ELEKTROLYSEAPPARAT ZUR HERSTELLUNG VON HALOGENGASEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zur Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung mit mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten und in elektrischem Kontakt stehenden plattenförmigen Elektrolysezellen, die jeweils ein Gehäuse aus zwei Halbschalen aus elektrisch leitendem Material mit außenseitigen Kontaktstreifen an wenigstens einer Gehäuserückwand aufweisen, wobei das Gehäuse Einrichtungen zum Zuführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsstoffe und Einrichtungen zum Abführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseprodukte und eine im wesentlichen ebenflächige Anode und Kathode aufweist, wobei die Anode und die Kathode durch eine Trennwand voneinander getrennt und parallel zueinander angeordnet sind und mittels metallischer Versteifungen mit der jeweils zugeordneten Rückwand des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind, wobei die metallischen Versteifungen als mit den Kontaktstreifen fluchtende Stege ausgebildet sind, deren Seitenränder über der Höhe der Rückwand und der Anode bzw. Kathode an der Rückwand und der Anode bzw. Kathode anliegen.

[0002] Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Elektrolysezellen für einen Elektrolyseapparat der vorbeschriebenen Art, bei dem das jeweilige Gehäuse aus jeweils zwei Halbschalen unter Zwischenschaltung der erforderlichen Einrichtungen und der Kathode und Anode sowie der Trennwand durch Fixierung derselben mittels als Stege ausgebildeter metallischer Versteifungen zusammengesetzt und die Anode und Gehäuse bzw. Kathode und Gehäuse elektrisch leitend aneinander befestigt werden.

[0003] Aus den Druckschriften US-A-4,108,752, GB-A-2,135,696, EP-A-172 495 und JP-A-08 04 084 sind Elektrolyseapparate bekannt, welche aus Einzelzellen aufgebaut sind, die anoden- bzw. kathodenseitig angeordnete halbschalenförmige Gefäßteile beinhalten. Bei der Lösung gemäß JP-A-08 04 084 tragen die Rückseiten benachbarter Gefäßteile Plattierauflagen, an deren Stellen die gegenseitig gegenüberliegenden Gefäßteile durch Laserschweißen fest verbunden werden.

[0004] Aus EP 0 189 535 B1 ist ein Elektrolyseapparat bekannt, bei der die Anode bzw. die Kathode mit der jeweiligen Rückwand der Gehäusehälften über fachwerkähnliche metallische Versteifungen verbunden ist. Auf der Rückseite der Anoden- bzw. Kathodenhalbschale ist jeweils ein Kontaktstreifen für den elektrischen Kontakt zur benachbarten, gleich aufgebauten Elektrolysezelle angebracht. Der Strom fließt über den Kontaktstreifen durch die Rückwand in die fachwerkähnlichen metallischen Versteifungen und von dort verteilt er sich ausgehend von den metallischen Kontaktpunkten -Versteifung/Anode - über die Anode. Nachdem der Strom durch die Membran hindurchgetreten ist, wird er von der Kathode aufgenommen, um über die fachwerkähnlichen Versteifungen in die Rückwand auf der Kathodenseite zu fließen und dann wieder in den Kontaktstreifen und von dort in die nächste Elektrolysezelle einzutreten. Die Verbindung der stromleitenden Bauteile wird hierbei durch Punktschweißung vorgenommen. In den Schweißpunkten bündelt sich der Elektrolysestrom zu Spitzenstromdichten.

[0005] Als nachteilig bei diesem bekannten Elektrolyseapparat hat sich vor allem herausgestellt, dass der Strom nicht über die gesamte Fläche des Kontaktstreifens fließt, da der Strom ausgehend von der metallischen Verbindung zwischen der fachwerkähnlichen Versteifung und der Rückwand der Kathode punktuell in den Kontaktstreifen eingeleitet wird. Mit abnehmender stromdurchflossener Fläche des Kontaktstreifens steigt aber die für den Stromfluss erforderliche Spannung, die sogenannte Kontaktspannung, an. Da der spezifische Energiebedarf, der zur Herstellung der Elektrolyseprodukte erforderlich ist, linear mit der Spannung steigt, nehmen die Produktionskosten zu.

[0006] Von weiterem Nachteil bei dem bekannten Elektrolyseapparat ist, dass die fachwerkähnlichen Versteifungen, die die Rückwand und die Elektroden miteinander verbinden, aus Flexibilitätsgründen nicht senkrecht zwischen Rückwand und Elektrode angeordnet sind, was zu einer Verlängerung der Stromwege führt, woraus ebenfalls ein Anstieg der Zellspannung resultiert. Außerdem tritt der Strom von der fachwerkähnlichen Versteifung in die Elektrode nur punktuell ein, was einerseits eine ungleiche Stromverteilung und andererseits wiederum einen Anstieg der Zellspannung zur Folge hat. Die ungleichmäßige Stromverteilung auf den Elektroden führt darüber hinaus zu einer nicht gleichförmigen Abreicherung der Elektrolyte, was eine Verringerung der Stromausbeute und eine Verringerung der Membranlebensdauer zur Folge hat.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektrolyseapparat zu schaffen, bei dem die stromdurchflossenen Flächen möglichst groß sind, um eine nur punktuelle Einleitung in die Elektroden und die Kontaktstreifen und damit eine ungleiche Stromverteilung zu vermeiden.

[0008] Diese Aufgabe wird mit einem Elektrolyseapparat der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontaktstreifen querschnittlich U-förmig ausgebildet sind und jeweils mit ihrem U-Steg an der Rückwand anliegen und im mittleren Bereich des U-Steges über der gesamten Höhe mit der Rückwand und dem jeweiligen Steg in einem elektrisch leitenden Dreifachverbund gefügt sind, wobei sich der Dreifachverbund ausgehend vom U-Steg querschnittlich kelchförmig nach innen erstreckt.

[0009] Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des Elektrolyseapparates werden ungleichmäßig stromdurchflossene Flächen weitgehend vermieden und der Strom wird nicht nur punktuell, sondern weitgehend vollflächig in die Elektroden und die Kontaktstreifen eingeleitet. Die Stromwege selbst sind kurz, da die Versteifungsstege senkrecht zwischen der jeweiligen Rückwand und der jeweiligen Elektrode angeordnet werden können. Durch diese Gestaltung bedingt, ist die erforderliche Zellspannung gegenüber dem bekannten Elektrolyseapparat wesentlich geringer.

[0010] Durch die integrale Fügung des Dreifachverbundes entfallen die Fügeflächen zwischen Steg und Rückwand einerseits und zwischen Rückwand und Kontaktstreifen andererseits bzw. zwischen Steg und Elektrode. Der Elektrolysestromfluss braucht dabei nicht mehr die in den Fügeflächen anstehenden elektrischen Oberflächenkontaktwiderstände zu überwinden.

[0011] Überraschend ist ein weiterer Vorteil des integral gefügten Dreifachverbundes festgestellt worden. Der Dreifachverbund erhöht die Biegesteifigkeit der Rückwände der Halbschalen beträchtlich. Da zwischen den Rückwänden der Elektrolysezellen sowohl die im Stapel herrschende Vorspannkraft als auch der Elektrolysestrom übertragen wird, - beide werden zugleich über die jeweiligen Kontaktstreifen der benachbarten Elektrolysezellen-Rückwände direkt übertragen - müssen die Kontaktstreifen unter der Einwirkung der Verspannkraft eben bleiben, damit zwischen den benachbarten Kontaktstreifen ein möglichst vollflächiger Stromfluss erfolgen kann. Die höhere Biegesteifigkeit des Dreifachverbundes vermindert den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den einzelnen Elektrolysezellen im Stapel.

[0012] Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stege über ihrer gesamten Höhe mit der Anode bzw. Kathode elektrisch leitend verbunden sind.

[0013] Die Kathoden können aus Eisen, Kobalt, Nickel oder Chrom oder einer ihrer Legierungen und die Anoden aus Titan, Niob oder Tantal oder einer Legierung dieser Metalle oder aus einem metall- oder oxidkeramischen Material bestehen. Darüber hinaus sind die Elektroden vorzugsweise mit einem katalytisch wirksamen Überzug versehen. Dabei sind die Elektroden vorzugsweise mit Durchbrechungen versehen (Lochblech, Streckmetall, Flechtwerk oder dünne Bleche mit jalousieartigen Durchbrüchen), so dass durch ihre Anordnung in der Elektrolysezelle, die bei der Elektrolyse gebildeten Gase leicht in den Rückraum der Elektrolysezelle eintreten können. Durch diesen Gasabzug erreicht man, dass der Elektrolyt zwischen den Elektroden einen kleinstmöglichen Gasblasengehalt und somit eine maximale Leitfähigkeit aufweist.

[0014] Bei der Trennwand, der sogenannten Membran, handelt es sich vorzugsweise um eine Ionaustauschermembran, die im allgemeinen aus einem Copolymerisat aus Polytetrafluorethylen oder einem seiner Derivate und einer Perfluorvinylethersulfonsäure und/oder Perfluorvinylkarbonsäure besteht. Sie sorgt dafür, dass die Elektrolyseprodukte sich nicht vermischen und erlaubt aufgrund ihrer selektiven Permeabilität für Alkalimetallionen den Stromfluss. Außerdem kommen als Trennwand auch Diaphragmen in Frage. Ein Diaphragma ist eine feinporöse Trennwand, die die Vermischung der Gase verhindert und eine elektrolytische Verbindung zwischen Kathodenund Anodenraum darstellt und somit den Stromfluss erlaubt.

[0015] Die die metallischen Versteifungen bildenden Stege können vollflächig ausgebildet sein oder mit Öffnungen oder Schlitzen versehen sein.

[0016] Um eine optimale Einspeisung der Elektrolyte zu erreichen ist vorteilhaft vorgesehen, dass ein Einlaufverteiler vorgesehen ist, über den die Elektrolyte in die Halbschalen einspeisbar sind. Dieser Einlaufverteiler ist vorzugsweise so gestaltet, dass jedes Segment einer Halbschale über wenigstens eine Öffnung im Einlaufverteiler mit frischem Elektrolyt versorgbar ist und die Summe der Flächen der Öffnungen im Einlaufverteiler kleiner oder gleich der Querschnittsfläche des Einlaufverteilers ist.

[0017] Die Anodenhalbschalen bestehen bevorzugt aus einem gegen Halogene und Kochsalzlösung beständigen Material, während die Kathodenhalbschalen bevorzugt aus einem gegen Alkalilaugen beständigen Material bestehen.

[0018] Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des vorbeschriebenen Elektrolyseapparates zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die metallische, elektrisch leitende Verbindung der als Stege ausgebildeten Versteifungen mit der jeweiligen Rückwand und dem jeweiligen Kontaktstreifen sowie der Anode bzw. Kathode über ein reduktives Sinterverfahren oder über ein Schweißverfahren hergestellt wird.

[0019] Wird ein reduktives Sinterverfahren eingesetzt, wird ein Kleber, im wesentlichen bestehend aus einem oxidischen Material, z.B. NiO, und einem organischen Binder verwendet. Diesen Kleber streicht man auf den Steg und das damit zu verbindende Bauteil, z.B. die Rückwand, und presst beide Teile mittels einer Haltevorrichtung zusammen. Nachdem der organische Binder ausgehärtet ist, wird der oxidische Bestandteil des Klebers in einer reduzierenden Atmosphäre (z.B. H₂, CO usw.) reduktiv heiß versintert.

[0020] Wird ein Schweißverfahren eingesetzt, wird bevorzugt ein Laserstrahlschweißverfahren verwendet. Dabei wird besonders bevorzugt der Laserstrahl zur Schweißrichung senkrecht polarisiert, um ein deutlich verringertes Verhältnis von Oberraupenbreite zur Anschlußbreite zu erreichen.

[0021] Der Laserstrahl kann bevorzugt mittels einer Spiegeloptik so geformt werden, daß mittels einer speziellen Strahlformung gleichzeitig zwei oder mehr um einen wählbaren Betrag versetzte Fokuspunkte erzeugt werden.

[0022] Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, daß der Laserstrahl mittels eines hochfrequent arbeitenden Scannerantriebs, vorzugsweise eines Piezoquarzes, um einen wählbaren Betrag quer zur Schweißrichtung gescannt wird.

[0023] Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1

einen Schnitt durch zwei nebeneinander angeordnete Elektrolysezellen eines Elektrolyseapparates,

Fig. 2

perspektivisch einen Ausschnitt aus Fig. 1,

Fig. 3A bis 3D

verschiedene Varianten der als Steg ausgebildeten Versteifungen und

Fig. 4A bis 4C

in vergrößerter Detaildarstellung in verschiedenen Varianten einen metallischen Dreifachverbund zwischen Kontaktstreifen, Gehäuserückwand und Steg.

[0024] Ein allgemein mit 1 bezeichneter Elektrolyseapparat zur Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkali-Halogenidlösung weist mehrere, nebeneinander in einem Stapel angeordnete und in elektrischem Kontakt stehende plattenförmige Elektrolysezellen 2 auf, von denen in Figur 1 beispielhaft zwei solcher Elektrolysezellen 2 nebeneinander angeordnet dargestellt sind. Jede dieser Elektrolysezellen 2 weist ein Gehäuse aus zwei Halbschalen 3, 4 auf, die mit flanschartigen Rändern versehen sind, zwischen denen mittels Dichtungen 5 jeweils eine Trennwand (Membran) 6 eingespannt ist. Die Einspannung der Membran 6 kann ggf. auch auf andere Weise erfolgen.

[0025] Über der gesamten Tiefe der Gehäuserückwände 4A der jeweiligen Elektrolysezelle 2 sind parallel zueinander eine Mehrzahl von Kontaktstreifen 7 angeordnet, die durch Schweißen oder dergl., was nachfolgend noch näher beschrieben wird, an der Außenseite der betreffenden Gehäuserückwand 4A befestigt oder aufgebracht sind. Diese Kontaktstreifen 7 stellen den elektrischen Kontakt zur benachbarten Elektrolysezelle 2, nämlich zur betreffenden Gehäuserückwand 3A, her, an welcher kein eigener Kontaktstreifen vorgesehen ist.

[0026] Innerhalb des jeweiligen Gehäuses 3, 4 sind jeweils an die Membran 6 angrenzend eine ebenflächige Anode 8 und eine ebenflächige Kathode 9 vorgesehen, wobei die Anode 8 bzw. die Kathode 9 jeweils mit fluchtend mit den Kontaktstreifen 7 angeordneten Versteifungen verbunden sind, die als Stege 10 ausgebildet sind. Dabei sind die Stege 10 vorzugsweise entlang ihres gesamten Seitenrandes 10A an der Anode bzw. Kathode 8, 9 metallisch leitend befestigt. Um das Zuführen der Elektrolyseeingangsstoffe und das Abführen der Elektrolyseprodukte zu ermöglichen, verjüngen sich die Stege 10, ausgehend von den Seitenrändern 10A, über ihrer Breite bis zum benachbarten Seitenrand 10B und weisen dort eine Höhe auf, die der Höhe der Kontaktstreifen 7 entspricht. Sie sind dementsprechend mit ihren Seitenrändern 10B über der gesamten Höhe der Kontaktstreifen 7 an den den Kontaktstreifen 7 gegenüberliegenden Rückseiten der Gehäuserückwände 3A bzw. 4A befestigt.

[0027] Zur Zuführung der Elektrolyseprodukte ist eine geeignete Einrichtung für die jeweilige Elektrolysezelle 2 vorgesehen, eine solche Einrichtung ist mit 11 angedeutet. Ebenfalls ist in jeder Elektrolysezelle eine Einrichtung zum Abführen der Elektrolyseprodukte vorgesehen, diese ist jedoch nicht angedeutet.

[0028] Die Elektroden (Anode 8 und Kathode 9) sind derart gestaltet, daß sie das Elektrolyseeingangsprodukt bzw. die Ausgangsprodukte frei durchfließen bzw. durchströmen lassen, wozu entsprechende Schlitze 8A oder dergl. vorgesehen sind, wie dies auch in Fig. 2 zu erkennen ist. Die Aneinanderreihung mehrerer plattenförmiger Elektroysezellen 2 geschieht in einem Gerüst, dem sogenannten Zellengerüst. Die plattenförmigen Elektrolysezellen werden zwischen den beiden oberen Längsträgern des Zellengerüstes so eingehängt, daß ihre Plattenebene senkrecht zur Längsträgerachse steht. Damit die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 ihr Gewicht auf den Oberflansch des Längsträgers übertragen können, besitzen sie an der oberen Plattenkante auf jeder Seite einen kragarmartigen Halter.

[0029] Der Halter erstreckt sich horizontal in Richtung der Plattenebene und ragt über die Berandung der Flansche hinaus. Bei den in das Gerüst eingehängten plattenförmigen Elektrolysezellen liegt die Unterkante des kragarmartigen Halters auf dem Oberflansch auf.

[0030] Die plattenförmigen Elektrolysezellen 2 hängen vergleichsweise wie Ordner in einer Hängekartei im Zellengerüst. Im Zellengerüst stehen die Plattenflächen der Elektrolysezellen in mechanischem und elektrischem Kontakt, so, als ob sie gestapelt seien. Elektrolyseure dieser Bauform werden Elektrolyseure in Hängestapelbauart genannt.

[0031] Durch Aneinanderreihung von mehreren Elektrolysezellen 2 in Hängestapelbauweise mittels bekannter Spanneinrichtungen werden die Elektrolysezellen 2 über die Kontaktstreifen 7 jeweils mit benachbarten Elektrolysezellen in einem Stapel elektrisch leitend verbunden. Von den Kontaktstreifen 7 fließt der Strom dann durch die Halbschalen über die Stege 10 in die Anode 8. Nach Durchtritt durch die Membran 6 wird der Strom von der Kathode 9 aufgenommen, um über die Stege 10 in die andere Halbschale bzw. deren Rückwand 3A zu fließen und hier in den Kontaktstreifen 7 der nächsten Zelle überzutreten. Auf diese Art und Weise durchsetzt der Elektrolysestrom den gesamten Elektrolysezellenstapel, wobei er an der einen Außenzelle eingeleitet und an der anderen Außenzelle abgeleitet wird.

[0032] In dem in Figur 2 dargestellten Ausschnitt aus einer Elektrolysezelle ist ein Ausschnitt aus einer Gehäuserückwand 4A der Halbschale 4 dargestellt, an welcher ein U-förmiger Kontaktstreifen 7 befestigt ist. Es ist gut zu erkennen, daß rückseitig fluchtend mit dem Kontaktstreifen 7 an der Gehäuserückwand 4A ein Steg 10 befestigt ist, wobei sich der Steg 10 etwa im Zentrum des U-förmig profilierten Kontaktstreifens 7 befindet, was mit Bezug auf die Figuren 4A bis 4C nachfolgend noch näher erläutert wird. Am anderen Seitenrand 10A des Steges 10 ist dieser an der Anode 8 befestigt, welche im Bereich der Verbindung mit den Stegen 10 vollflächig ausgebildet ist, während angrenzend an diese Bereiche zum Durchtritt der Elektrolyseeingangs- und -ausgangsprodukte Schlitze 8A vorgesehen sind. In gleicher Weise ist auch die Verbindung zwischen dem jeweiligen Steg 10 und der Kathode 9 ausgebildet.

[0033] Wie aus den Figuren 3A bis 3D hervorgeht, können die Stege 10 eine unterschiedliche Gestaltung aufweisen. Bei der Ausführungsform nach Figur 3A sind die Stege 10 vollflächig ausgebildet, wobei lediglich die beiden Seitenränder 10A und 10B aus den vorgenannten Gründen unterschiedlich lang sind.

[0034] Bei der Ausführungsform nach Figur 3B weisen die Stege 10 Schlitze 13 auf. Die Ausführungsform nach Figur 3D, in welcher der Steg 10 in Seitenansicht gemäß Fig. 3C dargestellt ist, weist ebenfalls Schlitze auf, welche von abgewinkelten Stanzungen 15 gebildet sind.

[0035] Wie mit Bezug auf die Figur 2 bereits dargestellt, wird durch die Verbindungen zwischen den Elektroden (Anode 8 bzw. Kathode 9) zu den Gehäuserückwänden 3A bzw. 4A über die Stege 10 eine maximale Querschnittsfläche für den Stromfluß zur Verfügung gestellt, da dieser im Prinzip über seiner gesamten Länge sowohl mit der Gehäuserückwand 3A bzw. 4A als auch mit der jeweiligen Elektrode 8 bzw. 9 metallisch verbunden ist. Außerdem ist der Stromweg minimiert, da der Steg 10 die senkrechte Verbindung zwischen der Gehäuserückwand 3A bzw. 4A und der Elektrode 8 bzw. 9 darstellt.

[0036] Die Verbindung des Steges 10 mit der Elektrode 8 bzw. 9 bzw. mit der Gehäuserückwand 3A bzw. 4A ist vorzugsweise so gestaltet, daß keine Fügeflächen entstehen, die zusätzliche Oberflächenkontaktwiderstände für den Stromfluß bilden würden. Es wird deshalb vorzugsweise zwischen den zu verbindenden Teilen ein metallischer Zweifach- bzw. Dreifachverbund hergestellt, vorzugsweise durch ein Laserstrahlschweißverfahren, obwohl grundsätzlich auch konventionelle Schweißverfahren, wie z.B. Widerstandsschweißen, einsetzbar sind. Darüber hinaus sind auch reduktive Sinterverfahren möglich. Die Schweißverbindung kann ggf., um beim Schweißprozeß einen möglichst geringen Wärmeeintrag und damit minimale Verzüge zu gewährleisten, auch punktuell erfolgen. Außerdem ist auch eine Schweißverbindung über die gesamte Einzelzellenhöhe möglich, wobei eine durchgehende Verbindung zu bevorzugen ist, da dadurch eine optimale Stromverteilung, minimale Übergangswiderstände und somit eine minimal mögliche Zellspannung erreicht wird.

[0037] Verschiedene Ausführungsformen eines Dreifachverbundes im Laserschweißverfahren sind in den Figuren 4A bis 4C dargestellt, in denen jeweils ein Kontaktstreifen 7, ein Teil einer Gehäuserückwand 4A und der Seitenrand 10B eines Steges dargestellt sind.

[0038] Die Ausführungsform nach Figur 4A zeigt eine Laserschweißung mit einer Laserstrahlquelle mit einer Strahlkennzahl von K = 0,5 bei einer Strahlleistung von P = 2 KW und einer Fokussieroptik mit der Focussierzahl von F = 10. Die erzeugte Schweißnaht 16 bildet eine ausgeprägte Kelchform. Es resultiert ein typisches Verhältnis von Oberraupenbreite zur Anschlußbreite von 2,5.

[0039] Mit einem Laserstrahl gleicher Strahlleistung und gleicher Focussierkennzahl, jedoch mit einer besonders hohen Strahlkennzahl von K = 0,8, wurde die in Figur 4A in durchgezogenen Linien dargestellte Schweißnahtform 16' erhalten. Hierbei wurde ein Verhältnis von Oberraupenbreite zur Anschlußbreite von 2,0 erreicht. Jedoch wurde dieses günstigere Verhältnis bei geringerem Wannenverzug mit einer um fast 25 % geringeren Anschlußbreite zwischen Steg 10 und Rückwand 4A erkauft.

[0040] Bei der Ausführungsform nach Figur 4B wurde eine Nahtform mit der gleichen Laserstrahlquelle und Focussieroptik wie bei der Ausführungsform nach Figur 4A, jedoch unter Verwendung eines senkrecht zur Schweißrichtung polarisierten Laserstrahls, erreicht, so daß in Folge der auf die Nahtflanken einwirkenden verstärkten Strahleinkopplung durch den Brewster-Effekt eine deutliche Nahtverbreiterung entstanden ist. Diese Naht ist mit 16'' bezeichnet. Hier liegt das Verhältnis von Oberraupenbreite zur Anschlußbreite bei etwa 1,6. Das Nahtvolumen lag in diesem Falle in der gleichen Größenordnung wie bei der Schweißung gemäß Figur 4A, aber die Anschlußbreite ist um fast 25 % erhöht.

[0041] Ein besonders günstiges Verhältnis von Oberraupenbreite zur Anschlußbreite von 1,5 zeigt die Schweißverbindung gemäß Figur 4C, die dort mit 16''' bezeichnet ist. Die Anschlußbreite liegt in diesem Fall um 50 % höher als bei der Schweißverbindung gemäß Figur 4A. Die hier dargestellte Nahtform 16''' wurde mittels einer besonderen Strahlformung mit der gleichen Laserstrahlquelle wie bei der Schweißverbindung gemäß Figur 4B erreicht. Hierbei wurde der Laserstrahl mit einer besonderen Spiegeloptik so geformt, daß gleichzeitig zwei um etwa 0,5 mm versetzte Focuspunkte erzeugt wurden. Eine solche Nahtform kann auch mittels hochfrequentem Scannen des Focussierspiegels mit einer Amplitude von z.B. 0,5 mm verwirklicht werden.

[0042] In den Figuren nicht im einzelnen dargestellt ist die Ausgestaltung der Elektrolysezellen 2 im unteren Bereich mit dem Elektrolyteinritt. Der Elektrolyteintritt kann sowohl punktuell als auch mit einem sogenannten Einlaufverteiler erfolgen. Der Einlaufverteiler ist dabei so gestaltet, daß ein Rohr im Element angeordnet ist, das über Öffnungen verfügt. Da eine Halbschale durch die Stege 10, die die Verbindung zwischen den Rückwänden 3A bzw. 4A und den Elektroden 8, 9 darstellen, segmentiert ist, erreicht man eine optimale Konzentrationsverteilung, wenn beide Halbschalen 3, 4 mit einem Einlaufverteiler ausgestattet sind, wobei die Länge des in der Halbschale angeordneten Einlaufverteilers der Breite der Halbschale entspricht und jedes Segment durch mindestens eine Öffnung im Einlaufverteiler mit dem jeweiligen Elektrolyt versorgt wird. Die Summe der Querschnittsfläche der Öffnungen im Einlaufverteiler sollte dabei kleiner oder gleich dem Rohrinnenquerschnitt des Verteilerrohres sein.

[0043] Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, werden die beiden Halbschalen 3, 4 im Flanschbereich mit Flanschen versehen, die verschraubt sind. Die so aufgebauten Zellen werden in ein nicht dargestelltes Zellengerüst entweder eingehängt oder gestellt. Das Einhängen oder Einstellen in das Zellengerüst erfolgt über nicht dargestellte, an den Flanschen befindliche Haltevorrichtungen. Der Elektrolyseapparat 1 kann aus einer einzelnen Zelle bestehen oder vorzugsweise durch Aneinanderreihung von mehreren Elektrolysezellen 2 in Hängestapelbauart. Werden mehrere Einzelzellen nach dem Hängestapelprinzip zusammengepreßt, müssen die Einzelzellen planparallel ausgerichtet werden bevor die Spannvorrichtung geschlossen wird, da sonst der Stromübergang von einer Einzelzelle zur nächsten nicht über alle Kontaktstreifen 7 erfolgen kann. Um die Zellen nach dem Einhängen oder Einstellen in das Zellengerüst parallel ausrichten zu können, ist es notwendig, daß sich die im Leerzustand üblicherweise etwa 210 kg schweren Elemente leicht bewegen lassen. Um diese Voraussetzung zu erfüllen, sind die nicht dargestellten Halterungen bzw. am Zellenrahmen und Zellengerüst befindliche Auflageflächen mit zugeordneten Beschichtungen versehen. Dabei sind die am Elementflanschrahmen befindlichen Halterungen mit einem Kunststoff, z.B. PE, PP, PVC, PFA, FEP, E/TFE, PVDF oder PTFE unterfüttert, während die Auflageflächen am Zellengerüst ebenfalls mit einem dieser Kunststoffe beschichtet ist. Der Kunststoff kann dabei nur aufgelegt und über eine Nut geführt, aufgeklebt, aufgeschweißt oder aufgeschraubt sein. Wesentlich ist lediglich, daß die Kunststoffauflage fixiert ist. Dadurch, daß sich zwei Kunststoffflächen berühren, sind die im Gerüst befindlichen Einzelelemente so leicht beweglich, daß diese ohne zusätzliche Hebe- bzw. Schiebevorrichtung per Hand parallel ausgerichtet werden können. Beim Schließen der Spannvorrichtung legen sich die Elemente aufgrund ihrer im Zellengerüst leichten Verschiebbarkeit über die gesamte Rückwand flächig an, was die Voraussetzung für eine gleichmäßige Stromverteilung ist. Darüber hinaus ist auf diese Weise die Zelle gegenüber dem Zellengerüst elektrisch isoliert.

Ansprüche

1. Elektrolyseapparat zur Herstellung von Halogengasen aus wässriger Alkalihalogenidlösung mit mehreren nebeneinander in einem Stapel angeordneten und in elektrischem Kontakt stehenden plattenförmigen Elektrolysezellen, die jeweils ein Gehäuse aus zwei Halbschalen aus elektrisch leitendem Material mit außenseitigen Kontaktstreifen an wenigstens einer Gehäuserückwand aufweisen, wobei das Gehäuse Einrichtungen zum Zuführen des Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsstoffe und Einrichtungen zum Abführen des Elektrolysestroms und der Elektrolyseprodukte und eine im wesentlichen ebenflächige Anode und Kathode aufweist, wobei die Anode und die Kathode durch eine Trennwand voneinander getrennt und parallel zueinander angeordnet sind und mittels metallischer Versteifungen mit der jeweils zugeordneten Rückwand des Gehäuses elektrisch leitend verbunden sind, wobei die metallischen Versteifungen als mit den Kontaktstreifen (7) fluchtende Stege (10) ausgebildet sind, deren Seitenränder (10A,10B) über der Höhe der Rückwand (3A,4A) und der Anode (8) bzw. Kathode (9) an der Rückwand (3A,4A) und der Anode (8) bzw. Kathode (9) anliegen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontaktstreifen (7) querschnittlich U-förmig ausgebildet sind und jeweils mit ihrem U-Steg an der Rückwand (4A) anliegen und im mittleren Bereich des U-Steges über der gesamten Höhe mit der Rückwand (4A) und dem jeweiligen Steg (10) in einem elektrisch leitenden Dreifachverbund gefügt sind, wobei sich der Dreifachverbundbereich ausgehend vom U-Steg querschnittlich kelchförmig nach innen erstreckt.

2. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege (10) über ihrer gesamten Höhe mit der Anode bzw. Kathode elektrisch leitend verbunden sind.

3. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege (10) vollflächig ausgebildet sind.

4. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stege (10) mit Öffnungen oder Schlitzen (13,14, 15) versehen sind.

5. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Einlaufverteiler vorgesehen ist, über den die Elektrolyte in die Halbschalen (3,4) einspeisbar sind.

6. Elektrolyseapparat nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einlaufverteiler derart gestaltet ist, daß jedes Segment einer Halbschale (3,4) über wenigstens eine Öffnung im Einlaufverteiler mit frischem Elektrolyt versorgbar ist und die Summe der Flächen der Öffnungen im Einlaufverteiler kleiner oder gleich der Querschnittsfläche des Einlaufverteilers ist.

7. Verfahren zur Herstellung von Elektrolysezellen für einen Elektrolyseapparat nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das jeweilige Gehäuse aus jeweils zwei Halbschalen unter Zwischenschaltung der erforderlichen Einrichtungen und der Kathode und Anode sowie der Trennwand durch Fixierung derselben mittels als Stege ausgebildeter metallischer Versteifungen zusammengesetzt und die Anode und Gehäuse bzw. Kathode und Gehäuse elektrisch leitend aneinander befestigt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische, elektrisch leitende Verbindung der als Stege ausgebildeten Versteifungen mit der jeweiligen Rückwand und dem jeweiligen Kontaktstreifen sowie der Anode bzw. Kathode über ein reduktives Sinterverfahren oder über ein Schweißverfahren hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Laserstrahlschweißverfahren verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei dem Laserstrahlschweißverfahren der Laserstrahl zur Schweißrichtung senkrecht polarisiert wird, um ein deutlich verringertes Verhältnis von Oberraupenbreite zur Anschlußbreite zu erreichen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl mittels einer Spiegeloptik so geformt wird, daß mittels einer speziellen Strahlformung gleichzeitig zwei oder mehr um einen wählbaren Betrag versetzte Focuspunkte erzeugt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl mittels eines hochfrequent arbeitenden Scannerantriebs, vorzugsweise eines Piezoquarzes, um einen wählbaren Betrag quer zur Schweißrichtung gescannt wird.

Claims

1. An electrolysis apparatus for the production of halogen gases from aqueous alkali halide solution comprising a plurality of plate-shaped electrolysis cells which are arranged in mutually juxtaposed relationship in a stack and which are in electrical contact and which each have a housing comprising two half-shell portions of electrically conductive material with external contact strips on at least one rear wall of the housing, wherein the housing has devices for feeding the electrolysis current and the input electrolysis substances and devices for carrying away the electrolysis current and the electrolysis products and a substantially flat-surfaced anode and cathode, wherein the anode and the cathode are separated from each other by a partition and are arranged in mutually parallel relationship and are electrically conductively connected by means of metal stiffeners to the respectively associated rear wall of the housing, wherein the metal stiffeners are in the form of plates (10) which are aligned with the contact strips (7) and whose side edges (10A, 10B) bear over the height of the rear wall (3A, 4A) and the anode (8) or cathode (9) against the rear wall (3A, 4A) and the anode (8) or cathode (9), characterised in that the contact strips (7) are of a U-shaped configuration in cross-section and each bear with the web portion of their U-shape against the rear wall (4A) and in the central region of the web portion of the U-shape are joined over the entire height to the rear wall (4A) and the respective plate (10) in an electrically conductive triple composite assembly, wherein starting from the web portion of the U-shape the triple composite assembly extends inwardly in a bell-shaped cross-sectional configuration.

2. An electrolysis apparatus according to claim 1 characterised in that the plates (10) are electrically conductively connected over their entire height to the anode or cathode respectively.

3. An electrolysis apparatus according to claim 1 or claim 2 characterised in that the plates (10) have a solid surface.

4. An electrolysis apparatus according to claim 1 or claim 2 characterised in that the plates (10) are provided with openings or slots (13, 14, 15).

5. An electrolysis apparatus according to claim 1 or one of the following claims characterised in that there is provided an intake distributor by way of which the electrolytes can be fed into the half-shell portions (3, 4).

6. An electrolysis apparatus according to claim 5 characterised in that the intake distributor is of such a design that each segment of a half-shell portion can be supplied with fresh electrolyte by way of at least one opening in the intake distributor and the sum of the areas of the openings in the intake distributor is smaller than or equal to the cross-sectional area of the intake distributor.

7. A process for the production of electrolysis cells for an electrolysis apparatus according to one or more of claims 1 to 6 in which the respective housing is assembled from two respective half-shell portions with the interposition of the required devices and the cathode and the anode and the partition by fixing thereof by means of metal stiffeners in the form of plates and the anode and the housing and the cathode and the housing respectively are electrically conductively fixed to each other, characterised in that the metallic, electrically conducting connection of the stiffeners which are in the form of plates to the respective rear wall and the respective contact strip and the anode or cathode respectively is made by way of a reductive sintering process or by way of a welding process.

8. A process according to claim 7 characterised in that a laser beam welding process is used.

9. A process according to claim 8 characterised in that in the laser beam welding process the laser beam is polarised perpendicularly to the welding direction in order to achieve a markedly reduced relationship of the upper welding pass width to the connection width.

10. A process according to claim 8 or claim 9 characterised in that the laser beam is so formed by means of a mirror optics that two or more focal points which are displaced by a selectable amount are produced simultaneously by means of a special beam formation.

11. A process according to claim 8 or claim 9 characterised in that the laser beam is scanned transversely to the welding direction by a selectable amount by means of a scanner drive operating at high frequency, preferably a piezoelectric quartz.

Revendications

1. Appareil d'électrolyse pour produire des gaz halogènes à partir d'une solution aqueuse d'halogénure alcalin comportant des cellules d'électrolyse en forme de plaques qui sont disposées selon une pile, sont placées électriquement en contact et possèdent respectivement un boîtier formé de deux demi-coques réalisées en un matériau électriquement conducteur et possédant des bandes de contact disposées extérieurement sur au moins une paroi arrière du boîtier, et dans lequel le boîtier comporte des dispositifs pour amener le courant d'électrolyse et les substances d'entrée d'électrolyse et des dispositifs pour évacuer le courant d'électrolyse et les produits d'électrolyse et une anode et une cathode essentiellement planes, et dans lequel l'anode et la cathode sont disposées en étant séparées l'une de l'autre par une paroi de séparation et en étant parallèles entre elles et sont reliées d'une manière électriquement conductrice à la paroi arrière respectivement associée du boîtier, à l'aide d'éléments de renforcement métalliques, et dans lequel les éléments de renforcement métalliques sont agencés sous la forme de barrettes (10) alignées avec les bandes de contact (7) et dont les bords latéraux (10A,10B) s'appliquent, sur la hauteur de la paroi arrière (3A,4A). et de l'anode (8) ou de la cathode (9), sur la paroi arrière (3A,4A) et sur l'anode (8) et la cathode (9),
caractérisé en ce
que les bandes de contact (7) sont agencées en forme de U en coupe transversale et s'appliquent respectivement par leur base contre la paroi arrière (4A) et sont réunies selon un ensemble composite triple électriquement conducteur, dans la zone médiane de la base et sur toute la hauteur, à la paroi arrière (4A) et à la barrette respective (10), la zone de la partie composite triple s'étendant vers l'intérieur à partir de la base du U, sous la forme d'un entonnoir en coupe transversale.

2. Appareil d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisé en ce que les barrettes (10) sont reliées, sur toute leur hauteur, d'une manière électriquement conductrice à l'anode et à la cathode.

3. Appareil d'électrolyse selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les barrettes (10) sont agencées de manière à être entièrement plates.

4. Appareil d'électrolyse selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les barrettes (10) sont pourvues d'ouvertures ou de fentes (13,14,15).

5. Appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un distributeur d'entrée, au moyen duquel l'électrolyte peut être introduit dans les demi-coques (3,4).

6. Appareil d'électrolyse selon la revendication 5, caractérisé en ce que le distributeur d'entrée est agencé de telle sorte que chaque segment d'une demi-coque (3,4) peut être alimenté par de l'électrolyte frais par l'intermédiaire d'au moins une ouverture située dans le distributeur d'entrée, et la somme des surfaces des ouvertures dans le distributeur d'entrée est inférieure ou égale à la surface en coupe transversale du distributeur d'entrée.

7. Procédé pour fabriquer des cellules d'électrolyse pour un appareil d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, selon lequel on assemble le boîtier respectif formé respectivement de deux demi-coques moyennant le montage intercalé des dispositifs nécessaires et de la cathode et de l'anode ainsi que de la paroi de séparation par fixation de ces éléments à l'aide d'éléments métalliques de renforcement agencés sous la forme de barrettes et on fixe entre elles d'une manière électriquement conductrice l'anode et le boîtier ainsi que la cathode et le boîtier, caractérisé en ce que la liaison métallique électriquement conductrice des éléments de renforcement agencés sous forme de barrettes est réalisée avec la paroi arrière respective et la bande de contact respective ainsi que l'anode ou la cathode par l'intermédiaire d'un procédé de frittage réducteur ou au moyen d'un procédé de soudage.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on utilise un procédé de soudage utilisant un faisceau laser.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que, dans le cas du procédé de soudage utilisant un faisceau laser, le faisceau laser est polarisé perpendiculairement à la direction de soudage, pour l'obtention d'un rapport nettement réduit de la largeur du cordon supérieur à la largeur de raccordement.

10. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le faisceau laser est mis en forme à l'aide d'un système optique à miroir de telle sorte que l'on obtient simultanément deux ou plus de deux foyers décalés d'une distance pouvant être choisie, à l'aide du dispositif particulier de mise en forme du faisceau.

11. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le faisceau laser est balayé au moyen d'un dispositif d'entraînement de scanner, qui travaille à haute fréquence, de préférence un quartz piézoélectrique, sur une distance pouvant être sélectionnée, transversalement par rapport à la direction de soudage.

Zeichnung