel ist· Im festgezogenen Zustand nimmt das Silikon plus dem Neopren etwa 50 bis 95$, vorzugsweise 70 bis 85$ der Länge der sich verjüngenden öffnung ein, wobei

609818/0719

sieh die Vorrichtungsteile zum Zusammenpressen in dem verbleibenden Teil der öffnung befinden, der einen größeren Durchmesser hat«

Auf dem Neoprenkörper, der eine hohle Kegelatumpfform hat, "befindet sich eine Beilagscheibe aus geeignetem Material, vorzugsweise Nylon, wenngleich auch Stahl, Polypropylen und andere ausreichend feste Baumaterialien verwendet werden können. Nylon kann auch für den Bund und die Dichtungssohrauben verwendet werden, sowie für die Befestigungsschrauben, obwohl diese Teile auch aus Stahl, Messing, Polypropylen oder anderen geeigneten Konstruktionsmaterialien sein können·

Die entscheidendsten Materialien sind in erster Linie der Silikonkautschuk und in zweiter Linie der elektrolytfeste &ummi, der vorzugsweise Neopren ist. Silikonkautschuke sind bekannt und des langen unter der Überschrift "Silicone Elastomers" in Modem Plastics Encyclopedia 1973-1974 S. 102 und 107 beschrieben. Die zweckmäßigsten Silikonelastomere sind nicht spezialisierte, durch Klebung dichtende Materialien ohne Füllstoff und Lösungsmittel, die bei Raumtemperatur durch Feuchtigkeit gewöhnlich innerhalb von einer Stunde bis einem Tag vulkanisierbar sind. Unter solchen Materialien ist das derzeit günstigste kommerzielle Produkt eine Allzweck-Silikonkautschukpaste, die von Dow Corning Corporation unter dem Warenzeichen Silastic® 732 RTV vertrieben wird. Dies ist ein Klebgummi, der feste Bindungen zwischen Silikonkautschukteilen und fast allen Flächen einschließlich Neopren, Holz, Papier, Mauerwerk und geätztem Teflon herstellen kann. Derartige Silikone sind, wenn sie gehärtet sind, von -60 bis +200⁰O verwendbar. Statt des Silastic 732 RTV-Silikonkautschuks können auch andere solche Silastic-Produkte, entweder als Silikonkautschuk, der vor oder nach der Installation gehärtet wird, oder Klebstoffe, gemischt mit zerhacktem Silikongummi und an Ort und Stelle gehärtet, oder mit anderen elastomeren Eigenschaften verwendet werden, die sie geeignet machen, um ihre Federkraft unter den Betriebsbedingungen einer elektrolyt

609818/0719

tischen Zelle bei erhöhten Temperaturen und in Anwesenheit von Korrosionsmitteln zu bewahren. Zweckmäßiger ist es jedoch, an Ort und Stelle gehärtete Silikonkautschuke zu verwenden, die aufgrund ihrer anfänglichen Fließfähigkeit irgendwelche Unregelmäßigkeiten in den Wänden des Leiters und der Zelle füllen können und sich sehr eng an diese Teile anpassen können. Derartige Eigenschaften kann man auch erzielen, wenn man das Silastio-Silikonelastomer Typ A verwendet, das ein sehr reines Silikon für medizinische Zwecke, auch für menschliche Implantate ist. Die Silikonkautschuke können sich aufgrund ihrer elastomerischen Eigenschaften nach Wunsch ausdehnen oder zusammenziehen, um die Ausdehnung und Kontraktion anderer Zellenteile zu kompensieren, ohne daß die Dichtung durchbrochen wird. Typische Eigenschaften des Silikonkautschuks sind Zugfestigkeiten von 1000 bis 2000 kg/cm und Bruchdehnungen von 60 bis 300$. Die für die Erfindung in Präge kommenden Silikonkautschuke können diese Eigenschaften haben oder auch weicher sein mit niedrigeren Zugfestigkeiten und noch größeren Bruchdehnungen.

Die zur Verwendung in der Erfindung geeignetsten Silikonkautschuke sind in dem Dow Oorning Corporation Bulletin unter dem Titel "Engineering with Silastic Brand Silicone Rubber", veröffentlicht 1963 und 1965, beschrieben und erwähnt, auf das hiermit verwiesen wird. Ferner wird hingewiesen auf die oben erwähnten Seiten in Modem Plastics Encyclopedia, sowie auf Seite 784 des Condensed Chemical Dictionary, 8_β Ausgabe, veröffentlicht von Van Nostrand Reinhold Company 1971, und auf die US-PS 3 529 035 und 3 629 358. Die Silikonelastomere, die sich am besten für die Erfindung eignen, haben normalerweise geringere Durometerhärten als die Neoprene, mit denen sie zusammen verwendet werden, beispielsweise Härtegrade zwischen 40 und 55; in passenden Fällen sind auch andere Härten bis zu 85 und 90 Shore A Durometergrade brauchbar. Auch Dichtungen aus permanent weichem Silikon sind nützlich. .

Als elektrolytfester Gummi kann irgendein geeigneter Gummi

809818/0719

verwendet werden, darunter In manchen Fällen Naturgummi, Butylgummi, SBR, Nitrilgummi, Polysulfidgummi und Polyäioroprengummi} doch sind unter diesen Materialien die Neoprene am günstigsten. Sie können mit Ruß oder anderen Füllstoffen versetzt sein, doch sind auch Gummi ohne Füllstoffe ausgezeichnet verwendbar. Zwar sind die Materialien zum Übertragen der Druckkraft auf den Silikonkautschuk als "Gummi" beschrieben worden, doch sind auch andere gummiartige Polymere, beispielsweise Polyurethane, Polytetrafluoräthylene und ähnliche Verbindungen verwendbar. In manchen Fällen sind anstelle der Silikonkautschuke auch Modifikationen derselben nützlich, beispielsweise fluorierte Silikone·

Das Neopren oder der vergleichbare Gummi wird normalerweise nicht an Ort und Stelle hergestellt. Er wird gewöhnlich vor der Installation in seine Form zureohtgeschnitten. Das Verfahren zum Herstellen und Installieren der erfindungsgemäßen Dichtung wird weiter unten noch beschrieben.

Der Anodenleiter ist vorzugsweise ein zylindrischer, mit Titan plattierter Kupferstab und der Kathodenleiter ist vorzugsweise ein Kupferstab· Das Verbindungsstück am Kopf der Zelle ist gewöhnlich Kupfer wegen seines niedrigsten Widerstandes, aber es können auch titanplattiertes Kupfer und andere leitende Materialien verwendet werden. Die Dichtungen sind normalerweise an einer oberen Wand der Zelle installiert, sie können aber auch an anderen Wänden angeordnet sein, durch die Leiter von der Außenseite der Zelle zu einer Elektrode verlaufen· Die Zellen können bipolar oder monopolar sein und die bipolaren Zellen haben die elektrischen Anschlüsse vorzugsweise außen. Sie können auch noch dazu dienen, innere Verbindungen zwischen der Kathode einer Zelle und der Anode der nächsten Zelle herzustellen.

In einer abgewandelten Ausführungsform der in Fig.1 gezeigten Konstruktion ist gemäß der Erfindung eine innere Verbindung einer bipolaren Zelle hergestellte Sie hat das gleiche Aussehen

609818/0719

wie die in Fig.1 gezeigte, mit der Ausnahme, daß der Leiter, der Elektrizität von der Kathode zur nächsten Anode leitet, durch die Seite der Zelle und eine Seite der angrenzenden Zelle tritt, wobei die konische öffnung durch beide Seiten verläuft oder, wenn nur eine einzige Seite vorhanden ist, die nächste Zelle an der ersten Zelle dichtend angefügt ist, um ein lecken zu verhindern. Die sich verjüngende Öffnung ist in jedem Fall ähnlich der in Pig.1 gezeigten. Der obere oder äussere Teil der Dichtung in Fig.1 entspricht der Anodenseite der inneren Leiterverbindung. Da ein Teil des Leiters sich im Katholytbereich befindet, ist der Stab aus Kupfer ohne Titanüberzug auf der Katholytseite und halbwegs durch den Silikonkautschuk in der Zellwand und der Rest des Stabes, der in die Anolytseite übertritt, besteht aus titanplattiertem Kupfer, wobei der Außendurchmesser des Titanüberzugs gleich dem Durchmesser des unplattierten Kupfers ist. Dabei ist zu beachten, daß sich Silikonkautschuk auf beiden Seiten der Trennlinie zwischen den plattierten und unplattierten Leiterteilen befindet und vorzugsweise sind auf beiden Seiten gleiche Längen vorhanden. Statt Nylon- und Stahlteile für die Dichtungsmutter, den Bund, die Beilagscheibe und die Befestigungsschrauben zu verwenden, können diese vorzugsweise aus einem säurefesten Material sein, z.B. aus Polyäthylen, Polypropylen.

Die Erfindung kann dazu verwendet werden, Leiter in einer Vielfalt von elektrolytischen Zellen in fluiddichtem oder gasdichtem Kontakt zu halten, ist aber in erster Linie zur Verwendung in Membranzellen bestimmt, die zur Produktion von Chlorgas und Lauge dienen, wobei die Membran eine Kationen-aktive Membran des Typs ist, der als hydrolisiertes Mischpolymerisat aus einem perfluorierten Kohlenwasserstoff und einem fluorosulfonierten Perfluorvinyläther bezeichnet werden kann. Alternativ kann auch ein Sulfostyrolgruppen tragendes, perfluoriertes Äthylen-Propylen-Polymer verwendet werden. Es sind jedoch auch andere Kationen-aktive selektiv permeable Membranen verfügbar und verwendbar, obwohl diese nicht so zweckmäßig sind.

609818/0719

Die erfindungsgemäßen Dichtungen werden hergestellt, indem der Leiter mit der daran angefügten Elektrode in die elektrolytische Zelle gebracht wird, wobei der Leiter durch die sich verjüngende öffnung in einer Wand der Zelle tritt. Nachdem die Elektrode in die richtige Lage gebracht ist, wird der Silikonkautschuk, der vorzugsweise ein füllstofffreies, bei Raumtemperatur vulkanisierbares Allzweck-Haftdichtungsmittel von passender Fließfähigkeit ist, in dem dafür vorgesehenen Teil der sich verjüngenden Öffnung eingefüllt und eine vorgeformte Kappe aus Neopren, die eine Bohrung für den Leiter hat, wird eingeschoben, worauf die zur Befestigung dienenden Teile installiert werden. Der Neopren-"Stöpsel" ist an seiner Bohrungswand und auf den konischen äußeren Flächen mit einer dünnen Schicht von beispielsweise 0,2 mm eines Silikonfettes überzogen, wofür etwa das Hochvakuum-Silikonschmiermittel der Dow Corning Corporation verwendet werden kann· Der Sohmiermittelüberzug dient dazu, die Beweglichkeit zu verbessern und Deformationen beim Festziehen zu vermeiden. Die Dichtungsmutter wird gedreht, bis der Silikonkautschuk am Boden des Ringes herausgepreßt wird. Dann läßt man das Silikon während einer Zeitdauer zwischen einer halben Stunde und 24 Stunden, gewöhnlich zwischen 3 bis 6 Stunden, aushärten, vorzugsweise während die Zelle zusammengebaut wird. Während des Aushärtens kann die Zelle mit anderen Zellen in einen Zellverband zusammengefügt werden, der normalerweise zwischen 10 und 60, vorzugsweise zwischen 20 und 50, einzelne Zellen enthält. In manchen Fällen, wenn es nicht notwendig ist, eine derartig hervorragende Abdichtung für die Anoden vorzusehen, können die Anodenöffnungen auch nur einen Neoprenteil enthalten, der dem in Fig.1 mit 23 bezeichneten entspricht (jedoch auch verlängert sein kann). Wie sich herausgestellt hat, ist es nicht immer notwendig, eine so hervorragende Abdichtung vorzusehen, um ein Austreten von Chlorgas zu verhindern.

Die elektrolytische Zelle wird in der gleichen Weise betrieben wie andere Ohlor-AlkaH-Membranzellen unter Verwendung

60981 8/0719

der gleichen Spannungen, Temperaturen, Stromdichten und Konstruktionsmaterialien (außer den oben beschriebenen). Es wird daher nicht als notwendig erachtet, diese Betriebsbedingungen genauer zu beschreiben; erwähnt sei nur, daß normalerweise der Spannungsabfall in einer Zelle von 2,3 bis 6 Volt beträgt, die Stromdichte zwischen 0,2 und 0,5 A/cm ist, die Betriebstemperatur zwischen 65 und 105° liegt und die erzeugte Lauge, die kontinuierlich abgeleitet wird (und für die Wasser nachgefüllt wird), eine Natriumlaugenkonzentration von 5 bis 45$, vorzugsweise zwischen 10 und 30$, ist.

Die -folgenden Beispiele veranschaulichen die Ausübung der Erfindung, ohne diese einzuschränken. Soweit nichts anderes erwähnt ist, sind alle Temperaturen in ⁰C und alle Anteile in Gewioht angegeben.

Beispiel 1

Eine elektrolytische Zelle, die einer der in Fig.2 gezeigten entspricht und die Dichtung der Fig.1 enthält, wird betrieben, um Chlor, eine wässerige Alkalilösung und Wasserstoff zu erzeugen. Das Zellengehäuse ist aus Polypropylen, gestreckt mit 20$ Asbestfasern und 10$ Flockenglimmer. Das Polypropylen ist ein Gemisch aus etwa gleichen Teilen eines Homopolymers und eines Copolymers. Die Dichtung der Fig.1 ist sowohl für den Anodenanschluß als auch für den Kathodenanschluß verwendet, wobei die Leiter im jeden Fall einen Durchmesser von 2,5 cm haben und derjenige für die Anode aus titanplattiertem Kupfer, derjenige für die Kathode aus Kupfer ist. Die Anode besteht aus Rutheniumoxyd auf einem aufgeweiteten Titannetz und die Kathode ist ein Stahlnetz. Die zylindrische öffnung zwischen dem Gehäuse und dem zylindrischen Leiterstab ist 0,7 mm und erstreckt sich über etwa 1 cm, wobei der sich verjüngende Teil der öffnung einen Winkel von 9° 20* einnimmt und sich durch 3»3 cm erstreckt. Der Verjüngungswinkel ist normalerweise 5 bis 20°, es können aber in manchen Fällen auch Winkel bis zu 30 oder 40° verwendet werden. Der Silikonkautschuk ist

609818/0719

Silastic Klebedichtungsmittel 732 RTV, hergestellt von Dow Corning Corporation, und das Neopren hat eine Durometerhärte von etwa 45, wobei jedoch auch Durometerhärten von 30 bis 60 oder 70 verwendbar sind· Die Länge des Silikonkautschuks beträgt etwa das 1,5-fache derjenigen des Neopren in komprimiertem Zustand und das Gesamtgebilde aus Silikonkautschuk und Neopren nimmt etwa 80$ der sich verjüngenden öffnung ein, wenn es komprimiert ist, wobei sich die zum Komprimieren dienenden Vorrichtungsteile in der restlichen öffnung befinden. Der Bund, die Diohtungsmutter und die Beilagscheibe bestehen alle aus Polypropylen, das ausreichend fest ist, um während der Kompression und im Gebrauch formbeständig zu sein. Vor dem Zusammenbau der Dichtung wird der Neoprenteil mit einer dünnen Schicht von 0,2 cm Dicke des Hochvakuum-Silikonschmiermittels der Dow Corning Corporation auf seiner Innenfläche und seiner konischen-Außenfläche überzogen, um ihn leichter beweglich zu machen und Deformationen beim Festziehen zu vermeiden. Die Dicke der aufgebrachten Schmiermittelschicht liegt gewöhnlich im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm. Die Dichtung wird in der weiter oben erläuterten Weise zusammengebaut.

Die Zelle wird bei einem Spannungsabfall von etwa 4»1 Volt, einer Stromdichte von etwa 0,3 A/cm , einer Temperatur von etwa 90⁰C und einem pH des Anolyt von etwa 3 betrieben, um eine Lauge mit einem 12?£-igen Gehalt an Natriumhydroxyd zu erzeugen. In einer Abwandlung des Experimentes wird die Nafion (B) Dupont Kationen-aktive, selektiv permeable Membran gegen die Anode gehalten und die Anode wird auf der von der Membran abliegenden Seite aktiviert? unter diesen Bedingungen sinkt die Betriebsspannung auf 3»8 Volt. In einer weiteren Abwandlung wird ein Zellenverband von 50 Zellen, die in der in Hg.2 veranschaulichten Weise verbunden sind, ausgenommen eine gemeinsame Wand zwischen den jeweiligen Zellen, in gleicher Weise betrieben, wobei Kupferverbindungsstücke zwischen den Leitern vorgesehen sind. Statt der dargestellten Bipolaranordnung werden monopolare Zellen mit Dichtungen des beschriebenen Typs betrieben. Bipolare Zellen mit äußeren Anschlüssen erfordern

609818/0719

- -14 -

jedoch weniger Kupfer und sind u.a. aus diesem Grund gewöhnlich vorteilhafter.

In den beschriebenen Experimenten werden der Leiterstab und die daran angefügte Elektrode fest an ihrem Platz gehalten, ohne daß Chlor aus dem Anolytabteil oder Wasserstoff aus dem Katholytabteil entweichen. Die Dichtungen bleiben über lange Zeitspannen im Gebrauch der Zelle fest, beispielsweise 6 Monate bis 1 Jahr lang, sie verlieren dabei nicht ihre Elastizität und brauchen gewöhnlich während dieser Zeit nicht weiter nachgezogen zu werden. Nach Wunsch können sie jedoch festgezogen oder in der in der Zeichnung gezeigten Weise installiert werden.

Die beschriebene Vorrichtung und das verwendete Verfahren haben einige wichtige Vorzüge, die zu ihrer besonderen Nützlichkeit beitragen. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden sind in einer Luftumgebung hergestellt und daher weniger einer Korrosion ausgesetzt oder für einen Kurzschluß anfällig. Die Dichtung selbst befindet sich in der-Gasphase der Zelle, wobei ein Teil mit der Atmosphäre in Verbindung ist. Der Leiter und das elektrische Verbindungsstück sind also nicht der gleichen Korrosion unterworfen, wie das der Fall wäre, wenn sie sich in der flüssigen Phase befinden würden. Auch die Spaltkorrosion ist vermindert. Die Konstruktion der Dichtung und die dafür verwendeten Materialien sind solcher Art, daß die Dichtung ihre Elastizität beibehält und fest gegen den Leiter und die Wände des Zellgehäuses drückt, um ein Lecken zu verhindern. Der zusätzliche kreiaringförmige Abschnitt der Öffnung unter dem sich verjüngenden Abschnitt läßt erkennen, wann der sich verjüngende Abschnitt vollständig mit Silikonkautschuk gefüllt ist (das Silikon wird zum Zelleninneren hin herausgepreßt). Er trägt auch dazu bei, den Leiter in der gewünschten Lage zu halten, und hat zusätzliche Abdichtungswirkung. Die Verjüngung ist in der Lage, den Leiter gleichmäßig fest in seiner Stellung zu halten, und das Silikon füllt alle Unregelmäßigkeiten aus und paßt sich im längeren Gebrauch der

609818/0719

Zelle an alle damit in Berührung stehenden Wandteile an. Die Erfindung benötigt keine Flansche oder innere Dichtungssoheiben an den Flanschen. Die Bestandteile der erfindungsgemäßen Dichtung sind einfach zusammenzubauen, störungsfrei im Betrieb und verhältnismäßig preisgünstig. Die Erfindung stellt also einen Fortschritt gegenüber bekannten Verfahren zum Abdichten derartiger Leiter gegen Teile des Zellgehäuses dar.

Beispiel 2

Die Torrichtung des Beispiels 2 ist als innere Verbindung für eine bipolare elektrolyt!sehe Zelle installiert, die mit Ausnahme der nachstehend erwähnten Änderungen sonst im Typ und in den Materialien dem beschriebenen Beispiel 1 entspricht. Diese Änderungen sind: Der Teil des Leiters von der Mitte dee Silikonteiles bis zum Katholyt ist aus Kupfer und der Rest des Leiters ist aus titanplattiertem Kupfer, wobei die Außendurohmesser die gleichen sind. Die Beilagscheibe, der Bund und die Dichtungsmutter bestehen auch aus Polypropylen. Eine solche Dichtung verhindert wirksam ein Austreten von Flüssigkeit aus einem Elektrolytabteil in das nächste.

In einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung erweitert sioh die öffnung an beiden Seiten der Zellzwischenwand (eine einzige Wand) nach außen. Der Silikonkautschuk hat daher eine doppelte Kegelstumpfform, wobei die schmalen Enden der Kegelstümpfe zusammenstoßen. Es werden zwei Sätze von Heoprenteilen verwendet und auch zwei Sätze von Vorrichtungsteilen zum Zusammenpressen. Die Dichtung erfüllt ihren Zweck und arbeitet wirksam während der Elektrolyse von Salzlösung in einer solchen Zelle. Diese Konstruktion wird auch in den Zellen des Beispiels 1 verwendet und hat sich dort als effektiv erwiesen, obwohl sie gewöhnlich nicht notwendig ist und, da sie zusätzliche Teile enthält, die Dichtung des Beispiels 1 vorzuziehen ist·

609818/0719

Beispiel 5

In einem Vergleiohsexperiment wird der Silikonkautschuk bei der Dichtung der Fig.1 an der Kathode weggelassen und lediglich das Neopren verwendet. In diesem Fall entweicht etwas Wasserstoff und der Neoprenstöpsel allein muß daher als ungenügend bezeichnet werden. Er wird jedoch manchmal verwendet, um das Anolytabteil abzudichten, da das Molekulargewicht von Chlor höher ist und deshalb Chlor nicht so leicht durch öffnungen mit Neoprendichtungen entweichen kann.

Beispiel 4

Wenn die Dichtungen der Pig.1 in anderen elektrolytischen Zellen verwendet werden, beispielsweise solchen für die Elektrolyse von Wasser und Salzsäure, arbeiten sie in gleicher Weise effektiv.- In manchen Fällen können andere der erwähnten Gummi verwendet werden und andere Silikonelastomere, etwa die oben beschriebenen, können an die Stelle treten und ergeben gute Abdichtungen«

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten und beschriebenen Beispiele, vielmehr sind im Rahmen der Erfindung Austauschstoffe und Äquivalente verwendbar, wie sie dem Fachmann geläufig sind·

60981 8/0719

Claims

Ansprüche

fi) Dichtung für eine elektrolytische Zelle, um zu verhinäerm» daß Fluid durch eine öffnung in einer Zellwand, durch die ein Leiter zur Zuführung von Elektrizität an eine Elektrode der Zelle läuft, austreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teil (11) der Zellwand eine eich verjüngende Öffnung (13) vorgesehen ist, die im äußeren Teil der Zellwand weiter ist als im inneren Teil, daß in dem engeren Teil der sich verjüngenden öffnung ein Silikonkautschuk (21) und in dem weiteren Teil der sich verjüngenden öffnung ein elektrolytfester Gummi (23) vorgesehen ist und daß Vorrichtungsteile (25, 27, 29) angeordnet sind, um den Gummi (23) gegen den Silikonkautschuk (21) zu pressen und so eine feste Abdichtung des Silikonkautschuks gegen die Wand (11) der Zelle und gegen den Leiter (17) herzustellen.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß äie gasfest ausgeführt ist und ein Entweichen von" Gas aus der Zelle zur Außenseite durch den Zwischenraum zwischen der Zellwand und dem Leiter verhindert und daß der Leiter ein äußerer Leiter einer bipolaren Zelle ist, die sich verjüngende Öffnung einen Winkel zwischen 5 und 20° einnimmt, der elektrolytfeste Gummi Neopren ist, der Silikonkautschuk und das Neopren den Pluiddurchlaß ausfüllen und die Länge des Silikonkautschuks darin entlang dem Leiter das 0,1-bis 10-fache der Länge des Neoprene beträgt.

3· Dichtung naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellwand an dem engeren Ende der sich verjüngenden öffnung sich auf einer Strecke fortsetzt, deren Länge das 0,2-bis 5-fache der Länge des Silikonkautschuks beträgt, und die sich parallel zum Leiter erstreckt, wobei der Zwischenraum zwischen dem Leiter und der Wand etwa 0,3 bis 1,5 mm ist.

609818/0719

4β Dichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich verjüngende Öffnung einen Winkel zwischen 7 und 12° einnimmt, die Länge des Silikonkautschuks das 0,5- bis 3-fache der Länge des Neoprene beträgt, die Zellwand an dem engeren Ende der sich verjüngenden Öffnung sich auf einer Strecke fortsetzt, deren Länge das 0,3- bis 2-fache der Länge des Silikonkautschuks beträgt, und sich parallel zum Leiter erstreckt, der Zwischenraum zwischen dem Leiter und der Wand zwischen 0,5 und 1 mm ist und daß die Vorrichtungsteile zum Pressen des Neoprene gegen den Silikonkautschuk eine Beilagscheibe (24) und eine Mutter (25) umfassen, die auf die Beilagscheibe drückt, und daß der Leiter zylindrisch ist«

5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellwand (11) aus mit Füllstoff versehenem Propylen ist, daß der Leiter ein Stab aus Kupfer oder aus titanplattier— tem Kupfer ist, daß die Beilagscheibe (24) und die Mutter (25) aus Nylon sind, daß rund um den Leiter Q 7) ein mit Gewinde versehener Bund (27) angebracht ist, der an der Aussenseite der Zelle festgemacht ist, und daß die Mutter (25) ein dazu passendes Gewinde trägt und in den Bund einschräubbar ist, um fester gegen die Beilagscheibe zu drücken und dadurch das Neopren und den Silikonkautschuk stärker gegen die Wand der Öffnung und gegen den Leiter zu pressen·

6. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Neoprengummi eine Durometerhärte von 30 bis 60 hat, daß der Silikongummi ein bei Raumtemperatur vulkanisierbares Allzweck-Klebedichtungsmittel ist, daß das mit Füllstoff versehene Polypropylen, das als Material für die Wände der Zelle und/oder einige oder alle der Vorrichtungsteile dient, als Füllstoff Kalziumsilikatfasern, Flockenglimmer oder Asbest oder ein Gemisch von zwei oder mehr dieser Materialien enthält und daß die Zelle eine elektrolytische Zelle zur Erzeugung von Chlor, einer wässeri-

6098 187 07 19

gen Natriumhydroxydlösung und Wasserstoff durch Elektrolyse einer Sole ist.

7» Dichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Neopren auf seiner Innenfläche und der konischen Außenfläche einen Überzug aus Silikonfett trägt, um die Beweglichkeit des Neoprene entlang der sich verjüngenden Zellwand und entlang dem Leiter zu erhöhen, wenn die Mutter festgezogen bzw. gelockert wird.

8. Dichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (17) einen Durchmesser von etwa 2,5 cm hat, daß der Zwischenraum zwischen dem Leiter und dem dazu parallelen inneren Wandabschnitt der Zelle etwa 0,7 mm beträgt, daß der Winkel der sich verjüngenden Öffnung zwischen 9 und 10° ist, daß die Länge des Silikonkautschuks etwa das 1,5-fache derjenigen des Neoprengummis beträgt, daß der Leiter und die Mittellinie der Öffnung in der Zellwand, durch die der Leiter läuft, annähernd vertikal sind und daß der Leiter an einen Leiter einer benachbarten Zelle außerhalb der Zellen angeschlossen ist.

9· Verfahren zum Herstellen einer Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter in einer sich verjüngenden öffnung in der Zellwand angebracht wird, daß Silikonkautschuk in fließfähigem, ungehärtetem Zustand in den Zwischenraum zwischen dem Leiter und der Zellwand eingebracht wird, so daß er einen Teil der öffnung zwischen der Zellwand und dem Leiter ausfüllt, daß der Silikonkautschuk gegen die Zellwand und den Leiter komprimiert wird, indem ein sich verjüngender, mit einer Mittelbohrung versehener Stöpsel aus einem elektrolytfesten Gummi gegen den breiteren Teil des sioh verjüngenden Silikonkautschuks gepreßt wird, um den Silikonkautschuk fest gegen die Wand und den Leiter abzudichten, und daß der Silikonkautschuk an Ort und Stelle gehärtet wird.

50981 8/071

10. Verfahren zum Verhindern des Austritts von Wasserstoff aus einer elektrolytischen Zelle für die Elektrolyse von Sole, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich verjüngende öffnung in einer solchen Zelle, die für den Durchtritt eines Leiters zur Leitung von Elektrizität von einer Kathode in der Zelle zu einer Anode einer weiteren solchen elektrolytischen Zelle vorgesehen ist mit Hilfe eines konischen Heils aus Silikonkautschuk zwischen dem Leiter und der konisch zusammenlaufenden Zellwand abgedichtet wird, wofcei das engere Ende der konischen öffnung näher am Zelleninneren liegt, und daß in der Zelle Salzlösung elektrolysiert wird·

6098 18/0719