-
Vertikal angeordnete Plattenelektrode für gasbildende Elek-
-
trolyseure Die Erfindung betrifft eine vertikal angeordnete Plattenelektrode
für gasbildende Elektrolyseure mit horizontal durchgehend verlaufenden Plattenspalten.
-
Bei der Durchführung elektrochemischer Prozesse kommt es auf eine
gleichsaäßige Verteilung des Stroms über die Elektrodenoberfläche an. Die gleichmäßige
Verteilung wird durch die Streufähigkeit des Elektrolyten wie auch durch die Homogenität
der Elektroden beeinflußt. Die Streufähigkeit ist um so besser, je größer die auf
der Gegenelektrode von den Stromlinien beaufschlagte Fläche. Zwar kann mangelnde
Streufähigkeit durch Vergrößerung des Elektrodenabstandes ausgeglichen werden, doch
wird hierdurch der Spannungsabfall der Zelle erhöht. Bei Inhomogenitäten in der
Elektrodenoberfläche können durch den Stromfluß bewirkte Verwerfungen auftreten.
Dem Abstand der Elektrodenplatten, d.h. dem Abstand zwischen Anode und Kathode kommt
somit wesentliche Bedeutung zu. Die Einhaltung bzw. Einstellung eines geringen Elektrodenabstands
ist in Gase wie Chlor, Sauerstoff, Wasserstoff erzeugenden Membran-Elektrolysezellen
mit Schwierigkeiten verbunden. Bei geringem Abstand zwischen den Elektroden können
die Gasblasen nicht schnell genug abgeführt werden.
-
Die Anwesenheit von Gas im Elektrolyten zwischen den Elektroden setzt
dessen elektrische Leitfähigkeit herab und steigert somit den Energieverbrauch.
Des weiteren können Mikrostromverwerfungen in der Elektrodenoberfläche auftreten.
Darüberhinaus ruft die Gasentwicklung Turbulenzen im Elektrolyten hervor. Eine turbulente
Bewegung des Elektrolyten hat den Nachteil, daß die Membran intensiven mechanischen
Belastungen ausgesetzt ist. Zur Vermeidung einer beschleunigten Zerstörung der Membran
besteht im allgemeinen der Zwang zur Begrenzung der Höhe der Elektroden, zur Einstellung
eines erheblichen Abstandes zwischen den Elektroden der Zelle und zur Begrenzung
der elektrischen Stromdichte, was gleichzeitig für die energetische Ausbeute der
Elektrolysezelle und ihre Produktivität von Nachteil ist.
-
Zur Verminderung der Nachteile von Elektrolysezellen mit Membranen
und vertikal angeordneten Elektroden werden im allgemeinen Elektroden mit Öffnungen
für die Abfuhr der Reaktionsgase verwendet, beispielsweise gelochte Elektroden,
Drahtgewebe, oder Streckmetall. Die Nachteile liegen unter anderem in verminderter
aktiver Oberfläche, mangelnder Stabilität und Verlust an hochwertigem Beschichtungsmaterial
auf der Elektrodenrückseite.
-
Nach einem aus DE - AS 20 59 868 bekannten Vorschlag hat man auch
schon bei vertikal anzuordnenden Elektroden in gasbildenden Diaphragmazellen eine
aus einzelnen Platten bestehende Elektrodenplatte vorgesehen, wobei die einzelnen
Platten Führungsflächen für die Ableitung des erzeugten Gases aufweisen. Auf Grund
der vorgesehenen Neigung der Führungsplatte bzw. -fläche ergeben sich zwangsläufig
unterschiedliche Abstände der aktiven Oberfläche zur Gegenelektrode, wobei insbesondere
durch lokale Temperaturerhöhungen in den empfindlichen Trennwänden schlechter Wärmeleitfähigkeit
leicht Verwerfungen bewirkt werden. Des weiteren kann auch die gesamte
aktive
Oberfläche der Elektrode nicht in den energetisch wünschenswert engen Abstand zur
Gegenelektrode gebracht werden.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die genannten und weitere Nachteile
zu vermeiden und eine Elektrode bereitzustellen, die bei geringstem Abstandsverhältnis
eine sichere und rasche Gasabfuhr aus dem Elektrolyten gewährleistet.
-
Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus von einer vertikal anordenbaren
Plattenelektrode für gasbildende Elektrolyseure, insbesondere Membran-Elektrolyseure
mit horizontal durchgehend verlaufenden Plattenspalten und im Bereich der Spalten
angeordneten Führungsorganen für die Ablei-tung entwickelter Gase.1 Bei einer Plattenelektrode
der genannten Art besteht die Lösung gemäß der Erfindung darin, daß die ge-: samte
aktive Elektrodenoberfläche der einzelnen Elektrodenplatte parallel und im kürzesten
Abstand zur Gegenelektrode angeordnet ist, und daß das Führungsorgan an den jeweiligen
Oberkanten der Platten von der Gegenelektrode abgewandt ist.
-
Die einzelnen Platten oder Streifen der erfindungsgemäßen Plattenelektrode
bestehen demgemäß aus einem senkrechten Teil und einem von der Senkrechten abgekanteten
bzw. abgewinkelten Teil. Die aktive Oberfläche des senkrechten Teils beträgt somit
100 % der projizierten Oberfläche, da keine Gasabzugsöffnungen in der aktiven Oberfläche
vorhanden sind.
-
Die Gasabzugsöffnungen sind vielmehr zu wenigen, horizontal verlaufenden
Streifenöffnungen bzw. Spalten zusammengefaßt.
-
Die Spaltbreite liegt im allgemeinen zwischen 3 und 50 mm.
-
Zur Unterstützung der Entgasung des von jeweils zwei Platten oder
Blechen gebildeten Elektrodenspaltes ist die obere Kante des einzelnen Elektrodenbleches
abgekantet und nach hinten umgebogen bzw. abgewinkelt, das heißt, von der Gegenelektrode
abgewendet.
-
Die Abwinkelung aus der Elektrodenebene beträgt 10 bis 90 und liegt
im allgemeinen zwischen 15 und 70 °. Die einzelne Elektrodenplatte hat im senkrechten
Teil eine Höhe von 5 bis 50 cm bei einer Dicke von etwa 1 bis 3 mm. Die Höhenbegrenzung
wirkt einer zu hohen Gaskonzentration im Elektrolyten entgegen. Die Dicke der einzelnen
Elektrodenplatte richtet sich nach der Breite der Elektrode, da keine zusätzlichen
Stromverteilungsbolzen vorgesehen sind, die z. B.
-
bei Zellen üblicher Dimensionierung und bei Verwendung von Streckmetall
als Aktivfläche notwendig sind.
-
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode
als Hohlelektrode ausgebildet. Hierbei stehen die einzelnen Elektrodenplatten mit
den abgekanteten Führungsorganen eihander zugewandt gegenüber, so daß sich eine
symmetrische Anordnung ergibt. Die sich gegenüberstehenden Abkantungen bewirken
im Innern der Hohlelektrode einen Venturi-Effekt, der zur Entgasung des Elektrolyten
beiträgt.
-
Die einzelnen Platten der Elektrode können aber auch in der Höhe versetzt
und mit den Abkantungen nach innen gewandt sich gegenüberstehen, so daß sich ein
asymmetrischer Aufbau ergibt.
-
Der abgekantete Teil der einzelnen Platten der erfindungsgemäßen Elektrode
ist im allgemeinen als ebene Fläche ausgebildet, kann jedoch auch gewölbt sein.
-
Die Elektrodenplatten werden in an sich bekannter Weise fest in einen
Rahmen eingebaut, der Anschlußorgane für die Zufuhr des elektrischen Stromes besitzt.
-
Die Elektrode gemäß der Erfindung kann als Anode oder Kathode in Membran-Elek-trolyseprozessen
eingesetzt werden.
-
Bei anodischem Einsatz wird als Elektrodenwerkstoff Titan, Tantal,
Wolfram oder Zirconium gewählt, Dabei wird die Elektrode nur auf ihrer der Gegenelektrode
zuzuwendenden Oberfläche mit einem aktivierenden ueberzug versehen, in bekannter
Weise aus z. B. Metalloxiden und Metallen der Gruppe Platin,
Iridium,
Osmium, Palladium, Rhodium, Ruthenium.
-
In Fällen des Einsatzes der erfindungsgemäßen Elektrode als Kathode
in Membran-Elektrolyse-Prozessen kann die Elektrode aus z. B. Stahl oder Nickel
oder deren Legierungen bestehen.
-
Die erfindungsgemäße Elektrodenplatte wird in Elektrolyseuren mit
Membranen eingesetzt. Im Sinne der Erfindung sind unter Membranzellen nur solche
Zellen zu verstehen, die ionenselektive Membranen besitzen, wie perfluorierte Kationenaustauscher-Membranen.
Derartige Membranen erlauben die Trennung kathodischer und anodischer Produkte einer
Elektrolyse voneinander oder von den der Gegenelektrode zugeführten Reaktanden.
-
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte in einer
Elektrolysezelle mit ionenselektiver Membran kann wie folgt gedeutet werden: An
dem senkrechten Teil der Elektrodenplatte entwickelt sich Gas, das nach oben aufsteigt.
Infolge der Gasansammlung nimmt der spezifische-Widerstand des Elektrolyten in Abhängigkeit
von der Gasanreicherung zu. Im Bereich des oberen abgewinkelten bzw. abgekanteten
Teils des Elektrodenbleches nimmt das Elektrolytvolumen zu, das heißt, dort sinkt
die Gaskonzentration bei gleicher oder sogar zunehmender Gasmenge. Auf Grund der
verminderten Gaskonzentration im abgekanteten Bereich des Elektrodenbleches verbleiben
auch die abgekanteten Flächen aktiv und nehmen am Elektrolyseprozeß teil. Die Expansion
des Elektrolytvolumens im Bereich des abgekanteten Plattenteils bewirkt eine Aufwärtsströmung
bzw. einen Sog, so daß auch das im Elektrolyten suspendierte Gas expandiert und
zum überwiegenden
Teil hinter den nächst höher liegenden Elektrodenstreifen
gelangt. Auf diese Weise wird der Elektrolysevorgang dieses höher liegenden Elektrodenstreifens
nicht oder nicht nennenswert beeinflußt.
-
Besonders vorteilhaft arbeiten die als Hohlelektroden ausgeführten
Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere die Ausführungsform mit spiegelbildlich
einander zugekehrten abgekanteten Führungsorganen für die Gasableitung. Hierbei
entstehen Einschnürungen nach Art eines Venturi-Rohres. Die Verengungen des Hohlraums
bewirken an ihrem Austritt eine Zone verminderten Drucks und unterstützen in diesem
Bereich die Entgasung des Elektrolyten. Dieser Effekt tritt insbesondere dann verstärkt
auf, wenn die Elektroden mit seitlich geschlossenen Rückströmräumen versehen sind,
so daß eine intern zirkulierende Strömung des entgasten Elektrolyten entsteht.
-
In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Elektrode,
aus perspektiver Sicht der Gegenelektrode, näher und beispielsweise dargestellt.
In Figur 1 ist mit (1) der Rahmen angedeutet, in welchen die aus einzelnen Plattenstreifen(2)
bestehende Elektrode eingespannt ist. (3) bezeichnet die abgewinkelten Führungsorgane
für die Gasableitung. Die Richtungspfeile G geben den Verlauf der Gasströmung an.
-
In Figur 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrode
als Hohlelektrode gezeigt. Die abgewinkelten Fuhrungsorgane (3) sind einander spiegelbildlich
zugekehrt, während die iiii Rahmen (1) angebrachten eigentlichen Elektrodenplatten
(2) der einzelnen Streifen den (hier nicht gezeichneten) Gegenelektroden zugekehrt
sind. Die Richtungspfeile geben den Weg des Gasstroms an, wobei dieser im wesentlichen
seinen Weg durch die horizontal verlaufenden Spalten und weiter in das Innere des
Elektrodenhohlraumes nimmt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind auch solche Anordnungen
möglich, bei denen die Elektrode mehrfach über die Breite geteilt ist. Die Entgasungsspalten
der Teilsegmente können dabei auf gleicher oder unterschiedlicher Höhe liegen.
-
Die Vorteile der Elektrodenplatte der Erfindung sind darin zu sehen,
daß die Elektrodenplatte in geringst möglichem Abstand mit zur Gegenelektrode paralleler
völlig aktiver Oberfläche angeordnet werden kann und punktuelle Uberhitzungen der
temperaturempfindlichen Membranen vermieden werden, das zwischen Anode und Kathode
gebildete Gas rasch aus dem Bereich der aktiven Oberfläche hinter die Elektrodenfläche
abgeleitet wird. Ferner lassen sich die Elektroden auf einfache Weise ohne größeren
technischen Aufwand aus Flachblech herstellen wie auch die einseitige Aufbringung
einer aktiven Oberflächenschicht ohne Schwierigkeiten möglich ist.
-
Die Erfindung wird anhand des Ausführungsbeispiels näher und beispielhaft
erläutert.
-
Beispiel In einer technischen Chloralkali-Elektrolyse-Anlage mit ionenselektiver
Membran zur Erzeugung von Natronlauge, Chlor und Wasserstoff wurde eine Natriumchloridlösung
einer Konzentration von 310 g/l elektrolysiert. Die Stromdichte betrug 3,1 KA/m2
und die Temperatur des Elektrolyten 80 °C.
-
Es wurden erfindungsgemäße Elektroden mit Höhen der einzelnen Plattenstreifen
von jeweils 5, 10 und 15 cm und Aktivflächen von ca. 90 % der projizierten Flächen
als Kathoden eingesetzt. Als Werkstoff diente Stahl ST 37 ohne Aktivierung.
-
Als Gegenelektroden wurden dimensionsstabile Anoden und als selektive
Membran eine perfluorierte Ionenaustauschermembran (Handelsnamen Nafion) verwendet.
Die Plattendicke betrug 3 mm bei einer Streifenbreite der einzelnen Platte von 100
cm.
-
Das Führunsorgan war in einem Winkel von 26 ° abgekantet und hatte
eine projizierte Höhe von 20 mm. Die Spaltbreite zwischen den einzelnen Plattenstreifen
der Kathode betrug 20 mm und der Abstand zwischen Kathoden- und Membranfläche 3
mm.
-
Die Gesamtelektrodenfläche belief sich auf 1 x 1 m2.
-
In der nachstehenden Tabelle sind die Versuchsbedingungen und Meßergebnisse
und im Vergleich hierzu Meßergebnisse angeführt, die mit üblichen Streckmetall-Kathoden
gleichen Materials und gleicher projizierter Aktivfläche anstelle der erfindungsgemäßen
Kathoden gewonnen wurden.
-
Die Tabelle zeigt, daß eine verminderte Zellenspannung der mit erfindungsgemäßen
Elektroden ausgerüsteten Zellen aufgrund der niedrigeren effektiven Stromdichte
auftritt, und ferner, daß eine um 1 % höhere Stromausbeute erzielt wird. Hieraus
resultiert eine Energieeinsparung von 200 KWh/to NaOH, entsprechend ca. 7 % des
Energieaufwandes der Vergleichszelle mit Streckmetall-Kathoden.
| Vergleichszellen mit |
| Zellen mit Elektroden gemäß Erfindung |
| Streckmetallkathoden |
| Senkrechte Höhe der Mittel- Mittel- |
| 5 10 15 |
| Plattenstreifen cm wert wert |
| Zellenspannung V 3,92#0,02 3,94#0,02 3,90#0,04 3,92#0,03 4,02#0,20
4,10#0,3 4,22#0,15 4,11#0,16 |
| 3,94#0,04 3,90#0,03 3,85#0,06 3,89#0,06 3,94#0,6 4,16#0,06
4,21#0,10 4,10#0,14 |
| Stromausbeute % 94,4 #1,0 94,6 #0,7 94,3 #0,9 94,4 #0,8 94,3
#1,1 92,8 #3,7 92,5 #1,7 93,2#2,5 |
| 92,6 #1,1 91,9 #1,3 92,9 #0,7 92,4 #1,1 92,0 #1,5 91,6 #0,7
90,7 #1,0 91,4 #1,2 |
| Stromverbrauch 2785 # 35 2790 # 30 2770 # 40 2780 # 40 2860
#155 2960 #140 3060 #158 2960 #160 |
| KWh/t NaOH 2855 # 60 2845 # 60 2780 # 50 2820 # 60 2870 # 80
3045 # 58 3110 # 95 3010 #130 |