DE10152794A1 - Drainage im Gasraum bei Elektrolyseprozessen - Google Patents

Abstract

Elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode sind so gestaltet, dass das im Gasraum gebildete Wasser bzw. hineingelangte abfließen kann.

Description

• Die Erfindung betrifft Elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode, bei der im Gasraum gebildetes Wasser abfließen kann.
• Der Betrieb von Elektrolyseprozessen mit Gasdiffusionselektroden führt, bedingt durch die poröse Struktur der Elektroden, durch Wassertransport über eine Membran oder aber durch Bildung von Reaktionswasser, in der Regel zu Flüssigkeitsansammlungen im Gasraum.
• Der Einsatz von Gasdiffusionselektroden in unterschiedlichen Elektrolyseprozessen ist bekannt und vielfach beschrieben.
• Im Falle der Alkali-Halogenid-Elektrolyse, bei der die Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffverzehrkathode betrieben wird, ist die Gasdiffusionselektrode eine offenporige Membran. Diese ist zwischen Elektrolyt und Gasraum angeordnet und ermöglicht an der Dreiphasengrenze zwischen Elektrolyt, Katalysator und Sauerstoff eine Sauerstoffreduktion.
• Der Aufbau einer Sauerstoffverzehrkathode ist an sich bekannt. Ein elektrisch leitender Träger zur Stromverteilung, bestehend aus laugefesten Geweben, Drähten oder Filzen aus Silber oder versilbertem Nickel bzw. anderen laugebeständigen Metallen oder Legierungen wird mit einer Katalysator-Trägermasse nach den bekannten Nass- oder Trockenverfahren versehen. (DE A 37 10 168).
• Die Katalysatormasse besteht vorzugsweise aus einem Gemisch aus einem elektrisch leitfähigen Träger, z. B. Vulkanruß oder Acetylenruß, Teflon zur Einstellung der Hydrophobie und Gasdiffusion, und dem Katalysatormaterial selbst, welches z. B. in Form von fein verteiltem, katalytisch aktivem Silber oder Silberoxid untergemischt wird.
• Alternativ kann auch auf den Kohlenstoffruß verzichtet werden, so dass die Elektrodenmatrix nur aus Teflon und Silber/Silberoxid besteht. Hierbei muss jedoch die Silberbeladung so hoch sein, dass es sowohl die Katalysatorfunktion als auch die Elektronenleitung übernimmt.
• Die beschriebene Gasdiffusionselektrode, in der Alkali-Halogenid-Elektrolyse als Sauerstoffverzehrkathode betrieben, ist eine offenporige Membran, angeordnet zwischen Gasraum und Elektrolyt, die an der Dreiphasengrenze zwischen Elektrolyt, Katalysator und Sauerstoff eine Sauerstoffreduktion nahe dem Elektrolyten bewirkt. Eine Stabilisierung dieser Grenzschicht erfolgt durch die Hydrophobie des Elektrodenmaterials.
• Diese Stabilisierung ist jedoch nur bis zu einem endlichen Druckgefälle zwischen Gasseite und Flüssigkeitsseite wirksam.
• Ist der Gasdruck zu hoch, bricht Gas durch die Elektrode und die Funktion ist gestört.
• Ist hingegen der Flüssigkeitsdruck zu hoch, wird zunächst die Dreiphasengrenze in Richtung Gasseite verlagert oder aber es kommt zu einem Flüssigkeitsdurchbruch von Elektrolyt in den Gasraum.
• Bei technischen Elektrolyseuren, die mit einer Druckkompensation versehen sind, sind die Bauhöhen der einzelnen Gastaschen auf ca. 30-40 cm begrenzt, was zu Druckdifferenzen zwischen Gasseite und Flüssigkeitsseite von 0 bis ca. 40 cm Flüssigkeitssäule führt.
• Bei den bekannten Elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode führt sowohl die Eigenporosität als auch die über eine lange Betriebsdauer nachlassende Hydrophobie der Sauerstoffverzehrkathoden in der Alkali-Halogenid- Elektrolyse in der Regel zu einem Flüssigkeitsdurchbruch in den Gasraum. Diese Flüssigkeit wird gemeinsam mit dem überschüssigen Gas, bei der Alkali-Halogenid- Elektrolyse Sauerstoff, nach unten in den Elektrolytraum abgeführt (Druckkompensation). Die Abläufe befinden sich auf gleicher Höhe mit der Unterkante der Sauerstoffverzehrkathode; dies wird in Fig. 1 erläutert.
• Die Anordnung der Gasdiffusionselektrode führt dazu, dass immer eine bestimmte Menge Flüssigkeit im Gasraum verbleibt, der untere Teil der Gasdiffusionselektrode permanent nass ist, was zu einer frühzeitigen Alterung der Elektrode führen kann.
• Zudem ist immer ein Teil der aktiven Oberfläche der Gasdiffusionselektrode abgeschirmt, was eine Reduzierung der aktiven Oberfläche bewirkt.
• Eine Verminderung der Aktivfläche einer Elektrode ist bei gleichem Strom wiederum mit einer höheren lokalen Stromdichte verbunden, was zu Spannungserhöhungen und somit zu höherem spezifischen Energieverbrauch führt.
• Im Falle der Elektrolyse wässriger Lösungen von Chlorwasserstoff mittels handelsüblicher Gasdiffusionselektroden gemäß US 6,149,782 bei denen die Katalysatoren vorzugsweise Edelmetalle wie z. B. Platin oder Rhodium oder deren Verbindungen sind, kann es ebenfalls zu Flüssigkeitsansammlungen im Gasraum kommen.
• Die Bildung dieser Flüssigkeit ist dadurch zu erklären, dass die durch die Membran diffundierenden Protonen an der Sauerstoffverzehrkatode mit Sauerstoff zu Wasser reagieren und parallel dazu noch eine bestimmte Menge Wasser als Hydratwasser mitführen.
• Wird bei ungenügender Abführung dieser Flüssigkeit die Gasdiffusionselektrode benetzt, wird ein unerwünschter Anstieg der Elektrolysespannung sowie die Bildung von Wasserstoff beobachtet.
• Aufgabe der Erfindung war es, die Ableitung der gebildeten Flüssigkeit so zu gestalten, dass am Boden der Gastasche keine Flüssigkeitsansammlung entsteht.
• Es wurden Elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode oder Anode mit einem Gasraum für die Gasdiffusionselektrode, der aus einer oder mehreren Gastaschen bestehen kann, mit einer Gaszufuhr und einer Gas- oder Gas/Flüssigkeitsabführung gefunden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Flüssigkeitsabführung oder gemeinsame Gas/Flüssigkeitsabführung tiefer liegt als die Unterkante der zur Gastasche zeigenden Rückseite der Gasdiffusionselektrode. In den erfindungsgemäßen Elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode erfolgt ein ungestörten Flüssigkeitsablauf im Gasraum; hierdurch wird das Reaktionsverhalten und das Alterungsverhalten der Gasdiffusionselektrode positiv beeinflusst.
• Die vorliegende Erfindung kann durch die Fig. 2 und 3 erläutert werden.
• Fig. 2 zeigt die an einer Haltestruktur befestigte Gasdiffusionselektrode und die Rückwand der Gastasche. Unterhalb der Rückwand befindet sich eine Öffnung zum Abführen von Gas und Flüssigkeit, im wesentlichen Wasser. Die Öffnung ist gegenüber der Unterkante der Gastasche abgesenkt. Die Absenkung beträgt im allgemeinen 0,1 bis 40 mm, bevorzugt 3 bis 10 mm.
• Fig. 3 zeigt als besondere Ausführungsform der Erfindung ebenfalls die an einer Haltestruktur befestigte Gasdiffusionselektrode und die Rückwand der Gastasche. Unterhalb der Rückwand befindet sich ebenfalls eine Öffnung zum Abführen von Gas und Flüssigkeit. In dieser Ausführungsform ist jedoch ist jedoch der obere Teil der Haltestruktur zur Öffnung abgeschrägt. Die Abschrägung hat im allgemeinen einen Winkel von 2 bis 75°, bevorzugt von 10 bis 55°.
• Die Öffnung zum Abführen von Gas und Flüssigkeit ist im allgemeinen mit einem Flüssigkeitsabscheider verbunden, in dem das Gas von der Flüssigkeit getrennt wird.

Claims (3)

1. Elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode oder Anode mit einem Gasraum für die Gasdiffusionselektrode, der aus einer oder mehreren Gastaschen bestehen kann, mit einer Gaszufuhr und einer Gas- oder Gas/Flüssigkeitsabführung, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsabführung oder gemeinsame Gas/Flüssigkeitsabführung tiefer liegt als die Unterkante der zur Gastasche zeigenden Rückseite der Gasdiffusionselektrode.

2. Elektrochemische Halbzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsabführung oder gemeinsame Gas/Flüssigkeitsabführung 0,1 bis 40 mm tiefer liegt als die Unterkante der zur Gastasche zeigenden Rückseite der Gasdiffusionselektrode.

3. Elektrochemische Halbzellen nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Teil der Haltestruktur zur Öffnung mit einem Winkel von 2 bis 75° abgeschrägt ist.