DE2437271A1

DE2437271A1 - Elektrochemische zelle und ihre verwendung

Info

Publication number: DE2437271A1
Application number: DE2437271A
Authority: DE
Inventors: Bruce Ian Dewar; George Stephen James; Walter Rudolf Moergeli
Original assignee: Parel SA
Current assignee: Parel SA
Priority date: 1973-08-03
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1975-02-13
Also published as: ATA637874A; FR2239288B1; IT1030048B; GB1483464A; FR2239288A1; DK413374A; FI61209B; FI227174A7; CA1026710A; JPS5070840A; SU698535A3; BE818454A; LU70651A1; ZM13174A1; NL7410502A; IN142606B; IE40238L; IE40238B1; AT347907B; FI61209C

Description

DR.-ING. VON KRSlSLER Ο9..Ί NG. SC VON WALD

DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES Dl PL.-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLDPSCH DIPL.-ING. SELTING

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

Köln, den 1. August 1974 Ke/Ax/Bn.

PAREL SOCIETE ANONYME,

14 Rue Aldringen, Luxembourg, Grossherzogtum Luxemburg

Elektrochemische Zelle und ihre Verwendung

Die Erfindung betrifft elektrochemische Verfahren und elektrochemische Zellen und ist insbesondere auf elektrochemische Verfahren und elektrochemische Zellen, in denen feinteilige Elektroden verwendet werden, gerichtet.

Gewisse elektrochemische Zellen, z.B. Zellen, in denen eine der Elektroden eine Wirbelschichtelektrode ist,haben getrennte Anoden- und Kathodenräume, die durch eine gemeinsame ionendurchlässige Wand, z.B. eine semipermeable Membran, getrennt sind. Diese ionendurchlässige V/and soll den Übergang von festen Teilchen und/oder bestimmten Ionenarten von einem Elektrodenraum in den anderen verhindern. Ferner ist es häufig erwünscht, dass.der in einem Anodenraum vorhandene Anolyt und der in einem Kathodenraum enthaltene Katholyt getrennt gehalten werden. In den meisten Fällen ist die Verwendung von Elektroden von sehr unterschiedlicher Art in getrennten Elektrodenräumen erwünscht. Die Art der Elektroden kann so unterschiedlich sein, dass sich eine erhebliche Druckdifferenz zwischen der einen Seite und der anderen Seite der lonendurchlässigen Wand über deren gesamte Fläche oder einen Teil ihrer Fläche ausbildet. Wenn sie aus

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einer empfindlichen Membran, z.B. einer semiperneablen Membran besteht, genügt die Druckdifferenz häufig, um die Membran zu zerreissen.

Gemäs's einem ersten Merkmal ist die Erfindung auf ein elektrochemisches Verfahren gerichtet, das in einer elektrochemischen Zelle mit einem Anodenraum, durch den ein Anolyt fliesst, und einem Kathodenraum, durch den ein Katholyt fließt, und die wenigstens teilweise durch eine für Ionen durchlässige Wand getrennt sind, durchgeführt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass man den Betriebsdruck im Anodenraum und den Betriebsdruck im Kathodenraum so regelt, dass keine grosse Druckdifferenz von der einen zu der anderen Seite der ionendurchlässigen Wand vorhanden ist.

Gemäss einem weiteren Merkmal ist die Erfindung auf eine elektrochemische Zelle gerichtet mit einem Anodenraum, durch den im Betrieb ein Anolyt fließt,und einem Kathodenraum, durch den im Betrieb ein Katholyt fließt, und der vom Anodenraum wenigstens teilweise durch eine für Ionen durchlässige. Wand getrennt ist. Die elektro-. chemische Zelle ist durch Bauteile gekennzeichnet, durch die der Betriebsdruck im Anodenraum und der Betriebsdruck im Kathodenraum so geregelt werden, dass keine grosse Druckdifferenz von der einen Seite zu der anderen Seite der ionendurchlässigen Wand besteht, wenn die elektrochemische Zelle in Betrieb ist.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist in einem Elektrodenraum ein Strömungshindernis vorhanden, das als Druckregler wirksam ist und so angeordnet v/erden kann, dass die Drucke im Anodenraum und im Kathoden-

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raum geregelt werden. Das Strömungshindernis kann aus einer Reihe von Prallplatten oder Umlenkplatten, perforierten Platten oder Füllkörperri bestehen. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine der Elektroden aus einem von einem Elektrolytstrom durchströmten Bett von Teilchen besteht und beispielsweise eine Wirbelschichtelektrode ist, kann im anderen Elektrodenraum zusammen mit der Gegenelektrode ein Bett von elektrochemisch inaktiven Teilchen vorhanden sein, um ähnliche Druckverhältnisse zu schaffen, so dass die Arbeitsdrucke (auch als dynamische Drucke bezeichnet) in den beiden Elektrodenräumen so geregelt werden, dass sie ausgeglichen sind. Der Ausgleich der Arbeitsdrücke in den beiden Elektrodenräumen vermindert die Neigung von Elektrolyten und Reaktionsteilnehmern, zwischen Anodenraum und Kathodenraum zu wandern. Unter gewissen · Bedingungen wäre es daher möglich, eine semipermeable Membran durch eine gröbere und robustere ionendurchlässige Wand, z.B. ein Filtertuch oder eine perforierte Platte, zu ersetzen.

Bei den Ausführungsformen der elektrochemischen Zelle gemäss der Erfindung, bei denen das Strömungshindernis die Form einer Reihe von perforierten Platten oder Umlenkplatten hat, kann es vorteilhaft sein, diese perforierten Platten oder Umlenlcplatten so, das sie einer Elektrode im Elektrodenraum eng anliegen, und so anzuordnen, dass sie von der ionendurchlässigen Wand hinweg schräg aufwärts .verlaufen. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass in Fällen, in denen ein Gas an der Elektrode während eines in der Zelle durchgeführten elektrochemischen Verfahrens frei wird, dieses Gas von der Elektrode und von der ionendurchlässigen Wand hinweg

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geleitet wird, wodurch Störungen des elektrochemischen Prozesses durch das Gas verringert werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben.

Figur 1, 2 und 3 zeigen schematisch einen senkrechten Schnitt durch drei Ausführungsformen von elektrochemischen Zellen. Der Schnitt ist jeweils senkrecht zur Breite der Zellen gelegt und veranschaulicht die Dicke der Zellen.

Figur 4 ist ein Schnitt durch die in Figur 3 dargestellte Zelle längs der Linie C-C von Figur 3· '

Figur 5 veranschaulicht die Änderung des Betriebsdrucks oder dynamischen Drucks in einer elektrochemischen Zelle der in Fugur 3 dargestellten Art mit der Änderung des Abstandes vom Boden der Elektrodenräume. ■

Die in Figur 1 dargestellte elektrochemische Zelle 1 weist einen ersten Elektrodenraum 2 und einen zweiten Elektrodenraum 3 snxT, die durch eine für ionendurchlässige Wand 4, die aus Filtertuch besteht, getrennt sind. Die Elektroden, d.h. die Anode und die Kathode, die im ersten und zweiten Elektrodenraum angeordnet sind, sind der besseren Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der erste Elektrodenroum 2, dessen Querschnitt keilförmig ist, enthält ein Bett von gesonderten elektrisch leitfähigen Teilchen. Am Boden des Elektrodenraums 2 sind Eintrittsleitungen 6 und 7 angeordnet und am oberen Ende dieses Elektrodenraums ist eine Austrittsleitung 8 angeschlossen. Die Zelle ist mit einer zweiten Eintrittsleitung 9 versehen, die mit einer Kammer 10, deren oberer Teil einen

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Strömungsverteiler 11 am Boden des zweiten Elektrodenraums 3 bildet, verbunden ist. Im zweiten Elektrodenraum 3 sind fünf im wesentlichen waagerechte perforierte Platten 12 angeordnet, die eine Anzahl von Teilkammern 13 bis l8 im zweiten Elektrodenraum 3 bilden. In jede 'dieser Teilkammern 13 bis 18 ragt ein Druckfühler 19· In der Nähe des oberen Endes des; zweiten Elektrodenraums 3 ist eine Austrittsleitung 20 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle im Betrieb. In der elektrochemischen Zelle 31 sind ein Kathodenraum 32 und ein Anodenraurn 33 durch eine ionendurchlässige Wand 34 getrennt, die zum Kathodenraum hin geneigt ist. Ein Bett 35 sus gesonder— ten elektrisch leitfähigen Teilchen ist im Kathodenraum 32 vorgesehen. Eine Eintrittsleitung 36 führt über einen Strömungsverteiler 37 in den Boden des Kathodenraums 32, der ausserdem mit einer Austrittsleitung 38 versehen ist. "■

In den Boden des Anodenraums 33 führt eine Eintrittsleitung 39· Im Anodenraum sind vier perforierte Platten 42 im wesentlichen senkrecht zur ionendurchlässigen Wand 34 des Anodenraums angeordnet. Diese Platten bilden Unterkammern 43 bis 47 im Anodenraum 33· In der Nähe des oberen Endes des Anodenraums führt eine Austrittsleitung 50 nach aussen. Ein Stromleiter 51 führt in den Anodenraum ~y^> und ein S tromleiter 52 in den Kathodenraum 32.

Figur 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine weitere ,Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle. 6l mit einem ersten Elektrodenraum 62 und einem zweiten Elektrodenraum 63, die durch eine ionendurchlässige Wand 64 getrennt sind. Im ersten Elektrodenraum 62

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befinden sich ein Bett 65 von elektrisch leitfähigen Teilchen, die im Betrieb eine feinteilige Elektrode bilden, eine Eintrittsleitung 66, ein Strömungsverteiler 67 und eine Austrittsleitung 68. Der besseren Übersicht halber ist die Stromzuführung in das Bett 65 ' weggelassen.

Die elektrochemische Zelle 6l ist mit einer zweiten Eintrittsleitung 69 versehen, die in eine Kammer 70 führt, die unter dem zweiten Elektrodenraum 63 angeordnet ist.Eine Anode 71 und fünf Leitplatten 72 sind im zweiten Elektrodenraum angeordnet. Diese Leitplatten bilden Unterkarnmern 73 bis 78 im zweiten Elektrodenraura. Am oberen Ende des zweiten Elektrodenraurns führt eine Austrittsleitung 80 nach aussen.

Figur 4 zeigt deutlicher die Konstruktion einer der Leitplatten 72. Die Leitplatten 72 sind dicht abschliessend in dem zweiten Elektrodenraum 63 eingesetzt. Ausser mit einem langen Schlitz. 81, durch den die Anode geführt ist, ist jede Leitplatte mit einer Anzahl von Sehlitzen 82 versehen, die neben der Wand des zweiten Elektrodenraums 63 der ionendurchlässigen Wand 64 gegenüber angeordnet sind.

Die Arbeitsweise der in den Abbildungen dargestellten Ausführungsformen der elektrochemischen Zelle wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben. Die Arbeitsweise der in Figur 2 und Figur 3 dargestellten Ausführungsformen ist jedoch ähnlich.

Im Betrieb der in Figur 1 dargestellten elektrochemischen Zelle wird Elektrolyt durch die Eintritts-

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leitungen 6 und ¹J in den ersten Elektrodenraum 2 eingeführt. Der Elektrolyt strömt von unten nach oben durch das Bett 5 der Teilchen im Elektrodenraum, wodurch er die Teilchen des.Betts 5 in Bewegung versetzt und das Volumen des Betts 5 ausdehnt. Unter stationären Betriebsbedingungen bleibt das Niveau des Elektrolyten im Elektrodenraum 2 konstant, da der Elektrolyt den Elektrodenraum durch die Austrittsleitung 8 in der gleichen Menge verlässt, in der er am Boden des Elektrodenraums eintritt. Gleichzeitig wird ein zweiter Elektrolyt durch den" zweiten Elektrodenraum geführt, vjobei jedoch dieser zweite Elektrolyt in gewissen Fällen mit dem durch den ersten Elektrodenraum strömenden Elektrolyt identisch sein kann. Der Elektrolyt gelangt in den zweiten Elektrodenraum 5 durch die Ein-, trittsleitung 9» die Kammer 10 und den Strömungsverteiler 11. Während er durch den zweiten Elektrodenraum J nach oben strömt, wird seine Strömung durch die perforierten Platten 12 so behindert, dass der Betriebsdruck des Elektrolyten in den Unterkammern 15 bis 18 grosser ist, als es ohne die Leitplatten der Fall wäre. Der Elektrolyt verlässt den zweiten Elektrodenraum durch eine Austrittsleitung 20.

Infolge des Widerstandes, den das Bett 5 der Teilchen im ersten Elektrodenraum der Strömung des Mediums durch das Bett entgegensetzt, ist der Betriebsdruck im ersten Elektrodenraum 2 insbesondere am unteren Ende des Elektrodenraums höher, als es sonst der Fall wäre. Durch sorgfältige Berechnung der Zahl, des Abstandes und der Konstruktion der perforierten Platten 12 und durch Regulierung der Durchflussmengen des Elektrolyten ist es möglich, die Betriebsdrucke in den beiden Elektrodenräumen 2 und J5 so ausz\igleichen, dass nur

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ein geringer oder kein Druckunterschied zxvischen den beiden Seiten der ionendurchlässigen Wand 4 vorhanden ist. Druckfühler 19, die in jede der Unterkammern 13 bis l8 des zweiten Elelctrodenraums ;5 ragen, liefern Daten über die Druckverteilung innerhalb des Elektrodenraums.

Ein elektrochemisches Verfahren kann in der elektrochemischen Zelle 1 durchgeführt werden, indem eine geeignete Spannungsdifferenz an die (nicht dargestellten) Elektroden der elektrochemischen Zelle gelegt wird.

Die in Figur J5 dargestellte Ausführungsform der elektrochemischen Zelle arbeitet ähnlich wie die vorstehend beschriebene elektrochemische Zelle. Sie ist jedoch besonders vorteilhaft für elektrochemische Verfahren, bei denen ein Gas an der Anode entwickelt wird. Die geneigte Anordnung der Leitplatten 72 und ih^Öichter /toschluss an der Anode 71 bedeuten, dass das entwickelte Gas von der Anode hinweg zu den Schlitzen 82 in den Leitplatten geleitet wird. Das Hinwegführen des entwickelten Gases aus der Nähe der Anode kann häufig einen verbesserten Wirkungsgrad des durchgeführten elektrochemischen Verfahrens zur Folge haben. Die elektrochemische Zelle lässt sich ohne weiteres an die Durchführung von elektrochemischen Verfahren anpassen, bei denen ein Gas an der Kathode entwickelt wird, wenn das Vorzeichen der Spannungsdifferenz an den Elektroden der Zelle umgekehrt wird. :

Figur 5 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem dynamischen Druck im Bett 5 der Teilchen im ersten Elektrodenraum 62 in Figur 3 zum dynamischen Druck in

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jeder der Unterkammern 73 bis 77 des zweiten Elektrodenraurns 6j5 für drei verschiedene Durchflussmengen des Elektrolyten durch den zweiten Elektrodenraum 63. In der Abbildung stellen die abgestuften Linien I₁ 2 und Durchflussmengen des Anolyten von 21 Liter,, l8 Liter bzw. 14 Liter/Minute durch den zweiten Elektrodenraurn dar. Wie die Abbildung zeigt, nähert sich die abgestufte, diskontinuierliche Änderung des dynamischen Drucks im zweiten Elektrodenraum 63 genau der wesentlichen linearen, kontinuierlichen Änderung des dynamischen Drucks im Kathodenbett 65 der Teilchen.

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Claims

- ίο -

Patentansprüche

) Elektrochemisches Verfahren, das in einer elektrochemischen Zelle mit einem Anodenraum, durch den ein-Anolyt fliesst, und einem Kathodenrauin, durch den ein Katholyt fliesst, und die wenigstens teilweise durch eine für Ionen durchlässige Wand getrennt sind, durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man den Betriebsdruck im Anodenraum und den Betriebsdruck im Kathodenraum so regelt, dass keine grosse Druckdifferenz von der einen zu der anderen Seite der ionendurchlässigen Wand vorhanden ist.
2.) Elektrochemische Zelle mit einem Anodenraum, durch den im Betrieb ein Anolyt fliesst, und einem Kathodenraum, durch den im Betrieb ein Katholyt fliesst, der vom Anodenraum wenigstens teilweise durch eine für Ionen durchlässige Wand getrennt ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Regelung des Betriebsdrucks im Anodenraum (j5) und des Betriebsdrucks im Kathodenraum (2) in einer solchen V/eise, dass im Betrieb der elektrochemischen Zelle keine grosse Druckdifferenz von der einen zu der anderen Seite der ionendurchlässigen Wand (4) vorhanden ist.
3.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Regelung der Betriebsdrucke ein Strörnungshindernis in einem der beiden Elektrodenräume (2,3) vorhanden ist.
4.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Ströumungshindernis ein Bett von ruhenden Teilchen vorhanden ist, die einen grösseren Teil eines der Elektrodenräume (2,^) einnehmen .

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- li -
5.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2 und 3> dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungshindernis ein Bett von bewegten Teilchen, die einen grösseren Teil eines der Elektrodenräume (2,3) einnehmen, vorhanden ist.
6.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass das Be'tt von bewegten Teilchen eine Wirbelschicht von Teilchen ist.
7·) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2 und 3* dadurch gekennzeichnet,~dass als Strömungshindernis mehrere perforierte Platten (12,42) in einem der Elektrodenräume angeordnet sind. [
8.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungshindernis mehrere Leitplatten (72) in einem der Elektrodenräume angeordnet sind. ·
9.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungshindernisse allgemein schräg nach oben weg von der ionendurchlässigen Wand (4,34,64) verlaufen.
10.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7 bis 9> dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungshindernis neben der ionendurchlässigen VJand (4,34,64) der Strömung einen grösseren Widerstand als in einem von der ionendurchlässigen Wand entfernt liegenden Teil bietet.

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11.) Elektrochemische Zelle nach Anspruch 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strb'rnungshindernis mit dichtem Abschluss um eine im Elektrodenraum angeordnete Elektrode angeordnet ist.

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