DD285127B5 - Elektrodenelement einer Elektrode fuer gasentwickelnde elektrolytische Prozesse - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Elektrodenelement zur Bildung von Elektroden, die fur gasentwickelnde elektrolytische Prozesse geeignet sind und aus einer Mehrzahl, im wesentlichen parallel zueinander angeordneter Elektrodenelemente bestehen Fur 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 Losungen, Wasser, Salz- bzw Schwefelsaure 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 Verfugung stehende Konstruktionsflache maximal fur eine elektrochemisch wirkende Elektrodenflache wirksam zu nutzen Es wird weiterhin angestrebt, eine möglichst gleichmäßig und fein strukturierte Elektrodenoberflache zu realisieren, damit die Voraussetzungen fur ein homogenes elektrisches Feld gegeben sind Unstetigkeiten, wie ζ B Kanten, fuhren zu Feldstarkeerhohungen und damit zu einer ungleichmäßigen Elektrodenbelastung, die nicht nur energetische Verluste, sondern auch einen vorzeitigen Verschleiß des Elektrodenmaterial bzw der elektrokatalytischen Beschichtung (Coating) verursacht Wesentlich fur 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 Beruhrungsdruck 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 Profilstabe, deren Querschnitt kreisförmig, elliptisch, tropfenformig oder rechteckig ist (DE-OS 3 008 116, DE-OS 3 325 187, DE-PS 3 519 272, DE-OS 3 519 573) Aber auch U-formige in Abstanden aneinandergereihte Schienen sind gemäß der DE-AS 1 271 093 sowie der DE-OS 2 445 579, die Elektrodenelemente mit einem Abstand von ζ B 4 mm aufweist, bekannt

Zum anderen sind perforierte Bleche mit vertikal und horizontal verlaufenden Schlitzen, mit bezüglich der Elektrodenebene abgewinkelten oder tiefgezogenen Segmenten, Lochblechelektroden und Gitterstreckmetallelektroden bekannt (DD-PS 250 026, DE-OS 3 625 506, DE-OS 2 735 238)

Vertreter des erstgenannten Grundtyps verwenden parallel angeordnete Elemente, die mit Stromverteilerschienen fest verbunden sind und einen tropfenformigen Querschnitt (DE OS 3 325 187) bzw einen annähernd kreisförmigen Querschnitt (DE-OS 3 008 116) aufweisen Der kreisförmige Querschnitt wurde durch Abtrennen von Segmenten, die in der Elektrodenebene liegen, modifiziert. Beide Elektroden sollen vorzugsweise fur die Chloralkalielektrolyse in Amalgamzellen Anwendung finden Nachteilig ist, daß die Elektroden keinen wesentlich verringerten Gasblasenbedeckungsgrad aufweisen Der Abtransport des Gases erfolgt ausschließlich durch die Fluidstromung 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 Uberbeanspruchung der katalytischen Beschichtung, jedoch geschieht dies durch Inkaufnahme der Nachteile infolge der radiusbedingten ungleichmäßigen Abstande der Elektrodenflachen

Die DE-OS 3 519 272 offenbart eine Elektrodenstruktur, die eine Vielzahl parallel angeordneter Elemente mit rechteckigem Querschnitt verwendet Em plattenförmiger Trager 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 Spart zwischen benachbarten Elementen vorgesehen Dies fuhrt zu einer relativ geringen Ausnutzung der zur Verfugung stehenden Konstruktionsflache 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 Tragers der Elektrodenelemente, der gleichzeitig Stromverteiler ist, verhindert die Konzentration des Gases im Raum jenseits der reaktiven Elektrodenflache Infolgedessen kommt es zu einem hohen Gasanteil im Bereich der Reaktionsflache verbunden mit erhöhten elektrischen Verlusten

Eine der voran beschriebenen Elektrodenstruktur sehr ahnliche ist die in der DE-OS 3 519 573 offenbarte Elektrode Sie besteht gleichfalls aus parallel auf einem Stromverteiler angeordneten Elementen rechteckigen Querschnitts, deren Abstand zueinander einige Millimeter betragt 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 betragt die zur Verfugung stehende reaktive Flache nur noch etwa 10 % der Membranflache Die Stege können, bedingt durch Relativbewegungen zwischen Elektrode und Membran, lokale Beschädigungen der Membran verursachen

Aus der DE-OS 2 148 337 ist eine bipolare Mehrfach-Elektrolyse-Zelle bekannt, die in Reihenanordnung eine Vielzahl von profilierten Elektroden aufweist, die sich an dem jeweils zwischen zwei benachbarten Elektroden angeordneten Diaphragma abstutzen Eine solche Losung mit integralen Metallelektroden, die profiliert sind, fuhrt allerdings nicht zu dem gewünschten, geringen Elektrodenabstand und fuhrt zu einem verhältnismäßig niedrigen Flachenumsatz, der den Forderungen nach hoher elektrolytischer Effizienz bei hoher Packungsdichte nicht gerecht wird

Eine Elektrodenanordnung mit einer Vielzahl dunner, blattartiger Elektrodenelemente, die eng benachbart zueinander angeordnet und an ihrer Ruckseite zur Befestigung an Trag- und Stromfuhrungselementen gefalzt sind, ist aus der GB-PS 128 436 bekannt Bei einer solchen Elektrode bereitet allerdings die hinreichende Gasabfuhr und ein erwünschter Elektrolytaustausch Schwierigkeiten

Als Vertreter 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 erhebliche Feldstarkeunterschiede und damit stark unterschiedliche Belastungen der Elektrodenflache 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 250 026 beschrieben worden Das sehr scharfkantig ausgebildete Jalousieende verursacht eine starke Feldstarkeuberhohung sowie eine erhebliche mechanische und thermische Belastung der Membran

Die DE-OS 3 625 506 offenbart eine Elektrode mit einer Anzahl im wesentlichen waagerechter, rechteckiger Offnungen, 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

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodenelement zu schaffen, das die Gestaltung von Elektroden der eingangs genannten Art ermöglicht, so daß die kostengünstige Herstellung von Elektroden mit verbesserten Leistungsparametern und einem feingliedrigen Aufbau erreichbar ist

Diese Aufgabe wird bei einem Elektrodenelement der eingangs genannten Art erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß das Elektrodenelement zur Bildung eines einen Kapillareffekt hervorrufenden und einen Gastransport gestattenden Kapillarspaltes zu einem benachbarten Elektrodenelement zumindest teilweise eine Profiherung aufweist Vorzugsweise verlaufen die stegartigen Profilierungen des Elektrodenelementes quer oder geneigt zu einer Langsachse des Elektrodenelementes

Nach einer anderen bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Profilierungen richtungsindifferent hinsichtlich des Gastransportes durch bzw aus der Elektrode zwischen benachbarten Elektrodenelementen Das erfindungsgemaße Elektrodenelement gestattet die Ausbildung von sogenannten Kapillarspaltelektroden, wobei die Profilierungen der benachbarten Elektrodenelemente der Fixierung eines einen Kapillareffekt hervorrufenden Kapillarspaltes zwischen den benachbarten Elektrodenelementen der Elektrode dienen Durch die Elektrodenetemente kann ein gerichteter Gasblasentransport innerhalb der Elektrodenstruktur erfolgen, so daß die Gasblasenbelastung im Elektrolyten des Reaktionsraumes erheblich verringert wird und die Elektrodenelemente zueinander in einer einfachen und variablen Positionierung zur Bildung der Elektrode angeordnet werden können

Vorzugsweise ist das Elektrodenelement eine dünne Lamelle, ein dünnes Band, eine dünne Folie oder dergleichen mit einer Dicke bis zum Dreifachen eines mittleren Gasblasen-Ablösedurchmessers, d. h. des Durchmessers einer Gasblase, die sich unter den gegebenen Elektrolysebedingungen bildet und von dem Elektrodenelement ablöst.

Der zwischen den parallel zueinander angeordneten Elektrodenelementen bestehende, den Kapillareffekt hervorrufende Kapillarspalt ist durch die erfindungsgemäßen Profilierungen entsprechender Höhe fixiert, die sich auf den Oberflächen der Elektrodenelemente befinden.

Vorzugsweise beträgt die Breite des Elektrodenelementes bzw. der miteinander zur Bildung der Elektrode angeordneten Elektrodenelemente zumindest das Zehnfache der realisierten Weite des Kapillarspaltes (Abstand zweier Elektrodenelemente). Bei Verwendung einer vorzugsweise quer zur Elektrodenebene (quer zur Längsrichtung des Elektrodenelementes) verlaufenden Anordnung stegartiger Profilierungen kann eine gerichtete Gasabfuhr aus dem Reaktionsraum in einen Entgasungsraum erreicht werden. Solche Profilierungen gewährleisten, daß das Reaktionsgas auf dem kürzesten Wege in den Entgasungsraum gelangen kann und so keine nennenswerte Erhöhung des Ohmschen Widerstandes des Elektrolyten im Reaktionsraum verursacht wird.

Vorzugsweise kann das Elektrodenelement bzw. können die Elektrodenelemente Profilierungen einseitig oder beidseitig aufweisen. Bei einseitiger Profilierung liegen benachbarte Elektrodenelemente bezüglich ihrer Profilierungen gleichgerichtet aneinander. Bei vorzugsweise beidseitiger Profilierung ist es vorteilhaft, eine wechselweise Anordnung von profilierten und glatten, d. h. nichtprofilierten Elektrodenelementen vorzusehen. Es kann jedoch zur Erzielung eines breiteren Kapillarspaltes, d. h. eines Kapillarspaltes der breiter ist als die Höhe der Profilierungen auf einer Seite des Elektrodenelementes, erforderlich sein, ausschließlich Elektrodenelemente zu verwenden, die beidseitig mit Profilierungen versehen sind. Damit in einem solchen Fall die Profilierungen benachbarter Elektrodenelemente sich zuverlässig aufeinander abstützen, ist es vorteilhaft, wenn die Profilierungen, insbesondere stegartige Profilierungen, auf beiden Seiten bzw. Oberflächen des Elektrodenelementes mit unterschiedlicher Neigung gegenüber der Längsachse des Elektrodenelementes ausgeführt werden. Nach noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Profilierungen auch Strukturen aufweisen, die lediglich als lokale, hinsichtlich des Gastransportes nicht richtungsspezifische Erhebungen anzusehen und z. B. noppen- oder warzenartig ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen

Fig. 1: zwei Kapillarspaltelektroden mit zwischenliegendem Trennelement

Fig. 2: eine maßstabsgetreue Vergrößerung eines Ausschnittes einer Kapillarspaltelektrode (Maßstab ca. 10:1) Fig. 3: ein Elektrodenelement der Kapillarspaltelektrode nach Fig. 1 und 2 mit horizontal verlaufenden, stegartigen

Profilierungen (einseitig) Fig. 4: ein Elektrodenelement nach einer weiteren Ausführungsform mit im wesentlichen horizontal und geneigt

verlaufenden, stegartigen Profilierungen (beidseitig), und Fig. 5: ein Elektrodenelement mit lokalen (richtungsindifferenten) Profilierungen.

Die Figuren 3 bis 5 zeigen Elektrodenelemente 1 verschiedener Ausführungsformen, aus denen sogenannte Kapillarspaltelektroden gebildet sind, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind.

Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht nur auf die in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele für die Profilierungsausbildung der Elektrodenelemente mit einseitigen, beidseitigen, gerichteten oder richtungsindifferenten Profilstrukturen, vielmehr umfaßt die Erfindung alle profilierten Elektrodenelemente 1 aus dünnen Lamellen, Bändern, Folien oder dergleichen, die in einer zu einer Elektrode 8 zusammengefaßten, geordneten Packung zwischen benachbarten Elektrodenelementen 1 einen Spalt 4 fixieren, der einen Kapillareffekt hervorruft und einen gerichteten Gastransport durch die Elektrode, bevorzugt quer zur Elektrodenebene ermöglicht bzw. gewährleistet.

Die Elektrodenelemente 1 weisen eine Dicke 6 bis zum Dreifachen eines mittleren Gasblasen-Ablösedurchmessers, d. h. eines Durchmessers einer Gasblase, die sich unter den gegebenen Elektrolysebedingungen von dem Elektrodenelement 1 ablöst, auf und besitzen eine Breite 5 von zumindest dem Zehnfachen des Kapillarspaltes 4, d. h. des Spaltes, der durch die nachfolgend noch genauer erläuterten Profilierungen zwischen benachbarten Elektrodenelementen 1 gebildet wird. Fig. 1 zeigt zwei Kapillarspaltelektroden 8 als Kathode und Anode mit zwischenliegendem Trennelement 7, z. B. einer Membran, im sogenannten Nullabstand, d. h. die Kapillarspaltelektroden 8 liegen an dem Trennelement 7 an. Die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur erlaubt großflächig einen konstanten und geringen Elektrodenabstand, der der Dicke des Trennelementes 7 entspricht. Die Anschmiegsamkeit derartiger aus den erfindungsgemäßen Elektrodenelementen gebildeten Kapillarspaltelektroden 8 gewährleistet darüber hinaus eine gleichmäßige Druckverteilung über das Trennelement 7, wobei dies nicht nur Beschädigungen des Trennelementes 7 verhindert, sondern auch Beeinträchtigungen des lonenstromes bzw. Elektrolytstromes vermeidet. Der Raum, der sich an die vom Trennelement 7 abgewandte Elektrodenfläche anschließt, dient als Entgasungsraum für den Elektrolyten.

Fig. 2 zeigt einen maßstäblich vergrößerten Ausschnitt der Kapillarspaltelektrode 8 mit den parallel angeordneten Elektrodenelementen 1, zwischen denen der Kapillarspalt 4 belassen ist.

Wie bereits eingangs erläutert, zeigen die Fig. 3 bis 5 verschiedene Ausführungsformen von Elektrodenelementen zur zumindest teilweisen Bildung der Kapillarspaltelektrode, die aber auch nichtprofilierte Elektrodenelemente 1 enthalten kann. Während das in Fig. 3 abgebildete Elektrodenelement 1 horizontal verlaufende, stegartige Profilierungen 2 auf nur einer Seite besitzt, sind bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 stegartige Profilierungen 3 beidseitig auf dem Elektrodenelement 1 angeordnet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 verlaufen die Profilierungen 3 der in Fig. 4 rechten Seite entlang einer Achse 9, die geneigt zu einer Achse 10 verläuft, welche die Längsachse der Profilierungen 3 der anderen Seite des Elektrodenelementes 1 bezeichnet. Dadurch, daß die Profilierungen 3 beider Seiten des Elektrodenelementes 1 nach Fig. 4 nicht parallel zueinander, sondern entlang der einen spitzen Winkel zueinander einschließenden Achsen 9 und 10 verlaufen,

ist es möglich, den Kapillarspalt 4 zwischen benachbarten Elektrodenelementen 1 zu verdoppeln. Die dann aufeinanderliegender sich kreuzenden Profilierungen 3 benachbarter Elektrodenelemente 1 besitzen Punktberührung. Es ist aber auch eine alternierende Anordnung von beidseitig profilierten Elektrodenelementen 1 mit glatten, nicht profilierten Elektrodenelementen möglich.

Die Ausführungsform nach Fig. 5 zeigt ein Elektrodenelement 1 mit hinsichtlich von Fluidströmungen richtungsindifferenten, noppen- oder warzenartigen Profilierungen 4, die ein- oder beidseitig auf dem Elektrodenelement 1 angeordnet sein bzw. ausgebildet 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 zumeist eine Dicke 6 von 20 μπι bis 100 μΓη und eine Breite von ca. 5 mm. Zur Erzeugung der gewünschten Profilierungen wird die Oberfläche der Walze entsprechend präpariert.

Kapillarspaltelektroden aus den erfindungsgemäßen Elektrodenelementen 1 bilden in dichter Packung ein gas- und flüssigkeitsdurchlässiges, mechanisch hoch belastbares und dennoch in einer ebenen Fläche vollständig anschmiegsames Gebilde. An diese Flächen müssen keine hohen Anforderungen hinsichtlich Ebenheit, Verwerfung oder ähnlichem gestellt werden.

Die Vorteile der Elektrodenelemente 1 bestehen darin, daß sich diese ohne separate Abstandshalter zu dichten, fein und gleichmäßig strukturierten Packungen zusammenfügen lassen. Der Kapillarspalt zwischen benachbarten Elektrodenelementen 1, fixiert durch ihre Profilierungen 3,4, 5, gewährleistet einen gerichteten Gastransport und einen intensiven Elektrolytaustausch.

Claims (11)

1. Elektrodenelement zur Bildung einer Elektrode fur gasentwickelnde elektrolytische Prozesse, die aus einer Vielzahl zueinander parallel angeordneter Elektrodenelemente besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenelement (1) zur Bildung eines einen Kapillareffekt hervorrufenden und einen Gastransport gestattenden Kapillarspaltes zu einem benachbarten Elektrodenelement (1) zumindest teilweise eine Profilierung (2,3, 4) aufweist.

2. Elektrodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (2,3) stegartig ist.

3. Elektrodenelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (3) zu einer Längsachse des Elektrodenelementes (1) geneigt verläuft.

4. Elektrodenelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stegartigen Profilierungen (2,3) quer zur Längsrichtung des Elektrodenelementes (1) verlaufen.

5. Elektrodenelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenelement die Profilierungen (2,3, 4) ein- oder beidseitig aufweist.

6. Elektrodenelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen (3) eines beidseitig profilierten Elektrodenelementes (1) unterschiedliche Neigung aufweisen.

7. Elektrodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen (4) richtungsindifferent sind.

8. Elektrodenelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die richtungsindifferenten Profilierungen noppen- oder warzenartige Erhebungen sind, die ein- oder beidseitig an dem Elektrodenelement (1) vorgesehen sind.

9. Elektrodenelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenelement (1) eine dünne Lamelle, ein dünnes Band oder eine dünne Folie ist.

10. Elektrodenelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenelement (1) eine Dicke bis zum Dreifachen eines mittleren Gasblasendurchmessers einer Gasblase, die sich unter den gegebenen Elektrolysebedingungen von dem Elektrodenelement (1) ablost, aufweist.

11. Elektrodenelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Breite (5) des Elektrodenelementes zumindest das Zehnfache des Kapillarspaltes zwischen dem Elektrodenelement (1) und einem benachbarten Elektrodenelement betragt.