DD285122B5 - Electrolysis cell for gas-producing electrolytic processes - Google Patents

Description

Dio DE-OS 3625506 offenbart βίηο Elektrode mit einer Anzahl im wesentlichen waagerechter, rechteckiger Öffnungen, donon Brücken- odor Fahnenteile zugeordnet sind. Auch diese Elektrode kann die Ausbildung eines relativ großen Gasblasenanteils im Raum zwischen der Elektrode und der Membran nicht verhindern.Dio DE-OS 3625506 discloses βίηο electrode having a number of substantially horizontal, rectangular openings, donon bridge or od flag parts are assigned. Also, this electrode can not prevent the formation of a relatively large gas bubble portion in the space between the electrode and the membrane.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode., die bei konstruktiv einfachem Aufbau eine erhöhte Effektivität des elektronischen Prozesses gewährleistet.The object of the invention is the development of an electrolysis cell with gas formation at the anode and cathode, which ensures a structurally simple design increased efficiency of the electronic process.

Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode, vorzugsweise im gemeinsamen Elektrolyten, zu entwickeln, die wesentlich verringerte Ohm'sche Leistungsverluste aufweist, und hinreichende gastrennenda Eigenschaften aufweist, durch die für bestimmte Anwendungsfälle auf die Vorwendung von trennenden Membranen, Diaphragmen oder dgl. zwischen Anode und Kathode verzichtet werden kann. Gleichzeitig soll die Gasblascnbelastung des Elektrolyten im Reaktionsraum, d.h. im Raum zwischen Anode und Kathode, auch bei gesteigerter Stromdichtebelastung erheblich verringert werden.In particular, it is an object of the invention to develop an electrolytic cell with gas formation at the anode and cathode, preferably in the common electrolyte, which has significantly reduced ohmic power losses, and has sufficient gastrennenda properties, by the use of separating membranes for certain applications , Diaphragmen or the like. Can be dispensed between anode and cathode. At the same time, the gas bubble loading of the electrolyte in the reaction space, i. be significantly reduced in the space between the anode and cathode, even with increased current density.

Diese Aufgabe wird orfindungsgemäß entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved orfindungsgemäß according to the features of claim 1.

Vorzugsweise sind dio Elektrodenelomente dünne Lamellen, Bänder oder Folien mit einer Dicke bis zum 3fachen eines mittleren Gasblasen-Ablösedurchmessors.Preferably, the electrode torques are thin lamellae, tapes or foils having a thickness of up to 3 times a mean gas bubble peel diameter.

Als Blasenablösedurchmesser gilt der Durchmesser einer sich von ihrem Bildungskeim entfernenden Blase unter den gegebenen realen Prozeßbedingungen in einer Elektrolysezelle der erfindungsgomäßen Bauart. Als eino sich von ihrem Bildungskeim entfernende Gasblase soll auch diejenige angesehen werden, die sich infolge der Adhäsion auf der Elektrodenoberflächo bewegt. Auch der Abstand der einander zugewandten Stirnflächen von Anode und Kathode entspricht mindestens dem 3fachen dos mittleren Blasenablösedurchmessors. Die die Elektroden seitlich begrenzenden Elemente sowie der untere Abschluß der Elektroden weisen zur inneren Wandung des Zellengf !läuses höchstens einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt auf. Im oberen Zellenbereich sind die Elektroden gasdicht abgedichtet, so daß eine Vermischung der in den Entgasungsräumen der Elektrolysezelle aufsteigenden Gase verhindort wird.The bubble peel diameter is the diameter of a bubble removing from its formation nuclei under the given real process conditions in an electrolytic cell of the type according to the invention. As a gas bubble removing from its nucleation, the one which moves on the surface of the electrode as a result of the adhesion should also be considered. Also, the distance of the facing end faces of the anode and cathode corresponds to at least three times the average bubble clearance diameter. The elements laterally delimiting the electrodes and the lower end of the electrodes have at most one gap which causes the capillary effect with respect to the inner wall of the cell body. In the upper cell area, the electrodes are sealed gas-tight, so that mixing of the ascending in the degassing of the electrolysis cell gases is verhindort.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird gewährleistet, daß die Kapillarwirkung der Elektroden, ausgehend von dem Bereich zwischen den Elektrodenelementen, auch die auf den (zumeist abgerundeten) Stirnflächen gebildeten Gasblasen beeinflußt und selbst dann in den Kapillarspalt hineinsaugt, wenn zwischen der Elektrode und einer Membran ein Abstand belassen wurde. Die Breite der Elektrodenelemente ist vorzugsweise wesentlich größer als deren Dicke und beträgt bevorzugt mindestens das TOfache 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 den Elektroden bzw. zwischen Elektrode und Membran verhindert. Eine Beeinflussung bzw. Störung des Blasenbildungsprozesses und des Blasentransportes in den Kapillarspalt ist damit ausgeschlossen. Der Gastransport durch die Elektrode erfolgt gerichtet, bevorzugt quer zur Elektrodenebene, über die nur sehr geringe Strecke entsprechender Breite der Elektrodenelemente. Ursache hierfür ist die erhebliche relative Volumenvergrößerung im Reaktionsraum infolge des Blasenbildungsprozcsses. 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 -Jen reaktiven Flächen der Elektrode nach. Der hohe Elektrolytaustausch 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 weitestg6hend oine vertikale Bewegung der Gasblasen.The inventive solution ensures that the capillary action of the electrodes, starting from the area between the electrode elements, also affects the gas bubbles formed on the (mostly rounded) end faces and even sucks into the capillary gap when there is a gap between the electrode and a membrane was left. The width of the electrode elements is preferably substantially greater than their thickness and is preferably at least the TOfache 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 electrodes or 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 directional, preferably transversely to the electrode plane, 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 space and the electrode, electrolyte flows through the capillary gap turbulence-free to -Jen reactive surfaces of the electrode. The high electrolyte exchange prevents the depletion of the electrolyte even in its boundary layer, since the liquid transport takes place directly on the electrode surface due to the capillary forces. The characteristic flow conditions in the capillary gap prevent as far as possible a vertical movement of the gas bubbles.

Um ein Koagulieren von Gasblasen zu verhindern, die an entgegengesetzt gepolten Elektroden entstehen, wird zwischen den Elektroden vorzugsweise mindestens ein dem 3fachen Blasenablösedurchmesser entsprechender Abstand vorgesehen. Diese Maßnahme wirkt einer Verunreinigung der in den Entgasungsräumen aufsteigenden Gasbiasen 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 occur at oppositely poled electrodes, it is preferable to provide at least a distance corresponding to 3 times the bubble peel diameter between the electrodes. This measure counteracts contamination of the gas biases rising in the degassing spaces and the formation of mixed gas in the reaction space. The coagulation of gas bubbles is the main cause of the formation of mixed gas.

Eine vorteilhafte Weiterbildung 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 hoho Flexibilität der an sich mechanisch stark belastbaren Elektrodenstruktur gewährleistet einen allseitig gleichmäßigen Elektrodenabstand.An advantageous development of the invention uses a dielectric, electrolyte-resistant spacer element between the anode and the cathode, which may in particular have the structure of a network, of honeycombs or of 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.

Durch die Erfindung wird ein Zellenaufbau geschaffen, der die Elektrolysezelle hydraulisch durch entsprechend aktiv wirkende Elektroden (Kapillarspaltelektroden) in einen gemeinsamen Reaktionsraum und getrennte Entgasungsräume unterteilt. Die Verbindung zwischen dem Reaktionsraum zwischen Anode und Kathode und den Entgasungsräumen ist ausschließlich durch Kapillarspalte gebildet, so daß durch den Elektrolyttransport keine strömungsbedingten Störungen auftreten können, die möglicherweise zum Ablösen von Gasblasen von der Elektrodenreaktionsfläche und zur Wanderung der Gasblasen in den Reaktionsraum hineinführen könnten.The invention provides a cell structure which divides the electrolytic cell hydraulically by appropriately active electrodes (capillary gap electrodes) into a common reaction space and separate degassing spaces. The connection between the reaction space between the anode and cathode and the Entgasungsräumen is formed solely by capillary gaps, so that no flow-related disturbances may occur due to the electrolyte transport, which could possibly lead to the detachment of gas bubbles from the electrode reaction surface and the migration of the gas bubbles in the reaction space.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgagenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.Further, advantageous embodiments of Erfindungsgagenstandes are set forth in the remaining claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles 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 einer Elektrolysezelle mit zwischenliegendem Distanzelement (M: ca. 1:1) Fig. 2: einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit Kapillarspaltelektroden Fig. 3: einen vergrößerten Ausschnitt A einer Kapillarspaltelektrode nach Fig. 1.1: anode and cathode of an electrolysis cell with intermediate spacer element (M: approx. 1: 1) FIG. 2: a cross section of an electrolysis cell according to the invention with capillary gap electrodes FIG. 3: an enlarged section A of a capillary gap electrode according to FIG.

In Fig. 2 ist der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispieles einer Elektrolysezelle dargestellt. Sie besitzt in dieser Ausführungsform kein Distanzelement zwischen Anode und Kathode, 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 die Wirkung und das Funktionieren der Elektrolysezelle sind die Anordnung und der Aufbau von Anode und Kathode als Kapillarspaltelektroden 8.2, the basic structure of an embodiment of an electrolytic cell is shown. It has in this embodiment, no spacer element between the anode and cathode, 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 effect and functioning of the electrolysis cell is the arrangement and construction of the anode and cathode as capillary gap electrodes 8.

Unter Ausbildung von Kathode und Anode als Elektroden, deren Elektrodenelernente 1,2,3,4,5 voneinander unter Bildung eines die Kapillarwirkung hervorrufenden Kapillarspaltes 4 angeordnet sind, verwirklicht die Elektrolysezelle einen Zellenaufbau, derWith formation of the cathode and anode as electrodes whose electrode elements 1, 2, 3, 4, 5 are arranged apart from one another to form a capillary gap 4 which causes the capillary action, the electrolysis cell realizes a cell structure which

die Elektrolysezelle hydraulisch durch entsprechend aktiv wirkende Kapillarspaltelektroden 8 in einen gemeinsamen Reaktionsraum 9 und getrennte Entgasungsräume 10,11 unterteilt. Die Verbindungen zwischen dom Reaktionsraum 9 und den Entgasungsraumen 10,11 werden ι usschließlich durch Kapillarspalte 4 gebildot, so daß durch den Elektrolyttransport koine strömungsbedingten Störungen auftreten können, die möglicherweise ansonsten zum Ablösen von Gasblasen von dor Elektrodenreaktionsfläche und deren Wanderung in den Reaktionsraum ö zwischen den Kapillarspaltelektroden 8 hineinführen konnte.the electrolytic cell hydraulically divided by appropriately active acting capillary gap electrodes 8 in a common reaction chamber 9 and separate degassing 10,11. The connections between dom reaction space 9 and the Entgasungsraumen 10,11 are ι exclusively by Kapillarspalte 4 bildild, so that by the electrolyte transport koine flow-related disturbances may occur otherwise possibly for detaching gas bubbles from the electrode reaction surface and their migration into the reaction space ö between the Capillary gap electrodes 8 could lead into it.

Jede Kapillarspaltolektrodo 8 ist aus zueinander parallel angeordneten Eloktrodenelementen 1 aufgebaut, deren Dicke 3 und Abstand 4 zueinander um ein bis zwei Größenordnungen geringer sind als bei bekannten Elektroden. Die Dicke 3 der Elemente 1, die Bänder, Folien, Lamellen ode,- dgl. sein können, beträgt höchstens das 3fache des mittleren Blasenablösedurchmessers. Zwischen den Elementen 1 ist ein den Kapillareffekt hervorrufender Kapillarspalt belassen. Die Fixierung der Elemente I zueinander kann beispielsweise durch mehrere die 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 montierbaron Kapillarspaltelektrode 8.Each Kapillarspaltolektrodo 8 is constructed of mutually parallel Eloktrodenelementen 1 whose thickness 3 and 4 distance from each other by one or two orders of magnitude lower than in known electrodes. The thickness 3 of the elements 1, which may be bands, foils, lamellae or the like, is at most 3 times the mean bubble peel diameter. Between the elements 1 a Kapillarspalt causing the capillary effect is left. The fixation of the elements I to each other can be done for example by a plurality of elements 1 penetrating wires. Between the elements 1 can be arranged on the wires spacers to ensure the Kapillarspaltes 4. These measures allow the easy provision of a transportable and mountable capillary gap electrode 8 defined 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 20(Jm bis 100μιη auf. Der bevorzugte Bereich der Elementendicke liegt um 40pm; die Breita 5 der Bänder beträgt ca. 5mm. Bei Verwendung von ca. 40 Elementen 1 je Zentimeter stellt sich ein durchschnittlicher Kapillarspalt 4 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 anschmiegbaros Gebilde dar. An diese Flächen müssen keine hohen 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 20 (Jm to 100μιη on.The preferred range of element thickness is around 40pm, the Breita 5 of the bands is about 5mm.When using about 40 elements 1 per centimeter an average capillary gap 4 of 0.2 mm in width.An electrode 8 made of a plurality of very flexible (individual) elements 1 is in the described dense packing a mechanically highly resilient and yet completely conformable to a flat surface structures These surfaces do not have to be set high requirements with regard to evenness, distortion, etc.

Fig. 1 zeigt eine Anode und eine Kathode mit zwischenliegondem 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 dos Distanzelementes 7 verhindert wird. Fig. 3 zeigt einen maßstäblich vergrößerten Ausschnitt der Kapillarspaltelektrode 8. Die verwendeten Elemente 1 besitzen eine Dicke 3 vonca.30pm und eine Breite 5 von ca. 5mm. Der Spalt 4 zwischen den Elementen 1 entspricht etwa 200μιη. Die hervorgehobenen Flächen 2 der Elemente 1 (s. Fig.3) stellen die Breite mit hoher elektrolytischer Reaktivität dar. Ihr f lächonspezifischer Umsatz entspricht ungefähr dem auf den Stirnflächen der Elemente 1. Diese reaktionsstarken, am Umsat« 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. 1 shows an anode and a cathode with zwischenliegondem spacer element 7. The Kapillarspaltelektrodenstruktur allows a large area a constant and small electrode spacing, 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. 3 shows an enlarged scale section of the capillary gap electrode 8. The elements 1 used have a thickness 3 of about 30 pm and a width 5 of about 5 mm. The gap 4 between the elements 1 corresponds to about 200μιη. The highlighted areas 2 of the elements 1 (see Fig. 3) represent the width with high electrolytic reactivity. Their f specific turnover corresponds approximately to that on the faces of the elements 1. These highly reactive areas 2, which are significantly involved, extend transversely to the electrode plane at 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 hohe Anzahl der Elemente 1 der Elektrode 8 (ca. 40 bis 50 Elemente 1 je cm) stellt eine im Vergleich zum bekannten Stand der Technik hochgradige Vergleichmäßigung der Eiektrodonoberfläche dar. Verbunden damit ist eine adäquate Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes sowie der Stromdichtebelastung. Folglich wird eine Überlastung (und damit frühzeitiger Verschleiß) der elektrokatalytischen Beschichtung vermieden. Darübor 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 (about 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 loading. Consequently, an overload (and thus premature wear) of the electrocatalytic coating is avoided. Darübor has also succeeded in increasing 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 (s. 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 bevorzugt quer zur Elektrodenebene darstellt und gleichzeitig eine Erhöhung des Eloktrolytpegeis im Entgasungsraum 11 bewirkt. In Fig.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 umso intensiver ist, je kleiner (schmaler) der Reaktionsraum 9 (der Elektrodenabstand) ist.The gas bubbles 6 (see Fig. 3) formed at the end surfaces and the reactive surfaces 2 of the elements 1 are located in the area of influence of the capillary gap 4. As a result of the formation of gas bubbles, a pressure build-up occurs in the reaction space 9 which preferably transversely causes the gas transport represents the electrode plane and simultaneously causes an increase in Eloktrolytepegeis 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.

Die aus den Entgasungsraumen 10,11 der Elektrolysezelle abgezogenen Gase besitzen einen sehr hohen Reinheitsgrad; er ist mit dem von in Membranzellen gewonnenen Gasen vergleichbar. Gasblasen, die sich dennoch von der Kapillarspaltelektrode 8 entfernen und in den Reaktionsraum 9 nineinwandern, führen zu einer unbedeutenden Mischgasbildung. Diese Blasen können nicht nur zur Verunreinigung des Roingases führen, da sie noch vor dem Erreichen der Gegenelektrode mit den dort gebildeten Blasen koagulieren würden. Ihr Blasendurchmesser wäre dann für den Transport durch einen Kapillarspalt 4 der Kapillarspaltelektrode 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. Bei Vorwendung eines Distanzelementes 7 ist es zweckmäßig, den zur gasdichten Abschottung vorgesehenen Bereich zu versiegeln. Die netz-, gewebe- oder wabenartig strukturierten Distanzelemente 7 erlauben keine Mischgasbildung mehr. Die besonders gleichmäßige Strukturierung der Kapillarspaltelektroden 8 führt zu einem hohen Reinheitsgrad der entstehenden Gase.The gases drawn 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 nevertheless remove from the capillary gap electrode 8 and nine-migrate into the reaction space 9, lead to an insignificant mixing gas formation. These bubbles can not only lead to contamination of the Roingases, since they would 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 capillary gap 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. When advancing a spacer element 7, it is expedient to seal the intended area for gas-tight foreclosure. The network, fabric or honeycomb-structured spacer elements 7 no longer permit mixed gas formation. The particularly uniform structuring of the capillary gap electrodes 8 leads to a high degree of purity of the resulting gases.

Claims (17)

1. Elektrolysezelle für gasentwickelnde elektrolytische Prozesse mit Anode und Kathode als Elektroden, bestehend aus einer Vielzahl zueinander im wesentlichen parallel angeordneter Elemente, insbesondere zur Wasserelektrolyse, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden Kapillarspaltelektroden (8) sind, deren Elemente (1) zueinander unter Belassung eines den Kapillareffekt hervorrufenden und einen Gastransport gestattenden Kapillarspaltes (4) angeordnet sinci.1. electrolysis cell for gas-producing electrolytic processes with anode and cathode as electrodes, consisting of a plurality of mutually substantially parallel elements, in particular for water electrolysis, characterized in that the electrodes are Kapillarspaltelektroden (8) whose elements (1) to each other, leaving a the capillary effect causing and a Gastransport gestattenden capillary gap (4) arranged sinci. 2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Kapillarspaltelektrode (8) ausgebildete Anode und Kathode durch zumindest ein Trennelement (7), beabstandet sind.2. electrolysis cell according to claim 1, characterized in that the capillary gap electrode (8) formed anode and cathode by at least one separating element (7), are spaced. 3. Elektrolysezelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Kapillarspaltelektroden (8) ein Entgasungsraum (10,11) für den Elektrolyten vorgesehen ist.3. electrolytic cell according to claim 1 or 2, characterized in that following the Kapillarspaltelektroden (8) a degassing space (10,11) is provided for the electrolyte. 4. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarspaltelektroden (8) direkt spaltfrei (Null-Abstand) an dem Trennelement (7) anliegen.4. electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 2 or 3, characterized in that the capillary gap electrodes (8) directly without gaps (zero distance) abut the separating element (7). 5. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Zellengehäuse mit Medienleitungen für Elektrolyt und Gas, wobei ein Reaktionsraum (9) zwischen Kathode und Anode zumindest an einer Oberseite zum Zellengehäuse abgedichtet ist.5. electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 4, characterized by a cell housing with media lines for electrolyte and gas, wherein a reaction space (9) between the cathode and anode is sealed at least on an upper side to the cell housing. 6. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement zwischen Anode und Kathode eine Membran zumindest ein elektrolytbeständiges, dielektrisches Trennelement (7) ist, das als Netz oder grobmaschiges Gewebe ausgebildet ist oder eine Wabenstruktur aufweist.6. electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 2 to 5, characterized in that the separating element between the anode and cathode is a membrane at least one electrolyte-resistant, dielectric separating element (7), which is formed as a net or coarse mesh or has a honeycomb structure. 7. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) dünne Lamellen, dünne Bänder oder dünne Folien sind.7. electrolysis cell according to at least one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the elements (1) are thin lamellae, thin bands or thin films. 8. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) eine Dicke bis zum Dreifachen eines mittleren Gasblasendurchmessers einer Gasblase (6) aufweisen, die sich unter den gegebenen Elektrolysebedingungen von einer Kapillarspaltelektrode (8) ablöst oder sich entlang der Elektrodenoberfläche bewegt.8. An electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the elements (1) have a thickness of up to three times a mean gas bubble diameter of a gas bubble (6), which separates under the given electrolysis conditions of a Kapillarspaltelektrode (8) or moving along the electrode surface. 9. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Anode und Kathode ein Kapillarspalt ist, dessen Weite mindestens dem Dreifachen eines mittleren Gasblasendurchmessers einer Gasblase (6) entspricht, die sich unter den gegebenen Elektrolysebedingungen von einer Kapillarspaltelektrode (8) ablöst oder sich entlang der Elektrodenoberfläche bewegt.9. An electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the distance between the anode and cathode is a capillary gap, the width of which corresponds to at least three times a mean gas bubble diameter of a gas bubble (6) under the given electrolysis conditions of a Capillary gap electrode (8) detaches or moves along the electrode surface. 10. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Seiten- und/oder Bodenabstand der Kapillarspaltelektroden (8) zu den Seitenwänden oder dem Boden des Zellengehäuses ein den Kapillareffekt hervorrufender Kapillarspalt ist.10. electrolysis cell according to at least one of the preceding claims 1 to 9, characterized in that a side and / or bottom distance of the capillary gap electrodes (8) to the side walls or the bottom of the cell housing is a capillary effect causing capillary gap. 11. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandshalter zur Gewährleistung des Kapillarspaltes (4) zwischen den Elementen (1) der Kapillarspaltelektroden (8) angeordnet sind.11. An electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that spacers for ensuring the capillary gap (4) between the elements (1) of the capillary gap electrodes (8) are arranged. 12. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) aus glasmetallischen Folienbändern bestehen.12. An electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the elements (1) consist of glass-metallic foil strips. 13. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Elemente (1) ca. 20 bis 100 pm, vorzugsweise 40 pm, beträgt.13. electrolysis cell according to at least one of the preceding claims 1 to 12, characterized in that the thickness of the elements (1) is about 20 to 100 pm, preferably 40 pm. 14. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarspalt (4) zwischen den Elementen (1) der Kapillarspaltelektroden (8) ca. 200pm beträgt.14. electrolysis cell according to at least one of the preceding claims 1 to 13, characterized in that the capillary gap (4) between the elements (1) of the capillary gap electrodes (8) is about 200pm. 15. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) der Kapillarspaltelektroden (8) eine Breite (5) von ca. 5mm aufweisen.15. An electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 14, characterized in that the elements (1) of the capillary gap electrodes (8) have a width (5) of about 5mm. 16. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1) jeweils einen hochreaktiven Randbereich (2) mit hoher elektrolytischer Reaktivität aufweisen, dessen Breite im wesentlichen der Breite des Kapillarspaltes (4) entspricht.16. The electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 15, characterized in that the elements (1) each have a highly reactive edge region (2) with high electrolytic reactivity, the width of which corresponds substantially to the width of the capillary gap (4). 17. Elektrolysezelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastransport innerhalb der Kapülarspaltelektroden gerichtet erfolgt.17. An electrolytic cell according to at least one of the preceding claims 1 to 16, characterized in that the gas transport is directed within the Kapülarspaltelektroden. Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle mit Gasbildung an Anode und Kathode für elektrolytisch·} Prozesse, bei denen sich Anolyt und Katholyt vermischen dürfen. Sie ist geeigne·, eine Gastrennung ohne Membran zu gewährleisten und kann zur Elektrolyse von Wasser oder Salzsäure verwendet werden.The invention relates to an electrolytic cell with gas formation at the anode and cathode for electrolytic processes, in which the 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. Es ist seit langem bekannt, zur Trennung der an den Elektroden gebildeten Gase Diaphragmen oder Membranen zu verwenden. Diese Trennelemente besitzen einen verhältnismäßig großen Ohrn'schen 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 Ohrn'schen resistance, so that the gas separation is bought by a high energy expenditure. Es wird weiterhin angestrebt, eine möglichst gleichmäßig und fein strukturierte Elektrodenoborfläche zu realisieren, damit die Voraussetzungen für sin homogenes elektrisches Feld gegeben sind. Unstetigkeiten, wie z. B. Kanten, führen zu Fuldstärkeerhöhungon 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 as possible and finely structured Elektrodenoborfläche, so that the conditions are given for sin homogeneous electric field. Discontinuities, such. B. edges, lead to Fuldstärkeerhöhungon 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 Gewährleistung 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 Elektrodenelernento mit großer Dicke einen hohen Berührungsdruck auf die Membran ausübon 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 Stromverteilern getragene, parallel angeordnete Profilstäbe, deren Querschnitt kreisförmig, elliptisch, tropfenförmig oder rechteckig ist (DE-OS 3008116, DE-OS 3325187, DE-PS 3519272, DE-OS 3519573). Aber auch U-förmige, in Abständen aneinandergereihte Schienen sind gemäß der DE-AS 1 271093 sowie der DE-OS 2445579, die Elektrodenelemetiie mit einem Abstand von z.B. 4mm aufweisen, bekannt.Essential for ensuring 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 Elektrodenelernento large thickness ausübon 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 significantly. Two important basic types of gas-generating metallic electrodes are known: On the one hand used by power distributors, parallel arranged profile bars whose cross-section is circular, elliptical, teardrop or rectangular (DE-OS 3008116, DE-OS 3325187, DE-PS 3519272, DE-OS 3519573). But also U-shaped, lined up at intervals rails are according to DE-AS 1 271093 and DE-OS 2445579, the Elektrodenememetiie with a distance of e.g. 4mm, known. Zum anderen sind perforierte Bieche mit vertikal und horizontal verlaufenden Schlitzen, mit bezüglich der Elektrodenobone abgewinkelten oder tiefgezogenen Segmenten, Lochblecholektroden und Gittorstreckmetallelektroden bekannt (DDPS 250026, DE-OS 3625506, DE-OS 2735238).On the other hand, perforated bents with vertically and horizontally extending slots, with respect to the Elektrodenobone angled or deep-drawn segments, Lochblecholektroden and Gittorstreckmetallektroden known (DDPS 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 Unstetigkeilsstellen eine Oberbeanspruchung 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 of the catalytic coating by avoiding discontinuities, this is done by accepting the disadvantages due to the nonuniform distances of the electrode surfaces caused by the radius. Die DE-OS 3519272 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. Dcmit 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 katalytischen Beschichtung zu rechnen ist. Hie gewählte Form des Trägers der Elektrodenelemente, 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 3519272 discloses an electrode structure using a plurality of parallel 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. With 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 ähnliche 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 verursachen. Eine Elektrodenanordnung mit einer Vielzahl dünner, blattartiger Elektrodenelemente, die eng benachbart zueinander angeordnet und an ihrer Rückseite zur Befestigung an Trag- und Stromführungselementen gefalzt sind, ist aus der GB-PS128436 bekannt. Bei einer solchen Elektrode bereitet allerdings die hinreichende Gasabfuhr und ein erwünschter Elektrolytaustausch Schwierigkeiten.One of the above-described electrode structure 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. An electrode assembly having a plurality of thin, sheet-like electrode elements, which are arranged closely adjacent to each other and folded at its rear side for attachment to support and current-carrying elements, is known from GB-PS128436. In such an electrode, however, prepares the sufficient gas removal and a desired electrolyte exchange difficulties. Als Vortreter des zweiten Grundtyps gasentwickelnder metallischer Elektroden ist in der DE-OS 2 735 238 eine Elektrode mit vertikalen jalousieartigen Elementen, die durch Herauspressen aus einem Blech erzeugt werden, beschrieben. Diese Elektrodenstruktur verursacht erheblich Feldstärkeunterschiede und damit stark unterschiedliche Belastungen der Elektrodenfläche. An dem der Membran zugewandten Kanten der jalousieartigen Elemente ist ein erhöhter Verschleiß der elektrolytischen Schicht zu erwarten.As a forerunner of the second basic type of gas-generating metallic electrodes, DE-OS 2 735 238 describes an electrode with vertical louver-like elements which are produced by pressing out of a metal sheet. This electrode structure causes considerable field strength differences and thus greatly different loads on the electrode surface. 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.