DE102019129202A1 - Electrochemical cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, diea. eine Anodenkammer mit einer Anode,b. eine Anolytzuleitung, durch die ein Anolyt in die Anodenkammer leitbar ist,c. eine Anolytableitung, durch die der Anolyt aus der Anodenkammer ableitbar ist,d. eine Kathodenkammer mit einer Kathode, die einen Kathodengrundkörper aufweist, unde. eine zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordnete Membran aufweist, wobei die Anolytzuleitung und/oder die Anolytableitung im Kathodengrundkörper verläuft.The invention relates to an electrochemical cell which a. an anode chamber with an anode, b. an anolyte feed line through which an anolyte can be conducted into the anode chamber, c. an anolyte discharge through which the anolyte can be discharged from the anode chamber, d. a cathode chamber with a cathode which has a cathode base body, ande. has a membrane arranged between the anode chamber and the cathode chamber, the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line running in the cathode base body.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, die eine Anodenkammer mit einer Anode, eine Anolytzuleitung, durch die ein Anolyt in die Anodenkammer leitbar ist, eine Anolytableitung, durch die der Anolyt aus der Anodenkammer ableitbar ist, eine Kathodenkammer mit einer Kathode, die einen Kathodengrundkörper aufweist, und eine zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer angeordnete Membran aufweist.The invention relates to an electrochemical cell which has an anode chamber with an anode, an anolyte feed line through which an anolyte can be conducted into the anode chamber, an anolyte discharge line through which the anolyte can be discharged from the anode chamber, a cathode chamber with a cathode which has a cathode base body , and a membrane disposed between the anode chamber and the cathode chamber.
Derartige elektrochemische Zellen sind in verschiedenen Ausführungsformen seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise zur Herstellung von elektrolysiertem Wasser oder ozonisiertem Wasser verwendet. Solche Zellen sind beispielsweise aus der
Elektrochemische Zellen weisen zumindest zwei Elektroden, Anode und Kathode auf. Sie können als geteilte Zellen ausgebildet sein, in denen die Anode in einem Anodenkammer und die Kathode in einer Kathodenkammer angeordnet ist. Die beiden Räume sind in diesem Fall über eine ionenleitfähige Membran, welche beispielsweise eine semipermeable Membran oder ein Diaphragma sein kann, voneinander getrennt.Electrochemical cells have at least two electrodes, an anode and a cathode. They can be designed as divided cells in which the anode is arranged in an anode chamber and the cathode is arranged in a cathode chamber. In this case, the two spaces are separated from one another by an ion-conductive membrane, which can be a semipermeable membrane or a diaphragm, for example.
Durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die Elektroden kann ein im Anoden- und/oder Kathodenkammer befindliches Medium zersetzt und/oder umgewandelt werden, wie beispielsweise bei der Elektrolyse des Wassers. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die elektrochemische Zelle im Rahmen der sog. Elektrosynthese bei der Herstellung bestimmter organischer oder anorganischer Verbindungen einzusetzen.By applying an electrical current to the electrodes, a medium located in the anode and / or cathode chamber can be decomposed and / or converted, such as, for example, during the electrolysis of water. However, it is also possible to use the electrochemical cell in the context of so-called electrosynthesis in the production of certain organic or inorganic compounds.
Als Elektrolyte werden Flüssigkeiten mit darin gelösten Substanzen eingesetzt. Bei diesen Substanzen handelt es sich beispielweise um Edukte für die Elektrosynthese. Die Elektrolyte werden beispielweise in den Anoden- und/oder Kathodenkammer eingebracht oder durchströmen diesen kontinuierlich. Ein in der Anodenkammer eingebrachter Elektrolyt wird auch als Anolyt, ein in den Kathodenkammer eingebrachter Elektrolyt auch als Katholyt bezeichnet.Liquids with substances dissolved in them are used as electrolytes. These substances are, for example, starting materials for electrosynthesis. The electrolytes are introduced into the anode and / or cathode chamber, for example, or flow continuously through them. An electrolyte introduced into the anode chamber is also referred to as an anolyte, and an electrolyte introduced into the cathode chamber is also referred to as a catholyte.
Geteilte elektrochemische Zellen, bei denen sich zwischen der Anodenkammer und der Kathodenkammer eine ionendurchlässige Membran oder ein Diaphragma befindet, verfügen in der Regel über einen relativ großen Abstand zwischen der Anode und der Kathode, was zu einem relativ großen Ohm'schen Widerstand und damit zu einem erheblichen Energiebedarf führt. Dies wird bei den bereits genannten Zellen dadurch gelöst, dass die Anode und/oder die Kathode direkt mit der jeweiligen Membran in Kontakt kommen. Dadurch wird zwar der Abstand zwischen den beiden Elektroden minimiert, die Membran ist jedoch einer erheblichen mechanischen und elektrochemischen Belastung ausgesetzt. Zudem wird dadurch eine Struktur in der Elektrodenoberfläche nötig, um ein ausreichendes Kammervolumen der Anodenkammer und/oder der Kathodenkammer zu erreichen. Dies ist einerseits fertigungstechnisch aufwendig und sorgt andererseits dafür, dass insbesondere bei hohen Stromdichten eine oft unzureichende Standzeit der Membran vorliegt. Zudem verfügt dieser Zelltyp durch die strukturierte Oberfläche der Elektrode über stark unterschiedliche lokale Stromdichten.Divided electrochemical cells, in which an ion-permeable membrane or a diaphragm is located between the anode chamber and the cathode chamber, usually have a relatively large distance between the anode and the cathode, which leads to a relatively large ohmic resistance and thus to one leads to considerable energy requirements. In the case of the cells already mentioned, this is achieved in that the anode and / or the cathode come into direct contact with the respective membrane. Although this minimizes the distance between the two electrodes, the membrane is exposed to considerable mechanical and electrochemical stress. In addition, a structure in the electrode surface is necessary in order to achieve a sufficient chamber volume of the anode chamber and / or the cathode chamber. On the one hand, this is complex in terms of production technology and, on the other hand, it ensures that the membrane has an often inadequate service life, particularly at high current densities. In addition, this cell type has very different local current densities due to the structured surface of the electrode.
Diamantelektroden, deren Elektrodenoberfläche entsprechende Strukturen aufweist sind zudem besonders anfällig gegen mechanische Belastungen, wie beispielsweise Stöße. Die Diamantbeschichtung, die in der Regel auf einem metallischen oder aus einem Halbleiter bestehenden Grundkörper oder Substrat aufgebracht ist, platzt bei derartigen Belastungen oft ab, was insbesondere bei langjährigem Betrieb auch bei hydrodynamisch induzierten Druckstößen geschehen kann. Diese Abplatzungen sind sehr nachteilig, da an diesen Stellen der darunterliegende Grundkörper freigelegt wird und insbesondere bei hohen Stromdichten als Folge der dabei auftretenden starken elektrischen Felder an den Kanten einem chemischen und elektrochemischen Angriff ausgesetzt sind. Da diese Grundkörper in der Regel weit weniger korrosionsbeständig sind als eine Diamantschicht, kommt es in diesem Fall oft zu einem schnellen Versagen der Elektrode.Diamond electrodes, the electrode surface of which has corresponding structures, are also particularly susceptible to mechanical loads, such as impacts. The diamond coating, which is usually applied to a metallic base body or substrate made of a semiconductor, often flakes off under such loads, which can also happen in the case of hydrodynamically induced pressure surges, especially after many years of operation. This flaking is very disadvantageous, since the underlying body is exposed at these points and is exposed to chemical and electrochemical attack, especially at high current densities, as a result of the strong electrical fields occurring at the edges. Since these basic bodies are generally far less corrosion-resistant than a diamond layer, the electrode often fails quickly in this case.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrochemische Zelle vorzuschlagen, mit der es möglich ist, insbesondere auch Perverbindungen unter hoher Effizienz zu synthetisieren.The invention is based on the object of proposing an electrochemical cell with which it is possible, in particular, to also synthesize per compounds with high efficiency.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine elektrochemische Zelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der die Anolytzuleitung und/oder die Anolytableitung im Kathodengrundkörper verläuft.The invention solves the problem posed by an electrochemical cell according to the preamble of claim 1, in which the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line run in the cathode base body.
Dies hat mehrere Vorteile. Der Kathodengrundkörper erfüllt bei der erfindungsgemä-ßen Ausgestaltung nun weitere Funktionen, da er zumindest einen Teil der Anolytzuleitung und/oder der Anolytableitung beherbergt. Im Stand der Technik herrscht das Vorurteil, dass der Anolyt keinesfalls mit der Katode oder einem Bauteil der Katode in Kontakt kommen darf, um eine Reduktion der in der Anodenkammer erzeugten oxidativer Spezies zu vermeiden. Dies ist selbst verständlich insbesondere für die Anolytableitung bekannt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Kontakt nahezu vollständig oder gänzlich vermieden werden kann und der Restkontakt nahezu vollständig unschädlich ist. Die Reduktion ist minimal und wiegt die Vorteile nicht auf.This has several advantages. In the embodiment according to the invention, the cathode base body now fulfills further functions, since it houses at least part of the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line. In the prior art, there is the prejudice that the anolyte must never come into contact with the cathode or a component of the cathode in order to avoid a reduction in the oxidative species generated in the anode chamber. This is of course known in particular for anolyte drainage. The invention is based on the knowledge that the contact can be almost completely or completely avoided and the remaining contact is almost completely harmless. The reduction is minimal and does not outweigh the benefits.
Durch die Positionierung der Anolytzuleitung und/oder der Anolytableitung, wobei bevorzugt selbstverständlich beide Leitungen in dem Kathodengrundkörper angeordnet sind, kann die Anodenkammer nahezu frei konstruiert werden und den Erfordernissen einer industriellen durchgeführten Erzeugung von Perverbindungen gerecht werden. Perverbindungen sind dabei insbesondere Peroxo-Verbindungen, anorganische Persäuren und ihre Salze sowie weitere Perverbindungen, die keinen Sauerstoff enthalten. Peroxo-Verbindungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in ihrer Molekülstruktur O-O Gruppen enthalten, die dadurch ein hohes Oxidationspotenzial aufweisen und für typische oxidativer Reaktionen eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Zelle kann durch die Positionierung der Anolytzuleitung und/oder der Anolytableitung im Kathodengrundkörper an die optimalen Bedürfnisse bei der Herstellung insbesondere dieser Substanzen, besonders bevorzugt von Peroxomonosulfaten, Peroxodisulfaten, Disulfide, Perchloraten, Perbromaten, Permanganaten, Uranaten und Periodaten, angepasst werden.By positioning the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line, with both lines preferably being arranged in the cathode base body, the anode chamber can be designed almost freely and meet the requirements of an industrial production of per connections. Per compounds are in particular peroxo compounds, inorganic peracids and their salts and other per compounds that do not contain oxygen. Peroxo compounds are characterized by the fact that they contain O-O groups in their molecular structure, which therefore have a high oxidation potential and can be used for typical oxidative reactions. By positioning the anolyte supply line and / or the anolyte drainage line in the cathode base, the cell according to the invention can be adapted to the optimal requirements in the production of these substances in particular, particularly preferably peroxomonosulfates, peroxodisulfates, disulfides, perchlorates, perbromatics, permanganates, uraniumates and periodates.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Anodenkammer durch einen Kammerrahmen begrenzt, der mit der Anolytzuleitung und/oder der Anolytableitung fluidtechnisch in Verbindung steht und der bevorzugt aus einem Kunststoff, besonders bevorzugt aus einem Polymer, wie beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen oder Polytetrafluorethen) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid oder Polyvinyl idendifluorid) hergestellt ist. Bevorzugt wird die Anodenkammer auf einer Seite durch die Anode und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Membran begrenzt. Die Seitenflächen zwischen diesen beiden Seiten werden durch den Kammerrahmen gesetzt, sodass dieser die Anodenkammer in vier Richtungen beschränkt. Vorzugsweise ist der Kammerrahmen mit einer Ausnehmung ausgebildet, die die eigentliche Anodenkammer bildet. Der Kammerrahmen selbst steht mit der Anolytzuleitung und/oder der Anolytableitung, die sich im Kathodengrundkörper befinden, fluidtechnisch in Verbindung, sodass ein Anolyt, der durch die Anolytzuleitung aus dem Kathodengrundkörper zugeführt wird, in den Kammerrahmen eintritt und von dort in die Anodenkammer geführt wird. Der Anolyt, der aus der Anodenkammer austritt, verlässt die Anodenkammer in den Kammerrahmen und wird von dort über die fluidtechnische Verbindung in die Anolytableitung geleitet. Dies hat zur Folge, dass einerseits die Anode selbst keine dieser Funktionen übernehmen muss und deswegen für die Erzeugung der jeweiligen Substanz optimal ausgewählt werden kann. Andererseits wird das Volumen und insbesondere die Dicke der Anodenkammer, also der Abstand zwischen Elektrode und Membran, durch die Dicke des Kammerrahmens bestimmt, und ist somit frei einstellbar. Wird der Kammerrahmen aus dem genannten Kunststoffen hergestellt, ist sichergestellt, dass die hergestellten Substanzen nicht verändert werden oder reagieren.In a preferred embodiment, the anode chamber is delimited by a chamber frame which is fluidically connected to the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line and which is preferably made of a plastic, particularly preferably a polymer, such as PTFE (polytetrafluoroethylene or polytetrafluoroethene) or PVDF (polyvinylidene fluoride) or polyvinylidene difluoride). The anode chamber is preferably delimited on one side by the anode and on the opposite side by the membrane. The side surfaces between these two sides are set by the chamber frame, so that this limits the anode chamber in four directions. The chamber frame is preferably designed with a recess which forms the actual anode chamber. The chamber frame itself is fluidically connected to the anolyte supply line and / or the anolyte discharge line, which are located in the cathode base body, so that an anolyte, which is supplied through the anolyte supply line from the cathode base body, enters the chamber frame and is guided from there into the anode chamber. The anolyte that emerges from the anode chamber leaves the anode chamber in the chamber frame and from there is conducted into the anolyte discharge line via the fluid-technical connection. As a result, on the one hand, the anode itself does not have to take on any of these functions and can therefore be optimally selected for the production of the respective substance. On the other hand, the volume and in particular the thickness of the anode chamber, that is to say the distance between the electrode and the membrane, is determined by the thickness of the chamber frame and is therefore freely adjustable. If the chamber frame is made from the plastics mentioned, it is ensured that the substances produced are not changed or react.
Vorzugsweise verfügt der Kammerrahmen über wenigstens einen Verteilerraum, der mit der Anolytzuleitung und/oder der Anolytableitung in fluidtechnischer Verbindung steht. Vorzugsweise verfügt der Kammerrahmen über zwei Verteilerräume, von denen einer mit der Anolytzuleitung und einer mit der Anolytableitung in fluidtechnischer Verbindung steht. Die Verteilerräume erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Ausdehnung der Anodenkammer in einer Raumrichtung. Auf diese Weise wird eine homogene und möglichst laminare Strömung des Anolyten in die Anodenkammer und aus der Anodenkammer gewährleistet.The chamber frame preferably has at least one distributor space which is in fluid communication with the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line. The chamber frame preferably has two distributor spaces, one of which is in fluid communication with the anolyte feed line and one with the anolyte discharge line. The distribution spaces preferably extend over the entire extent of the anode chamber in one spatial direction. In this way, a homogeneous and, if possible, laminar flow of the anolyte into and out of the anode chamber is ensured.
Bevorzugt weist der Kammerrahmen Strömungsleitelemente auf, die eingerichtet sind, eine Strömung eines aus dem Verteilerraum in die Anodenkammer strömenden Anolyten und/oder eines aus der Anodenkammer in den Verteilerraum strömenden Anolyten zu richten. Besonders bevorzugt strömt der Anolyt folglich aus der Anolytzuleitung im Kathodengrundkörper in den ersten Verteilerraum des Kammerrahmens und wird dort auf einen großen Teil, besonders bevorzugt die gesamte Ausdehnung der Anodenkammer in einer Raumrichtung verteilt. Zwischen der eigentlichen Anodenkammer und dem jeweiligen Verteilerraum befinden sich vorzugsweise die Strömungsleitelemente, die die Strömung homogenisieren und beruhigen. Möglichst an der gegenüberliegenden Seite des Kammerrahmens befinden sich weitere Strömungsleitelemente, die die Verbindung zwischen der eigentlichen Anodenkammer und dem zweiten Verteilerraum herstellen. Dieser zweite Verteilerraum steht bevorzugt mit der Anolytableitung in fluidtechnischer Kontakt.The chamber frame preferably has flow guide elements which are set up to direct a flow of an anolyte flowing out of the distributor space into the anode chamber and / or an anolyte flowing out of the anode chamber into the distributor space. The anolyte consequently particularly preferably flows out of the anolyte feed line in the cathode base body into the first distribution space of the chamber frame and is there distributed over a large part, particularly preferably the entire extent of the anode chamber in one spatial direction. The flow guide elements, which homogenize and calm the flow, are preferably located between the actual anode chamber and the respective distributor space. If possible, on the opposite side of the chamber frame, there are further flow guide elements that establish the connection between the actual anode chamber and the second distributor space. This second distributor space is preferably in fluid-technical contact with the anolyte discharge line.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei der Anode um eine Diamantelektrode, die vorzugsweise eine strukturlose Oberfläche, bevorzugt eine strukturlose ebene Oberfläche aufweist. Dadurch wird erreicht, dass die Diamantelektrode keine Bohrungen, Kanten, Vertiefungen oder Hinterschneidungen aufweist, die empfindlich gegen mechanische Belastungen sind und an denen die Diamantschicht vom Substrat abplatzen könnte. Dadurch wird die Haltbarkeit und Standzeit der Elektrode deutlich erhöht. Zudem wird eine homogene Stromdichte und damit auch ein homogenes elektrisches Feld erzeugt. Dadurch kann möglichst die gesamte Anodenfläche, die mit dem Anolyten in Kontakt kommt, zur Erzeugung der gewünschten Substanz verwendet werden, wodurch die Effizienz und Ausbeute erhöht wird. Die Verwendung einer derartigen Diamantelektrode stellt eine eigene Erfindung dar. Diese Elektrode ist vorzugsweise auch in einer elektrochemischen Zelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 angeordnet.In a preferred embodiment, the anode is a diamond electrode, which preferably has a structureless surface, preferably a structureless flat surface. This ensures that the diamond electrode does not have any holes, edges, depressions or Has undercuts that are sensitive to mechanical loads and where the diamond layer could flake off the substrate. This significantly increases the durability and service life of the electrode. In addition, a homogeneous current density and thus also a homogeneous electric field is generated. As a result, if possible, the entire anode surface that comes into contact with the anolyte can be used to generate the desired substance, which increases the efficiency and yield. The use of such a diamond electrode represents an invention of its own. This electrode is preferably also arranged in an electrochemical cell according to the preamble of claim 1.
Bevorzugt liegt der Kammerrahmen direkt an der Diamantelektrode an. Die elektrochemische Zelle wird zum Betrieb einer mechanischen Spannung ausgesetzt, die den Kammerrahmen an die Diamantelektrode drückt. Durch geschickte Materialwahl, insbesondere bei der Verwendung der genannten Kunststoffen für den Kammerrahmen ist eine weitere Dichtung oder ein weiteres Dichtelement nicht notwendig. Dadurch wird die elektrochemische Zelle konstruktiv einfacher und kostengünstiger in der Herstellung.The chamber frame preferably rests directly on the diamond electrode. For operation, the electrochemical cell is subjected to a mechanical tension which presses the chamber frame against the diamond electrode. A further seal or a further sealing element is not necessary through a skilful choice of materials, in particular when using the plastics mentioned for the chamber frame. This makes the electrochemical cell structurally simpler and cheaper to manufacture.
Vorzugsweise weist die Kathode eine an dem Kathodengrundkörper angeordnete Kathodenfläche auf, die bevorzugt aus einem Metall, beispielsweise Stahl, besteht. Die Kathodenfläche bildet die eigentliche Kathode, die mit elektrischen Strom beaufschlagt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Kathodenfläche einstückig mit dem Kathodengrundkörper auszubilden. Der Vorteil einer separaten Kathodenfläche besteht darin, dass der Kathodengrundkörper aus einem anderen Material, vorzugsweise einem Polymer, besonders bevorzugt aus PTFE oder PVDF, hergestellt ist. Dies gilt insbesondere für den Bereich, in dem sich die Anolytzuleitung und/oder die Anolytableitung befinden. In diesem Fall ist sichergestellt, dass die hergestellten Substanzen nicht mit einem Metall, beispielsweise Stahl, in Kontakt kommen, wenn sie aus der Anodenkammer abgeleitet werden.The cathode preferably has a cathode surface which is arranged on the cathode base body and which preferably consists of a metal, for example steel. The cathode surface forms the actual cathode to which electrical current is applied. It is of course also possible to form the cathode surface in one piece with the cathode base body. The advantage of a separate cathode surface is that the cathode base body is made of a different material, preferably a polymer, particularly preferably PTFE or PVDF. This applies in particular to the area in which the anolyte feed line and / or the anolyte discharge line are located. In this case it is ensured that the substances produced do not come into contact with a metal, for example steel, when they are discharged from the anode chamber.
In einer bevorzugten Ausgestaltung befinden sich zwischen der Membran und der Anode und/oder zwischen der Membran und der Kathode wenigstens ein Abstandselement. Durch dieses Abstandselement wird verhindert, dass die Membran mit der Anode oder der Kathode mechanische in Kontakt kommen kann, wodurch sie Schaden erleiden könnte. Das Abstandselement, das insbesondere als Abstandsgitter ausgebildet sein kann, ist vorzugsweise aus einem Polymer, insbesondere aus PTFE oder PVDF hergestellt. Die Struktur des Abstandsgitter oder des Abstandselementes sollte dabei so ausgebildet sein, dass es in der Anodenkammer die homogene Strömung möglichst nicht stört und in der Kathodenkammer derart, dass ein möglichst geringer Strömungswiderstand einem Katholyten, entgegengesetzt werden kann.In a preferred embodiment, at least one spacer element is located between the membrane and the anode and / or between the membrane and the cathode. This spacer element prevents the membrane from coming into mechanical contact with the anode or the cathode, which could damage it. The spacer element, which can in particular be designed as a spacer grid, is preferably made from a polymer, in particular from PTFE or PVDF. The structure of the spacer grid or the spacer element should be designed in such a way that it does not interfere with the homogeneous flow in the anode chamber, and in the cathode chamber in such a way that the lowest possible flow resistance can be opposed to a catholyte.
Vorzugsweise verfügt die Zelle über eine Katholytzuleitung, durch die ein Katholyt in die Kathodenkammer leitbar ist, und über eine Katholytableitung, durch die der Katholyt aus der Kathodenkammer ableitbar ist. Vorzugsweise befinden sich die Katholytzuleitung und die Katholytableitung in dem Kathodengrundkörper.The cell preferably has a catholyte feed line, through which a catholyte can be conducted into the cathode chamber, and a catholyte discharge line, through which the catholyte can be discharged from the cathode chamber. The catholyte feed line and the catholyte discharge line are preferably located in the cathode base body.
Die Membran wird vorzugsweise zwischen dem Kathodengrundkörper und dem Kammerrahmen angeordnet, wobei sie besonders bevorzugt zwischen beiden Bauteilen eingeklemmt wird. Um eine Beschädigung der Membran zu vermeiden und gleichzeitig eine ausreichende Dichtigkeit der Kathodenkammer zu erreichen, ist es von Vorteil, ein separates Dichtelement, beispielsweise einen Dichtring, zu verwenden. Dieser wird beispielsweise in eine dafür vorgesehene Nut im Kathodengrundkörper eingelegt und dichtet die Kathodenkammer nach außen ab. Die Membran ist dann zwischen dem Kammerrahmen und dem Dichtelement eingeklemmt. Bei beiden Elementen handelt es sich um elastische, zumindest jedoch flexible Elemente, sodass eine ausreichende Dichtigkeit erreicht wird.The membrane is preferably arranged between the cathode base body and the chamber frame, wherein it is particularly preferably clamped between the two components. In order to avoid damage to the membrane and at the same time to achieve sufficient tightness of the cathode chamber, it is advantageous to use a separate sealing element, for example a sealing ring. This is inserted, for example, into a groove provided for this purpose in the cathode base body and seals the cathode chamber from the outside. The membrane is then clamped between the chamber frame and the sealing element. Both elements are elastic, but at least flexible elements, so that sufficient tightness is achieved.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der Anode und der Kathode weniger als 5 mm, bevorzugt weniger als 3 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm. Der Abstand kann über die Wahl der Dicke des Kammerrahmens gewählt und eingestellt werden.The distance between the anode and the cathode is preferably less than 5 mm, preferably less than 3 mm, particularly preferably less than 2 mm. The distance can be selected and adjusted by choosing the thickness of the chamber frame.
Eine besonders bevorzugten Ausgestaltung einer elektrochemischen Zell-Anordnung werden zwei der hier beschriebenen elektrochemische Zellen spiegelsymmetrisch aneinander angeordnet. Zentral befindet sich dabei das Substrat mit den beiden auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Substrates aufgebrachten Diamantschichten, die die beiden Diamantelektroden bilden. Sie können durch eine einzige elektrische Kontaktierung mit elektrischen Strom beaufschlagt werden und bilden bevorzugt beide die Anode. Geht man von diesem innersten Bereich gedanklich nach außen, so folgt an die Anode die Anodenkammer, die durch jeweils einen Kammerrahmen gebildet wird. Die Kammerrahmen sind vorzugsweise identisch ausgebildet und liegen direkt an den beiden Diamantelektroden an. Sie werden von jeweils einer Membran abgedeckt, die die beiden Anodenkammer nach außen hin begrenzen. Es schließen sich zwei Kathodengrundkörper an, die die hier beschriebenen Eigenschaften aufweisen und insbesondere die beiden Anolytzuleitungen und/oder Anolytableitungen aufweisen.In a particularly preferred embodiment of an electrochemical cell arrangement, two of the electrochemical cells described here are arranged mirror-symmetrically next to one another. Centrally located is the substrate with the two diamond layers applied to two opposite sides of the substrate, which form the two diamond electrodes. They can be acted upon by a single electrical contact with electrical current and preferably both form the anode. If one goes from this innermost area to the outside, the anode chamber, which is formed by a chamber frame, follows the anode. The chamber frames are preferably designed identically and are in direct contact with the two diamond electrodes. They are each covered by a membrane that delimits the two anode chambers towards the outside. This is followed by two basic cathode bodies which have the properties described here and in particular have the two anolyte feed lines and / or anolyte discharge lines.
Alternativ zu dieser symmetrischen Ausgestaltung kann auf der einer Diamantelektrode abgewandten Seite des entsprechenden Substrates auch eine Temperiereinrichtung angeordnet sein. Durch diese Temperiereinrichtung ist es möglich, die Anode zu kühlen oder zu heizen. Die Hauptanwendung dürfte jedoch im Kühlen der Anode liegen, da insbesondere bei hohen Stromdichten der Anode viel Energie zugeführt wird und diese dadurch aufheizt. Zusätzlich oder alternativ zum Kühlen der Anode kann auch der Anolyt gekühlt werden, sodass ein einem möglichst kalten Zustand der Anode zugeführt wird. Bei der Temperiereinrichtung handelt es sich folglich vorzugsweise um eine Kühleinrichtung, beispielsweise einen metallischen Kühlkörper, indem Kanäle vorhanden sind, durch die ein Kühlmittel geleitet wird.As an alternative to this symmetrical configuration, a temperature control device can also be arranged on the side of the corresponding substrate facing away from a diamond electrode. This temperature control device makes it possible to cool or heat the anode. The main application, however, is likely to be in cooling the anode, since a lot of energy is supplied to the anode, particularly at high current densities, which heats it up. In addition or as an alternative to cooling the anode, the anolyte can also be cooled so that the anode is supplied to a state that is as cold as possible. The temperature control device is consequently preferably a cooling device, for example a metallic heat sink, in which there are channels through which a coolant is passed.
Bevorzugt ist dem Kathodengrundkörper eine Ultraschall-Sonotrode zugeordnet oder zuordenbar. Hierzu weist der Kathodengrundkörper vorzugsweise zumindest eine Sonotrodenaufnahme auf. Durch eines Sonotrode können etwaige Abscheidungen an der Kathode mittels Ultraschall gelöst werden.An ultrasonic sonotrode is preferably assigned or can be assigned to the cathode base body. For this purpose, the cathode base body preferably has at least one sonotrode holder. A sonotrode can be used to dissolve any deposits on the cathode using ultrasound.
Anhand der beigefügten Figuren werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 - eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
2 - eine Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
3 - eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Kathodengrundkörpers, -
4 - eine Frontaldarstellung einer weiteren Ausführungsform des Kathodengrundkörpers, und -
5 - eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Dichtungsrahmens.
-
1 - a schematic sectional view of an embodiment of the present invention, -
2 - an exploded view of a further embodiment of the present invention, -
3 - a perspective view of an embodiment of the cathode base body, -
4th - A front view of a further embodiment of the cathode base body, and -
5 - a perspective view of an embodiment of a sealing frame.
In
Die Kathodenfläche
Der Kathodengrundkörper
Auf der dem ersten Verteilerraum
Der Anolyt strömt folglich über die Anolytzuleitung
Der Anodenkammer
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Kathodengrundkörper
Auf der von der Anodenkammer
In
Beiderseits der Anode
Die Kathodengrundkörper
Die darüber liegende Reihe an Auslässen gehört zu der Katholytzuleitung
Daneben ist eine Vielzahl von Befestigungsmitteln
Zudem sind Elektrolytanschlusselemente
Um die Kathodenfläche
Daneben sind in dem Kathodengrundkörper
Weiterhin weist der Kathodengrundkörper
Die Kathodenfläche
Der Kathodengrundkörper
Daneben weist der Kathodengrundkörper
Der Verteilerraum
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- Elektrochemische ZelleElectrochemical cell
- 44th
- AnodenkammerAnode chamber
- 66th
- Anodeanode
- 88th
- KathodenkammerCathode chamber
- 1010
- KathodenflächeCathode area
- 1212th
- KathodengrundkörperCathode base
- 1414th
- lonenleitfähige MembranIon-conductive membrane
- 1616
- KatholytzuleitungCatholyte supply line
- 1818th
- KatholytableitungCatholyte drainage
- 2020th
- AnolytzuleitungAnolyte supply line
- 2222nd
- AnolytableitungAnolyte drainage
- 2424
- VerteilerraumDistribution room
- 2626th
- KammerrahmenChamber frame
- 2828
- StrömungsleitelementeFlow control elements
- 3030th
- VerteilerraumDistribution room
- 3232
- StrömungsleitelementeFlow control elements
- 3434
- AnodengrundkörperAnode body
- 3636
- DiamantbeschichtungDiamond coating
- 3838
- AnodenkammerausnehmungAnode chamber recess
- 4040
- DichtelementvertiefungSealing element recess
- 4242
- DichtelementSealing element
- 4444
- KühlkörperHeat sink
- 4646
- KühlleitungCooling pipe
- 4848
- KühlmitteldichtungCoolant seal
- 5050
- BefestigungsmittelFasteners
- 5252
- BefestigungsausnehmungenMounting recesses
- 5454
- BasisplatteBase plate
- 5656
- Flow FieldFlow field
- 5858
- AnolytzuführöffnungAnolyte feed port
- 6060
- KatholytzuführöffnungCatholyte feed port
- 6262
- KatholytabführöffnungCatholyte discharge opening
- 6464
- AnolytabführöffnungAnolyte discharge opening
- 6666
- ElektrolytanschlusselementElectrolyte connection element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102014203374 A1 [0002]DE 102014203374 A1 [0002]
- DE 102014203376 A1 [0002]DE 102014203376 A1 [0002]
- DE 102014203372 A1 [0002]DE 102014203372 A1 [0002]
Claims (9)
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