DE10152276A1 - Elektrolysezellen-Halbelement zum Betrieb von Gasdiffusionselektroden mit Trennung der Funktionsräume - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, enthaltend wenigstens zwei durch eine Ionenaustauschermembran getrennte Elektrolysehalbzellen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle enthaltend wenigstens zwei durch eine Ionenaustauschermembran getrennte Elektrolysehalbzellen.
• Der Betrieb von elektrochemischen Zellen mit Gasdiffusionselektroden z. B. für die Anwendung als Sauerstoffverzehrkathode bei der Alkalihalogenid-Elektrolyse, ist grundsätzlich bekannt und z. B. in der US-A-4,657,651 beschrieben. Die Möglichkeit zur Kompensation des Druckes auf der Elektrolyseite der Elektrode gegenüber dem Druck auf der Gasseite der Elektrode wird als Druckkompensation bezeichnet. Die prinzipielle Möglichkeit zur Druckkompensation wird in der JP-A-7 090 662 beschrieben. Die technischen Ausführungsvarianten der Druckkompensation bei Einsatz von Gasdiffusionselektroden sowie die Gasführung in Gastaschen werden in den Patentschriften DE-A-44 44 114, DE-A-196 22 744, DE-A-197 15 429 und der DE-A-196 46 950 beschrieben.
• Die Erfindung betrifft eine Elektroylsezelle, enthaltend wenigstens zwei durch eine Ionenaustauschermembran getrennte Elektrolysehalbzellen aus einem Elektrodenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, einem Gasraum und mindestens einer den Gasraum und Elektrodenraum trennenden Gasdiffusionselektrode als Anode oder Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbelement der Raum zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran vom Rückraum des Halbelementes durch eine elektrisch leitfähige, mechanisch stabile Konstruktion, an der die Gastaschenfunktionseinheit/-en befestigt sind, getrennt wird.
• Im nachfolgenden werden bevorzugte Verfahren anhand eines Halbelementes dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei einem Anoden- als auch bei einem Kathodenelement angewandt werden.
• Der Gasraum (8) kann in zwei oder mehreren kaskadenartig übereinander liegenden Gastaschen aufgeteilt sein (siehe Skizze 3/8). Die Gastaschen (8) sind üblicherweise voneinander getrennt und zum Elektrolyten nach unten hin offen. Das Gas aus den Gastaschen (8) gelangt über die Auslassöffnungen (10) in den hinter der Gastasche befindlichen Halbelementraum (18). Somit wird der Druck in der Gastasche (8) über die Auslassöffnungen (10) zum Elektrolyten in Gleichgewicht gehalten zum Druck der Flüssigkeitssäule der Elektrolyten im entsprechenden Teil vor der Gasdiffusionselektrode liegenden Elektrodenraumes (17). Die Gaszu- oder Abfuhr der jeweiligen Gastasche (8) erfolgt über die Einlassöffnungen (9) bzw. Auslassöffnungen (10). Die Gaszufuhr der untersten Gastasche kann z. B. direkt über eine Stutzen (12) erfolgen.
• Das Gas gelangt von der untersten Gastasche über die Auslassöffnungen in den Rückraum (18) des Halbelementes. Hier wird das Gas von einer Gassammeleinrichtung, z. B. von einer Gasglocke (7), gesammelt und über die Gaseinlassöffnung (9) in die darüber liegende Gastasche geführt. Aus dieser gelangt das Gas ebenfalls wieder aus Gasauslassöfihungen und einer Gasglocke in die darüber liegende Gastasche.
• Der Elektrolyt wird z. B. mittels eines Verteilerrohres im Halbelement am Boden eingeführt (11) und strömt dann im Halbelement aufwärts. Durch eine Ausgleichsöffnung (13) gelangt der Elektrolyt auch in den Elektrodenraum (17). Der Elektrodenraum (17) ist der Raum zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran. In diesem Raum strömt der Elektrolyt bis zur Überlauföffnung (6) nach oben. Über die Überlauföffnung (6) gelangt der Elektrolyt in den Halbelementraum hinter den Gastaschen (18) und kann von dort z. B. über ein Rohr (14) (siehe Skizze 6) aus dem Halbelement gelangen.
• Zur technischen Realisierung muss die Gasdiffusionselektrode elektrisch an das Halbelement (1) angebunden werden. Dies sollte, wie in der DE-A-196 22 744 beschrieben, niederohmig erfolgen. Eine der möglichen Ausführungsvarianten dieser niederohmigen Anbindung wird in der EP-A-1 041 176 beschrieben und kann z. B. mittels Laser-Schweißtechnik erfolgen.
• Weiterhin muss zur technischen Realisierung die Abdichtung des Gasraumes (8) vom Elektrodenraum (17) und dem Rückraum (18) sichergestellt werden. Des weiteren muss das Halbelement eine ausreichend hohe mechanische Stabilität aufweisen. Es wurde gefunden, dass der Betrieb von Gasdiffusionselektroden mit dahinter liegenden Gastaschen bevorzugt so durchgeführt werden kann, dass die Gasdiffusionselektroden in einer elektrisch leitfähigen, mechanisch stabilen Konstruktion, z. B. einer Wanne (1), montiert werden, die im Halbelement (2) eingebaut ist. Hierbei kann z. B. die Wanne selbst die Rückseite der Gastasche bilden. Ebenso ist denkbar, dass herausnehmbare Gastaschen in diese Wanne eingesetzt werden.
• Hierzu kann die Wanne wie in Skizze 1 dargestellt, eingebaut werden. Die Wanne ist dabei mit dem Halbelement über eine Halbstruktur (1a) fest verbunden. Der Randbereich der Wanne wird ebenfalls mit dem Halbelement verbunden. An der Wanne werden dann im Rückraum die Gassammelfunktionseinheiten sowie Gaszuführungs- und Gasauslassöfihungen angebracht.
• Die Verbindung kann durch gängige Kontaktierungsarten wie z. B. Schweiß- oder Lötverbindungen erfolgen.
• Eine andere Alternative ist in Skizze 2 dargestellt. Hierbei bildet z. B. ein eingelegtes Blech in das Halbelement mit dem Halbelement eine Wanne aus. An dem Blech werden dann im Rückraum die Gassammelfunktionseinheiten sowie Gaszuführungs- und Gasauslassöffnungen montiert.
• Eine andere Ausführungsvariante ist in Skizze 4 dargestellt. Hierbei wird der Raum hinter der Gastasche von einer eigenen Blechkonstruktion umgeben, so dass darin die Gassammelfunktionseinrichtungen sowie Elektrolytzuführung und Verteilung und Gas-/Elektrolytabführung aus dem Halbelement eingebaut werden.
• Die Wanne kann besonders bevorzugt, wie in Skizze 5 und 7, dargestellt, so eingebaut werden, dass sie lose auf dem Rand des Halbelementes aufliegt und über die Haltestruktur (1a) mit dem Halbelement verbunden ist. Die Verbindung sollte niederohmig angeführt werden. Dies kann z. B. durch Schweißen, Löten oder Klemmverbindung erfolgen. Die Abdichtung der Gastasche vom Rückraum des Halbelementes erfolgt dann über die Dichtung (3), die das Halbelement mit der Ionenaustauschermembran (4) dichtet. Besonders bevorzugt werden die Gaszuführungs- (9) und Auslassöffnungen (10) direkt in dieser Wanne eingebaut. An die dem Rückraum (18) zugewandten Seite der Wanne werden die Gassammeleinrichtungen, wie z. B. eine Gasglocke (7), angebracht. Auf der Innenseite der Wanne, der Gasseite, können dann z. B. Stege (16) angebracht werden, an denen die Gasdiffusionselektrode niederohmig befestigt wird. Dies kann z. B. durch Laser-Schweißen erfolgen.
• Ebenfalls denkbar ist, dass herausnehmbare Gastaschen in die Wanne eingebaut werden. Legende 1 Halbelement
  1a Haltestruktur im Halbelement
  2 Blechkonstruktion als Miniwanne
  3 Dichtung
  4 Ionenaustauschermembran
  5 Gasdiffusionselektrode
  6 Überlauföffnung
  7 Gasglocke
  8 Gastasche
  9 Gas-Einlassöffnung in die Gastasche
  10 Gas-Auslassöffnungen der Gastasche
  11 Elektrolyteinlass
  12 Gas-Einlass in das Halbelement
  13 Ausgleichsöffnung
  14 Rohr zur Ableitung von überschüssigem Gas und Elektrolyt
  15 Elektroylt-/Gas-Auslass aus dem Halbelement
  16 Haltestruktur in der Wanne zur Befestigung der Gasdiffusionselektrode
  17 Elektrodenraum
  18 Halbelementraum hinter Gastaschen
  

Claims (4)

1. Elektroylsezelle, enthaltend wenigstens zwei durch eine Ionenaustauschermembran getrennte Elektrolysehalbzellen aus einem Elektrodenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, einem Gasraum und mindestens einer den Gasraum und Elektrodenraum trennenden Gasdiffusionselektrode als Anode oder Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbelement der Raum zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran vom Rückraum des Halbelementes durch eine elektrisch leitfähige, mechanisch stabile Konstruktion, an der die Gastaschenfunktionseinheit/-en befestigt sind, getrennt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Rand eine elektrisch leitfähige, mechanisch stabile Konstruktion mit dem Rand des Halbelementes eine lose Verbindung bildet.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch leitfähige, mechanisch stabile Konstruktion elektrisch leitfähige Stege enthält, an denen die Gasdiffusionselektroden niederohmig befestigt werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Halbelement in einem Elektrolyseur verwendet wird, mit dem Chlor und Natronlauge hergestellt werden.