DD224059B5

DD224059B5 - BIPOLAR FILTER PRESSURE CELL FOR ELECTRIC CHEMICAL PROCESSES UNDER GAS DEVELOPMENT

Info

Publication number: DD224059B5
Application number: DD84262417A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Dip Thiele; Ulrich Dipl-Chem Hesse; Hermann Professor D Matschiner
Original assignee: Eilenburger Chemie Werk Gmbh; Univ Halle Wittenberg
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1984-04-27
Publication date: 1993-06-09
Also published as: DD224059A1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine geteilte bipolare Elektrolysezelle in Filterpressenbauart zur Durchführung unter Gasentwicklung ablaufender elektrochemischer Prozesse. Die erfindungsgemäße Filterpressenzelle kann zur Wasserelektrolyse, zur Chloralkalielektrolyse und für anorganische oder organische Redoxprozesse, sofern sie unter Gasentwicklung ablaufen, gleichermaßen Verwendung finden, wobei die verwendeten Materialien für den Zellenbau den speziellen Anforderungen des betreffenden elektrochemischen Prozesses angepaßt werden.The invention relates to a split bipolar electrolytic cell in Filterpressenbauart for performing under gas evolution of running electrochemical processes. The filter press cell according to the invention can equally be used for water electrolysis, for chloralkali electrolysis and for inorganic or organic redox processes, provided that they undergo gas evolution, the materials used for cell construction being adapted to the special requirements of the electrochemical process concerned.

Characteristic of the known technical solutions

Moderne Filterpressenelektrolysezellen, ausgelegt für gasentwickelnde Elektroden, haben nicht nur für die Wasserelektrolyse und spezielle anorganische bzw. organische Redoxprozesse technische Bedeutung erlangt, sondern sie finden auch in zunehmendem Maße als Membranzellen für die Chloralkalielektrolyse Verwendung. Je nach dem Anwendungsgebiet unterscheiden sie sich durch die verwendeten verschiedenen Materialien für die Elektroden und die übrigen Konstruktionselemente, in der Anwendung von porösen Diaphragmen oder von lonenaustauschermembranen als Trennsysteme sowie in der Gestaltung bzw. Dimensionierung der einzelnen Bauelemente.Modern filter press electrolysis cells, designed for gas-generating electrodes, have not only become industrially important for water electrolysis and special inorganic or organic redox processes, but they are also increasingly being used as membrane cells for chloralkali electrolysis. Depending on the field of application, they differ by the different materials used for the electrodes and the other construction elements, in the use of porous diaphragms or ion exchange membranes as separation systems as well as in the design or dimensioning of the individual components.

Moderne konstruktive Lösungen für solche Filterpressenzellen sind sowohl in bipolarer, als auch in monopolarer Schaltung der Einzelzellen bekannt geworden (z.B. Hausmann, E.: Chemie Ing. Techn. 48 (1976] 100 und Bergner, D.: Chemie Ing. Techn. 54 [1982] 562). Dabei werden im allgemeinen Elektrolysezeilen mit perforierten Vorelektroden (Schmidt, A.: Angewandte Elektrochemie, Verlag Chemie Weinheim/New York 1976) und einem Rückraum zur Ableitung der entwickelten Gase aus den Elektrodenzwischenräumen verwendet. Daraus ergeben sich als untere Begrenzungen für die konstruktiv möglichen Stärken der bipolaren oder monopolaren Einzelzellen 20 bis 50 mm, wodurch die Raum-Zeit-Ausbeuten begrenzt werden. Die Elektrodenrahmen sind vorrangig dafür ausgelegt, daß sie einzeln montiert und ausgewechselt werden können und daß sie eine dafür ausreichende mechanische Stabilität aufweisen müssen. Bei monopolaren Elektrolysezellen beinhalten diese Elektrodenkörper außerdem die Stromzuführungsleitungen zu den Einzelzellen. Die konstruktive Lösung muß dabei auch eineModern constructive solutions for such filter press cells have become known both in bipolar and in monopolar circuit of the individual cells (eg Hausmann, E .: Chemistry Ing. Techn. 48 (1976) 100 and Bergner, D .: Chemistry Ing. Techn. 54 [ 1982] 562) .In general, lines of electrolysis with perforated pre-electrodes (Schmidt, A .: Angewandte Elektrochemie, Verlag Chemie Weinheim / New York 1976) and a back space are used to derive the evolved gases from the interdental spaces the constructively possible strengths of the bipolar or monopolar single cells 20 to 50 mm, whereby the space-time yields are limited.The electrode frames are primarily designed so that they can be mounted and replaced individually and that they must have sufficient mechanical stability. In monopolar electrolysis cells, these electrode bodies also contain the Stromzuführu Leads to the individual cells. The constructive solution must also be a

annähernd gleichmäßige Verteilung des Stromes auf die gesamte elektrochemisch aktive Oberfläche bei minimalem Ohmschen Spannungsabfall gewährleisten, was durch stromführende Stützglieder innerhalb der Rahmenkonstruktion erreicht wird. Aus den genannten Gründen sind solche Elektrodenrahmen mit den beidseitig angebrachten Vorelektroden verhältnismäßig aufwendig zu fertigen. Bei bipolaren Elektrolysezellen entfällt die Stromzuführung zu jeder einzelnen Elektrode und auch eine gleichmäßige Stromverteilung ist relativ einfach realisierbar, jedoch ergeben sich durch die Vorelektroden und die gleichzeitige Forderung nach einer ausreichenden mechanischen Eigenstabilität der Elektrodenrahmen keine entscheidenden konstruktiven Vereinfachungen gegenüber den monopolaren Zellen.To ensure approximately uniform distribution of current to the entire electrochemically active surface with minimal ohmic voltage drop, which is achieved by current-carrying support members within the frame construction. For these reasons, such electrode frames are relatively expensive to manufacture with the front electrodes mounted on both sides. In bipolar electrolysis cells eliminates the power supply to each individual electrode and a uniform current distribution is relatively easy to implement, however, resulting from the Vorelektroden and the simultaneous requirement for sufficient mechanical stability of the electrode frame no significant structural simplifications compared to the monopolar cells.

Es sind auch bereits Zellenkonstruktionen vorgeschlagen worden, die unter Verzicht auf eine mechanische Eigenstabilität der Bauelemente wesentliche Vereinfachungen im Aufbau ermöglichen. Bei der Anwendung dieser Konstruktionsprinzipien auf die Chloralkalielektrolyse werden zwar Filterpressenzellen großer Packungsdichte möglich, sie gestatten aber auf Grund der erforderlichen Gleichverteilung des elektrischen Stromes und der schnellen Abführung der entwickelten Gase aus den Elektrodenzwischenräumen nur geringe Bauhöhen der elektrochemisch wirksamen Bereiche von 15 bis 25cm (z. B. DD-PS 134124). Eine bipolare Schaltung ist bei dieser Konstruktion nicht möglich, weil die Zellen zusammenhängende Räume für die Zu- und Abführung der Elektrolytlösungen und der gebildeten Gase aufweisen müssen, die zu einem unvertretbar großen Verluststrom führen würden.Cell constructions have also been proposed which, while dispensing with a mechanical inherent stability of the components, make possible substantial simplifications in construction. When applying these design principles to the chloralkali electrolysis filter press cells large packing density are possible, but they allow due to the required uniform distribution of electrical current and the rapid removal of the evolved gases from the electrode interstices only low heights of electrochemically effective areas of 15 to 25cm (z. B. DD-PS 134124). A bipolar circuit is not possible in this construction, because the cells must have contiguous spaces for the supply and discharge of the electrolyte solutions and the gases formed, which would lead to an unreasonably large leakage current.

Andererseits führten die Arbeiten zur Optimierung gasentwickelnder Elektroden (z. B. Thiele, W., Schleift, M. und Matschiner, H.: Chem. Techn. 34 [1982] 576) zu der Erkenntnis, daß es bei Anordnung eines optimal dimensionierten Elektrolytumlaufsystems möglich ist, auch ohne Vorelektroden einen ausreichend geringen stationären Gasphasenanteil im Elektrodenzwischenraum zu erreichen. Dazu wurde der Elektrodenzwischenraum in parallel durchströmte Kanäle aufgeteilt und ein Rückströmkanal für die entgaste Elektrolytlösung angeordnet. Dadurch wares möglich, eine vertikale Maßstabsvergrößerung auf mehr als 1 m Höhe der Zellezu realisieren. Dadurch wurde ein einfacherer Zellenaufbau bei geringerem Materialaufwand und größerer Packungsdichte möglich, insbesondere bei bipolarer Schaltung.On the other hand, the work to optimize gas-evolving electrodes (eg, Thiele, W., Schleift, M. and Matschiner, H .: Chem. Techn. 34 [1982] 576) led to the finding that it would be in the arrangement of an optimally dimensioned electrolyte circulation system it is possible to achieve a sufficiently low stationary gas phase fraction in the electrode gap even without pre-electrodes. For this purpose, the electrode gap was divided into parallel flow channels and arranged a return flow channel for the degassed electrolyte solution. This made it possible to realize a vertical scale enlargement to more than 1 m height of the cell. As a result, a simpler cell structure with less material and greater packing density was possible, especially in bipolar circuit.

Diese Bauprinzipien, wie sie z. B. bereits in DD-PS 92 907 für eine spezieile Zelle zur Chromsäureregeneration vorgeschlagen wurden, sind für technische Großelektrolyseure, wie z. B. für die Wasser- oder Chloralkalielektrolyse, ungeeignet. So sind bei Kreislaufführung über einen außen angeordneten Rückströmkanal größere Querschnitte der in der Zelle angeordneten Sammelkanäle erforderlich, was zu erhöhten Verlustströmen führt und infolge der zu überbrückenden relativ großen Abstände mit einem zu großen Druckverlust verbunden ist. Interne Umlaufsysteme in den bipolaren Einzelzellen, die die Sammelleitungen nicht belasten und geringere Strömungswiderstände ermöglichen, sind ebenfalls bereits vorgeschlagen worden. Die Rückströmkanäle können entweder seitlich in die Elektrodenplatten eingearbeitet sein (z.B. DD-PS 99 548) oder sie sind innerhalb bzw. hinter den Elektroden angeordnet (DD-PS 144427). Dadurch ergeben sich zwar einerseits günstigere Bedingungen für den Elektrolytumlauf, andererseits aber zwangsläufig ebenfalls zu große Abmessungen der bipolaren Einheiten und ein komplizierterer konstruktiver Aufbau derselben.These building principles, as z. B. have already been proposed in DD-PS 92 907 for a speceile cell for chromic acid regeneration, are for large scale electrolyzers such. As for water or chloralkali electrolysis, unsuitable. Thus, in recirculation over an externally arranged return flow channel larger cross sections of the arranged in the cell collecting channels are required, which leads to increased leakage currents and is connected due to the bridging relatively large distances with a large pressure loss. Internal circulation systems in the bipolar single cells, which do not burden the manifolds and allow lower flow resistance, have also been proposed. The return flow channels may either be laterally incorporated into the electrode plates (e.g., DD-PS 99 548) or they may be disposed within and behind the electrodes, respectively (DD-PS 144427). As a result, on the one hand, more favorable conditions for the circulation of the electrolyte, on the other hand, however, inevitably result in too large dimensions of the bipolar units and a more complicated structural design of the same.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist deshalb eine bipolare Elektrolysezelle, die bei Beteiligung gasentwickelnder Elektroden einen einfachen, materialsparenden Aufbau der einzelnen bipolaren Einheiten bei gleichzeitig hohen Raum-Zeit-Ausbeuten und geringem Spannungsabfall ermöglicht.The aim of the invention is therefore a bipolar electrolysis cell, which allows a simple, material-saving construction of the individual bipolar units with simultaneous high space-time yields and low voltage drop with involvement of gas-generating electrodes.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine vorteilhafte geometrische Gestaltung interner Umlaufsysteme unter Verwendung vorzugsweise flexibler Bauelemente eine vielseitig anwendbare Filterpressenzelle mit geringstmöglichem Abstand der einzelnen bipolaren Einheiten bereitzustellen.The invention has for its object to provide by a favorable geometric design of internal circulation systems using preferably flexible components a versatile applicable filter press cell with the smallest possible distance of the individual bipolar units.

Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle besteht aus zwei Randplatten mit Stromzuführungen und mehreren dazwischen angeordneten, durch Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen getrennten bipolaren Einheiten, mit mindestens einem internen Elektrolytumlauf und inneren Kanälen für die Zu- und Abführung der Elektrolytlösungen sowie zur Abführung der gebildeten Gase. Sie ist so gestaltet, daß die bipolaren Einheiten aus mindestens einem, durch einen inneren Dichtrahmen abgegrenzten, mittels Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen geteilten, elektrochemisch aktiven Bereich und aus mindestens einem, durch diesen inneren und einen äußeren Dichtrahmen abgegrenzten, ungeteilten, elektrochemisch inaktiven Bereich bestehen, wobei der Abstand zwischen je zwei bipolaren Elektroden 3 bis 10mm beträgt. Dabei ist im elektrochemisch inaktiven Bereich ein Elektrolytrückströmsystem angeordnet, welches den gesamten Abstand zwischen je zwei bipolaren Einheiten einnimmt und aus unterhalb und oberhalb des elektrochemisch aktiven Bereiches angeordneten Querkanälen, die durch Aussparungen im inneren Dichtrahmen mit dem betreffenden Anoden- oder Katodenraum in Verbindung stehen, sowie aus mindestens einem seitlich vom elektrochemisch aktiven Bereich angeordneten senkrechten Rückströmkanal gebildet werden. Die Rückströmsysteme benachbarter bipolarer Einheiten werden entweder durch eine Trennplatte aus elektrisch nicht leitendem Material, welche sich in der Ebene der bipolaren Elektrodenplatte bzw. des Trennsystems befindet, oder von der elektrisch gegen die Elektrolytlösungen isolierten Elektrodenplatte selbst voneinander abgrenzt. Die Öffnungen für die Ausbildung innerer Kanäle zur Zu- und Abführung der Elektrolytlösungen sowie zur Abführung der gebildeten Gase werden innerhalb des elektrochemisch inaktiven Bereiches der bipolaren Einheit angeordnet. Der jedem Rückströmsystem zugeordnete elektrochemisch aktive Bereich ist 0,05 bis 1,0 m breit und das Verhältnis der freien Strömungsquerschnitte des Rückströmkanals und des elektrochemisch aktiven Bereiches beträgt mindestens 1, vorzugsweise 1,5 bis 3. Dabei hat es sich für die optimale Führung des Elektrolytkreislaufes als vorteilhaft erwiesen, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der elektrochemisch aktive Bereich eine vertikale Ausdehnung von 0,5 bis 2,5 m besitzt und beide Elektrodenräume in parallel durchströmte Kanäle von 5 bis 20mm Breite und einer Stärke von 0,5 bis 5mm aufgeteilt sind. Die parallel durchströmten Kanäle können entweder durch Rippen auf den Elektrodenplatten bzw. den Diaphragmen, oder durch eingebrachte Abstandsstreifen aus elektrisch nichtleitendem Material ausgebildet werden.The electrolysis cell according to the invention consists of two edge plates with power supply lines and a plurality of bipolar units arranged therebetween, separated by diaphragms or ion exchange membranes, with at least one internal electrolyte circulation and internal channels for the supply and removal of the electrolyte solutions and for the discharge of the gases formed. It is designed so that the bipolar units consist of at least one, separated by an inner sealing frame, divided by diaphragms or ion exchange membranes, electrochemically active region and at least one, defined by this inner and an outer sealing frame, undivided, electrochemically inactive region the distance between each two bipolar electrodes is 3 to 10mm. In this case, an electrolyte reflux system is arranged in the electrochemically inactive region, which occupies the entire distance between two bipolar units and from below and above the electrochemically active region arranged transverse channels, which are connected by recesses in the inner sealing frame with the relevant anode or cathode compartment, as well as are formed from at least one laterally arranged from the electrochemically active region vertical return flow. The return flow systems of adjacent bipolar units are separated from each other either by a separator plate of electrically nonconductive material located in the plane of the bipolar electrode plate or separation system, or by the electrode plate itself electrically insulated from the electrolyte solutions. The openings for the formation of inner channels for supply and removal of the electrolyte solutions and for discharging the gases formed are arranged within the electrochemically inactive region of the bipolar unit. The each electrochemically active area associated with each backflow system is 0.05 to 1.0 m wide and the ratio of the free flow cross sections of the return flow channel and the electrochemically active region is at least 1, preferably 1.5 to 3. It has for the optimal management of Electrolytic circuit proved to be advantageous when according to a further feature of the invention, the electrochemically active region has a vertical extent of 0.5 to 2.5 m and both electrode spaces in parallel flow channels of 5 to 20mm width and a thickness of 0.5 to 5mm are divided. The parallel-flow channels can be formed either by ribs on the electrode plates or the diaphragms, or by introduced spacer strips of electrically non-conductive material.

Es wurde gefunden, daß es durch diese erfindungsgemäße Anordnung und Dimensionierung der internen Umlaufsysteme möglich ist, optimale Elektrolytumlaufgeschwindigkeiten im Bereich von 0,2 bis 0,3m/s zu erreichen und damit ausreichend geringe stationäre Gasphasenanteile in den Elektrodenzwischenräumen zu erhalten. Durch den Wegfall der sonst üblichen Vorelektroden gelingt es damit, hohe Packungsdichten und in Verbindung mit den möglichen Elektrodenhöhen eine erheblich verbesserte Raum-Zeit-Ausbeute bei vergleichbarem Spannungsabfall zu erreichen. Die bei dieser erfindungsgemäßen Bauweise realisierbaren sehr geringen Stärken der bipolaren Elektrodenbleche ermöglichen gleichzeitig die angestrebte materialsparende Bauweise.It has been found that it is possible by this inventive arrangement and dimensioning of the internal circulation systems to achieve optimum electrolyte circulation speeds in the range of 0.2 to 0.3m / s and thus to obtain sufficiently low stationary gas phase portions in the interdental spaces. By eliminating the usual Vorelektroden succeeds to achieve high packing densities and in conjunction with the possible electrode heights a significantly improved space-time yield at a comparable voltage drop. The realizable in this construction according to the invention very small thicknesses of the bipolar electrode sheets simultaneously allow the desired material-saving design.

Die oberen Querkanäle der Rückströmsysteme werden erfindungsgemäß als Gasabtrennzone ausgebildet und entsprechend dimensioniert. Dabei ist es vorteilhaft, durch die Formgebung der Aussparungen in den Dichtrahmen und erforderlichenfalls durch geeignete Einbauten in an sich bekannter Weise günstige hydrodynamische Bedingungen für die Strömungsumlenkung und die Gasabtrennung zu erhalten. Das gleiche gilt auch für die unteren Querkanäle. Schließlich ist bei der Ausbildung der oberen und unteren Querkanäle auch den Erfordernissen einer Minimierung der Verlustströme Rechnung zu tragen, indem eine ausreichend große Widerstandsstrecke zwischen dem elektrochemisch aktiven Bereich der bipolaren Einheit und den Überströmöffnungen zur benachbarten bipolaren Einheit zwischengeschaltet wird.The upper transverse channels of the Rückströmsysteme be inventively designed as Gasabtrennzone and dimensioned accordingly. It is advantageous to obtain favorable hydrodynamic conditions for the flow deflection and the gas separation by the shape of the recesses in the sealing frame and, if necessary, by suitable internals in a conventional manner favorable hydrodynamic conditions. The same applies to the lower transverse channels. Finally, in the formation of the upper and lower transverse channels and the requirements of minimizing the leakage currents is taken into account by a sufficiently large resistance path between the electrochemically active region of the bipolar unit and the overflow openings is interposed to the adjacent bipolar unit.

Je nach den spezifischen Aufgabenstellungen für die Elektrolysezelle und dem darin durchzuführenden elektrochemischen Prozeß kann die erfinderische Lösung in verschiedenen Varianten realisiert werden. Im einfachsten Fall wird jeder elektrochemisch aktive Bereich nur einseitig mit einem Elektrolytrückströmsystem ausgerüstet, welches entweder mit dem Katodenraum oder dem Anodenraum verbunden ist. Eine solche Variante ist vor allen Dingen dann zweckmäßig, wenn nur die eine der beiden Elektrodenreaktionen mit einer nennenswerten Gasentwicklung verbunden ist, z. B. bei vielen anorganischen oder organischen Redoxprozessen mit einer Wasserstoff- oder Sauerstoffentwicklung an der Gegenelektrode. Der technisch wichtigere Anwendungsfall ist jedoch der mit zwei gasentwickelnden Elektroden, wozu auch die Wasser- und die Chloralkalielektrolyse gehören. Dabei ist es auch möglich, Zellen mit nur einem internen Rücklaufsystem für jede elektrochemisch aktive Zone zu verwenden. Der Elektrolytumlauf der Gegenelektrode kann dann in bekannter Weise durch Zu- und Abführungskanäle zu einem außerhalb der bipolaren Einheiten angeordneten Rückströmkanal geführt werden. Eine solche Verfahrensweise einer kombinierten internen und externen Kreislaufführung ist vor allen Dingen dann vorteilhaft, wenn eine Wärmeabführung erforderlich ist und diese zweckmäßigerweise durch einen in den externen Kreislauf eingeschalteten Wärmeaustauscher erfolgen soll.Depending on the specific tasks for the electrolytic cell and the electrochemical process to be carried out therein, the inventive solution can be realized in various variants. In the simplest case, each electrochemically active region is only equipped on one side with an electrolyte reflux system, which is connected to either the cathode compartment or the anode compartment. Such a variant is particularly useful when only one of the two electrode reactions is associated with a significant gas evolution, z. As in many inorganic or organic redox processes with a hydrogen or oxygen evolution at the counter electrode. However, the more technically important application is with two gas-generating electrodes, including the water and the Chloralkalielektrolyse belong. It is also possible to use cells with only one internal reflux system for each electrochemically active zone. The electrolyte circulation of the counter electrode can then be performed in a known manner by supply and discharge channels to a arranged outside the bipolar units return flow. Such a procedure of a combined internal and external circulation is advantageous above all when heat removal is required and this is expediently carried out by a heat exchanger connected to the external circuit.

Nach einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle werden jedem elektrochemisch aktiven Bereich beidseitig Elektrolytrückströmsysteme zugeordnet, von denen das eine mit dem Katodenraum, das andere mit dem Anodenraum verbunden ist. Dabei stehen für die ober- und unterhalb der elektrochemisch aktiven Bereiche anzuordnenden Querkanäle nur die linke bzw. rechte Zellenhälfte zur Verfügung. Durch zweckmäßige Ausgestaltung der Verbindungsleitungen von den Querkanälen zur elektrochemisch aktiven Zone ist dabei ein strömungstechnisch günstiger Übergang auf die gesamte Breite der elektrochemisch aktiven Zone zu erreichen und eine gleichmäßige Verteilung des Elektrolyten auf die einzelnen Strömungskanäle zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise werden diese Verbindungsleitungen zwischen den Querkanälen und den elektrochemisch wirksamen Bereichen der bipolaren Elektrolysezelle als zusätzliche Widerstandsstrecken ausgebildet. Das kann z. B. in der Weise vorgenommen werden, daß nicht nur die Querkanäle, sondern auch die Verbindungsieitungen bis zu den Strömungskanälen elektrisch isoliert gegen die bipolaren Elektrodenplatten angeordnet werden. Um die Stromkapazität der erfindungsgemäß aufgebauten Einzelzellen weiter zu erhöhen, ist es zweckmäßig, mehrere elektrochemisch aktive und elektrochemisch inaktive Bereiche abwechselnd nebeneinander anzuordnen. Bei Zellen mit internen Katolyt- und Anolytkreisläufen wechseln dann Rückströmkanäle für Katolyt, elektrochemisch aktive Bereiche und Rückströmkanäle für Anolyt miteinander ab. Die Rückströmkanäle sind jeweils mit den Anoden- bzw. Katodenräumen der beiden benachbarten elektrochemisch aktiven Bereiche verbunden. Dadurch ergeben sich auch für Zellen größerer Breite und hoher Stromkapazität günstige hydrodynamische Bedingungen für die Kreislaufführung des Elektrolyten, verbunden mit einem niedrigeren Spannungsabfall infolge der geringen stationären Gasbeladung des Elektrolyten.According to a further variant of the electrolytic cell according to the invention, each electrochemically active region is assigned electrolyte reflux systems on both sides, one of which is connected to the cathode space, the other to the anode space. In this case, only the left or right half of the cell are available for the transverse channels to be arranged above and below the electrochemically active regions. By suitably designing the connecting lines from the transverse channels to the electrochemically active zone, a fluidically favorable transition to the entire width of the electrochemically active zone is achieved and a uniform distribution of the electrolyte to the individual flow channels is ensured. Conveniently, these connecting lines between the transverse channels and the electrochemically active areas of the bipolar electrolysis cell are formed as additional resistance paths. This can z. B. be made in such a way that not only the transverse channels, but also the Verbindungsieitungen be arranged up to the flow channels electrically isolated from the bipolar electrode plates. In order to further increase the current capacity of the individual cells constructed according to the invention, it is expedient to arrange several electrochemically active and electrochemically inactive regions alternately next to one another. In cells with internal catholyte and Anolytkreisläufe then return flow channels for catholyte, electrochemically active areas and return flow channels for anolyte with each other. The return flow channels are respectively connected to the anode and cathode chambers of the two adjacent electrochemically active regions. This results in favorable hydrodynamic conditions for the circulation of the electrolyte, also for cells of greater width and high current capacity, associated with a lower voltage drop due to the low steady state gas loading of the electrolyte.

Bei dem erfindungsgemäßen Zellenaufbau erweist es sich als technisch möglich und aus Gründen der Materialersparnis als besonders vorteilhaft, dünne, flexible, insbesondere 0,1 bis 1,0 mm starke bipolare Elektrodenplatten einzusetzen. Diese können entweder die gesamte Fläche der bipolaren Einheiten einnehmen oder sich nur über den Bereich der elektrochemisch aktiven Zone bis zu den inneren Dichtrahmen erstrecken. Im ersten Fall ist der sich im elektrochemisch inaktiven Bereich befindliche Teil der bipolaren Elektrode elektrisch zu isolieren, z. B. durch Beschichten mit einem geeigneten plastischen Material. Dieser Teil der Elektrodenplatte bildet dann gleichzeitig die Trennwand zwischen zwei benachbarten Rückströmsystemen und ist mit den Überströmöffnungen zur Ausbildung innerer Kanäle für die Zu- und Abführung der Reaktionsmedien ausgerüstet. Im zweiten Fall wird entweder die Elektrodenplatte im Bereich zwischen den inneren und äußeren Dichtrahmen durch eine Trennplatte aus elektrisch nicht leitendem Material gleicher Stärke wie die bipolare Elektrode ersetzt, oder dieser Bereich wird in das Rückströmsystem integriert.In the cell structure according to the invention, it proves to be technically possible and for reasons of material savings to be particularly advantageous to use thin, flexible, in particular 0.1 to 1.0 mm thick bipolar electrode plates. These can either occupy the entire area of the bipolar units or extend only over the area of the electrochemically active zone up to the inner sealing frame. In the first case, the portion of the bipolar electrode located in the electrochemically inactive region is to be electrically insulated, eg. B. by coating with a suitable plastic material. This part of the electrode plate then forms at the same time the partition wall between two adjacent Rückströmsystemen and is equipped with the overflow to form inner channels for the supply and discharge of the reaction media. In the second case, either the electrode plate in the area between the inner and outer sealing frames is replaced by a separating plate of electrically non-conductive material of the same thickness as the bipolar electrode, or this region is integrated into the backflow system.

Das Material der bipolaren Elektrode ist in geeigneter Weise dem Elektrolyseprozeß anzupassen. Für die Wasserelektrolyse können beispielsweise Nickelbleche oder einseitig vernickelte Stahlbleche mit der vernickelten Seite als Anode verwendet werden. Die elektrochemisch wirksamen Oberflächen können zur Senkung der Überspannungen nach bekannten Methoden aktiviert werden, z. B. die Nickelanoden durch oberflächliche Umwandlung in Nickelsulfid und anschließende elektrochemische Reduktion. Für die Chloralkalielektrolyse können in analoger Weise aufgebaute bipolare Elektroden verwendet werden, die aus einem Stahlblech mit einer Beschichtung mit einem filmbildenden Metall, z. B. Titan, Tantal, Zirkonium bzw. von Legierungen derselben bestehen. Dabei sind die als Anode wirksamen Oberflächen des filmbildenden Metalls in bekannter Weise durch Auftragen geeigneter Edelmetall-Metalloxidkatalysatoren zu aktivieren, beispielsweise durch die Mischung eines Platingruppenmetalloxids mit dem Oxid eines filmbildenden Metalls (vorzugsweise Rutheniumoxid und Titanoxid). Aber auch andere elektrokatalytisch wirksame Verbindungen z. B. Karbide, Nitride oder Fluoride können zur Aktivierung herangezogen werden.The material of the bipolar electrode is suitably adapted to the electrolysis process. For the electrolysis of water, for example, nickel sheets or one-sided nickel-plated steel sheets with the nickel-plated side can be used as the anode. The electrochemically active surfaces can be activated to reduce the overvoltages by known methods, for. For example, the nickel anodes by superficial conversion into nickel sulfide and subsequent electrochemical reduction. For the chloralkali electrolysis bipolar electrodes constructed in an analogous manner may be used which consist of a steel sheet having a coating with a film-forming metal, e.g. As titanium, tantalum, zirconium or alloys thereof. In this case, the effective as an anode surfaces of the film-forming metal in a known manner by applying suitable noble metal metal oxide catalysts are activated, for example by the mixture of a platinum group metal oxide with the oxide of a film-forming metal (preferably ruthenium oxide and titanium oxide). But other electrocatalytically active compounds z. As carbides, nitrides or fluorides can be used for activation.

Im Sinne vorliegender Erfindung können aber auch beliebige andere Metalle oder Metallegierungen, die für bestimmte anorganische oder organische elektrochemische Prozesse geeignet sind, in Form dünner Elektrodenbleche, allein oder im Verbund eingesetzt werden. Wenn sich auch der Einsatz dünner, flexibler bipolarer Elektrodenbleche hinsichtlich derFor the purposes of the present invention, however, any other metals or metal alloys which are suitable for particular inorganic or organic electrochemical processes can also be used in the form of thin electrode sheets, alone or in combination. Although the use of thin, flexible bipolar electrode sheets in terms of

Verringerung des Materialaufwandes und der Vergrößerung der Packungsdichte besonders günstig auswirkt, so ist doch die Erfindung keineswegs auf diese beschränkt. So können bei anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrolysezellen, wie sie beispielsweise für die Durchführung einiger Redoxreaktionen geeignet sind, auch dickere starre Elektrodenplatten eingesetzt werden, die erforderlichenfalls Kühlkanäle enthalten können. Dafür sind z. B. bipolare Elektrodenplatten aus Elektrodenkohle oder Graphit geeignet, besonders flüssigkeitsdicht imprägniert (z.B. mittels Phenol-Formaldehyd-Kunstharz). Diese Elektrodenplatten können sowohl beidseitig elektrochemisch wirksam sein, als auch mit einem Metallblech, z. B. einem Tantalblech mit aufgebrachten Platinstreifen zu einer Verbundelektrode kombiniert werden. Als Dichtungsmaterialien für den inneren und äußeren Dichtrahmen lassen sich vorteilhaft solche Plaste oder Elaste einsetzen, die einerseits chemisch und thermisch unter Elektrolysebedingungen beständig sind und die andererseits eine ausreichende Flexibilität aufweisen. So hat sich für eine Reihe von Anwendungsfällen im Temperaturbereich bis 50⁰C PVC-Weich-Material gut bewährt, bei höheren Temperaturen können Polyolefine, z. B. Polypropylen und fluorierte Polymere, z. B. Polyvinylidenfluorid, Verwendung finden.Reduction of the cost of materials and the increase in the packing density particularly beneficial effects, but the invention is by no means limited to these. Thus, in other embodiments of the electrolysis cells according to the invention, as are suitable, for example, for carrying out some redox reactions, even thicker rigid electrode plates can be used, which may if necessary contain cooling channels. For z. B. bipolar electrode plates of carbon or graphite suitable, particularly liquid-tight impregnated (eg by means of phenol-formaldehyde resin). These electrode plates can be both electrochemically effective on both sides, as well as with a metal sheet, for. B. a tantalum sheet with applied platinum strips are combined to form a composite electrode. As sealing materials for the inner and outer sealing frame can advantageously be used such plastic or Elaste, on the one hand chemically and thermally stable under electrolysis conditions and on the other hand have sufficient flexibility. Thus, for a number of applications in the temperature range up to 50 ⁰ C PVC soft material has been well proven at higher temperatures polyolefins, z. For example, polypropylene and fluorinated polymers, for. As polyvinylidene fluoride, use find.

Die Überströmöffnungen zwischen den elektrochemisch aktiven Bereichen und den Rückströmsystemen werden durch Aussparungen in den inneren Dichtrahmen gebildet. An diesen Stellen ist es zweckmäßig, zur Übertragung des Anpreßdruckes beim Zusammenbau kammartige oder gewellte Stützglieder einzubringen, die einen ausreichend großen freien Querschnitt für den Flüssigkeitsdurchtritt aufweisen müssen.The overflow openings between the electrochemically active areas and the Rückströmsystemen are formed by recesses in the inner sealing frame. At these points, it is expedient to introduce comb-like or corrugated support members for the transmission of the contact pressure during assembly, which must have a sufficiently large free cross-section for the passage of fluid.

Als Diaphragmen werden erfindungsgemäß poröse, ebenfalls flexible Plastfolien eingesetzt, beispielsweise aus Polyvinylchlorid, Polyolefinen oder Polytetrafluorethylen. Dabei können je nach dem Anwendungsgebiet die Porengrößen in bekannterweise durch Einbringen von geeigneten mikroporösen Füllstoffen weiter herabgesetzt werden, z.B. durch Kieselgel oder durch Rußpartikel. Die Diaphragmenplatten sind in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle entweder in der Weise angeordnet, daß sie sich nur innerhalb der elektrochemisch aktiven Zone erstrecken und mit dem inneren Dichtrahmen abschließen, oder sie werden als flüssigkeitsundurchlässige Trennplatten aus geeigneten elektrisch nichtleitendem Material, z. B. aus Polypropylen, bis zu den äußeren Dichtrahmen weitergeführt. Letzteres gilt für den Fall, daß die Elektrodenplatten nur bis zu den inneren Dichtrahmen geführt werden und die Abtrennung benachbarter Rückströmsysteme durch Trennplatten in den Ebenen der Diaphragmenplatten erfolgt.As diaphragms according to the invention porous, also flexible plastic films are used, for example, polyvinyl chloride, polyolefins or polytetrafluoroethylene. Depending on the field of application, the pore sizes can be further reduced in known manner by introducing suitable microporous fillers, e.g. by silica gel or by soot particles. The diaphragm plates are arranged in the electrolytic cell according to the invention either in such a way that they extend only within the electrochemically active zone and complete with the inner sealing frame, or they are used as liquid-impermeable separating plates made of suitable electrically non-conductive material, for. B. of polypropylene, continued to the outer sealing frame. The latter applies to the case where the electrode plates are guided only to the inner sealing frame and the separation of adjacent Rückströmsysteme done by partition plates in the planes of the diaphragm plates.

Bei der Verwendung von ionenaustauschermembranen kann prinzipiell in der gleichen Weise, wie für Diaphragmen angegeben, verfahren werden. Als Materialien werden, wegen ihrer guten Chemikalienbeständigkeit, vorzugsweise synthetische Fluorpolymere eingesetzt, insbesondere Copolymerisate aus Tetrafluoräthylen und Perfluorsulfonyl- oder Perfiuorcarboxyvinylethem. Diese Materialien werden in Form dünner Folien (0,1 bis 0,2 mm stark) eingesetzt, die in geeigneter Weise mechanisch verstärkt sein können, beispielsweise durch Kaschieren mit Gewebe aus Polytetrafluorethylen. Bei bipolaren Elektrolysezellen, die aus flexiblen Einzelzellen zusammengesetzt sind, kann nach einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung eine Zusammenfassung mehrerer bipolarer Einzelzellen zu einer gesonderten Baugruppe erfolgen, die aus zwei starren Zwischenplatten und vorzugsweise 10 bis 50 bipolaren Einheiten besteht. Die starren Zwischenplatten sind mit einer Spannvorrichtung versehen und enthalten gleichzeitig Halterungen für die bipolaren Einzelzellen, Zu- und Abführungen für die Elektrolytlösungen bzw. die gebildeten Gase, elektrische Kontakte zu den benachbarten Baugruppen bzw. zu den die Stromzuführung enthaltenden Randplatten sowie Halterungen für die gesonderten Baugruppen zum Transport oder zur Montage. Die einzelnen Baugruppen werden zweckmäßigerweise außerhalb der Zelle vormontiert und verspannt. Sie ermöglichen eine schnelle Montage des gesamten Elektrolyseurs bzw. ein einfaches Auswechseln von Baugruppen mit defekten Einzelzellen. Es ist auch möglich, die starren Zwischenplatten mit Stromzuführungen auszurüsten, so daß mehrere der erfindungsgemäß aufgebauten bipolaren Baugruppen innerhalb eines Filterpressenrahmens elektrisch in Serie geschaltet werden können. Damit gelingt es, Elektrolyseure hoher Kapazität aus einer sehr großen Anzahl bipolarer Einzelzellen bei vertretbarer Gesamtspannung aufzubauen.When using ion exchange membranes can in principle be in the same manner as indicated for diaphragms, proceed. As materials are, because of their good chemical resistance, preferably synthetic fluoropolymers used, in particular copolymers of tetrafluoroethylene and perfluorosulfonyl or Perfiuorcarboxyvinylethem. These materials are used in the form of thin films (0.1 to 0.2 mm thick) which may be suitably mechanically reinforced, for example by lamination with polytetrafluoroethylene fabric. In bipolar electrolytic cells, which are composed of flexible single cells, according to a further feature of the present invention, a combination of several bipolar single cells can be made into a separate assembly consisting of two rigid intermediate plates and preferably 10 to 50 bipolar units. The rigid intermediate plates are provided with a clamping device and at the same time contain holders for the bipolar single cells, supply and discharge for the electrolyte solutions or the gases formed, electrical contacts to the adjacent modules or to the edge plates containing the power supply and holders for the separate modules for transport or installation. The individual modules are expediently preassembled and braced outside the cell. They allow a quick installation of the entire electrolyzer or a simple replacement of modules with defective single cells. It is also possible to equip the rigid intermediate plates with power supply, so that several of the inventively constructed bipolar assemblies can be electrically connected in series within a filter press frame. This makes it possible to build high-capacity electrolyzers from a very large number of bipolar single cells at a reasonable overall voltage.

embodiments With reference to the accompanying drawings, embodiments of the invention are preferably described in detail. example 1

Die Figuren 1 bis 5 zeigen schematisch bipolare Einheiten einer erfindungsgemäß aufgebauten Elektrolysezelle, bestehend aus je einem elektrochemisch aktiven Bereich, durch ein Diaphragma getrennt, sowie einem elektrochemisch inaktiven Bereich mit einem einseitig angeordneten Elektrolytrücklaufsystem für den Katolyten. Als bipolare Elektrode dient eine sich über die gesamte Fläche der bipolaren Einheit erstreckende Elektrodenplatte, beispielsweise aus Blei (flexibel) oder imprägniertem Graphit (starr). Die einzelnen Figuren zeigenFIGS. 1 to 5 show diagrammatically bipolar units of an electrolysis cell constructed according to the invention, each consisting of an electrochemically active region separated by a diaphragm, and an electrochemically inactive region with an electrolyte return system for the catholyte arranged on one side. The bipolar electrode used is an electrode plate extending over the entire surface of the bipolar unit, for example of lead (flexible) or impregnated graphite (rigid). The individual figures show

Fig. 1: an end view of the cathode side of a sealing frame with glued diaphragm and arranged behind it

Elektrodenplatte (mit gestrichelt eingetragenen Schnittlinien), Fig. 2: eine Stirnansicht der Anodenseite dieses Dichtrahmens mit dahinter angeordneter Elektrodenplatte (mit gestricheltFIG. 2: an end view of the anode side of this sealing frame with the electrode plate arranged behind it (with dashed lines). FIG

eingetragenen Schnittlinien), Fig.3: einen Querschnitt durch ein aus zwei Elektrodenplatten und dem dazwischen angeordneten Dichtrahmen bestehendes3 shows a cross section through an existing two electrode plates and the sealing frame arranged therebetween

Zellensegment in Höhe des elektrochemisch aktiven Bereiches (Schnitt A-A gemäß Fig. 1), Fig.4: einen Querschnitt wie Fig.3, jedoch in Höhe des Anolytzuführungskanals (Schnitt B-B gemäß Fig.2) und Fig. 5: einen Längsschnitt durch ein aus 4 Elektrodenplatten und den dazwischen angeordneten Dichtrahmen bestehendes4 shows a cross-section as in FIG. 3, but at the level of the anolyte supply channel (section BB according to FIG. 2), and FIG. 5 shows a longitudinal section through FIG 4 electrode plates and the interposed sealing frame existing

Cell segment, wherein the individual bipolar units are shown in different planes cut

(Schnitte C-C, D-D und E-E gemäß Fig. 1).(Sections C-C, D-D and E-E of Fig. 1).

Jede bipolare Einheit wird durch einen äußeren Dichtrahmen 1 und einen inneren Dichtrahmen 2 in je einen elektrochemisch aktiven und inaktiven Bereich aufgeteilt. Beide Bereiche werden durch Aussparungen im Katodenteil des inneren Dichtrahmens 3 miteinander zu einem internen Umlaufsystem für den Katolyten verbunden. Das im inaktiven Bereich angeordnete Elektrolytrücklaufsystem besteht aus dem oberen Querkanal 4 mit Gasabtrennzone 5, dem Rückströmkanal 6Each bipolar unit is divided by an outer sealing frame 1 and an inner sealing frame 2 in each one electrochemically active and inactive area. Both areas are connected by recesses in Katodenteil the inner sealing frame 3 together to form an internal circulation system for the catholyte. The arranged in the inactive region electrolyte return system consists of the upper transverse channel 4 with Gasabtrennzone 5, the return flow 6th

und dem unteren Querkanal 7. Dieses Rückströmsystem nimmt den gesamten Abstand zwischen je zwei bipolaren Elektrodenplatten 8 ein, die in diesem Bereich durch Beschichten mit PVC-Folie (im Bild nicht dargestellt) elektrisch isoliert sind. In der Elektrodenplatte sind im Bereich der Querkanäle Öffnungen für die Zuführung 9 sowie Abführung 10 des Katoiyten bzw. des gebildeten Gases angeordnet ebenfalls durch eingebrachte PVC-Hülsen gegen die Elektrodenplatte elektrisch isoliert. Diese Öffnungen bilden beim Zusammenbau innere Kanäle für die Zu- und Abführung der Reaktionsmedien. Die elektrochemisch aktive Zone wird durch ein geripptes Diaphragma aus PVC 11 in Anodenraum 12 und Katodenraum 13 geteilt. Durch die Rippen 14 wird der Katodenraum gleichzeitig in parallel durchströmte senkrechte Kanäle aufgeteilt. Da das Diaphragma oben und unten erst mit dem inneren Dichtrahmen abschließt und in die Aussparungen für den Katolytdurchtritt hineinragt, gelangt der umlaufende Katolyt aus den Strömungskanälen direkt in den querschnittserweiterten oberen Querkanal. Gesonderte Stützglieder für die Aussparungen im Dichtrahmen sind deshalb in diesem Falle nicht erforderlich.and the lower transverse channel 7. This Rückströmsystem occupies the entire distance between two bipolar electrode plates 8, which are electrically isolated in this area by coating with PVC film (not shown in the picture). In the electrode plate openings for the supply 9 and discharge 10 of Katoiyten or the gas formed are also electrically insulated by introduced PVC sleeves against the electrode plate in the region of the transverse channels. These openings form during assembly inner channels for the supply and discharge of the reaction media. The electrochemically active zone is divided by a ribbed diaphragm of PVC 11 in the anode compartment 12 and cathode compartment 13. By the ribs 14 of the cathode space is divided at the same time in parallel through vertical channels. Since the diaphragm closes above and below only with the inner sealing frame and protrudes into the recesses for the Katolytdurchtritt, the circulating catholyte flows from the flow channels directly into the querschnittserweiterten upper transverse channel. Separate support members for the recesses in the sealing frame are therefore not required in this case.

Im Gegensatz zum Katoiyten wird der Anolyt nicht im Kreislauf geführt, da an der Anode im betrachteten Anwendungsfall keine nennenswerte Gasentwicklung auftritt. Der Anolyt wird deshalb in bekannter Weise durch ebenfalls elektrisch isoliert angeordnete Öffnungen 15 in der Elektrodenplatte und Aussparungen im Anodendichtrahmen 16 zugeführt, wird durch eingebrachte Einbauten zur Strömungsführung 17 umgelenkt und durchströmt den Anodenraum, der durch eingebrachte PVC-Abstandsstreifen 18 ebenfalls in Strömungskanäle unterteilt ist. Der Austritt erfolgt in analoger Weise durch Passieren der Einbauten zur Strömungsführung 17 über Aussparungen im inneren Dichtrahmen 16 und die Austrittsöffnung 19 in der bipolaren Elektrodenplatte. Ein- und Austrittsöffnungen bilden beim Zusammenbau zusammenhängende innere Kanäle, die innerhalb des inneren Dichtrahmens angeordnet sind.In contrast to Katoiyten the anolyte is not recycled, since at the anode in the considered application, no appreciable gas evolution occurs. The anolyte is therefore supplied in a known manner by likewise electrically insulated openings 15 in the electrode plate and recesses in the anode sealing frame 16, is deflected by introduced internals to the flow guide 17 and flows through the anode compartment, which is also divided by flow PVC channels introduced by PVC spacer strips 18. The exit takes place in an analogous manner by passing the internals to the flow guide 17 via recesses in the inner sealing frame 16 and the outlet opening 19 in the bipolar electrode plate. Inlet and outlet openings form during assembly contiguous inner channels, which are arranged within the inner sealing frame.

Diese hier beispielsweise beschriebene erfindungsgemäße Elektrolysezelle eignet sich besonders für die Durchführung anodischer Oxidationsprozesse bei gleichzeitiger katodischer Wasserstoffabscheidung, wie beispielsweise zur Regeneration von Eisen-lll-chlorid-Lösungen aus verbrauchten, Eisen-ll-chlorid enthaltenden Ätzlösungen. In diesem Fall sind imprägnierte Graphitelektroden besonders geeignet. Bei Einsatz von Elektroden aus Blei bzw. Bleilegierungen kann die Zelle auch zur Chromsäureregeneration, bei Verwendung von Elektroden aus Chromnickelstahl zur Herstellung von Kaliumhexacyanoferrat (III) durch anodische Oxidation von Kaliumhexacyanoferrat (II) verwendet werden. Bei höheren Temperaturen als 5O⁰C sind die im Ausführungsbeispiel angegebenen PVC-Bauteile durch solche aus thermisch beständigeren Plastwerkstoffen zu ersetzen (z. B. Polyvinylidenfluorid).This electrolysis cell described here, for example, according to the invention is particularly suitable for carrying out anodic oxidation processes with simultaneous cathodic hydrogen separation, such as for the regeneration of ferric chloride solutions from spent, containing ferrous chloride etching solutions. In this case, impregnated graphite electrodes are particularly suitable. When lead or lead alloys are used, the cell can also be used for chromic acid regeneration using chromium nickel steel electrodes to produce potassium hexacyanoferrate (III) by anodic oxidation of potassium hexacyanoferrate (II). At temperatures higher than 5O ⁰ C given in the embodiment PVC-components are by such replacing from thermally more stable plastic materials (eg. As polyvinylidene fluoride).

Example 2

Die Figuren 6 und 7 zeigen schematische Darstellungen von bipolaren Einheiten einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle, bestehend aus einem durch Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen geteilten elektrochemisch aktiven Bereich und einem elektrochemisch inaktiven Bereich, in dem beidseitig je ein Rückströmsystem für Anolyt und Katolyt angeordnet ist. Als bipolare Elektroden werden dünne flexible Bleche verwendet, die sich im Gegensatz zu der im Beispiel 1 beschriebenen Zelle nur über den elektrochemisch aktiven Bereich bis zu den inneren Dichtrahmen erstrecken. Die Rückströmsysteme benachbarter Zellen werden durch Trennplatten abgetrennt, die in der Ebene der Diaphragmen, bzw. lonenaustauschermembranen angeordnet sind. Die einzelnen Figuren zeigenFigures 6 and 7 show schematic representations of bipolar units of an electrolytic cell according to the invention, consisting of a divided by diaphragms or ion exchange membranes electrochemically active region and an electrochemically inactive region in which a respective Rückströmsystem for anolyte and catholyte is arranged on both sides. As bipolar electrodes, thin flexible sheets are used which, in contrast to the cell described in Example 1, extend only over the electrochemically active region up to the inner sealing frames. The Rückströmsysteme adjacent cells are separated by partition plates, which are arranged in the plane of the diaphragms, or ion exchange membranes. The individual figures show

Fig. 6: eine Stirnansicht einer bipolaren Einheit, bestehend aus den Dichtrahmen, der bipolaren Elektrodenplatte und der dahinter angeordneten Trennplatte mit den Diaphragmen bzw. der Ionenaustauschermembran (mit gestrichelt eingetragenen Schnittlinien) und6 shows an end view of a bipolar unit consisting of the sealing frame, the bipolar electrode plate and the separating plate arranged behind it with the diaphragms or the ion exchange membrane (with dashed lines) and

Fig. 7: einen Längsschnitt durch ein aus 8 bipolaren Einheiten bestehendes Zellensegment, wobei je zwei bipolare Einheiten in unterschiedlichen Ebenen geschnitten dargestellt sind (Schnitte A-A, B-B, C-C und D-D gemäß Fig.6).7 shows a longitudinal section through a cell segment consisting of 8 bipolar units, with two bipolar units being shown cut in different planes (sections A-A, B-B, C-C and D-D according to FIG. 6).

Durch den äußeren und inneren Dichtrahmen 1 und 2 werden wiederum die beiden Bereiche voneinander abgegrenzt. Die beidseitig angeordneten Rückströmsysteme sind mit dem Anoden-12 und Katodenraum 13 durch Aussparungen 3 im inneren Dichtrahmen verbunden. Die oberen Querkanäle 4 mit den Gasabtrennzonen 5, die beiden Rückströmkanäle 6 sowie die unteren Querkanäle 7 erstrecken sich jeweils nur über eine Zellenhälfte und sind durch Stege 20 zwischen dem inneren und äußeren Dichtrahmen voneinander getrennt. Die beiden Rückströmsysteme nehmen wiederum den gesamten Raum zwischen je zwei bipolaren Einheiten ein. Sie werden von den Rückströmsystemen der benachbarten bipolaren Einheiten durch Trennplatten 21 aus geeigneten elektrisch nicht leitenden Materialien, z.B. Polypropylen, abgegrenzt. In der Trennplatte sind im Bereich der Querkanäle Öffnungen für die Zuführung 9 und Abführung 10 der Elektrolytlösungen und der gebildeten Gase angeordnet. Die elektrochemisch aktive Zone wird durch die Trennsysteme 11 (Diaphragmen oder lonenaustauschermembranen) in Anoden- und Katodenräume geteilt. Beide Elektrodenräume werden durch eingebrachte Abstandsstreifen 18 in parallel durchströmte Kanäle aufgeteilt. Diese Abstandsstreifen dienen gleichzeitig der Fixierung und Abstandshaltung der flexiblen Elektrodenbleche und der Trennsysteme. Die Zone zwischen Ober- bzw. Unterkante der Abstandsstreifen bis zum inneren Dichtrahmen dient dem Übergang vom Strömungsquerschnitt der elektrochemisch aktiven Zone zum geringeren Querschnitt der Ein- und Austrittsöffnungen in Form der Aussparungen in den inneren Dichtrahmen. Diese Zone ist gleichzeitig als zusätzliche Widerstandsstrecke ausgebildet, indem in diesem Bereich die Elektrodenoberfläche elektrisch gegen die Lösung abisoliert ist bzw. nicht aktiviert wurde. Die elektrochemische wirksame Zone erstreckt sich deshalb nur bis zur Unter- bzw. Oberkante der Abstandsstreifen.By the outer and inner sealing frame 1 and 2, in turn, the two areas are delimited from each other. The arranged on both sides Rückströmsysteme are connected to the anode-12 and cathode space 13 through recesses 3 in the inner sealing frame. The upper transverse channels 4 with the Gasabtrennzonen 5, the two return flow channels 6 and the lower transverse channels 7 each extend only over a half of the cell and are separated by webs 20 between the inner and outer sealing frame. The two return flow systems in turn take up the entire space between every two bipolar units. They are separated from the return flow systems of the adjacent bipolar units by partition plates 21 of suitable electrically non-conductive materials, e.g. Polypropylene, demarcated. In the partition plate openings for the supply 9 and discharge 10 of the electrolyte solutions and the gases formed are arranged in the region of the transverse channels. The electrochemically active zone is divided by the separation systems 11 (diaphragms or ion exchange membranes) into anode and cathode compartments. Both electrode spaces are divided by introduced spacer strips 18 in parallel flow channels. These spacer strips simultaneously serve for fixing and spacing the flexible electrode sheets and the separating systems. The zone between the upper or lower edge of the spacer strips to the inner sealing frame serves the transition from the flow cross section of the electrochemically active zone to the smaller cross section of the inlet and outlet openings in the form of the recesses in the inner sealing frame. This zone is at the same time designed as an additional resistance path, in that the electrode surface is electrically stripped from the solution in this area or has not been activated. The electrochemical effective zone therefore extends only to the lower or upper edge of the spacer strips.

Die Trennsysteme erstrecken sich bis in die inneren Dichtrahmen hinein und schließen dort an die in gleicher Ebene angeordneten Trennplatten 21 an. Sie sind entweder mit diesen oder mit dem Dichtrahmen in geeigneter Weise verbunden, z. B. verklebt. In die Aussparungen 3 im inneren Dichtrahmen wurden kammartige Stützglieder 22 eingeklebt. Diese ermöglichen einerseits den Flüssigkeitsdurchtritt, andererseits übertragen sie die Anpreßkräfte zur Abdichtung des angrenzenden Dichtrahmens.The separation systems extend into the inner sealing frame and connect there to the arranged in the same plane partition plates 21. They are connected either to these or to the sealing frame in a suitable manner, for. B. glued. In the recesses 3 in the inner sealing frame comb-like support members 22 were glued. On the one hand, these enable the passage of fluid, on the other hand they transmit the contact forces for sealing the adjacent sealing frame.

Diese hier beispielsweise beschriebene Elektrolysezelle eignet sich für die Durchführung elektrochemischer Prozesse, bei denen beide Elektrodenreaktionen mit einer Gasentwicklung verbunden sind. Vorzugsweise kann sie zur Chloralkali- oder Wasserelektrolyse verwendet werden. In beiden Fällen sind die Dichtrahmen und die Trennsysteme vorzugsweise aus bis 100°C beständigen Plastmateriaiien anzufertigen, z. B. Polyvinylidenfluorid. Bei Verwendung als Membranzelle für dieThis electrolysis cell described here, for example, is suitable for carrying out electrochemical processes in which both electrode reactions are associated with gas evolution. Preferably, it can be used for chloralkali or water electrolysis. In both cases, the sealing frame and the separation systems are preferably made of up to 100 ° C resistant Plastmateriaiien, z. B. polyvinylidene fluoride. When used as a membrane cell for the

Chloralkali electrolysis are used as bipolar electrodes preferably titanium-coated steel sheets whose Titanium surface with electrocatalytically active compounds, eg. B. oxide mixtures of titanium and ruthenium coated

sind. Als Trennsysteme dienen lonenaustauschermembranen aus Copolymeren von Tetrafluoräthylen undare. As separation systems serve ion exchange membranes of copolymers of tetrafluoroethylene and

Perfluorsulfonylvinylethern. When used as a diaphragm cell for water electrolysis electrode sheets of steel, one-sided nickel-plated with the Nickel side as anode, used. As diaphragms find porous films of suitable plastic use. With this construction principle according to the invention, it is, for example, when using 0.5 mm thick electrode sheets and about

0,5 mm starker Diaphragmen möglich, Gesamtstärken einer bipolaren Einheit von nur etwa 5 mm zu verwirklichen, wodurch eineaus 20 bipolaren Einheiten bestehende Baugruppe nur eine Stärke von 100 mm besitzt. Damit gelingt es mit einem äußerstgeringen Materialeinsatz an Titan bzw. Nickel, Zellen mit großer Strom kapazität und geringem Platzbedarf zu realisieren.0.5 mm thick diaphragms make it possible to realize total thicknesses of a bipolar unit of only about 5 mm, whereby an assembly consisting of 20 bipolar units only has a thickness of 100 mm. This makes it possible with an extremely small use of materials to titanium or nickel, cells with large power capacity and small footprint to realize.

Example 3 This example includes a specific embodiment of the upper part of one of several electrochemically active zones

bestehenden bipolaren Einheit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.existing bipolar unit of the electrolytic cell according to the invention.

Fig. 8: zeigt eine Stirnansicht des oberen Teiles einer aus zwei elektrochemisch aktiven Zonen bestehenden bipolaren Einheit in strömungsgünstiger Ausführung.Fig. 8: shows an end view of the upper part of a two electrochemically active zones existing bipolar unit in aerodynamic design.

Bei gleichem Prinzipaufbau, wie im Beispiel 2 beschrieben, wird durch die spezielle Formgebung der äußeren 1 und inneren Dichtrahmen 2 sowie der Überströmöffnungen 10 ein geringer Strömungswiderstand, eine gute Gasabtrennung und Abführung der Elektrolyseprodukte erreicht. Die Strömungsführung innerhalb der bipolaren Einheit wird durch Pfeile verdeutlicht. Das Flüssigkeitsniveau wird im Betriebszustand in Höhe des unteren schmalen Teiles der Überströmöffnungen gehalten, in Fig.8 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die zusammenhängenden inneren Kanäle, die durch die Form der Überströmöffnungen und der Aussparungen in den äußeren Dichtrahmen gebildet werden, haben im oberen Bereich einen stark querschnittserweiterten Gaskanal für die getrennte Abführung der gebildeten Gase. Die übrigen in Fig. 8 verwendeten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in den vorangegangenen Zeichnungen.With the same basic structure, as described in Example 2, is achieved by the special shape of the outer 1 and inner sealing frame 2 and the overflow 10, a low flow resistance, good gas separation and removal of the electrolysis products. The flow guidance within the bipolar unit is illustrated by arrows. The liquid level is maintained in the operating state at the level of the lower narrow part of the overflow openings, indicated in Figure 8 by a dashed line. The continuous inner channels, which are formed by the shape of the overflow openings and the recesses in the outer sealing frame, have in the upper region a strong cross-sectional widened gas channel for the separate discharge of the gases formed. The remaining reference numerals used in Figure 8 have the same meaning as in the preceding drawings.

Durch die in diesem Beispiel beschriebene spezielle Ausführungsform von Zellen mit zwei oder mehreren elektrochemisch aktiven Zonen gelingt es, hohe Stromkapazitäten bei optimalen Bedingungen für die interne Kreislaufführung des Elektrolyten und vertretbar geringen Verlustströmen zu realisieren.The specific embodiment of cells with two or more electrochemically active zones described in this example makes it possible to realize high current capacities under optimum conditions for the internal circulation of the electrolyte and acceptably low leakage currents.

Documents considered:

DD-PS 92907, C 01 G 37/12 DD-PS 99548, C 01 B 15/06 DD-PS 144427, C 25 B 9/00DD-PS 92907, C 01 G 37/12 DD-PS 99548, C 01 B 15/06 DD-PS 144427, C 25 B 9/00

Claims

1. Bipolar filter press cell for under gas evolution running electrochemical processes consisting of two edge plates with power supply and a plurality of interposed, separated by diaphragms or ion exchange membranes bipolar units, with at least one internal electrolyte circulation, and inner channels for the supply and discharge of the electrolyte solutions and for discharge the formed gases, characterized in that the bipolar units consist of at least one, separated by an inner sealing frame 2, divided by diaphragms or ion exchange membranes electrochemically active region and at least one, delimited by the inner 2 and an outer sealing frame 1, undivided electrochemically inactive region , wherein the distance between each two bipolar electrodes is 3 to 10 mm, in the electrochemically inactive area an electrolyte residue occupying the entire distance between every two bipolar units msystem is formed, consisting of below and above the electrochemically active region arranged transverse channels 4 + 7, which are connected by recesses in the inner sealing frame with the respective anode or cathode space, and at least one laterally disposed from the electrochemically active zone vertical return flow 6th in that the return flow systems of neighboring bipolar units are delimited from one another either by a separating plate of electrically non-conducting material located in the plane of the bipolar electrode plate or the separation system or by the electrode plate electrically insulated from the electrolyte solutions and openings for the formation of inner channels Supply and discharge of the electrolyte solutions and for discharging the gases formed within the electrochemically inactive region of the bipolar unit are arranged.

2. Cell according to item 1, characterized in that the return flow system associated electrochemically active region has a width of 0.05 to 1.0 m, preferably 0.2 to 0.5 m, and the ratio of the free flow cross sections of the return flow and of the electrochemically active region is at least 1, preferably 1.5 to 3.

3. cell according to the points 1 and 2, characterized in that the electrochemically active region has a vertical extent of 0.5 to 2.5 m and both electrode spaces in parallel flow channels of 5 to 20 mm wide and 0.5 to 5 mm thickness are divided.

4. cell according to the items 1 to 3, characterized in that the parallel-flow channels are formed by ridges on the electrode plates or the diaphragms or by introduced spacer strips of electrically non-conductive materials.

5. cell according to the points 1 to 4, characterized in that the upper Querkanäie the Rückströmsysteme are designed and designed as Gasabtrennzone.

6. cell according to the items 1 to 5, characterized in that the recesses for the lower and upper transverse channels to achieve a favorable hydrodynamics and / or to increase the electrical resistance between the electrochemically active area and connecting openings to the adjacent cells in a streamlined manner and possibly equipped with internals.

7. cell according to the items 1 to 6, characterized in that each electrochemically active region is equipped only on one side with a Elektroltrückströmsystem which is connected to either the cathode or with the anode compartment.

8. Cell according to items 1 to 6, characterized in that each electrochemically active region is equipped on both sides with two Elektroltrückströmsystemen, one of which is connected to the cathode space, the other with the anode space.

9. cell according to the points 1 to 8, characterized in that additional resistance paths between the upper and / or lower transverse channels and the electrochemically active regions are arranged.

10. cell according to the items 1 to 9, characterized in that in each bipolar unit a plurality of electrochemically active and inactive areas are arranged alternately adjacent to each other, wherein the located in the electrochemically inactive areas Rückströmsysteme each with the anode or Katodenräumen the two adjacent electrochemical active areas are connected.

11. Cell according to items 1 to 10, characterized in that thin, flexible, preferably 0.1 to 1 mm thick electrode plates are used.

12. Cell according to the items 1 to 11, characterized in that the electrode plates extend over the entire surface of the bipolar units to the outer sealing frame.

13. cell according to the points 1 to 11, characterized in that the electrode plates extend only over the region of the electrochemically active zone up to the inner sealing frame.

14. cell according to the items 1 to 13, characterized in that the electrochemically active surface areas of the bipolar electrode plates are activated in a suitable manner and by known methods, for example by applying electrocatalytically active compounds, for. of ruthenium-titanium oxide mixtures.

15. Cell according to items 1 to 14, characterized in that thicker, rigid electrode plates are used, which may contain cooling channels.

16. cell according to the points 1 to 15, characterized in that the sealing frame made of flexible material.

17 cell according to the points 1 to 16, characterized in that the electrolyte passage in the inner sealing frame arranged recesses contain comb-like or corrugated support members.

18. cell according to the points 1 to 17, characterized in that the diaphragms flexible, porous plastic films are used.

19. cell according to the points 1 to 17, characterized in that are used as separation systems ion exchange membranes.

20. cell according to the items 1 to 19, characterized in that the diaphragms or ion exchange membranes extend only over the electrochemically active areas and complete with the inner sealing frame.

21 cell according to the items 1 to 20, characterized in that when using flexible components several bipolar single cells are combined to form a separate module, which is formed of two rigid intermediate plates and preferably 10 to 50 flexible, bipolar units.

22. Cell according to points 1 to 21, characterized in that the rigid intermediate plates with holders for the bipolar single cells, inlets and outlets for the electrolyte solutions or the gases formed, with electrical contacts to the adjacent modules or the edge plates, and equipped with holders for the separate modules for transport or assembly.