DE4206843A1 - Elektrochemische zellen zur durchfuehrung elektrochemischer prozesse - Google Patents
Elektrochemische zellen zur durchfuehrung elektrochemischer prozesseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle zur Durchführung elektro
chemischer Prozesse mittels ionenleitender Lösungen mit mehreren im wesent
lichen plattenförmigen Elektroden, die durch Rahmen im Abstand zueinander,
zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden einen Elektrolytraum bildend
gehalten sind, wobei die Elektrolyträume wenigstens in ihrem seitlichen und
unteren Bereich flüssigkeitsdicht abgeschlossen sind und benachbarte Elektro
den gegeneinander elektrisch isoliert sind und wobei die Elektroden und die
Rahmen lösbar gegeneinander verspannt sind.
Aus der DD-PS 1 41 463 ist eine Vorrichtung zur Durchführung elektrochemischer
Prozesse bekannt, wobei eine nach dem Filterpressen-Prinzip aufgebaute ge
teilte Elektrolyse-Zelle mit parallel durchströmten Elektrodenkanälen be
schrieben ist, und die mittels Membranen oder Diaphragmen gegeneinander abge
teilten Elektroden durch Dichtrahmen gegenseitig abgedichtet sind, die aus
einem geeigneten flexiblen Material, wie z. B. PVC bestehen und beim Zusammen
bau der Filterpressen-Anordnung abgedichtet werden. Neben monopolaren Elektro
den sind auch bipolare Elektroden beispielsweise zur Chromsäure-Regeneration
vorgesehen. Als problematisch erweist sich bei einer solchen Filterpressen-
Vorrichtung der Austausch einzelner Elektroden, wobei zur Reinigung oder zum
Austausch von Einzelelektroden bzw. Bipolarelektroden stets die gesamte Vor
richtung stillzulegen und zu demontieren ist.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der
die Elektroden ähnlich wie beim Filterpressen-Prinzip angeordnet sind, jedoch
nicht durch einen auf alle Zellen gleichzeitig wirkenden Druck zusammengehal
ten werden, sondern aufgrund von Einzeldichtmaßnahmen unter Beibehaltung der
übrigen Elektroden rasch auswechselbar sind; als Elektroden sollen sowohl
monopolare als auch bipolare Elektroden zum Einsatz gelangen. Der Elektro
lytraum soll dabei leicht zugänglich sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An
spruchs 1 gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil ist in dem nach obenhin offenen Zellsystem zu sehen,
so daß jederzeit durch Druckabfall des Dichtelements die benachbarte Elektrode
bzw. Bipolarelektrode auf einfache Weise zu entnehmen und auszutauschen bzw.
zu reinigen ist, während der Betrieb der übrigen Zellen gegebenenfalls unter
Vornahme einer geringfügigen Korrektur der Zellenspannung weitergeht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Elektrodenrahmen
auf wenigstens einer Seite ein schlauchförmiges Dichtelement zugeordnet. Die
Dichtelemente sind dabei jeweils in einer Nut im Elektrodenrahmen fixiert.
Diese Anordnung hat den Vorteil, daß eine Elektrodenentnahme ohne Herausnahme
des Dichtelements möglich ist, da dieses im Rahmen verbleibt; andererseits
kann jedoch auch bei Beschädigung beispielsweise durch Korrosion das Dicht
element selbst auf einfache Weise aus der Nut entnommen und gegen ein neues
Dichtelement ausgetauscht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das U-förmig ausgebildete
Dichtelement von einem ebenfalls U-förmig ausgebildeten Dichtelement umgeben,
welches im Spalt zwischen zwei Elektrodenrahmen angeordnet ist; eine solche
Vorrichtung hat den Vorteil, daß eine Vielzahl von einzelnen Elektrodenrahmen
zu einem abgedichteten, blockartigen Gehäuse zuammengepreßt werden können,
woraus sich ein einfacher dem Filterpressen-Priznzip ähnlicher Aufbau der
Elektrodenrahmen ergibt. Dabei kann vorteilhafterweise auf einen Trog zur
Aufnahme von Elektroden und Elektrodenrahmen verzichtet werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Als vorteilhaft erweist sich die Einsetzbarkeit des Systems für oxidative und
reduktive elektrochemische Prozesse mit Bipolarelektroden, wobei aufgrund der
oben offenen Konstruktion mittels Überlauf-Tropfen-Strecke ein elektroly
tischer Kurzschluß zwischen den Zellen mit Sicherheit vermieden wird. Ein
weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die erfindungsgemäßen Dichtelemente
auch zur Abdichtung von Ionenaustauscher-Membranen oder Diaphragmen verwendbar
sind, sofern sich eine solche Zellenteilung aufgrund der Verwendung als erfor
derlich erweist.
Im Folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1, 2a, 2b, 2c
und 3 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer teilweise aufgebrochenen Explosionszeichnung das in
einem Trog befindliche Zellengehäuse mit den zugehörigen Elektroden und Elek
trodenrahmen vor dem Montagezustand.
Fig. 2a zeigt in einer teilweise aufgebrochenen Draufsicht die Zelle mit den
eingesetzten und gegenüber den Rahmen abgedichteten Elektroden;
Fig. 2b zeigt einen Ausschnitt A gemäß der Fig. 2a;
Fig. 2c zeigt schematisch eine aus mehreren Elektroden und Elektrodenrahmen
bestehende Zelle ohne Zellentrog.
Fig. 3 zeigt im Ausschnitt eine Zelle mit im Zellentrog integrierten Elektro
denrahmen.
Gemäß Fig. 1 befindet sich in dem als Auffangbehälter dienenden Zellentrog 1
eine Vielzahl von Elektrodenrahmen 2, zwischen denen bipolare Elektroden 4
angeordnet sind, welche im zusammengepreßten Zustand an der Dichtfläche 3 der
Elektrodenrahmen 2 flüssigkeitsdicht anschließen. Die Dichtflächen 3 weisen
eine U-förmig umlaufende Nut 8 auf, in welche ein schlauchförmiges Dichtele
ment 6 wenigstens teilweise eingebracht ist, wobei die exakte
Positionierung der jeweiligen Elektrode 4 jeweils durch eine U-förmige Aus
sparung 15 auf der der Nut 8 abgewandten Seite des Elektrodenrahmens arretiert
wird. Die Dichtflächen 3 an den Elektrodenrahmen 2 sind von ebenfalls U-förmig
umlaufenden Nuten 11 umgeben, in welchen sich Dichtelemente 10 befinden, die
den Zwischenraum zum jeweils benachbarten Elektrodenrahmen 2 abdichten. Zwi
schen den beiden U-förmig ausgebildeten Nuten 8, 11 ist eine weitere U-förmig
umlaufende Nut 16 vorgesehen, welche sich im Bereich der Dichtfläche 3 des
Elektrodenrahmens 2 befindet und als Kontrollnut ausgebildet ist, um die
Dichtigkeit im Bereich dieser Dichtfläche zu überprüfen und gegebenenfalls bei
Flüssigkeitszutritt mittels eingebrachtem Sensor durch Alarmauslösung auf das
entstehende Leck aufmerksam zu machen.
Die Elektrode 4 ist als bipolare Elektrode ausgebildet und besteht gemäß Fi
gur 2a aus einem lösungsbeständigen elektrisch leitenden plattenförmigen Mit
telstück 17 aus Oxidkeramik, welches auf der anodischen und der kathodischen
Seite jeweils mit einer elektrisch leitenden Beschichtung für die elektroche
mische Umsetzung beschichtet ist, wobei die kathodische Beschichtungsseite mit
der Bezugsziffer 18 und die anodische Beschichtungsseite mit der Bezugszif
fer 19 versehen sind.
Eine bipolare Elektrode 4 weist ein plattenförmiges Mittelteil aus elektrisch
leitender Oxidkeramik auf Titanoxidbasis mit elektrokatalytischer Beschichtung
auf, dessen Dicke 3mm beträgt und dessen Plattenkanten jeweils ca. 250 mm lang
sind. Sowohl auf der anodischen Seite 19, als auch auf der kathodischen Sei
te 18, ist das Mittelstück mit Platin beschichtet, wobei nach Fig. 2a auf der
kathodischen Seite ein lösungsbeständiger Abstandshalter 21 vorgesehen ist,
welcher eine die kathodische Seite abdeckende Trennvorrichtung 20 entweder als
Ionenaustauscher-Membran (z. B. für Chromsäure-Regeneration) oder ein Diaphrag
ma (z. B. für elektrochemische Behandlung von Methansulfonsäure) im Abstand von
ca. 3mm zur kathodischen Seite 18 hält. Die maximal zulässige Stromdichte auf
der Elektrodenfläche liegt im Bereich von 0,1 bis 4 KA/m2. Die Elektrode 4
ist in dem auf die Dichtfläche 3 des Elektrodenrahmens 2 aufzubringenden Rand
bereich ebenfalls als Dichtfläche 5 ausgebildet, wobei in diesem Bereich die
Trennvorrichtung 20 ohne Abstandshalter direkt auf der kathodischen Seite 18
aufliegt. Die anodische Seite 19 ist freiliegend gestaltet und weist keinerlei
Membran oder Diaphragma auf.
Beim Betrieb der Zelle wird das Flüssigkeitsniveau der hier nicht dargestell
ten Lösung durch die Abflußöffnungen 22 gemäß Fig. 1 im oberen Bereich der
U-förmigen Ausnehmung 15 der Elektrodenrahmen 2 vorgegeben, wobei sich an jede
Abflußöffnung 22 eine innerhalb des Elektrodenrahmens 2 geführte Gefälle
strecke 23 mit einer Ausgangsöffnung 24 versehen ist, an die sich ein Rohr 25
zur Abfuhr der ausgetretenen Lösung in Zellentrog 1 anschließt. Dabei ist es
möglich entweder - wie in Fig. 1 gezeigt - beidseitig des U-förmigen Elek
trodenrahmens eine solche Ablaufmöglichkeit vorzusehen, es ist jedoch auch
möglich, nur auf einer Seite der Elektrodenrahmen Abflußöffnungen einzusetzen.
Wesentlich ist dabei, daß zwischen der jeweiligen Abflußöffnung 22 und der
Ausgangsöffnung 24 eine Gefällstrecke existiert und keine ionenleitende Kurz
schlußbrücke zwischen zwei benachbarten Elektroden entstehen kann. In der
Praxis handelte es sich um eine tropfenweise Abführung der Elektrolyt bzw.
Anolyt-Lösung.
Zum Aufbau der Gesamtzelle werden die in Fig. 1 dargestellten explosionsartig
auseinander gezogenen Elemente der Zelle mittels der durch Öffnungen 28 in den
Elektrodenrahmen geführten symbolisch dargestellten Schraubbolzen zusammen
gepreßt, wobei die Elektroden 4 jeweils mit ihrer anodischen Beschichtungs
seite 19 gegen die U-förmig umlaufenden Dichtelemente 6 gepreßt werden und mit
ihrer kathodischen Seite 18 in die U-förmigen Aussparungen 15 der Elektroden
rahmen 2 gepreßt werden. Die eigentliche Dichtfläche wird dabei zwischen den
Dichtflächen 3 der Elektrodenrahmen und der Dichtflächen 5 durch Verschraubung
der Bolzen 29 und Druckbeaufschlagung der Dichtelemente 6 gebildet. Die Druck
beaufschlagung kann beispielsweise an einseitig geschlossenen U-förmigen
Dichtelementen 6 mittels Luftdruckkompressor erfolgen. Zur Entnahme einzelner
Elektroden 4 ist es lediglich erforderlich, den Überdruck aus dem entspre
chenden Dichtelement 6 abzulassen, wobei sich anschließend aufgrund der nicht
mehr vorhandenen Spannung die Elektrode 4 durch einfaches Anheben herausziehen
läßt. Auf diese Weise ist es möglich, selbst während des laufenden Zellenbe
triebes einzelne Elektroden herauszunehmen und zu säubern, bzw. ganze Elektro
dengruppen auszutauschen.
Fig. 2a zeigt in der Draufsicht einen Ausschnitt aus der zusammengesetzten
Zellenanordnung, wobei hier auf die Darstellung eines Troges verzichtet wurde,
wie es in der Praxis auch möglich ist. Gemäß Fig. 2a befinden sich die im
Teilausschnitt dargestellten Elektroden 4 eingespannt im Elektrodenrahmen 2,
wobei die Dichtelemente 6 mittels Druckbeaufschlagung sich ausdehnen und den
Bereich zwischen der Nut 8 des Elektrodenrahmens 2 und der U-förmigen Rand
fläche der anodischen Beschichtungsseite 19 gas- und flüssigkeitsdicht abdich
ten. Auf der kathodischen Beschichtungsseite 18 ist der Zick-Zack-förmige
Abstandshalter 21 erkennbar, welcher die Trennvorrichtung 20 gegenuber der
kathodischen Seite 18 abstützt und somit einen Katolytraum bildet. Der zwi
schen anodischer Beschichtung 19 der Membran 20 liegende Bereich bildet den
Anolytraum. Die Elektrodenrahmen 2 sind jeweils dicht aneinander gepreßt,
wobei die Rahmen gegeneinander durch die U-förmigen zweiten Dichtelemente 10,
welche in der zweiten Nut 11 verlaufen, gegeneinander abgedichtet sind. Ledig
lich der nach oben gerichtete Bereich der Zellen ist freiliegend, so daß je
derzeit ein Zutritt zur Flüssigkeitsoberläche möglich ist. Als zusätzliche
Dichtungsmaßnahmen sind die kathodenseitigen Flächen 18 der Elektroden 4 in
der U-förmigen Aussparung 15 der Elektrodenrahmen 2 so gehaltert, daß sie
gegen eine zusätzliche, ebenfalls U-förmig umlaufende Dichtung 31 gepreßt
werden, der jedoch nur eine geringe Bedeutung zukommt, da Dichtigkeit allein
schon durch Dichtelement 6 gewährleistet ist. Weiterhin ist in Fig. 2b die
als Kontrollnut dienende dritte Nut 16 erkennbar, in der sich ein Sensor 32
befindet, welcher bei Zutritt einer ionenleitenden Flüssigkeit mittels eines
Alarmgebers 33 ein Fehlersignal ausgibt, um den Betreiber auf die Möglichkeit
von Elektrolyt- bzw. Lösungsaustritt aufmerksam zu machen. Aufgrund der U-för
mig abschließenden Dichtflächen ist es möglich, die Zelle auch ohne Zellentrog
zu betreiben, wie dies anhand Fig. 2c dargestellt ist. Insofern kommt dem aus
Fig. 1 bekannten Zellentrog lediglich eine Sicherungsfunktion gegen fehler
haften Elektrolytaustritt sowie die Funktion als Auffangbassin für Elektro
lyt-Überlauf zu.
Weiterhin sind in Fig. 2a im Aufbruch Abflußöffnung 22, Gefällestrecke 23 und
Ausgangsöffnung 24 schematisch dargestellt, welche die Höhe des Lösungspegels
in der Zelle, d. h. im Anolytbereich festlegen und die Bildung einer elektro
lytischen Kurzschlußbrücke zwischen den Elektroden durch tropfenweisen Über
lauf verhindern.
Gemäß Fig. 2c sind die Ausgangsöffnungen 24 jeweils mit einem unten offenen
Ablaufrohr 36 verbunden, das die austretende Lösung zwecks Abtransport in eine
darunter liegende U-förmige Sammelrinne 37 leitet.
Für die Anwendung der Zelle in der Chromsäure-Regeneration wird eine Ionen
austauscher-Membran eingesetzt, die den mit Chromsäure gefüllten Anolytraum
gegen den mit Schwefelsäure gefüllten Katholytraum abtrennt. Bei der Anwendung
als Oxidationszelle für Methansulfonsäure, wird zwischen Anode und Kathode ein
Diaphragma eingesetzt.
Es ist weiterhin möglich, anstelle von Elektroden mit einem Träger aus Oxid
keramik auch Elektroden mit einem Träger aus lösungsbeständigem, elektrisch
leitenden Kunststoff einzusetzen.
Die Elektrodenrahmen bestehen vorzugsweise aus lösungsbeständigem Kunststoff,
wie PVDF oder PP, welcher eine maximale Betriebstemperatur von 140°C zuläßt.
Das mit der Druckbeaufschlagung verbundene Dichtelement sowie die übrigen
Dichtelemente bestehen vorzugsweise aus Silikon, es ist jedoch auch möglich
Dichtelemente aus Polytetrafluoräthylen bzw. Viton einzusetzen. Dabei spielt
die Elastizität eine wesentliche Rolle, um die Dichtigkeit bei Druckbeauf
schlagung zu gewährleisten.
Fig. 3 zeigt im Ausschnitt die Elektrodenrahmen 2 als integraler Bestandteil
eines die Elektroden umfassenden Zellentroges 1, welcher ebenfalls nach oben
hin freiliegend geöffnet ist. Die Elektrodenrahmen 2 werden dabei gemäß Fi
gur 3 in Form von parallelen, im Abstand zueinander U-förmig umlaufenden Rip
pen an den Wänden 38 des Zellentroges 1 gebildet, wodurch der Abstand der
Elektrodenrahmen fest vorgegeben ist und nicht mittels Schraubbolzen einge
stellt zu werden braucht. Die Zusammenpressung bzw. Abdichtung der Elektroden
erfolgt hier allein durch Druckbeaufschlagung der elastischen Dichtelemente.
Die Dichtelemente bestehen vorzugsweise aus einem Silikonschlauch, welcher
eine Temperaturbeständigkeit bis zu 80°C aufweist.
Auch wenn die Flüssigkeitsoberfläche nach oben hin offen ist, kann hier je
nach Anwendung eine gegebenenfalls mit Gasabführung versehene Abdeckung der
Elektrolyt- bzw. Anolyt- und Katholyt-Räume vorgesehen werden.
Claims (14)
1. Elektrochemische Zelle zur Durchführung elektrochemischer Prozesse mittels
ionenleitender Lösungen mit mehreren im wesentlichen plattenförmigen Elek
troden, die durch Rahmen im Abstand zueinander, zwischen jeweils zwei
benachbarten Elektroden einen Elektrolytraum bildend gehalten sind, wobei
die Elektrolyträume wenigstens im seitlichen und unteren Bereich flü
keitsdicht abgeschlossen sind und benachbarte Elektroden gegeneinander
elektrisch isoliert sind und wobei die Elektroden und die Rahmen lösbar
gegeneinander verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen min
destens einer Dichtfläche (3) eines Elektrodenrahmens (2) und der Dicht
fläche (5) der diesem Rahmen zugeordneten Elektrode (4) ein schlauchför
miges, in seinem Querschnitt dehnbares Dichtelement (6) lagefixiert einge
fügt ist, wobei die lösbare Verspannung durch die Querschnittsvergrößerung
des Dichtelementes (6) mittels Druckbeaufschlagung erfolgt.
2. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Elektroden
rahmen (2) auf wenigstens einer Seite ein schlauchförmiges Dichtele
ment (6) zugeordnet ist.
3. Zelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden
rahmen (2) in dem Zellentrog (1) lagefixiert angeordnet sind.
4. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rahmen (2) integraler Bestandteil des Zellentroges (1) sind.
5. Zelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (2) durch
parallel im Abstand zueinander umlaufende Rippen an den Wänden (38) des
Zellentroges (1) gebildet sind.
6. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dichtelemente (6) jeweils in einer Nut (8) lagefixiert sind.
7. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nut (8) im Elektrodenrahmen (2) gebildet ist.
8. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
schlauchförmige Dichtelement (6) einen Durchmesser im Bereich von 2 bis
6 mm aufweist, wobei der Innendurchmesser im Bereich von 1 bis 4 mm liegt.
9. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Dichtelement (6) mit einem Gasdruck im Bereich von 0,01 bis 10 bar beauf
schlagt wird.
10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
das Dichtelement in Richtung Zellentrogwand gesehen von einem weiteren
Dichtelement (10) umgeben ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die Dichtfläche (5) der Elektrode (4) als auch das Dichtelement (6)
U-förmig ausgebildet sind.
12. Zelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
Innere des Dichtelementes (6) an einen Drucklufterzeuger anschließbar ist.
13. Zelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenrahmen
oberhalb des u-förmigen Dichtelements eine von der zur Elektrode gerich
teten Innen-Seite bis zur äußeren Seite reichende Durchlauföffnung für die
Lösung aufweist.
14. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden als Bipolar-Elektroden ausgebildet sind.
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