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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Natriumchlorid-Elektrolysezelle,
die mit einer Gasdiffusionselektrode ausgestattet ist. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Natriumchlorid-Elektrolysezelle,
die mit einer Gasdiffusionselektrode ausgestattet ist, die es ermöglicht,
dass Sauerstoffgas in gutem Kontakt mit dieser kommt.
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Technischer Hintergrund
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Eine
Gasdiffusionselektrode wird normalerweise als Sauerstoffelektrode
für eine
Brennstoffzelle oder zur Elektrolyse von Natriumchlorid verwendet
und sie besteht im Inneren aus einer Gaszufuhrschicht und einer Reaktionsschicht.
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Die
Hauptzüge
der Funktion und Struktur einer Gasdiffusionselektrode werden im
folgenden beschrieben, wobei als Beispiel eine Sauerstoffkathode
genommen wird, die als Kathode bei der Ionenaustauschmembranprozesselektrolyse
von Natriumchlorid zu verwenden ist. Allgemein umfasst die Ionenaustauschmembranprozesselektrolyse
von Natriumchlorid eine Elektrolyse in einer Elektrolysezelle, die
eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer durch ein Kationaustauschelement
geteilt umfasst, wobei die Anodenkammer mit einer Anode ausgestattet
und mit einer wässrigen
Natriumchloridlösung
gefüllt
ist und die Kathodenkammer mit einer Kathode ausgestattet und mit
einer wässrigen
Natriumhydroxidlösung
gefüllt
ist. Eine dieser Ionenaustauschmembranprozess-Natriumchlorid-Elektrolysezellen
ist eine Elektrolysezelle, die als Kathode eine Gasdiffusionselektrode,
die ein sauerstoffhaltiges Gas zuführt, d.h. eine Sauerstoffkathode,
umfasst. Diese Art einer Elektrolysezelle umfasst eine Kathode,
die mit einer Gaszufuhrkammer ausgestattet ist und aus einer Gasdiffusionselektrode,
die so angeordnet ist, dass sie ein sauerstoffhaltiges Gas der Kathode
von dieser aus zuführt,
und einer Elektrolytlösungskammer,
die mit einer wässrigen
Natriumhydroxidlösung
bzw. Ätznatronlösung gefüllt ist,
besteht.
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Bei
dieser Anordnung ergibt die Verwendung einer Gasdiffusionselektrode,
die so angeordnet ist, dass sie der Kathode ein sauerstoffhaltiges
Gas zuführt
(aus einem porösen
Material bestehende Gasdiffusionselektrode, die ein sauerstoffhaltiges
Gas von der Gaszufuhrkammer aus zuführt, im folgenden einfach als "Sauerstoffkathode" bezeichnet), bei
einer Elektrolyse in der Elektrolysezelle, die einen Energiefluss über den
Zwischenraum zwischen der Anode und der Kathode umfasst, den Vorteil,
dass die Reduktionsreaktion von Sauerstoff durch Wasserstoff an
der Sauerstoffelektrode unter Senkung des Kathodenpotentials stattfindet,
wodurch die erforderliche Elektrolysespannung deutlich gesenkt wird.
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Die
Sauerstoffkathode umfasst eine dünne
Schicht, die hauptsächlich
aus einem porösen
Leiter besteht. In der Sauerstoffkathode ist die Leiterschicht auf
der Seite der Gaszufuhrkammer hydrophob, während die Leiterschicht auf
der Seite der Elektrolytlösung
hydrophil ist. Ferner ist die Kathode insgesamt luftdurchlässig. Darüber hinaus
ist die Kathode an der Leiterschicht der Elektrolytlösungsseite
für Elektrolytlösung durchlässig. Die
Leiterschicht der Elektrolytlösungsseite
in Kontakt mit der Elektrodenelektrolytlösung, beispielsweise einer
wässrigen
Natriumhydroxidlösung
im Falle einer Elektrolyse von Natriumchlorid, ist intern mit einem aus
einem Metalldrahtgeflecht bestehenden Kollektor ausgestattet.
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Allgemein
besteht der im Vorhergehenden genannte poröse Leiter hauptsächlich aus
Kohleschwarz. Der poröse
Leiter umfasst einen Katalysator, der aus einem daran in den Poren
geträgerten
Edelmetall, wie Platin, besteht. Die Sauerstoffkathode besteht aus
einer wasserabweisenden porösen
dünnen
Schicht, die kein Auslaufen einer Elektrolytlösung auf der Seite der Zufuhr
eines sauerstoffhaltigen Gases derselben verursacht. Die im Vorhergehenden
genannte wasserabweisende poröse
dünne Schicht
wird normalerweise durch Bilden eines Gemischs aus einem teilchenförmigen Polymer
auf Fluorharzbasis, das gegenüber
einer Redoxreaktion beständig
ist, und wasserabweisendem Kohleschwarz hergestellt.
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Die
im Vorhergehenden genannte poröse
dünne Schicht,
die eine derartige katalytische Aktivität aufweist, besitzt eine integrierte
Struktur, die durch Bilden eines Gemischs aus hydrophober Kohle,
wasserabweisender Kohle und einem teilchenförmigen Fluorharz derart, dass
die Zusammensetzung der Schicht eine stufenweise Änderung
von der mit der Elektrolytlösung
in Kontakt stehenden hyrophilen Oberfläche zu der wasserabweisenden
porösen
dünnen
Schicht auf der Seite der Gaszufuhr zeigt, erhalten wurde. Daher
kann die poröse
Sauerstoffkathode effizient ein sauerstoffhaltiges Gas von der Seite
der Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases zu der mit der Elektrolytlösung in
Kontakt stehenden Seite zuführen.
Ferner kann die Elektrolytlösung ohne
weiteres von der mit der Elektrolytlösung in Kontakt stehenden Seite
in die Elektrode eindringen und -diffundieren, jedoch nicht in die
Gaszufuhrkammer auslaufen.
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Daher
wird in Gegenwart von Natriumionen, die von der mit der Elektrolytlösung in
Kontakt stehenden Seite zugeführt
werden, und dem im Vorhergehenden genannten Katalysator Wasser in
der Sauerstoffkathode zur Hydroxylgruppe oxidiert, wobei Natriumhydroxid
produziert wird.
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Ferner
besteht im Gegensatz zu dem früheren
Verfahren der Elektrolyse einer wässrigen Natriumchloridlösung ohne
eine Sauerstoffkathode, das die Produktion von Wasserstoff an der
Kathode umfasst, bei dem im Vorhergehenden genannten Elektrolyseverfahren
unter Verwendung einer Sauerstoffkathode keine Tendenz zur Produktion
von Wasserstoff, was eine Senkung der Elektrolysespannung ermöglicht.
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Auf
diese Weise wurden die Hauptzüge
der Funktion und Struktur der Sauerstoffkathode (zur Zufuhr eines
sauerstoffhaltigen Gases eingerichtete Gasdiffusionselektrode),
die in einer Ionenaustauschmembranprozess-Natriumchlorid-Elektrolysezelle
verwendet wurde, beschrieben. Die Hauptzüge der Funktion und Struktur
einer üblichen
Gasdiffusionselektrode sind ähnlich
den oben beschriebenen.
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Für den Fall,
dass eine Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffkathode in der herkömmlichen
Natriumchlorid-Elektrolysezelle des Ionenaustauschmembrantyps verwendet
wird, wird normalerweise eine flüssigkeitsundurchlässige Gasdiffusionselektrode
zur Bildung einer Dreikammerstruktur verwendet. In praktikablen Natriumchlorid-Elektrolysezellen,
beispielsweise einer vertikalen Elektrolysezelle mit einer Höhe von 1,2
m oder mehr, wird eine Elektrolyse mit einer mit der Elektrolytlösung gefüllten Elektrolytlösungskammer
durchgeführt.
Daher ist die Gasidffusionselektrode einem durch die Elektrolytlösung am
unteren Teil derselben entwickelten Flüssigkeitsdruck ausgesetzt.
Mit anderen Worten ist der Flüssig keitsdruck
am oberen Teil der Gasdiffusionselektrode in der Nähe der Oberfläche der
Elektrolytlösung
in der Kathodenkammer nahe atmosphärischem Druck, jedoch der Flüssigkeitsdruck
am unteren Teil der Gasdiffusionselektrode in der Nähe des unteren
Teils der Kathodenkammer die Summe aus atmosphärischem Druck und Flüssigkeitsdruck
auf der Basis des Gewichts der Elektrolytlösung (Flüssigkeitshöhe).
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Wenn
die vertikale Elektrolysezelle mit einer Gasdiffusionselektrode
als Sauerstoffkathode ausgestattet ist und dann die Elektrolytlösung zugeführt wird,
unterliegt die Gasdiffusionselektrode einem großen Flüssigkeitsdruck am unteren Teil
derselben, jedoch einem geringen Flüssigkeitsdruck am oberen Teil
derselben, wodurch eine Druckdifferenz zwischen den zwei Teilen
besteht. Diese Druckdifferenz verursacht ein Auslaufen der Flüssigkeit
von der Katholytkammer in die Gaskammer am unteren Teil der Gasdiffusionselektrode.
Wenn der Flüssigkeitsdruck
und der Gasdruck am unteren Teil der Katholytkammer zueinander gleich
eingestellt werden, um ein Auslaufen von Flüssigkeit zu verhindern, ist
der Gasdruck in der Gasdiffusionselektrode höher als der Flüssigkeitsdruck
am oberen Teil der Katholytkammer, was das Lecken von Gas in die
Elektrolytlösung
am oberen Teil der Gasdiffusionselektrode verursacht.
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Ferner
läuft,
wenn der Betrieb bei einem höheren
Flüssigkeitsdruck
als dem Gasdruck durchgeführt wird,
wenn die Gasdiffusionselektrode nicht stark wasserbeständig und
ausreichend hermetisch verschlossen ist, die Elektrolytlösung in
großer
Menge in die Gaskammer, was die Gaszufuhr hemmt und daher die Elektrodenleistung
und -lebensdauer beeinträchtigt.
Insbesondere ist die Verwendung einer Gasdiffusionselektrode mit
geringer Beständigkeit
gegenüber
Wasserdruck beschränkt.
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Wie
in 6 gezeigt ist, umfasst die Kathodenkammer
in der im Vorhergehenden angegebenen herkömmlichen Elektrolysekammer
eine lagenförmige
Gasdiffusionselektrode 31, die auf einem Kathodenmetalldrahtgeflecht 32 plaziert
ist, das auf einem (nicht gezeigten) Kathodenkammerrahmen montiert
ist. Bei dieser Anordnung wird, wenn Druck auf die Gasdiffusionselektrode 31 auf
der Seite der Ätzkammer 33 derselben
ausgeübt
wird, die Gasdiffusionselektrode 31 gegen das Kathodenmetalldrahtgeflecht 32 so
gepresst, dass sie mit dem Kathodenmetalldrahtgeflecht 32 so
in Kontakt kommt, dass sie elektrisch entladen wird. Gleichzeitig
wird Sauerstoff direkt einer zwischen dem Kathodenkammerrahmen und
der Gasdiffusionselektrode 31 gebildeten Gaskammer 34 zugeführt und
dann von der Rückseite
derselben in das Innere der Elektrode gebracht. In 6 zeigt
die Bezugszahl 35 eine Ionenaustauschmembran an und die
Bezugszahl 36 eine Anode an.
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Jedoch
ist die Gaskammer in der im Vorhergehenden genannten Gasdiffusionselektrode
vorzugsweise so gestaltet, dass sie möglichst stark existierende
Elemente umfasst, um Wirtschaftlichkeit zu erhalten, wenn diese
Gasdiffusionselektrode für
eine Elektrolysezelle aktueller Größe verwendet wird. Für den Fall,
dass eine derartige Gasdiffusionselektrode auf einem Kathodenmetalldrahtgeflecht
als existierendem Element montiert ist, ist der gesamte Raum (Gaskammer)
in dem existierenden Kathodenelement eine Sauerstoffkammer.
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Andererseits
ist die Diffusionsrate von Sauerstoff in die Elektrode umso höher, je
höher die
lineare Rate ist, mit der Sauerstoff mit der Sauerstoffgasdiffusionselektrode
in Kontakt kommt.
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Daher
muss, da das existierende Element eine Dicke von 40 bis 50 mm und
daher eine große
innere Kapazität
aufweist, Sauerstoff in einer weitaus größeren als der berechneten Menge
zu geführt
werden, um eine lineare Rate von Sauerstoffgas zu erhalten, die
erforderlich ist, um eine ausreichende Diffusion von Sauerstoff
in die Gasdiffusionselektrode zu bewirken, was schlechte Wirtschaftlichkeit
ergibt. Dies ist auch insofern nachteilig, als, auch wenn Sauerstoff
ausreichend zugeführt
wird, eine weitere Umgestaltung erforderlich ist, um eine derartige
Anordnung zu erhalten, dass Sauerstoff gleichförmig strömt, damit er in gleichförmigen Kontakt
mit der Oberfläche
der Gasdiffusionselektrode in dem existierenden Element kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese Probleme mit den
herkömmlichen
Techniken ausgearbeitet. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist
daher die Bereitstellung einer Natriumchlorid-Elektrolysezelle,
die eine Gasdiffusionselektrode umfasst, die eine Gaskammer zur
exklusiven Verwendung enthält, statt
ein existierendes Element als Gaskammer zu enthalten, wobei die
Gaskammer mit einer Unterbrechung ausgestattet ist, die eine lineare
Rate ermöglicht,
die erforderlich ist, um eine ausreichende Diffusion von Sauerstoff
in die Elektrode zu bewirken, und derart angeordnet ist, dass Sauerstoff
in gleichförmigen
Kontakt mit der Gasdiffusionselektrode kommen kann.
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Dann
führten
die Erfinder intensive Untersuchungen im Hinblick auf die Struktur
einer Gaskammer, die derart angeordnet ist, dass Sauerstoff in gleichförmigen Kontakt
mit der Gasdiffusionselektrode kommen kann, durch, um eine Natriumchlorid-Elektrolysezelle
zu erhalten, die die im Vorhergehenden genannten Aufgaben erreichen
kann.
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Die
Erfinder führten
intensive Untersuchungen im Hinblick auf eine Lösung der im Vorhergehenden
genannten Probleme durch.
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Infolgedessen
wurden die folgende Lehre erhalten.
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Die
Elektrolytlösung
und Sauerstoffgas werden der Elektrolytzelle im oberen Teil derselben
getrennt derart zugeführt,
dass die Elektrolytlösung
und Sauerstoffgas den gleichen Druck zeigen, um keine Druckdifferenz
zwischen der Elektrolytlösungskammerseite
und der Gaskammerseite aufzubauen. Die auf diese Weise zugeführte Elektrolytlösung wird
dann nach unten fließen
gelassen. Infolgedessen fließen
der Katholyt und Gas mit einer geringen oder keiner Druckdifferenz
zwischen diesen nach unten. Daher kann der Katholyt selbst bei einer
Gasdiffusionselektrode, die eine Gaszufuhrschicht mit geringer Beständigkeit
gegenüber
Wasserdruck umfasst, nicht in die Gaskammer auslaufen.
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Jedoch
presst, wenn ein Betrieb durchgeführt wird, wobei sowohl der
Anolyt als auch der Katholyt atmosphärischem Druck ausgesetzt sind,
der durch den Kopf (Anmerkung des Übersetzers: die Höhe) des
Anolyts entwickelte Druck die Ionenaustauschmembran und bringt sie
in Kontakt mit der reaktiven Schicht in der Gasdiffusionselektrode,
was gegebenenfalls das Laufen des Katholyts verhindert. Es wurde
dann ermittelt, dass das im Vorhergehenden genannte Problem wirksam
verhindert werden kann, indem eine Anordnung derart getroffen wird,
dass ein hydrophiles poröses
Material, das für
eine Elektrolytlösung
durchlässig
ist, eine Elektrolytlösung
halten kann, wenig zur Blasenbildung neigt und durch den durch die
Höhe der
Elektrolytlösung entwickelten
Druck nicht verformt werden kann und daher die Passage nicht unterbrechen
kann, eingelagert zwischen die Ionenaustauschmembran und die reaktive
Schicht in der Gasdiffusionselektrode bereitgestellt wird.
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Die
Erfinder führten
weitere intensive Untersuchungen für eine Lösung der im Vorhergehenden
genannten Probleme durch. Infolgedessen wurde ermittelt, dass das
im Vorhergehenden ge nannte Problem gelöst werden kann, indem als Abstandshalter
zur Sicherstellung der Sauerstoffpassage eine Nickelnetzsubstanz in
einer konkaven Gaskammer, die durch einen Kathodenrahmen einer dünnen Nickelplatte
mit einem durch Formpressen gebildeten konkaven Bereich und eine
Gasdiffusionselektrode festgelegt ist, bereitgestellt wird. Auf
diese Weise wurde die vorliegende Erfindung ausgearbeitet.
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Mit
anderen Worten, können
in der vorliegenden Erfindung die im Vorhergehenden genannten Probleme
durch die folgenden Mittel gelöst
werden:
- 1. Eine Natriumchlorid-Elektrolysezelle,
die als Zwischenraum zur Sicherstellung der Sauerstoffpassage eine
Nickelnetzsubstanz umfasst, die intern in eine Gaskammer eingepasst
ist, die durch eine Gasdiffusionselektrode und einen konkaven Bereich
mit der gleichen Größe wie die
Gasdiffusionselektrode, der im zentralen Bereich einer dünnen Nickelplatte
durch Formpressen der dünnen
Nickelplatte ausgebildet wurde, festgelegt ist, wobei die Nickelnetzsubstanz
derart geformt ist, dass sie eine große Zahl feiner Riffelungen
aufweist, die in der zum Sauerstoffstrom senkrechten Richtung so
verlaufen, dass Sauerstoff durch die Riffelungen so bewegt wird,
dass er mit der Gasdiffusionselektrode in gleichförmigen Kontakt
kommt.
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Mit
anderen Worten, betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasdiffusionselektrode,
die als Abstandshalter zur Sicherstellung der Sauerstoffpassage
eine intern in der Gaskammer eingepasste Nickelnetzsubstanz umfasst,
und Natriumchlorid-Elektrolysezellen,
die diese Gasdiffusionselektroden umfassen.
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Bevorzugte
Beispiele für
die Elektrolysezelle, für
die diese Gasdiffusionselektroden spezifisch verwendet werden können, sind
im folgenden beschrieben.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Natriumchlorid-Elektrolysezelle,
die in 1 gezeigt ist, umfasst ein
Kathodenbereich 2 in einer Elektrolysezelle 1 eine
Ionenaustauschmembran 3, eine Kathodenkammer 4 als
Elektrolytlösungspassage,
durch die die Elektrolytlösung
nach unten fließt,
eine reaktive Schicht 6 an einer Gasdiffusionselektrode 5,
die als Sauerstoffkathode fungiert, eine Gaszufuhrschicht 7 und
eine Gaskammer 8. Im Inneren der Kathodenkammer 4,
durch die die Elektrolytlösung
nach unten fließt,
befindet sich ein hydrophiles poröses Material 10 mit
feinen offenen Zellen. Eine wässrige
Natriumhydroxidlösung 11 wird
der Kathodenkammer 4 an einem Natriumhydroxideinlass 12 zugeführt und
sie fließt
dann vom oberen Bereich der Kathodenkammer 4 durch das
hydrophile poröse
Material 10 nach unten.
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Ein
Sauerstoffgas 14 wird der Gaskammer 8 in der Gasdiffusionselektrode 5 an
einem Sauerstoffgaseinlass 15, der sich im oberen Bereich
der Gasdiffusionselektrode 5 befindet, mit fast dem gleichen
Druck wie in der Kathodenkammer 4 zugeführt. Die Menge der durch die
Kathodenkammer 4 nach unten fließenden Elektrolytlösung wird
durch den Porendurchmesser und die Porosität des hydrophilen porösen Materials 10 und
die Dicke der Passage gesteuert.
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Als
das das hydrophile poröse
Material 10 bildende Material kann ein beliebiges Metall,
Metalloxid oder organisches Material verwendet werden, sofern es
korrosionsbeständig
und hydrophil ist. Das hydrophile poröse Material 10 ist
vorzugsweise in der Form eines längs
gekerbten Materials, porösen
Materials oder Netzes, das derart angeordnet ist, dass das Fließen der
Elektrolytlösung
nach unten ermöglicht
wird und daher eine geringe Erhöhung
des Flüssigkeitswiderstands
während
der Elektrolyse ergibt. Es ist besonders wichtig, dass das hydrophile
poröse
Material 10 eine derartige Form aufweist, dass sich darin
kaum Blasen finden.
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Die
Oberfläche
der reaktiven Schicht 6 der Gasdiffusionselektrode 5 ist
vorzugsweise hydrophil, so dass sich darin keine Blasen befinden
können.
Die hierbei verwendbare Gasdiffusionselektrode 5 kann entweder
durchlässig
oder undurchlässig
für eine
Flüssigkeit
sein.
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Es
ist wichtig, dass keine Differenz zwischen dem Druck der Elektrolytlösung in
der Kathodenkammer 4 als Passage der Elektrolytlösung und
dem Druck eines Gases in der Gaskammer 8 in der Gasdiffusionselektrode 5 besteht.
Als Mittel zum Erreichen dieses Zwecks wird vorzugsweise ein Mittel
verwendet, das eine Erhöhung
des Gasdrucks in der Gaskammer 8 in der Gasdiffusionselektrode 5 umfasst.
Bei dieser Anordnung übt
der erhaltene Gasdruck auf die Elektrolytlösung in der Kathodenkammer
unter Beschränkung
des Abwärtsfließens der
Elektrolytlösung
derart Druck aus, dass die Elektrolytlösung am unteren Ende der Kathodenkammer 4 in 1 einen Flüssigkeitsspiegel bildet.
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In
diesem Fall ist es nicht notwendig, dass ein Sauerstoffdruck, der
der Höhe
der Elektrolytlösungssäule in der
Kathodenkammer entspricht, angelegt wird. In der Praxis wird eine
Natriumchloridelektrolysezelle, die eine Ionenaustauschmembran umfasst,
derart angeordnet, dass der Zwischenraum zwischen der Ionenaustauschmembran
und der Oberfläche
der reaktiven Schicht der Gasdiffusionselektrode 5, möglichst
klein, d.h. etwa 2 mm bis 3 mm ist, um den elektrischen Widerstand
der Elektrolysezelle zu minimieren. Demgemäß nimmt der Strömungswiderstand,
der entwickelt wird, wenn die Elektrolytlösung nach unten fließt, aufgrund
der Viskosität
der Elektrolytlösung
und dergleichen zu, was verhindert, dass der gesamte Druck der Elektrolytlösungssäule direkt
auf das untere En de der Kathodenkammer wirkt. Daher kann ein Gasdruck,
der nahezu dem Druck der Elektrolytlösungssäule, der auf das untere Ende
der Kathodenkammer einwirkt, entspricht, angelegt werden. Wenn der
gesamte Druck der Elektrolytlösungssäule direkt
auf das untere Ende der Kathodenkammer wirkt, und der entsprechende
Gasdruck angelegt wird, leckt das Gas von der Gasdiffusionselektrode
zur Kathodenkammer am oberen Ende der Kathodenkammer, wie zuvor
beschrieben.
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Ferner
kann auch durch Anordnen der Kathode derart, dass die Elektrolytlösung frei
am Ende der Kathodenkammer 4 als Elektrolytlösungspassage
herausfließen
kann, ohne weiteres keine Differenz zwischen dem Druck der Elektrolytlösung und
dem Gasdruck bestehen.
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In
diesem Fall wird am unteren Ende der Kathodenkammer 4 kein
Flüssigkeitsreservoir
gebildet. Daher wirkt, auch wenn die Kathodenkammer 4 mit
der nach unten fließenden
Elektrolytlösung
gefüllt
ist, der Druck der Elektrolytlösungssäule nicht
auf die Elektrolytlösung
selbst.
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Mit
anderen Worten, wird in normalen Fällen als Austragleitung ein
Steigrohr bereitgestellt, das mit dem unteren Ende der Kathodenkammer 4 kommuniziert,
von dem aus ein Überlauf
des Katholyts erfolgt, oder es wird ein Drosselventil an der am
unteren Ende der Kathodenkammer 4 angebrachten Austragleitung
bereitgestellt, um den Flüssigkeitspegel
am oberen Ende der Kathodenkammer 4 zu halten. In jedem
Fall wirkt der Druck der Elektrolytlösungssäule auf die Elektrolytlösung selbst.
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Wenn,
wie zuvor angegeben wurde, ein freies Austragende angebracht ist,
wird die Kathodenkammer 4, durch die die Elektrolytlösung nach
unten fließt,
mit der nach unten fließenden
Elektrolytlösung
gefüllt.
Die durch die Geschwindigkeit des Abwärtsfließens entwickelte Energie wird
durch den Widerstand mit der Ionenaustauschmembran, die die Elektrolytlösung kontaktiert,
verbraucht. Daher wirkt der durch den stationären Zustand entwickelte statische
Druck nicht auf die Ionenaustauschmembran. Jedoch ist die Kathodenkammer 4 nur
dann immer mit der Elektrolytlösung
gefüllt,
wenn die Dicke der Kathodenkammer 4, wie zuvor angegeben ist,
ziemlich gering ist, wodurch die Bildung einer kontinuierlichen
Flüssigkeitsschicht
möglich
wird.
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Durch
Kommunizieren der Elektrolytlösung
und des Sauerstoffgases miteinander am unteren Ende der Kathodenkammer 4 können der
Druck der Elektrolytlösung
am unteren Teil der Kathodenkammer 4 und der Druck des
Sauerstoffgases am unteren Teil der Gaskammer ohne weiteres einander
gleich gemacht werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird ein Elektrolytlösungsreservoir 17 am
oberen Teil der Elektrolysezelle 1 so angebracht, dass
keine Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeitskammer und der Gaskammer auftritt.
Die Gasphase über
dem Flüssigkeitsspiegel
in dem Elektrolytlösungsreservoir 17 und
ein Sauerstoffgaseinlass 15 kommunizieren über eine
Leitung 18 miteinander. Ferner kommunizieren der obere
Teil des Elektrolytlösungsreservoirs 17 und
die untere Kammer der Elektrolytzelle durch ein Überlaufleitung 21 über einen
Druckgenerator 22 derart miteinander, dass die überlaufende
Elektrolytlösung
durch die Überlaufleitung 21 in
die untere Kammer 20 der Elektrolytzelle nach unten fließt (siehe 2).
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Auf
diese Weise werden die Elektrolytlösung und das Sauerstoffgas 14 bei
nahezu dem gleichen Druck gehalten. Die Elektrolytlösung und
das Sauerstoffgas werden der Elektrolytzelle im oberen Teil derselben
getrennt zugeführt.
Dann fließt
die Elektrolytlösung
spontan nach unten, während
das Sauerstoffgas aus dem Sauerstoffgasauslass 16 über eine
Aus tragleitung 23, die im unteren Teil der Gaskammer angebracht
ist, herauskommt. Da der Katholyt und das Gas spontan mit einer
geringen Druckdifferenz zwischen diesen nach unten fließen, kann
der Katholyt nicht in die Gaskammer 8 auslaufen, auch wenn
eine Gasdiffusionselektrode 5, die eine Gaszufuhrschicht 7 mit
geringer Wasserbeständigkeit
umfasst, verwendet wird.
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Wenn
jedoch der Betrieb durchgeführt
wird, wenn sowohl der Anolyt als auch der Katholyt atmosphärischem
Druck ausgesetzt sind, übt
der erhaltene Kopfdruck des Katholyts Druck aus und er bringt die
Ionenautauschmembran 3 in Kontakt mit der reaktiven Schicht 6 der
Gasdiffusionselektrode 5, was ein Fließen des Katholyts verhindert.
Um dieses Problem zu vermeiden, wird eine derartige Anordnung bereitgestellt,
dass ein hydrophiles poröses
Material, das für
die Elektrolytlösung
durchlässig
ist, eine Elektrolytlösung
halten kann, wenig zu Blasenbildung neigt und durch den durch den
Druck der Elektrolytlösung
entwickelten Druck nicht verformt werden kann und daher die Passage
nicht unterbrechen kann, eingelagert zwischen der Ionenaustauschmembran 3 und
der reaktiven Schicht 6 der Gasdiffusionselektrode angebracht.
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Durch
die Ausbildung von Kerben mit einer Tiefe von 0,5 bis 4 mm und einer
Breite von 0,5 bis 4 mm an der Elektrolytlösungspassage und/oder der reaktiven
Schicht 6 kann die Fließrate der Elektrolytlösung und des
Gases erhöht
werden. Die Menge der nach unten fließenden Elektrolytlösung kann
durch Änderung
der Höhe
des Flüssigkeitsspiegels
in dem Elektrolytlösungsreservoir 17 gesteuert
werden.
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2 erläutert
die Struktur einer Elektrolysezelle, die zur Sicherstellung von
elektrischer Leitfähigkeit und
der Gaspassage geplant ist. Eine Blasenvorrichtung 24 ist
am Gas- und Elektrolytlösungsauslass
so angebracht, dass die Kathodenkam mer 4 durch den gebildeten
Flüssigkeitsdruck
zusammengepresst wird. Bei dieser Anordnung ist der Druck in der
Kathodenkammer 4 höher
als in der Anolytkammer, was bewirkt, dass die Ionenaustauschmembran
gegen die Anode gepresst wird und daher eine Elektrolyse ohne einen
Abstandshalter möglich
ist. In diesem Fall sind die Gasdiffusionselektrode 5 und
die Ionenaustauschmembran 3 vorzugsweise hydrophil.
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Das
Elektrolytlösungsreservoir 17 ist
am oberen Teil der Elektrolysezelle 1, die in 2 angegeben ist, angebracht. Die Gasphase über dem
Flüssigkeitsspiegel
in dem Elektrolytlösungsreservoir 17 und
das auf diese Weise zugeführte
Sauerstoffgas 14 kommunizieren über eine Gaskommunikationsleitung 18 miteinander.
Der obere Teil des Elektrolytlösungsreservoirs 17 und
der untere Teil der Elektrolysezelle 1 kommunizieren über eine Überlaufleitung 21 so
miteinander, dass nur die überlaufende
Elektrolytlösung
durch die am unteren Teil der Kathodenkammer angebrachte Elektrolytlösungspassage
nach unten fließt.
Wenn die Überlaufleitung 21 direkt
mit der unteren Kammer 20 verbunden ist, werden die Kammer
des Elektrolytlösungsreservoirs 17 und
die untere Kammer 20 beim gleichen Druck gehalten. Daher
ist, wenn der durch die Flüssigkeitssäule in der
Kathodenkammer 4 entwickelte Druck auf die untere Kammer 20 ausgeübt wird,
die Überlaufleitung 21 vorzugsweise
mit der unteren Kammer über
den Druckgenerator 22 so verbunden, dass sie mit der unteren
Kammer mit einem Kopfdruck, der dem auf das System ausgeübten Druck
entspricht, verbunden ist.
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Eine
Ausführungsform
der Gaskammer in der Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung wird im folgenden
in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. 3 ist
eine schematische vertikale Schnittdarstellung, die die Gesamtstruktur
der Gaskammer in der Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung erläutert. 4 ist eine vertikale Schnittdarstellung,
die einen wesentlichen Teil der Gaskammer von 3 erläutert. 5 ist eine perspektivische Darstellung,
die die Struktur des geriffelten Netzes von 4 erläutert. Wenn die
gleichen Teile die gleichen wie die von 6,
die eine herkömmliche
Gasdiffusionselektrode erläutert,
sind, werden die gleichen Zahlen verwendet.
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Die
Sauerstoffkathode 40, die als Kathode bei der Elektrolyse
von Natriumchlorid unter Verwendung des Ionenaustauschmembranprozesses
gemäß der Erfindung
zu verwenden ist, umfasst eine Gaskammer 34, die zwischen
der Gasdiffusionselektrode 31 und einer dünnen Nickelplatte 38 mit
einem konkaven Bereich 39 mit der gleichen Dimension wie
die Gasdiffusionselektrode 31, der durch Formpressen gebildet
wurde, gebildet ist, wie in 3 und 4 angegeben ist. In die Gaskammer 34 ist
intern eine Nickelnetzsubstanz 37 als Abstandshalter zur
Sicherstellung der Sauerstoffpassage eingepasst. Die Netzsubstanz 37 kann
ein Metalldrahtgeflecht oder ein Stapel aus Metalldrahtgeflechten
sein. Die Netzsubstanz 37 ist so gestaltet, dass sie eine
große
Zahl feiner Riffelungen aufweist, die in der zum Sauerstoffstrom
senkrechten Richtung so verlaufen, dass Sauerstoff durch die Riffelungen
sorgfältig
so bewegt wird, dass er mit der Gasdiffusionselektrode 31 in
gleichförmigen Kontakt
kommt. Die Netzsubstanz 37 muss eine Dicke von 0,1 bis
5 mm aufweisen, um die gewünschte
Fließgeschwindigkeit
von Sauerstoff sicherzustellen und den Widerstand zu senken.
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Der
hier verwendete Ausdruck "Netzsubstanz" ist kein allgemeiner
Ausdruck. Da jedoch der Ausdruck "Metalldrahtgeflecht", der normalerweise verwendet wird,
eine beschränkte
Struktur bedeutet und in deren Umfang kaum "geriffeltes Netz" umfasst, wird der Ausdruck "Netzsubstanz" in der Erfindung
verwendet.
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Da
die gleichen Zahlen verwendet werden, wenn die Teile die gleiche
Funktion wie die Kathodenkammer in der in 6 beschriebenen
herkömmlichen
Elektrolysezelle aufweisen, wird eine wiederholte Beschreibung dieser
Teile unterlassen.
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Die
Gaskammer in der Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung ist wie oben
angegeben gestaltet. Demnach ist für den Fall, dass Natriumchlorid
in einer Elektrolysezelle, die die Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung
umfasst, elektrolysiert wird, die Lineargeschwindigkeit von durch
das Netz fließendem
Sauerstoffgas erhöht,
da das Netz intern in die Gaskammer eingepasst ist, wodurch unvermeidlich
die Innenkapazität
der Gaskammer verringert wird. Gleichzeitig wird Sauerstoffgas durch
das geriffelte Netz sorgfältig
so bewegt, dass es mit der Gasdiffusionselektrode in gleichförmigen Kontakt
kommen kann. Auf diese Weise findet eine ausreichend zufriedenstellende
Sauerstoffreduktionsreaktion an der Gasdiffusionselektrode statt,
wobei das Kathodenpotential gesenkt und daher die erforderliche
Elektrolysespannung deutlich gesenkt wird. Insbesondere wird, wenn
ein geriffeltes Netz verwendet wird, die Lineargeschwindigkeit von
durch dieses strömendem
Gas weiter erhöht.
Gleichzeitig wird Sauerstoffgas durch das geriffelte Netz sorgfältig bewegt,
wodurch es möglich
wird, dass das Sauerstoffgas in gleichförmigen Kontakt mit der Gasdiffusionselektrode
kommt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Schnittdiagramm, das eine Ausführungsform
der Elektrolysezelle gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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2 ist ein Schnittdiagramm, das eine Ausführungsform
der Elektrolysezelle gemäß der vorliegenden
Erfindung, die ein hierbei angebrachtes Elektrolytlösungsreservoir
umfasst, erläutert.
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3 ist ein Schnittdiagramm, das eine Ausführungsform
der Gesamtstruktur der Gaskammer in der Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung
erläutert.
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4 ist ein Schnittdiagramm, das einen wesentlichen
Teil der Struktur der Gaskammer in der Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung
erläutert.
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5 ist eine perspektivische Darstellung,
die die geriffelte Netzstruktur der in 4 gezeigten
Nickelnetzsubstanz erläutert.
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6 ist ein Schnittdiagramm, das eine Ausführungsform
der Struktur der Gaskammer in der herkömmlichen Gasdiffusionselektrode
erläutert.
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BESTE ART UND WEISE ZUR
DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die folgenden Beispiele
detaillierter beschrieben. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung
nicht als auf diese Beispiele beschränkt betrachtet werden. Durchgängig bedeuten
in den Beispielen alle Angaben "Teile" und "%" "Gewichtsteile" bzw. "Gew.-%".
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Beispiel 1 (fällt nicht
in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung)
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Zu
5 Teilen (im folgenden auf das Gewicht bezogen) teilchenförmiges Silber
(Ag-3010, hergestellt von Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd.; mittlerer Teilchendurchmesser:
0,11 μm)
wurden 1 Teil Triton als oberflächenaktives
Mittel und 9 Teile Wasser gegeben. Das Gemisch wurde dann einer
Dispersion mittels einer Ultraschalldispergiervorrichtung unterzogen.
Zu der auf diese Weise hergestellten Dispersion wurde dann 1 Teil einer
PTFE-Dispersion (D-1, hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES, LTD.) gegeben.
Das Gemisch wurde dann gerührt.
Zu dem Gemisch wurden dann 2 Teile Ethanol gegeben. Das Gemisch
wurde dann gerührt,
so dass es sich selbst organisierte. Der gebildete Niederschlag
wurde durch ein Filterpapier mit einem Porendurchmesser von 1 μm filtriert,
wobei eine Aufschlämmung
erhalten wurde.
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Auf
ein silberplattiertes Nickel-Schaumprodukt (hergestellt von Japan
Metals & Chemicals
Co., Ltd.; Dicke: 3,7 mm; Größe: 10 cm × 20 cm),
in das eine durch Zugabe einer PTFE-Dispersion (D-1, hergestellt
von DAIKIN INDUSTRIES, LTD.) erhaltene Paste als Gaszufuhrschicht
zuvor getrieben wurde, wurde dann die im Vorhergehenden genannte
Aufschlämmung
bis zu einer Dicke von 0,3 mm appliziert. Die Aufschlämmung wurde
dann unter einem Druck von 10 kg/cm2 in
das Schaumprodukt gepresst, wobei eine reaktive Schicht und eine
Gaszufuhrschicht darin gebildet wurden. Das Schaumprodukt wurde
dann bei einer Temperatur von 80°C 3
h lang getrocknet. Das oberflächenaktive
Mittel wurde dann durch eine Extraktionsvorrichtung mit Ethanol entfernt.
Das Schaumprodukt wurde dann bei einer Temperatur von 100°C 2 h lang
getrocknet, wobei eine Gasdiffusionselektrode erhalten wurde. Die
Menge des verwendeten teilchenförmigen
Silbers betrug 430 g/m2.
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Die
auf diese Weise erhaltene Gasdiffusionselektrode wurde dann auf
einem silberplattierten Elektrodenrahmen montiert. Ein Nickel-Schaumprodukt
von 50 ppi (Zahl der Poren pro Inch) mit einer Dicke von 1,5 mm
wurde dann auf die Elektrode laminiert, um eine Elektrolytlösungspassage
auszubilden.
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Die
auf diese Weise erhaltene Gasdiffusionselektrode wurde in einer
in 1 angegebenen Ionenaustauschmembran-Elektrolysezelle
montiert. Der Anolytdruck wurde dann bei einem Wasser-Manometerdruck von
100 mm so gehalten, dass die Gasdiffu sionselektrode mit dem Nickel-Schaumprodukt
als Elektrolytlösungspassage
in Kontakt kommen konnte. Eine 32%ige wässrige Natriumhydroxidlösung wurde
vom oberen Teil der Elektrolysezelle mit einer Rate von 50 ml pro
min nach unten fließen
gelassen. Sauerstoffgas wurde durch die Gaskammer mit fast dem gleichen
Druck wird die wässrige
Natriumhydroxidlösung
in einer Menge des 1,5fachen des theoretischen Werts strömen gelassen.
Danach wurde elektrischer Strom der Elektrolysezelle zugeführt.
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Infolgedessen
wurde, wenn eine 32%ige wässrige
NaOH-Lösung
bei einer Temperatur von 90°C
zugeführt
wurde, eine Spannung der Elektrolysezelle von 2,05 V mit einer Stromdichte
von 30 A/dm2 erhalten. Die Elektrolytlösung, die
durch die Passage nach unten geflossen war, verband sich mit überschüssigem Sauerstoffgas
und wurde dann aus der Elektrolysezelle am unteren Auslass ausgetragen.
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Beispiel 2 (fällt nicht
in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung)
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Eine
Gasdiffusionselektrode, die aus Kohle mit darauf geträgertem Silber
bestand, wurde hergestellt. Die auf diese Weise hergestellte Gasdiffusionselektrode
wurde auf einer Gaskammer mit einem darauf laminierten Nickelnetz
montiert. Ein Mikronetz, das durch Katsurada Expanded Metal Co.,
Inc. produziert wurde (0,2 Ni, 0,8-M60, Dicke: 1 mm), wurde dann
eingefügt
zwischen einer Ionenaustauschmembran und der Gasdiffusionselektrode
zur Bildung einer Elektrolytlösungspassage
angebracht. Der Betrieb wurde unter den gleichen Bedingungen wie
in Beispiel 4 mit einer 32%igen wässrigen Natriumhydroxidlösung, die
mit einer Rate von 90 ml pro min nach unten fließen gelassen wurde, durchgeführt. Infolgedessen
wurde eine Spannung der Elektrolysezelle von 2,11 V erhalten, wenn
der Betrieb mit einer 32%igen wässrigen
Lösung
von NaOH bei einer Stromdichte von 30 A/dm2 und
einer Temperatur von 90°C
durchgeführt
wurde, wobei Sauerstoff in einer Menge des 1,6fachen des theoretischen
Werts zugeführt
wurde.
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Beispiel 3 (fällt nicht
in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung)
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Eine
Gasdiffusionselektrode, die aus Kohle mit darauf geträgertem Platin
bestand, wurde hergestellt. Die auf diese Weise hergestellte Gasdiffusionselektrode
wurde auf einer Gaskammer mit einem darauf laminierten Nickelnetz
montiert. Ein geriffeltes Nickelmikronetz (0,2 Ni, 0,8-M30, Dicke:
1 mm) wurde dann eingefügt
zwischen einer Ionenaustauschmembran und der Gasdiffusionselektrode
zur Bildung einer Elektrolytlösungspassage
angebracht. Der Betrieb wurde unter den gleichen Bedingungen wie
in Beispiel 4 mit einer 32%igen wässrigen Natriumhydroxidlösung, die
mit einer Rate von 120 ml pro min nach unten fließen gelassen wurde,
durchgeführt.
Infolgedessen wurde eine Spannung der Elektrolysezelle von 2,06
V erhalten, wenn der Betrieb mit einer 32%igen wässrigen Lösung von NaOH bei einer Stromdichte
von 30 A/dm2 und einer Temperatur von 90°C durchgeführt wurde,
wobei Sauerstoff in einer Menge des 1,6fachen des theoretischen
Werts zugeführt
wurde.
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Beispiel 4 (fällt nicht
in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung)
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Eine
Elektrolysezelle wurde bereitgestellt, die ein Elektrolytlösungsreservoir
am oberen Teil derselben angebracht umfasste, wobei die Gasphase über dem
Flüssigkeitsspiegel
in dem Elektrolytlösungsreservoir und
das zugeführte
Gas miteinander durch eine Leitung kommunizierten, der obere Teil
des Elektrolytlösungsreservoirs
und der untere Teil der Elektrolysezelle miteinander über eine
Leitung kommunizierten, was in 2 angegeben
ist. Bei dieser Anordnung fließt
die überlaufende
Elektrolytlösung
nach unten in den unteren Teil der Elektrolysezelle. Keine Blasenvorrichtung
wurde angebracht.
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In
Bezug auf die Herstellung der verwendeten Gasdiffusionselektrode
wurden zu 5 Teilen teilchenförmigem
Silber (Ag-3010,
hergestellt von Mitsui Mining & Smelting
Co., Ltd.; mittlerer Teilchendurchmesser: 0,11 μm) 1 Teil Triton als oberflächenaktives
Mittel und 9 Teile Wasser gegeben. Das Gemisch wurde dann einer Dispersion
mittels einer Ultraschalldispergiervorrichtung unterworfen. Zu der
auf diese Weise erhaltenen Dispersion wurde dann 1 Teil einer PTFE-Dispersion
(D-1, hergestellt von DAIKIN INDUSTRIES, LTD.) gegeben. Das Gemisch
wurde dann gerührt.
Zu dem Gemisch wurden dann 2 Teile Ethanol gegeben. Das Gemisch
wurde dann gerührt,
so dass es sich selbst organisierte. Der gebildete Niederschlag
wurde durch ein Filterpapier mit einem Porendurchmesser von 1 μm filtriert,
wobei eine Aufschlämmung
erhalten wurde. Die Aufschlämmung
wurde dann durch ein silberplattiertes Nickel-Schaumprodukt (hergestellt von Japan
Metals & Chemicals Co.,
Ltd.; Dicke: 3,7 mm; Größe 10 cm × 20 cm)
bis zu einer Dicke von 0,3 mm appliziert, wobei eine reaktive Schicht
auf diesem gebildet wurde. Auf das Schaumprodukt wurde unmittelbar
eine eine Gaszufuhrschicht bildende Paste appliziert, die durch
Zugabe von Ethanol zu einer PTFE-Dispersion (D-1, hergestellt von
DAIKIN INDUSTRIES, LTD.) erhalten wurde. Die auf diese Weise applizierte
PTFE-Dispersion wurde dann unter einem Druck von 10 kg/cm2 in das Schaumprodukt gepresst, wobei eine
Gaszufuhrschicht gebildet wurde. Das Schaumprodukt wurde dann bei
einer Temperatur von 80°C
3 h getrocknet. Das oberflächenaktive
Mittel wurde dann aus dem Schaumprodukt unter Verwendung einer Extraktionsvorrichtung
mit Ethanol entfernt. Das Schaumprodukt wurde bei einer Temperatur
von 80°C
2 h getrocknet und dann 10 min lang einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur
von 230°C
unterzogen, wobei eine Elektrode erhalten wurde. Die Menge des verwendeten
teilchenförmigen
Silbers betrug 430 g/m2.
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Die
auf diese Weise erhaltene Elektrode wurde dann auf einem silberplattierten
Elektrodenrahmen mit einer Gaskammer montiert. Eine Anionenaustauschmembran
wurde dann eingefügt
zwischen die Elektroden angebracht, wobei eine Elektrolysezelle
zusammengebaut wurde. Der Anolytdruck wurde dann bei einem Wasser-Manometerdruck
von 100 mm gehalten, so dass die Gasdiffusionselektrode mit dem
Nickel-Schaumprodukt als Elektrolytlösungspassage in Kontakt kommen
konnte. Eine 32%ige wässrige
Natriumhydroxidlösung
wurde vom oberen Teil der Elektrolysezelle mit einer Rate von 50
ml pro min nach unten fließen
gelassen. Sauerstoffgas wurde mit fast dem gleichen Druck wie die
wässrige
Natriumhydroxydlösung
in einer Menge des 1,5fachen des theoretischen Werts durch die Gaskammer
strömen
gelassen. Das gebildete Abgas wurde an die Atmosphäre freigelassen.
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Infolgedessen
wurde, wenn eine 32%ige wässrige
NaOH-Lösung
bei einer Temperatur von 90°C
zugeführt
wurde, eine Spannung der Elektrolysezelle von 2,05 V mit einer Stromdichte
von 30 A/dm2 erhalten.
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Beispiel 5 (fällt nicht
in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung)
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Eine
Elektrolysezelle wurde bereitgestellt, die die gleiche Struktur
wie Beispiel 4 aufwies, jedoch eine an den Gas- und Elektrolytlösungsauslässen angebrachte
Blasenvorrichtung umfasste, wobei die Kathodenkammer unter Flüssigkeitsdruck
zusammengepresst wird.
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Eine
Gasdiffusionselektrode, die aus hydrophilem Kohleschwarz mit darauf
geträgertem
Silber (AB-12), hydrophobem Kohle schwarz (Nr. 6) und einer PTFE-Dispersion
(D-1, hergestellt von DAIKINI INDUSTRIES, LTD.) bestand, wurde dann
an der Elektrolysezelle mit einer Nickelriffelung, die als Gaskammer
fungiert, montiert, wobei eine Ionenaustauschmembranprozess-Elektrolysezelle
zusammengebaut wurde. Die verwendete Blasenvorrichtung wurde so
angeordnet, dass sie eine Tiefe von 40 cm aufwies. Eine 32%ige wässrige Natriumhydroxidlösung wurde
mit einer Rate von 200 ml pro min zugeführt. Die überschüssige Elektrolytlösung wurde überlaufen
gelassen.
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Der
Betrieb wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 4 durchgeführt. Infolgedessen
wurde eine Spannung der Elektrolysezelle von 1,96 V erhalten, wenn
der Betrieb mit einer 32%igen wässrigen NaOH-Lösung mit
einer Stromdichte von 30 A/dm2 und einer
Temperatur von 90°C
durchgeführt
wurde, wobei Sauerstoff in einer Menge des 1,6fachen des theoretischen
Werts zugeführt
wurde.
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Beispiel 6
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Unter
Verwendung von Gasdiffusionselektroden der Erfindung mit den in
3 und
4 angegebenen Strukturen
wurden Tests mit der folgenden Spezifikation einer Elektrolysezelle
unter den im folgenden angegebenen Betriebsbedingungen durchgeführt. Infolgedessen
war eine Elektrolysespannung der bemerkenswert niedrigen Höhe von 2,01
V erforderlich.
| Dimension
der Reaktionsfläche: | 100 × 600 mm
(Reaktionsfläche: 75
dm2) |
| Anode: | DSE
(hergestellt von Permelec Elektrode Ltd.) |
| Kathode: | Gasdiffusionselektrode |
| Ionenaustauschmembran: | Flemion
893 (hergestellt von Asahi Glass Co., Ltd.) |
| Elektrolysestromdichte: | 30
A/dm2 |
| Betriebstemperatur: | 90°C |
| Ätzkonzentration: | 32
Gew.-% NaOH |
| Natriumchloridkonzentration: | 210
g/l·NaCl |
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Die
Gasdiffusionselektrode gemäß der Erfindung
umfasst als Abstandshalter zur Sicherstellung der Passage von Sauerstoff
eine Nickelnetzsubstanz, die in einer extrem dünnen flachen kastenförmigen Gaskammer,
die zwischen einem aus einer dünnen
Nickelplatte bestehenden Kathodenrahmen mit einem durch Formpressen
gebildeten konkaven Bereich und der Gasdiffusionselektrode ausgebildet
ist, bereitgestellt wird. Auf diese Weise weist die Gaskammer eine
verringerte Innenkapazität
auf, die die Linearrate von durch das Netz strömendem Sauerstoffgas erhöht und ein
sorgfältiges
Bewegen des Sauerstoffgases durch das Netz bewirkt. Die Verwendung
der im Vorhergehenden genannten Gasdiffusionselektrode macht es
möglich,
dass Sauerstoff in gleichförmigem
Kontakt mit der Gasdiffusionselektrode kommen kann. Daher findet
an der Gasdiffusionselektrode eine extrem gute Sauerstoffreduktionsreaktion
statt, was das Kathodenpotential senkt und daher die erforderliche
Elektrolysespannung deutlich senkt.