DE3420483A1 - Bipolarer elektrolyseapparat mit gasdiffusionskathode - Google Patents
Bipolarer elektrolyseapparat mit gasdiffusionskathodeInfo
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Description
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HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT HOE 84/Ρ 121 DPh.HS/er
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bipolaren Elektrolyseapparat mit Sauerstoffverzehrkathode zum Herstellen
von Chlor und Natronlauge aus wässeriger Alkalichloridlösung mit Einrichtungen zum Zuführen des
Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsprodukte und zum Abführen der Elektrolyseausgangsprodukte, bei dem Anode
und Kathode durch eine Trennwand voneinander getrennt angeordnet sind.
Die wäßrige Natriumchlorid-Elektrolyse ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung der Schwerchemikalien Chlor und
Natronlauge. Eine moderne Variante wird in einer Membranzelle durchgeführt. Bei diesem Verfahren besteht die
Elektrolyse-Zelle aus einem Anodenraum mit einer Anode und einem Kathodenraum mit einer Kathode,sowie einer
Kationenaustauscher-Membran, die beide Elektrolyseräume voneinander trennt. Speist man in den Anodenraum eine gesättigte
Natriumchlorid-Lösung ein, so werden unter der Einwirkung des elektrischen Stromes die Chloridionen an der
Anode zu elementarem Chlor entladen. Gleichzeitig findet an der Kathode eine Wasserzerlegung unter Bildung von
elementarem Wasserstoff und Hydroxidionen statt. Etwa in gleichem Maße wie Hydroxidionen erzeugt werden, wandern
Natriumionen aus dem Anodenraum durch die Kationenaustauscher-Membran in den Kathodenraum. Die zugrundeliegende
chemische Reaktion entspricht der folgenden Gleichung:
2 NaCl + 2 H2O —β» 2 NaOH + Cl2 + H2
Für den Anodenraum einer Elektrolysezelle in der ein . Alkalichlorid wie beispielsweise Natriumchlorid,
Kaliumchlorid oder Lithiumchlorid elektrolysiert werden soll, muß ein Werkstoff verwendet werden, der beständig
ist gegen das korrosive Medium, das hohe Chloridionenkonzentrationen und elementares Chlor enthält. Stand der
Technik ist die Verwendung von Titan, Iridium oder Edelmetalle, bevorzugt ist Titanmetall, welches oberflächlich
mit einem Mischoxid aktiviert sein kann, um die Chlorüberspannung zu verringern und gleichzeitig die Sauerstoffüberspannung
zu erhöhen. Die Anode besteht ebenfalls aus Titan, welches durch Übergangsmetalloxide wie
Rutheniumoxid oder Iridiumoxid aktiviert sein kann, um die Chlorüberspannung zu erniedrigen und gleichzeitig die
Sauerstoffüberspannung zu erhöhen.
Für den Kathodenraum kann der Werkstoff Titan nicht verwendet werden, da durch den gebildeten Wasserstoff eine
Versprödung des Titanmetalls verursacht würde. Der Kathodenraum
wird deshalb aus Normalstahl, Edelstahl, Nickel oder vernickeltem Stahl gefertigt. Die Kathode besteht
ebenfalls aus diesen Materialien, kann aber zusätzlich durch Edelmetalle oder andere Elektrokatalysatoren wie
beispielsweise Raney-Nickel oder schwefelhaltigem Nickel aktiviert sein. Elektrochemische Zellen für die
Alkalichlorid-Elektrolyse enthalten zusätzlich ein Diaphragma oder eine Kationenaustauschermembran, die Anoden-
und Kathodenraum voneinander trennen. Bevorzugt werden Kationenaustauscher-Membranen, das sind perfluorierte
-Membranen, die Sulfonsäure- oder Carboxylgruppen enthalten, verwendet, wenn hochreine Natronlauge erhalten werden
soll. Die Membranen sind kationenselektiv, lassen also bei der Natriumchlorid-Elektrolyse nur die Natrium-Ionen
durch, wohingegen die Chloridionen im Anodenraum verbleiben.
• -s·
In der Praxis werden aus solchen Elektrolysezellen, die aus Anodenraum mit Anode, Kathodenraum mit Kathode und
Kationenaustauscher-Membran bestehen, größere Elektrolyseure zusammenstellt, die aus einer Vielzahl von Einzelzellen
bestehen können. Solche Elektrolyseure können monopolar oder bipolar geschaltet sein. Bevorzugt ist die
bipolare Schaltung, da hiermit sehr große Zelleneinheiten betrieben werden können.
Schwierigkeiten treten aber beim Stromübergang von Zelle zu Zelle auf. Wegen der unterschiedlichen Materialien von
Kathodenraum und Anodenraum, über deren jeweilge Rückwand die Stromleitung erfolgt, und vor allem wegen der Passivierung
des Titans in Luftatmosphäre, treten große übergangswiderstände
und damit erhebliche Spannungsverluste auf.
Es bestannd daher die Aufgabe, eine elektrochemische Zelle zur Verfügung zu stellen, die aus einfachen Bausteinen
besteht und zu großen Elektrolyseuren zusammengestellt werden kann, und die bei bipolarer Schaltung eine
optimale Stromleitung von Zelle zu Zelle gewährleistet.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe dadurch, daß zwischen zwei
Halbschalen mit als Plansch ausgebildeten Rändern, von denen eine eine Anode und die zweite eine Kathode trägt,
mindestens ein Element mit der Form einer Doppelwanne angeordnet ist, die aus einem gemeinsamen Boden und einer
durch den Boden in ihrer Höhe geteilten seitlichen Wand gebildet wird, deren Ränder mit Flanschen versehen sind,
die Anode und die Kathode, die durch den Boden räumlich voneinander getrennt sind, mit der Wand und Streben die
beidseitig senkrecht aus dem Boden herausragen elektrisch leitend verbunden sind, zwischen den Flanschen der Halbschalen
und des Elements die Trennwände eingeklemmt und
Dichtungselemente so angeordnet sind, daß zwischen Trennwand und Kathode ein Hohlraum entsteht.
In einer Ausgestaltung können zwischen den Halbschalen zwei und mehr Elemente angeordnet sein. Zwischen den
Flanschen der Elemente ist die Trennwand eingeklemmt und ein Dichtungselement so angeordnet, daß zwischen Trennwand
und Kathode ein Hohlraum entsteht. Zwischen Trennwand und Kathode kann ein Abstandshalter angeordnet sein
und das Dichtungselement Ausnehmungen aufweisen, die den Hohlraum zwischen Trennwand und Kathode mit Einrichtungen
zum Zu- und Abführen des Katholyten verbindet. Für die Halbschalen und Elemente kann Titan als Werkstoff verwendet
werden. Als Anode eignet sich Titan, das mit einem Oxid oder Mischoxid der Metalle der 8. Nebengruppe des
Periodensystems aktiviert ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt
Figur 1 einen Schnitt durch einen Elektrolyseur der aus drei bipolaren Zellen besteht (zwei Elemente gemäß Figur
2 zwischen den Halbschalen)
Figur 2 einen Schnitt durch ein Element Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt "Z" von Figur 1
Zwischen den Halbschalen 1 und 2, deren Ränder als Flansche 3 und 3 a ausgebildet sind und von denen die
eine eine Anode 4 und die andere ein Gasdiffusionskathode 5 trägt, wie sie beispielsweise in der deutschen
Patentanmeldung P 33 32 566.9 beschrieben ist, ist mindestens ein Element 6 angeordnet. Das Element 6 besitzt
die Form einer Doppelwanne, die aus einem gemeinsamen Boden 7 und einer durch den Boden in ihrer Höhe geteilten
: ν-
seitlichen Wand 8 gebildet wird. Der Boden 7 kann auch asymmetrisch angeordnet sein, so daß die Wannen unterschiedlich
tief ausfallen. Die Ränder der Wand, also die freien Enden sind mit Planschen 9 und 10 versehen. Der
Plansch 9 bzw. das an ihn angrenzende Wandteil trägt jeweils eine Anode 4 und der Flansch 10 bzw. das daran angrenzende
Wandteil jeweils eine Kathode 5. Der durch die Anode 4 und die Wanne gebildete Raum ist der Anodenrauru
11 und der durch die Kathode 5 -und die Wanne gebildete Raum der Gasraum 12. Im Anodenraum 11 und Gasraum 12 sind
Streben 13 angeordnet, die senkrecht aus dem Boden herausragen und die Elektroden 4 und 5 elektrisch leitend
mit dem Boden 7 verbinden. Zwischen den Planschen 3, 3a, 9, 10 der Halbschalen 1,2 und der Elemente 6 sind Trennwände
14 wie Ionenaustauschermembranen, Diaphragmen etc. und Dichtungselemente 15 angeordnet. Das Dichtungselement
besteht aus einem laugebeständigen Material, bevorzugt PTFE. Das Dichtungselement 15 ist bezüglich seiner Dicke
so bemessen, daß zwischen Trennwand 14 und Kathode 5 ein Hohlraum l6, der Kathodenraum entsteht. Es kann
zweckmäßig sein, zwischen Trennwand 14 und Kathode 5 im
Hohlraum l6 einen Abstandshalter 17 anzuordnen, der einen gleichmäßigen Abstand der Kathode von der Trennwand
einstellt. Der Abstandshalter besteht aus einem laugebeständigen Material wie beispielsweise PTFE oder Nickel.
Bevorzugt ist eine Kathodenraumtiefe von etwa 2 bis 3 nun,
besonders bevorzugt 0,5 bis 1 mm. Das Dichtungselement kann mit Ausnehmungen 18 versehen sein, die den Hohlraum
mit Einrichtungen 19 zum Zu-und Abführen des Katholyten verbinden. Anolyt wird über die Leitungen 20 zu- bzw. abgeführt
und Gas (Luft, Sauerstoff) für die Sauerstoffverzehrkathode über die Leitungen 21. Die Halbschalen 1, 2 und
die Elemene β werden mittels in Büchsen 22 aus elektrisch isolierendem Material geführten Schrauben 23 verbunden. Die
Stromzuführungen sind mit plus und minus gekennzeichnet. Die Trennwand 14 kann auf der Anode 4 aufliegen.
Claims (6)
1. Bipolarer Elektrolyseapparat mit Sauerstoffverzehrkathode
zum Herstellen von Chlor aus wässeriger Alkalichloridlösung mit Einrichtungen zum Zuführen des
Elektrolysestromes und der Elektrolyseeingangsprodukte und zum Abführen der Elektrolyseausgangsprodukte, bei
dem Anode und Kathode durch eine Trennwand voneinander getrennt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen zwei Halbschalen (1,2) mit als Plansch (3,3a) ausgebildeten Rändern, von denen eine eine Anode (4)
und die zweite eine Kathode (5) trägt, mindestens ein Element (6) mit der Form einer Doppelwanne angeordnet
ist, die aus einem gemeinsamen Boden (7) und einer durch den Boden in ihrer Höhe geteilten seitlichen
Wand (8) gebildet wird, deren Ränder mit Planschen (9jl0) versehen sind, die Anode (4) und die Kathode
(5), die durch den Boden (7) räumlich voneinander getrennt sind, mit der Wand (8) und Streben (13), die
beidseitig senkrecht aus dem Boden (7) herausragen, elektrisch leitend verbunden sind, zwischen den Plansehen
(3,3a, 9, 10) der Halbschalen (1,2) und des Elements (6) die Trennwände (14) eingeklemmt und Dichtungselemente
(15) so angeordnet sind, daß zwischen Trennwand (14) und Kathode (5) ein Hohlraum (16) entsteht.
2. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elemente (6) zwischen den Halbschalen
(1,2) angeordnet sind und zwischen den Planschen (10,11) der Elemente (6) eine Trennwand (14)
eingeklemmt und ein Dichtungselement (15) so angeordnet ist, daß zwischen Trennwand (14) und Kathode (5)
ein Hohlraum (l6) entsteht.
- I. HOE 84/F 121
3· Elektrolyseapparat nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Trennwand (14) und Kathode (5) ein Abstandshalter (17) angeordnet ist und das
Dichtungselement (15) Ausnehmungen (18) aufweist, die den Hohlraum (l6) zwischen Trennwand (14) und Kathode
(5) mit Einrichtungen (19) zum Zu- und Abführen des
Katholyten verbindet.
4. Elektrolyseapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Halbschalen (1,2)
und die Elemente (6) als Werkstoff Titan verwendet wird.
5. Elektrolyseapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3*
dadurch gekennzeichnet, daß als Anode (4) eine Titananode verwendet wird, die mit einem Oxid oder Mischoxid
der Metalle der 8. Nebengruppe des Periodensystems aktiviert ist.
6. Elektrolyseapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch
gekennzeichnet, daß als Kathode 5 eine Gasdiffusionskathode verwendet wird, die aus einem Stromkollektor
aus Nickeigewebe besteht, welches mit einem porösen kolloidalen Silberkatalysator, welcher auf Polytetrafluorethylen
abgeschieden ist, beschichtet ist, und auf der Langseite eine hydrophile Deckschicht besitzt.
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