DE4306889C1 - Elektrodenanordnung für gasbildende elektrolytische Prozesse in Membran-Zellen und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für gasbildende elektrolytische Prozesse, ins­ besondere Prozesse in Membran-Zellen, aus einer flächenhaften Elektrodenstruktur mit durch horizontal verlaufende Spalte voneinander getrennten Elektrodenelementen, wobei die Elek­ trodenelemente in einer Ebene liegende Basisteile aufweisen, die entlang der Spalte abgewin­ kelte Kanten aufweisen, wobei die Ebene der Basisteile eine Auflagefläche bildet und wobei die Elektrodenstruktur weiterhin streckmetallartige Teilbereiche aufweist, wobei die Elektro­ denelemente durch wenigstens zwei sich gegenüberliegende, senkrecht zu den Kanten ange­ ordnete, äußere Randstreifen miteinander verbunden sind und deren Verwendung.

Aus der DE-OS 32 19 704 ist eine Membran-Elektrolysezelle vom Filterpressentyp mit paar­ weise flächenhaften Elektroden bekannt, wobei die Elektroden jeweils mindestens einen durchbrochenen aktiven Mittelteil enthalten und zwischen den paarweisen Elektroden eine Membran angeordnet ist; dabei ist jeweils zwischen Elektrodenrand und Membranrand eine Dichtung angeordnet; der durchbrochene Mittelteil der Elektroden hat einen gitterähnlichen Aufbau, wobei die Gitterstäbe der paarweise zugeordneten Elektroden um maximal eine halbe Stabbreite gegeneinander versetzt sind und die Gitterstäbe einer Elektrode so angeordnet sind, daß ihr Abstand untereinander kleiner als die Projektion ihrer Breite ist; die Gitterstäbe weisen zumindest an der Aktivseite eine konvexe Wölbung auf, wobei die Dicke der Dichtung zwischen Elektrodenrand und Membranrand gleich oder geringer ist als die Höhe des über den Elektrodenrand ragenden Gitterstabanteils. Als problematisch erweist es sich, daß bei ei­ ner solchen Anordnung mit einer Abreicherung und mit Gasblasen im Bereich der Ablageflä­ che gerechnet werden muß, woraus sich ungünstige Auswirkungen auf Membran und Elektro­ denbeschichtung ergeben.

Die Elektrolysezelle ist für die Elektrolyse eines wäßrigen halogenidhaltigen Elektrolyts, wie beispielsweise Sole vorgesehen, um eine wäßrige Alkalimetallhydroxid-Lösung und Halogen und Wasserstoff herzustellen.

Bei solchermaßen aufgebauten Zellen muß im Bereich der Berührungsstelle zwischen Elek­ trode und Membran mit einer Abreicherung von Chlorid gerechnet werden, woraus sich eine Verringerung der Langzeitstabilität ergeben kann.

Aus der EP-PS 0 102 099 ist eine Elektrodenanordnung für gasbildende Elektrolyseure, insbe­ sondere Membran-Elektrolyseure, mit vertikal angeordneter Plattenelektrode, einer Gegene­ lektrode und einer Membran zwischen beiden Elektroden bekannt; die Plattenelektrode ist da­ bei in horizontale Streifen geteilt, deren gesamte aktive Elektrodenfläche parallel und im kür­ zesten Abstand zur Gegenelektrode angeordnet ist, wobei jedoch zwischen Membran und Elektrode ein Spalt zur Ableitung des bei der elektrochemischen Umsetzung entstehenden Gases vorgesehen ist; zur Gasableitung des aus dem Elektrodenspalt aufsteigenden Gases sind die horizontalen Streifen im Bereich ihrer Oberkante jeweils mit einem abgewinkelten Gasableitungsorgan versehen, an dem das aufsteigende Gas expandiert und zum Teil hinter die Elektrode geführt wird.

Als problematisch erweist sich der hierbei stets zur Gasableitung erforderliche Elektrodenspalt zwischen der Membran und den beiden Elektroden, wobei ein solch verhältnismäßig großer Elektrodenabstand auch eine Erhöhung der Zellspannung zur Folge hat.

Aus der DE-OS 36 40 584 ist eine Elektrodenanordnung für gasbildende Elektrolyseure, ins­ besondere für monopolare Membranelektrolyseure mit vertikal angeordneten Plattenelektro­ den sowie Gegen-Elektroden und einer Membran zwischen Plattenelektrode und Gegenelek­ trode bekannt; auf der der Membran zugekehrten Fläche der Plattenelektroden sind elektrisch leitende und mit den Plattenelektroden elektrisch leitend verbundene Flächengebilde als Vor­ elektroden bekannt, die in parallelen Ebenen zu den Plattenelektroden verlaufen.

Das als Elektrode dienende Flächengebilde ist in Form von Lochblechen, Streckmetallen, Drahtgeweben oder Drahtgeflechten gebildet, wobei der Abstand der Flächengebilde zwischen 1 und 5 mm beträgt; die Plattenelektroden sind in mehrere getrennte Einheiten hori­ zontal durchgehend geteilt, um eine Verbesserung der Stromverteilung in der Membran und eine Verringerung des Spannungsabfalls auf den der Membran zugekehrten Flächen zu erzielen.

Als problematisch erweist sich bei solchen Elektroden die Abreicherung von Chlorid, insbe­ sondere im Bereich der Berührungsstelle zwischen Elektrode und Ionenaustauschermembran, woraus sich eine Verringerung der Langzeitstabilität ergibt.

Weiterhin ist aus der EP-OS 0 150 018 ein Verfahren zum Elektrolysieren von flüssigen Elek­ trolyten mittels durchbrochener Elektroden in durch Ionenaustauschermembran geteilten Elek­ trolysezellen bekannt, wobei aufgrund von Gasblasenbildung seitlich zur Hauptfließrichtung des Elektrolyten ein Gasraum entsteht. Die entstehenden Gasblasen geben durch Zerplatzen an der Phasengrenze ihren Gasinhalt an den seitlich zur Hauptfließrichtung angrenzenden Gasraum ab, welcher bei plattenförmigen Elektroden durch den rückwärtigen Raum hinter der Elektrode gebildet wird. Die durchbrochenen Elektroden können unter anderem aus Streck­ metallen oder Blechstreifen bestehen.

Als problematisch erweist sich bei den aus der EP-OS 150 018 bekannten Anordnungen der verhältnismäßig aufwendige Aufbau von Elektroden mit gasströmungsleitenden Elementen, die aus einzelnen Blechstreifen zusammengesetzt sind.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Elektrodenanordnung mit offener Struktur zu ent­ wickeln, wobei eine bessere Gasblasenableitung erzielt werden soll; darüberhinaus soll die Elektrodenanordnung einfach herzustellen sein, ihre Langzeitstabilität erhöht werden und eine Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche erzielt werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Verwendung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Als vorteilhaft erweist sich insbesondere die einfache Fertigung der Elektrodenanordnung, wo­ bei sowohl die Elektrodenelemente als auch die als Rahmen dienenden äußeren Randstreifen aus einem flächenhaft zusammenhängenden Elektrodenblech gefertigt sind; weiterhin ist die unterschiedliche Einsetzbarkeit beispielsweise als direkt an der Membran abstützend als auch als Kathode im Abstand zur Membran als vorteilhaft anzusehen. Darüberhinaus ist es möglich aufgrund der mit Streckmetallöffnungen versehenen Elektroden einen raschen Gasabgang zu erzielen; bei elektrochemischen Zellen mit der erfindungsgemäßen Elektrode läßt sich eine verhältnismäßig niedrige Zellspannung gegenüber üblichen Membranzellen erzielen, woraus sich erhebliche Energieeinsparungen ergeben.

Im folgenden ist der Gegenstand anhand der Fig. 1a, 1b, 1c, 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 1a zeigt eine flächenhafte Draufsicht auf die Elektrodenanordnung, während Fig. 1b ei­ nen herausgebrochenen Ausschnitt A aus Fig. 1a darstellt; Fig. 1c zeigt einen Querschnitt im Profil der Elektrodenanordnung.

Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine teilweise aufgebrochene Elektroden­ anordnung, während Fig. 3 den Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung in einer Membranelektrolysezelle schematisch in bruchstückhafter Teildarstellung zeigt.

Gemäß Fig. 1a weist die aus einem flächenhaften Elektrodenblech hergestellte Elektrodenanordnung 1 eine Vielzahl von lamellenförmig angeordneten Elektrodenelementen 2 auf, die jeweils durch einen Spalt 3 voneinander getrennt sind; die Oberkanten 4 der Elektrodenelemente 2 sind entlang einer schematisch dargestellten Linie 5 auf der der Membran abgewandten Seite abgewinkelt, um einen raschen Gasabzug der im Bereich der Elektroden entstehenden Gasblasen zu ermöglichen. Anhand der Fig. 1b sind die schematisch dargestellten im wesentlichen rautenförmigen Öffnungen 8 des Streckmetalls erkennbar, wobei trotz der Ausnehmungen eine Erhöhung der aktiven Oberfläche im Bereich von 1,1 bis 1,3 zu erzielen ist; dies bedeutet, daß sich die elektrochemisch wirksame Elektroden­ fläche durch Streckmetallöffnungen gegenüber einer geschlossenen Fläche von beispielswei­ se 1 cm² auf eine Fläche von 1,15 cm² erhöht.

Vorteilhafterweise wird Streckmetall mit einer Stegbreite im Bereich von 1,5 bis 4 mm eingesetzt. Die lange Abmessung der Öffnung (LWD) liegt im Bereich von 2 bis 4,5 mm, die kurze Abmessung der Öffnung (SWD) im Bereich von 1,2 bis 3 mm.

Aufgrund der Öffnungen im Bereich der katalytisch aktiven Elektrodenfläche läßt sich eine bessere Durchmischung des Elektrolytgasblasengemischs mit bes­ serer Gasblasenableitung erzielen, woraus sich eine Verbesserung der Langzeit­ stabilität im Bereich von Membran und anodisch geschalteter Elektrode ergibt; die anodisch geschaltete Elektrode liegt dabei direkt auf der Membran auf.

Wie aus Fig. 1c zu ersehen ist, liegt der Winkel zwischen den Oberkanten 4 und der Ebene der Elektrodenanordnung 1 bei ca. 30°. Als vorteilhaft hat sich ein Abkantungswinkel im Bereich von 20-35° erwiesen.

Als Werkstoffe für die Elektrodenanordnung sind insbesondere Titanblech mit einer Edelmetall- und Nichtedelmetall-Aktivierung bzw. Nickelblech mit Edelme­ tallaktivierung geeignet.

Die Elektrodenanordnung hat sich insbesondere beim Einsatz als Anode und Ka­ thode in einer Membranzelle für die Chlor-Alkali-Elektrolyse oder für die Wasserstoff-Sauerstofferzeugung bewährt.

Die Randstreifen 6 und 7 bestehen entweder aus Streckmetall oder zusammen­ hängendem Blech.

Anhand der Fig. 2 sind die zur Gasableitung erforderlichen Öffnungen 8 inner­ halb der Elektrodenelemente 2 sowie die durch Spalt 3 und abgewinkelte Ober­ kanten 4 mögliche Auftrennung des Gas-Elektrolytgemisches in einen Elektrolyt­ teil und in einen abzuführenden Gasanteil erkennbar. Falls die Elektrode ano­ disch geschaltet wird, liegt die Membran unmittelbar auf dem mit Bezugszif­ fer 10 bezeichneten Flächenbereich an, während der rückwärtige, in den Elek­ trolytraum sich erstreckende Bereich zwecks Gasabführung offen ist. Im Falle einer kathodischen Schaltung der Elektrode sind zwischen der Stirnseite 10 der Elektrodenanordnung 1 und der nicht dargestellten Ionenaustauschermembran Distanzelemente vorgesehen, die aus elektrolytbeständigem Werkstoff bestehen, hier jedoch ebenfalls nicht dargestellt sind.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung eine einzige Membranzelleneinheit, wobei lediglich die Ionenaustauschermembran mit Kathode und Anode im Querschnitt dargestellt ist, und auf die Darstellung der zuge­ hörigen Peripherie wie Spannelemente, Stromzuführung, Gasableitung zwecks besserer Übersicht verzichtet wurde.

Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, liegt die anodisch geschaltete Elektrode mit ihrer Stirnseite 10 unmittelbar an der Oberfläche der schematisch darge­ stellten Membran 11 an, wobei aufgrund der hier nur schematisch dargestellten Öffnungen 8 im Bereich der Elektrodenelemente die Erfordernis einer raschen Gasableitung gut erkennbar ist. Die hier nicht dargestellten Gasblasen strömen aufgrund ihres gegenüber dem Anolyten 12 verringerten spezifischen Gewichtes in vertikaler Richtung nach oben und werden dort von hier nicht dargestellten Auffangvorrichtungen gesammelt und weitergeleitet. Ein entsprechender Prozeß findet auch auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 11 mittels der katho­ disch geschalteten Elektrode 1′ statt; hier ist jedoch zu beachten, daß die kathodische Elektrode zwecks Stoffaustausch und Stabilität der Membran im Abstand zur Membran angeordnet ist, beispielsweise durch Distanzelemente 13 gegenüber der Ionenaustauschermembran 11 abgestützt ist, um einen Abstand im Bereich von 1 bis 3 mm zu erzielen; es ist jedoch auch möglich, mittels Druck­ differenz einen Abstand zwischen Membran und kathodischer Elektrode zu bilden. Auch hier tritt eine Ableitung von Gasblasen in vertikaler Richtung aus dem Katholyten 14 auf, wobei ebenfalls eine hier nicht dargestellte Gassammelvor­ richtung vorgesehen ist. Das Anolyt und Katholyt enthaltende bruchstückhaft dargestellte Zellengefäß ist mit Bezugsziffer 15 bezeichnet.

Die Membranzellenanordnung ist insbesondere für Elektrolysezellen zur Chlorer­ zeugung geeignet, jedoch kann sie auch zur Wasserstoff/Sauerstofferzeugung dienen.

Claims (4)

1. Elektrodenanordnung für gasbildende elektrolytische Prozesse, insbesondere Prozesse in Membran-Zellen, aus einer flächenhaften Elektrodenstruktur mit durch horizontal verlaufende Spalte voneinander getrennten Elektrodenele­ menten, wobei die Elektrodenelemente in einer Ebene liegende Basisteile aufweisen, die entlang der Spalte abgewinkelte Kanten aufweisen, wobei die Ebene der Basisteile eine Auflagefläche bildet und wobei die Elektroden­ struktur weiterhin streckmetallartige Teilbereiche aufweist, wobei die Elektrodenelemente durch wenigstens zwei sich gegenüberliegende, senkrecht zu den Kanten angeordnete, äußere Randstreifen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (2) und die äußeren Randstreifen (6, 7) aus einem flächenhaft zusammenhängenden Elektroden­ blech bestehen und die Auflagefläche zur Auflage einer Ionenaustauscher­ membran vorgesehen ist und daß die Elektrodenelemente (2) aus Streckmetall gebildet sind.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis der elektrokatalytisch wirksamen Fläche zur geometrischen Fläche der Elektrodenelemente (2) im Bereich von 0,9 : 1 bis 2,0 : 1 liegt.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Elektrodenblechs im Bereich von 0,1 bis 5 mm liegt.

4. Verwendung der Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 als Anode oder Kathode einer Membranzelle.