DE4419277C2 - Elektrolysezellen-Elektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für Elektrolysezellen, insbesondere für Quecksilber-Chlor­ alkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführungen über Stäbe oder Stromzuführungsbolzen und Stromverteilern in Form von hochkant stehenden, mit Abstand zueinander angeordneten Flach­ profilen, die an ihrer Unterkante mit senkrecht zu ihnen angeordneten aktivierten Elektrodentei­ len aus, hochkant stehenden Flachprofilen mit vertikalen Außenseiten durch Verschweißen ver­ bunden sind, wobei die aktivierten Elektrodenteile aus einer größeren Zahl von Einzelelemen­ ten bestehen als die Stromverteiler, und die aktivierten Elektrodenteile mit einem Spalt von we­ nigstens 2 mm zueinander angeordnet sind.

Aus der CB-PS 10 68 992 ist eine Elektrodenanordnung für die Chloralkalimetall-Elektrolyse bekannt, wobei die aus Titan bestehende Elektrodenstruktur eine Aktivierung mittels Platin auf­ weist. Die aktivierten Elektrodenteile weisen dabei im Querschnitt gesehen sich keilförmig bzw. prismatisch nach unten verjüngende Unterkanten auf, wobei sich eine Vergrößerung des effek­ tiven elektrolytischen Bereiches ergibt und eine Anströmung der Anoden in Aufwärtsrichtung er­ folgt. Als problematisch erweist es sich, daß hierbei mögliche Verwirbelungen des Elektrolyt­ gasgemisches im sich nach oben verjüngenden Zwischenraum zwischen den Anoden bilden kann, wodurch die elektrochemische Umsetzung bzw. der Ionenaustausch im oberen Teil der Oberfläche beeinträchtigt wird, da in dem sich nach oben verengenden Strömungsquerschnitt zunehmend Gasblasen in den aktiven Oberflächenbereich der Anoden gelangen.

Aus der US-PS 40 22 679 ist eine Elektrode für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführungen über Stäbe oder Stromzuführungsbolzen bekannt, welche im Abstand zuein­ ander angeordnete Flachprofile aufweist, die an ihrer Unterkante mit senkrecht zu ihnen angeordneten aktivierten Elektrodenteilen verbunden ist, wobei die aktivierten Elektrodenteile aus einer größeren Zahl von Einzelelementen bestehen, als die Stromfahrteile und die Einzele­ lemente im Querschnitt gesehen eine sich verjüngende Unterkante aufweist, die im wesentli­ chen halbkreisförmig ausgebildet ist; als problematisch erweist sich bei solchen kreis- bzw. halbkreisförmigen Ausgestaltungen die Abfuhr der bei der Elektrolyse entstehenden Gasblasen, da diese einerseits den Ionenaustausch im elektrolytischen Spalt zwischen den Halbkreisprofi­ len und der Quecksilberkathode behindern, andererseits keine rasche Abzugsmöglichkeit ha­ ben, so daß im unteren Bereich der Profilanode mit einer Art Gasblasen-polster gerechnet wer­ den muß; weiterhin ist die Höhe der Aktivierungsbeschichtung auf den Elektroden verhältnismä­ ßig hoch, so daß auf die vom Elektrodenspalt verhältnismäßig weit entfernten Bereiche mit edelmetallhaltigen Substanzen versehen sind, jedoch praktisch kaum noch zu elektrochemi­ schen Umsetzung beitragen.

Weiterhin ist aus der US-PS 4 364 811 eine Anode für Quecksilber-Chloralkali-Elektrolysezellen mit Stromzuführung über einen Stab oder Bolzen bekannt, der mit aktivierten Elektrodenteilen aus Flachprofilen über der Stromverteilung dienenden und quer dazu verlaufenden Stromvertei­ lern in Form von Rechteckprofilen verbunden ist; auch hier besteht die Gefahr der Bildung ei­ nes Gaspolsters im Elektrodenspalt, bzw. unterhalb der horizontal verlaufenden Unterkante der Elektrodenelemente, so daß eine rasche elektrochemische Umsetzung mit ausreichender Io­ nenzufuhr nicht möglich ist und die Umsetzung aufgrund der Gaserzeugung behindert wird; auch wenn eine günstige Stromverteilung über drei Leiterebenen mit optimal dimensionierten Flachprofilen hier möglich ist, stellt sich doch die Frage einer raschen elektrochemischen Um­ setzung im Elektrodenspalt und deren Behinderung durch Gasblasenerzeugung, bzw. Bildung eines Gaspolsters.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Elektroden, bzw. Anoden für die Chloralkali-Elektrolysezelle so auszugestalten, daß der Gasabzug aus dem Bereich des Elektrodenspalts gefördert wird und eine möglichst gasblasenfreie Grenzfläche zwischen Anode und Elektrolyt im Bereich des Elektrodenspaltes zur Verfügung steht; darüberhinaus soll eine hohe Energieausnutzung bei der Elektrolyse durch niedrige Elektrodenspannung erzielt werden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß praktisch keine Verwirbelung des Elektrolyt-Gas­ gemischs im Elektrodenspalt mehr stattfindet, so daß vorteilshafterweise die Elektrodenspan­ nung niedrig gehalten werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt das Dreieck, bzw. keilförmige Element der Unterkante einen Winkel im Bereich von 40 bis 100° ein, wobei insbesondere im Bereich von ca. 60° ein besonders rascher Gasabzug der elektrolytischen Reaktion erfolgen kann. Wei­ tere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorzugsweise liegt die Dicke der aktivierten Elektrodenteile im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm.

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

Fig. 1a zeigt eine Elektrode mit Elektrodenelementen, die im oberen Teil ihres Querschnitts rechteckig, im unteren Teil sich keilförmig verjüngend ausgebildet sind.

Fig. 1b zeigt eine Elektrode, deren oberer Teil des Querschnitts nach oben verjüngend ausge­ bildet ist, während der untere Teil dem der Fig. 1a entspricht.

Fig. 2 zeigt eine Elektrode mit Elektrodenelementen gemäß Fig. 1a, wobei die beiden oberen Stromableiter-Ebenen erkennbar sind.

Fig. 1a zeigt schematisch den Einsatz der erfindungsgemäßen Elektroden 1,2 mit einem Ba­ sis-Winkel Alpha im Bereich der Unterkante 3 von 60°, wobei aufgrund des sich von der Unterkante 3 gleichschenkelig erstreckenden Teil-Dreiecks 4 mittels der aufgebrachten elektro­ katalytischen Schicht 5 eine rasche elektrolytische Umsetzung sowie einen raschen Abtrans­ port eventuell entstehender Gasblasen mittels eines im Spalt 6 zwischen zwei benachbarten Elektroden 1,2 entstehenden Kamineffekts zu bewirken. Die Gasblasen sind hier symbolisch mit Bezugszeichen 7 versehen. In der Praxis sind bei der Chloralkali-Elektrolyse die Elektrodenelemente 1 und 2 in einem Spalt 6 von wenigstens 2 mm zueinander angeordnet, um durch eine Vielzahl kleiner Gasblasen nach dem Prinzip der Mammutpumpe eine aufwärts ge­ richtete Strömung entstehen zu lassen, welche für einen raschen Gasabtransport aus dem kriti­ schen Elektrodenspalt 6 sorgt und so einen verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad der Elektroly­ sezelle ermöglicht.

Weiterhin ist es gemäß Fig. 1b möglich, über die Verjüngung im Bereich des Teildreiecks 4 der Unterkante 3 hinaus auch den oberen Teil 8 der Elektroden 1,2 sich nach oben verjüngend auszubilden, so daß hier die entstandenen Gasbläschen 7 ohne Berührung oder irgendwelche Beeinflussung des Stoffaustauschs mit der elektrokatalytisch aktiven Oberseite möglich ist; auf­ grund der nach oben gerichteten trichterartigen Erweiterung 9 des Abstandes der beiden Elek­ troden 1 und 2 können die Gasblasen 7 senkrecht nach oben steigen, während die aktiven Flä­ chen 11, 12 der Elektroden 1,2 im rückwärtigen Bereich von den Gasblasen nicht mehr abge­ deckt werden, so daß die elektrochemische Umsetzung im oberen Teil der Elektrode weitge­ hend ohne Behinderung der von unten heranströmenden Gasblasen erfolgen kann. Somit kön­ nen auch die rückwärtigen Seitenflächen der aktivierten Elektrodenteile ohne Behinderung durch Gasblasen am Elektrolyseprozeß teilnehmen.

An ihrer Oberseite 14 sind die Elektroden 1, 2 jeweils mit den Stromverteilern 17 der zweiten Ebene verbunden, die hier zwecks besserer Übersicht nur gebrochen dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Elektrode mit ihren drei Stromableiterebenen von denen die beiden oberen Ebenen aus rechteckförmigen Flachprofilen 17, 18 gebildet sind, welche übereinander hochkant stehend und zueinander senkrecht so verbunden sind, daß keinerlei Behinderung des Gasabflusses aus dem Bereich des Elektrodenspalts 6 auftreten kann; an die Unterkanten der Stromverteiler 17 der zweiten Ebene sind die Elektrodenelemente 1, 2 durch Verschweißen in einem Winkel von 90° so befestigt, daß der Gasabzug der entstehenden Gas­ blasen nicht behindert wird. Im Hinblick auf den Elektrodenaufbau der beiden oberen Ebenen und der Stromzuleitung wird auf die US-PS 4 364 811 verwiesen.

Claims (3)

1. Elektrode für Elektrolysezellen, insbesondere für Quecksilber-Chloralkali-Elek­ trolysezellen, mit Stromzuführungen über Stäbe oder Stromzuführungsbolzen und Strom­ verteilern in Form von hochkant stehenden, mit Abstand zueinander angeordneten Flach­ profilen, die an ihrer Unterkante mit senkrecht zu ihnen angeordneten aktivierten Elektro­ denteilen aus hochkant stehenden Flachprofilen mit vertikalen oder annähernd vertikalen Außenseiten durch Verschweißen verbunden sind, wobei die aktivierten Elektrodenteile aus einer größeren Zahl von Einzelelementen bestehen als die Stromverteiler, und die ak­ tivierten Elektrodenteile mit einem Spalt von wenigstens 2 mm zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die aktivierten Elektrodenteile (1, 2) im Querschnitt gesehen sich keilförmig/prismatisch verjüngende Unterkanten aufweisen, die im Quer­ schnitt des Profils gesehen ein dreieckförmiges Unterteil (2) aufweisen, das von einem sich nach oben verjüngenden Oberteil (13) gehalten wird.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keilförmige Unterkante aus zwei Ebenen gebildet ist, die sich in einem Winkel im Bereich von 40 bis 100° schneiden.

3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile (1, 2) der dritten Ebene in einem Abstand im Bereich von 1,5 bis 3 mm zueinander paral­ lel verlaufend angeordnet sind.