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Die
Erfindung betrifft eine neuartige Gasdiffusionselektrode für
die Sauerstoffreduktion, die bevorzugt bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse
Verwendung findet.
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Die
Reduktion von Sauerstoff mittels elektrochemischer Verfahren und
Vorrichtungen ist ein wesentlicher Prozess etwa bei der Herstellung
von Chlor. Hierbei werden insbesondere Gasdiffusionselektroden zur Reduktion
von Sauerstoff eingesetzt, die allgemein auch unter dem Begriff
der Sauerstoffverzehrkathode bekannt sind.
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In
allgemein bekannten Elektrolysezellen, wird auf der Anodenseite üblicherweise
unter Anlegen einer Spannung Chlorid (aus Natriumchlorid-Lösungen)
zu Chlor gemäß Formel (I) oxidiert, während
auf der Kathodenseite Wasser zu Wasserstoff gemäß Formel
(II) reduziert wird. 2·Cl– → Cl2 +
2·e– E0 =
+1,36 V (I) 2·H2O + 2·e– → 2·OH– + H2 E0 = –0,83 V (II)
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Die
damit mindestens über die Elektrolysezelle anzulegende,
thermodynamische Zersetzungsspannung für die Oxidation
und Reduktion gemäß der Kombination aus Formel
(I) und (II) beträgt dann 2,19 V.
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Wenn
es durch den Einsatz einer Sauerstoffverzehrkathode auf der Kathodenseite
gelingt, die eigentlich unerwünschte Wasserstoffbildung
gemäß Formel (II) zu unterbinden und eine Reaktion
gemäß Formel (III) auszuführen, in der
Sauerstoff elektrochemisch zu Hydroxidionen reduziert wird, O2 + 2·H2O + 4e → 4·OH–;
E0 = +0,4 V (III)kann die über
die Elektrolysezelle anzulegende, thermodynamische Zersetzungsspannung
für die Oxidation und Reduktion gemäß der
Kombination aus Formel (I) und (III) auf 0,96 V reduziert werden.
Somit ist eine Verringerung der notwendigen Zersetzungsspannung
um 1,23 V theoretisch möglich.
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Da
es sich, wie gerade beschrieben, bei den vorgenannten Potentialen
und Reaktionen gemäß der Formeln (I) bis (III)
um thermodynamisch ideale Grenzfälle handelt und somit
auch die vorgenannte über die Elektrolysezelle anzulegende,
thermodynamische Zersetzungsspannung einen thermodynamisch idealen Grenzfall
bildet, der physikochemische Effekte, wie Überspannungen
an Elektrodenoberflächen unberücksichtigt lässt,
sind die vorgenannten 1,23 V eingesparte Spannung nie in realen
Verfahren zu erreichen.
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Jegliche
Einsparungen solcher notwendigen Spannungen führen in großtechnischen
Verfahren zu beträchtlichen Einsparpotentialen hinsichtlich
der den Verfahren zuzuführenden elektrischen Energie, deren Preis
insbesondere in den vergangenen Jahren einem stetigen Zuwachs unterworfen
ist.
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Die
vorgenannten Überspannungen sind zu einem gewissen Anteil
durch die Bauweise der verwendeten Elektroden hervorgerufen, die
etwa unnötige Ohmsche Widerstände hervorrufen.
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So
offenbart die
US 5,733,430 eine
Gasdiffusionselektrode zur Verwendung in der Natriumchloridelektrolyse,
wobei hierbei in einer alkalischen Lösung Sauerstoff vorliegen
kann, der mittels der offenbarten Elektrode reduziert wird. Die
offenbarte Gasdiffusionselektrode besteht aus einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen
Schicht aus Metall, auf deren Oberfläche ein Katalysatormaterial
aufgebracht ist, sowie einem gas- und flüssigkeitsdurchlässigen
Metallkollektor, der mit der gas- und flüssigkeitsdurchlässigen
Schicht aus Metall verbunden ist. Das Katalysatormaterial ist eine
Mischung von Silber und/oder Goldpartikeln, sowie von Partikeln enthaltend
eine Fluorverbindung, um die Hydrophobizität der Oberfläche
zu erhöhen. Die vorgenannte Gas- und Flüssigkeitsdurchlässigkeit
wird gemäß der
US
5,733,430 erreicht, indem die Schicht aus Metall und der Metallkollektor
als poröses Material, wie etwa als Sieb oder Gitter, oder
als Sinterstruktur ausgebildet sind. Für den Metallkollektor
werden hierzu Lochdurchmesser von 1 bis 55 mm offenbart. Metallkollektor
und Schicht aus Metall sind üblicherweise in flächigem
Kontakt miteinander und bestehen zumindest an ihrer jeweiligen Oberfläche
aus Silber und/oder Gold.
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Die
US 5,733,430 offenbart keine
Strukturierung der Oberfläche der erhaltenen Elektroden.
Die Ausführungsbeispiele legen wegen des offenbarungsgemäßen
Zusammenpressens von Schicht aus Metall und Metallkollektor nahe,
dass es sich um eine ebene, flache Ausführungsform handelt.
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Eine
solche Elektrode ist nachteilig, weil durch ihre flächige
Ausführungsform zwar von einer gegebenenfalls geringeren
chemischen Angriffsfläche auf das Elektrodenmaterial ausgegangen
werden kann, zugleich aber hierdurch eine baulich nachteilige, weil
notwendigerweise großflächige Elektrode resultiert.
Damit ist eine eventuelle Reduktion von Sauerstoff nur unter Einsatz
mehrerer, großflächiger Elektroden gemäß der Offenbarung
nach der
US 5,733,430 ,
oder alternativ unter überproportional erhöhtem
Stromfluss möglich.
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Die
US 2007/0095676 A1 offenbart
eine weitere Elektroden- und Elektrolysenzellenbauweise, in der die
Reaktionen gemäß den Formeln (I) und (II) unter
Anlegen von Spannung ausgeführt werden können.
Die Kathode ist als Sauerstoffverzehrkathode ähnlich zu
jener in der Offenbarung der
US
5,733,430 ausgeführt. Die Elektrolysezelle gemäß der
US 2007/0095676 A1 unter
Verwendung solcher Sauerstoffverzehrkathoden kann in zwei Bauformen
ausgeführt sein.
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Entweder
ist zwischen der Kathode und der zwischen Kathode und Anode befindlichen
Polymermembran ein Spalt, durch den Wasser und/oder Lauge geführt
wird, oder die Kathode liegt direkt auf der vorgenannten Polymermembran
auf, auf der wiederum direkt die Anode aufliegt. Die Elektrodenoberflächen
der
US 2007/0095676
A1 werden ebenfalls nicht als gezielt strukturiert offenbart.
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Die
erste Ausführungsform gemäß der
US 2007/0095676 A1 ist
nachteilig, weil hierdurch ein weiterer Ohmscher Widerstand in Form
des vorgenannten Spalts, durch den Wasser und/oder Lauge geführt
wird, vorliegt, der aber überwunden werden muss, damit
ein Stromfluss zur Reduktion von Sauerstoff stattfindet.
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Die
zweite Ausführungsform gemäß der
US 2007/0095676 A1 ist
nachteilig, weil zwar der vorgenannte Ohmsche Widerstand nicht mehr
vorhanden ist, auf der anderen Seite aber die Sauerstoffverzehrkathode
nicht mehr so effizient arbeiten kann, da nun dem Zustrom von molekular
in der Flüssigkeit gelöstem Sauerstoff, der reduziert
werden soll, ein Elektrolytstrom entgegensteht, der vormals hinter
der Sauerstoffverzehrkathode geführt werden konnte. So
offenbart die
US
2007/0095676 A1 , dass in dieser Ausführungsform
die aus dem Sauerstoff gebildeten Hydroxidionen in Form von Natronlauge
von der Elektrodenoberfläche weggeführt werden müssen.
Damit eine stärkere Triebkraft des Sauerstoffs zu der Kathodenoberfläche
vorliegt, die gegebenenfalls diesen Nachteil ausgleichen kann, muss
wiederum eine höhere Spannung angelegt werden, was wiederum,
wie zuvor beschrieben, nachteilig ist.
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In
der
US 6,117,286 , die
auf die vorgenannte
US
2007/0095676 A1 Bezug nimmt und insbesondere den Nachteil
der ersten Ausführungsform mit einem Spalt zwischen Sauerstoffverzehrkathode
und Polymermembran technisch lösen möchte, wird
eine Anordnung offenbart, die ähnlich zu der zweiten Ausführungsform der
US 2007/0095676 A1 ist,
sich aber dadurch unterscheidet, dass zwischen der Sauerstoffverzehrkathode und
der Polymermembran eine weitere Schicht aus einem hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen
Material befindet.
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Zwar
kann hierdurch der Abstand zwischen der Anode und der Kathode verringert
werden und können zugleich auch die Nachteile der zweiten
Ausführungsform gemäß der
US 2007/0095676 A1 überwunden
werden, da nun die Hydroxidionen über die Schicht aus einem
hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen Material
abgeführt werden können. Auf der anderen Seite
führt man hierdurch ein weiteres Material zwischen der
Anode und der Kathode ein, das einen weiteren Ohmschen Widerstand
hervorruft. Daher bestehen auch nach der Offenbarung der
US 6,117,286 die vorgenannten
Nachteile, wenn auch gegebenenfalls in verringertem Umfang, fort.
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Die
US 6,117,286 offenbart weiter,
dass die Oberflächengeometrie der Kathoden- und Anodenseite auch
nicht planar ausgeführt sein kann. Allerdings wird die
Veränderung der Oberflächengeometrie gemäß der
US 6,117,286 ausgeführt,
um einen besseren Abfluss von Hydroxidionen umfassender Flüssigkeit
aus der Schicht aus einem hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen
Material zu ermöglichen. Daher wird die Kathodenoberfläche
mit Aussparungen versehen, durch die die Schicht aus hydrophilem,
flüssigkeitsdurchlässigem Material hindurch tritt.
Diese Ausführungsform ist nachteilig, da hiermit Elektrodenoberfläche
der Sauerstoffverzehrkathode geopfert werden muss, was wiederum,
wenn man die ursprüngliche Leistungsfähigkeit
der undurchbrochenen Sauerstoffverzehrkathode zurückerlangen
möchte, entweder in einer notwendigen Erhöhung der
aufgewendeten Energie (in Form von erhöhter Spannung und/oder
Stromstärke) oder in einer notwendigen größeren
Bauform resultiert. Beide Varianten sind wirtschaftlich nachteilig.
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Eine
gewisse Vorteilhaftigkeit von strukturierten Oberflächen
im Zusammenhang mit elektrolytischen Vorgängen offenbart
die
US 3,493,487 . In
der
US 3,493,487 wird
eine Elektrolysevorrichtung offenbart, die aus Anoden und Kathoden
besteht, die mittels Beschichtung der Kathodenoberfläche
auch voneinander separierbar sind. Die Strukturierung der Kathodenoberfläche
geschieht gemäß der
US
3,493,487 durch kleine Öffnungen aufweisende Metallbleche,
die wiederum durch eine gewellte Struktur in ihrem Inneren hinsichtlich
der Stabilität unterstützt werden. Die offenbarte
Anordnung bezieht sich jedoch eindeutig nicht auf membrangestützte Elektrolyseverfahren.
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Die
gemäß der
US
3,493,487 offenbarte Anordnung ist nachteilig, da entweder
keine Trennung zwischen Anodenraum und Kathodenraum mittels einer
Membran vorgesehen ist, so dass eine Vermischung von Anolyt und
Katholyt nicht zu verhindern ist; oder wenn eine Beschichtung der
Kathode vorgesehen ist, diese vollständig belegt ist, so
dass eine Zuführung von Sauerstoff nur durch die Beschichtung
möglich ist und damit die Reduktion von Sauerstoff, wenn überhaupt
nur sehr langsam durchgeführt werden kann. Dies resultiert
aus der Tatsache, dass der Anwendungsbereich der in der
US 3,493,487 offenbarten
Anordnung klar nicht die membrangestützte Elektrolyse ist,
wie sie etwa in der
US 5,733,430 ,
US 2007/0095676 A1 oder
US 6,117,286 als Feld der
Anwendung der Vorrichtungen offenbart wird.
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Ausgehend
vom Stand der Technik besteht also nach wie vor die Aufgabe eine
Elektrolysezelle für die membrangestützte Elektrolyse
umfassend eine Sauerstoffverzehrkathode bereitzustellen, die die
Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist.
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Es
wurde als erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung nun überraschend
gefunden, dass eine Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von
Sauerstoff, enthaltend eine erste Elektrode (1) als Anode,
eine Polymermembran (2) und eine zweite gas- und flüssigkeitsdurchlässige
Elektrode (3) als Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Elektrode (3) auf der Polymermembran (2)
an Punkt- und/oder linienförmigen Kontaktstellen aufliegt,
diese Aufgabe lösen kann.
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Die
erste Elektrode (1) ist üblicherweise in Form
einer Platte, eines ebenen Netzes, eines ebenen Gitters oder eines
ebenen Gewebes ausgeführt.
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In
alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann auch die erste Elektrode (1) an Punkt-
und/oder linienförmige Kontaktstellen auf der Polymermembran
(2) aufliegen.
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Ist
die erste Elektrode (1) in Form einer Platte ausgeführt,
so kann sie porös oder nicht porös sein.
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Bevorzugt
ist die erste Elektrode (1) in Form einer porösen
Platte, eines ebenen Netzes, eines ebenen Gitters oder eines ebenen
Gewebes ausgeführt.
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Besonders
bevorzugt ist die erste Elektrode (1) in Form einer porösen
Platte ausgeführt.
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Ist
die erste Elektrode (1) porös ausgeführt,
so ist diese zugleich ebenfalls gas- und flüssigkeitsdurchlässig.
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Gas-
und flüssigkeitsdurchlässig bezeichnet im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft der jeweiligen Elektrode,
dass diese unter Anlegen hoher Überdrücke eine
Permeation von Gas nicht verhindert. Üblicherweise setzen
diese Elektroden aber einer solchen Permeation durch Kapilardrücke einen
Gegendruck entgegen, so dass in den erfindungsgemäßen
Verfahren zur Chloralkalielektrolyse keine Gaspermation stattfindet.
Gleichzeitig ist aber die Möglichkeit einer Diffusion von
molekular in den umgebenden Flüssigkeiten gelösten
Stoffen gegeben.
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Die
bevorzugten und besonders bevorzugten Ausführungsformen
der ersten Elektrode (1) sind vorteilhaft, weil diese durch
die poröse oder offenporige Ausführung eine besonders
große spezifische Oberfläche pro Bauteilvolumen
aufweisen. Die besonders bevorzugte Ausführungsform der
ersten Elektrode (1) ist noch vorteilhafter, weil diese
neben der vorgenannten besonders großen spezifischen Oberfläche
pro Bauteilvolumen zusätzlich noch eine hohe mechanische
Stabilität aufweist, die die gesamte Vorrichtung stabilisiert.
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Die
erste Elektrode (1) besteht üblicherweise aus
einem Material ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruß,
Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Titan, Titanlegierungen
und Sondermetalllegierungen.
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Bevorzugte
Materialien aus denen die erste Elektrode (1) besteht,
sind jene ausgewählt aus der Liste bestehend aus Graphit,
Titan, Titanlegierung und Sondermetalllegierungen, die dem Fachmann
unter den Namen Hastelloy und Incolloy allgemein bekannt sind.
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Die
vorgenannte erste Elektrode (1) kann auch beschichtet sein.
In bevorzugten Ausführungsformen ist diese erste Elektrode
(1) beschichtet mit einem Material ausgewählt
aus der Liste bestehend aus Rutheniumoxid (RuO2)
und Iridiumoxid (IrO2).
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Die
vorgenannten Materialien sind vorteilhaft, weil diese sich im Allgemeinen
durch eine gute elektrische Leitfähigkeit, zugleich aber
auch durch eine gute chemische Stabilität gegenüber
den Elektrolytlösungen umfassend Natriumchlorid und/oder
Chlorwasserstoff und/oder Chlor auf der Anodenseite auszeichnen,
was für die Verwendung der Vorrichtung im Zusammenhang
mit der Chlorelektrolyse von besonderem Vorteil ist.
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Als
chemisch stabil wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
ein Material bezeichnet, das unter den Betriebsbedingungen der Vorrichtung
keine chemische Reaktion mit den sie umgebenden Elektrolytlösungen
z. B. umfassend Natriumchlorid und/oder Chlorwasserstoff und/oder
Chlor eingeht.
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Die
Polymermembran (2) ist üblicherweise eine Polymermembran,
die der Fachmann unter der Bezeichnung Kationenaustauschermembran
allgemein kennt.
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Bevorzugte
Polymermembranen (2) umfassen polymere Perfluorsulfonsäuren.
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Die
Polymermembran (2) kann auch Verstärkungsgewebe
aus anderen chemisch stabilen Materialien, bevorzugt fluorierte
Polymere und besonders bevorzugt Polytetrafluorethylen umfassen.
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Die
bevorzugten Polymermembranen (2) sind vorteilhaft, da sie
Kationenaustauschermembranen sind und damit die Permeation von Ionen
durch die Membran unterstützen. Dies wiederum führt
zu einem geringeren Ohmschen Widerstand über die Membran,
was die notwendige Spannung zur Erzielung eines Stromflusses verringert.
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Die
Dicke der Polymermembran (2) beträgt üblicherweise
weniger als 1 mm. Bevorzugt ist die Dicke der Membran kleiner als
500 μm, besonders bevorzugt kleiner 400 μm, ganz
besonders bevorzugt kleiner 250 μm.
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Die
geringen Dicken der Membran sind besonders vorteilhaft, weil hierdurch
die notwendige Spannung in der Vorrichtung geringer gewählt
werden kann, da der Ohmsche Widerstand verringert wird.
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Die
zweite Elektrode (3) ist gas- und flüssigkeitsdurchlässig
und kann hierzu in Form eines porösen Materials, eines
Netzes, eines Gitters oder eines Gewebes ausgeführt sein.
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Bevorzugt
ist die zweite Elektrode (3) in Form eines Netzes, eines
Gitters oder eines Gewebes ausgeführt.
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Besonders
bevorzugt ist die zweite Elektrode (3) in Form eines Netzes
oder eines Gitters ausgeführt.
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Die
bevorzugten und besonders bevorzugten Ausführungsformen
als Netz oder Gitter der zweiten Elektrode (3) sind vorteilhaft,
weil solche Ausführungsformen einfach aus den nachfolgend
beschriebenen Materialien der zweiten Elektrode (3) bezogen
werden können, und weil diese in einfacher Weise so verformt
werden können, dass die erfindungsgemäßen
Punkt- und/oder linienförmige Kontaktstellen mit der Polymermembran
(2) bei in Kontaktbringen erhalten werden können.
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Die
zweite Elektrode (3) besteht üblicherweise aus
einem Material ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruß,
Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Nickel, Silber, Titan,
Titanlegierungen und Sondermetalllegierungen.
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Bevorzugt
ist das Material der zweiten Elektrode (3) Nickel, Silber
und/oder Titan, sowie deren Legierungen.
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Auf
der zweiten Elektrode (3) kann sich eine Beschichtung befinden
oder nicht. Bevorzugt befindet sich auf der zweiten Elektrode (3)
eine Beschichtung.
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In
bevorzugten Weiterentwicklungen der hier beschriebenen Vorrichtung
kann auch die erste Elektrode (1) in gleicher oder ähnlicher
Weise wie die zweite Elektrode (3) beschichtet sein.
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Befindet
sich auf der zweiten Elektrode (3) eine Beschichtung, so
ist diese üblicherweise eine Beschichtung umfassend ein
leitfähiges Metall und ein fluoriertes Polymer.
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Leitfähige
Metalle, welche in der Beschichtung auf der zweiten Elektrode (3)
bevorzugt vorhanden sind, sind solche ausgewählt aus der
Liste bestehend aus Eisen, Mangan, Kobalt, Gold, Iridium, Kupfer,
Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und Silber.
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Es
können ebenfalls bevorzugt auch die Oxide der vorgenannten
leitfähigen Metalle und/oder deren Legierungen und/oder
deren Mischungen in der Beschichtung der zweiten Elektrode (3)
vorhanden sein.
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Besonders
bevorzugt ist Silber.
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Ein
bevorzugtes fluoriertes Polymer ist Polytetrafluorethylen (PTFE).
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Die
bevorzugte Beschichtung der zweiten Elektrode (3) ist vorteilhaft,
weil es mittels der Verhältnisse an leitfähigem
Metall und fluoriertem Polymer, sowie durch geeignete Wahl des leitfähigen
Metalls und des fluorierten Polymers dem Fachmann in einfacher Weise
möglich ist, die zweite Elektrode (3) hinsichtlich
der Hydrophilität/Hydrophobizität, sowie hinsichtlich
der chemischen Stabilität an die Anforderungen des Verfahrens anzupassen,
in der die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet
werden soll, während zugleich der durch die zusätzliche
Beschichtung auf der zweiten Elektrode (3) erzeugte Ohmsche
Widerstand klein gehalten werden kann.
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Beispielsweise
kann der Fachmann im Fall der Verwendung der Vorrichtung im Zusammenhang
mit der Chloralkalielektrolyse durch eine Beschichtung mit Polytetrafluorethylen
in geringen Anteilen und einen höheren Anteil an etwa Silber,
welches in einer solchen Beschichtung chemisch stabil gegen den
Angriff von Chloridionen und Chlor ist, die gewünschten
niedrigen Ohmschen Widerstände und eine im wesentlichen
hydrophile Oberfläche erreichen, so dass die elektrochemische
Reduktion von Sauerstoff in vorteilhafter Weise gelingt.
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Im
Zusammenhang mit der Verwendung der Vorrichtung für die
Chloralkalielektrolyse ist es daher bevorzugt, wenn die Beschichtung
auf der zweiten Elektrode (3) einen Anteil von mehr als
80 Gew.-% Silber, besonders bevorzugt 90 Gew.-% Silber, insbesondere
bevorzugt mehr als 95 Gew.-% Silber umfasst.
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Es
ist in diesem Zusammenhang ebenfalls bevorzugt, wenn die Beschichtung
auf der zweiten Elektrode (3) einen Anteil an Polytetrafluorethylen
von weniger als 20 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 10 Gew.-%,
ganz besonders bevorzugt von 0,2 bis 7 Gew.-% umfasst.
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Die
zweite Elektrode (3) liegt erfindungsgemäß an
Punkt- und/oder linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran
(2) auf.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff ist die
zweite Elektrode (3) in einer Raumrichtung gewellt oder
gezackt ausgeführt und liegt an linienförmigen
Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff ist die
zweite Elektrode (3) in zwei Raumrichtungen gewellt oder
gezackt ausgeführt und liegt an punktförmigen
Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff ist die
zweite Elektrode (3) in einem ersten Bereich in einer Raumrichtung
gewellt oder gezackt ausgeführt und liegt in diesem ersten
Bereich an linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran
(2) auf und ist in einem zweiten Bereich in zwei Raumrichtungen
gewellt oder gezackt ausgeführt und liegt an punktförmigen
Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.
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In
einer oder in zwei Raumrichtungen gewellte oder gezackt bezeichnet
im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass die zweite
Elektrode (3) in Raumrichtungen senkrecht zur Oberfläche
der Polymermembran (2), auf der sie Punkt- oder linienförmig
aufliegt, ausgeformt ist.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen solcher in ein und/oder zwei
Raumrichtungen gewellter und/oder gezackter zweiter Elektroden (3)
sind dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung relativ zu den Punkt-
und/oder linienförmigen Kontaktstellen mit der Polymermembran
einen Abstand von 0,1 bis 5 mm an der von der Polymermembran am
weitesten entfernten Stelle einer jeweiligen Ausformung aufweist.
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Kleinere
als die vorgenannten Abstände sind toleranzbedingt häufig
sehr aufwändig in der Herstellung und damit wirtschaftlich
nicht besonders vorteilhaft, größere als die vorgenannten
Abstände führen zu im Mittel größeren
Abständen zwischen zweiter Elektrode (3) und Polymermembran
(2), welche zu hohe mittlere Ohmsche Widerstände
bedingen, was unvorteilhaft ist.
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Ein
Beispiel für eine in eine Raumrichtung gewellte Ausführungsform
ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in
Form eines Wellbleches aus den erfindungemäßen
porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben.
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Ein
Beispiel für eine in eine Raumrichtung gezackte Ausführungsform
ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in
Form eines Zickzackblechs aus den erfindungemäßen
porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben.
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Ein
Beispiel für eine in zwei Raumrichtungen gewellte Ausführungsform
ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in
Form eines periodisch ausgebeulten Bleches aus den erfindungemäßen
porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben.
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Ein
Beispiel für eine in zwei Raumrichtungen gezackte Ausführungsform
ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in
Form eines periodisch mit pyramidalen Vertiefungen versehenen Bleches
aus den erfindungemäßen porösen Materialien,
Netzen, Gittern oder Geweben.
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Die
erfindungsgemäße Ausführungsform der
zweiten Elektrode (3), in der diese auf der Polymermembran
(2) an Punkt- und/oder linienförmige Kontaktstellen
aufliegt, ist besonders vorteilhaft, weil durch den direkten Kontakt
mit der Polymermembran (2) der Ohmsche Widerstand an solchen
Stellen minimal wird und zugleich an den Stellen, an denen der direkte
Kontakt nicht hergestellt ist ein Raum entsteht, durch den die gebildeten
Hydroxidionen abgeführt werden können, ohne dass
diese im Gegenstrom zu dem Sauerstoff, der mit der zweiten Elektrode
in Kontakt gebracht werden soll, von der zweiten Elektrode (3)
abgeführt werden muss. Hierdurch wird also sowohl ein geringer
Ohmscher Widerstand über den direkten Kontakt, als auch
zugleich ein geringerer Ohmscher Widerstand durch den Wegfall einer
diffusiven Hemmung des Herantransportes von Sauerstoff erzielt.
Insgesamt wird somit die notwendige Spannung minimiert.
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Im
Zusammenhang hiermit ist die Ausführung der zweiten Elektrode
(3) gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform
als in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt besonders bevorzugt.
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Ganz
besonders bevorzugt ist die Ausführung der zweiten Elektrode
(3) gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform
als in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt, wobei der Winkel
zwischen Polymermembran (2) und einer jeden Ausformung
im Sinne der gezackten Ausführung von 5° bis 80°,
bevorzugt von 20° bis 75°, besonders bevorzugt
von 30° bis 70° beträgt.
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Dies
ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch vergleichsweise mehr linienförmige
Kontaktstellen zwischen der Polymermembran (2) und der
zweiten Elektrode (3) entstehen und zugleich definierte
Kanäle zwischen der Polymermembran (2) und der
zweiten Elektrode (3) ausgebildet werden, durch die die
gebildeten Hydroxidionen in einfacher Weise gezielt abgeführt
werden können, falls dies gewünscht ist.
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Abschließend
kann in alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung auch die erste Elektrode (1) so ausgestaltet
sein, wie dies gerade im Zusammenhang mit der zweiten Elektrode
offenbart wurde.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung einer Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion
von Sauerstoff, in der ein erstes elektrisch leitfähiges
Material entweder in einem Abstand von bis zu 5 mm zu einer Polymembran
fixiert oder mit dieser verbunden wird, und in dem mit der Polymermembran
ein zweites elektrisch leitfähiges, poröses Material
punktförmig und/oder linienförmig verbunden wird,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitfähige,
poröse Material, bevor es mit der Polymermembran verbunden
wird, in einer oder zwei Raumrichtungen gewellt oder gezackt ausgeformt wird.
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Das
erste elektrisch leitfähige Material ist jenes, wie es
bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung als Material der ersten Elektrode (1) offenbart
wurde.
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Die
Polymermembran ist jene, wie sie bereits im Zusammenhang mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung als Polymembran
(2) offenbart wurde.
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Das
zweite elektrisch leitfähige, poröse Material
ist jenes, welches bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung als Material der zweiten Elektrode (3) offenbart
wurde.
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Hier
wirken sich die vorgenannten Materialien vorteilhaft aus, da sie
alle eine hohe spezifische Leitfähigkeit aufweisen, zugleich
aber leicht verformbar sind, so dass sich das erfindungsgemäße
Verfahren in einfacher Weise ausführen lässt.
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Das
gewellte oder gezackte Ausformen in einer oder zwei Raumrichtungen
kann mittels allgemein bekannter Verfahren aus der Bearbeitungstechnik
von Metallen vorgenommen werden. Solche Verfahren sind etwa das
Tiefziehen, Biegen, Strecken, (Heiß-)Pressen etc. von Metallwerkstoffen.
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In
einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das zweite elektrisch leitfähige, poröse
Material vor dem in Kontaktbringen mit der Polymermembran (2)
noch einem Beschichten unterzogen.
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Das
Beschichten erfolgt im Rahmen der bevorzugten Ausführungsform
zunächst durch Behandeln des zweiten elektrisch leitfähigen,
porösen Materials mit einem Gemisch mindestens umfassend
einen Anteil an Metallpulver und einen Anteil an Partikeln eines
fluorierten Polymers.
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In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist das Gemisch eine Suspension. Das Behandeln kann hierbei
ein Eintauchen in oder ein Besprühen mit der Suspension
sein.
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Die
Flüssigkeit in der die Suspension der vorgenannten Partikel
vorliegt kann Wasser oder auch ein organisches Lösungsmittel
sein. Wird ein organisches Lösungsmittel verwendet, so
ist dies ein organisches Lösungsmittel, welches das fluorierte
Polymer nicht zu lösen vermag.
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Bevorzugt
ist aber die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit zum
Herstellen der Suspension.
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Die
Suspension kann auch noch einen Verdicker umfassen. Verdicker sind
solche Stoffe, welche sich in der verwendeten Flüssigkeit
zum Herstellen der Suspension lösen lassen und welche die
dynamische Viskosität der Flüssigkeit bereits
in geringen Mengen signifikant erhöhen.
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Nicht
abschließende Beispiele für solche Verdicker sind
etwa die Derivate der Cellulose, wie Hydroxypropylcellulose, Methylcellulose,
Ethylcellulose etc.
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Bevorzugt
wird ein Verdicker eingesetzt und dieser ist besonders bevorzugt
Methylcellulose.
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Die
Suspension kann weiter ein Detergenz umfassen.
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Detergenzien
sind etwa ionische oder nicht ionische Tenside, wie etwa die unter
der Handelsnamenfamilie Tween allgemein bekannten Stoffe oder die
unter der Handelsnamenfamilie Triton bekannten Stoffe.
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Bevorzugt
wird ein Detergenz eingesetzt und dieses ist besonders bevorzugt
Triton-X 100.
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Die
Suspension, die zum Beschichten des zweiten elektrisch leitfähigen,
porösen Materials verwendet wird, umfasst üblicherweise
einen Anteil von 10 bis 70 Gew.-% des Metallpulvers und einen Anteil
von 0,1 bis 20 Gew.-% der Partikel des fluorierten Polymers.
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In
bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens enthält die Suspension von 30 bis 80 Gew.-%
Wasser, von 10 bis 70 Gew.-% des Metallpulvers, von 0,1 bis 20 Gew.-%
der Partikel des fluorierten Polymers, von 0,05 bis 1,5 Gew.-% des
Verdickers und von 0,1 bis 2 Gew.-% des Detergenz, wobei sich die
Anteile zu 100 Gew.-% addieren.
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Nach
dem Behandeln des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen
Materials mit einer der vorgenannten Suspensionen, wird üblicherweise
innerhalb der bevorzugten Weiterentwicklung das erhaltene Material
getrocknet und nachfolgend gesintert.
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In
einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung kann das Trocknen auch
im Sinne eines Heißpressens zusammen mit dem Ausformen
gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren erfolgen. Das Trocknen wird üblicherweise bei
Temperaturen von 60°C bis 200°C ausgeführt.
Wird das Trocknen gemäß der weiteren bevorzugten
Weiterentwicklung als Heißpressen unter gleichzeitigem
Ausformen ausgeführt, so wird das Trocknen unter gegenüber
Umgebungsdruck (1013 hPa) erhöhtem Druck ausgeführt,
wobei der Druck durch eine mechanische Vorrichtung umfassend eine
Negativform zu der Ausformung des resultierenden zweiten elektrisch
leitfähigen, porösen Materials aufgebracht wird.
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Das
Trocknen ist vorteilhaft, weil hierdurch die Reste an Flüssigkeit
der Suspension zur Beschichtung des zweiten elektrisch leitfähigen,
porösen Materials entfernt werden können, so dass
diese Reste nicht als Film auf der Oberfläche verbleiben
und damit den Ohmschen Widerstand erhöhen können.
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Das
Sintern wird üblicherweise bei Temperaturen von 200°C
bis 400°C ausgeführt.
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Das
Sintern ist vorteilhaft, weil hierdurch die Restanteile an gegebenenfalls
noch auf der Oberfläche des zweiten elektrisch leitfähigen,
porösen Materials vorhandenen Verdickers und/oder Detergenz
entfernt werden können, indem diese etwa in gasförmige
Verbindungen, z. B. Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf, überführt
werden. Somit können diese nicht als Film auf der Oberfläche
verbleiben und damit den Ohmschen Widerstand erhöhen, was
nachteilig wäre.
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Zugleich
haben die fluorierten Polymere üblicherweise bei diesen
Temperaturen noch keinen signifikanten Dampfdruck, bzw. zersetzen
sich bei diesen Temperaturen noch nicht im merklichen Umfang, so
dass diese lediglich erweichen und zusammen mit dem Metallpulver,
das an den Grenzflächen bereits mit dem zweiten elektrisch
leitfähigen, porösen Material sowie mit sich selber
versintert einen leitfähigen, aber chemisch stabilisierenden
Film ergeben.
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Nach
dem Beschichten im Sinne eines Behandelns mit der Suspension und
nachfolgendem Trocknen und Sintern wird somit eine Beschichtung
auf dem zweiten elektrisch leitfähigen, porösen
Material erhalten, die im Wesentlichen nur noch aus dem Material
des Metallpulvers und geringen Mengen an fluoriertem Polymer besteht.
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Eine
solche Schicht ist vorteilhaft, weil sie zugleich hohe Leitfähigkeit
und eine vorteilhafte chemische Stabilität zusammen mit
einer gewünschten Hydrophilität aufweist.
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Das
Verbinden von erstem elektrisch leitfähigem Material mit
der Polymembran und dem gegebenenfalls beschichteten zweiten elektrisch
leitfähigen, porösen Material kann durch mechanische
Elemente, wie Rahmen oder Spannelemente, aber auch durch ein Verbinden
im Sinne eines miteinander (Heiß-)verpressens gemäß der
vorstehend beschriebenen weiteren bevorzugten Weiterentwicklung
beim Beschichten erfolgen.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder der gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Vorrichtungen
in Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff und/oder
zu elektrochemischen Oxidation von Chlorid zu Chlor.
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Ein
letzter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Chloralkalielektrolyse in dem in zwei voneinander durch eine
von zwei Elektroden (1 und 3) umgebene Polymermembran
(2) getrennten Reaktionszonen Chlor und Natronlauge elektrochemisch
gebildet werden, wobei in der ersten Reaktionszone eine Natriumchloridlösung
vorliegt und in der anderen Reaktionszone eine Lösung umfassend
molekular gelösten Sauerstoff vorliegt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Reaktionszone, in der die Lösung umfassend molekular
gelösten Sauerstoff mit einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen
Elektrode (3) in Kontakt gebracht wird, die in ein und/oder
zwei Raumrichtungen gewellt und/oder gezackt gegenüber
der Polymermembran (2), auf der sie aufliegt, ausgeformt
ist und dass die Natriumchloridlösung mit einer gas- und
flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode (1)
in Kontakt gebracht wird und wobei zwischen den beiden Elektroden
eine Spannung von weniger als 2,3 V angelegt ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens bezüglich der im Verfahren eingesetzten Elektroden
(1 und 3), bzw. bezüglich der im erfindungsgemäßen
Verfahren eingesetzten Polymermembran (2) umfassen die
im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen
Ausführungsformen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird üblicherweise
betrieben, indem bei der vorher beschriebenen Spannung eine Stromdichte
von 2 bis 10 kA/m2 vorgesehen wird.
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In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird eine Spannung von weniger als 2 V bei einer Stromdichte
von 2 bis 6 kA/m2 angelegt.
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Solche
Verfahren sind besonders vorteilhaft, weil durch die verringerte
Spannung bei den vorgenannten Stromdichten unter Aufwendung von
gegenüber dem Stand der Technik verringerter Leistung zugleich
eine Reduktion von Sauerstoff und eine Oxidation von Chlorid zu
Chlor möglich ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Beispielen
näher erläutert, ohne sie jedoch hierdurch darauf
zu beschränken.
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Die
Abbildungen 1 bis 3 zeigen
hierbei bevorzugte Ausführungsformen einer Elektrode der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung eines Gitters.
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Die
Abbildungen 4 bis 6 zeigen
hierbei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung der in den 1 bis 3 dargestellten
Elektroden.
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Die
Abbildung 7 zeigt einen Vergleich des
Verlaufes von Zellspannung über Stromdichte für
ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein nicht
erfindungsgemäßes Verfahren.
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1 zeigt
speziell eine gezackte Ausformung in einer Raumrichtung einer Elektrode
der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Gittermaterial.
In (a) ist eine Aufsicht auf eine Elektrodenfläche dargestellt und
in (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 1(a) derselben Elektrode dargestellt.
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2 zeigt
speziell eine gewellte Ausformung in einer Raumrichtung einer Elektrode
der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Gittermaterial.
In (a) ist eine Aufsicht auf eine Elektrodenfläche dargestellt und
in (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 2(a) derselben Elektrode dargestellt.
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3 zeigt
speziell eine gezackte Ausformung in zwei Raumrichtungen einer Elektrode
der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Gittermaterial.
In (a) ist eine Aufsicht auf eine Elektrodenfläche dargestellt
und in (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 3(a) derselben Elektrode dargestellt,
während in 3(c) eine Schnittansicht
entlang der Linie B-B dargestellt ist.
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4 zeigt
speziell in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform
der erfindungemäßen Vorrichtung enthaltend eine
erste Elektrode (1) in Form eines Gewebes, welche eben
ist und mit der gesamten Oberfläche einer Seite auf einer
Polymermembran (2) aufliegt, sowie eine zweite Elektrode
(3), gemäß der in 1 dargestellten
Ausführungsform, welche in linienförmigen Kontaktstellen
auf der Polymermembran (2) aufliegt.
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5 zeigt
speziell in einer Seitenansicht eine zweite Ausführungsform
der erfindungemäßen Vorrichtung enthaltend eine
erste Elektrode (1) in Form eines Netzes, gemäß der
in 2 dargestellten Ausführungsform, welche
in linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran
(2) aufliegt, sowie eine zweite Elektrode (3),
gemäß der in 1 dargestellten
Ausführungsform, welche ebenfalls in linienförmigen
Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) aufliegt.
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6 zeigt
speziell in (a) und (b) die beiden Seitenansichten einer dritten
Ausführungsform der erfindungemäßen Vorrichtung
enthaltend eine erste Elektrode (1) in Form eines Gewebes,
welche eben ist und mit der gesamten Oberfläche einer Seite
auf einer Polymermembran (2) aufliegt, sowie eine zweite
Elektrode (3), gemäß der in 3 dargestellten
Ausführungsform, welche in punktförmigen Kontaktstellen
auf der Polymermembran (2) aufliegt.
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7 zeigt
den Verlauf der Zellspannung (S) in Volt in Abhängigkeit
von der Stromdichte (A) in kA/m2 für
die Chloralkalielektrolyse nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren insbesondere gemäß der Daten aus Beispiel
7 (Punkte und dicke gestrichelte Linie), sowie für die
Chloralkalielektrolyse nach einem nicht erfindungsgemäßen
Verfahren insbesondere gemäß der Daten aus Vergleichsbeispiel
7 (Dreiecke und dünne durchgezogene Linie).
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Beispiele:
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Beispiele 1–3: Herstellen erfindungsgemäßer
Elektroden
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Ebene
Nickelnetze (Fa. Haver und Boecker) mit einer Maschenweite von 0,5
mm und einer Drahtdicke von 0,1 mm wurden mit verschiedenen Suspensionen
zusammengesetzt gemäß der Tabelle 1 beschichtet,
indem diese zunächst mit den Suspensionen 1 bis 3 besprüht,
nachfolgend bei 130°C in je 60° Winkeln mit Abständen
von 3 mm zu einer planaren Oberfläche durch Biegen umgeformt,
und dann bei 340°C gesintert. Tabelle 1: Zusammensetzungen der Suspensionen
zur Beschichtung der zweiten Elektroden
| Stoff,
Verwendung
(Quelle) | Suspension
1
(Beispiel 1) | Suspension
2
(Beispiel 2) | Suspension
3
(Beispiel 3) |
| Silberpulver
(SF9ED, Fa. Ferro GmbH) | 30 Gew.-% | 30 Gew.-% | 30 Gew.-% |
| Methylcellulose
als Verdicker (Walcocel MKX 70.000 PP 01, Fa. Wolff Cellulosics
GmbH & Co KG) | 0,5 Gew.-% | 0,5 Gew.-% | 0,5 Gew.-% |
| Triton
X-100 als Detergenz (Fa. Fluka Chemie AG) | 0,5
Gew.-% | 0,5 Gew.-% | 0,5 Gew.-% |
| Polytetrafluorethylen (PTFE
5035R, Fa. Dyneon) | 0,3 Gew.-% | 0,61 Gew.-% | 0,93 Gew.-% |
| Wasser | 68,7
Gew.-% | 68,39
Gew.-% | 68,07
Gew.-% |
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Es
werden drei erfindungsgemäße Elektroden erhalten.
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Vergleichsbeispiele 1–3: Herstellen
nicht erfindungsgemäßer Elektroden
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Es
werden drei Elektroden analog zu den Beispielen 1–3 hergestellt,
mit dem einzigen Unterschied, dass diese nicht umgeformt werden,
sondern in ebener Form verbleiben.
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Beispiele
4–6: Herstellen erfindungsgemäßer Vorrichtungen
mit Elektroden gemäß der Beispiele 1–3
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Die
Elektroden gemäß den Beispielen 1–3 wurden
als Kathoden mit einer Standardelektrode (Fa.
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DeNora
Deutschland GmbH) aus Titan als Anode und einer Polymermembran aus
Nafion 982WX (Fa. DuPont) durch Spannrahmen miteinander zu einer
Elektrolysezelle kontaktiert und die Elektroden wurden weiter elektrisch
leitend über eine Spannungs- und Stromquelle miteinander
verbunden. Die freie Projektionsfläche, die im Falle der
ebenen Anode gleich der aktiven Oberfläche der Elektrode
war, wurde durch den Rahmen auf 25 cm2 festgelegt.
Die aktive Oberfläche der Elektroden gemäß den
Beispielen 1–3 betrug durch die Ausformung je 48 cm2.
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Vergleichsbeispiele 4–6: Herstellen
erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit Elektroden
gemäß den Vergleichsbeispielen 1–3
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Es
wurden Elektrolysezellen gemäß jenen der Beispiele
4–6 hergestellt, mit dem einzigen Unterschied, dass anstelle
der Elektroden aus den Beispielen 1–3 nun jene der Vergleichsbeispiele
1–3 eingesetzt wurden und dass zwischen den Elektroden
der Vergleichsbeispiele 1–3 und der Polymermembran ein
Spalt von 3 mm vorgesehen wurde. Diese waren eben und wiesen demnach
eine aktive Oberfläche von je 25 cm2 auf.
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Beispiel 7: Chlor-Alkali-Elektrolyseverfahren
mit Vorrichtung gemäß Beispiel 4
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Die
Elektrolysezelle gemäß Beispiel 4 (Elektrode gemäß Beispiel
1) wurde in ein Gefäß eingesetzt, so dass zwei
Reaktionszonen getrennt durch die Elektrolysezelle entstanden. Auf
der Seite der Elektrode gemäß Beispiel 1 wurde
eine 30 Gew.-%ige, wässrige Natronlaugenlösung
eingefüllt, während auf der Seite der Standardelektrode
eine 20 Gew.-%ige wässrige Natriumchloridlösung
eingefüllt wurde. Beide Lösungen wurden gegen
einen großen Vorlagebehälter in die jeweiligen
Reaktionszonen rezirkuliert, um eine annähernd konstante
Konzentration der Bestandteile über einen Betriebszeitraum
von 100 Stunden zu erreichen.
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Der Überdruck
auf der Seite der Natronlaugenlösung betrug etwa 180 mbar,
wobei der Sauerstoffüberdruck des Sauerstoffes, der in
die Natronlaugenlösung eingeführt wurde, einen Überdruckanteil
von 30 mbar ausmachte und der restliche Überdruck von 150
mbar durch den erhöht stehenden Vorlagenbehälter
der Natronlauge resultierte. Das Verfahren wurde bei einer Temperatur
von 90°C ausgeführt.
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Es
wurde über den Zeitraum von 100 Stunden bei verschiedenen,
angelegten Zellspannungen und Stromdichten gemessen. Die Ergebnisse
sind innerhalb der 100 Stunden zeitunabhängig und sind
hinsichtlich der in Relation zur Stromdichte aufgetragenen Zellspannung
in 7 dargestellt.
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Vergleichsbeispiel 7: Chlor-Alkali-Elektrolyseverfahren
mit Vorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 4
-
Es
wurde ein Versuch gleich zu jenem in Beispiel 7 ausgeführt,
mit dem einzigen Unterschied, dass nun die Elektrolysezelle gemäß dem
Vergleichsbeispiel 4 (Elektrode gemäß Vergleichsbeispiel
1) eingesetzt wurde.
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Die
Ergebnisse sind ebenfalls zeitunabhängig und sind hinsichtlich
der in Relation zur Stromdichte aufgetragenen Zellspannung in 7 dargestellt.
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Der
Vergleich von Beispiel 7 mit Vergleichsbeispiel 7 zeigt, dass bei
gleichen Stromdichten die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine signifikant um 130 mV bei 4 kA/m2 gegenüber
der nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung verringerte
Zellspannung benötigt. Um auszuschließen, dass
der vorteilhafte Effekt der verringerten Zellspannung an einem unvorteilhaft
gewählten Spalt zwischen nicht erfindungsgemäßer
zweiter Elektrode und Polymermembran liegt, wurde der Spalt auf
nur 1,5 mm halbiert. Es wurde aber nur eine Verringerung der Zellspannung
von etwa 60 mV bei 4 kA/m2 gemessen. Damit
wurde ausgeschlossen, dass die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nur auf eine mittlere Verringerung der Spaltweite zwischen
zweiter Elektrode und Polymermembran zurückzuführen
war.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5733430 [0009, 0009, 0010, 0011, 0012, 0020]
- - US 2007/0095676 A1 [0012, 0012, 0013, 0014, 0015, 0015, 0016, 0016, 0017, 0020]
- - US 6117286 [0016, 0017, 0018, 0018, 0020]
- - US 3493487 [0019, 0019, 0019, 0020, 0020]