DE2646463A1

DE2646463A1 - Plattenelektrode fuer eine elektrolysezelle

Info

Publication number: DE2646463A1
Application number: DE19762646463
Authority: DE
Inventors: Charles Joseph Hora; Thomas Gordan Strempel
Original assignee: Diamond Shamrock Corp
Current assignee: Diamond Shamrock Corp
Priority date: 1975-10-15
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1977-04-21
Also published as: FR2328055A1; SE7611402L; US4107022A; IT1069573B; FR2328055B3; FI762928A; US4033848A; DK462676A; DD129808A5; BR7606902A; JPS5249986A; NL7611361A

Description

Die Erfindung betrifft eine Plattenelektrode zur Verwendung in einer Elektrolysezelle für die Herstellung verschiedener Verbindungen auf elektrochemischem Wege und bezieht sich insbesondere auf eine Plattenelektrode mit einem Zugangsrohr, die insbesondere als Kathode in einer eine Membran enthaltenden Elektrolysezelle für die elektrochemische Herstellung von Alkalimetallcarbonaten verwendbar ist und betrifft ferner eine Elektrolysezelle hierfür.

Es sind zahlreiche Typen von Elektroden in Form von Anoden und Kathoden für verschiedene Elektrolysezellen zur Durchführung elektrochemischer Verfahren vorgeschlagen worden·

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Die meisten dieser Elektroden lassen sich, in zwei Hauptgruppen unterteilen. Zur ersten Gruppe gehören Elektroden von mehr oder weniger zylindrischer Gestalt, die, von sich gegenüberliegenden Enden einer Elektrolysezelle ausgehend, an Grundplatten befestigt und in einer Vielzahl von Reihen und Säulen angeordnet sind, um eine Wabenanordnung zu schaffen, in der Anoden und Kathoden im Abstand voneinander angeordnet sind. Diese Elektroden sind im allgemeinen perforiert und aus einem gitter- oder maschenförmigen Ausgangsmaterial hergestellt, so daß sich, je nach Erfordernis eines speziellen elektrochemischen Verfahrens, über ihnen ein Diaphragma ausbilden läßt. Die Geometrie der sich daraus ergebenden Zellenkonstrukiäonen macht es äußerst schwer, zwischen die Anoden und Kathoden eine ebene Membran einzusetzen. Die zweite Gruppe besteht daher aus ebenen Elektroden, die im Innern einer Elektrolysezelle mit parallelen Hauptflächen in geringem Abstand voneinander so angeordnet werden können, daß dazwischen eine ebene Membran eingesetzt werden kann. Elektroden dieses Typs werden mit elektrischem Strom über Stromverteilerschienen von den sich gegenüberliegenden Enden einer Elektrolysezelle aus versorgt und stützen auch in sie eingegliederte Elektrodenplatten ab. Diese Ausbildung hat indes Mängel, weil das exakte Anordnen der Elektroden schwierig ist, so daß sich im Betrieb gewisse Mängel in der Leistungsfähigkeit einstellen.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn sehr nahe an der Elektrodenplatte eine Zugangsöffnung zur Verfügung steht, mit der sich Fluide nahe an die Elektrodenplattenoberflache hinleiten oder aus der Nähe derselben ableiten lassen. Beispielsweise ist es bei einer Elektrolysezelle für die elektrochemische Herstellung von Alkaliaetallcarbonaten notwendig, daß über die der Membran benachbarte Kathodenplattenoberflache COg strömt. Dies ist bei den obenbeschriebenen derzeitigen und bestehenden Elektroden schwierig zu erreichen. Ein anderes Problem, das

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"bei den herkömmlichen Ausführungsfonaen nicht erkannt oder gelöst wurde, besteht darin, daß es zweckmäßig ist, eine gleichmäßige Strömung und gleichmäßige Verteilung des Fluides über der Elektrodenplattenoberfläche zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plattenelektrode zu schaffen, die in eine Elektrolysezelle einsetzbar ist und eine gute betriebliche Leistungsfähigkeit zu erzielen vermag.

Diese Aufgabe ist mit einer Plattenelektrode gelöst, die erfindungsgemäß eine perforierte Elektrodenplatte hat, wenigstens einen mit dieser verbundenen kreisringförmigen Plansch mit einem Außenumfangsrand und einem Innenumfangsrand, ein Zugangsrohr, das sich vom Außenumfangsrand zum Innenumfangsrand durch den kreisringförmigen Plansch erstreckt, um dazwischen einen Durchlaß zu bilden, und eine Anschlußvorrichtung zum Verbinden einer elektrischen Stromquelle mit der Elektrodenplatte.

Mit dem Zugangsrohr läßt sich ein Fluid über die Elektrodenplattenoberfläche fein verteilen oder es lassen sich aus dem Innern der Elektrolysezelle aus der Nähe der Elektrodenplattenoberfläche Fluide entnehmen.

Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß sich die Plattenelektrode als Kathode verwenden läßt, wobei über die Kathodenplattenoberfläche zwischen der Kathodenplatte und der Membran einer Elektrolysezelle für die

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Herstellung von Alkalimetallcarbonaten Kohlendioxid geblasen und fein verteilt werden kann.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand sehematischer Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten erläutert« Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer für die Herstellung von Alkalimetallcarbonaten verwendbaren Elektrolysezelle, in die eine Plattenelektrode nach der Erfindung eingesetzt ist,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 in Fig. 1 durch die Plattenelektrode,

Fig. 3 den Schnitt 3-3 in Fig. 2 durch die Plattenelektrode und

Fig. 4 eine Teilseitenaasicht im Schnitt der Plattenelektrode, die eine andere Ausführungsform des Zugangsrohres zeigt.

Die Zeichnungen zeigen eine in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnete Elektrolysezelle, die beispielsweise für die elektrochemische Herstellung von Alkalimetallcarbonaten verwendbar ist· Die in Fig. 1 dargestellte Elektrolysenzeil enkonstruktion könnte mit nur geringfügigen Änderungen zur Durchführung einer großen Vielfalt von elektrochemischen Verfahren eingesetzt werden. Die Elektrolysezelle 10 ist durch eine Membran 11 in eine Anodenkammer 12 und eine Kathodenkammer 13 unterteilt, die von zwei zylindrischen HaIbzellenteilen 14 und 14' aus Glas gebildet sind. Zwischen diesen beiden Halbz eil enteilen 14 und 14* sind die Membran und eine Plattenelektrode 15 zwischengeschaltet. Bei der in

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Fig. 1 dargestellten speziellen Elektrolysezelle 10 dient die Plattenelektrode 15 als Kathode. Die Plattenelektrode 15 ist ebenso gut als Anode oder als Anode und als Kathode in Elektrolysezellen ähnlichen Aufbaues verwendbar.

Sie Plattenelektrode 15 ist mit der negativen Anschlußklemme einer nicht gezeichneten elektrischen Stromquelle elektrisch verbunden. Die Elektrolysezelle 10 ist mit einem Dichtglied 16 abgedichtet, das gegen chemischen Angriff durch den in der Elektrolysezelle 10 zu verwendenden Anolyten und Katholyten widerstandsfähig ist. Das Dichtglied 16 zwischen der als Kathode dienenden Plattenelektrode 15 und der Membran 11 kann ein Werkstoff von einer speziellen, vorbestimmten Dicke sein, um zwischen der Plattenelektrode 15 und der Membran 11 einen gegebenen Zwischenabstand zu erzielen. Dadurch läßt sich der angestrebte Zwischenabstand zwischen der Plattenelektrode 15 und der Membran 11 auf «ehr einfache und exakte Weise erzielen. An geeigneter Stelle im Innern der Anodenkammer 12 ist eine Anode 17 angeordnet, die gemäß Pig. 1 übliche und bestehende Konstruktionsmerkmale aufweist. Sie ist mit der positiven Anschlußklemme einer nicht gezeichneten elektrischen Stromquelle elektrisch verbunden, um einen elektrischen Stromkreis herzustellen, durch den ein Elektrolysierstrom durch die Elektrolysezelle 10 geleitet werden kann. Die die Anodenkammer 12 und die Kathodenkammer 13 bildenden Halbz eil enteile 14 und H' können je an ihrem unteren feil Auslässe 18 zum Ein- oder Ableiten von Fluiden, wie z.B. Sole und Alkalimetallcarbonat, am oberen Teil der Elektrolysezelle 10 Auslässe 19 für, im allgemeinen, die Ableitung von Gasen, wie z.B. Chlor und Wasserstoff, sowie, je nach Erfordernis der durchzuführenden speziellen Reaktion, weitere Öffnungen aufweisen.

Einzelheiten des Aufbaues der in der Elektrolysezelle 10 gemäß Fig. 1 verwendeten Plattenelektrode 15 sind in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser speziellen Elektrolysezelle 10 ist die Plattenelektrode 15 als Kathode für die elektrochemische Herstellung von Alkalimetall carbonaten verwendet. Sie weist

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eine Elektrodenplatte 20 auf, die der aufgeladene Abschnitt der Plattenelektrode 15 ist. Die Elektrodenplatte 20 kann aus einem beliebigen, für die spezielle Verwendung der Plattenelektrode 15 in einer speziellen Elektrolysezelle geeigneten Werkstoff sein, was jedoch keinen einschränkenden Paktor der Erfindung darstellt. Die in Verbindung mit der Elektrolysezelle 10 verwendete Elektrodenplatte 20 ist perforiert, um Fluidverbindung durch die Plattenelektrode 15 hindurch zuzulassen. Wenn die Plattenelektrode 15 als Kathode verwendet wird, kann die Elektrodenplatte 20 aus herkömmlichen elektrisch leitenden Werkstoffen, die gegenüber dem Katholyten beständig sind, hergestellt sein, beispielsweise aus Eisen, Flußstahl, rostfreiem bzw. korrosionsbeständigem Stahl, Titan oder Nickel. Eine als Anode zu verwendende Elektrodenplatte 20 kann aus einem beliebigen herkömmlichen, elektrisch leitenden, elektrolytisch aktiven Werkstoff hergestellt sein, der gegenüber dem Anolyten beständig ist, beispielsweise aus Grafit oder aus einem Ventil-Metall, wie z.S. Titan, Tantal oder Legierungen hiervon, und der an seiner Oberfläche ein Edelmetall, ein Edelmetalloxid (entweder allein oder in Kombination mit einem Oxid eines Edelmetalls) oder einen anderen elektrolytisch aktiven, korrosionsbeständigen Werkstoff trägt. Anoden dieser Klasse werden als formbeständige Anoden bezeichnet und sind in der Industrie bekannt und verbreitet im Einsatz. Hierzu wird beispielsweise auf die US-PS 3 117 023, 3 632 498, 3 840 443 und 3 846 273 verwiesen.

Die Elektrodenplatte 20 ist von einem kreisringförmigen Flansch 21 umgeben, der aus einem beliebigen, für den speziellen Einsatz geeigneten Werkstoff hergestellt sein kann, beim gezeigten Beispiel aus rostfreiem bzw. korrosionsbeständigem Stahl oder aus einem dem chemischen Milieu im Innern der Elektrolysezelle 10 gegenüber beständigen Kunststoff. Gemäß Fig. 3 iat der kreisringförmige Flansch 21 an seinem Außenumfangsrand 24 durch abdichtende Anlage mit einem zweiten kreisringförmigen Flansch 21 * verbunden. Zwischen diesen beiden abdichtend aneinander anliegenden kreisringförmigen Flanschen 21 und 21* ist die Elektrodenplatte 20 angeordnet, die durch

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eine Schweißverbindung am Außenumfangsrand 24 der Flansche und 21* zwischen diesen festgehalten ist.

Zur Schaffung einer geeigneten Plattenelektrode 15 könnte ebenso gut nur ein kreisringförmiger Plansch 21 verwendet sein, an dem eine perforierte Elektrodenplatte 20 kleinerer Abmessungen befestigt ist. Biese Ausbildungsform wäre dort vorteilhaft, wo zwischen der Membran 11 und der Elektrodenplatte 20 ein sehr kleiner Zwischenraum angestrebt wird. Bei beiden Ausführungsformen ist die Plattenelektrode 15 in einer Elektrolysezelle 10 durch Spanndruck auf den kreisringförmigen Plansch 21 in Stellung gehalten. Auch können die Abmessungen oder die (restalt der Plattenelektrode 15 an die Abmessungen und die Gestalt einer speziellen Elektrolysezelle, beispielsweise an eine rechteckige oder quadratische Elektrolysezelle verschiedener Abmessungen, ohne weiteres angepaßt werden.

Am oberen Ende der Plattenelektrode 15 befindet sich eine beim gezeigten Beispiel als Verlängerung oder Ansatz ausgebildete elektrische Anschlußvorrichtung 22, die dazu dient, die Verbindung zwischen der elektrischen Stromquelle und der Elektrodenplatte 20 herzustellen. Diese Anschlußvorrichtung 22 kann von beliebiger Gestalt oder Ausbildung sein, solange diese für das elektrische Verbinden der Plattenelektrode 15, während diese sich im Innern der Elektrolysezelle 10 befindet, zweckmäßig ist.

Es hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, wenn über eine Vorrichtung verfügt wird, mit der sich während des Betriebes einer Elektrolysezelle Fluide in diese einleiten oder aus der Nähe der Oberfläche der Elektrodenplatte 20 Proben entnehmen lassen. Beim gezeigten Beispiel erstreckt sich vom Außenumfangsrand 24 der kreisringförmigen Flansche 21 und 21» der Plattenelektrode 15 zum Innenumfangsrand 25 der Flansche 21 und 21 * ein Zugangsrohr 23, so daß es dazwischen einen Durchlaß bildet, der das Innere der Elektrolysezelle 10 mit ihrer Außenseite verbindet. Das Zugangsrohr 23 kann von beliebigen Abmessungen oder beliebiger

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Gestalt sein, die für den Anschluß von Armaturen oder anderen Rohrleitungen daran zweckmäßig sind. Es ist von Vorteil, wenn das (ras oder die Flüssigkeit, das oder die in die Elektrolysezelle 10 eingeleitet wird, über eine Fläche, vorzugsweise über die Fläche der Elektrodenplatte 20 fein verteilt wird, welche der in der Elektrolysezelle 10 enthaltenen Membran 11 benachbart ist. Das Zugangsrohr 23 ist am innenliegenden Ende, flach zusammengedrückt worden, um eine Einführungsöffnung 26 zum gleichmäßigen feinen Verteilen entweder einer Flüssigkeit oder eines Gases über die Oberfläche der Elektrodenplatte 20 auszubilden.

Wie am deutlichsten in Fig. 1 zu erkennen, hat das Zugangsrohr 23 eine Biegung 27, so daß sich die Einführungsöffnung 26 nach der einen oder nach der anderen Seite der Plattenelektrode 15 richten läßt. Fig. 3 zeigt die Art der Anordnung der Einführungsöffnung 26 gegenüber der Elektrodenplatte 20 der Plattenelektrode 15 und in bezug auf das Zugangsrohr 23, das zum Anschließen von anderen Geräten an der Außenfläche rund ist. Es hat sieh herausgestellt, daß das Kohlendioxidgas, das der zum elektrochemischen Herstellen von Alkalimetallcarbonaten verwendeten Elektrolysezelle 10 zugeführt wird, rascher absorbiert wird, wenn es mehr oder weniger tangential zur Oberfläche der Elektrodenplatte 20 geblasen wird. Die Biegung 27 muß genügend groß sein, um dieses Ergebnis zu erzielen, oder es können zwei Biegungen vorhanden sein, um eine exakt tangentiale Kohlendioxidströmung über der Oberfläche der Elektrodenplatte 20 zu erzeugen. Fig. 4 zeigt ein Zugangsrohr 23* mit zwei Biegungen 27. Das Zugangsrohr 23 oder 23* schafft somit eine Stelle, an der sich Flüssigkeiten oder Gase bequem beiden Seiten der Elektrodenplatte 20 oder, bei der speziellen Elektrolysezelle 10, derjenigen Seite der als Kathodenplatte wirkenden Elektrodenplatte 20 zuleiten lassen, die der Membran 11 zugewandt ist. Auch dient dieses Zugangsrohr 23 oder 23* als »ehr praktische Vorrichtung zum Entnehmen von Proben oder eines Produktes oder irgendeiner beliebigen Substanz aus der Nähe der Oberfläche der Elektrodenplatte 20 im Innern der Elektrolysezelle 10, ohne daß

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diese zum Zugänglichmachen geöffnet werden müßte.

Es bat sich, herausgestellt, daß eine in der obenbeschriebenen Weise ausgebildete Plattenelektrode 15 in einer Elektrolysezelle 10 für die Herstellung von Alkalimetallcarbonaten eine gute betriebliche Leistungsfähigkeit zeigt. Es wird angenommen, daß dies wenigstens zum Teil auf die erhöhte Absorption des Kohlendioxidgases an der Oberfläche der Plattenelektrode 15 zurückgeht, welche durch die Verwendung des obenbeschriebenen Zugangsrohres 23 oder 23* erzielt wurde.

Sie Plattenelektrode 15 kann mit beliebigen Abmessungen oder mit jeder beliebigen Gestalt ausgebildet sein, wobei der einzige Unterschied darin besteht, daß bei einer großen rechteckigen oder kreisrunden Elektrode mehr als ein Zugangsrohr nötig sein kann, um die gleichmäßige Verteilung von Substanzen über der Oberfläche der Elektrodenplatte 20 zu erreichen.

/Ansprüche

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Claims

ANSPRÜCHE

"Plattenelektrode für eine Elektrolysezelle, insbesondere für die elektrochemische Herstellung von Alkalimetallcarbonaten, gekennzeichnet durch eine perforierte Elektrodenplatte (20), wenigstens einen mit dieser verbundenen kreisringförmigen Flansch (21, 21') mit einem Außenumfangsrand (24) und einem Innenumfangsrand (25), wenigstens ein Zugangsrohr (23;23'), das sich vom Außenumfangsrand (24) zum Innenumfangsrand (25) durch den kreisringförmigen Flansch (21, 21') erstreckt, um dazwischen einen Durchlaß zu bilden, und durch eine Anschlußvorrichtung (22) zum Verbinden einer elektrischen Stromquelle mit der Elektrodenplatte (20).
2. Plattenelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugangsrohr (23) wenigstens eine Biegung (27) am Innenumfangsrand (25) des Flansches (21, 21') aufweist, so daß ein Fluid über eine Seite der Elektrodenplatte (20) leitbar ist.
3. Plattenelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegung (27) ausreichend groß ist, um über der Elektrodenplatte (20) eine tangentiale Strömung zu erzielen.
4. Plattenelektrode nach Anspruch 1 _f dadurch gekennzeichnet , daß das Zugangsrohr (23; 23') eine flach zusammengedrückte Einführungsöffnung (26) aufweist, die einen gleichmäßig fein verteilten Fluidstrom über die Elektrodenplatte (20) zu leiten vermag.
5. Elektrolysezelle, insbesondere für die elektrochemische Herstellung von Alkalimetallcarbonaten, gekennzeichnet durch zwei Halbzellenteile (14,14') _f eine für Flüssigkeit undurchlässige, Ionen austauschende Membran (11), die an einem der

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Hallszellenteile (14) abdichtend anliegt, einen Abstandshalter (Bichtglied 16) für die Membran (11), und durch wenigstens eine Plattenelektrode (15) mit wenigstens einem Zugangsrohr (23; 23') darin, die mit zwischengeschaltetem Abstandshalter (Dichtglied 16) an der Membran (11) abdichtend anliegt, wobei das andere Halbzellenteil (14*) an der Plattenelektrode (15) abdichtend anliegt, um eine geschlossene Elektrolysezelle (10) mit einer Anodenkammer (12) und einer Kathodenkaamer (13) zu bilden.
6. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugangsrohr (23) eine Biegung (27) hat, um eine beliebige Substanz, die in die Elektrolysezelle

(10) eingeführt wird, über die der Membran (11) zugewandte Oberfläche der Plattenelektrode (15) zu leiten.
7. Elektrolysezelle nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugangsrohr (23; 23^f) eine Einführungsöffnung (26) zum gleichmäßigen feinen Verteilen einer Substanz hat, die in die Elektrolysezelle (10) eingespritzt oder eingeblasen wird.
8. Elektrolysezelle nach Anspruch 5 für die Herstellung von Alkalinetallcarbonaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelektrode (15) eine Kathode ist, daß die Membran (11) eine für Flüssigkeit undurchlässige, Kationen austauschende Membran ist, und daß das Zugangsrohr (23; 23*) dazu dient, Kohlendioxid einzuleiten und über die der Membran

(11) augewandte Kathodenfläche fein zu verteilen.
9. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelektrode (15) von rechteckiger Gestalt ist.
10. Elektrolysezelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelektrode (15) von runder Gestalt ist.

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