EP0685576B1

EP0685576B1 - Elektrode für Elektrolysezelle

Info

Publication number: EP0685576B1
Application number: EP95102062A
Authority: EP
Inventors: Robert Dr. Scannell; Bernd Dr. Busse; Helmut Vormwald
Original assignee: Heraeus Elektrochemie GmbH
Current assignee: De Nora Deutschland GmbH
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2015-02-15
Also published as: EP0685576A1; DE59500185D1; US5589044A; DE4419274A1; ES2100750T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Elektrolysezellen, insbesondere für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführungen über Stäbe oder Stromzuführungsbolzen und Stromverteilern in Form von hochkant stehenden, mit Abstand zueinander angeordneten Flachprofilen, die an ihrer Unterkante mit senkrecht zu ihnen angeordneten aktivierten Elektrodenteilen aus bis zu 2 mm dicken, hochkant stehenden Flachprofilen mit vertikalen Außenseiten durch Verschweißen verbunden sind, wobei die aktivierten Elektrodenteile aus einer größeren Zahl von Einzelelementen bestehen als die Stromverteiler, und die aktivierten Elektrodenteile mit einem Spalt von wenigstens 2 mm zueinander angeordnet sind.
Aus der US-PS 40 22 679 ist eine Elektrode für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführungen über Stäbe oder Stromzuführungsbolzen bekannt, welche im Abstand zueinander angeordnete Flachprofile aufweist, die an ihrer Unterkante mit senkrecht zu ihnen angeordneten aktivierten Elektrodenteilen verbunden ist, wobei die aktivierten Elektrodenteile aus einer größeren Zahl von Einzelelementen bestehen, als die Stromfahrteile und die Einzelemente im Querschnitt gesehen eine sich verjüngende Unterkante aufweisen, die im wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist; als problematisch erweist sich bei solchen kreis- bzw. halbkreisförmigen Ausgestaltungen die Abfuhr der bei der Elektrolyse entstehenden Gasblasen, da diese einerseits den Ionenaustausch im elektrolytischen Spalt zwischen den Halbkreisprofilen und der Quecksilberkathode behindern, andererseits keine rasche Abzugsmöglichkeit haben, so daß im unteren Bereich der Profilanode mit einer Art Gasblasen-polster gerechnet werden muß; weiterhin ist die Höhe der Aktivierungsbeschichtung auf den Elektroden verhältnismäßig hoch, so daß auch die vom Elektrodenspalt verhältnismäßig weit entfernten Bereiche mit edelmetallhaltigen Substanzen versehen sind, jedoch praktisch kaum noch zu elektrochemischen Umsetzung beitragen.
Weiterhin ist aus der US-PS 43 64 811 eine Anode für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführung über einen Stab oder Bolzen bekannt, der mit aktivierten Elektrodenteilen aus Flachprofilen über der Stromverteilung dienenden und quer dazu verlaufenden Stromverteilern in Form von Rechteckprofilen verbunden ist; auch hier besteht die Gefahr der Bildung eines Gaspolsters im Elektrodenspalt, bzw. unterhalb der horizontal verlaufenden Unterkante der Elektrodenelemente, so daß eine rasche elektrochemische Umsetzung mit ausreichender Ionenzufuhr nicht möglich ist und die Umsetzung aufgrund der Gaserzeugung behindert wird; auch wenn eine günstige Stromverteilung über drei Leiterebenen mit optimal dimensionierten Flachprofilen hier möglich ist, stellt sich doch die Frage einer raschen elektro- chemischen Umsetzung im Elektrodenspalt und deren Behinderung durch Gasblasenerzeugung, bzw. Bildung eines Gaspolsters.
Die Problematik der elektrochemischen Umsetzung spielt auch bei Membran-Elektrolysezellen eine wichtige Rolle, wie aus der EP-PS 204 126 zu entnehmen ist; um eine Behinderung des Stromtransports durch Gasblasen zu vermeiden und eine Verbesserung der energieausnutzung zu erzielen, weisen die der Membran benachbarten Elektrodenteile Ausnehmungen auf, die eine verbesserte elektrochemische Umsetzung aufgrund der Oberflächenvergrößerung des aktiven Elektrodenbereichs und der Gasabführung ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Elektroden, bzw. Anoden für die Chloralkali-Elektrolysezelle so auszugestalten, daß der Gasabzug aus dem Bereich des Elektrodenspalts gefördert wird und eine möglichst gasblasenfreie Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt im Bereich des Elektrodenspaltes zur Verfügung steht; darüberhinaus soll eine hohe Energieausnutzung bei der Elektrolyse durch niedrige Elektrodenspannung erzielt werden.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß praktisch keine Verwirbelung des Elektrolyt-Gasgemischs im Elektrodenspalt mehr stattfindet, so daß vorteilhafterweise die Elektrodenspannung niedrig gehalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil ist in der Vergrößerung der im Seitenbereich befindlichen aktiven Fläche zu sehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen von oben im Querschnitt gesehen U-förmig ausgebildet, wobei sich insbesondere bei Ausnehmungen in Form eines Hohlquaders eine starke Vergrößerung der aktiven Oberfläche im Bereich der Seitenteile ergibt, so daß sich eine rasche elektrochemische Umsetzung mit verbessertem Wirkungsgrad ergibt.
Vorzugsweise werden Elektrodenelemente eingesetzt, deren U-förmige Ausnehmungen im Walzverfahren eingebracht sind; ein wesentlicher Vorteil ist in dem preisgünstigen Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl solcher Elektrodenelemente zu sehen, wobei der zunächst mit Ausnehmungen versehene gewalzte Strang durch einen Schneidevorgang in die einzelnen Elektrodenelement zerlegt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Ausnehmungen durch Fräsen einzubringen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1, 2a, 2b, 3, 4 und 5 näher erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch eine Elektrode für Elektrolysezellen, deren aktive Elektrodenelemente an ihren Seitenflächen Ausnehmungen aufweisen;
Figur 2a zeigt ausschnittsweise ein Elektrodenelement, an dem die geometrischen Verhältnisse der Aussparungen erkennbar sind;
Figur 2b zeigt ausschnittsweise zwei benachbarte Elektrodenelemente mit dazwischen liegendem Elektrodenspalt.
Figur 3 zeigt ausschnittsweise ein Elektrodenelement mit keilförmigen Ausnehmungen, deren kaminartiger Querschnitt sich nach oben hin verjüngt;
Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein Elektrodenelement mit hohlzylindrischen Ausnehmungen;
Figur 5 zeigt ausschnittsweise ein Elektrodenelement mit kegelstumpfförmigen Ausnehmungen, welche sich nach oben hin verjüngen.

Gemäß Figur 1 besteht die Elektrode 1 aus einer Vielzahl von stabförmigen Elektrodenelementen 2, die an ihren Seitenflächen mit Ausnehmungen 3 versehen sind, und an ihrer Oberkante 4 mit Stromverteilern 5 in Form von Flachprofilen durch Verschweißen verbunden sind; an ihrer Unterkante, bzw. im Bereich ihrer seitlichen Flächen 6 weisen die Elektrodenelemente 2 eine elektrokatalytische Beschichtung auf, die symbolisch mit Bezugsziffer 7 versehen ist. Die Oberkanten 8 der als Stromverteiler 5 dienenden Rechteckprofile sind mit einem Hauptstromverteiler 9 verbunden, welcher eine Anschlußöffnung 10 zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit einem hier nicht dargestellten Stromzuführungsbolzen aufweist; es handelt sich hierbei um eine sogenannte Drei-Ebenen-Elektrode, welche aus der DE-PS 29 49 495 bzw. US-PS 43 64811 bekannt ist. Da die Seitenflächen 11 wesentlich größer sind als die Grundflächen 12 der Ausnehmung steht für die elektrochemische Umsetzung eine vergrößerte Außenoberfläche oberfläche des Elektrodenelements 2 zur Verfügung. Das Verhältnis von Grundfläche zu liegt im Bereich von 1:1,5 bis 1:3, vorzugsweise bei 1:2.
Gemäß Figur 2a weist das ausschnittsweise dargestellte stabförmige Elektrodenelement 2 an seinen beiden Seitenflächen 11 Ausnehmungen 3 auf, welche sich mit Ausbuchtungen 13 mäanderförmig abwechseln, so daß im Querschnitt des Elektrodenelements 2 gesehen jeweils eine Ausnehmung 3 einer Ausbuchtung 13 gegenüberliegt; das Verhältnis der Breite der Ausnehmung b zur Höhe der Ausnehmung h liegt im Bereich von 1:2 bis 1:2,5, so daß die Gesamtgröße der Seitenflächen 11, die für die elektrochemische Umsetzung zur Verfügung steht wesentlich größer ist als die entfallenden Grundflächen 12 der Ausnehmung im Bereich der Fläche der Unterkante 14 und Oberkante 4 des Elektrodenelements. Die elektrokatalytische Beschichtung 7 ist im gesamten Bereich der Unterkante 14, bzw. der dem Quecksilber zugewandten Bodenfläche, im Bereich der seitlichen Flächen 6 der Ausbuchtungen 13, der Seitenflächen 11 sowie der Ausnehmungsflächen 15 aufgebracht, wobei es möglich ist zusätzlich die Oberkante 4 des Elektrodenelements mit elektrokatalytischer Beschichtung zu versehen; es ist jedoch auch möglich, die elektrokatalytische Beschichtung nur im unteren Bereich der seitlichen Flächen 6, Seitenflächen 11, Ausbuchtungen 13 und Ausnehmungen 15 sowie der Bodenfläche im Bereich der Unterkante aufzubringen.
Figur 2b zeigt ausschnittsweise zwei benachbarte Elektrodenelemente 2, zwischen denen ein mäanderförmiger Elektrodenspalt 17 ausgebildet ist; aufgrund der mäanderförmigen Struktur ergibt sich nicht nur eine Oberflächenvergrößerung der aktiven Oberfläche sondern auch zusätzlich ein Kanalisierungseffekt für die bei der elektrochemischen Umsetzung entstehenden Gasblasen, so daß eine Verwirbelung der Gasblasen innerhalb des Elektrolyten weitgehend vermieden wird und ein rascher Abzug der Gasblasen ermöglich wird. Das Verhältnis der Tiefe t der Ausnehmungen 3 zur Spaltbreite s zwischen den Elektrodenelementen 2 liegt im Bereich von 1:2 bis 1:2,5.
Gemäß Figur 3 ist es möglich, die Ausnehmungen 3 des ausschnittsweise dargestellten stabförmigen Elektrodenelements 2 keilförmig auszugestalten, wobei das Verhältnis der Tiefe u der Ausnehmung im Bereich der Unterkante 14 zur Tiefe der Ausnehmung v im Bereich der Oberkante 4 der Ausnehmung im Verhältnis von 1:1,8 bis 2 liegt. Der Neigungswinkel der Ausnehmungsfläche 15 zur Vertikalen liegt im Bereich von 10 bis 22°, in einer bevorzugten Ausführungsform bei ca. 15°.
Aufgrund der Keilform ergibt sich im besonders aktiven Bereich des Elektrodenspalts zwischen der hier nicht dargestellten Quecksilberkathode und dem Elektrodenelement 2 eine verhältnismäßig starke Gasblasentwicklung, welche durch den sich nach unten keilförmig erweiternden Raum der Aussparungen gezielt nach oben abgeführt werden kann, wobei aufgrund des sich verjüngenden Querschnitts zusätzlich eine Art Kamineffekt zur verbesserten Ausschleusung der Gasblasen erzielt wird.
Figur 4 zeigt ausschnittsweise ein stabförmiges Elektrodenelement 2, das hohlzylindrische Ausnehmungen 3 aufweist, wobei die Ausnehmungen 3 und Ausbuchtungen 13 mäanderförmig angeordnet ist, so daß die jeweilige Ausnehmung 3 an ihrer tiefsten Stelle jeweils einer Ausbuchtung 13 gegenüberliegt. Die eigentlichen Ausnehmungen 13 bilden hohlzylindrische Segmente, deren Sekanten 20 durch die Oberkante 4 und Unterkante 14 der Elektrodenelemente vorgegeben sind. Das Verhältnis der Sekantenlänge zum fiktiven Radius der Hohlzylinder liegt im Bereich von 1,6:1,2.
Als vorteilhaft erweist sich bei einer solchen hohlzylindrischen Ausnehmung die verhältnismäßig einfache Herstellungsmöglichkeit der Ausnehmungen durch Fräsen.
Figur 5 zeigt ausschnittsweise ein stabförmiges Elektrodenelement 2, dessen Ausnehmungen 3 in Form von Hohlkegelsegmenten ausgebildet sind, wobei die durch eine Kegelstumpfmantel gebildete Ausnehmungsfläche 15 im Nachbarbereich zur Ausbuchtung 13 gemäß Querschnitt entlang Linie AB mit der Vertikalen einen Winkel im Bereich von 10 bis 22°, vorzugsweise 16° bildet. Auch hier tritt ähnlich wie in der anhand Figur 3 beschriebenen keilförmigen Ausnehmungsausbildung ein zusätzlicher Kamineffekt zum Sammeln der Gasblasen im unteren Bereich der Elektrode und eine beschleunigte Abführung der Gasblasen statt.

Claims

Elektrode für Elektrolysezellen, insbesondere für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführungen über Stäbe oder Stromzuführungsbolzen und Stromverteilern in Form von hochkant stehenden, mit Abstand zueinander angeordneten Flachprofilen, die an ihrer Unterkante mit senkrecht zu ihnen angeordneten aktivierten Elektrodenelementen aus hochkant stehenden Flachprofilen mit vertikalen Seitenflächen verbunden sind, wobei die aktivierten Elektrodenelemente aus einer größeren Zahl von Einzelelementen bestehen als die Stromverteiler, und die aktivierten Elektrodenteile mit einem Spalt von wenigstens 2 mm zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (2) im Bereich ihrer seitlichen Flächen (6) Ausnehmungen (3) aufweisen, die sich von der Unterkante (14) bis zur Oberkante (4) der seitlichen Flächen erstrecken.
Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) im Querschnitt von oben gesehen kurvenförmig ausgebildet sind.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) mäanderförmig eingebracht sind, so daß von oben gesehen sich jeweils eine Ausnehmung und eine zwischen zwei Ausnehmungen (3) befindliche Ausbuchtung (13) gegenüberliegend angeordnet sind.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) als Teil eines Hohlquaders ausgebildet sind.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) als Teil eines Hohlzylinders ausgebildet sind.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) als Teil eines Hohlkegels ausgebildet sind.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) eingefräst sind.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen(3) eingewalzt sind.