WO2003035936A2 - Electrochemical half cell - Google Patents

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B15/00—Operating or servicing cells
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical half cell with a gas diffusion electrode, which is particularly suitable for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of alkali metal chloride.
  • Alkali chloride solutions in which a gas diffusion electrode is used as an oxygen consumable cathode.
  • Oxygen, oxygen-enriched air or air is introduced into the gas space, with high specific current densities of 2-8 kA / m 2 and electrode areas of 2.5 m 2 requiring oxygen quantities of more than 8 m 3 / h.
  • pure oxygen instead of pure oxygen, only with
  • the object of the present invention is to provide an electrochemical half cell, in which high pressures on the gas diffusion electrode through the inflowing gas, and thus damage to the gas diffusion electrode, can be avoided.
  • the invention relates to an electrochemical half-cell, in particular for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of an alkali metal chloride, with an electrode space for receiving an electrolyte, the electrode space having an electrolyte feed and an electrolyte discharge, and several gas pockets for holding gas, the lowest gas pocket is provided with a gas supply, a connecting channel connecting two gas pockets to one another, through which the gas emerging from an outlet opening of a lower gas pocket flows via an inlet opening into a gas pocket lying above it, a gas diffusion electrode separating the electrode space from the gas pockets, in each gas pocket in front of the Gas supply one
  • Deflection unit is provided.
  • the deflection unit prevents the gas entering the gas pocket at high flow velocities, in particular flow velocities greater than 14 m / s, from not damaging the gas diffusion electrode.
  • the deflection unit is a flat structure, in particular an impact plate, which is arranged essentially parallel to the gas diffusion electrode.
  • the baffle plate is thus between the gas diffusion electrode and the gas inlet opening.
  • the area of the fabric is 1.1 to 2.5 times the cross-sectional area of the gas inlet opening.
  • the gas inlet openings are preferably smaller than 1.6 cm 2 . At flow velocities at the inlet opening of greater than 14 m / s, the flow velocity of the gas can be measured with a flat structure of this surface
  • Edge of the fabric can be reduced to 1.5 to 8 m / s.
  • the flow velocity is thus reduced to such an extent that the gas diffusion electrode is not damaged even in long-term operation.
  • the fabric can have any shape, regular or irregular. For example, be square, rectangular or round.
  • the deflection unit consists of a metal which is inert under the reaction conditions, preferably nickel, or plastic, for example Teflon.
  • the deflection unit can be fastened by welding or by detachable connections, in particular clamp connections, in the gastase area, for example on the rear wall of the half cell.
  • a baffle plate as a deflection unit can e.g. can be welded to the rear wall by means of webs.
  • an attachment with one or more lateral outlet openings can be used on the gas inlet opening.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through the half-cell according to the invention parallel to the gas diffusion electrode
  • the electrochemical half cell has an electrode space 10, into which electrolyte is supplied via a filler neck 12 or the like.
  • the electrolyte also reaches the rear space 14 via corresponding connections
  • Half cell is separated from another half cell via an ion exchange membrane 16.
  • the gas space is divided into a plurality of gas pockets 18, 20, 22, 24 arranged one above the other.
  • a gas diffusion electrode 36 separates the gas space from the electrode space 10.
  • the individual gas pockets are connected to one another via connecting channels 26, which are, for example, gas bells.
  • the gas present in the gas pockets 18, 20, 22, 24 flows through the outlet openings 28 into the connecting channels 26 and out of these through inlet openings 30 into the gas pocket lying above.
  • the direction of flow of the gas for example oxygen, is shown in FIG. 1 by the dashed arrows 32.
  • the lowest gas pocket 18 is connected to a gas supply device, for example, via a supply nozzle 34, and the upper gas pocket 24 has, for example, a nozzle 11 for gas discharge. Condensate forming in the gas pockets also reaches the rear space 14 via the gas outlets 28 of the gas pockets 18, 20, 22, 24.
  • the distance between the gas pocket rear wall 38 and the baffle plate 46 is a maximum of 3 mm, since the gas pocket is only 5 mm deep and the baffle plate has a thickness of 0.5 mm, and at the same time the distance between the baffle plate and the gas diffusion electrode is at least 1.5 mm should be.
  • the inflowing gas is deflected by the baffle plate in a flow direction parallel to the gas diffusion electrode.
  • the surface of the baffle plate is selected so that the gas at the edge of the baffle plate does not exceed a flow speed of 10 m / s.

Abstract

The invention relates to an electrochemical half cell at least comprised of: an electrode space for accommodating an electrolyte; a gas space that forms a number of gas pockets and provided for accommodating gas; a gas connecting channel, which connects two superimposed gas pockets to one another and via which the gas exiting the lower gas pocket flows into the upper gas pocket via an inlet opening, and; a gas diffusion electrode that separates the electrode space from the gas pockets, whereby a diverting unit is provided inside each of the gas pockets in front of the gas inlet opening.

Description

Elektrochemische HalbzelleElectrochemical half cell
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Halbzelle mit einer Gasdiffu- sionselektrode, die insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Alkalichlorid geeignet ist.The invention relates to an electrochemical half cell with a gas diffusion electrode, which is particularly suitable for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of alkali metal chloride.
Für Elektrolyseprozesse mit Gasdiffusionselektroden als Aiiode oder Kathode werden bedingt durch hohe spezifische Elektrodenstromdichten große Mengen Gas benötigt. Bekannt ist beispielsweise aus DE 19 622 744 die Elektrolyse wässrigerFor electrolysis processes with gas diffusion electrodes as an aiode or cathode, large amounts of gas are required due to the high specific electrode current densities. For example, from DE 19 622 744 the aqueous electrolysis is known
Alkalichloridlösungen, bei der eine Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffverzehrkathode eingesetzt wird. Dabei wird Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Luft in den Gasraum eingeleitet, wobei bei hohen spezifischen Stromdichten von 2-8 kA/m2 und Elektrodenflächen on 2,5 m2 Sauerstoffmengen von mehr als 8 m3/h benötigt werden. Wird anstelle von reinem Sauerstoff nur mitAlkali chloride solutions, in which a gas diffusion electrode is used as an oxygen consumable cathode. Oxygen, oxygen-enriched air or air is introduced into the gas space, with high specific current densities of 2-8 kA / m 2 and electrode areas of 2.5 m 2 requiring oxygen quantities of more than 8 m 3 / h. Instead of pure oxygen, only with
Sauerstoff angereicherte Luft oder gar Luft verwendet, erhöht sich der Volumenstrom des benötigten Gases entsprechend. Bei relativ kleinen Gaseintritts- öffhungen im Bereich von kleiner als 2 cm2 treten infolgedessen hohe Strömungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 m/s und mehr auf. Befinden sich die Gaseintrittsöffiiungen insbesondere an der Rückwand, d.h. an der derIf oxygen-enriched air or even air is used, the volume flow of the required gas increases accordingly. As a result, with relatively small gas inlet openings in the range of less than 2 cm 2 , high flow velocities in the order of magnitude of 10 m / s and more occur. Are the gas inlet openings in particular on the rear wall, ie on the
Gasdiffusionselektrode gegenüberliegenden Seite, des Gasraumes, wie in DE 19 622 744 beschrieben, verursachen die hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Gaseinlassöffhung aufgrund der geringen Bautiefe der Gastaschen hohe Drücke auf die Gasdiffusionselektrode, wodurch diese mechanisch stark beansprucht wird. Infolge der starken Beanspruchung kann beispielsweise Sauerstoff durch dieGas diffusion electrode opposite side of the gas space, as described in DE 19 622 744, the high flow velocities in the area of the gas inlet opening cause high pressures on the gas diffusion electrode due to the shallow depth of the gas pockets, which places a high mechanical stress on the latter. As a result of the heavy stress, for example, oxygen can pass through
Gasdiffusionselektrode hindurchtreten oder Katalysatormasse aus dem Trägermaterial herausgedrückt werden.Push the gas diffusion electrode through or press the catalyst mass out of the carrier material.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrochemische Halbzelle zur Verfügung zu stellen, bei der hohe Drücke auf die Gasdiffusionselektrode durch das einströmende Gas, und damit eine Beschädigung der Gasdiffusionselektrode, vermieden werden.The object of the present invention is to provide an electrochemical half cell, in which high pressures on the gas diffusion electrode through the inflowing gas, and thus damage to the gas diffusion electrode, can be avoided.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved by the features of claim 1.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrochemische Halbzelle, insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, mit einem Elektrodenraum zur Aufnahme eines Elektrolyten, wobei der Elektrodenraum eine Elektrolytzuführung und eine Elektrolytabführung aufweist, sowie mehreren Gastaschen zur Aufhahme von Gas, wobei die unterste Gastasche mit einer Gaszuführung versehen ist, einem zwei Gastaschen miteinander verbindenden Verbindungskanal, durch den das aus einer Auslassöffhung austretende Gas einer unteren Gastasche über eine Einlassöffnung in eine darüber liegende Gastasche strömt, einer den Elektrodenraum von den Gastaschen' trennenden Gasdiffusionselektrode, wobei in jeder Gastasche vor der Gaszuführung eineThe invention relates to an electrochemical half-cell, in particular for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of an alkali metal chloride, with an electrode space for receiving an electrolyte, the electrode space having an electrolyte feed and an electrolyte discharge, and several gas pockets for holding gas, the lowest gas pocket is provided with a gas supply, a connecting channel connecting two gas pockets to one another, through which the gas emerging from an outlet opening of a lower gas pocket flows via an inlet opening into a gas pocket lying above it, a gas diffusion electrode separating the electrode space from the gas pockets, in each gas pocket in front of the Gas supply one
Umlenkeinheit vorgesehen ist.Deflection unit is provided.
Die Umlenkeinheit verhindert, dass das unter hohen Strömungsgeschwindigkeiten, insbesondere Strömungsgeschwindigkeiten von größer als 14 m/s, in die Gastasche eintretende Gas die Gasdiffusionselektrode nicht beschädigt.The deflection unit prevents the gas entering the gas pocket at high flow velocities, in particular flow velocities greater than 14 m / s, from not damaging the gas diffusion electrode.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Umlenkeinheit ein Flächengebilde, insbesondere eine Prallplatte, welche im Wesentlichen parallel zur Gasdiffusionselektrode angeordnet ist. Die Prallplatte befindet sich somit zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Gaseintrittsöffhung. Insbesondere wenn die Gaszuführung an der Rückwand der Gastasche, also an der der Gasdiffusionselektrode gegenüberliegenden Wand der Gastasche, angebracht ist, wird das senkrecht zur Gasdiffusionselektrode einströmende Gas durch die Prallplatte um im Wesentlichen 90° umgelenkt. In einer, besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die Fläche des Flächengebildes das 1,1- bis 2,5-fache der Querschnittsfläche der Gaseintritts- öffhung. Die Gaseintrittsöffiiungen sind vorzugsweise kleiner als 1,6 cm2. Bei Strömungsgeschwindigkeiten an der Eintrittsöffiiung von größer als 14 m/s kann mit einem Flächengebilde dieser Fläche die Strömungsgeschwindigkeit des Gases amIn a preferred embodiment, the deflection unit is a flat structure, in particular an impact plate, which is arranged essentially parallel to the gas diffusion electrode. The baffle plate is thus between the gas diffusion electrode and the gas inlet opening. In particular if the gas supply is attached to the rear wall of the gas pocket, that is to say to the wall of the gas pocket opposite the gas diffusion electrode, the gas flowing in perpendicular to the gas diffusion electrode is deflected by the baffle plate by essentially 90 °. In a particularly preferred embodiment, the area of the fabric is 1.1 to 2.5 times the cross-sectional area of the gas inlet opening. The gas inlet openings are preferably smaller than 1.6 cm 2 . At flow velocities at the inlet opening of greater than 14 m / s, the flow velocity of the gas can be measured with a flat structure of this surface
Rande des Flächengebildes auf 1,5 bis 8 m/s reduziert werden. Damit ist die Strömungsgeschwindigkeit so weit herabgesetzt, dass die Gasdiffusionselektrode auch im Langzeitbetrieb nicht beschädigt wird.Edge of the fabric can be reduced to 1.5 to 8 m / s. The flow velocity is thus reduced to such an extent that the gas diffusion electrode is not damaged even in long-term operation.
Das Flächengebilde kann eine beliebige, regelmäßige oder unregelmäßige, Form haben. Es kann z.B. quadratisch, rechteckig oder rund sein.The fabric can have any shape, regular or irregular. For example, be square, rectangular or round.
Die Umlenkeinheit besteht aus einem unter den Reaktionsbedingungen inerten Metall, vorzugsweise Nickel, oder Kunststoff, beispielsweise Teflon.The deflection unit consists of a metal which is inert under the reaction conditions, preferably nickel, or plastic, for example Teflon.
Die Umlenkeinheit kann durch Verschweißen oder durch lösbare Verbindungen, insbesondere Klemmverbindungen, in der Gastasehe, beispielsweise an der Rückwand der Halbzelle, befestigt sein. Eine Prallplatte als Umlenkeinheit kann, z.B. mittels Stegen, an der Rückwand angeschweißt werden.The deflection unit can be fastened by welding or by detachable connections, in particular clamp connections, in the gastase area, for example on the rear wall of the half cell. A baffle plate as a deflection unit can e.g. can be welded to the rear wall by means of webs.
Andere Umlenkeinheiten sind möglich. So kann z.B. auf die Gaseintrittsöffhung ein Aufsatz mit einer oder mehreren seitlichen Auslassöffhungen verwendet werden.Other deflection units are possible. For example, an attachment with one or more lateral outlet openings can be used on the gas inlet opening.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Halbzelle parallel zur GasdiffusionselektrodeFig. 1 shows a schematic longitudinal section through the half-cell according to the invention parallel to the gas diffusion electrode
Fig. 2 . einen Ausschnitt aus dem schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A' BeispielFig. 2. a section of the schematic cross section along the line AA ' example
Die elektrochemische Halbzelle weist einen Elektrodenraum 10 auf, in den über einen Einfüllstützen 12 oder dgl. Elektrolyt zugeführt wird. Über entsprechende Verbindungen gelangt der Elektrolyt auch in den Rückraum 14. Die dargestellteThe electrochemical half cell has an electrode space 10, into which electrolyte is supplied via a filler neck 12 or the like. The electrolyte also reaches the rear space 14 via corresponding connections
Halbzelle ist über eine Ionenaustauschermembran 16 von emer weiteren Halbzelle getrennt. Der Gasraum ist in mehrere übereinander angeordnete Gastaschen 18, 20, 22, 24 aufgeteilt. Eine Gasdiffusionselektrode 36 trennt den Gasraum vom Elektrodenraum 10. Die einzelnen Gastaschen sind über Verbindungskanäle 26, bei denen es sich beispielsweise um Gasglocken handelt, miteinander verbunden. Das in den Gastaschen 18,20,22,24 vorhandene Gas strömt über die Auslassöffhungen 28 in die Verbindungskanäle 26 und aus diesen durch Einlassöffnungen 30 in die darüber liegende Gastasche. Die Flussrichtung des Gases, beispielsweise Sauerstoff, ist in Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile 32 dargestellt. Die unterste Gastasche 18 ist bei- spielsweise über einen Zufuhrstutzen 34 mit einer Gaszuführeinrichtung verbunden und die obere Gastasche 24 weist beispielsweise einen Stutzen 11 zur Gasabfuhr auf. Über die Gasauslässe 28 der Gastaschen 18,20,22,24 gelangt auch sich in den Gastaschen bildendes Kondensat in den Rückraum 14.Half cell is separated from another half cell via an ion exchange membrane 16. The gas space is divided into a plurality of gas pockets 18, 20, 22, 24 arranged one above the other. A gas diffusion electrode 36 separates the gas space from the electrode space 10. The individual gas pockets are connected to one another via connecting channels 26, which are, for example, gas bells. The gas present in the gas pockets 18, 20, 22, 24 flows through the outlet openings 28 into the connecting channels 26 and out of these through inlet openings 30 into the gas pocket lying above. The direction of flow of the gas, for example oxygen, is shown in FIG. 1 by the dashed arrows 32. The lowest gas pocket 18 is connected to a gas supply device, for example, via a supply nozzle 34, and the upper gas pocket 24 has, for example, a nozzle 11 for gas discharge. Condensate forming in the gas pockets also reaches the rear space 14 via the gas outlets 28 of the gas pockets 18, 20, 22, 24.
Im Bereich der Einlassöffiiungen 30 ist in der Gastasche eine quadratische PrallplatteIn the area of the inlet openings 30 there is a square baffle plate in the gas pocket
46 der Kantenlänge 2 cm an jeder der 4 Ecken über Stege mit der Rückwand verschweißt. Der Abstand zwischen der Gastaschenrückwand 38 und der Prallplatte 46 beträgt maximal 3 mm, da die Gastasche nur eine Tiefe von 5 mm und die Prallplatte eine Dicke von 0,5 mm hat, und gleichzeitig der Abstand zwischen Prall- platte und Gasdiffusionselektrode mindestens 1,5 mm betragen soll. Das einströmende Gas wird durch die Prallplatte in eine Strömungsrichtung parallel zur Gasdiffusionselektrode umgelenkt. Die Fläche der Prallplatte ist so gewählt, dass das Gas am Rande der Prallplatte eine Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s nicht überschreitet. Insgesamt werden bei einer Elektrodenfläche von insgesamt 2,5 m2 und Elektrolysestromdichten von bis zu 6 kA m2 Sauerstoffmengen von bis zu 10m3/h46 of the edge length 2 cm at each of the 4 corners welded to the rear wall via webs. The distance between the gas pocket rear wall 38 and the baffle plate 46 is a maximum of 3 mm, since the gas pocket is only 5 mm deep and the baffle plate has a thickness of 0.5 mm, and at the same time the distance between the baffle plate and the gas diffusion electrode is at least 1.5 mm should be. The inflowing gas is deflected by the baffle plate in a flow direction parallel to the gas diffusion electrode. The surface of the baffle plate is selected so that the gas at the edge of the baffle plate does not exceed a flow speed of 10 m / s. Overall, with an electrode area of 2.5 m 2 in total and electrolysis current densities of up to 6 kA m 2, oxygen amounts of up to 10 m 3 / h
(feucht, 80°C, Überschuss) benötigt. (moist, 80 ° C, excess) required.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrochemische Halbzelle, insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, umfassend wenigstens1. Electrochemical half cell, in particular for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of an alkali metal chloride, comprising at least
einen Elektrodenraum (10) zur Aufnahme eines Elektrolyten, wobei der Elektrodenraum (10) eine Elektrolytzuführung (12) und eine Elektrolytabführung (11) aufweist,an electrode space (10) for receiving an electrolyte, the electrode space (10) having an electrolyte feed (12) and an electrolyte drain (11),
mehrere Gastaschen (18,20,22,24) zur Aufiiahme von Gas, wobei die unterste Gastasche (18) eine Gaszuführung (34) aufweist,a plurality of gas pockets (18, 20, 22, 24) for receiving gas, the bottom gas pocket (18) having a gas supply (34),
einen zwei Gastaschen (20,22) miteinander verbindenden Verbindungskanal (26), durch den das aus einer Auslassöffhung (28) austretende Gas einer unteren Gastasche (20) über eine Einlassöffhung (30) in eine darüber liegende Gastasche (22) strömt,a connecting channel (26) connecting two gas pockets (20, 22), through which the gas of a lower gas pocket (20) emerging from an outlet opening (28) flows via an inlet opening (30) into a gas pocket (22) lying above it,
eine den Elektrodenraum (10) von den Gastaschen (18,20,22,24) trennende Gasdiffusionselektrode (36),a gas diffusion electrode (36) separating the electrode space (10) from the gas pockets (18, 20, 22, 24),
dadurch gekennzeichnet, dass in jeder der Gastaschen (18,20,22,24) vor der Gaseinlassöffhung (30) eine Umlenkeinheit (46) vorgesehen ist.characterized in that a deflection unit (46) is provided in each of the gas pockets (18, 20, 22, 24) in front of the gas inlet opening (30).
2. Elektrochemische Halbzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinheit ein Flächengebilde, insbesondere eine Prallplatte, ist, welches im Wesentlichen parallel zur Gasdiffusionselektrode angeordnet ist.2. Electrochemical half cell according to claim 1, characterized in that the deflection unit is a flat structure, in particular a baffle plate, which is arranged essentially parallel to the gas diffusion electrode.
3. Elektrochemische Halbzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Flächengebildes das 1,1-fache bis 2,5-fache der Querschnittsfläche der Gaseinlassöffhung beträgt 3. Electrochemical half cell according to claim 2, characterized in that the area of the fabric is 1.1 times to 2.5 times the cross-sectional area of the gas inlet opening
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DE10159372A DE10159372A1 (en) 2001-12-04 2001-12-04 Electrochemical half-cell comprises electrode chamber for an electrolyte, gas pockets for receiving gas, connecting channel for connecting two gas pockets, and gas diffusion electrode which separates the chamber from the gas pockets

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