DD285127A5 - Elektrodenelement einer Elektrode für gasentwickelnde elektrolytischeProzesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektrodenelemente, die zur Herstellung von Elektroden fuer gasentwickelnde elektrolytische Prozesse geeignet sind. Die Elektroden aus parallel zueinander angeordneten Elektrodenelementen sind dadurch gekennzeichnet, dasz die Elektrodenelemente (1) Lamellen, Baender, Folien oder dgl. mit einer Dicke (6) bis zum 3fachen des mittleren Blasenabloesedurchmessers sind, dasz die Oberflaechen der Elektrodenelemente (1) Profilierungen (2, 3, 4) tragen, deren Hoehe zwischen benachbarten Elektrodenelementen (1) einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt (4) fixiert, und dasz die Breite (5) der Elektrodenelemente (1) mindestens das 10fache des Spaltes (4) betraegt. Fig. 3{Elektrodenelement; Elektrolyse; Gasentwicklung; parallele Elemente; Spalt; Kapillareffekt; Profilierung}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Elektrodenelemente, die zur Herstellung von Elektroden für gasentwickelnde elektrolytische Prozesse geeignet sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Für die Produktion verschiedener wichtiger chemischer Grundstoffe, wie Natronlauge, Chlor, Wasserstoff oder Wasserstoffperoxid, sind gasentwickelnde elektrolytische Prozesse von herausragender Bedeutung. Die bei der Elektrolyse von alkalischen Lösungen, Wasser, Salz- bzw. Schwefelsäure zu verwendenden Elektroden müssen einer Vielzahl von zum Teil gegensätzlich wirkenden Gebrauchsparametern entsprechen. Ein sehr wesentliches Erfordernis besteht in der schnellen Abfuhr des entwickelten Gases aus dem Raum zwischen Anode und Kathode jenseits dieser Elektroden, um einen großen, den elektrischen Widerstand des Elektrolyten erhöhenden Gasanteil zu vermeiden. Dies steht aber dem Bestreben entgegen, die zur Verfügung stehende Konstruktionsfläche maximal für eine elektrochemisch wirkende Elektrodenfläche wirksam zu nutzen. 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 Seschichtung (sogenannte Coating) verursacht.

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 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 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 1271093 bekannt.

Zum anderen sind perforierte Bleche mit vertikal und horizontal verlaufenden Schlitzen, mit bezüglich der Elektrodenebene abgewinkelten oder tiefgezogenen Segmenten, Lochblochelektroden und Gitterstreckmetallelektroden bekannt (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 Gasblasenbedeckungsgiad 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 oder Überbeanspruchung der katalytischen Beschichtung, jedoch geschieht dies durch Inkaufnahme der Nachteile infolge der radiusbodingten ungleichmäßigen Abstände der Elektrodenflächon.

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. 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 katalytischen Beschichtung zu rechnen ist. Die 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.

Eine der voran beschriebenen Elektrodenstruktur sehr ähnliche ist die in DE-OS 3519 573 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 Verfugung stehende reaktive Fläche nur noch etwa 10% der Membranfläche. Die Stege können, bedingt durch Relativbewegungen zwischen Elektrode und Membran, lokale Beschädigungen der Membran verursachen.

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 Belastungen der Elektrodenfläche. An den der Membran zugewandten Kanten der jalousieartigen Elemente ist ein erhöhter Verschleiß der elektrolytischen Schicht zu erwarten.

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 Belastungen der Membran.

Die DE-OS 3625 506 offenbart eine Elektrode mit einer Anzahl im wesentlichen waagerechter, rechteckiger Öffnungen, denen Brücken- oder Fahnenteile zugeordnet sind.

Auch diese Elektrode kann die Ausbildung eines relativ großen Gasblasenanteils im Raum zwischen der Elektrode und der Membran nicht verhindern·.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung von Elektrodenelementen für Elektroden in gaserzeugenden elektrolytischen Zellen, die eine kostengünstige Produktion und verbesserte Leistungsparameter der Elektroden gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektrodenelemente für Elektroden gaserzeugender elektrolytischer Prozesse zu entwickeln, die die Herstellung gleichmäßig feingliedriger Elektrodenstrukturen erlauben. Ein gerichteter Gasblasentransport der Elektrodenstruktur soll die Gasblasenbelastung im Elektrolyten des Reaktionsraumes erheblich verringern. Die Elektrodenelemente sollen eine einfache und variable Positionierung zueinander ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Elektrodenelemente Lamellen, Bänder, Folien oder dergleichen mit einer Dicke bis zum 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers verwendet werden. Zwischen den parallel zueinander angeordneten Elektrodenelementen besteht ein den Kapillareffekt hervorrufender Spalt. Er ist durch Profilierungen entsprechender Höhe fixiert, die von den Oberflächen der Elektrodenelemente getragen werden. Die Breite der Elektrodenelemente beträgt mindestens das 10fache der realisierten Kapillarspaltbreite.

Zur Gewährleistung einer gerichteten Gasabfuhr aus dem Reaktionsraum in den Entgasungsraum besitzen die Elektrodenelemente Profilierungen mit vorzugsweise quer zur Flektrodenebene verlaufender Struktur. Sie gewährleisten, daß das Gas auf dem kürzesten Wege in den Entgasungsraum gelangen kann und so keine nennenswerte Erhöhung des ohmschen Widerstandes des Elektrolyttn -m Reaktionsraum verursacht.

Die Elektrodenelemente können einseitig oder beidseitig die erfindungsgemäße Profilierung tragen. Bei der zuerst genannten Variante liegen die Elektrodenelbtiente bezüglich ihrer Profilierungen gleichgerichtet aneinander. Im anderen Fall ist die wechselweise Anordnung von prorlierten und glatten, d. h. nicht profilierten, Elektrodenelementen sinnvoll. Es kann jedoch zur Erzielung eines Kapillarspaltes, der breiter als die Höhe der stegartigen Profilierungen ist, erforderlich sein, ausschließlich beidseitig mit Profilierungen versehene Elektrodenelemente zu verwenden. Damit die Profilierungen sicher aufeinanderstehen, sind diesa bezüglich der Oberflächen eines Elektrodenelementes mit unterschiedlicher Neigung gegenüber durch Längsachse auszuführen.

Die Profilierungen können auch Strukturen aufweisen, die lediglich als lokale, nicht richtungsspezifische Erhebungen anzusehen sind und z. B. noppen- oder warzenartig ausgebildet sind.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren näher erläutert. Es stellen dar

Fig. 1: zwei Kapillarspaltelektroden mit zwischenliegendem Trennelement

Fig. 2: maßstabgetreue Vergrößerung eines Ausschnittes einer Kapillarspaltelektrode (M: etwa 10:1)

Fig.3: Elektrodenelement mit horizontal verlaufenden stegartigen Profilierungen (einseitig)

Fig.4: Elektrodenelement mit im wesentlichen horizontal verlaufenden stegartigen Profilierungen (beidseitig)

Fig.5: Elektrodenelement mit lokalen (richtungsindifferenten) Profilierungen.

Die erfindungsgemäßen Elektrodenelemente 1 umfassen nicht nur die in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Varianten einseitiger oder beidseitiger, gerichteter oder richtungsindifferenter Profilstrukturon. Sie umfassen alle profilierten Elektrodenelemente 1 aus dünnen Lamellen, Bändern, Folien oder dergleichen, die in einer zur Elektrode 8 zusammengefaßten, geordneten Packung

zwischen benachbarten Elektrodenelementen 1 einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt 4 fixieren und den Gastransport quer zur Elektrodenebene ermöglichen bzw. gewährleisten. Hierbei weisen die Elektrodenelemente 1 eine Dicke 6 bis zum 3fachen des Blasenablösedurchmessers und eine Breite 5 von mindestens dem tOfachen des Kapillarspaltes 4 auf.

Figur 1 zeigt zwei Kapillarspaltelektroden 8 als Kathode und Anode mit zwischenliegendem Trennelement 7 (z. B. Membran) im sogenannten Null-Abstand. Die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur erlaubt großflächig einen konstanten und geringen Elektrodenabstand, welcher der Dicke des Trennelements 7 entspricht. Die Anschmiegsamkeit der Kapillarspaltelektrode gewährleistet darüber hinaus eine gleichmäßige Druckverteilung über das Trennelement 7, was nicht nur dessen Beschädigung verhindert, sondern auch den lonensirom bzw. den Elektrolytstrom nicht beeinträchtigt. Der Raum, der sich an die Elektrodenfläche anschließt, welche dem Trennelement 7 abgewandt ist, dient als Entgasungsraum für den Elektrolyten.

Figur 2 zeigt einen maßstäblich vergrößerten Ausschnitt der Kapillarspaltelektrode.

Während das in Figur 3 abgebildete Elektrodenelement 1 horizontal verlaufende stegartige Profilierungen 2 auf nur einer Seite besitzt, sind auf dem Elektrodenelement 1 gemäß Figur 4 stagartige Profilierungen 3 beidseitig angeordnet. Die Profilierungen 3 mit der Achse 9 der einen Seite verlaufen zu den Profilierungen 3 mit der Achse 10 der anderen Seite des selben Elektrodenelemenes 1 nicht parallel. Dadurch ist es möglich, den Kapillarspalt 4zwischen benachbarten Elektrodenelementen 1 zu verdoppeln. Die sich kreuzenden Profilierungen 3 besitzen Punktberührung. Es ist aber auch eine wechselweise Anordnung von beidseitig profilierten Elektrodenelementen 1 mit glatten, unprofilierten Elektrodenelementen möglich. Figur 5 zeigt richtungsindifferente, warzenartige Profilierungen 4, die ein- oder beidseitig des Elektrodenelementes angeordnet sein können.

Die Erzeugung der Profilierungen 2,3,4 kann durch Prägewerkzeuge erfolgen. Besonders wirtschaftlich ist die Herstellung von Elektrodenelementen 1 nach dem Schmelzspinnverfahren zu glasmetallischen Folienbändern. Sie besitzen meistens eine Dicke 6 von 20pm bis 100μιη und eine Breite von etwa 5mm. Zur Erzeugung der gewünschten Profilierungen 2,4 wird die Oberfläche der Walze entsprechend präpariert.

Elektroden aus den erfindungsgemäßen Elektrodenelementen bilden in dichter Packung ein gas- und flüssigkeitsdurchlässiges, mechanisch hochbelastbares und dennoch an eine ebene Fläche vollständig anschmiegbares Gebilde. An diese Fläche müssen keine hohen Anforderungen hinsichtlich Ebenheit, Verwerfung o.a. gestellt werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrodenelemente bestehen darin, daß sich diese ohne separate Abstandshalter zu dichten, fein und gleichmäßig strukturierten Packungen zusammenfügen lassen. Der Kapillarspalt zwischen benachbarten Elektrodenelementen, fixiert durch ihre Profilierungen, gewährleistet einen gerichteten Gastransport und einen intensiven Elektrolytaustausch.

Claims (4)

1. Elektrodenelemente einer Elektrode für gasentwickelnde elektrolytische Prozesse, die parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (1) Lameiler:, Bänder, Folien oder dergleichen mit einer Dicke (6) bis zum 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers sind, daß die Oberflächen der Elektrodenelemente (1) Profilierungen (2,3,4) tragen, deren Höhe zwischen benachbarten Elektrodanelementen (1) einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt (4) fixiert, und daß die Breite (5) der Elektrodenelemente (1) mindestens das 10fache des Spaltes (4) beträgt.

2. Elektrodenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen (2,3) eine stegartige, quer zur Ebene der Elektrode (8) verlaufende Struktur besitzen.

3. Elektrodenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (4) eine noppen- oder warzenartige Struktur besitzt.

4. Elektrodenelemente nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen (2, 3, 4) beidseitig der Elektrodenelemente (1) angeordnet sind.