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Poröse Mehrzweckelektrode für elektrochemische Prozesse
Die für elektrochemische Prozesse benötigten Elektroden sind in einer Vielfalt an Ausführungen bekannt. Wenn man von Lösungselektroden absieht, wie sie in Primärelementen, bei der galvanischen Technik und der elektrolytischen Metallraffination verwendet werden, verbleiben sogenannte unangreifbare"Elektroden, an welchen bei Durchgang von elektrischem Strom Reduktions- bzw. Oxydationsvorgänge stattfinden.
Um diese Vorgänge zu erleichtern, sowohl hinsichtlich der Heranführung der an den Elektroden in Reaktion tretenden Stoffe, als auch der Überspannungserscheinungen, werden grossoberflächig Elektroden verwendet. So wird z. B. für die elektrolytische Zerlegung des Wassers die Oberfläche der Elektroden durch Sandstrahlen, Abscheidung rauher Metallniederschläge oder Herauslösen von Bestandteilen der Elektrode erreicht, während anderseits luftdepolarisierte Kohleelektroden mit feinsten Poren durchsetzt sind, in welchen der Depolarisationsvorgang stattfindet. Der Kohleelektrode ähnlich im Hinblick auf den Aufbau und die Wirksamkeit sind die Sauerstoff- und Wasserstoffelektroden der Brennstoffelemente, die aus feinporigen Materialien bestehen und in die unter Umständen Gas unter hohem Druck (mehrere atü) geführt werden muss.
Es sind ferner poröse Kohleelektroden bekannt geworden, die einheitlich aus wohldefiniertem Kohlenmaterial aufgebaut sind und bei denen den Elektroden zugeführtes Gas durch die Wandung derselben in den Elektrolyten austritt.
Auch an sich unporöse durchbrochene Metallelektroden sind bekannt geworden, auf deren Oberfläche poröse Schichten aus elektrisch nicht leitendem Material aufgetragen sind, die als Diaphragma wirken. Bei dieser Anordnung besteht jedoch keine Möglichkeit einer Gaszufuhr zur Elektrode.
Die Nachteile derartiger Elektroden sind wohl offensichtlich. Durch Aufrauhung der Oberfläche werden wohl die Überspannungserscheinungen an den Elektroden herabgesetzt, doch in recht begrenztem Umfange. Zudem verbleibt ihnen die Eigenschaft, an der Entladungsfläche eventuell entwickeltes Gas im umgebenden Elektrolyten hochsteigen zu lassen, was die Durch- führung elektrochemischer Prozesse oft empfindlich stört. Anderseits sind gasdepolarisierte, feinporige Elektroden üblicher Bauart, falls es sich um begaste Elektroden handelt, in ihrer Wirkung von den Diffusionsgeschwindigkeiten der Gas- und Flüssigkeitskomponenten abhängig, bei durch gasten Elektroden tritt wiederum die störende Einwirkung von Gas im Elektrolyten auf, abgesehen von Gas- und Energieverlusten, die dabei unvermeidlich sind.
Eine Sonderform an Elektroden stellen die sogenannten Förderelektroden dar, wie sie bei der Chloralkalielektrolyse mit festen Kathoden in einer Ausführungsform bekannt geworden sind, bei welcher der entwickelte Wasserstoff mittels einer oberhalb der Elektrode angebrachten zusätzlichen Gasführung den Elektrolyten nach Art der Mammutpumpe aus der Zelle herausfördert und dadurch auch die bei dem Verfahren benötigte Elektrolytströmung bewerkstelligt.
Gegenstand der Erfindung ist eine poröse Mehrzweckelektrode für elektrochemische Prozesse mit einem Kern und einem festhaftenden, dauernd mit dem Elektrolyten erfüllten Überzug aus leitendem und/oder nichtleitendem Material, mit einer Einrichtung zur Zu- und/oder Abfuhr von Gas und/oder Flüssigkeit.
Erfindungsgemäss besteht der gasdurchlässige Elektrodenkern aus Leiter- und/oder Halbleiterteilchen, die unter Beibehaltung ihrer Form an- einander gesintert sind. Der Kern besitzt eine
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bedeckt, der bei einer Porengrösse von kleiner als 20 P. eine Porosität von 30 bis 75% besitzt, wobei die Differenz der Porengrösse zwischen Kern und Überzug mindestens 10 [i beträgt. Die Elektrode ist ferner mit Kanälen versehen, die im Elektrodenkern enden.
Die Elektrode besitzt eine grosse Oberfläche und ist bei Wahl eines geeigneten Materials auch depolarisierbar, ihr Innenkörper ist gasdurchlässig, kann also durchgast werden, ohne dass Gas, aus weiter unten beschriebenen Gründen, in den Elektrolyten übertritt. Dadurch werden Störungen der gewünschten elektrochemischen Vorgänge in dem die Elektrode um-
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Verteilung der Reagenzien im Kernvolumen, vorzugsweise Kanäle besitzt, die längs oder quer zum Überzug durch den Kern in beliebiger Länge verlaufen. Zur Ableitung von Flüssigkeiten oder Gasen aus der Elektrode wird vorzugsweise ein ähnliches oder gleiches Kanalsystem in der Elektrode angeordnet (falls man es nicht vorzieht, die Reagenzien durch Öffnungen in dem Überzug unmittelbar in den Elektrolyten der Zelle strömen zu lassen).
Dies ermöglicht bei Anfertigung sehr grosser Elektroden den Weg der Reagenzien durch den Elektrodenkern nach Belieben abzukürzen, indem beispielsweise Zuführungs- und Ableitungskanäle des Innenkörpers unter Einhaltung beliebigen Abstandes von Zuführungskanal zu Abführungskanal kammartig ineinandergreifen.
Der Betrieb derartig gebauter Elektroden kann nach völlig neuen Gesichtspunkten erfolgen. Zum Beispiel kann ein gasförmiger Depolarisator beliebig durch den grobkörnigen Kern der Elektrode gedrückt und/oder aus diesem gesaugt werden, wobei die Strömungsrichtung des Gases vorzugsweise parallel oder annähernd parallel zum feinporigen Überzug liegt. Man erzielt eine wesentlich gesteigerte Nutzung des Gases bei einmaligem Durchgang durch die Elektrode und erreicht einen Gasverbrauch, der den theoretisch erforderlichen Bedarf nur unwesentlich übersteigt.
Einen Sonderfall stellt eine Elektrode dar, deren Kern aus Partikeln aus elektrischen Leitern besteht, die sich während des Betriebes mit einer Halbleiterschicht überziehen bzw. bedeckt werden, welche durch ihre elektrochemische, chemische, katalytische oder physikalische Wirksamkeit den Betrieb der Elektrode unterstützt. Der Elektrolyt, der die Elektrode umgibt, dringt durch den feinporigen Überzug infolge der Kapillarwirkung in den Elektrodenkern ein und reagiert dort elektrochemisch und/oder chemisch mit den der Elektrode von aussen zugeführten Gasen und/oder Flüssigkeiten. Wird z.
B. eine solche Elektrode gegen eine Natriumionen abgebende Anode in alkalischem Medium als Kathode betrieben, an der normalerweise Wasserstoff entwickelt werden würde, so bildet sich aus dem Wasserstoff, dem zugeführten Depolarisationsmittel (Sauerstoff) und den in die Kathode eindringenden Natriumionen Lauge. Bekanntlich ist Lauge aber nur bis zu Konzentrationen von 65% bei normalen Temperaturen noch flüssig. Beim Betrieb dieser Elektrode im vorhin erwähnten Sinn würde aber die Konzentration wesentlich höher ansteigen und es würde zur Auskristallisation innerhalb der Elektrode kommen. Um dies zu verhindern, muss man zusätzlich Wasser dem Kern der Elektrode zuführen, um so die gewünschte Konzentration von zirka 50% einhalten zu können.
Zur Illustration der Wirkungsweise einer derartigen Mehrzweckelektrode werden zwei Beispiele gegeben :
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Entladung der Wasserstoffionen entstehende atomare Wasserstoff reduziert das immer wieder gebildete Oxydul, bevor er noch durch Rekombination Wasserstoffmoleküle bildet und als
Gas entweicht. Es treten an einer solchen Elektrode also mehrere Prozesse gleichzeitig auf.
Abwechselnde Oxydation und Reduktion des Elektrodenmaterials, wobei durch die kalte" Verbrennung des H2 Energie gewonnen werden kann, Einsparung der sonst zur Abscheidung des H2 erforderlichen Energie, Verhinderung des Durchtretens von allenfalls überschüssigem Sauerstoff in den Elektrolyten, da der zur Durchgasung aufgewendete Druck nicht ausreicht, den Durchgangswiderstand der feinporigeren und daher kapillarwirksameren vom Elektrolyt erfüllten Aussenschicht zu überwinden.
Es kommt zu keinen Verarmungserscheinungen, wie sie infolge von Anteilen an Inertgas bei Diffusionselektroden auftreten, die Elektrode wird ständig vom Elektrolyten durchspült, wodurch es zu keinen Konzentrationsänderungen im Elektrolyten innerhalb und ausserhalb der Elektrode kommen kann und schliesslich besteht die Möglichkeit, ungenutztes Gas leicht auffangen zu können, von mitgeführtem Elektrolyten zu trennen und neuerlich zu verwenden.
Es versteht sich, dass eine gleichermassen aber aus andern geeigneten Materialien (z. B. Nickel) aufgebaute Elektrode mit Vorteil auch als Wasserstoffelektrode verwendet werden kann.
Bekanntlich führt bei elektrolytischen Vorgängen die lonenwanderung zu Konzentrationsverschiebungen innerhalb des Elektrolyten. Da bei Betrieb der oben beschriebenen Mehrzweckelektrode der Elektronenübertritt an der Oberfläche des groben Kornes des Kernes der Elektrode stattfindet, reicht die Wanderung der Ionen bis in das Innere der Elektrode hinein. Die nichtdurchgaste (leitende oder nichtleitende) Aussenschichte bleibt naturgemäss wirkungslos.
Somit erscheint es vorteilhaft, eventuelle Elektrodenprodukte, beispielsweise kathodisch gebildete Natronlauge oder anodisch gebildete Schwefelsäure, über den Kern der Elektrode aus der Zelle zu entfernen. Entsprechend der eingestellten Flüssigkeitsförderleistung der Elektroden kann man je nach Wunsch mehr oder minder konzentrierte Lösungen erhalten. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Elektrode liegt in ihrer Wirkung als Flüssigkeitspumpe.
Die Regelung der Förderleistung kann nach Belieben erfolgen, wenn die besonderen Bedingungen beachtet werden, unter denen die Elektrode arbeitet. Der poröse Elektrodenkörper saugt sich infolge Kapillarwirkung selbsttätig mit Elektrolyt voll. Die Durchgasung des Kernes kann durch Aufrechterhaltung eines Überdruckes an der Gaseintrittsstelle oder eines Unterdruckes an der Austrittsstelle des Gases erfolgen. Durch Kombination beider Möglichkeiten und Bemessung der den Elektrodenkern verlassenden Gasmenge hat man es in der Hand, mehr oder
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weniger Elektrolyt aus der Elektrode mit Hilfe von zugeführtem Gas herauszubefördern. Die gleiche Pumpwirkung kann naturgemäss auch mit einem am Elektrodenkern abgeschiedenen Gas erzielt werden. In beiden Fällen ist eine weitere Reguliermöglichkeit durch Variation der Förderhöhe gegeben.
In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Elektrode dargestellt. Die Schnitte zeigen den Aufbau der Elektrode. Der grobporige Kern 3 ist mit dem feinporigen Überzug 4 versehen. Durch das Rohr 1 wird Gas und/oder Flüssigkeit zu- und durch das Rohr 2 abgeleitet. Die Rohre setzen sich im grobporigen Kern in den Kanälen 5 fort. Eines der Rohre dient gleichzeitig zur Stromzuführung, die über das Anschlusskabel 6 erfolgt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Poröse Mehrzweckelektrode für elektrochemische Prozesse mit einem Kern und einem festhaftenden, dauernd mit dem Elektrolyten erfüllten Überzug aus elektrisch leitendem und/ oder nicht leitendem Material, mit einer Einrichtung zur Zu-und/oder Abfuhr von Gas und/oder Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenkern (3) gasdurchlässig ist, aus Leiter- und/oder Halbleiterteilchen besteht, die unter Beibehaltung ihrer Form aneinander gesintert sind, und bei einer Porengrösse von grösser als 20 eine Porosität von 30 bis 75% besitzt, dass ferner der den Kern (3) zur Gänze oder zum Teil bedeckende nicht in Reaktion
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sehen ist, welche im Elektrodenkern enden.