DD285128A5 - Elektrodenelement einer Elektrode für gasentwickelnde elektrolytischeProzesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Elektrodenelemente, die zur Herstellung von Elektroden fuer gasentwickelnde elektrolytische Prozesse geeignet sind. Die Elektroden aus parallel zueinander angeordneten Elektrodenelementen sind dadurch gekennzeichnet, dasz die Elektrodenelemente (1, 2, 4, 5) Lamellen, Baender, Folien oder dgl. mit einer Dicke (6) bis zum 3fachen des Blasenabloesedurchmessers sind, dasz die Elektrodenelemente (1, 2, 4, 5) durch Verformen profiliert sind, dasz die Profilierungen (6, 16) eine Tiefe aufweisen, die zwischen benachbarten Elektrodenelementen (1, 2, 3, 4, 5) einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt fixiert, und dasz die Breite (13) der Elektrodenelemente (1, 2, 3, 4, 5) mindestens das 10fache dieses Spaltes betraegt. Fig. 3{Elektrodenelement; Elektrolyse; Gasentwicklung; parallele Elemente; Spalt; Kapillareffekt; Profilierung}

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Elektrodenelemente, die zur Herstellung von Elektroden für gasentwickelndo elektrolytische Prozesse geeignet sind.

Charakteristik dos bekannten Standes der Technik

Für die Produktion verschiedener wichtiger chemischer Grundstoffe, wie Natronlauge, Chlor, Wasserstoff oder Wasserstoffperoxid, sind gasentwickelnde elektrolytische Prozesse von herausragender Bedeutung. Die bei der Elektrolyse von alkalischen Lösungen, Wasser, Salz- bzw. Schwefelsäure zu verwendenden Elektroden müsssn einer Vielzahl von zum Teil gegensätzlich wirkenden Gebrauchsparametern entsprechen. Ein sehr wesentliches Erfordernis besteht in der schnellen Abfuhr des entwif Gelten Gases aus dem Raum zwischen Anode und Kathode jenseits dieser Elektroden, um einen großen, den eluUrischen Widerstand des Elektrolyten erhöhenden Gasanteil zu vermeide."!. Dies steht aber dem Bestreben entgegen, dip zur Verfügung stehende Konstruktionsfläche maximal für eine elektrochemisch wirkend! Elektrodenfläche wirksam zu nutzen. Es wird weiterhin angestrebt, eine möglichst gleichmäßig und fein strukturierte Elektrodenoberfläche zu realisieren, damit die Voraussetzungen für ein homogenes elektrisches Feld gegeben sind. Unstetigkeiten, wie z.B. Kanten, führen zu Feldstärkeerhöhungen und damit zu einer ungleichmäßigen Elektrodenbelastung, die nicht nur energetische Verluste, sondern auch einen vorzeitigen Verschleiß des Elektrodenmaterials bzw. der elektrokatalytischen Beschichtung (sogenannte Coating) verursacht.

Wesentlich für die Gewährleistung eines optimalen Prozesses ist auch die Realisierung eines gleichmäßigen, geringen Elektrodenabstandes, ohne bei Verwendung von Membranen diese mechanisch stark zu beanspruchen oder gar zu beschädigen. Es sollte auch vermieden werden, daß Elektrodenelemente mit großer Dicke einen hohen Berührungsdruck auf die Membran ausüben und somit den Elektrolytfluß, bzw. den lonentransport durch das Porensystem der Membran merklich behindern. Zwei wichtige Grundtypen gasentwickelnder metallischer Elektroden sind bekannt: Zum einen verwendet man von Stromverteilern getragene, parallel angeordnete Profilstäbe, deren Querschnitt kreisförmig, elliptisch, tropfenförmig oder rechteckig ist (DE-OS 3008116, DE-O3 3325187, DE-PS 3519272, DE-OS 3519573). Aber auch U-förmige in Abständen aneinandergereihte Schienen sind gemäß der DE-AS 1271093 bekannt.

Zum anderen sind perforierte Bleche mit vertikal und horizontal verlaufenden Schlitzen, mit bezüglich der Elektrodenebene abgewinkelten oder tiefgezogenen Segmenten, Lochblechelektroden und Gitterstreckmetallelektroden bekannt (DD-PS 250026, DE-OS 3625506, DE-OS 2735238).

Vertreter des erstgenannten Grundtyps verwenden parallel angeordnete Elemente, die mit Stromverteilerschienen fest verbunden sind und einen tropfenförmigen Querschnitt (DEr-ÜS 3325187) bzw. einen annähernd kreisförmigen Querschnitt (DE-OS 3008116) aufweisen. Der kreisförmige Querschnitt wurde durch Abtrennen von Segmenten, die in der Elektrodenebene liegen, modifiziert. Beide Elektroden sollen vorzugsweise für die Chloralkalielektrolyse in Amalgamzellen Anwendung finden. Nachteilig ist, daß die Elektroden keinen wesentlich verringerten Gasblasenbedeckungsgrad aufweisen. Der Abtransport des Gases erfolgt ausschließlich durch die Fluidströmung und den Auftrieb. Die besonderen Querschnittsgeometrien sind nicht geeignet, eine aktive Rolle beim Gastransport durch die Elektrode zu übernehmen. Zwar verhindern sie durch Vermeidung von Unstetigkeitsstellen eine Überbeanspruchung der katalytischen Beschichtung, jedoch geschieht dies durch Inkaufnahme der Nachteile infolge der radiusbedingten ungleichmäßigen Abstände der Elektrodenflächen.

Die DE-OS 3519272 offenbart eine Elektrodenstruktur, die eine Vielzahl parallel angeordneter Elemente mit rechteckigem Querschnitt verwendet. Ein plattenförmiger Träger mit beidseitigen Ausbuchtungen dient der Befestigung der Elektrodenelemente und als Stromverteiler. Der Querschnitt der rechteckigen Eloktrodenelemente soll ein Verhältnis von 1:5 aufweisen. Damit die Gasabzugsfahnen im Bereich des Spoltes nicht miteinander in Berührung kommen und verwirbeln, ist ein relativ großer Spalt zwischen benachbarten Elementen vorgesehen. Dies führt zu einer relativ geringen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Konstruktionsfläche und zu einer ungleichmäßigen Elektrodenbelastung, insbesondere im Bereich der Kanten der rechteckigen Profile, wo mit einem erhöhten Verschleiß der katalytischer! Beschichtung zu rechnen ist. Die gewählte Form des Trägers der Elektrodenelemente, der gleichzeitig Stromverteiler ist, verhindert die Konzentration des Gases im Raum jenseits der reaktiven Elektrodenfläche. Infolgedessen kommt es zu einem hohen Gasanteil im Bereich der Reaktionsfläche verbunden mit erhöhten elektrischen Verlusten.

Eine der voran beschriebenen ElektroH<?nstruktur sehr ähnliche ist die in der DE-OS 3519573 offenbarte Elektrode. Sie besteht gleichfalls aus parallel auf einem Stromverteiler angeordneten Elementen rechteckigen Querschnitts, deren Abstand zueinander einige Millimeter beträgt. Außerdem weisen die der Membran zugewandten Stirnseiten der Elemente eine Vielzahl von Ausnehmungen auf. Die dazwischen befindlichen Stege sind nicht elektrokatalytisch beschichtet und liegen auf der Membran auf. Somit beträgt die zur Verfügung stehende reaktive Fläche nur noch etwa 10% der Membranfläche. Die Stege können, bedingt durch Relativbewegungen zwischen Elektrode und Membran, lokale Beschädigungen der Membran veruisachon. Als Vertreter des zweiten Grundtyps gasentwickelnder metallischer Elektroden ist >n der DE-OS 2735238 eine Elektrode mit vertikalen jalousieartigen Elementen, die durch Herauspressen aus einem Blech erzeugt wurden, beschrieben. Diese Elektrodenstruktur verursacht erhebliche Feldstärkeunterschiede und damit stark unterschiedliche Belastungen der Elektrodenfläche. An den der Membran zugewandten Kanten der jalousieartigen Elemente ist ein erhöhter Verschleiß der elektrolytischen Schicht zu erwarten.

Jalousieartige Elemente in überwiegend horizontaler Anordnung sind ir DD-PS 250026 beschrieben worden. Das sehr scharfkantig ausgebildete Jalousieende verursacht eine starke Feldstär¹ eüberhöhung sowie eine erhebliche mechanische und thermische Beladung der Membran.

Die DE-OS 36/ου1«3 c''?nbart eine Elektrode mit einer Anzahl im wesentlichen waagerechter, rechteckiger Öffnungen, denen Brücken- oder Fa.'inenteile zugeordnet sind.

Auch diese Elektrode kann die Ausbildung eines relativ großen Gasblasenanteils im Raum zwischen der Elektrode und der Membran nicht verhindern.

Zie! der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung von Elektrodenelomenten für Elektroden in gaserzeugenden elektrolytischen Zellen, die eine kostengünstige Produktion und verbesserte Leistungsparameter der Elektroden gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektrodenelemente für Elektroden gaserzeugender elektrolytischer Prozesse zu entwickeln, die die Herstellung gleichmäßig (eingliedriger Elektrodenstrukturen erlauben. Ein gerichteter Gasblasentransport der Elektrodenstruktur soll die Gasblasenbelastung im Elektrolyten des Reaktionsraumes erheblich verringern. Die Elektrodenelemehte sollen eine einfache und variable Positionierung zueinander ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Elektrodenelemente Lamellen, Bänder, Folien oder dergleichen mit einer Dicke bis zum 3fachen des mittleren Blasenablösedurchmessers verwendet werden. Zwischen den parallel zueinander angeordneten Elektrodenelementen besteht ein den Kapillareffekt hervorrufender Spalt. Er ist durch Profilierungen entsprechender Tiefe, die durch Verformen der Elektrodenelemente erzeugt wurden, fixiert. Die Breite der Elektrodenelemente beträgt mindestens das lOfache der realisierten Kapillarspaltbreite.

Zur Gewährleistung einer gerichteten Gasabfuhr aus dem Reaktionsraum in den Entgasungsraum besitzen die Elektrodenelemente Profilierungen mit vorzugsweise quer zur Elektrodenebene verlaufender Struktur. Sie gewährleisten, daß das Gas auf dem kürzesten Wege in den Entgasungsraum gelangen kann und so keine nennenswerte Erhöhung des ohmschen Widerstandes des Elektrolyten im Reaktionsraum verursacht.

Die Elektrodenelementa können einseitig oder beidseitig die erfindungsgemäße Profilierung tragen. Bei der zuerst genannten Variante liegen die Elektrodenelemente bezüglich ihrei Profilierungen gleichgerichtet aneinander. Im anderen Fall ist die wechselweise Anordnung von profilierten und glatten, d. h. nicht profilierten, Elektrodenelementen sinnvoll. Es kann jedoch zur Erzielung eines Kapillarspaltes, der breiter als die Höhe der stegartigen Profilierungen ist, erforderlich sein, ausschließlich beidseitig mit Profilierungen versehene Elektroc-'^nelemente zu verwenden. Damit die Profilierungen sicher aufeinander stehen, sind diese bezüglich der Oberflächen eines Elektrodenelementes mit unterschiedlicher Neigung gegenüber durch Längsachse auszuführen.

Die Profilierungen können beispielsweise eine wellige Struktur der Elektrodenelemente bilden oder einseitig bzw. beidseitig, in Abständen angeordnete Sicke darstellen.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren näher erläutert. Fs stellen dar

Fig. 1: zwei Kapillarspaltelektroden mit zwischenliegendem Trennelement Fig. 2: Elektrodenelemente mit welliger Struktur (M: etwa 10:1)

Fig. 3: Ausschnitt aus einer Elektrodenpackung von alternierend angeordneten profilierten (gewellten) und unprofilierten F.lektrodenelementen

Fig. 4: Elektrodenelement mit beidseitig angeordneten Sicken Fig. 5: Elektrodenelement mit einseitig angeordneten Sicken.

Die erfindungsgemäßen Elektrodenelemente 1 umfassen nicht nur die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten speziellen Varianten durch Verformen profilierter Elementestrukturen. Sie umfassen alle profilierten Elektrodenelemente 1,2,4, 5 aus dünnen Lamellen, Bändern, Folien odor dergleichen, die in einer zur Elektrode 8 zusammengefaßten, geordneten dichten Packung zwischen benachbarten Elektiodenelementen 1, 2,3,4,5 einen den Gastransport quer zur Elektrodenebene ermöglichen bzw. gewährleisten. Hierbei weisen die Elektrodenelemente 1,2,3,4,5 eine Dicke 14 bis zum 3fachen des Blasenablösedurchmessers und eine Breite 13 von mindestens dem lOfachen ^r>es Kapillarspaltes auf.

Figur 1 zeigt zwei Kapillarspaltelektroden 8 als Kathode und Anode mit zwischenliegendem Trennelement 7 (z. B. Membran) im sogenannten Null-Abstand. Die erfindungsgemäße Elektrodenstruktur erlaubt großflächig einen konstanten und geringen Elektrodenabstand, welcher der Dicke des Trennelements 7 entspricht. Die Anschmiegsamkeit der Kapillarspaltelektrode gewährleistet darüber hinaus eine gleichmäßige Druckverteilung über das Trennelement 7, was nicht nur dessen Beschädigung verhindert, sondern auch den lonenstrom bzw. den Elektrolytenstrom nicht beeinträchtigt. Der Raum, der sich an die Elektrodenfläche anschließt, welch9 dem Trennelement 7 abgewandt ist, dient als Entgasungsraum für den Elektrolyten. Figur 2 zeigt einen maßstäblich vergrößerten Ausschnitt der Kapillarspaltelektrode.

In Figur 2 sind Elektrodenelemente 1 mit Gleichfalls gewellter Struktur da gestellt. Die Achsen 18 ihrer Profilierungen 16 sind gegenüber der Horizontalen geneigt. Durch wechselseitiges Falten einer derart profilierten Folie 9 um ihre in der vertikalen Achse 17 liegenden Faltachsen 10, kommen die Profilierungen 16 benachbarter Elektrodenelemente 1 punktweise aufeinander zu liegen. Die in der Faltachse 10 angeordneten Perforierungen 11 besitzen eine Breite 12, die sich an der Breite des Kapillarspaltes bzw. den Grad der Verformung der Folie 9 orientiert.

Figur 3 zeigt den Ausschnitt einer Elektrode 8, die aus einer Packung mit abwechselnd angeordneten profilierten und nichtprofilierten Elektrodenelementen 2,3 besteht. Die Profilierungen des Elektrodenelementes 2 weisen eine wellige Struktur auf, welche einen sich stetig vorändernden Kapillarspalt verursacht. Als mittlere Kapillarspaltbreite kann der halbe Abstand zwischen zwei benachbarten nichtprofilierten Elektrodenelementen 3 angesehen werden. Die Breite des Kapillarspaltes sollte zwischen 200pm und 600pm liec,3n.

Die Figuren 4 und 5 zeigen Elektrodenelemente 4,5 mit beidseitig bzw. einseitig gesickten Profilierungen 6, deren Achsen orthogonal zu den Längsachsen 17 der Elektrodenelemente 4,5 verlaufen. Das Elektrodenelement 4 wird in dieser Form in Kombination mit nichtprofilierten Elektrodenelementen 3 eingesetzt. Eine Kombination dieser Elektrcdenelemente 4 riit gegenüber der Horizontalen geneigten Achsen 18 der gesickten Profilierungen 6 untereinander führt zu Elektroden-Strukturen, die den von Figur 2 sehr ähnlich sind.

Dia Vorteile der erfindungsgemäßen Elektrodenelemente bestehen darin, daß sich diese ohne separate Abstandshalter zu dichten, fein und gleichr läßig strukturierten Packungen zusammenfügen lassen. Der Kapillarspalt zwischen benachbarten Elektrodenelementen, fixiert durch ihre Profilierungen, gewährleistet einen gerichteten Gastransport und einen intensiven Elektrolytaustausch.

Claims (5)

1. Elekfrodenelemente einer Elektrode für gasentwickelnde elektrolytische Prozesse, die parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (1, 2, 4, 5) Lamellen, Bänder, Folien oder dergleichen mit einer.Dicke (C) bis zum 3fachen des Blasenablösedurchmessers sind, daß die Elektrodenelemente (1,2,4,5) durch Verformen profiliert sind, daß die Profilierungen (6,16) eine Tiefe aufweisen, die zwischen benachbarten Elektrodenelementen (1,2,3, 4, 5) einen den Kapillareffekt hervorrufenden Spalt fixieren, und daß die Breite (13) der Elektrodenelemente (1, 2,3,4, 5) mindestens das 10fache dieses Spaltes beträgt.

-1- 284 128 Patentansprüche:

2. Elektrodenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen (6,16) eine quer zur Ebene der Elektrode (8) verlaufende Struktur besitzen.

3. Elektrodenelemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Profilierung (6) der Elektrodenelemente (4,5) durch Sicken gebildet ist.

4. Elektrodenelemente nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Profilierung (16) der Elektrodenelemente (1,2) einer gleichmäßig gewellten Fläche entspricht.

5. Elektrodenelemente nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (18) der Profilierungen (6,16) mit den Längsachsen (17) der Elektrodenelemente (1, 2,4, 5) einen Winkel ungleich 90 Grad einschließen.