Elektrochemische Membranzelle mit einer beiderseits einer Membran angeordneten ebenen Elektrodenstruktur

Abstract

 Eine Elektrodenstruktur für Membran-Elektrolysezellen besteht aus einem ebenen Elektrodenteil(11), das über metallische Abstands­halter (3) mit einem als Stromverteiler dienenden Träger (1) aus Metallblech verbunden ist. Die Abstandshalter (3) sind in Form einer Klemmhalterung ausgebildet, die aus einem federnden Teil (4), (5) und einem starren Teil (12) bestehen, wobei jeweils der federnde Teil mit dem Träger unverrückbar verbunden ist, während der starre Teil (12) am Elektrodenteil befestigt ist.
Aufgrund der Klemmhalterung sind im Falle einer erfoderlichen Reaktivierung oder einer Reparatur die aktiven Elektrodenteile auf einfache Weise von ihren jeweiligen Trägern zu trennen und können nach der Demontage direkt in die Reaktivierung bzw. Reparatur gegeben werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur für eine elektrochemische Membranzelle mit beiderseits einer Membran angeordneten ebenen Elektroden­struktur, wobei wenigstens die anodische Elektrodenstruktur über metallische Abstandshalter mit einem als Stromverteiler dienenden Träger aus Metallblech verbunden ist.

[0002] Eine elektrolytische Zelle, die nach dem Membranverfahren arbeitet, ist aus der EP-OS 55 930 bekannt. Sie wird im folgenden auch als Membranzelle bezeich­net. Der eigentliche Elektrodenaufbau ist beispielsweise anhand der DE-OS 36 25 506 näher erläutert, in der eine folienartige Membran mit beid­seitig anliegenden Elektroden beschrieben ist. Weiterhin ist aus der DE-PS 35 19 272 eine für Membranzellen geeignete Elektrodenstruktur bekannt, die einen als Stromverteiler dienenden Träger aus Metallblech aufweist, auf der eine Vielzahl plattenförmiger Elektrodenteile eine Lamellenstruktur mit ebener Oberfläche bilden, die direkt an die Membran gepreßt wird.

[0003] Als problematisch erweist sich bei den bekannten Elektrodenstrukturen die durch metallische Abstandshalter bzw. Erhebungen des Trägers hergestellte feste mechanische Verbindung zwischen dem als Stromverteiler dienenden Träger aus Metallblech und den plattenförmigen aktiven Elektrodenteilen, welche im Falle der Reaktivierung oder Reparatur der Elektroden voneinander getrennt werden müssen. Dies erfolgt in der Regel durch mechanische Trennverfahren, wie Fräsen, Bohren oder Schleifen. Nach der Reaktivierung wird die Elektroden­fläche wieder mit dem Stromverteiler über Abstandshalter durch Verschweißen elektrisch und mechanisch fest verbunden.

[0004] Aufgrund der mit der Reaktivierung oder Reparatur verbundenen aufwendigen mechanischen Arbeiten entstehen verhältnismäßig lange Ausfallzeiten der Elek­trolyse-Anlage sowie verhältnismäßig hohe Transportkosten, da die gesamten Elektrodenstrukturen vom Kunden zum Hersteller zurückgeliefert werden müssen.

[0005] Aus der US-PS 4 149 956 ist eine Anodenstruktur für Elektrolysezellen mit horizontal angeordneten Elektroden bekannt, bei der die aus Ventilmetall bestehenden aktiven Anodenteile mittels ihrer Stromverteiler an Stromzuleitern über eine lösbare Verbindung durch Verschraubung angeschlossen sind.

[0006] Derartige Verbindungen lassen sich nicht auf Membranzellen übertragen.

[0007] Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine bei Membranzellen einsetzbare Elektrodenstruktur zu schaffen, die leicht abnehmbare aktive Elektrodenflächen aufweist, die ohne besonderen mechanischen Aufwand von ihren Trägern demontierbar sind, aber dennoch im Betriebszustand eine gute Stromübertragung ermöglichen.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­spruchs 1 gelöst.

[0009] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0010] In einer bevorzugten Ausführungsform ist auf dem als Stromverteiler dienenden Träger wenigstens eine als Abstandshalter dienende Klammer mit einem U-för­migen Querschnitt mit zusammenlaufenden Schenkeln angeordnet, die im Bereich ihrer freien Enden wieder auseinandergebogen sind, wobei die Enden dieser Schenkel sich auf der dem Träger abgewandten Seite öffnen; die Klammer ist mit dem Träger elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden. In diese Klammer greift eine kammartige Erhebung der Elektrodenplatte ein, die senk- recht zu deren Plattenebene angeordnet ist. Die kammartige Erhebung wird durch eine umgebogene Kante der Elektrodenplatte gebildet.

[0011] Die Klammern weisen an ihren Enden Kontaktflächen auf, die parallel zu den ebenen Elektrodenflächen verlaufen. Beim Betrieb einer solchen Elektrodenan­ordnung wird die Elektrodenfläche durch die Klemmhalterung fixiert und kontak­tiert. Zusätzlich wird durch den Druck über die Zellenmembran die Elektroden­fläche gegen die Kontaktflächen der Klemmhalterung angedrückt. Der Träger be­steht aus Metallblech mit einer Dicke im Bereich von 0,4 bis 3 mm.

[0012] Als besonders vorteilhaft erweist sich die Möglichkeit, bei Reaktivierung oder Reparatur von Elektrodenteilen diese vor Ort von dem Träger durch Heraus­ziehen zu trennen und mittels vorliegender Reserveelektrodenteile den Träger erneut zu bestücken, so daß keine längeren Ausfallzeiten der Elektrolyseanlage durch Entnahme zu reaktivierender Elektroden bzw. Elektrodenteile entstehen können. Da nur noch die aktiven Elektrodensegmente zu behandeln sind, redu­zieren sich die üblichen Lager- und Transportkosten auf ein Minimum.

[0013] Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1a, 1b, 2a und 2b näher erläutert.

Figur 1a zeigt Träger- und Elektrodenteil vor dem Zusammenfügen in der Klemm­halterung,

Figur 1b zeigt eine zusammengefügte Klemmhalterung mit ausschnittsweise darge­stellter Elektrodenplatte und Träger,

Figur 2a zeigt eine lösbare Klemmhalterung aus einer zylindersymmetrischen Hülse mit Längsschlitzen, die auf ihrer Innenseite eine kegelstumpf­artige Verjüngung zur Aufnahme eines kegelstumpfförmigen Endes eines als starres Teil ausgebildeten Bolzens aufweist,

Figur 2b zeigt als weiteres Element, eine ebenfalls mit Längsschlitzen ausge­bildete Hülse, deren äußere Fläche kegelstumpfartig ausgebildet ist und auf die eine starre Hülse mit ebenfalls kegelstumpartig ausgebil­deter Innenfläche aufschiebbar ist.

[0014] Gemäß Figur 1a besteht die Klemmhalterung aus einer mit dem Träger 1 durch Schweißpunkte 2 fest verbundenen Klammerfeder 3 mit U-förmigem Querschnitt und zusammenlaufenden Schenkeln 4, 5, die im Bereich ihrer freien Enden wieder auseinandergebogen sind und in Kontaktflächen 14 enden; die Kontaktflächen 14 verlaufen parallel zur Ebene des Trägers 1. Gemäß Figur 1a sind zwei Reihen mit jeweils drei solcher Klammerfedern versehen, wobei der zwischen den Schen­keln 4 und 5 angeordnete Mittelstreifen 6 über senkrecht angeordnete Streifen 7 und parallel zur Ebene des Trägers 1 angeordnete Befestigungsstege 8 verbunden ist. Die Befestigungsstege 8 sind durch Schweißpunkte 2 mit dem Träger 1 verbunden. Mittelstreifen 6, Streifen 7 und Befestigungsstege 8 bilden einen mäanderförmig durchlaufenden Streifen mit Erweiterungen im Bereich der Schenkel 4, 5, der aus elastischem Metall gestanzt und entsprechend gebogen ist.

[0015] Oberhalb des Trägers 1 ist ein Teil der Elektrodenplatte 10 dargestellt, die im vorliegenden Fall aus drei Teilplatten 11 besteht, von denen die beiden äußeren Teilplatten ebenso wie der darunter liegende Träger 1 zwecks besserer Übersicht nicht vollständig bzw. mit einer Lücke dargestellt sind. Die Teil­platten 11 weisen an ihren Rändern jeweils rechtwinklig abgewinkelte Kanten 12 auf, die so angeordnet sind, daß die Oberfläche der Elektrodenplatte 10 eine durchgehende Ebene bildet. Die Kanten 12 bilden in Form einer kammartigen Er­hebung den starren Teil 13 der lösbaren Klemmhalterung.

[0016] Figur 1b zeigt in einer ausschnittsweisen Darstellung, wie die zu einem Teil 13 zusammengefaßten Kanten der Teilplatten 11 in das offene Ende der Klammer­feder 3 eingeführt sind und durch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Klammerfeder 3 und starrem Teil 13 festgehalten werden. In der Praxis wird der starre Teil 13 der Elektrodenplatte soweit in die Klammerfeder 3 eingeführt, bis die Flächen 14 der Schenkel 4, 5 und die Unterseite der Elektrodenplatte bis zum Anschlag an den Träger 1 herangeführt ist.

[0017] Die Elektrodenplatte kann beispielsweise aus einem jalousieartig aufgeschlitz­ten Blech bestehen. Es ist jedoch auch möglich, andere Elektrodenarten, wie z. B. Draht, Netze, Streckmetall, lamellenartig angeordnete Flachprofile, vorzu­sehen. Der Träger 1 bildet dabei in der Praxis eine Art Elektrodenwanne, die zusammen mit dem entsprechend ausgeführten Träger der Gegenelektrode einen abgeschlossenen Raum bildet, der durch die Membran in zwei Elektrolyt-Teil­räume, d. h. in einen Anolytraum und Katholytraum aufgeteilt wird. Dabei sind die beiden Träger jeweils einer Zelle durch die Membran bzw. zusätzliche Dich­tungen elektrisch voneinander getrennt. Die Elektrolyträume sind mit eigenen Flüssigkeitszufuhr- und -abfuhröffnungen versehen, wobei der Anolytraum an den Solekreislauf angeschlossen ist,während dem Katholytraum Wasser zugeführt wird. Weiterhin sind Mittel zur Abführung des erzeugten Chlor- bzw. Wasserstoffgases aus Anolyt- bzw. Katholytraum vorgesehen. Als Materialien dienen auf der Kathodenseite Stahl- bzw. federharte Nickellegie- rungen, während auf der Anodenseite Titan mit guten Federeigenschaften bzw. Titanlegierungen eingesetzt werden. Die als starrer Teil 13 des Federsystems dienenden Kanten 12 der Teilplatten 11 können dabei Einschnitte bzw. Zwischen­räume aufweisen, um trotz der Toleranzen eine möglichst gute Kontaktierung im Bereich der Klammerfeder zu erzielen. Die Zahl der Klammerfedern hängt dabei im wesentlichen von der Größe der Elektrodenplatten ab. Bei kleinen Elektro­denplatten ist es möglich, mit einer einzigen Klammerfeder auszukommen.

[0018] In Figur 2a ist eine weitere Version der Klemmhalterung dargestellt, in der der mit dem Träger verbundene Teil 3′ einen federnden Bereich in Form einer Hülse aufweist, welche mit bis an ihre Öffnung reichenden Längsschlitzen 15 versehen ist und sich auf der dem Träger abgewandten Seite befindet. Die Hülse weist auf den ihre Innenseite bildenden Mantelsegmenten 16 eine von der Öff­nung 17 ausgehende kegelstumpfartige Verjüngung auf, wobei im Bereich der Öff­nung 17 eine durch die Längsschlitze 15 unterbrochene Ringnut 18 vorgesehen ist. Die Hülse ist mit dem nur ausschnittsweise dargestellten Träger 1 elek­trisch leitend und mechanisch fest verbunden.

[0019] In die Hülse des mit dem Träger verbundenen Teils 3′ der Klemmhalterung ist ein bolzenartiger Bereich des starren Teils 13′ einführbar, der mit einem kegelstumpfförmig verjüngten Ende 20 versehen ist. Der starre Teil 13′ ist an seinem erweiterten Ende mit einer nur ausschnittsweise dargestellten Elektrodenplatte 10 elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden. Im Übergangsbereich zwischen dem kegelstumpfförmigen Ende 20 und dem zylindrischen Teil des starren Teils 13′ befindet sich ein umlaufender Ringflansch 21, welcher bei Einführung des Endes 20 in die Hülse in der umlaufenden Ringnut 18 arretiert wird. Nach der Arretierung ist aufgrund der Wechselwirkung zwischen den beiden kegelstumpfförmigen Flächen von starren und federndem Teil die Verbindung äußerst stabil und beispielsweise durch Zugkraft kaum mehr zu lösen. Die in Figur 2a dargestellte Klemmhalterung kann beispielsweise bei kleinen Elektrodenflächen als einzige Klemmhalterung ausgeführt sein. Es ist jedoch auch möglich, sie entsprechend dem anhand der Figuren 1a und 1b erläuterten Beispiel in einer Vielzahl einzusetzen.

[0020] Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist anhand der Figur 2b erläutert. In dieser Ausführungsform weist der mit dem Träger ver­bundene Teil 3˝ als federnder Bereich eine Hülse auf, die auf ihrer Außen­seite mit einer in Richtung ihrer Öffnung 17 verlaufenden kegelstumpfartigen Verjüngung aus Mantelsegmenten 16˝ versehen ist. Der äußere Rand der Öffnung 17 ist als ein durch Längsschlitze 15 unterbrochener Ringflansch 22 ausgebildet. Der federnde Teil 3˝ ist mit seinem der Öffnung 17 entgegenge­setzten Ende 26 mit dem nur ausschnittsweise dargestellten Träger 1 elektrisch leitend und mechanisch fest verbunden.

[0021] Der als starrer Teil 13˝ ausgebildete Bereich der Klemmhalterung ist mit einem bolzenartigen Bereich versehen, der auf die Mantelsegmente 16˝ auf­schiebbar ist. Der bolzenartige Bereich weist auf seiner Innenseite 23 eine vom offenen Ende 24 ausgehende kegelstumpfartige Verjüngung auf. Im Übergangs­bereich zwischen der Verjüngung der Innenseite 23 und einem Hohlzylinder im starren Teil 13˝ befindet sich eine umlaufende Ringnut 25, in welcher der Ringflansch 22 beim Aufsetzen arretierbar ist. Zur besseren Übersicht sind in Figur 2b sowohl die Hülse des starren Teils 13˝ als auch die Elektroden­platte 10 nur bruchstücksweise dargestellt.

[0022] Auch bei dieser Anordnung erweist sich die Verbindung nach Arretierung des Ringflansches 22 in der Ringnut 25 als äußerst stabil, wobei ebenfalls die Wechselwirkung der beiden kegelstumpfförmigen Flächen die Pressung verstärkt. Die Elektrodenstruktur, d. h. Elektrodenform der Figuren 2a, 2b können ent­sprechend den Ausführungen zu den Figuren 1a, 1b gestaltet werden; das gleiche trifft für die eingesetzten Materialien zu. Die Arretierung ist vor der Reak­tivierung der aktiven Elektrodenteile durch Hilfswerkzeuge, wie beispielsweise Schraubenzieher zu lösen. Nach der Erfindung lassen sich die Folgekosten im langfristigen Betrieb von Membranzellen erheblich senken, da das Lösen und Wiedereinbauen der aktiven Elektrodenflächen ohne Probleme schnell, schonend und kosten- günstig durchgeführt werden kann.

Ansprüche

1. Elektrodenstruktur für eine elektrochemische Membranzelle mit beiderseits einer Membran angeordneten ebenen Elektrodenstruktur, wobei wenigstens die anodische Elektrodenstruktur über metallische Abstandshalter mit einem als Stromverteiler dienenden Träger aus Metallblech verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter in Form einer Klemmhalterung ausgebildet sind, die aus einem federnden Teil (3, 3′, 3˝) und einem im wesentlichen starren Teil (13, 13′, 13˝) besteht, wobei jeweils der federnde Teil mit dem Träger (1) unverrückbar verbunden ist.

2. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Träger verbundene Teil eine Klammerfeder (3) mit u-förmigem Quer­schnitt aufweist, wobei die freien Endbereiche ihrer Schenkel (4, 5) zu einer Kontaktfläche (14) umgebogen sind.

3. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der starre Teil (13) in Form einer kammartigenn Erhebung vom ebenen Elektro­denteil absteht.

4. Elektrodenstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ebene Elektrodenteil als Elektrodenplatte (10) ausgebildet ist und die kammar­tige Erhebung aus wenigstens einer umgebogenen Kante (12) einer Elek­trodenplatte besteht, die bis zum Anschlag auf die Kontaktflächen (14) in die Klammerhaltung eingeschoben ist.

5. Elektrodenstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elek­trodenplatte (10) aus mehreren Teilplatten (11) besteht, deren einander benachbarte Kanten (12) die kammartige Erhebung bilden, welche in die Klemmhalterung eingeführt ist.

6. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Träger (1) verbundene Teil (3′,3˝) einen federnden Bereich in Form einer Hülse aufweist, die mit Längsschlitzen (15) versehen ist und sich auf der dem Träger (1) abgewandten Seite befindet.

7. Elektrodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der starre Teil einen bolzenartigen Bereich aufweist, der in die Hülse eingreift.

Zeichnung