EP2746429A1 - Elektrolysezelle - Google Patents

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Publication number
EP2746429A1
EP2746429A1 EP12198034.6A EP12198034A EP2746429A1 EP 2746429 A1 EP2746429 A1 EP 2746429A1 EP 12198034 A EP12198034 A EP 12198034A EP 2746429 A1 EP2746429 A1 EP 2746429A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
anode
gas diffusion
clamped
elastic element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12198034.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Woltering
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp Uhde Chlorine Engineers Italia SRL
Original Assignee
Uhdenora SpA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Uhdenora SpA filed Critical Uhdenora SpA
Priority to EP12198034.6A priority Critical patent/EP2746429A1/de
Priority to PCT/EP2013/076174 priority patent/WO2014095507A1/en
Publication of EP2746429A1 publication Critical patent/EP2746429A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/34—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46—Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • the invention is in the field of chlor-alkali electrolysis and relates to an improved electrolysis cell with gas diffusion cathode and ion exchange membrane and a method in which this electrolysis cell is operated.
  • Chlor-alkali electrolysis is one of the most energy-intensive industrial production processes.
  • aqueous saline solution is subjected to an electrolysis which proceeds according to the following equation: 2NaCl + 2H 2 O ⁇ Cl 2 + 2 NaOH + H 2
  • the decomposition voltage is theoretically only about 2.25 V, the method requires a significantly higher operating voltage of about 3 V, which is due in particular to ohmic potential losses and the overvoltage at the electrodes.
  • the process uses a much lower decomposition voltage of about 1.14 volts. Taking into account voltage losses and overvoltage, an operating voltage of 2 V is sufficient, which leads to energy savings of around 30% compared to the classical method.
  • the electrolysis is now usually carried out by the two-chamber method:
  • the anode chamber is a metal anode, which is separated from the cathode chamber by an ion exchange membrane.
  • the cathode which is located in the cathode chamber, is a gas diffusion cathode.
  • a technological solution consists in segmenting the cathode gas space and connecting these chambers in a cascade manner via downpipes for the passage of the electrolyte. Representing the extensive state of the art, which includes these so-called "gas pockets" is on the EP 0872578 B1 (Bayer).
  • Such a device in the form of a flexible mat is for example from the publications EP 0050373 A1 and EP 0124125 A1 (Oronzio de Nora) known.
  • the object of the present invention has thus been to provide an electrolysis cell which operates according to the two-chamber method and is free of the disadvantages described above.
  • the hydrostatic pressure of the anode side on the cathode side should be compensated.
  • the components used should be easy to manufacture, assemble and exchange.
  • the invention relates to an electrolytic cell comprising an anode chamber with an anode and a cathode gas chamber with a gas diffusion cathode, which are separated from each other by an ion exchange membrane, and a metallic elastic element which is clamped under compression between the rear wall of the cathode gas chamber and the gas diffusion cathode, wherein said elastic element is clamped in the cathode gas space, that the distance between the element and the rear wall in the direction of gravity increases.
  • the contact pressure which the elastic element exerts on the gas diffusion cathode in the direction of gravity increases from approximately 1 kPa to 20 kPa and in particular from approximately 10 kPa to 18 kPa. It has proved to be particularly advantageous if the difference between the contact pressure, the elastic element on the gas diffusion cathode and the hydrostatic pressure in the anode chamber at two opposite points does not exceed a value of about 2 kPa, preferably of 1 kPa. In this way it is ensured that the cathode lies flat against the membrane, but this can not be damaged by excessive pressure.
  • the task described above is solved in full and in an unexpected manner. If the elastic element is clamped as described so that the distance to the rear wall in the direction of gravity, ie generally directed downwards, becomes larger, this means nothing else than that the contact pressure increases in the same way and in this way the hydrostatic pressure profile of the anode chamber depicts and compensates.
  • the object is achieved satisfactorily by the present invention, because the elastic element is, for example, a single mat which is clamped or pressed obliquely into the cathode gas space, so that the distance between the elastic element and the cathode gas rear wall and thus also the contact pressure in the direction of gravity always gets bigger.
  • elastic, normal, unmodified mats can be used as elastic elements, which are clamped in the cell via a carrier element in such a way that the desired pressure compensation takes place.
  • the electrolytic cell is composed of an anode and a cathode compartment containing the two electrodes, which are separated by the ion exchange membrane. As described above, there is the requirement to leave as little space between the electrodes as possible so that no ohmic resistances occur which would lead to a higher electrolysis voltage.
  • Gas diffusion cathodes belong to the gas diffusion electrodes. These are electrodes in which the three aggregate states - solid, liquid and gaseous - are in contact with each other and the solid, electron-conducting catalyst catalyzes an electrochemical reaction between the liquid and the gaseous phase.
  • the solid catalyst - usually a noble or platinum metal - is usually pressed into a porous film having a thickness of about 200 microns. While previously the electrode components were joined together by sintering, gas diffusion electrodes with both hydrophilic and hydrophobic regions are now made using PTFE.
  • PTFE-catalyst mixtures can be prepared by dispersing either water, PTFE and the catalyst, if appropriate in the presence of emulsifiers, or using corresponding dry mixtures of PTFE and catalyst powder.
  • the dispersion route is chosen mainly for polymer electrolyte electrodes. When used in liquid electrolytes, the dry process is more suitable.
  • the electrolyte flows - for example, sodium hydroxide solution or potassium hydroxide solution - in a thin layer between the membrane and the gas diffusion cathode.
  • This thin layer is usually designed as a porous medium;
  • the percolator has a layer thickness of about 0.001 cm to about 0.2 cm.
  • the layer must be made of a hydrophilic material, otherwise it could not fulfill its task.
  • it is required to have high corrosion resistance since it is constantly exposed to high alkalinity and high temperatures (typically 90 ° C).
  • it is a porous material, for example of carbon or a plastic, particularly preferred are carbon fibers, which are formed into a fabric.
  • the so-called "zero gap” technology can be used. This dispenses with a percolator and the membrane lies directly on the gas diffusion cathode.
  • a support can be provided between the gas diffusion cathode and the elastic element, which supports the electrode. This has no immediate significance for the method and the invention, but facilitates the installation of the electrode in the cell and leads to more stability. If the contact surface of the elastic element on the gas diffusion electrode is large enough, it is possible to dispense with such a support. However, if such a carrier is present, it transfers the contact pressure of the elastic element to the cathode, so that it is optionally pressed in contact with the liquid retention layer to the ion exchange membrane.
  • a carrier for example, a metal mesh in question, in which the pore size is about 0.3 to about 3 mm.
  • the carrier also acts as a current collector, which contributes to optimum electrical conductivity in the cell.
  • the support itself is preferably nickel or a corrosion resistant nickel alloy such as Inconel, Hastelloy, Monel or SUS310.
  • the support is coated with gold or, in particular, silver; Also preferably, all contact points at which a current transition occurs, coated with the same material, with a layer thickness of about 1 micron is usually sufficient.
  • the electrolysis cell thus preferably contains a device consisting of 5 layers, namely the anode, the ion exchange membrane, the percolator, the gas diffusion cathode and the cathode support.
  • the elastic members of the present invention may be in the form of spirals, composites, coils or woven, knitted or crocheted mats, sheets, pads or pads. Such components are well known from the above-cited prior art, so that reference is made to their dimensions, configurations and production only by way of reference.
  • the elastic members may comprise an outer tissue and an inner tissue, wherein the inner tissue is in the form of, for example, spirals or coils and has a resilient action, and the outer tissue holds the inner tissue together.
  • the elastic elements are clamped in the cathode gas space via a support element ("support structure"), wherein the support element is designed, for example, in a stepped or planar manner.
  • the elastic element must be made of a material that meets the highest demands on corrosion resistance enough.
  • the elastic element also has the task of deriving the flow from the gas diffusion cathode to the rear wall of the cathode gas chamber.
  • it is made of nickel or one of the above-mentioned nickel alloys. Also coated steel, especially stainless steel can be used.
  • the oxygen required for the electrolysis is passed from the bottom of the gas diffusion cathode into the interior of the cathode gas chamber, which makes it advantageous to form the cathode as slim as possible. It has been found that a cathode depth of about 4 to about 50 mm is sufficient.
  • the typical dimension of an electrolytic cell, consisting of the two chambers, is about one meter in height, which when filled with aqueous saline solution results in a hydrostatic pressure (measured at the bottom of the cell) of about 6 to about 18 kPa.
  • the pressure in the cathode gas chamber is at most 1 to 2 kPa.
  • the invention also includes the use of an electrolytic cell comprising an anode chamber with an anode and a cathode gas chamber with a gas diffusion cathode, which are separated from each other by an ion exchange membrane, and a metallic elastic element, which is under compression between the rear wall of the cathode gas chamber and the gas diffusion cathode is clamped, wherein the elastic element is clamped in the cathode gas space such that the distance between the element and the rear wall in the direction of gravity increases, for performing an electrolysis reaction.
  • the space between the elastic element and the rear wall serves to introduce struts, which fix the elastic element and generate the contact pressure.

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Elektrolysezelle enthaltend eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, die voneinander durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind, sowie einem metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, welche sich dadurch auszeichnet, dass besagtes Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet der Chlor-Alkali-Elektrolyse und betrifft eine verbesserte Elektrolysezelle mit Gasdiffusionskathode und Ionenaustauschermembran sowie ein Verfahren, in dem diese Elektrolysezelle betrieben wird.
    • Stand der Technik
  • Die Chlor-Alkali-Elektrolyse stellt eine der energieintensivsten industriellen Herstellverfahren dar. Konventionell wird dazu wässrige Kochsalzlösung einer Elektrolyse unterworfen, die nach folgender Gleichung abläuft:

             2NaCl + 2H2O → Cl2 + 2 NaOH + H2

  • Obschon die Zersetzungsspannung theoretisch nur bei etwa 2,25 V liegt, benötigt das Verfahren doch eine deutlich höhere Betriebsspannung von etwa 3 V, was insbesondere auf ohmsche Potentialverluste und die Überspannung an den Elektroden zurückzuführen ist.
  • Verbesserungen im Umfeld der Chlor-Alkali-Elektrolyse zielen daher regelmäßig darauf ab, den Stromverbrauch zu reduzieren. Durchgesetzt hat sich dabei ein Verfahren, bei dem eine wässrige Kochsalzlösung in Gegenwart von Sauerstoff zu Chlor und Natronlauge umgesetzt wird:

             2 NaCl + 0,5 O2 + H2O → Cl2 + 2 NaOH

  • Das Verfahren kommt mit einer wesentlich niedrigeren Zersetzungsspannung von etwa 1,14 V aus. Berücksichtigt man auch hier Spannungsverluste und Überspannung, dann reicht eine Betriebsspannung von 2 V aus, was gegenüber dem klassischen Verfahren zu einer Energieeinsparung von rund 30 % führt.
  • Wie beispielsweise aus der Patentschrift US 6,117,286 B (Permelec) bekannt ist, wird die Elektrolyse heute üblicherweise nach dem Zweikammer-Verfahren durchgeführt: In der Anodenkammer befindet sich eine Metallanode, die von der Kathodenkammer durch eine Ionenaustauschmembran getrennt ist. Die Kathode, die sich in der Kathodenkammer befindet, stellt eine Gasdiffusionskathode dar. Diese Anordnung ist von besonderem Vorteil, weil Anode, Membran und Kathode in unmittelbaren Kontakt gebracht werden können, was den Widerstand erniedrigt und somit wiederum die Energieeffizienz der Elektrolyse verbessert.
  • Eine wesentliche Anforderung besteht jedoch darin, dass Anode und Kathode über die gesamte Ausdehnung der Elektrodenfläche eng an der Ionenaustauschermembran anliegen. Das ist allerdings nicht trivial, denn während die Anodenkammer mit wässriger Kochsalzlösung gefüllt ist, die einen Druck von etwa 6 bis 18 kPa auf die Membran ausübt, liegt der Druck in der Kathodengaskammer mit 1 bis 2 kPa deutlich niedriger. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde die Membran also in Richtung der Kathodengaskammer "eingedellt" und es damit unmöglich machen, dass die Kathode wie erforderlich eng an der Membran anliegt. Diesem Problem wird in der Technik bereits in unterschiedlicher Weise Rechnung getragen. Eine technologische Lösung besteht darin, den Kathodengasraum zu segmentieren und diese Kammern zur Durchleitung des Elektrolyten kaskadenartig über Fallschächte zu verbinden. Stellvertretend für den umfangreichen Stand der Technik, der diese so genannten "Gas Pockets" umfasst, sei auf die EP 0872578 B1 (Bayer) verwiesen.
  • Einen ganz anderen Lösungsansatz verfolgt man im Rahmen der Technologie, bei der man flexible metallische Polster in den Kathodengasraum einbringt und so zwischen Rückwand und Kathode einspannt, dass sie eine Kraft auf die Kathode ausüben und diese dicht an die Membran anpressen. Auf diese Weise können keine Spannungsverluste auftreten. Durch die mechanische Kraft dieser Polster wird also die Druckdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenkammer ausgeglichen.
  • Eine solche Vorrichtung in Form einer flexiblen Matte ist beispielsweise aus den Druckschriften EP 0050373 A1 und EP 0124125 A1 (Oronzio de Nora) bekannt.
  • Zur Stabilisierung sowohl von Anode und Kathode werden in der DE 10138214 A1 (Bayer) flexible Federn vorgeschlagen, die die Elektroden eng an die Ionenaustauschmembran anpressen; eine ähnliche Vorrichtung ist auch aus der US 5,676,808 B (Permelac) bekannt.
  • Spiralförmige Polster, die die Gasdiffusionskathode gegen die Membran pressen, werden in der JP 2004 300554 A1 (Tosoh) vorgeschlagen.
  • Eine alternative Lösung wird in der JP 2003 041388 A1 (ASFPONC) verfolgt: dort erfolgt der Andruck durch ein metallisches Zickzackprofil, das in den Kathodengasraum eingebaut wird.
  • Bei dieser Ausführung der Elektrolysezelle kommt es jedoch zu einem weiteren Problem: die Physik bedingt nämlich, dass der hydrostatische Druck in der Anodenkammer in Richtung der Schwerkraft nicht konstant ist, sondern ansteigt. Es wäre daher wünschenswert und im Sinne der zu lösenden Aufgabe auch völlig ausreichend, wenn der Druck, den die elastischen Einbauten ausüben, sich dem hydrostatischen Druck anpasst, d.h. in Richtung der Schwerkraft ansteigt. Dies ist mit herkömmlichen Einbauten bislang nicht der Fall, vielmehr arbeitet man über die gesamte Höhe des Kathodengasraumes mit einem Anpressdruck, der im Wesentlichen darauf gerichtet ist, den höchsten Druck am Boden des Gasraumes auszugleichen. Dies kann dazu führen, dass im oberen Teil des Gasraumes, wo ein geringerer Anpressdruck ausreichen würde, der hydrostatische Druck der Anodenseite nicht nur ausgeglichen, sondern überkompensiert wird, was dazu führen kann, dass die empfindliche lonenaustauschmembran beschädigt wird.
  • Aus der EP 1882758 A1 (Toagosei) ist eine Elektrolysezelle bekannt, die diesem Problem Rechnung trägt. Dabei erfolgt die elastische Druckübertragung zwar wie aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt mit Hilfe von Spiralen oder gewebten Matten aus Nickel oder widerstandsfähigen Nickellegierungen. Dabei nimmt bei den Spiralen die Wicklungszahl, bei den Matten die Zahl übereinander liegenden Schichten von oben nach unten schrittweise zu, so dass am Ende ein Druckprofil vorliegt, das dem in gleicher Richtung ansteigenden hydrostatischen Druck auf der Anodenseite zumindest ähnlich ist. Die Lösung ist jedoch technisch von Nachteil, da die Bauteile sehr aufwendig herzustellen sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat somit darin bestanden, eine Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, die nach dem Zweikammer-Verfahren arbeitet und frei von den eingangs geschilderten Nachteilen ist. Insbesondere sollte der hydrostatische Druck der Anodenseite auf der Kathodenseite kompensierbar sein. Gleichzeitig sollten die dazu verwendeten Bauteile einfach in Herstellung, Montage und Austausch sein.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Elektrolysezelle enthaltend eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, die voneinander durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind, sowie einem metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, wobei das besagte Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steigt der Anpressdruck, den das Elastikelement in Schwerkraftrichtung auf die Gasdiffusionskathode ausübt, von etwa 1 kPa auf 20 kPa und insbesondere von etwa 10 kPa auf 18 kPa an. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Differenz zwischen dem Anpressdruck, den das Elastikelement auf die Gasdiffusionskathode und dem hydrostatische Druck in der Anodenkammer an jeweils zwei gegenüberliegenden Punkten einen Wert von etwa 2 kPa, vorzugsweise von 1 kPa nicht übersteigt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Kathode flach an der Membran anliegt, diese aber durch zu hohen Druck nicht beschädigt werden kann.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die eingangs beschriebene Aufgabenstellung voll umfänglich und in unerwarteter Weise gelöst. Wird das Elastikelement nämlich wie beschrieben so eingespannt, dass der Abstand zur Rückwand in Schwerkraftrichtung, d.h. in aller Regel nach unten gerichtet, größer wird, bedeutet dies nichts anderes, als dass der Anpressdruck in gleicher Weise steigt und auf diese Weise das hydrostatische Druckprofil der Anodenkammer abbildet und ausgleicht. Die Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung zufriedenstellend gelöst, denn bei dem Elastikelement handelt es sich beispielsweise um eine einzelne Matte, die schräg in den Kathodengasraum eingespannt bzw. verpresst wird, so dass der Abstand zwischen Elastikelement und Kathodengasrückwand und somit auch der Anpressdruck in Schwerkraftrichtung immer größer wird. Es handelt sich also um ein einzelnes Element, das wesentlich leichter herzustellen, zu montieren und auszutauschen ist, als die komplexen Spiral- und Matteneinbauten, die aus der EP 1882758 A1 bekannt sind. Insbesondere können im Sinne der Erfindung als Elastikelemente normale, unmodifizierte Matten eingesetzt werden, die über ein Trägerelement so in die Zelle eingespannt werden, dass es zu dem gewünschten Druckausgleich kommt.
    • Aufbau der Elektrolysezelle
  • Die Elektrolysezelle setzt sich aus einem Anoden- und einem Kathodenraum zusammen, der die beiden Elektroden enthält, welche durch die Ionenaustauschmembran voneinander getrennt werden. Dabei besteht wie eingangs beschrieben, die Anforderung, zwischen den Elektroden möglichst wenig Abstand zu belassen, damit keine ohmschen Widerstände auftreten, die zu einer höheren Elektrolysespannung führen würden.
    • A. Gasdiffusionskathode
  • Während die Natur der Anode von eher untergeordneter Bedeutung ist, ist die Ausgestaltung der Kathode als Gasdiffusionskathode von besonderer Wichtigkeit. Gasdiffusionskathoden gehören zu den Gasdiffusionselektroden. Hierunter versteht man Elektroden, in denen die drei Aggregatzustände- fest, flüssig und gasförmig - miteinander in Kontakt stehen und der feste, Elektronen leitende Katalysator eine elektrochemische Reaktion zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase katalysiert. Der feste Katalysator - in der Regel ein Edel- oder Platinmetall - ist dabei üblicherweise zu einer porösen Folie mit einer Dicke von etwa 200 µm verpresst. Während früher die Elektrodenbestandteile durch Sintern miteinander verbunden wurden, werden heute Gasdiffusionselektroden mit sowohl hydrophilen als auch hydrophoben Bereichen unter Einsatz von PTFE hergestellt. Für das Porensystem bedeutet dies, dass an den Stellen mit hohem PTFE Anteil kein Elektrolyt eindringen kann, jedoch dafür an Stellen mit niedrigem PTFE-Anteil. Selbstverständlich darf in diesem Fall der Katalysator selbst nicht auch noch hydrophoben Charakter haben. Derartige PTFE-Katalysator-Mischungen lassen sich herstellen, indem man entweder Wasser, PTFE und den Katalysator gegebenenfalls in Gegenwart von Emulgatoren dispergiert oder entsprechende Trockenmischungen aus PTFE- und Katalysatorpulver verwendet. Die Dispersionsroute wird hauptsächlich für Elektroden mit polymerem Elektrolyten gewählt. Bei Einsatz in flüssigen Elektrolyten ist das Trockenverfahren geeigneter. Zwar kann bei der Dispersionsroute durch Verdampfen des Wassers und Sintern des PTFE's bei 340 °C auf ein mechanisches Verpressen verzichtet werden. Dadurch werden diese Elektroden sehr offenporig. Aber auf der anderen Seite können bei falschen Trocknungsbedingungen schnell Risse in der Elektrode entstehen, durch die flüssiger Elektrolyt dringen kann.
    • B. Percolator
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung strömt der Elektrolyt - beispielsweise Natronlauge oder Kalilauge - in einer dünnen Schicht zwischen der Membran und der Gasdiffusionskathode. Diese dünne Schicht ist in der Regel als poröses Medium ausgelegt; man spricht in diesem Zusamenhang von der Percolatortechnologie. Vorzugsweise besitzt der Percolator eine Schichtdicke von etwa 0,001 cm bis etwa 0,2 cm. Die Schicht muss aus einem hydrophilen Material bestehen, da sie andernfalls ihre Aufgabe nicht erfüllen könnte. Außerdem ist es erforderlich, dass sie eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist, da sie permanent hoher Alkalität und hohen Temperaturen (typisch 90 °C) ausgesetzt ist. Vorzugsweise handelt es sich um ein poröses Material, beispielsweise aus Kohlenstoff oder einem Kunststoff, insbesondere bevorzugt sind Kohlenstoffasern, die zu einem Gewebe geformt sind.
  • Alternativ kann auch die so genannte "Zero Gap" Technologie eingesetzt werden. Dabei verzichtet man auf einen Percolator und die Membran liegt direkt auf der Gasdiffusionskathode auf. Man spricht hier auch von einer abstandsfreien Zellengeometrie.
    • C. Elektrodenträger
  • Zwischen der Gasdiffusionskathode und dem Elastikelement kann des Weiteren ein Träger vorgesehen sein, der die Elektrode aufnimmt. Dieser hat für das Verfahren und die Erfindung keine unmittelbare Bedeutung, erleichtert jedoch den Einbau der Elektrode in die Zelle und führt zu mehr Stabilität. Ist die Auflagefläche des Elastikelementes auf die Gasdiffusionselektrode groß genug, so kann auf einen solchen Träger verzichtet werden. Ist ein solcher Träger jedoch vorhanden, so überträgt er den Anpressdruck des Elastikelementes auf die Kathode, so dass diese gegebenenfalls im Kontakt mit der Flüssigkeitsrückhalteschicht an die Ionenaustauschmembran gepresst wird. Als Träger kommt beispielsweise ein Metallgeflecht in Frage, bei dem die Porenweite etwa 0,3 bis etwa 3 mm beträgt. Diese bevorzugten Abmessungen ergeben sich daraus, dass bei größeren Durchmessern die Trägerfunktion verloren geht und bei kleinerer Porenweite das Gas am Durchströmen gehindert wird.
  • Der Träger wirkt des Weiteren als Stromkollektor, was zu einer optimalen elektrischen Leitfähigkeit in der Zelle beiträgt. Der Träger selbst besteht vorzugsweise aus Nickel oder einer korrosionsbeständigen Nickellegierung, wie beispielsweise Inconel, Hastelloy, Monel oder SUS310. Vorzugsweise ist der Träger mit Gold oder insbesondere Silber beschichtet; ebenfalls vorzugsweise sind alle Kontaktpunkte, an denen ein Stromübergang stattfindet, mit dem gleichen Material beschichtet, wobei eine Schichtdicke von etwa 1 µm in der Regel ausreichend ist.
  • Die Elektrolysezelle enthält somit vorzugsweise eine Vorrichtung, die aus 5 Schichten besteht, nämlich der Anode, der Ionenaustauschmembran, dem Percolator, der Gasdiffusionskathode sowie dem Kathodenträger.
    • Elastikelemente
  • Die Elastikelemente der vorliegenden Erfindung können die Form von Spiralen, Verbünden, Wicklungen oder gewebten, gestrickten oder gehäkelten Matten, Bahnen, Kissen oder Polstern besitzen. Derartige Bauteile sind aus dem eingangs referierten Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass auf deren Abmessungen, Ausgestaltungen und Herstellung nur im Wege des Verweises Bezug genommen wird.
  • Die Elastikelemente können ein äußeres Gewebe und ein inneres Gewebe aufweisen, wobei das innere Gewebe die Form von beispielsweise Spiralen oder Wicklungen aufweist und eine federnde Wirkung hat, und das äußere Gewebe das innere Gewebe zusammenhält. Vorzugsweise werden die Elastikelemente über ein Trägerelement ("Support Structure") in den Kathodengasraum eingespannt, wobei das Trägerelement beispielsweise stufenförmig oder flächig ausgebildet ist.
  • Wie schon eingangs erwähnt, herrschen in der Kathodengaskammer hohe Sauerstoffkonzentration, Wasserdampf und basischer Sodanebel. Berücksichtigt man dazu noch die hohen Temperaturen von etwa 90 °C, dann wird sofort klar, dass das Elastikelement aus einem Material gefertigt sein muss, dass höchsten Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit genügt. Das Elastikelement hat ferner die Aufgabe, den Strom von der Gasdiffusionskathode zur Rückwand der Kathodengaskammer abzuleiten. Vorzugsweise besteht es daher aus Nickel oder einer der oben erwähnten Nickellegierungen. Auch beschichteter Stahl, speziell Edelstahl kann eingesetzt werden.
  • Der für die Elektrolyse benötigte Sauerstoff wird vom Boden der Gasdiffusionskathode in das Innere der Kathodengaskammer geleitet, was es vorteilhaft macht, die Kathode möglichst schlank auszubilden. Es hat sich dabei erwiesen, dass eine Kathodenbautiefe von etwa 4 bis etwa 50 mm ausreichend ist.
  • Die typische Abmessung einer Elektrolysezelle, bestehend aus den zwei Kammern, beträgt in der Höhe etwa einen Meter, was bei Befüllung mit wässriger Kochsalzlösung zu einem hydrostatischen Druck (gemessen am Boden der Zelle) von etwa 6 bis etwa 18 kPa führt. Im Gegensatz dazu beträgt der Druck in der Kathodengaskammer maximal 1 bis 2 kPa. Somit wird die Anpresskraft durch Variation des Anstellwinkels des Elastikelementes so eingestellt, dass ein Druck zwischen 12 und 20 kPa erreicht wird.
    • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein erstes Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse, welches in einer Elektrolysezelle durchgeführt wird, enthaltend
    • (a) eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, wobei die beiden Elektroden voneinander durch eine lonenaustauschmembran getrennt sind, und
    • (b) ein metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist,
      und welches sich dadurch auszeichnet, dass besagtes Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, so dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt.
      Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren ist auf die Herstellung von Chlor gerichtet, bei dem man wässrige Kochsalzlösung zusammen mit Sauerstoff in einer Elektrolysezelle einer Elektrolyse unterwirft, wobei die Zelle
    • (a) eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode enthält, und die beiden Elektroden voneinander durch eine lonenaustauschmembran getrennt sind,
    • (b) mit einem metallischen Elastikelement ausgestattet ist, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, und
    • (c) das Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt.
  • Schließlich umfasst die Erfindung auch noch die Verwendung einer Elektrolysezelle enthaltend eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, die voneinander durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind, sowie einem metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, wobei das Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt, zur Durchführung einer Elektrolysereaktion.
    • Beispiele
  • Die Erfindung wird durch die Ausführungsform nach Abbildung 1 näher erläutert, ohne sie darauf einzuschränken.
  • Abbildung 1 gibt den Aufriss einer Elektrolysezelle, die nach dem Zweikammer-Verfahren arbeitet wieder. Die Bezugszeichen haben dabei die folgende Bedeutung:
    • 1
    Elektrolysezelle
    2
    Anodenkammer
    3
    Anode
    4
    Ionenaustauschermembran
    5
    Percolator
    6
    Gasdiffusionskathode
    7
    Elastikelement
    8
    Trägerstruktur ("Support Structure")
    9
    Raum zwischen Elastikelement und Rückwand
    10
    Rückwand
  • Nicht wieder gegeben sind Elemente der Elektrolysezelle, die zwar für die Durchführung des Verfahrens (z.B. Sauerstoffverteiler etc.), nicht aber für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind.
  • Aus der Abbildung geht noch einmal deutlich hervor, dass durch den Einbau des Elastikelements in geneigter Bauweise der Abstand zur Rückwand in Schwerkraftrichtung, also hier von oben nach unten, zunimmt. In gleicher Richtung wird der steigende hydrostatische Druck auf der Anodenseite ausgeglichen, wobei durch Variation des Neigungswinkel das Druckgefälle gesteuert und den individuellen Druckverhältnissen in der Zelle angepasst werden kann.
  • Der Raum zwischen dem Elastikelement und der Rückwand dient dazu, Verstrebungen einzuführen, die das Elastikelement fixieren und den Anpressdruck erzeugen.

Claims (13)

  1. Elektrolysezelle enthaltend eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, die voneinander durch eine lonenaustauschmembran getrennt sind, sowie einem metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt.
  2. Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpressdruck, von etwa 1 kPa auf etwa 20 kPa ansteigt.
  3. Elektrolysezelle nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem Anpressdruck, den das Elastikelement auf die Gasdiffusionskathode und dem hydrostatische Druck in der Anodenkammer an jeweils zwei gegenüberliegenden Punkten einen Wert von etwa 2 kPa nicht übersteigt.
  4. Elektrolysezelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Gasdiffusionskathode und Ionenaustauschmembran ein Percolator vorgesehen ist.
  5. Elektrolysezelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastikelemente die Form von Spiralen, Verbünden oder Wicklungen besitzen.
  6. Elektrolysezelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis , dadurch gekennzeichnet, dass die Elastikelemente die Form von gewebten, gestrickten oder gehäkelten Matten, Bahnen, Kissen oder Polstern besitzen.
  7. Elektrolysezelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastikelemente aus Nickel oder einer korrosionsbeständigen Nickellegierung bestehen.
  8. Elektrolysezelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastikelemente ein äußeres Gewebe und ein inneres Gewebe aufweisen, wobei das innere Gewebe die Form von beispielsweise Spiralen oder Wicklungen aufweist und eine federnde Wirkung hat, und das äußere Gewebe das innere Gewebe zusammenhält.
  9. Elektrolysezelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastikelemente über ein Trägerelement ("Support Structure") in den Kathodengasraum eingespannt ist.
  10. Elektrolysezelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement stufenförmig oder flächig ausgebildet ist.
  11. Verfahren zur Durchführung einer Elektrolyse, welches in einer Elektrolysezelle durchgeführt wird, enthaltend
    (a) eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, wobei die beiden Elektroden voneinander durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind, und
    (b) ein metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, so dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt.
  12. Verfahren zur Herstellung von Chlor, bei dem man wässrige Kochsalzlösung zusammen mit Sauerstoff in einer Elektrolysezelle einer Elektrolyse unterwirft, wobei die Zelle
    (a) eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode enthält, und die beiden Elektroden voneinander durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind,
    (b) mit einem metallischen Elastikelement ausgestattet ist, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, und
    (c) das Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zunimmt.
  13. Verwendung einer Elektrolysezelle enthaltend eine Anodenkammer mit einer Anode und eine Kathodengaskammer mit einer Gasdiffusionskathode, die voneinander durch eine Ionenaustauschmembran getrennt sind, sowie einem metallischen Elastikelement, das unter Kompression zwischen der Rückwand der Kathodengaskammer und der Gasdiffusionskathode eingespannt ist, wobei das Elastikelement so in den Kathodengasraum eingespannt ist, dass der Abstand zwischen dem Element und der Rückwand in Schwerkraftrichtung zunimmt, zur Durchführung einer Elektrolysereaktion.
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