CH645138A5 - Elektrodenanordnung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, Elektrolyseeinrichtung.

In der Elektrochemie hat immer die industrielle Herstellung von Chloralkali und Chlorat vorgeherrscht. Diese Produkte sind wirtschaftlich am wichtigsten gewesen und haben infolgedessen das grösste Interesse beansprucht. Für diese Anwendungen sind im Laufe der Zeit eine Vielzahl von elektrochemischen Elementen oder Zellen entwickelt worden. Die vorherrschenden Zellenarten, nämlich die Quecksilbers

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zelle und die Diaphragmazelle, haben ihre Stellung lange Zeit beibehalten und die vorgenommenen Verbesserungen sind von untergeordneter Bedeutung gewesen. Zwei wichtige Neuerungen haben jedoch während des letzten Jahrzehnts neue Entwicklungsanstösse gegeben. Diese zwei Neuerungen sind die hydraulisch stabilen und beständigen Ionenaus-tauschmembrane und die dimensionsbeständigen Anoden.

Im Hinblick auf die Zellenentwicklung bestand die Schwierigkeit darin, die Einrichtungen so anzupassen, dass der grösstmögliche Vorteil aus den Neuerungen gezogen werden konnte. Die Elektroden sind oft als permeable, durchlässige Elektroden ausgebildet, um ihnen dadurch die grösstmögliche Fläche zu geben und damit die Membran so nahe wie möglich bei der Elektrode angeordnet werden kann. Auch ist man wieder zu pressfilterförmigen Zellen zurückgekehrt, da diese besser zu den zweidimensionalen Membranen passen. Jedoch ist die Wartung schwierig gewesen, da der Wunsch bestand, eine komplette Zellenreihe nicht abschalten zu müssen, wenn beispielsweise eine gebrochene Membran oder irgendein anderer Mangel gewartet bzw. behoben wird. Als Lösung ist vorgeschlagen worden, jedes Elektrodenpaar als ein einzeln austauschbares Paket auszubilden, wie es beispielsweise in der US-PS 4 056 458 beschrieben ist.

All diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie sehr genau bei einem Verfahren, nämlich einer Chloralkali-Herstellung, angewendet werden. Sie eignen sich jedoch selten für andere elektrochemische Prozesse, und zwar insbesondere dann, wenn die Volumen klein sind und die Produkte nicht mehr länger die Kosten von besonders angepassten Anordnungen tragen. Dies wurde vor allem auf dem Gebiet der organischen Elektrochemie festgestellt, wo viele Verfahren, welche an sich vielsprechend sind, aufgrund der Notwendigkeit zurückgehalten worden sind, dass auch eine entsprechende Elektrolyseeinrichtung geschaffen werden muss.

Eine flexible, anpassungsfähige Zelle, welche vielseitig verwendbar ist, muss Anforderungen entsprechen, welche in gewisser Beziehung nicht dieselben sind, wie für eine Chlorzelle. Auch hier besteht die Forderung nach einem geringen Elektrodenabstand und der Wunsch nach einer Ausführungsform mit einer gewissen Packungsdichte. Die Elektroden müssen jedoch leicht austauschbar sein, da verschiedene Verfahren auch verschiedene Elektrodenmaterialien erfordern. Ferner muss die Zelle oder das Element aus einem Material hergestellt sein, das gegenüber möglichst vielen vorstellbaren Elektrolyten korrosionsbeständig ist. Auch ist es bekannt,

dass viele Metalle den Elektrodenprozess stören und zu einer Vergiftung der Elektroden führen. Eine Zelle oder ein Element, welche aus einem inerten Kunststoffmaterial hergestellt sind, wären daher sehr wünschenswert. Wenn die einzelnen Teile der Zelle gespritzt werden könnten, könnte eine Genauigkeit erreicht werden, welche für ein richtiges Abdichten gefordert ist, und es könnten zu grosse Potentialgradienten an der Elektrodenoberfläche infolge eines sich ändernden Elektrodenabstandes vermieden werden. Auch könnte dadurch der Preis niedrig gehalten werden, wenn eine Herstellungsreihe entsprechend lang sein könnte. Zum Formspritzen ist es jedoch erforderlich, dass die Anzahl der verschieden geformten Teile niedrig gehalten werden kann.

Ziel der Erfindung ist es, eine Elektrodenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche den vorstehend angeführten Forderungen genügt und bei welcher die Nachteile der bisherigen Anordnungen vermieden sind. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht.

Bei der Erfindung ist somit die Elektrode entlang ihres Umfangs von den Innenrahmen umgeben und zwischen diesen eingesetzt, und ist vorzugsweise dadurch festgelegt, dass sie in Vertiefungen oder Ausnehmungen an den Innenrändern der Innenrahmen sitzt. Das in jedem der Innenrahmen vorgesehene Gitter ist so bemessen, dass es die durch jeden Innenrahmen festgelegte Mittenöffnung bedeckt, und die Öffnung grenzt an die Ausnehmungen in dem Innenrahmen an, wobei diese Ausnehmungen eine Kammer für den einströmenden Elektrolyten und eine Kammer für den ausströmenden Elektrolyten bilden. Vorzugsweise haben sowohl die Elektrode als auch die Innenrahmen eine Rechteckform, wobei die Kammer für den einströmenden Elektrolyten und die Kammer für den ausströmenden Elektrolyten an den unteren bzw. oberen Rändern des Innenrahmens angeordnet sind.

Der Ausdruck «gegenüberliegend», wie er in Verbindung mit dem vorsprungförmigen Ansatz verwendet ist, muss daher breit ausgelegt werden. Der vorsprungähnliche Ansatz ist in der Kammer für den einströmenden Elektrolyten angeordnet, um so zu verhindern, dass der Elektrolyt, ohne seitlich verteilt zu werden, unmittelbar in die Elektrodenkammer gelangt.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die Innen- als auch die Aussenrahmen aus einem spritzbaren Polymer hergestellt und werden jede für sich in zwei getrennten Formen geschaffen. Der Innenrahmen und das Gitter bilden eine Einheit, indem das Gitter an dem Innenrand der Mittenöffhung des Innenrahmens angebracht ist. Folglich können mit der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung zum ersten Mal Synthesezellen aus gespritzten Rahmenteilen hergestellt werden. Aufgrund der erfindungsgemässen Ausführung kann die Spritztechnik wirtschaftlich angewendet werden, da nur zwei die Elektrode umgebende Rahmenteile hergestellt werden müssen, so dass nur zwei Spritzformen erforderlich sind.

Mit der Erfindung kann somit die Anzahl von verschieden geformten Konstruktionselementen, welche für die Zellenfunktion kritisch sind, auf ein Minimum herabgestzt werden, was in wirtschaftlicher Hinsicht eine wichtige Voraussetzung ist, da die Spritzwerkzeuge teuer sind. Eine grose Anzahl identischer Einzelheiten kann jedoch in separater Form mit geringen Kosten hergestellt werden, und es ist mindestens genau so wichtig, dass das für die Einzelheiten vorgesehene Material im Hinblick auf seine Widerstandsfähigkeit gegen Chemikalien ausgesucht weren kann. Beispielsweise können Materialien wie Polyvinylfluorid oder Polyvinylidenfluorid verwendet werden (z.B. «Dyflor 2000» oder «Kynar»), wobei es bei diesen Materialien beinahe unmöglich ist, sie bei Bauteilen mit geringen Querschnitten und bei strengen Toleranzenanforderungen maschinell zu verarbeiten. Um eine gute Abdichtung der Zelle, ein Festlegen und Abdichten der Membran, ein Festlegen der Elektrode, geringe Dimensionsabweichungen bezüglich des Elektrodenabstandes und vor allem um eine Elektrolytverteilung und eine Art Barriere zur gesteuerten und gleichförmigen Strömungsverteilung zu erreichen, ist es unbedingt erforderlich, dass hohe Anforderungen an die Masstoleranzen bei diesen Einzelheiten in einem Zellenaufbau gestellt werden. Die Spritztechnik ist hierbei das einzige Herstellungsverfahren, dass bei dieser Art von Materialien diesen Anforderungen genügt. Obwohl vorstehend Polyvinylidenfluorid als ein besonders geeignetes Material angeführt worden ist, können die Rahmen genau so gut auch aus anderen Materialien, wie beispielsweise Polypropylen, Polystyrol, Nylon usw., d.h. aus jeder Art von spritzbarem Kunststoffmaterial, hergestellt werden.

Durch die besondere Ausbildung der Innenrahmen im Hinblick auf die Elektrolytverteilung, welche durch die mit der Spritztechnik erzielbare hohe Genauigkeit möglich geworden ist, kann eine genau festgelegte, sogenannte ideale Strömung durch die Zelle erreicht werden. Bei der Erfindung kann die Elektrolytverteilung sowohl durch den vorsprung-

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ähnlichen Ansatz an den Innenrahmen, welcher entsprechend hoch ist, so dass er an dem gegenüberliegenden Innenrahmen anliegt, als auch durch die Einschnürungen erreicht werden, welche vorzugsweise durch eine Anzahl kleiner Ansätze gebildet sind, zwischen welche zu der Elektrode führende Kanäle ausgebildet sind. Die Ansätze sollten hoch genug sein, damit sie an der Elektrode an dem gegenüberliegenden Innenrahmen anliegen.

Da der vorbeschriebene Fall, bei welchem nur zwei Spritzformen (für den Innen- bzw. Aussenrahmen) erforderlich sind, den Idealfall darstellt, weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zwei identische Innenrahmen auf. Dies wiederum bedeutet, dass die vorsprungförmigen Ansätze sowie die Einschnürungen an beiden Innenrahmen vorhanden sind und so hoch ausgebildet sind, dass sie aneinander anliegen, wenn die Elektrodenanordnung zusammengebaut ist.

Die Breite des vorsprungförmigen Ansatzes ist dem ankommenden Elektrolytstrom angepasst, so dass dieser beispielsweise in beiden Richtungen seitlich zu dem äussersten Kanal in bzw. auf die Elektrode geleitet wird. Dadurch kann eine äusserst gleichförmige Verteilung des Elektrolyten über die ganze Elektrode d.h. über die ganze Breite sowie über die gesamte Höhe der Elektrode erreicht werden. Der Ausdruck ideale Strömung bedeutet somit, dass der Elektrolytstrom über der Elektrode eine im wesentlichen gerade Vorderfläche hat.

Das Gitter in den Innenrahmen, welches vorzugsweise ein Teil der Rahmen selbst ist, erfüllt verschiedene wichtige Aufgaben. Da das Gitter aus in zwei Ebenen liegenden Rippen oder Stegen gebildet ist, kann eine Turbulenz erzeugt werden, da die Strömung abwechselnd gezwungen wird, über und unter den Rippen hindurchzufliessen. Die Tatsache, dass die Rippen schräge Winkel zu dem der Elektrode zugeführten Eiektrolytfluss bilden, bedeutet, dass die Gasfreisetzung erleichtert wird, da sich die Gasblasen nicht an dem Gitter festsetzen. Ein besonders bevorzugter Winkel für die Rippen bezüglich des Elektrolytstroms liegt zwischen 30° und 60°, z.B. bei 50°. Im Falle einer Membranzelle kann das Gitter ferner einen Träger für die Membran bilden, welche die Kathoden- und Anoden-Elektrolyte trägt. Die Gitterform verbessert durch ihre Wirkung auf den Eiektrolytfluss auch die Reaktionsausbeute, da sie die Bedingungen für eine gleichförmige Strombelastung über die ganze Elektrodenoberfläche schafft, und verbessert auch den Massentransport.

Die Hauptaufgabe des Aussenrahmens soll darin bestehen, einen Raum für Öffnungen für den Zufluss und den Abfluss des Elektrolyten in die bzw. aus der Zelle zu schaffen. Diese Öffnungen sind dementsprechend am Boden bzw. an der Oberseite des Rahmens angeordnet. Von den Öffnungen steht zumindest ein Verteilungskanal mit den Einlass- bzw. Auslasskanälen der Innenrahmen in Verbindung. In Synthesezellen der vorbeschriebenen Art ist oft eine Trennung des Elektrolytsystems mittels einer Membran erforderlich, um dadurch einen Eiektrolytfluss um die Anode und einen anderen Eiektrolytfluss um die Kathode zu verteilen.

Folglich sind zwei getrennte Elektrolytkreise zu schaffen, welche gleichmässig in die Zelle eingebracht und in dieser verteilt werden müssen. Bisher war oft eine grosse Anzahl unterschiedlich geformter Bauelemente erforderlich. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Aussenrahmen zwei Öffnungen zum Zuführen und zwei Öffnungen zum Abfliessen des Elektrolyten aufweist und bei welcher nur eine der jeweiligen Öffnungen über einen Verteilungskanal mit den Innenrahmen in Verbindung steht, sind diese zwei Funktionen durch ein- und dasselbe Detail erreicht. Nur durch Drehen der Aussenrahmen um 180° kann der Elektrolyt abwechselnd auf die Anoden- bzw. Kathodenkammern verteilt werden. Durch Drehen des Aussenrahmens läuft auf diese Weise die Strom versorgungseinrichtung der Elektrode, welche nachstehend im einzelnen beschrieben wird, abwechselnd auf der einen oder der anderen Seite, wodurch im hohen Masse eine Parallel- oder Reihenschaltung erleichtert wird. Eine grössere Anzahl von Öffnungen zum Zuführen und Abfliessen des Elektrolyten ist in den Fällen denkbar, wo mehr als zwei verschiedene Elektrolyte in der Zelle verteilt werden müssen, wie beispielsweise bei der Elektrodialyse.

Eine weitere wichtige Funktion des Aussenrahmens hängt mit der Verwendung der Elektrodenanordnung in einer Membranzelle zusammen. In diesem Fall ist der Aussenrahmen auf einer Seite mit mehreren, z.B. drei Umfangs-rippen versehen, wodurch die Membran festgeklemmt und abgedichtet werden kann. Folglich kann die Membran, welche die Elektrolytkammern trennt, durch die Rippen in einfacher Weise dadurch gehalten werden, dass die Membran einfach gegen die Rippen gedrückt wird.

Durch diese Halterung ergibt sich eine Labyrinthdichtung, so dass die Gefahr eines Leckens an der äussersten Rille hinter der letzten Rippe und damit ausserhalb der Elektrolytkammer äusserst gering ist. Durch den vorgesehenen Aufbau ist es somit möglich, die erforderliche Membranfläche bezüglich der Elektrodenfläche auf ein Minimum herabzusetzen, was von grosser wirtschaftlicher Bedeutung ist, da die Membrankosten in diesem Zusammenhang stark ins Gewicht fallen. Die Abdichtung kann darüber hinaus ohne eine Dichtmasse, Dichtungen oder O-Ringe erreicht werden, was als ein erheblicher Vorteil im Vergleich zu den bisher angewandten Verfahren angesehen werden muss.

Die Verriegelungsvorrichtung zum Halten der Innenrahmen an den Aussenrahmen weist folglich mindestens zwei ineinanderpassende Teile auf, die jeweils auf der Innenseite des Innenrahmens angeordnet sind und mit dem jeweiligen Rahmen eine Einheit bilden, da diese Verriegelungseinrichtungen für eine sehr einfache Montage vorgesehen sind. Ferner sind die Verriegelungseinrichtungen vorzugsweise unterschiedlich ausgebildet, um dadurch zu vermeiden, dass die Rahmen beim Zusammensetzen fälschlicherweise gedreht werden. Ein Verriegeln bzw. ein Halten kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, dass die beiden Innenrahmen unmittelbar ineinander eingreifen, indem die Innenrahmen in Rillen an dem inneren Rand des Aussenrahmens eingreifen und dadurch in seitlicher und vertikaler Richtung festgelegt sind. Neben dieser Verbindungsart können auch andere Arten angewendet werden. Beispielsweise können die beiden Innenrahmen unmittelbar an jeder Seite des Aussenrahmens mit Hilfe einer Verriegelungseinrichtung festgehalten werden.

Die vorbeschriebene Anordnung, bei welcher ein Aussenrahmen und zwei Innenrahmen um jede Elektrode vorgesehen sind, ist einzigartig und besonders vorteilhaft und erleichtert die Handhabung wesentlich. Ferner kann ein ganzer Stapel aus mehreren Elektrodenanordnungen oder -Packungen als eine Einheit verwendet werden. Trotzdem können bei der Erfindung die Elektroden und Membranen sehr leicht entfernt und ausgetauscht werden, worin ein sehr wesentlicher Beitrag für dieses Gebiet der Technik gesehen werden kann.

Die Verwendung des Aussenrahmens gemäss der Erfindung hat noch einen weiteren Vorteil, da die Stromleiter durch Bohrungen durch den Rand des Rahmens geführt werden können. Folglich sind praktisch alle Abdichtungsschwierigkeiten, die gewöhnlich in Verbindung mit Stromleitern auftreten, beseitigt. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Stromleiter der Elektrode an einem Seitenrand angeordnet, wobei die Löcher oder Boh5

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rungen in den Aussen- bzw. Innenrahmen zum Durchführen der Stromleiter jeweils an entsprechenden Stellen in dem Seitenrand des Aussenrahmens bzw. der Innenrahmen vorgesehen sind. Durch das unmittelbare seitliche Verbinden zwischen in Reihe geschalteten Elektroden kann in vorteilhafter Weise ein kurzer Weg für die Stromübertragung geschaffen werden, was auf eine kleine Leiterfläche hinausläuft und gute Kühlmöglichkeiten zur Folge hat. Die Stromleiter können ferner einen kreisförmigen Querschnitt haben, was auch dazu beiträgt, dass sie leichter abgedichtet werden können als die bisher verwendeten Stromleiter, welche im allgemeinen die Form von flachen Federn haben, die an der Elektrodenplatte angeordnet sind und von deren oberen Rand vorstehen. Durch abwechselndes Umdrehen der Aussenrahmen um 180° kann somit der vorerwähnte Vorteil erhalten werden, da die Stromleiter abwechselnd von der einen oder der anderen Seite vorstehen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A eine Draufsicht auf einen Innenrahmen;

Fig. 1B eine Schnittansicht, von oben auf denselben Rahmen gesehen;

Fig. IC einen Längsschnitt durch den Rahmen;

Fig. 2A eine Draufsicht auf den Aussenrahmen;

Fig. 2B einen Längsschnitt durch denselben Rahmen;

Fig. 2C eine Ansicht eines Teils der Rückseite des Rahmens;

Fig. 3 eine Elektrodenplatte;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung oder -packung gemäss der Erfindung;

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Zellenpackung mit mehreren nebeneinander angeordneten Elektrodenanordnungen;

Fig. 6 die Zellenpackung der Fig. 5 von oben gesehen;

Fig. 7 eine Schnittansicht einer Einzelheit A aus Fig. 5;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer Einzelheit B aus Fig. 6;

Fig. 9 A eine Schnittansicht durch eine Zelle mit einer durchlässigen, permeablen Elektrode;

Fig. 9A und 9C verschiedene Strömungsmuster von Zellen mit durchlässigen, permeablen Elektroden;

Fig. 10A eine Schnittansicht durch eine bipolare Zelle;

Fig. 1 OB ein Stromflussmuster einer bipolaren Zelle; und

Fig. 11 schematisch die elektrischen Anschlüsse und die Aufteilung und Ausbildung von zwei getrennten Elektrolytsystemen für eine ganze Zelleneinheit.

In Fig. 1A ist ein rechteckiger Innenrahmen 1 dargestellt, welcher für den Elektrolyten einen Einlass 2 am Boden und einen Auslass 3 an der Oberseite aufweist. In der dargestellten Ausführungsform sind der Einlass und der Auslass Kanäle oder Einschnitte in dem Rahmen, die jeweils in der Mitte des unteren Randes 4 bzw. des oberen Randes 5 angeordnet sind. Der untere Rand 4 ist so breit, das in ihm eine Verteilungskammer 6 vorgesehen ist, in welcher der Eiektrolytfluss Zeit hat, sich gleichförmig zu verteilen, bevor er in die Elektrolysekammer eingeleitet wird und mit der Elektrode in Kontakt kommt. In dieser dem Einlass 2 unmittelbar gegenüberliegenden Verteilungskammer ist ein Vorsprung 7 ausgebildet, auf welchen der Eiektrolytfluss trifft und dadurch seitlich verteilt wird. Die Kammer 6 grenzt an eine durch den Rahmen 1 festgelegte Öffnung 8 an, durch welche der Elektrolyt Zugang zu der Elektrode hat; am Rand der Öffnung 8 ist die Kammer 6 mit einer Anzahl Ansätzen 9 versehen, die als Einschnürungen dienen, um den Druckabfall des Elektrolyten zu erhöhen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Ansätze gleichmässig verteilt; jedoch ist die Erfindung nicht auf eine spezielle Verteilung oder auf irgendein besonderes Aussehen der Ansätze beschränkt. Zwischen diesen Ansätzen 9 sind Kanäle oder Rinnen 10 ausgebildet, durch welche eine äusserst gleichförmige Elektrolytverteilung mit einer idealen Strömung erreicht ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Innenrahmen mit einem oberen Rand 5 mit einer Kammer 11 versehen, welche eine Anzahl Ansätze 12 aufweist, welche vorzugsweise gleichförmig verteilt sind und den Ansätzen 9 in der unteren Kammer 6 entsprechen, so dass das Strömungsmuster noch gleichförmiger wird.

Die Öffnung 8 in dem inneren Rahmen 1 ist mit einem Gitter 13 bedeckt, das in der dargestellten Ausführungsform eine Einheit mit dem Rahmen bildet und an dem inneren Rand der rechteckigen Mittenöffnung 8 des Innenrahmens angebracht ist. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, weist das Gitter 13 schräg verlaufende Rippen oder Leisten 14, 15 auf, wobei eine Reihe der parallelen Rippen 14 in der einen Ebene und die andere Reihe der parallelen Rippen 15 über der ersten Reihe in einer Ebene liegen, die zu der durch die erste Reihe von Rippen 14 gebildete Ebene parallel ist. In der dargestellten Ausführungsform des Gitters beträgt der Winkel a etwa 50° zwischen den Rippen 14 bzw. 15 und dem zugeführten Elektrolytstrom oder der Längsrichtung des Rahmens.

Schliesslich ist der Innenrahmen 1 noch mit zwei Verriege-lungs- oder Halterungseinrichtungen 16,17 versehen, die jeweils an dem unteren Rand 4 bzw. an dem oberen Rand 5 ausgebildet sind. Diese Halterungseinrichtungen 16 und 17 sind jeweils verschieden, um eine falsche Ausrichtung der Rahmen zu vermeiden, wenn sie in den äusseren Rahmen eingesetzt werden. Ferner sind Löcher bzw. Bohrungen 31A für die Durchführung der Stromversorgungseinrichtung der Elektrode vorgesehen.

In Fig. 1B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1A dargestellt, während in Fig. IC eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1A dargestellt ist. Die Seite des Rahmens 1, die der Elektrode abgewandt ist, ist im wesentlichen ein glatter Rahmen, dessen Öffnung 8 mit dem Gitter 16 bedeckt ist, welche vorzugsweise zusammen mit dem übrigen Teil des Rahmens gespritzt wird.

In Fig. 2A ist ein Aussenrahmen 20 dargestellt, welcher unten mit zwei Öffnungen 21 und 22 zum Zuführen des Elektrolyten und in entsprechender Weise oben mit zwei Öffnungen 23 und 24 für das Abfliessen des Elektrolyten versehen ist. Von diesen Öffnungen verlaufen Verteilungskanäle 25 und 26 (die in diesem Fall von den Öffnungen 22 bzw. 24 ausgehen) zu der durch den Aussenrahmen 20 festgelegten Öffnung 27, wobei die-Kanäle eine Verbindung mit den Einlassen 2 bzw. den Auslässen 3 der Innenrahmen herstellen. Der Aussenrahmen 20 ist ferner mit ringsherum verlaufenden Ansätzen oder Rippen 28 versehen, und zwar in diesem Fall mit drei derartigen Rippen, die als eine sogenannte Labyrinthdichtung und zur Halterung einer Membran in einer Membranzelle dienen. In Fig. 2A sind ferner Nute 29 und 30 für O-Ringdichtungen für die Öffnungen 21 bis 24 bzw. für den Rahmen 20 dargestellt.

Fig. 2B zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2A, und abgesehen von den in Fig. 2A dargestellten Einzelheiten sind zwei Löcher 31B zu erkennen, welche durch den Seitenrand des Rahmens 20 hindurchgehen und die zur Durchführung der Elektroden-Stromleiter vorgesehen sind. In Fig. 2C ist ein Teil der Rückseite des Aussenrahmens 20 der Fig. 2A mit den Öffnungen 23 und 24 und der Öffnung 27 dargestellt. Wie aus Fig. 2A zu ersehen ist, ist die Rückseite glatt, d.h. sie ist nicht mit am Umfang verlaufenden Rippen 28 versehen.

In Fig. 3 ist eine homogene rechteckige Elektrodenplatte 32 dargestellt, diezwischen den Innenrahmen 1 angeordnet werden kann und etwas grösser ist als die Öffnung 8 in den

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Innenrahmen, so dass sie an eine in diesen ausgebildete Umfangsnut angepasst ist. Die Elektro den platte 32 ist mit zwei Stromzuführleitern 33 in Form von kreisförmigen Stäben versehen, welche an einer Längsseite der rechteckigen Elektrodenplatte unmittelbar gegenüber den entsprechenden Löchern 31 in dem Aussenrahmen angeordnet sind.

In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung im zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei die Elektrodenplatte 32 zwischen den zwei Innenrahmen 1 angeordnet ist, welche miteinander verbunden sind, und wobei der Aussenrahmen 20 festgehalten ist. Ferner sind in Fig. 4 die O-Ring-Nuten 29 um die Öffnungen 21 bis 24 in dem Aussenrahmen 20, welche auch als Elektrolyt-Hauptkanäle bezeichnet werden können, und O-Ring-Nuten 30 ausserhalb der Umfangsrippen 28 an dem Aussenrahmen dargestellt. Die Stromzuführleiter 33 stehen durch die Längsseite des Aussenrahmens 20 vor.

In Fig. 5 ist eine Seitenansicht der ganzen Zellenpackung mit einer Anzahl Elektrodenanordnungen 34 gemäss der Erfindung dargestellt, die in Form eines Pressfilters nebeneinander angeordnet sind; in Fig. 6 ist dieselbe Zellenpak-kung von oben dargestellt. Wie aus Fig. 6 zu ersehen, stehen die Stromzuführleiter 33 abwechselnd über die eine oder die andere Seitenkante der Aussenrahmen vor, wobei die Elektrodenplatten abwechselnd positiv und negativ sind, wie in Fig. 5 angegeben ist.

In Fig. 7 ist im Schnitt der in Fig. 5 mit A bezeichnete Teil dargestellt, während in Fig. 8 im Schnitt der in Fig. 6 mit B bezeichnete Teil dargestellt ist. In Fig. 7 sind zwei Elektrodenanordnungen 34 mit Zwischenmembranen 35 und O-Ringen 36 dargestellt. Die übrigen dargestellten Einzelheiten sind nicht näher beschrieben, sondern nur mit den bereits vorher verwendeten Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 8 sind der Aussenrahmen 20 mit Rippen oder Vorsprüngen 28 und einem O-Ring 36 sowie die beiden Innenrahmen 1 mit dem Gitter 13 und dem Stromzuführleiter 33 dargestellt.

Der in den vorstehend beschriebenen Figuren dargestellte Aufbau kann als eine Zelle für einen monopolaren (bezüglich des Elektrolyten) getrennten Zellenaufbau mit feststehenden, homogenen Elektroden bezeichnet werden. Durch einige einfache Änderungen in den Rahmenteilen des Aufbaus oder an den Elektroden kann der Zellenaufbau im Rahmen der Erfindung unter anderem in eine monopolare aufgeteilte Zelle mit porösen Durchströmungselektroden modifiziert werden. Der Elektrolyteinlass am Boden ist auf einer Seite abgedichtet, so dass der Elektrolyt nur auf eine Seite der porösen Elektrode verteilt wird, über diese fliesst und entlang der gegenüberliegenden Elektrodenseite zu dem oberen Ende der Zelle geleitet wird. An dem oberen Ende ist im Vergleich zu dem Boden eine Abdichtung auf der anderen Seite vorgenommen. Das Gitter, das auch als Membranträger bezeichnet werden kann, sollte natürlich in dieser Ausführungsform enthalten sein und sollte zusammen mit dem Innenrahmen gespritzt werden, wie oben ausgeführt ist. Die Druchströmungselektrode, die beispielsweise aus porösem Graphit oder porösem Titan hergestellt sein kann, eine Maschenelektrode, usw. können in derartigen Verfahren verwendet werden, was von besonderer Bedeutung ist, da die spezielle Elektrodenfläche, mit welcher der Elektrolyt in Berührung kommt, gross ist.

Eine Zelle mit einer permeablen, durchlässigen Elektrode ist im Schnitt in Fig. 9 A dargestellt, wobei die Pfeile den Eiektrolytfluss in der Zelle bezeichnen. Die Gitter in den Innenrahmen sind in Fig. 9A nicht dargestellt, aber sollten, wie oben ausgeführt, natürlich vorhanden sein. Zum Zuführen bzw. zum Ableiten des Elektrolyten sind im Aussenrahmen Öffnungen 22 bzw. 24 vorgesehen, welche, wie vorstehend ausgeführt, über Kanäle 25 und 26 mit den Einlässen bzw. Auslässen in den inneren Rahmen in Verbindung stehen. Der

Aussenrahmen weist ferner Nute 29 und 30 für O-Ringe sowie Rippen bzw. Vorsprünge 28 auf, an welchen die Membran 35 festgeklemmt ist. Eine poröse Durchströmungselektrode 32 ist zwischen den Innenrahmen 1 angeordnet. Da der linke Innenrahmen unten bei 37 und der rechte Innenrahmen oben bei 38 abgedichtet ist, gelangt der Elektrolyt in den rechten Raum 39, fliesst durch die Elektrode 32 hindurch und gelangt in den linken Raum 40, um dann aus der Elektrolytkammer auf der linken Seite der Elektrode 32 auszutreten. Durchlässige Durchströmungselektroden sind für Zellen mit verschiedenen Strömungsmustern denkbar, wie beispielsweise schematisch in Fig. 9B und 9C dargestellt ist, in welchen die Elektroden mit 32 und die Membrane mit 35 bezeichnet sind. Die Elektrodenladung ist mit + oder - angegeben und der Eiektrolytfluss ist durch Pfeile angezeigt.

Ein anderer abgewandelter Zellenaufbau im Rahmen der Erfindung ist eine bipolare, geteilte Zelle mit festen homogenen Elektroden, bei welcher der Anolyt (der Elektrolyt für die anodenseitige Elektrode) auf einer Seite und der Katholyt auf der anderen Seite der bipolaren Elektrode zugeführt wird. Eine solche bipolare Zelle ist im Schnitt in Fig. 10A dargestellt, wobei, wie vorher, mit den Bezugszeichen dieselben Einzelheiten wie vorher bezeichnet sind. Die Unterschiede bezüglich der vorher dargestellten Ausführungsformen bestehen darin, dass die Verteilungskanäle 25 und 26 im Aussenrahmen den in Fig. 10A wiedergegebenen Verlaufhaben, wobei beispielsweise die linksseitige Elektrolytkammer 41 mit den Öffnungen 21 und 23 in dem Aussenrahmen und die rechtsseitige Elektrolytkammer 42 mit den beiden anderen Öffnungen 22 und 24 in dem Aussenrahmen in Verbindung steht. Ferner sind die Innenrahmen sowohl in den oberen als auch den unteren Kammern 11 bzw. 6 mit Barrieren 43 und 44 zum Aufteilen in getrennte Kammern auf jeder Seite der Elektrode versehen, wenn die zwei Innenrahmen zusammengebaut sind. Das Innenrahmengitter ist in diesem Fall nicht dargestellt, obwohl es eingebaut sein sollte.

Ein Beispiel für das Strömungsmuster in einer bipolaren Zelle ist schematisch in Fig. 10B dargestellt, wobei mit dem Bezugszeichen dieselben Teile bezeichnet sind wie in Fig. 9B und 9C. Folglich wird ein Elektrolyt auf allen negativen Seiten der Elektrode und ein anderer Elektrolyt auf deren positiven Seiten verteilt. Ferner sind noch andere Veränderungen an einer Zelle denkbar. Bei den bisherigen Zellenausführungen sind immer Elemente mit demselben Grundaufbau (Aussen- und Innenrahmen) verwendet. Die einzigen Abänderungen, die bei den Spritzwerkzeugen erforderlich sind, betreffen die Verteilungskanäle oder eine einfache Änderung bei den Barriereteilen.

Schliesslich sind in Fig. 11 schematisch die elektrischen Verbindungen sowie die Aufteilung und die Ausbildung von zwei getrennten Elektrolytsystemen für eine vollständige Zelle dargestellt, die aus sechs Zellenpaketen 45 mit jeweils 20 Zellen besteht. Die Elektrodenanordnung gemäss der Erfindung ist mit 34 bezeichnet und zwischen jeder Anordnung sind Membrane vorgesehen. Stromleiter 33 und die entsprechenden Ladungen sind angegeben. Der Elektrolyt wird bei 45 für alle negativen Elektroden und bei 46 für alle positiven Elektroden zugeführt. Mit 47 sind Ventile bezeichnet. Die dargestellte Einheit besteht somit aus 10 bis 11 positiven, parallel geschalteten Elektroden und den entsprechenden negativen, parallel geschalteten Elektroden. Sechs Stapel dieser Elektroden sind dann in Reihe geschaltet. Die Elektrodenanordnungen oder -packungen gemäss der Erfindung können abgesehen von den in der Einleitung erwähnten Verfahren in Zellen verwendet werden, wobei beispielsweise die folgenden Verbindungen erzeugt werden:

1. Reduktion von Oxalsäure in Glyoxylsäure.

In einem derartigen Prozess besteht der Katholyt aus einer s

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gesättigten wässrigen Lösung der Oxalsäure und der Anolyt aus einer verdünnten Schwefelsäure. Die Elektroden sind zweckmässigerweise aus Blei hergestellt und die Zelle ist mit einer Kationen-Austauschmembran versehen. Der Glyoxyl-säuregehalt sollte nicht über 1 Mol/dm3 liegen. Bei einer Temperatur von 14°C und einer Stromdichte von 20A/dm2 wurde eine Materialausbeute von 98% und eine Stromausbeute von 75% erhalten.

2. Oxydation von Zer (III) in Zer (IV).

Eine schweflige Lösung aus Zer (Ill-)Sulfat wird an einer Bleidioxydanode oxidiert. Der Katholyt besteht aus einer verdünnten Schwefelsäure, und die Kathode aus Stahl, während die Membran eine Anionen-Austauschmembran ist. Bei einer Eingangskonzentration von Ol, Mol/dm3 und einer Stromdichte von 1 A/dm2 wurde eine Stromausbaute von 83% erhalten. Wenn die Oxydation stattdessen bei einer Zernitrat-

lösung (0,4 Mol/dm3) bei einer Anode aus platiniertem Titan durchgeführt wurde, stieg die Stromausbeute auf 89%.

Diese Verfahren sind nur einige Beispiele der zahllosen Reaktionen, bei welchen der vorbeschriebene Zellenaufbau s verwendet werden kann. Obwohl die Erfindung vorstehend anhand von rechteckigen Elektroden und Rahmen beschrieben worden ist, wobei gleichzeitig Ausdrücke verwendet wurden, die sich auf die rechteckige Form beispielsweise des Seitenrandes, der oberen und unteren Ränder und io der Kammern beziehen, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese Formen beschränkt, obwohl sie an sich zu bevorzugen sind. Die Elektrode und die Rahmen können vielmehr beinahe jede Form aufweisen. In diesem Fall beziehen sich dann die Ausdrücke «Seitenrand» sowie is «oberer» oder «unterer» Teil auf die endgültige Verwendung der Elektrodenpackung in einer Elektrolyseeinrichtung.

4 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Elektrodenanordnung für eine elektrochemische Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine im wesentlichen flache Elektrode (32) aufweist, die von zwei gegenseitig ineinandergreifenden, im wesentlichen flachen inneren Rahmen (1) mit Einlass- und Auslasskanälen (2,3) für einen Elektrolyten umgeben und festgelegt ist, deren Mittenöffnung (8), die durch die inneren Rahmen ( 1 ) festgelegt ist und einen Zugang des Elektrolyten zu der Elektrode ermöglicht, durch ein Gitter ( 13) an dem jeweiligen inneren Rahmen bedeckt ist, dass die beiden inneren Rahmen (1) ihrerseits durch einen im wesentlichen flachen äusseren Rahmen (20) umgeben sind, der mindestens eine Öffnung (21,22) zum Zuführen und mindestens eine Öffnung (23,24) zum Abfliessen des Elektrolyten aufweist, wobei mindestens eine der jeweiligen Öffnungen (22 bzw. 24) über ihren eigenen Kanal (25,26) mit den entsprechenden Einlass- und Auslasskanälen der inneren Rahmen (1) in Verbindung steht, und die äusseren Rahmen (20) zwischen den zwei inneren Rahmen (1) mittels einer Verriegelungseinrichtung (16,17) verriegelt sind, dass mindestens ein innerer Rahmen (1) an der der Elektrode zugewandten Seite und gegenüber dem Einlasskanal (2) mit einem vorsprungähnlichen Ansatz (7), der als Aufprallfläche für den einströmenden Elektrolyten dient und ferner dazu dient, diesen seitlich zu verteilen, und mindestens in seinem unteren Teil (6) mit einer Anzahl Einschnürungen (9) für den Elektrolyten an der Elektrode versehen ist, dass mindestens der andere innere Rahmen (1) in seinem oberen Teil (11) mit einer Anzahl Einschnürungen (12) versehen ist, und dass die Gitter der inneren Rahmen (1) in zwei Ebenen liegende Rippen oder Stege (14,15) aufweisen, welche schräge Winkel zu dem der Elektrode zugeführten Elektrolytenfluss bilden.
2. 2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Rahmen (20) auf der einen Seite mit einer Anzahl Rippen (28) versehen ist, die alle um ihn herum verlaufen und um eine Membran (35) zu halten, welche gegen die Rippen (28) gedrückt wird.
3. 3. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der inneren Rahmen (1) und der äussere Rahmen jeder für sich aus einem Polymer gespritzt sind, und dass Elemente zu einer Einheit verbunden sind.
4. 4. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Rahmen (20) zwei Öffnungen (21,22) zur Zuführung und zwei Öffnungen (23,24) zum Abfliessen des Elektrolyten aufweist, dass nur eine der jeweiligen Öffnungen (22 bzw. 24) mit dem Kanal (25 bzw. 26) in dem äusseren Rahmen (20) in Verbindung steht, so dass derselbe äussere Rahmen durch Drehen um 180° verwendet werden kann, um den Elektrolyten in (oder aus) verschiedenen Kammern zu verteilen, wenn die Elektrodenanordnung beispielsweise in einer Membranzelle in einer pressfilterförmigen Elektrolyseeinrichtung verwendet ist.
5. 5. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stromleiter (33) der Elektrode (32) in der Weise angeordnet sind, dass wenn die Elektrodenanordnung in einer Elektrolyseeinrichtung verwendet ist, sie seitlich vorstehen, und dass die inneren Rahmen (1) sowie die äusseren Rahmen (20) mit den entsprechenden Bohrungen (31A bzw. 31B) für die Stromzuführeinrichtungen versehen sind.
6. 6. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden inneren Rahmen (l)jeweilszwei Kammern aufweisen, nämlich eine Kammer (6) für den einströmenden Elektrolyten und eine Kammer (11) für den abfliessenden Elektrolyten.
7. 7. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden

   Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtungen (16,17) jeweils mindestens zwei ineinanderpassende Teile aufweisen, die auf der Innenseite der jeweiligen Innenrahmen angeordnet sind, wobei die Teile unterschiedlich ausgebildet sind, um dadurch ein falsches Zusammensetzen der Rahmen zu vermeiden, und dass der äussere Rahmen (20) zwischen den zwei inneren Rahmen (1) durch Vertiefungen an den Aussenrändern der Innenrahmen (1) festgelegt ist.
8. 8. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (14,

   15) des Gitters einen Winkel zwischen 30° und 60° bezüglich der Strömung des zugeführten Elektrolyten bilden.
9. 9. Elelctrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (32) dadurch festgelegt ist, dass sie in Ausnehmungen an den Innenrändern des Innenrahmens (1) sitzt.
10. 10. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den jeweiligen Innenrahmen (1) festgelegte Öffnung (8) an Ausnehmungen in dem Innenrahmen angrenzt, welche eine Kammer (6) für den einströmenden Elektrolyten und eine Kammer (11) für den abfliessenden Elektrolyten bilden.
11. 11. Elektrodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (32) und die Innenrahmen (1) im wesentlichen rechteckig sind, und dass die Kammer (6) für den zufliessenden Elektrolyten und die Kammer (11) für den abfliessenden Elektrolyten an dem unteren Rand (4) bzw. an dem oberen Rand (5) des Innenrahmens (1) angeordnet sind.
12. 12. Elektrodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Innenrahmen (1) mit dem vorsprungähnlichen Ansatz (7) in der Kammer (6) für den einströmenden Elektrolyten versehen sind, wobei die Vorsprünge aneinander anliegen.
13. 13. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus-senrahmen (20) an seinem inneren Rand zwischen den zwei Innenrahmen (1) mittels Verriegelungseinrichtungen (16,17) verriegelt ist, welche nur an den Innenrahmen (1) festgelegt sind, um diese aneinander festzuhalten.
14. 14. Elektrodenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus-senrahmen (20) abwechselnd zu den übrigen Aussenrahmen um 180° gedreht sind, so dass die Stromleiter abwechselnd zu der einen oder der anderen Seite der Rahmen ausgerichtet sind.
15. 15. Verwendung der Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 in einer Membranzelle in einer pressfilterförmigen Elektrolyseeinrichtung.
16. 16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Rahmen (20) abwechselnd um

    180° bezüglich den verbleibenden äusseren Rahmen versetzt sind, so dass die Stromleiter abwechselnd zur einen oder anderen Seite der Rahmen gerichtet sind.