DD285122A5 - Electrolysis cell with gas formation at the anode and cathode - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode fuer elektrolytische Prozesse, bei denen sich Anolyt und Katholyt vermischen duerfen. Sie ist geeignet, eine Gastrennung ohne Membran zu gewaehrleisten und kann zur Elektrolyse von Wasser oder Salzsaeure verwendet werden. Die Elektrolysezelle, welche Elektroden mit parallel zueinander angeordneten Elementen besitzt ist dadurch gekennzeichnet, dasz die Elemente (1) Lamellen, Baender, Folien oder dgl. mit einer Dicke (3) bis zum 3fachen des mittleren Blasenabloesedurchmessers sind und zueinander einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt (4) aufweisen, dasz die einander zugewandten Stirnflaechen von Anode und Kathode einen Abstand aufweisen, der mindestens dem 3fachen des mittleren Blasenabloesedurchmessers entspricht, dasz die die Elektrode seitlich begrenzenden Elemente (1) sowie der untere Abschlusz der Elektrode (8) zur inneren Wandung des Zellengehaeuses hoechstens einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt besitzen und dasz die Entgasungsraeume (10, 11) im oberen Zellenbereich durch eine Abschottung (12, 13) mindestens bis zum Fluessigkeitsspiegel des Elektrolyten gasdicht abgedichtet sind. Fig. 1{Elektrode; Elektrolyse; Gasentwicklung; Spalt; Kapillareffekt; Gastrennung; ohne Membran}The invention relates to an electrolytic cell with gas formation at the anode and cathode for electrolytic processes in which anolyte and catholyte may mix. It is suitable for ensuring gas separation without a membrane and can be used for the electrolysis of water or hydrochloric acid. The electrolytic cell having electrodes with elements arranged parallel to one another is characterized in that the elements (1) are lamellae, tapes, foils or the like having a thickness (3) up to 3 times the mean bubble separation diameter and a capillary effect gap (FIG. 4) so that the facing anode and cathode faces are spaced at least 3 times the mean bubble separation diameter, the electrode side limiting elements (1), and the lower end electrode (8) facing the cell wall inner wall at least have a capillary effect causing gap and that the Entgasungsraeume (10, 11) are sealed gas-tight in the upper cell area by a partition (12, 13) at least to the liquid level of the electrolyte. Fig. 1 {electrode; Electrolysis; Gas development; Gap; capillary; Gas separation; without membrane}

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode für elektrolytische Prozesse, bei denen sich Anolyt und Katholyt vermischen dürfen. Sie ist geeignet, eine Gastrennung ohne Membran zu gewährleisten und kann zur Elektrolyse von Wasser oder Salzsäure verwendet werden.The invention relates to an electrolysis cell with gas formation at the anode and cathode for electrolytic processes in which anolyte and catholyte may mix. It is suitable for ensuring gas separation without a membrane and can be used for the electrolysis of water or hydrochloric acid.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Es ist seit langem bekannt, zur Trennung der an den Elektroden gebildeten Gase Diaphragmen oder Membranen zu verwenden. Diese Trennelemente besitzen einen verhältnismäßig großen ohmschen Widerstand, so daß die Gastrennung durch einen hohen energetischen Aufwand erkauft wird.It has long been known to use diaphragms or diaphragms to separate the gases formed at the electrodes. These separators have a relatively large ohmic resistance, so that the gas separation is paid for by a high energy expenditure.

Es wird weiterhin angestrebt, eine möglichst gleichmäßig und fein strukturierte Elektrodenoberfläche zu realisieren, damit die Voraussetzungen für ein homogenes elektrisches Feld gegeben sind. Unstetigkeiten, wie z. B. Kanten, führen zu Feldstärkeerhöhungen und damit zu einer ungleichmäßigen Elektrodenbelastung, die nicht nur energetische Verluste, sondern auch einen vorzeitigen Verschleiß des Elektrodenmaterials bzw. der elektrokatalytischen Beschichtung (sogenannte Coating) verursacht.It is further desired to realize a uniform and finely structured electrode surface, so that the conditions for a homogeneous electric field are given. Discontinuities, such. B. edges, lead to field strength increases and thus to a non-uniform electrode load, which causes not only energy losses, but also premature wear of the electrode material or the electrocatalytic coating (so-called coating).

Wesentlich für die Gewährlesitung eines optimalen Prozesses ist auch die Realisierung eines gleichmäßigen, geringen Elektrodenabstandes, ohne bei Verwendung von Membranen diese mechanisch stark zu beanspruchen oder gar zu beschädigen. Es sollte auch vermieden werden, daß Elektrodenelemente mit großer Dicke einen hohen Berührungsdruck auf die Membran ausüben und somit den Elektrolytfluß, bzw. den lonentransport durch das Porensystem der Membran merklich behindern. Zwei wichtige Grundtypen gasentwickelnder metallischer Elektroden sind bekannt: Zum einen verwendet man von Stromyerteilern getragene, parallel angeordnete Profilstäbe, derer Querschnitt kreisförmig, elliptisch, tropfenförmig oder rechteckig ist (DE-OS 3008116, DE-OS 3325187, DE-OS 3519272, DE-OS 3519573). Aber auch U-förmige in Abständen aneinandergereihte schienen sind gemäß der DE-AS 1271093 bekannt.Essential for the assurance of an optimal process is also the realization of a uniform, small electrode gap, without the use of membranes this mechanically strong stress or even damage. It should also be avoided that electrode elements with a large thickness exert a high contact pressure on the membrane and thus hinder the flow of electrolyte, or the ion transport through the pore system of the membrane markedly. Two important basic types of gas-developing metallic electrodes are known: On the one hand used by Stromyerteilern, arranged parallel profile bars whose cross-section is circular, elliptical, teardrop or rectangular (DE-OS 3008116, DE-OS 3325187, DE-OS 3519272, DE-OS 3519573). But also U-shaped at intervals strung together rails are known according to DE-AS 1271093.

Zum anderen sind perforierte Bleche mit vertikal und horizontal verlaufenden Schlitzen, mit bezüglich der Elektrodenebene abgewinkelten odortiefgezogenen Segmenten, Lochblechelektroden und Gitterstreckmetallelektroden bekannt (DD-PS 250026, DE-OS 3625506, DE-OS 2735238).On the other hand, perforated sheets with vertically and horizontally extending slots, with respect to the electrode plane bent anodized segments, perforated metal electrodes and grid metal electrodes are known (DD-PS 250026, DE-OS 3625506, DE-OS 2735238).

Vertreter des erstgenannten Grundtyps verwenden parallel angeordnete Elemente, die mit Stromverteilerschienen fest verbunden sind und einen tropfenförmigen Querschnitt (DE-OS 3325187) bzw. einen annähernd kreisförmigen Querschnitt (DE-OS 3008116) aufweisen. Der kreisförmige Querschnitt wurde durch Abtrennen von Segmenten, die in der Elektrodenebene liegen, modifiziert. Beide Elektroden sollen vorzugsweise für die Chloralkalielektrolyse in Amalgamzellen Anwendung finden. Nachteilig ist, daß die Elektroden keinen wesentlich verringerten Gasblasenbedeckungsgrad aufweisen. Der Abtransport des Gases erfolgt ausschließlich durch die Fluidströmung und den Auftrieb. Die besonderen Querschnittsgeometrien sind nicht geeignet, eine aktive Rolle beim Gastransport durch die Elektrode zu übernehmen. Zwar verhindern sie durch Vermeidung von Unstetigkeitsstellen eine Überbeanspruchung der katalytischen Beschichtung, jedoch geschieht dies durch Inkaufnahme der Nachteile infolge der radiusbedingten ungleichmäßigen Abstände der Elektrodenflächen.Representatives of the former basic type use parallel elements that are firmly connected to power distribution rails and a teardrop-shaped cross section (DE-OS 3325187) or an approximately circular cross-section (DE-OS 3008116). The circular cross section was modified by separating segments lying in the electrode plane. Both electrodes should preferably be used for the chloralkali electrolysis in amalgam cells. The disadvantage is that the electrodes have no significantly reduced Gasblasenbedeckungsgrad. The removal of the gas takes place exclusively by the fluid flow and the buoyancy. The particular cross-sectional geometries are not suitable for assuming an active role in gas transport through the electrode. Although they prevent overstressing the catalytic coating by avoiding points of discontinuity, this is done by accepting the disadvantages due to the radius-related non-uniform distances of the electrode surfaces.

Die DE-OS 3519 272 offenbart eine Elektrodenstruktur, die eine Vielzahl parallel angeordneter Elemente mit rechteckigem Querschnitt verwendet. Ein plattenförmiger Träger mit beidseitigen Ausbuchtungen dient der Befestigung der Elektrodenelemente und als Stromverteiler. Der Querschnitt der rechteckigen Elektrodenelemente soll ein Verhältnis von 1:5 aufweisen. Damit die Gasabzugsfahnen im Bereich des Spaltes nicht miteinander in Berührung kommen und verwirbeln, ist ein relativ großer Spalt zwischen benachbarten Elementen vorgesehen. Dies führt zu einer relativ geringen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Konstruktionsfläche und zu einer ungleichmäßigen Elektrodenbelastung, insbesondere im Bereich der Kanten der rechteckigen Profile, wo mit einem erhöhten Verschleiß der katalytischem Beschichtung zu rechnen ist. Die gewählte Form des Trägers der Elektrodenolemente, der gleichzeitig Stromverteiler ist, verhindert die Konzentration des Gases im Raum jenseits der reaktiven Elektrodenfläche. Infolgedessen kommt es zu einem hohen Gasanteil im Bereich der Reaktionsfläche, verbunden mit erhöhten elektrischen Verlusten.DE-OS 3519 272 discloses an electrode structure using a plurality of parallel arranged elements of rectangular cross-section. A plate-shaped support with bulges on both sides serves to fasten the electrode elements and as a current distributor. The cross section of the rectangular electrode elements should have a ratio of 1: 5. Thus, the gas exhaust tabs in the region of the gap do not come into contact and swirl, a relatively large gap between adjacent elements is provided. This leads to a relatively low utilization of the available construction surface and to an uneven electrode load, in particular in the region of the edges of the rectangular profiles, where increased wear of the catalytic coating is to be expected. The selected shape of the carrier of the electrode elements, which is also the current distributor, prevents the concentration of the gas in the space beyond the reactive electrode surface. As a result, there is a high proportion of gas in the area of the reaction surface, associated with increased electrical losses.

Eine der voran beschriebenen Elektrodenstruktur sehr ähnlich ist die in der DE-OS 3519573 offenbarte Elektrode. Sie besteht gleichfalls aus parallel auf einem Stromverteiler angeordneten Elementen rechteckigen Querschnitts, deren Abstand zueinander einige Millimeter beträgt. Außerdem weisen die der Membran zugewandten Stirnseiten der Elemente eine Vielzahl von Ausnehmungen auf. Die dazwischen befindlichen Stege sind nicht elektrokatalytisch beschichtet und liegen auf der Membran auf. Somit beträgt die zur Verfügung stehende reaktive Fläche nur noch etwa 10% der Membranfläche. Die Stege können, bedingt durch Relativbewegungen zwischen Elektrode und Membran, lokale Beschädigungen der Membran vorursachen. Als Vertreter des zweiten Grundtyps gasentwickelnder metallischer Elektroden ist in der DE-OS 2735238 eine Elektrode mit vertikalen jalousieartigen Elementen, die durch Herauspressen aus einem Blech erzeugt wurden, beschrieben. Diese Elektrodenstruktur verursacht erhebliche Feldstärkeunterschiede und damit stark unterschiedliche Berlastungen der Elektrodenflächa. An den der Membran zugewandten Kanten der jalousieartigen Elemente ist ein erhöhter Verschleiß der elektrolytischen Schicht zu erwarten.One of the electrode structure described above is very similar to the disclosed in DE-OS 3519573 electrode. It also consists of parallel arranged on a power distribution elements rectangular cross-section whose distance from each other is a few millimeters. In addition, the membrane facing the end faces of the elements on a plurality of recesses. The webs between them are not electrocatalytically coated and lie on the membrane. Thus, the available reactive area is only about 10% of the membrane area. Due to relative movements between the electrode and the membrane, the webs can cause local damage to the membrane. As a representative of the second basic type of gas-generating metallic electrodes is described in DE-OS 2735238 an electrode with vertical louver-like elements that were produced by pressing out of a sheet. This electrode structure causes significant field strength differences and thus greatly different Berlastungen the Elektrodenflächa. At the edges of the louver-like elements facing the membrane, increased wear of the electrolytic layer is to be expected.

Jalousieartige Elemente in überwiegend horizontaler Anordnung sind in DD-PS 250026 beschrieben worden. Das sehr scharfkantig ausgebildete Jalousieende verursacht eine starke Feldstärkeüberhöhung sowie eine erhebliche mechanische und thermische Belastung der Membran.Venetian blind elements in predominantly horizontal arrangement have been described in DD-PS 250026. The very sharp-edged jalousie end causes a strong field strength increase as well as a considerable mechanical and thermal load on the membrane.

Die DE-OS 3625506 offenbart eine Elektrode mit einer Anzahl im wesentlichen waagerechter, rechteckiger Öffnungen, denen Brücken- oder Fahi.enteile zugeordnet sind.DE-OS 3625506 discloses an electrode having a number of substantially horizontal, rectangular openings, which bridge or Fahi.enteile are assigned.

Auch diese Elektrode kann dio Ausbildung eines relativ großen Gasblasenanteils im Raum zwischen der Elektrode und der Membran nicht verhindern.This electrode can not prevent the formation of a relatively large proportion of gas bubbles in the space between the electrode and the membrane.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung einer Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anorde und Kathode im gemeinsamen Elektrolyten, die bei einem verringerten technischen Aufwand eine erhöhte Effektivität des elektrolytischen Prozesses gewährleistet.The object of the invention is the development of an electrolytic cell with gas formation at the anode and cathode in the common electrolyte, which ensures a reduced efficiency of the electrolytic process with a reduced technical complexity.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode im gemeinsamen Elektrolyten zu entwickeln, die wesentlich verringerte ohmsche Verluste aufweist. Erreicht werden soll dies durch eine Elektrodenstruktur bzw. Zellkonstruktion, die gastrennende Eigenschaften besitzen und dadurch die Verwendung von Membranen, Diaphragmen oder dgl. erübrigen. Gleichzeitig soll die Gasblasenbelastung des Elektrolyten im Reaktionsraum, d. h. im Raum zwischen Anode und Kathode, auch bei gesteigerter Stromdichtebelastung erheblich verringert werden. Trotz des Fehlens eines Trennelementes für die entstehenden Gase, ist der Elektrodenabstand nicht zu vergrößern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine aus einer Vielzahl zueinander parallel angeordneter Elemente bestehenden Elektrode gelöst, deren lamellen-, band- oder folienartigen Elemente nur eine Dicke bis zum 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers besitzen und zueinander einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt aufweisen. Als Blasenablösedurchmesser gilt der Durchmesser einer sich von ihrem Bildungskeim entfernenden Blase unter den gegebenen realen Prozeßbedingungen an einer Elektrode der erfindungsgemäßen Bauart. Als eine sich von ihrem Bildungskeim entfernende Blase soll auch diejenige angesehen werden, die sich infolge der Adhäsion auf der Elektrodenoberfläche bewegt. Auch der Abstand der einander zugewandten Stirnfläche von Anode und Kathode entspricht mindestens dem 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers. Die die Elektrode seitlich begrenzenden Elemente sowie der untere Abschluß der Elektrode weisen zur inneren Wandung des Zellengehäuses höchstens einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt auf. Im oberjn Zellenbereich sind die Elektroden gasdicht abgedichtet, so daß eine Vermischung der in den Entgasungsräumen der Elektrolysezelle aufsteigenden Gase verhindert wird.The invention has for its object to develop an electrolytic cell with gas formation at the anode and cathode in the common electrolyte, which has significantly reduced ohmic losses. This is to be achieved by an electrode structure or cell construction, which have gas-separating properties and thus the use of membranes, diaphragms or the like unnecessary. At the same time, the gas bubble loading of the electrolyte in the reaction space, d. H. be significantly reduced in the space between the anode and cathode, even with increased current density. Despite the absence of a separating element for the resulting gases, the electrode spacing is not to be increased. According to the invention, the object is achieved by an electrode consisting of a multiplicity of elements arranged in parallel, whose lamellar, ribbon or foil-like elements have a thickness of up to 3 times the mean bubble peel diameter and have a gap which causes the capillary effect. The bubble peel diameter is the diameter of a bubble removing from its formation nuclei under the given real process conditions on an electrode of the type according to the invention. As a bubble removing from its nucleation, one should also consider that which moves on the surface of the electrode as a result of the adhesion. Also, the distance of the facing end surface of the anode and cathode corresponds to at least 3 times the average bladder removal diameter. The electrode laterally limiting elements and the lower end of the electrode have the inner wall of the cell housing at most a capillary effect causing gap. In the upper cell range, the electrodes are sealed gas-tight, so that mixing of the ascending in the degassing of the electrolysis cell gases is prevented.

Die Realisierung der erfindungswesentlichen Merkmale gewährleistet, daß die Kapillarwirkung der Elektrode, ausgehend von dem Bereich zwischen den Elementen, auch die auf den (zumeist abgerundeten) Stirnflächen gebildeten Blasen beeinflußt und selbst dann in den Kapillarspalt hinein saugt, wenn zwischen der Elektrode und der Membran ein Abstand belassen wurde. Die Breite der Elektrodenelemente ist wesentlich größer als deren Dicke und beträgt mindestens das 10fache der Breite des Kapillarspaltes. Dadurch wird in der Elektrode ein zweidimensional wirkendes kapillares System geschaffen, das das Eintragen von Turbulenzen aus dem Entgasungsraum des Elektrolyten in den Reaktionsraum zwischen der Elektrode und der Membran verhindert. Eine Beeinflussung bzw. Störung des Blasenbildungsprozesses und des Blasentransportes in den Kapillarspalt ist damit ausgeschlossen. Der Gastransport durch die Elektrode erfolgt gerichtet quer zur Elcktrodenebene über die nur sehr geringe Strecke entsprechender Breite der Elektrodenelemente. Ursache hierfür ist die erhebliche relative Volumenvergrößerung im Reaktionsraum infolge des Blasenbildungsprozesses. Dies führt dort zu einer Druckerhöhung und Verdrängungsreaktion. In gleichem Maße, wie das Gas aus dem Reaktionsraum und der Elektrode gedrängt wird, strömt Elektrolyt durch den Kapillarspalt turbulenzfrei zu den reaktiven Flächen der Elektrode nach. Der hohe ElektrolytaustauschThe realization of the features essential to the invention ensures that the capillary action of the electrode, starting from the region between the elements, also affects the bubbles formed on the (mostly rounded) end faces and even then sucks into the capillary gap, if between the electrode and the membrane Distance was left. The width of the electrode elements is substantially greater than their thickness and is at least 10 times the width of the capillary gap. As a result, a two-dimensionally acting capillary system is created in the electrode, which prevents the introduction of turbulence from the degassing space of the electrolyte into the reaction space between the electrode and the membrane. An influence or disturbance of the bubble formation process and the bubble transport into the capillary gap is thus excluded. The gas transport through the electrode is directed transversely to the Elcktrodenebene over the only very short distance corresponding width of the electrode elements. The reason for this is the considerable relative increase in volume in the reaction space as a result of the bubble formation process. This leads there to an increase in pressure and displacement reaction. To the same extent as the gas is forced out of the reaction chamber and the electrode, electrolyte flows through the capillary gap without turbulence to the reactive surfaces of the electrode. The high electrolyte exchange

verhindert die Verarmung des Elektrolyten auch in seiner Grenzschicht, da der Flüssigkeitstransport aufgrund der Kapillarkräfte unmittelbar auf der Elektrodenoberfläche erfolgt. Die charakteristischen Strömungsbedingungen im Kapillarspalt verhindern weitestgehend eine vertikale Bewegung der Gasblasen.prevents the depletion of the electrolyte in its boundary layer, since the liquid transport is due to the capillary forces directly on the electrode surface. The characteristic flow conditions in the capillary gap largely prevent a vertical movement of the gas bubbles.

Um ein Koagulieren von Gasblasen zu verhindern, die an entgegengesetzt gepolten Elektroden entstehen, ist zwischen den Elektroden mindestens ein dem 3fachen Blasenablösedurchmesser entsprechender Abstand vorzusehen. Dieses Merkmal wirkt einer Verunreinigung der in den Entgasungsräumen aufsteigenden Gasblasen sowie der Mischgasbildung im Reaktionsraum entgegen. Die Koagulation von Gasblasen stellt die Hauptursache für die Bildung von Mischgas dar.In order to prevent coagulation of gas bubbles, which are formed on oppositely poled electrodes, at least a distance equal to 3 times the bubble peel diameter must be provided between the electrodes. This feature counteracts contamination of the rising in the degassing gas bubbles and the formation of mixed gas in the reaction chamber. The coagulation of gas bubbles is the main cause of the formation of mixed gas.

Eine vorteilhafte Variante der Erfindung verwendet zwischen Anode und Kathode ein dielektrisches, elektrolytbeständiges Distanzelement, das insbesondere die Struktur eines Netzes, von Waben oder großmaschigem Gewebe aufweisen kann. Das Distanzelement garantiert entsprechend seiner Dicke die kurzschlußsichere Fixierung von Anode und Kathode in geringem Abstand. Die hohe Flexibilität der an sich mechanisch stark belastbaren Elektrodenstruktur gewährleistet einen allseitig gleichmäßigen Elektrodenabstand.An advantageous variant of the invention uses a dielectric, electrolyte-resistant spacer element between anode and cathode, which may in particular have the structure of a network, honeycomb or large-mesh fabric. The spacer guaranteed according to its thickness, the short-circuit-proof fixation of the anode and cathode at a small distance. The high flexibility of the mechanically strong load-bearing electrode structure ensures uniform electrode spacing on all sides.

Darüber hinaus wird der Reaktionsraum vom Distanzelement in eine Vielzahl von kleinen Reaktionszellen unterteilt.In addition, the reaction space is divided by the spacer into a plurality of small reaction cells.

Strömungsbedingte Störungen und die Bildung von Mischgas können praktisch nicht mehr auftreten.Flow-related disturbances and the formation of mixed gas can practically no longer occur.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie der Figuren näher erläutert. Es stellen darThe invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the figures. It represents

Fig. 1: Anode und Kathode mit zwischenliegendem Distanzelement (M: etwa 1:1) Fig. 2: Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit Kapillarspaltelektroden Fig.3: Vergrößerter Ausschnitt Ader Kapillarspaltelektrode.1: Anode and cathode with intermediate spacer element (M: approximately 1: 1) FIG. 2: Cross section of an electrolysis cell according to the invention with capillary gap electrodes FIG. 3: Enlarged detail of the capillary gap electrode.

Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht in der Schaffung eines Zellenaufbau, der die Elektrolysezelle hydraulisch durch entsprechend aktiv wirkende Elektroden in einen gemeinsamen Reaktionsraum 9 und getrennte Entgasungsräume 10,11 unterteilt. Die Verbindungen zwischen dem Reaktionsraum und den Entgasungsräumen sind ausschließlich Kapillarspalte, so daß durch den Elektrolyttransport keine strömungsbedingten Störungen auftreten können, die möglicherweise zum Ablösen von Gasblasen von der Elektrodenreaktionsfläche in den Reaktionsraum 9 hineinführen würden.The general idea of the invention is to provide a cell structure which hydraulically subdivides the electrolysis cell into a common reaction space 9 and separate degassing spaces 10, 11 through correspondingly active electrodes. The connections between the reaction space and the degassing spaces are exclusively capillary gaps, so that no flow-related disturbances can occur due to the electrolyte transport which would possibly lead to detachment of gas bubbles from the electrode reaction area into the reaction space 9.

Die Kapillarspaltelektrode 8 ist aus zueinander parallel angeordneten Elementen 1 aufgebaut, deren Dicke 3 und Abstand 4 zueinander um ein bis zwei Größenordnungen geringer sind als bei bekannten Elektroden.The Kapillarspaltelektrode 8 is composed of mutually parallel elements 1 whose thickness 3 and 4 distance from each other by one or two orders of magnitude lower than in known electrodes.

Erfindungsgemäß beträgt die Dicke 3 der Elemente 1, die Bänder, Folien, Lamellen oder dgl. sein können, höchstens das 3fache des mittleren Blasenablösadurchmessers. Zwischen den Elementen 1 ist ein den Kapillareffekt hervorrufender Spalt 4 zu belassen. Die Fixierung der Elemente 1 durchdringende Drähte erfolgen. Zwischen den Elementen 1 können auf den Drähten Abstandshalter zur Gewährleistung des Kapillarspaltes 4 angeordnet sein. Diese Maßnahmen erlauben die einfache Bereitstellung einer in ihrer Breite festgelegten transportierbaren und montierbaren Kapillarspaltelektrode 8.According to the invention, the thickness 3 of the elements 1, which may be bands, foils, lamellae or the like, is at most 3 times the average bubble removal diameter. Between the elements 1 is a capillary effect causing gap 4 to leave. The fixation of the elements 1 penetrating wires done. Between the elements 1 can be arranged on the wires spacers to ensure the Kapillarspaltes 4. These measures allow the simple provision of a transportable and mountable capillary gap electrode 8 which is fixed in its width.

Besonders wirtschaftlich ist die Herstellung von Elementen 1 aus glasmetallischen Folienbändern, die nach dem Schmelzspinnverfahren erzeugt wurden. Sie besitzen glatte Oberflächen und Kanten und weisen meistens eine Dicke 3 von 20μΓπ bis ΙΟΟμηη auf. Der bevorzugte Bereich der Elementondicke liegt um 40μηι; die Breite 5 der Bänder beträgt etwa 5 mm. Bei Verwendung von etwa 40 Elementen 1 je Zentimeter stellt sich ein durchschnittlicher Kapillarspalt 1 von 0,2 mm Breite ein. Eine Elektrode 8 aus einer Vielzahl an sich sehr flexibler (Einzel-) Elemente 1 stellt in der beschriebenen dichten Packung ein mechanisch hochbelastbares und dennoch an eine ebene Fläche vollständig anschmiegbares Gebilde dar. An diese Flächen müssen keine hohe Anforderungen hinsichtlich Ebenheit, Verwerfung u.a. gestellt werden.Particularly economical is the production of elements 1 of glass-metallic foil strips, which were produced by the melt-spinning process. They have smooth surfaces and edges and usually have a thickness 3 of 20μΓπ to ΙΟΟμηη on. The preferred range of element thickness is around 40μηι; the width 5 of the bands is about 5 mm. When using about 40 elements 1 per centimeter, an average capillary gap 1 of 0.2 mm width is established. An electrode 8 of a plurality of very flexible (single) elements 1 is in the described dense packing a mechanically highly resilient and yet completely conformable to a flat surface structure. These surfaces do not have high requirements for flatness, warp u.a. be put.

Figur 1 zeigt eine Anode und eine Kathode mit zwischenliegendem Distanzelement 7. Die Kapillarspaltelektrodenstruktur erlaubt großflächig einen konstanten und geringen Elektrodenabstand, welcher der Dicke des Distanzelementes 7 entspricht. Außerdem gewährleistet die Anschmiegsamkeit dieser Elektrodenstruktur, daß eine Beschädigung des Distanzelementes 7 verhindert wird.FIG. 1 shows an anode and a cathode with an intermediate spacer element 7. The capillary gap electrode structure allows a constant and small electrode spacing over a large area, which corresponds to the thickness of the spacer element 7. In addition, the conformability of this electrode structure ensures that damage to the spacer element 7 is prevented.

Figur 3 zeigt einen maßstäblich vergrößerten Ausschnitt de.- Kapillarspaltelektrode 8. Die verwendeten Elemente 1 besitzen eine Dicke 3 von etwa 30 μπι und eine Breite von etwa 5mm. Der Spalt 4 zwischen den Elementen 1 entspricht etwa 200 μπι. Die hervorgehobenen Flächen 2 der Elemente 1 (siehe Fig.3) stellen die Bereiche mit hoher elektrolytischer Reaktivität dar. Ihr flächerispezifischer Umsatz entspricht ungefähr dem auf den Stirnflächen der Elemente 1. Diese reaktionsstarken, am Umsatz wesentlich beteiligten Flächen 2 erstrecken sich quer zur Elektrodenebene auf einer Tiefe, die etwa der Breite des Spaltes 4 entspricht. Zur besseren Darstellbarkeit wurde die Breite des Spaltes 4 im Vergleich zur Dicke 3 und Breite 5 der Elemente 1 auf das 3fache gestreckt.FIG. 3 shows a scale-enlarged detail of the capillary gap electrode 8. The elements 1 used have a thickness 3 of approximately 30 μm and a width of approximately 5 mm. The gap 4 between the elements 1 corresponds to about 200 μπι. The highlighted areas 2 of the elements 1 (see FIG. 3) represent the regions with high electrolytic reactivity. Their turnover specific to the specific surface area corresponds approximately to that on the end faces of the elements 1. These highly reactive surfaces 2, which have a substantial turnover, extend transversely to the electrode plane a depth which corresponds approximately to the width of the gap 4. For better illustration, the width of the gap 4 was stretched 3 times compared to the thickness 3 and width 5 of the elements 1.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle arbeitet wie folgt:The electrolysis cell according to the invention operates as follows:

In Figur 2 ist der prinzipielle Aufbau einer entsprechenden Elektrolysezelle dargestellt. Sie besitzt kein Distanzelement 7, jedoch zur Verdeutlichung des Weges der Gasblasen 6 und der Gasblasenverteilung einen verhältnismäßig großen Elektrodenabstand und breite Entgasungsräume 10,11. Eine der wesentlichsten Voraussetzungen für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ist die Kapillarspaltelektrode 8.2 shows the basic structure of a corresponding electrolysis cell is shown. It has no spacer element 7, but to illustrate the path of the gas bubbles 6 and the gas bubble distribution a relatively large electrode spacing and wide degassing 10,11. One of the most important prerequisites for the functioning of the electrolysis cell according to the invention is the capillary gap electrode 8.

Die hohe Anzahl der Elemente 1 der Elektrode 8 (etwa 40 bis 50 Elemente 1 je cm) stellt eine im Vergleich zum bekannten Stand der Technik hochgradige Vergleichmäßigung der Elektrodenoberfläche dar. Verbunden damit ist eine adäquate Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes sowie der StromdichtebelaJtung. Folglich wird eine Überlastung (und damit frühzeitiger Verschleiß) der elektrokatalytischen Beschichtung vermieden. Darüber hinaus ist es gelungen, die an der Reaktion beteiligte Fläche auf einen Wert größer der Konstruktionsfläche zu steigern. Unter günstigen Bedingungen kann das Verhältnis von aktiver Reaktionsfläche zu Konstruktionsfläche um den Wert 2 liegen.The high number of elements 1 of the electrode 8 (approximately 40 to 50 elements 1 per cm) represents a high degree of homogenization of the electrode surface in comparison with the known prior art. Associated with this is an adequate equalization of the electric field and the current density fading. Consequently, an overload (and thus premature wear) of the electrocatalytic coating is avoided. In addition, it has been possible to increase the area involved in the reaction to a value greater than the construction area. Under favorable conditions, the ratio of active reaction area to construction area may be around 2.

Die an den Stirnflächen und den reaktiven Flächen 2 der Elemente 1 gebildeten Gasblasen 6 (siehe Fig. 3) befinden sich im Einflußbereich des Kapillarspaltes 4. Infolge der Gasblasenbildung kommt es im Reaktionsraum 9 zu einem Druckaufbau, welcher die Ursache für den Gastransport quer zur Elektrodenebene darstellt und gleichzeitig eine Erhöhung des ElektrolytpegelsThe gas bubbles 6 (see FIG. 3) formed at the end faces and the reactive surfaces 2 of the elements 1 are in the influence region of the capillary gap 4. As a result of gas bubble formation, a pressure build-up occurs in the reaction space 9 which causes the gas transport transversely to the electrode plane represents and at the same time an increase in the electrolyte level

im Entgasungsraum 11 bewirkt. In Figur 3 wird der Weg einer Gasblase 6 durch die Kapillarspaltelektrode 8 gezeigt. In gleichem Maße wird der Elektrolyt zwischen den Entgasungsräumen 11 und dem Reaktionsraum 9 ausgetauscht. Hieraus folgt, daß der Elektrolytaustausch um so intensiver ist, je kleiner (schmaler) der Reaktionsraum 9 (der Elektrodenabstand) ist. Die aus den Entgasungsräumen 10,11 der Elektrolysezelle abgezogenen Gase besitzen einen sehr hohen Reinheitsgrad; er ist mit dem von in Membranzellen gewonnenen Gasen vergleichbar. Gasblasen, die sich de inoch von der Elektrode 8 entfernen und in den Reaktionsraum 9 hineinwandern, führen 7U einer unbedeutenden Mischgasbi'dung. Diese Blasen können nicht zur Verunreinigung des Reingases führen, da sie noch vor dem Erreichen der Gegenelektrode mit den dort gebildeten Blasen koagulieren wurden. Ihr Blasendurchmesser wäre dann für den Transport durch einen Kapillarspalt 4 der Elektrode 8 oder im Abdichtungsbereich zur Gehäusewand zu groß. Die Trennung der Reingase im oberen Zellenbereich erfolgt durch eine oder mehrere Abschottungen 12,13, die unter den Flüssigkeitsspiegel abgetaucht sind.effected in the degassing 11. In FIG. 3, the path of a gas bubble 6 through the capillary gap electrode 8 is shown. To the same extent, the electrolyte is exchanged between the degassing spaces 11 and the reaction space 9. It follows that the smaller the (narrower) the reaction space 9 (the electrode gap) is the more intense the electrolyte exchange. The gases taken off from the degassing chambers 10, 11 of the electrolysis cell have a very high degree of purity; it is comparable to that obtained in membrane cells. Gas bubbles, which deintroduce themselves from the electrode 8 and migrate into the reaction space 9, lead 7U to an insignificant mixed gas charge. These bubbles can not lead to contamination of the clean gas, as they were coagulate before reaching the counter electrode with the bubbles formed there. Their bubble diameter would then be too large for transport through a capillary gap 4 of the electrode 8 or in the sealing area to the housing wall. The separation of the pure gases in the upper cell area is carried out by one or more foreclosures 12,13, which are submerged below the liquid level.

Bei Verwendung eines Distanzelementes 7 ist es zweckmäßig, den zur gasdichten Abschottung vorgesehenen Bereich zu versiegeln. Die netz-, gewebe- oder wabenartig strukturierten Dintanzelemente 7 erlauben keine Mischgasbildung mehr. Deshalb ist größte Aufmerksamkeit auf die Einhaltung aller erfindungsgomäßen Bedingungen sowie eine gleichmäßige Strukturierung der Elektroden 8 zu richten. Nur so kann ein hoher Reinheitsgrad der Gase garantiert werden.When using a spacer element 7, it is expedient to seal the intended area for gas-tight foreclosure. The mesh, fabric or honeycomb-structured Dintanzelemente 7 do not allow mixed gas formation more. Therefore, great attention should be paid to compliance with all erfindungsgomäßen conditions and a uniform structuring of the electrodes 8. Only in this way can a high degree of purity of the gases be guaranteed.

Claims (5)

1. Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode, insbesondere zur Wasserelektrolyse, bestehend aus einem Zellengehäuse mit Medienleitungen für Elektrolyt und Gas, in dem Elektroden aus parallel zueinander angeordneten Elementen (1) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) Lamellen, Bänder, Folien oder dgl. mit einer Dicke (3) bis zum 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers sind und zueinander einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt (4) aufweisen, daß die einander zugewandten Stirnflächen von Anode und Kathode einen Abstand aufweisen, der mindestens dem 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers entspricht, daß die die Elektrode seitlich begrenzenden Elemente (1) sowie der untere Abschluß der Elektrode (8) zur inneren Wandung des Zellengehäuses höchstens einen den Kapillareffekt hervorrufenden Sp' It besitzen und daß die Entgasungsräume (10,11) im oberen Zellenbereich durch eine Abschottung (12,13) mindestens bis zum Flüssigkeitsspiegel des Elektrolyten gasdicht abgedichtet sind.1. electrolytic cell with gas formation at the anode and cathode, in particular for water electrolysis, consisting of a cell housing with media lines for electrolyte and gas, in which electrodes are provided from mutually parallel elements (1), characterized in that the elements (1) lamellas, Tapes, foils or the like having a thickness (3) up to 3 times the mean bubble peel diameter and having a capillary effect gap (4) relative to one another such that the facing anode and cathode faces are at least 3 times the center Bubble detachment diameter corresponds to that the electrodes laterally delimiting elements (1) and the lower end of the electrode (8) to the inner wall of the cell housing at most have a capillary effect causing Sp 'It and that the degassing spaces (10,11) in the upper cell area by a Foreclosure (12,13) at least to the liquid Are mirrors of the electrolyte sealed gas-tight. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Anode und Kathode durch ein oder mehrere elektrolytbeständige, dielektrische Distanzelemente (7) fixiert ist.2. electrolytic cell according to claim 1, characterized in that the distance between the anode and cathode by one or more electrolyte-resistant, dielectric spacer elements (7) is fixed. 3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement (7) ein Netz ist.3. electrolytic cell according to claim 1 and 2, characterized in that the spacer element (7) is a network. 4. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement (7) eine Wabenstruktur besitzt.4. electrolytic cell according to claim 1 and 2, characterized in that the spacer element (7) has a honeycomb structure. 5. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzelement (7) ein großmaschiges Gewebe ist.5. electrolytic cell according to claim 1 and 2, characterized in that the spacer element (7) is a large-mesh fabric.