DE102019116469B4 - Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell - Google Patents

Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell Download PDF

Info

Publication number
DE102019116469B4
DE102019116469B4 DE102019116469.9A DE102019116469A DE102019116469B4 DE 102019116469 B4 DE102019116469 B4 DE 102019116469B4 DE 102019116469 A DE102019116469 A DE 102019116469A DE 102019116469 B4 DE102019116469 B4 DE 102019116469B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
anode
cathode
contact surface
membrane
electrolysis cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102019116469.9A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102019116469A1 (en
Inventor
Dirk Schulze
Samuel Stucki
Roman Grimmig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innovatec Geraetetechnik GmbH
Original Assignee
Innovatec Geraetetechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innovatec Geraetetechnik GmbH filed Critical Innovatec Geraetetechnik GmbH
Priority to DE102019116469.9A priority Critical patent/DE102019116469B4/en
Publication of DE102019116469A1 publication Critical patent/DE102019116469A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102019116469B4 publication Critical patent/DE102019116469B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4602—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods for prevention or elimination of deposits
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/13—Ozone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46152—Electrodes characterised by the shape or form
    • C02F2001/46157—Perforated or foraminous electrodes
    • C02F2001/46161—Porous electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
    • C02F2201/461—Electrolysis apparatus
    • C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
    • C02F2201/46115—Electrolytic cell with membranes or diaphragms

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Elektrolysezelle (1) zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung, aufweisend zumindest eine Anode (2), zumindest eine Kathode (3) und eine zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordnete Membran (4), die mit der Anode (2) über eine Anodenkontaktfläche (6) und mit der Kathode (4) über eine Kathodenkontaktfläche (7) in Kontakt steht und die die Elektrolysezelle (1) in einen Anodenraum (8), in dem die Anode (2) angeordnet ist, und einen Kathodenraum (9), in dem die Kathode (3) angeordnet ist, unterteilt, wobei die Elektrolysezelle (1) ferner zumindest eine Hilfskathode (10) aufweist, die im Anodenraum (8) angeordnet ist zum Aufbau eines Potentials, um einen lonenfluss zwischen der mit der Membran (4) in Kontakt stehenden Anodenkontaktfläche (6) und der wässrigen Lösung (5) im Anodenraum (8) zu induzieren.Electrolysis cell (1) for the electrolysis of an aqueous solution, having at least one anode (2), at least one cathode (3) and a membrane (4) arranged between the anode (2) and the cathode (3), which is connected to the anode (2 ) is in contact via an anode contact surface (6) and with the cathode (4) via a cathode contact surface (7) and which the electrolytic cell (1) into an anode space (8), in which the anode (2) is arranged, and a cathode space (9), in which the cathode (3) is arranged, subdivided, the electrolysis cell (1) also having at least one auxiliary cathode (10) which is arranged in the anode space (8) to build up a potential to generate an ion flow between the to induce the membrane (4) in contact with the anode contact surface (6) and the aqueous solution (5) in the anode space (8).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung. Sie bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle und auf die Verwendung einer Elektrolysezelle.The present invention relates to an electrolytic cell for the electrolysis of an aqueous solution. It also relates to a method for operating an electrolytic cell and to the use of an electrolytic cell.

Elektrolysezellen sind allgemein bekannt, wozu beispielsweise auf die DE 10 2009 004 031 A1 und die DE 34 01 637 A1 verwiesen wird. Aus der EP 2 914 763 B1 ist eine Elektrolysezelle zur Erzeugung hypochloriger Säure bekannt mit einer Kathode, einer Anode sowie einer im Anodenraum angeordneten Hilfskathode.Electrolytic cells are well known, including, for example, on the DE 10 2009 004 031 A1 and the DE 34 01 637 A1 is referred. From the EP 2 914 763 B1 an electrolysis cell for generating hypochlorous acid is known with a cathode, an anode and an auxiliary cathode arranged in the anode compartment.

Durch Elektrolyse von Wasser können an geeignet ausgeführten Anoden Oxidationsmittel erzeugt und zur oxidativen Behandlung des Wassers bzw. zu dessen Desinfektion eingesetzt werden. Die bei der Elektrolyse von Wasser, z.B. Leitungswasser, an den Elektroden ablaufenden Prozesse sind vorwiegend die Oxidation bzw. die Reduktion von Wasser: An der Anode: H2O → 1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- (1) An der Kathode: 2 H2O + 2 e- → H2 + 20H- (2) By electrolysis of water, oxidizing agents can be generated on suitably designed anodes and used for the oxidative treatment of the water or for its disinfection. The processes that take place on the electrodes during the electrolysis of water, e.g. tap water, are primarily the oxidation or reduction of water: At the anode: H 2 O → 1/2 O 2 + 2 H + + 2 e - (1) At the cathode: 2 H 2 O + 2 e - → H 2 + 20H - (2)

Der Strom wird im Wasser durch die gelösten Ionen transportiert. Bei einem Stromfluss baut sich in der Elektrolysezelle ein pH-Gradient auf (pH < 7 an der Anode, pH > 7 an der Kathode). Der pH-Gradient führt an der alkalischen Kathode zur Ausfällung von ErdalkaliCarbonat und/oder Erdalkali-Hydroxid („Kalkablagerung“). Die Elektrolyse von natürlichem Wasser ist wegen der geringen lonenkonzentrationen und der daraus resultierenden geringen Leitfähigkeit in den praktikablen Stromdichten eingeschränkt.The electricity is transported in the water by the dissolved ions. When a current flows, a pH gradient builds up in the electrolysis cell (pH <7 at the anode, pH> 7 at the cathode). The pH gradient leads to the precipitation of alkaline earth carbonate and / or alkaline earth hydroxide ("calcium deposits") on the alkaline cathode. The electrolysis of natural water is limited in the practicable current densities because of the low ion concentrations and the resulting low conductivity.

Durch den Einsatz einer Kationenaustauschermembran als Elektrolyt (Proton Exchange Membrane = PEM) kann die praktikable Stromdichte einer in Wasser betriebenen Elektrolysezelle um Größenordnungen erhöht und an der Anode Sauerstoff in Form von O2 und/oder O3 erzeugt werden. Die Membran wird dabei von den porösen Elektroden (Anode und Kathode) beidseitig ganzflächig kontaktiert. Die an den Elektroden ablaufenden Prozesse bestehen in dieser Anordnung bei hohen Stromdichten aus:

  • An der Anode, mit einem durch die Aktivität des Anodenmaterials und die Betriebsbedingungen gegebenen Anteil von 10-15% (Rest Sauerstoffentwicklung gemäß (1)): H2O → 1/3 O3 + 2 H+ + 2e-
  • An der Kathode: 2 H+ + 2 e- → H2 (3)
By using a cation exchange membrane as the electrolyte (Proton Exchange Membrane = PEM), the practicable current density of an electrolysis cell operated in water can be increased by orders of magnitude and oxygen in the form of O 2 and / or O 3 can be generated at the anode. The membrane is contacted over its entire surface on both sides by the porous electrodes (anode and cathode). The processes taking place on the electrodes in this arrangement at high current densities consist of:
  • At the anode, with a proportion of 10-15% given by the activity of the anode material and the operating conditions (remainder of the evolution of oxygen according to (1)): H 2 O → 1/3 O 3 + 2 H + + 2e -
  • At the cathode: 2 H + + 2 e - → H 2 (3)

Der Strom wird in der Kationaustauschermembran gemäß Gleichung 1 und 3 durch Protonen (H+) transportiert und ist nicht durch die lonenkonzentration im Wasser limitiert. Durch die Stromleitung mit Protonen, die in der Membran in hoher Konzentration vorliegen, entstehen primär keine pH-Gradienten. Allerdings können, da die Membran mit dem Wasser im chemischen Gleichgewicht steht, im Wasser gelöste Kationen durch lonenaustausch mit Protonen in die Membran gelangen und dort akkumulieren. Auch wenn der Anteil des durch gelöste Kationen in einer Membranzelle transportierten Stroms weit weniger als ein Prozent ausmacht, können diese das Verhalten der Zelle erheblich beeinflussen. An der Anode austauschende Kationen erzeugen lokal einen Protonenüberschuss (=Ansäuerung), wie in der Zelle ohne Membran. Thermodynamisch ist die Entladung von Protonen zu Wasserstoff an der Kathode die bevorzugte Reaktion; die in die Membran gelangten Metallkationen akkumulieren deshalb in Kathodennähe und können nach Erreichen einer Grenzkonzentration in der Membran an der Kathode zur Bildung von Hydroxiden führen gemäß Reaktion (2). Der Betrieb von solchen bekannten Zellen ist eingeschränkt durch die Gegenwart von im Wasser gelösten Härtebildnern, wie zum Beispiel Ca2+- und Mg2+-lonen in der Form gelöster Hydrogencarbonate. Die Härtebildner scheiden sich an der Kathode als Carbonat und/oder Hydroxid ab und führen damit zu Deckschichten, welche den Ohm'schen Widerstand der Elektrolysezelle erhöhen und die wirtschaftlich praktikablen Betriebszeiten von solchen Zellen in natürlichem Wasser auf wenige Stunden begrenzen.The current is transported in the cation exchange membrane according to equations 1 and 3 by protons (H + ) and is not limited by the ion concentration in the water. Due to the current conduction with protons, which are present in high concentrations in the membrane, there are primarily no pH gradients. However, since the membrane is in chemical equilibrium with the water, cations dissolved in the water can get into the membrane through ion exchange with protons and accumulate there. Even if the proportion of the current transported by dissolved cations in a membrane cell is far less than one percent, this can have a considerable influence on the behavior of the cell. Cations that exchange at the anode generate a local excess of protons (= acidification), as in the cell without a membrane. Thermodynamically, the discharge of protons to hydrogen at the cathode is the preferred reaction; the metal cations that have entered the membrane therefore accumulate in the vicinity of the cathode and, after reaching a limit concentration in the membrane, can lead to the formation of hydroxides at the cathode according to reaction (2). The operation of such known cells is restricted by the presence of hardness components dissolved in the water, such as, for example, Ca 2+ and Mg 2+ ions in the form of dissolved hydrogen carbonates. The hardness builders are deposited on the cathode as carbonate and / or hydroxide and thus lead to cover layers which increase the ohmic resistance of the electrolysis cell and limit the economically feasible operating times of such cells in natural water to a few hours.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um solche Elektrolysezellen in hartem Wasser (also mit einer großen Menge gelöster Härtebildner) trotzdem wirtschaftlich betreiben zu können. Aus der Druckschrift WO 2012/159 206 A1 ist bekannt, durch Umpolen der Zelle kathodisch gebildete Ablagerungen aufzulösen. Die hierfür zu verwendenden Elektroden sind in ihrer Herstellung jedoch sehr teuer und es sind nachteilig vergleichsweise große Elektrodenflächen erforderlich. Alternativ ist es bekannt, einen Teilstrom des zu behandelnden Wassers mittels gängiger Enthärter zu enthärten, was aber betriebs- und wartungstechnisch sehr aufwändig ist.Various measures are known from the prior art in order to be able to operate such electrolysis cells in hard water (that is to say with a large amount of dissolved hardness components) nevertheless economically. From the pamphlet WO 2012/159 206 A1 it is known to dissolve deposits formed cathodically by reversing the polarity of the cell. The electrodes to be used for this purpose are, however, very expensive to produce and, disadvantageously, comparatively large electrode areas are required. Alternatively, it is known to soften a partial flow of the water to be treated using common softeners, but this is very expensive in terms of operation and maintenance.

Die DE 10 2015 111 103 A1 offenbart eine Elektrolysezelle mit einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Membran, deren der Kathode zugewandte Oberfläche größer als eine Kathodenkontaktfläche ist, an der die Membran mit der Kathode in Kontakt steht, wobei die Elektrolysezelle kathodisch polarisierte, mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Flächen aufweist, um Härtebildner abzuführen und eine Selbstreinigungsfunktion der Elektrolysezelle zu erzielen.The DE 10 2015 111 103 A1 discloses an electrolysis cell with a membrane arranged between anode and cathode, the surface of which facing the cathode is larger than a cathode contact area at which the membrane is in contact with the cathode, the electrolysis cell having cathodically polarized areas in contact with the electrolyte Remove hardness builders and achieve a self-cleaning function of the electrolysis cell.

Die bekannten Lösungsversuche sind vergleichsweise aufwändig und wenig effizient. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und bei der insbesondere die Bildung einer Sperrschicht auf der Kathode verhindert werden kann, so dass die Elektrolysezelle auch bei hartem Wasser bzw. bei der Anwesenheit von großen Mengen von Härtebildnern betrieben werden kann und somit zuverlässig über längere Zeiträume in natürlichem Wasser verwendet werden kann.The known attempted solutions are comparatively complex and inefficient. It is Therefore, it is an object of the present invention to provide an electrolytic cell which does not have the disadvantages of the prior art and in which, in particular, the formation of a barrier layer on the cathode can be prevented, so that the electrolytic cell can also be used in hard water or in the The presence of large amounts of hardeners can be operated and can therefore be used reliably over long periods of time in natural water.

Diese Aufgabe wird durch die Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the electrolysis cell according to claim 1. Further developments and advantageous configurations are the subject of the subclaims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Elektrolysezelle zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung angegeben, aufweisend zumindest eine Anode, zumindest eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran, die mit der Anode über eine Anodenkontaktfläche und mit der Kathode über eine Kathodenkontaktfläche in Kontakt steht und die die Elektrolysezelle in einen Anodenraum, in dem die Anode angeordnet ist, und einen Kathodenraum, in dem die Kathode angeordnet ist, unterteilt. Dabei dient die Membran, bei der es sich insbesondere um eine Kationen leitende Polymermembran handeln kann, als erster Elektrolyt.According to one aspect of the invention, an electrolytic cell for the electrolysis of an aqueous solution is specified, having at least one anode, at least one cathode and a membrane arranged between the anode and the cathode, which is in contact with the anode via an anode contact surface and with the cathode via a cathode contact surface and which divides the electrolytic cell into an anode compartment in which the anode is arranged and a cathode compartment in which the cathode is arranged. The membrane, which can in particular be a cation-conducting polymer membrane, serves as the first electrolyte.

Die Elektrolysezelle weist ferner zumindest eine Hilfskathode auf, die im Anodenraum angeordnet ist und die geeignet ist, einen Ionenfluss zwischen der mit der Membran in Kontakt stehenden Anodenkontaktfläche und der wässrigen Lösung im Anodenraum zu induzieren. Die wässrige Lösung, bei der es sich insbesondere um Leitungswasser handeln kann, dient als zweiter Elektrolyt.The electrolytic cell also has at least one auxiliary cathode which is arranged in the anode space and which is suitable for inducing an ion flow between the anode contact surface in contact with the membrane and the aqueous solution in the anode space. The aqueous solution, which can in particular be tap water, serves as a second electrolyte.

Wie sich herausgestellt hat, tritt an der beschriebenen Elektrolysezelle eine stark verminderte Ansammlung von Härtebildnern an der für die Langzeitstabilität des Betriebs kritischen Stelle an der kathodenseitigen Kontaktfläche mit der Membran auf, sodass die Elektrolysezelle über einen längeren Zeitraum betrieben werden kann, ohne dass die Zellspannung stark ansteigt. Wie sich herausgestellt hat, bewirkt die im Anodenraum positionierte Hilfskathode einen „Spülstrom“, der Härtebildner aus der Membran ausschwemmt, bevor diese problematische Deckschichten an der Kathode bilden können. Stattdessen werden härtebildende Ionen durch das durch die Hilfskathode induzierte Potenzial seitlich über die Membran in die umgebende wässrige Lösung abgeführt.As it turned out, the electrolysis cell described has a greatly reduced accumulation of hardness builders at the point on the cathode-side contact surface with the membrane, which is critical for long-term stability of operation, so that the electrolysis cell can be operated for a longer period of time without the cell voltage being high increases. As it turned out, the auxiliary cathode positioned in the anode compartment causes a “flushing current” that flushes hardness builders out of the membrane before they can form problematic cover layers on the cathode. Instead, hardness-forming ions are discharged laterally across the membrane into the surrounding aqueous solution by the potential induced by the auxiliary cathode.

Die Elektrolysezelle eignet sich für einen Druckbetrieb, d.h. für einen Einsatz in einer Leitung, in der ein Druck von bis zu 10 bar und mehr, beispielsweise ein Druck von 4-5 bar, der wässrigen Lösung vorliegt. Unter bestimmten Aspekten sorgt der Druckbetrieb auch für besonders gute Ergebnisse, insbesondere weil er die Löslichkeit von Ozon in Wasser verbessert.The electrolysis cell is suitable for pressure operation, i.e. for use in a line in which a pressure of up to 10 bar and more, for example a pressure of 4-5 bar, is present for the aqueous solution. Under certain aspects, the printing operation also ensures particularly good results, in particular because it improves the solubility of ozone in water.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Anodenkontaktfläche ein Verhältnis von Fläche zu Umfang von nicht mehr als 2 mm2/mm auf. Abhängig von der Form der Anodenkontaktfläche bedeutet diese Bedingung, dass die Anodenkontaktfläche vorteilhafterweise nicht zu ausgedehnt ist, um eine besonders effiziente Abführung härtebildender Ionen zu erzielen. Eine Erklärung hierfür könnte sein, dass im Falle einer verhältnismäßig ausgedehnten Anodenkontaktfläche der Weg, den härtebildende Ionen lateral in der Membran unter dem Einfluss des durch die Hilfskathode aufgebauten Potentials zurücklegen müssten, so groß wird, dass ein signifikanter Anteil härtebildender Ionen stattdessen durch die Membran zur Kathode wandert und dort die unerwünschte Deckschicht ausbildet.According to one embodiment, the anode contact area has a ratio of area to circumference of no more than 2 mm 2 / mm. Depending on the shape of the anode contact surface, this condition means that the anode contact surface is advantageously not too extensive in order to achieve a particularly efficient removal of hardness-forming ions. One explanation for this could be that in the case of a relatively extensive anode contact surface, the path that hardness-forming ions would have to cover laterally in the membrane under the influence of the potential built up by the auxiliary cathode would be so great that a significant proportion of hardness-forming ions would instead pass through the membrane Cathode migrates and forms the undesired top layer there.

Gemäß einer Ausführungsform weist die Membran eine der Anode zugewandte erste Oberfläche, die Unterseite, und eine der Kathode zugewandte zweite Oberfläche, die Oberseite, auf, wobei die erste Oberfläche größer ist als die Anodenkontaktfläche und zumindest bereichsweise über die Anodenkontaktfläche hinausragt. Insbesondere kann die Membran in Bereichen über die Anodenkontaktfläche hinausragen, in denen die Hilfskathode angeordnet ist. Dabei kann eine Anordnung gewählt werden, in der die Hilfskathode im Wesentlichen neben der Anode angeordnet ist, sodass die Membran in denjenigen Bereichen, in denen sie über die Anodenkontaktfläche hinausragt, der Hilfskathode gegenüberliegt.According to one embodiment, the membrane has a first surface facing the anode, the underside, and a second surface facing the cathode, the upper side, the first surface being larger than the anode contact area and at least partially protruding beyond the anode contact area. In particular, the membrane can protrude beyond the anode contact surface in areas in which the auxiliary cathode is arranged. In this case, an arrangement can be selected in which the auxiliary cathode is arranged essentially next to the anode, so that the membrane lies opposite the auxiliary cathode in those areas in which it protrudes beyond the anode contact surface.

In Versuchen hat sich ein Verhältnis von erster Oberfläche der Membran zu Anodenkontaktfläche von 3,5 oder größer als vorteilhaft herausgestellt.In tests, a ratio of the first surface area of the membrane to the anode contact area of 3.5 or greater has been found to be advantageous.

Auf diese Weise wird eine besonders gute Wirkung des durch die Hilfskathode induzierten Potenzials auf härtebildende Ionen erzielt, da diese lateral durch die Membran abgeführt werden können und die Form der Membran somit den Ionenfluss hin zur Hilfskathode unterstützt.In this way, a particularly good effect of the potential induced by the auxiliary cathode on hardness-forming ions is achieved, since these can be carried away laterally through the membrane and the shape of the membrane thus supports the ion flow towards the auxiliary cathode.

Gemäß einer Ausführungsform umgibt die Hilfskathode die Anode ringsherum. Beispielsweise kann die Anode auf einem Stromzuführungssockel angeordnet sein und über diesen nach oben hinausragen, während die Hilfskathode auf der Oberseite des Sockels rings um die aufragende Anode angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführungsform kann die Membran auch an allen Seiten über die Anodenkontaktfläche hinausragen, sodass eine Abfuhr härtebildender Ionen zu allen Seiten stattfindet und somit besonders effektiv ist.According to one embodiment, the auxiliary cathode surrounds the anode all around. For example, the anode can be arranged on a power supply base and protrude upwards beyond this, while the auxiliary cathode is arranged on the top of the base around the protruding anode. In such an embodiment, the membrane can also protrude on all sides over the anode contact surface, so that hardness-forming ions are carried away on all sides and are therefore particularly effective.

Die zumindest eine Kathode und/oder die zumindest eine Anode sind insbesondere aus einem porösen Material ausgebildet.The at least one cathode and / or the at least one anode are in particular formed from a porous material.

Gemäß einer Ausführungsform sind Bereiche der zumindest einen Anode, die einer Stromzuführung zur Anodenkontaktfläche dienen, aus einem anodisch passivierenden Ventilmetall ausgebildet, während die Anodenkontaktfläche eine Beschichtung aus einem elektrochemisch aktiven Material aufweist. Als anodisch passivierendes Ventilmetall sind insbesondere Titan, Niob, Tantal oder Legierungen dieser Metalle geeignet.
Eine Passivierung könnte auch durch eine speziell aufgetragene Beschichtung oder Deckschicht aus einem Isolator (Lack, Polymerfilm, Keramik...) bestehen. Die Verwendung eines Ventilmetalls hat jedoch den Vorteil, dass sich ein aufwändiger Beschichtungsprozess erübrigt, d.h. die Beschichtung erfolgt automatisch durch die anodische Passivierung in situ.According to one embodiment, regions of the at least one anode which are used to supply power to the anode contact surface are formed from an anodically passivating valve metal, while the anode contact surface has a coating made from an electrochemically active material. Titanium, niobium, tantalum or alloys of these metals are particularly suitable as anodically passivating valve metal.
A passivation could also consist of a specially applied coating or cover layer made of an insulator (lacquer, polymer film, ceramic ...). The use of a valve metal, however, has the advantage that a complex coating process is unnecessary, ie the coating takes place automatically through the anodic passivation in situ.

Dadurch wird erreicht, dass nur die mit der Membran in Kontakt stehende Anodenkontaktfläche elektrochemisch aktiv und elektrisch leitend ist.This ensures that only the anode contact surface which is in contact with the membrane is electrochemically active and electrically conductive.

Gemäß einer Ausführungsform ist der elektrische Widerstand zwischen der Anodenkontaktfläche und der Hilfskathode um einen Faktor b größer als der Widerstand zwischen der Anodenkontaktfläche und der Kathodenkontaktfläche, wobei 50 ≤ b ≤ 1000 gilt. Das hat den Vorteil, dass der durch die Hilfskathode induzierte Stromfluss sich auf den zur Abfuhr härtebildender Ionen notwendigen Spülstrom beschränkt. Wie sich herausgestellt hat, ist es für die Funktion der Elektrolysezelle vorteilhaft, wenn der Spülstrom beispielsweise weniger als ein Prozent des gesamten in der Elektrolysezelle fließenden Stromes beträgt. Es wird damit auch sichergestellt, dass der sich an der Hilfskathode abscheidende Wasserstoff kein explosives Gasgemisch mit den an der Anode entstehenden Sauerstoffspezies bildet.According to one embodiment, the electrical resistance between the anode contact surface and the auxiliary cathode is greater by a factor b than the resistance between the anode contact surface and the cathode contact surface, where 50 b 1000 applies. This has the advantage that the current flow induced by the auxiliary cathode is limited to the flushing current required to remove hardness-forming ions. As has been found, it is advantageous for the functioning of the electrolytic cell if the flushing current is, for example, less than one percent of the total current flowing in the electrolytic cell. This also ensures that the hydrogen which is deposited on the auxiliary cathode does not form an explosive gas mixture with the oxygen species produced on the anode.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Elektrolysezelle angegeben, wobei an die Anode, die Kathode und die Hilfskathode eine elektrische Spannung angelegt wird, die einen Stromfluss von der Anode über die Membran zur Kathode erzeugt, wobei zumindest ein Teil des Stromflusses nach dem Übertritt in die Membran zunächst entlang der Anodenkontaktfläche unter Mitnahme von an der Anodenkontaktfläche anhaftenden Härtebildern geführt wird, neben der Anode in die wässrige Lösung übertritt und von dort an die mit dem elektrisch leitfähigen Wasser direkt in Kontakt stehende Fläche der Hilfskathode geführt wird.According to one aspect of the invention, a method for operating the electrolysis cell described is specified, with an electrical voltage being applied to the anode, the cathode and the auxiliary cathode, which generates a current flow from the anode via the membrane to the cathode, with at least part of the current flow after the passage into the membrane, it is first guided along the anode contact surface with the entrainment of hardness images adhering to the anode contact surface, passes into the aqueous solution next to the anode and from there to the surface of the auxiliary cathode that is in direct contact with the electrically conductive water.

Das Verfahren weist die im Zusammenhang mit der Elektrolyse beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere erlaubt es das Betreiben der Elektrolysezelle über einen längeren Zeitraum hinweg, ohne dass die Zellspannung zu stark ansteigt.The method has the advantages described in connection with electrolysis. In particular, it allows the electrolysis cell to be operated over a longer period of time without the cell voltage increasing too much.

Gemäß einer Ausführungsform, vor allem für Zellen mit größerer Produktionsleistung, werden die an der Anode und der Kathode sich bildenden Gase durch die Membran physikalisch getrennt, was beispielsweise durch eine geeignete Strömungsführung des Wassers unterstützt werden kann. Alternativ können die sich an der Anode und der Kathode bildenden Gase auch direkt im Wasser gelöst werden und somit nicht physikalisch getrennt werden.According to one embodiment, especially for cells with a higher production output, the gases that form at the anode and the cathode are physically separated by the membrane, which can be supported, for example, by a suitable flow of water. Alternatively, the gases that form on the anode and the cathode can also be dissolved directly in the water and thus not physically separated.

Die Elektrolysezelle wird beispielsweise mit einer Stromdichte von 0,5-1,5 A/cm2, bezogen auf die effektive Anodenkontaktfläche, betrieben.The electrolytic cell is operated, for example, with a current density of 0.5-1.5 A / cm 2 , based on the effective anode contact area.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die beschriebene Elektrolysezelle zur Desinfektion von Leitungswasser oder Abwasser, und/oder zur Oxidation von im Wasser gelösten Stoffen verwendet. Mit der Verwendung der Elektrolysezelle ist es möglich, Ozon an der Anode zu erzeugen, sodass die Elektrolysezelle als Ozongenerator fungiert. Das erzeugte Ozon tötet beispielsweise Keime im Wasser ab, sodass eine effiziente Desinfektion des Wassers erreicht werden kann.According to one aspect of the invention, the electrolysis cell described is used for disinfecting tap water or waste water, and / or for oxidizing substances dissolved in the water. With the use of the electrolytic cell, it is possible to generate ozone at the anode so that the electrolytic cell functions as an ozone generator. The ozone generated kills germs in the water, for example, so that the water can be disinfected efficiently.

Durch die im Anodenraum angeordnete Hilfskathode wird der durch den Elektrolysestrom erzeugte Ionenfluss derart in zwei Teilströme aufgeteilt, dass einer der Teilströme nicht über die mit der Membran in Kontakt stehende Kathodenkontaktfläche fließt, sondern lateral in der Membran in das umgebende leitfähige Wasser zu der Hilfskathode und zu der freien Kathodenfläche abgeleitet wird. Durch diesen Ionenfluss über das Wasser bzw. die Wasserphase kann das dynamische Lösungsgleichgewicht an der Kathode durch Abtransport von Erdalkalikationen beeinflusst und die Dicke der passivierenden Schicht, d.h. der Sperr- bzw. Deckschicht, reduziert werden.The auxiliary cathode arranged in the anode compartment divides the ion flow generated by the electrolysis current into two partial currents in such a way that one of the partial currents does not flow over the cathode contact surface in contact with the membrane, but laterally in the membrane into the surrounding conductive water to the auxiliary cathode and towards the free cathode area is derived. This flow of ions over the water or the water phase can influence the dynamic solution equilibrium at the cathode by removing alkaline earth cations and the thickness of the passivating layer, i.e. the barrier or cover layer, can be reduced.

Die Erfindung kann vorteilhaft in zahlreichen unterschiedlichen Zellenkonstruktionen technisch umgesetzt werden und ist nicht auf bestimmte Bauformen wie zum Beispiel eine kreisrunde Elektrodengeometrie beschränkt.The invention can advantageously be technically implemented in numerous different cell constructions and is not restricted to certain designs such as, for example, a circular electrode geometry.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle kann besonders effizient zur in-situ Produktion von Oxidationsmitteln in Härtebildner enthaltendem Wasser, insbesondere Leitungswasser, verwendet werden. Bei der Membran kann es sich zum Beispiel um eine perfluorierte Kationenaustauschermembran handeln, die zum Beispiel durch eine geeignete Anpressvorrichtung zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist und durch diese kontaktiert wird.The electrolysis cell according to the invention can be used particularly efficiently for the in-situ production of oxidizing agents in water containing hardness builders, in particular tap water. The membrane can be, for example, a perfluorinated cation exchange membrane, which is arranged, for example, by a suitable pressing device between the cathode and the anode and is contacted by them.

Die Membran ist typischerweise plattenförmig ausgebildet, das heißt, die Membran erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Haupterstreckungsebene, so dass die Länge und die Breite der Membran wesentlich größer sind als die Dicke der Membran und die Membran eine erste Hauptoberfläche, die Unterseite, und eine zweite Hauptoberfläche, die Oberseite, aufweist. Dabei kontaktieren die Anode und die Kathode die Unterseite bzw. der Oberseite der Membran.The membrane is typically plate-shaped, that is, the membrane extends essentially along a main plane of extent, so that the length and the width of the membrane are significantly greater than the thickness of the membrane and the membrane has a first main surface, the underside, and a second Main surface, the top, has. The anode and the cathode make contact with the underside and the upper side of the membrane.

Typischerweise kann man die Hilfskathode auf das gleiche Potenzial legen wie die Kathode. Möglich ist allerdings auch eine separate Einstellung von negativeren oder weniger negativen Potenzialen an der Hilfskathode mit Hilfe einer entsprechenden elektrischen Schaltung. Insbesondere kann mit einer solchen Einstellung bis zu einem gewissen Grad der Spülstrom eingestellt werden.Typically, the auxiliary cathode can be connected to the same potential as the cathode. However, it is also possible to set more negative or less negative potentials on the auxiliary cathode separately with the aid of a corresponding electrical circuit. In particular, the flushing flow can be adjusted to a certain extent with such an adjustment.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beschrieben.

  • 1 zeigt schematisch eine Elektrolysezelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
  • 2 zeigt schematisch eine Elektrolysezelle gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Embodiments of the present invention are described below with reference to schematic drawings.
  • 1 FIG. 11 schematically shows an electrolytic cell according to an exemplary embodiment of the present invention and FIG
  • 2 shows schematically an electrolytic cell according to a further exemplary embodiment of the present invention.

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In the various figures, the same parts are always provided with the same reference numerals and are therefore usually only named or mentioned once.

1 zeigt eine Elektrolysezelle 1 in einem Querschnitt. Die Elektrolysezelle 1 zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung weist zumindest eine Anode 2 und zumindest eine Kathode 3 auf, die durch eine Membran 4 voneinander getrennt sind. Die Membran 4 ist als Kationen leitende Polymermembran ausgebildet und wird beidseitig durch die Elektroden, d.h. durch die Anode 2 und durch die Kathode 3, die jeweils porös ausgebildet sind, kontaktiert. 1 shows an electrolytic cell 1 in a cross section. The electrolytic cell 1 for the electrolysis of an aqueous solution has at least one anode 2 and at least one cathode 3 on that through a membrane 4th are separated from each other. The membrane 4th is designed as a cation-conducting polymer membrane and is penetrated on both sides by the electrodes, ie by the anode 2 and through the cathode 3 , which are each made porous, contacted.

Auf beiden Seiten der Membran 4 wird die Elektrolysezelle 1 mit einer wässrigen Lösung 5 als Elektrolyt versorgt. Insbesondere kann es sich bei der wässrigen Lösung 5 um Leitungswasser handeln. In der gezeigten Ausführungsform werden die gasförmigen Produkte der Elektrolyse, d.h. Wasserstoff sowie ein Sauerstoff-Ozon-Gemisch, mit der durch die Elektrolysezelle 1 strömenden wässrigen Lösungen 5 ausgetragen.On both sides of the membrane 4th becomes the electrolytic cell 1 with an aqueous solution 5 supplied as an electrolyte. In particular, it can be in the case of the aqueous solution 5 act around tap water. In the embodiment shown, the gaseous products of the electrolysis, ie hydrogen and an oxygen-ozone mixture, are mixed with the electrolysis cell 1 flowing aqueous solutions 5 carried out.

Die Anode 2 steht mit der Membran 4 an der Anodenkontaktfläche 6 in Kontakt. Die Kathode 3 steht mit der Membran 4 an der Kathodenkontaktfläche 7 in Kontakt. In der gezeigten Ausführungsform sind die Anodenkontaktfläche 6 und die Kathodenkontaktfläche 7 mit gleicher Querschnittsfläche ausgebildet. Sie können jedoch auch unterschiedlich groß ausgebildet sein, insbesondere kann die Kathodenkontaktfläche 7 größer ausgebildet sein als die Anodenkontaktfläche 6.The anode 2 stands with the membrane 4th at the anode contact surface 6th in contact. The cathode 3 stands with the membrane 4th at the cathode contact surface 7th in contact. In the embodiment shown, the anode pads are 6th and the cathode pad 7th formed with the same cross-sectional area. However, they can also have different sizes, in particular the cathode contact surface 7th be made larger than the anode contact area 6th .

Die Membran 4 teilt die Elektrolysezelle 1 in einen Anodenraum 8 und einen Kathodenraum 9 ein. Im Anodenraum 8 ist mindestens eine Hilfskathode 10 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform weist die Anode 2 einen Stromzuführungssockel 11 auf, von dem sie aufragt. Der Stromzuführungssockel 11 dehnt sich in lateraler Richtung über die Anode 2 aus und weist somit eine Oberfläche 12 neben der Anode 2 auf.The membrane 4th divides the electrolytic cell 1 in an anode compartment 8th and a cathode compartment 9 on. In the anode compartment 8th is at least one auxiliary cathode 10 arranged. In the embodiment shown, the anode 2 a power supply socket 11 on from which it looms. The power supply base 11 expands in a lateral direction over the anode 2 and thus has a surface 12th next to the anode 2 on.

In der gezeigten Ausführungsform sind die Anodenkontaktfläche 6 und die Kathodenkontaktfläche 7 als Kreisflächen ausgebildet. Der Stromzuführungssockel 11 kann ebenfalls kreisförmig ausgebildet sein. Er kann jedoch auch eine andere Form haben. Die zumindest eine Hilfskathode 10 kann beispielsweise ringförmig um die Anode 2 herum angeordnet sein.In the embodiment shown, the anode pads are 6th and the cathode pad 7th designed as circular areas. The power supply base 11 can also be circular. However, it can also have a different shape. The at least one auxiliary cathode 10 can for example be annular around the anode 2 be arranged around.

Die Hilfskathode 10 kann als separates Element auf der Oberfläche 12 des Sockels 11 aufgebracht sein. Sie kann jedoch auch durch ohnehin elektrisch leitfähige Bereiche des Stromzuführungssockels 11 gebildet werden, die beispielsweise durch das Kathodenpotenzial kontaktiert werden. Beispielsweise kann ein in 1 nicht gezeigter Befestigungsbügel vorgesehen sein, der die Kathode 3 und die Membran 4 auf den Stromzuführungssockel 11 mit der Anode 2 drückt. Ein solcher Bügel kann die Kathode 3 kontaktieren und mit elektrisch leitenden Bereichen des Stromzuführungssockels 11 verbinden, die als Hilfskathode 10 dienen, wenn der Bügel elektrisch leitend ausgebildet ist. Es kann jedoch auch eine andere Stromzuführung zu der Hilfskathode 10 vorgesehen sein.The auxiliary cathode 10 can be used as a separate element on the surface 12th of the base 11 be upset. However, it can also be through regions of the power supply base that are electrically conductive in any case 11 are formed, which are contacted for example by the cathode potential. For example, an in 1 Not shown mounting bracket may be provided that the cathode 3 and the membrane 4th on the power supply base 11 with the anode 2 presses. Such a bracket can be the cathode 3 contact and with electrically conductive areas of the power supply base 11 connect that as an auxiliary cathode 10 serve when the bracket is designed to be electrically conductive. However, another power supply to the auxiliary cathode can also be used 10 be provided.

Die Hilfskathode 10 ist durch einen Isolator 18, beispielsweise aus PTFE oder PVC, von dem Stromzuführungssockel 11 getrennt.The auxiliary cathode 10 is through an insulator 18th , for example made of PTFE or PVC, from the power supply base 11 Cut.

Die Membran 4 ragt seitlich über die Anode 2 und die Kathode 3 hinaus. Sie weist demnach eine größere laterale Ausdehnung auf als die Anode 2 und die Kathode 3. In anderen Worten: Eine Unterseite 14 und eine Oberseite 15 der Membran 4 sind größer als die Anodenkontaktfläche 6 und die Kathodenkontaktfläche 7 und ragen über diese hinaus.The membrane 4th protrudes laterally over the anode 2 and the cathode 3 out. It accordingly has a greater lateral extent than the anode 2 and the cathode 3 . In other words: a subpage 14th and a top 15th the membrane 4th are larger than the anode contact area 6th and the cathode pad 7th and protrude beyond them.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die Membran 4 Bereiche 13 auf ihrer Unterseite 14 auf, die der Hilfskathode 10 gegenüber liegen und die von der Hilfskathode 10 lediglich durch die im Anodenraum 8 befindliche wässrige Lösung 5 getrennt sind.In the in 1 The embodiment shown has the membrane 4th Areas 13th on their bottom 14th on that of the auxiliary cathode 10 opposite and that of the auxiliary cathode 10 only by the one in the anode compartment 8th located aqueous solution 5 are separated.

Wenn nun die Elektrolysezelle 1 in Betrieb genommen wird, wird über den Stromzuführungssockel 11 der Anode 2 Strom zugeführt. Details zur Stromzuführung zur Anode 2, zu Kathode 3 und zu Hilfskathode 10 sind in den Figuren nicht dargestellt.If now the electrolytic cell 1 is put into operation via the power supply base 11 the anode 2 Electricity supplied. Details on the power supply to the anode 2 , to cathode 3 and to auxiliary cathode 10 are not shown in the figures.

Die Elektrolysezelle 1 wird beispielsweise in Leitungswasser bei zum Beispiel einer Stromdichte von 0,5 bis 1,5 A/cm2 betrieben und es ergibt sich ein Ionenfluss und somit ein Stromfluss von der Anode 2 über die Anodenkontaktfläche 6 in die Membran 4.
Dieser Ionenfluss ist in 1 mit dem Pfeil 16 gekennzeichnet. Der Ionenfluss fließt dann über die Kathodenkontaktfläche 7 in die Kathode 3. Ein Teil des Stromflusses erfolgt jedoch in lateraler Richtung, wie durch den Pfeil 17 gekennzeichnet.The electrolytic cell 1 is operated, for example, in tap water at a current density of 0.5 to 1.5 A / cm 2 , for example, and there is an ion flow and thus a current flow from the anode 2 via the anode contact surface 6th into the membrane 4th .
This ion flow is in 1 with the arrow 16 marked. The ion flow then flows over the cathode contact surface 7th into the cathode 3 . However, part of the current flow occurs in the lateral direction, as indicated by the arrow 17th marked.

Der laterale Stromfluss erfolgt somit von der Anode 2 über die Anodenkontaktfläche 6 in die Membran 4, dort dann aber lateral in Richtung auf diejenigen Bereiche 13 zu, die der Hilfskathode 10 gegenüber liegen. Von dort werden Ionen, insbesondere härtebildende Ionen wie Ca2+ und Mg2+, in die wässrige Lösung 5 zwischen der Membran 4 und der Hilfskathode 10 ausgeschwemmt. Somit gelangen derartige härtebildende Ionen nicht oder nur in geringem Maße bis an die Kathode 3 und können dort keine störende Deckschicht ausbilden.The lateral current flow thus takes place from the anode 2 via the anode contact surface 6th into the membrane 4th , but then laterally in the direction of those areas 13th to that of the auxiliary cathode 10 lie opposite. From there, ions, in particular hardness-forming ions such as Ca 2+ and Mg 2+ , are transferred into the aqueous solution 5 between the membrane 4th and the auxiliary cathode 10 washed out. Thus, such hardness-forming ions do not reach the cathode or only to a small extent 3 and cannot form a disruptive top layer there.

2 zeigt eine Elektrolysezelle 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Diese unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform darin, dass sie eine ganze Reihe von Kathoden 3 bzw. Teilkathoden und Anoden 2 bzw. Teilanoden aufweist, die in einem Array angeordnet sind. Bei der gezeigten Ausführungsform weisen sie alle eine gemeinsame Membran 4 auf sowie einen gemeinsamen Stromzuführungssockel 11, auf dem eine Anzahl von Hilfskathoden 10 jeweils zwischen den Anoden 2 angeordnet ist. Die Hilfskathoden 10 sind durch Isolatoren 18 gegen den Stromzuführungssockel 11 elektrisch isoliert. 2 shows an electrolytic cell 1 according to a second embodiment. This differs from the in 1 embodiment shown in that they have a whole series of cathodes 3 or partial cathodes and anodes 2 or having partial anodes which are arranged in an array. In the embodiment shown, they all have a common membrane 4th and a common power supply base 11 on which a number of auxiliary cathodes 10 each between the anodes 2 is arranged. The auxiliary cathodes 10 are through isolators 18th against the power supply base 11 electrically isolated.

Im Betrieb treten an der Elektrolysezelle 1 gemäß der zweiten Ausführungsform dieselben Prozesse auf wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben.During operation, step on the electrolytic cell 1 according to the second embodiment has the same processes as in connection with 1 described.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
ElektrolysezelleElectrolytic cell
22
Anodeanode
33
Kathodecathode
44th
Membranmembrane
55
wässrige Lösungaqueous solution
66th
AnodenkontaktflächeAnode contact area
77th
KathodenkontaktflächeCathode contact area
88th
AnodenraumAnode compartment
99
KathodenraumCathode compartment
1010
HilfskathodeAuxiliary cathode
1111
StromzuführungssockelPower supply base
1212th
Oberflächesurface
1313th
BereichArea
1414th
Unterseitebottom
1515th
OberseiteTop
1616
Pfeilarrow
1717th
Pfeilarrow
1818th
Isolatorinsulator

Claims (13)

Elektrolysezelle (1) zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung, aufweisend zumindest eine Anode (2), zumindest eine Kathode (3) und eine zwischen der Anode (2) und der Kathode (3) angeordnete Membran (4), die mit der Anode (2) über eine Anodenkontaktfläche (6) und mit der Kathode (4) über eine Kathodenkontaktfläche (7) in Kontakt steht und die die Elektrolysezelle (1) in einen Anodenraum (8), in dem die Anode (2) angeordnet ist, und einen Kathodenraum (9), in dem die Kathode (3) angeordnet ist, unterteilt, wobei die Elektrolysezelle (1) ferner zumindest eine Hilfskathode (10) aufweist, die im Anodenraum (8) angeordnet ist zum Aufbau eines Potentials, um einen lonenfluss zwischen der mit der Membran (4) in Kontakt stehenden Anodenkontaktfläche (6) und der wässrigen Lösung (5) im Anodenraum (8) zu induzieren.Electrolysis cell (1) for the electrolysis of an aqueous solution, having at least one anode (2), at least one cathode (3) and a membrane (4) arranged between the anode (2) and the cathode (3), which is connected to the anode (2 ) is in contact via an anode contact surface (6) and with the cathode (4) via a cathode contact surface (7) and which the electrolytic cell (1) into an anode space (8), in which the anode (2) is arranged, and a cathode space (9), in which the cathode (3) is arranged, subdivided, the electrolysis cell (1) also having at least one auxiliary cathode (10) which is arranged in the anode space (8) to build up a potential to generate an ion flow between the to induce the membrane (4) in contact with the anode contact surface (6) and the aqueous solution (5) in the anode space (8). Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1, wobei die Anodenkontaktfläche (6) ein Verhältnis von Fläche zu Umfang von nicht mehr als 2 mm2/mm aufweist.Electrolysis cell (1) after Claim 1 wherein the anode contact area (6) has an area to circumference ratio of no more than 2 mm 2 / mm. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran (4) eine der Anode (2) zugewandte Unterseite (14) und eine der Kathode (3) zugewandte Oberseite (15) aufweist, wobei die Unterseite (14) größer ist als die Anodenkontaktfläche (6) und zumindest bereichsweise über die Anodenkontaktfläche (6) hinausragt.Electrolysis cell (1) after Claim 1 or 2 , wherein the membrane (4) has an underside (14) facing the anode (2) and an upper side (15) facing the cathode (3), the underside (14) being larger than the anode contact surface (6) and at least partially over the anode contact surface (6) protrudes. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anode (2) auf einem Stromzuführungssockel (11) angeordnet ist und über diesen nach oben hinausragt, während die Hilfskathode (10) auf der Oberseite des Sockels (11) rings um die aufragende Anode (2) angeordnet ist.Electrolysis cell (1) according to one of the Claims 1 to 3 , wherein the anode (2) is arranged on a power supply base (11) and protrudes above this upwards, while the auxiliary cathode (10) is arranged on the top of the base (11) around the upstanding anode (2). Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Kathode (3) und/oder die zumindest eine Anode (2) aus einem porösen Material ausgebildet sind.Electrolysis cell (1) according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the at least one cathode (3) and / or the at least one anode (2) is formed from a porous material. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Bereiche der zumindest einen Anode (2), die einer Stromzuführung zur Anodenkontaktfläche (6) dienen, aus einem anodisch passivierenden Ventilmetall ausgebildet sind, während die Anodenkontaktfläche (6) eine Beschichtung aus einem elektrochemisch aktiven Material aufweist.Electrolysis cell (1) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein areas of the at least one anode (2) which are used to supply power to the anode contact surface (6) are formed from an anodically passivating valve metal, while the anode contact surface (6) has a coating made of an electrochemically active material. Elektrolysezelle (1) nach Anspruch 6, wobei als anodisch passivierendes Ventilmetall Titan, Niob, Tantal oder Legierungen dieser Metalle verwendet werden.Electrolysis cell (1) after Claim 6 , whereby titanium, niobium, tantalum or alloys of these metals are used as anodically passivating valve metal. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Bereiche der zumindest einen Anode (2), die einer Stromzuführung zur Anodenkontaktfläche (6) dienen, eine passivierende Beschichtung aus einem Isolator (18) aufweisen, während die Anodenkontaktfläche (6) eine Beschichtung aus einem elektrochemisch aktiven Material aufweist.Electrolysis cell (1) according to one of the Claims 1 to 5 , wherein areas of the at least one anode (2) which are used to supply power to the anode contact surface (6) have a passivating coating made of an insulator (18), while the anode contact surface (6) has a coating made of an electrochemically active material. Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der elektrische Widerstand zwischen der Anodenkontaktfläche (8) und der Hilfskathode (10) um einen Faktor b größer ist als der Widerstand zwischen der Anodenkontaktfläche (6) und der Kathodenkontaktfläche (7), wobei 50 ≤ b ≤ 1000 gilt.Electrolysis cell (1) according to one of the Claims 1 to 8th , the electrical resistance between the anode contact surface (8) and the auxiliary cathode (10) being a factor b greater than the resistance between the anode contact surface (6) and the cathode contact surface (7), with 50 b 1000. Verfahren zum Betreiben einer Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer wässrigen Lösung (5), wobei an die Anode (2), die Kathode (3) und die Hilfskathode (10) eine elektrische Spannung angelegt wird, die einen Stromfluss von der Anode (2) über die Membran (4) zur Kathode (3) erzeugt, wobei zumindest ein Teil des Stromflusses nach dem Übertritt in die Membran (4) zunächst entlang der Anodenkontaktfläche (6) unter Mitnahme von an der Anodenkontaktfläche (6) anhaftenden Härtebildnern geführt wird und neben der Anode (2) in die wässrige Lösung (5) übertritt und von dort an die mit der wässrigen Lösung (5) direkt in Kontakt stehende Fläche der Hilfskathode (10) geführt wird.Method for operating an electrolytic cell (1) according to one of the Claims 1 to 9 in an aqueous solution (5), an electrical voltage being applied to the anode (2), the cathode (3) and the auxiliary cathode (10), which causes a current to flow from the anode (2) via the membrane (4) to the cathode (3), at least part of the current flow after it has passed into the membrane (4) initially along the anode contact surface (6) with the entrainment of hardness constituents adhering to the anode contact surface (6) and into the aqueous next to the anode (2) Solution (5) passes over and is passed from there to the surface of the auxiliary cathode (10) which is in direct contact with the aqueous solution (5). Verfahren nach Anspruch 10, wobei die sich an der Anode (2) und der Kathode (3) bildenden Gase durch die Membran (4) physikalisch getrennt werden.Procedure according to Claim 10 , the gases forming at the anode (2) and the cathode (3) being physically separated by the membrane (4). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Elektrolysezelle (1) mit einer Stromdichte von 0,5 bis 1,5 A/cm2 bezogen auf die Anodenkontaktfläche (6) betrieben wird.Procedure according to Claim 10 or 11 , the electrolysis cell (1) being operated with a current density of 0.5 to 1.5 A / cm 2 based on the anode contact surface (6). Verwendung einer Elektrolysezelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Desinfektion von Wasser.Use of an electrolytic cell (1) according to one of the Claims 1 to 9 for disinfecting water.
DE102019116469.9A 2019-06-18 2019-06-18 Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell Active DE102019116469B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019116469.9A DE102019116469B4 (en) 2019-06-18 2019-06-18 Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019116469.9A DE102019116469B4 (en) 2019-06-18 2019-06-18 Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102019116469A1 DE102019116469A1 (en) 2020-12-24
DE102019116469B4 true DE102019116469B4 (en) 2021-03-25

Family

ID=73654333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019116469.9A Active DE102019116469B4 (en) 2019-06-18 2019-06-18 Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019116469B4 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015111103A1 (en) * 2014-07-23 2016-01-28 Innovatec Gerätetechnik Gmbh Electrolytic cell and method for operating an electrolytic cell
EP2914763B1 (en) * 2012-11-02 2018-05-16 Tennant Company Three electrode electrolytic cell and method for making hypochlorous acid

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2914763B1 (en) * 2012-11-02 2018-05-16 Tennant Company Three electrode electrolytic cell and method for making hypochlorous acid
DE102015111103A1 (en) * 2014-07-23 2016-01-28 Innovatec Gerätetechnik Gmbh Electrolytic cell and method for operating an electrolytic cell

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019116469A1 (en) 2020-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60306172T2 (en) STRUCTURE OF AN ELECTRODE FOR USE IN AN ELECTROLYSIS CELL
EP0068522B1 (en) Process and apparatus for the synthetic preparation of ozone by electrolysis, and its application
DE10025167B4 (en) Method for monitoring workpiece machining process in machining tool, involves outputting alarm and changing machining process speed, if actual process variable-measured values are not depending on statistic variation of process variable
DE112013000327B4 (en) Electrolysis bath for producing acidic water and its use
EP2406186B1 (en) Methods for decomposing partially fluorinated and perfluorinated surfactants
DE2158847A1 (en) Method and device for removing and breaking down contaminants from or in wastewater
WO2006092125A1 (en) System for the disinfection of low-conductivity liquids
WO2002026636A1 (en) Device for electrolytic water disinfection without cathodic hydrogen evolution
DE102012214942A1 (en) Continuous generator unit for electrolyzed oxidized / reduced water
DE102019200238A1 (en) Electrolysis process for carbon dioxide reduction
DE10025551C2 (en) Cathode for the electrochemical regeneration of permanganate etching solutions, process for their preparation and electrochemical regeneration device
DE2523950A1 (en) ELECTROCHEMICAL DEVICE AND ITS USE
DE10013339C1 (en) Process for regulating the concentration of metal ions in an electrolyte liquid comprises feeding part of the liquid through an auxiliary cell consisting of an insoluble auxiliary anode and an auxiliary cathode
DE3324047A1 (en) REPOLBABLE ELECTRODIALYSIS CELL AND ELECTRODES SUITABLE FOR THIS
WO2009030203A2 (en) Electrolysis cell with a high electric current capacity for producing an ozone-oxygen mixture
DE102019116469B4 (en) Electrolytic cell, method for operating an electrolytic cell and use of an electrolytic cell
EP1015667B1 (en) Method and device for regulating the concentration of substances in electrolytes
DE10015209A1 (en) Electrochemical disinfection of water, e.g. drinking, industrial and waste water, involves passing sub-streams in parallel to anode and cathode segments of array of electrode plates, spacers and separator membranes
DE10203689A1 (en) Cathodic current distributor for electrolytic cells
DE102015111103A1 (en) Electrolytic cell and method for operating an electrolytic cell
DE2828621A1 (en) ELECTROLYSIS CELL AND ELECTROLYSIS PROCEDURE
DE19653034C2 (en) Device for generating oxygen or an ozone-oxygen mixture
DE102006038557A1 (en) Oxidative electrochemical treatment of aqueous solution, comprises using an anode solid electrolyte combination containing an insoluble anode, which is pressed with a solid electrolyte membrane or laminated
DE102021110695B3 (en) Device and method for the electrolytic generation of ozone
DE102009039290A1 (en) Method for oxidation anodic treatment of electrically conductive, natural water and/or aqueous solution, comprises pressing a perforated structure in a cell housing on a cation exchanger membrane and a porous cathode plate

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final