EP1417356A2 - Elektrolysezelle, insbesondere zur elektrochemischen herstellung von chlor - Google Patents

Elektrolysezelle, insbesondere zur elektrochemischen herstellung von chlor

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EP1417356A2
EP1417356A2 EP02794511A EP02794511A EP1417356A2 EP 1417356 A2 EP1417356 A2 EP 1417356A2 EP 02794511 A EP02794511 A EP 02794511A EP 02794511 A EP02794511 A EP 02794511A EP 1417356 A2 EP1417356 A2 EP 1417356A2
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EP
European Patent Office
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anode
current collector
frame
cathode
cell according
Prior art date
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EP02794511A
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English (en)
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EP1417356B1 (de
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Fritz Gestermann
Hans-Dieter Pinter
Andreas Bulan
Walter Klesper
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Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer AG
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Publication date
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Publication of EP1417356B1 publication Critical patent/EP1417356B1/de
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/24—Halogens or compounds thereof
    • C25B1/26—Chlorine; Compounds thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • Electrolysis cell in particular for the electrochemical production of chlorine
  • the invention relates to an electrolysis cell which is particularly suitable for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of hydrogen chloride.
  • hydrochloric acid Aqueous solutions of hydrogen chloride, hereinafter called hydrochloric acid, are a by-product of many processes, especially those in which organic hydrocarbon compounds are chlorinated with chlorine in an oxidizing manner. It is economically interesting to recover chlorine from these hydrochloric acids, which can then be used for further chlorinations, for example. Chlorine from hydrochloric acids can be recovered electrolytically, for example.
  • the electrolysis of hydrochloric acid to chlorine in an electrolysis cell is known from US Pat. No. 5,770,035.
  • An anode compartment with a suitable anode e.g. a noble metal coated or doped titanium electrode is filled with the aqueous solution of hydrogen chloride.
  • the chlorine formed on the anode escapes from the anode compartment and is fed to a suitable treatment.
  • the anode compartment is separated from a cathode compartment by a commercially available cation exchanger membrane.
  • a gas diffusion electrode rests on the cation exchange membrane.
  • a power distributor is located behind the gas diffusion electrode.
  • Gas diffusion electrodes are, for example, oxygen consumable cathodes (SVK). In the case of an SVK as a gas diffusion electrode, an oxygen-containing gas or pure oxygen is usually introduced into the cathode compartment, which is converted at the SVK.
  • SVK oxygen consumable cathodes
  • the pressure can be set, for example, by a Liquid immersion takes place through which the chlorine gas formed in the anode chamber is passed.
  • a high oxygen pressure in the cathode compartment is advantageous because it leads to lower voltage and thus lower energy consumption.
  • 5,770,035 known electrolysis cell has the disadvantage that the pressure in the cathode compartment, i.e. the oxygen pressure can only be increased if the pressure in the anode compartment is increased at the same time, since otherwise the gas diffusion electrode is pushed away from the current collector and no longer rests on it.
  • a simultaneous increase in the pressure in the anode compartment can only be technically ensured by corresponding, complex structural changes to the electrolyzer.
  • a one-sided increase in the pressure in the anode space can lead to an increase in the gap between the anode and the cation exchanger membrane, which leads to an undesirable increase in the operating voltage and thus to an increased energy consumption.
  • the object of the invention is to provide an electrolysis cell, in particular for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of hydrogen chloride, in which it is ensured that the anode, the cation exchange membrane, even when there is a pressure difference between the anode space and the cathode space
  • the gas diffusion electrode and the current collector are in direct contact.
  • the electrolytic cell according to the invention has an anode and a current collector, each of which is supported by an anode frame or a cathode frame.
  • a cation exchange membrane is arranged between the anode and the current collector and a gas diffusion electrode is arranged between the cation exchange membrane and the current collector. To the appearance of a gap between them
  • the anode and / or the current collector is elastically connected to the anode frame or the cathode frame. Due to the elastic connection, a force is exerted on the anode and / or the current collector, so that the anode is pressed in the direction of the current collector and / or the current collector in the direction of the anode. As a result, the anode, the cation exchange membrane, the gas diffusion electrode and the current collector are held together, so that no gap or space can arise between them. This prevents an undesirable increase in the operating voltage.
  • the anode and / or the current collector are preferably held elastically in such a way that compressive forces act on the anode and / or the current collector. It is also possible to connect the anode and / or the current collector to the anode or cathode frame in such a way that tensile forces, which are directed in the direction of the other electrode, act on the anode or the current collector.
  • the cathode frame can be elastic or have an elastic element.
  • At least one elastic holding element such as a spring, is preferably provided, which is connected to the anode frame or the cathode frame. It is particularly preferred to provide a plurality of holding elements, which are in particular arranged regularly.
  • the holding elements are preferably arranged and / or designed such that an essentially uniform pressure is exerted on the anode and / or the current collector. The force per unit area is thus in the case of essentially flat anodes or
  • the holding elements are preferably designed as spring elements, which can be, for example, leaf or spiral springs.
  • the Holding elements either connected directly to the frame or via a rear wall of the anode or cathode compartment to the corresponding frame.
  • the size of the anode and / or the current collector is preferably selected such that it can be arranged within the frame and does not rest on or rest on the frame.
  • the anode and / or the current collector is thus held exclusively by the holding element or elements.
  • the electrical contact to the anode and / or to the current collector also takes place via the holding elements.
  • An additional electrical connection to the anode and / or current collector can thus be omitted in this preferred embodiment.
  • Anode and / or current collector can, for example, by means of springs or other electrically conductive, elastic connections such as e.g. Carbon felts or metal sponges are made.
  • the elastic fastening is preferably carried out by means of metallic springs.
  • springs are used as holding elements
  • Titanium or titanium alloys are used because they are not damaged by the chemical substances present in the electrolytic cell. To the electrical
  • Improving the conductivity of the titanium springs can also e.g. Copper springs coated with titanium are used.
  • the cell construction according to the invention ensures that the anode lies directly on the cation exchange membrane, this directly on the gas diffusion electrode and this in turn lies directly on the current collector, i.e. that there is no gap between the components mentioned. This is also reliably the case if the electrolysis cell is operated in such a way that in the anode compartment and in the
  • the anode frame and the cathode frame also preferably consist of durable materials, such as, for example, noble metal-coated or doped titanium or titanium alloys.
  • Gas diffusion electrodes are preferably used which contain a platinum group catalyst, preferably platinum or rhodium. Examples include gas diffusion electrodes from E-TEK (USA), which have 30% by weight platinum on activated carbon with a noble metal coating of the electrode of 1.2 mg Pt / cm 2 .
  • Suitable cation exchange membranes are, for example, those made of perfluoroethylene, which contain sulfonic acid groups as active centers.
  • commercially available membranes from DuPont can be used, such as the Nafion® 324 membrane.
  • Suitable anodes are, for example, titanium anodes, in particular with an acid-resistant, chlorine-developing coating, e.g. based on titanium coated with ruthenium.
  • the current distributor on the cathode side can consist, for example, of titanium expanded metal or titanium coated with noble metal, it also being possible to use alternative resistant materials.
  • the electrolytic cell according to the invention is particularly suitable for the electrochemical production of chlorine from aqueous solutions of hydrogen chloride or aqueous solutions of an alkali metal chloride, in particular sodium chloride.
  • the pressure in the cathode compartment is preferably greater than that in the anode compartment if the current collector is held elastically.
  • the differential pressure between the anode and cathode compartments can be, for example, between 0.01 and 1 bar, although larger differential pressures are also possible.
  • the differential pressure is 20 to 350 mbar.
  • the anode is kept elastic, it is advantageous if the pressure in the anode space is greater than that in the cathode space.
  • a process for the production of chlorine which can be carried out using the electrolytic cell according to the invention is explained in more detail below using the example of the reaction of aqueous solutions of hydrogen chloride.
  • the likewise possible conversion of alkali metal chlorides, in particular sodium chloride, can be carried out in a similar manner, with process conditions possibly having to be varied.
  • an oxygen-containing gas for example pure oxygen, a mixture of oxygen and inert gases, in particular nitrogen, or air is introduced into the cathode compartment, preferably oxygen or an oxygen-rich gas.
  • Pure oxygen in particular a purity of at least 99% by volume, is particularly preferably used as the oxygen-containing gas.
  • the oxygen-containing gas is preferably supplied in such an amount that
  • Oxygen based on the amount theoretically required according to equation (1) is more than stoichiometric.
  • the stoichiometric excess is preferably 1.1 to 3 times, preferably 1.2 to 1.5 times the stoichiometric amount.
  • the excess oxygen can be recycled, so that the stoichiometric excess is only of minor importance.
  • the aqueous solution of the hydrogen chloride is introduced into the anode chamber.
  • the temperature of the supplied aqueous solution of hydrogen chloride is preferably 30 to 80 ° C, particularly preferably 50 to 70 ° C.
  • Aqueous solutions of hydrogen chloride with a hydrogen chloride concentration of 5 to 20% by weight, particularly preferably 10 to 15, are preferred
  • the electrolysis is preferably carried out at a pressure in the anode space greater than 1 bar absolute.
  • the pressure in the cathode compartment is preferably greater than 1 bar absolute, particularly preferably 1.02 to 1.5 bar, particularly preferably 1.05 to 1.3 bar. Namely, it was found that at a higher pressure in the cathode compartment, i.e. a higher oxygen pressure, the electrolysis at the same current density at a lower voltage, i.e. with lower energy consumption.
  • the pressure in the cathode compartment can be set, for example, by the oxygen-containing gas supplied to the cathode compartment being blocked by a pressure-maintaining device.
  • a suitable pressure maintenance device is, for example, liquid immersion, by means of which the cathode compartment is shut off. Throttling via valves is also a suitable method for setting the pressure.
  • Fig. 1 an electrolytic cell according to the invention with elastically attached
  • Fig. 2 an electrolytic cell according to the invention with elastically attached
  • FIG. 3 an electrolytic cell according to the invention with elastically attached
  • Fig. 4 a further embodiment of the electrolytic cell according to the invention with an anode fastened elastically.
  • the electrolysis cells shown schematically in FIGS. 1 to 4 are the better ones
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an electrolysis cell according to the invention.
  • the current collector 10 is elastically attached to the cathode frame 12.
  • the cathode frame 12 is also connected to a rear wall 14.
  • a cathode space 16 is formed by the current collector 10, the cathode frame 12 and the rear wall 14.
  • the current collector 10 is held elastically via a plurality of spiral springs 18.
  • the springs 18 are fastened to the rear wall 14 via intermediate parts, for example Z or trapezoidal profiles 20.
  • intermediate parts for example Z or trapezoidal profiles 20.
  • several springs 18 are provided, which are arranged in a regularly distributed manner.
  • springs 18 are arranged in multiple rows and columns to hold a substantially rectangular current collector 10.
  • the current collector 10 is surrounded by a seal 22 in the assembled state on the cathode frame 12.
  • the shape of the seal 22 essentially corresponds to the shape of the cathode frame 12.
  • An anode 24 is provided opposite the current collector 10 and is supported by an anode frame 26.
  • the attachment can be carried out, for example, by suitable attachments provided on the anode frame 26 or Z or trapezoidal profiles (not shown here) attached to the rear wall 28, on which the anode 24 rests.
  • an anode space 30 is formed by the anode frame 26, the anode 24 and a rear wall 28.
  • a gas diffusion electrode 32 and a cation exchange membrane 34 are arranged between the anode 24 and the current collector 10. The dimensions of the gas diffusion electrode 32 are preferably such that it completely covers the current collector 10.
  • the cation exchange membrane 34 is larger, so that it is arranged between the two frames 12, 26 and is held in the assembled state by the frames 12, 26. Furthermore, in order to ensure a secure seal of the two frames 12, 26 and the two spaces 16, 30, a seal 36 is provided between the cation exchange membrane 34 and the anode frame 26, and a seal 22 between the cation exchange membrane 34 and cathode frame 12.
  • the gas diffusion electrode 32 is pressed by the current collector 10 onto the cation exchange membrane 34 and this onto the anode 24. It is particularly advantageous if the anode 24 forms a plane with the seal 36 in the installed state.
  • the construction according to the invention allows the pressure in the cathode chamber 16 to be selected independently of the pressure in the anode chamber 30. In this embodiment variant, a higher pressure is preferably selected in the cathode chamber 16 than in the anode chamber 30.
  • the individual elements of the electrolytic cell are sealed by means of the seals 22, 36.
  • the anode compartment 30 is filled with hydrochloric acid via an HCl inlet 38 and the cathode compartment 16 is filled with oxygen or an oxygen-containing gas via an O 2 inlet 40.
  • the temperature of the hydrochloric acid in the electrolysis is preferably 50 to 70 ° C. However, the electrolysis can also be carried out at a lower temperature.
  • Hydrochloric acid can flow through the anode compartment 30 during the electrolysis operation.
  • the chlorine formed leaves the anode compartment 30, for example above, via a Cl 2 outlet 42. It is also conceivable that other flow-through variants are selected. For example, a flow through the anode space 30 is possible from top to bottom. It is also conceivable that none
  • the cathode chamber 16 can be flowed through by the oxygen or the oxygen-containing gas. It is also conceivable to influence the oxygen within the cathode space 16 by means of internals in its flow direction. For example, porous materials, both electrically conductive and non-conductive, can be used in the space behind the current collector 10. As shown in FIG. 1, the oxygen can be introduced from below via the O 2 inlet 40 and discharged again via an O 2 outlet 44 at the top. However, it is also possible that the oxygen flows from top to bottom or that there is a lateral flow in cathode space 16 from, for example, bottom left to top right. With regard to the reaction taking place, oxygen should be offered over-stoichiometrically.
  • the anode 24 can be installed in the electrolysis cell so that it
  • Anode frame 26 protrudes so far that when the seal 36 is in place, the anode 24 forms a surface with the seal 36. It is also possible that the anode 24 lies so far below the seal 36 that in the assembled state Cell components, the seal 36 forms a plane with the anode 24. The compressibility of the seal 36 and the tightening torques when assembling the cell components must be taken into account.
  • the pressure in the anode and cathode compartments can be chosen to be the same. It is also conceivable that the pressure in the cathode chamber 16 is greater than that in the anode chamber 30. This pressure difference can also be selected at a higher absolute pressure.
  • FIG. 2 corresponds in principle to the embodiment shown in FIG. 1. Identical or similar components are therefore identified by the same reference symbols.
  • the only difference from the embodiment shown in Fig. 1 is that it is not the current collector 10, but the anode 24 via the springs 8 and the intermediate parts, e.g. Z or trapezoidal profiles, 20 are connected to the rear wall 28.
  • the anode 24 is elastically connected to the anode frame 26 via the rear wall 28.
  • Cation exchange membrane 34 this pressed onto the gas diffusion electrode 32 and this in turn onto the current collector 10.
  • the material flows oxygen and hydrochloric acid
  • the material flows can be carried out in a similar manner to that in the embodiment variant which is shown in FIG. 1.
  • the pressure in the cathode chamber 16 can be selected to be the same as that in the anode chamber 30.
  • the pressure in the anode chamber 30 should be at least the same as that in the cathode chamber 16 so that the gas diffusion electrode 32 rests on the current collector 10.
  • the third embodiment (Fig. 3) is a combination of those shown in Figs. 1 and 2 shown embodiments. In this embodiment, both the anode 24 and the current collector 10 are connected elastically to the rear wall 28 and 14 via springs 18.
  • the anode 24 thus presses against the cation exchange membrane 34 and the opposite current collector 10 presses against the gas diffusion electrode 32, so that in this embodiment there is a particularly high level of certainty that the corresponding components of the electrolytic cell rest against one another without a gap.
  • the material flow of oxygen and hydrochloric acid can be carried out similarly to that shown in FIGS. 1 and 2 shown embodiments.
  • the electrolysis cell can be operated in a large pressure range, which ensures that the gas diffusion electrode 32 rests on the current collector 10.
  • the fourth embodiment also corresponds to that based on FIGS. 1 to 3 described electrolysis cell.
  • the same or similar components are therefore again identified by the same reference numerals.
  • the essential difference of the electrolysis cell shown in FIG. 4 is the type of holding elements 46 used.
  • the holding elements 46 are not spiral springs 18, as in the embodiments shown in FIGS. 1 to 3, but a type of leaf spring that is attached to an inner side 48 of the anode frame 26 and the anode 24. Through the holding element 46 is also in the direction of
  • the possible pressure differences and the material flow guidance are possible at least by holding the anode 24 and / or the current collector 10 as described above.
  • Electrolysis of an aqueous solution of hydrogen chloride was carried out in an electrolysis cell, as shown schematically in FIG. 1 and described in more detail above.
  • the anode 24 was installed in the electrolysis cell in such a way that it protruded beyond the anode frame 26 to such an extent that when the seal 36 was placed on it, the anode 24 formed a surface with the seal 36.
  • the anode 24, the anode frame 26, the current collector 10, the cathode frame 12 and the electrically conductive springs 18 consisted of a titanium-palladium alloy with 0.2% by weight of palladium.
  • the anode 24 was in the form of an expanded metal and was additionally activated with a ruthenium oxide layer. The thickness of the expanded metal was 1.5 mm.
  • the seals 36 were composed of a fluoroelastomer, such as that sold by DuPont under the name Viton ®.
  • the current collector 10 was likewise designed in the form of a titanium expanded metal coated with ruthenium oxide.
  • the current collector 10 was contacted to the elastic springs 18 by spot welding.
  • the cation exchange membrane 34 it was a membrane from. DuPont based on a perfluorosulphonate polymer that is commercially available under the name Nafion ® 324th
  • the electrolysis cell was separated into an anode and a cathode space by the cation exchange membrane 34.
  • the anode compartment was charged with a 14% by weight hydrochloric acid.
  • the temperature of the hydrochloric acid was 53 ° C.
  • the cathode compartment was filled with pure oxygen with a content of more than 99% by volume.
  • the pressure in the cathode compartment was 1 bar.
  • the differential pressure between the cathode compartment and the anode compartment was 0 bar.
  • the electrolysis was operated at a current density of 3000 A / m 2 , a voltage of 1.05 V being established.
  • Example 2 comparativative example
  • Electrolysis of an aqueous solution of hydrogen chloride was carried out in an electrolysis cell as described in Example 1, but in this case the current collector 10 was not elastically connected to the cathode frame 12.
  • the anode compartment was charged with a 14% by weight hydrochloric acid.
  • the temperature of the hydrochloric acid was 53 ° C.
  • the cathode compartment was filled with pure oxygen with a content of more than 99% by volume.
  • the pressure in the cathode compartment was
  • Example 1 The differential pressure between the cathode compartment and the anode compartment was 0.3 bar, resulting in a pressure of 1.3 bar in the anode compartment.
  • the application of a differential pressure was necessary so that the gas diffusion electrode 32 was pressed onto the current collector 10.
  • the electrolysis was operated as in Example 1 at a current density of 3000 A / m 2 .
  • a voltage of 1.21 V was set.
  • Example 1 shows that at a given pressure in the cathode compartment and a constant current density set, the electrolysis cell according to the invention (Example 1) can be operated with a lower pressure in the anode compartment and a lower voltage occurs, which results in a significant reduction in the energy requirement ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysezelle, mit einem Anodenrahmen (26), einer Anode (24), einer Kationenaustauschmembran (34), einer Gasdiffusionselektrode (32), einem Stromkollektor (10) und einem Kathodenrahmen (12), wobei die Anode (24), die Kationenaustauschmembran (34), die Gasdiffusionselektrode (32) und der Stromkollektor (10) elastisch zusammengehalten werden, so dass kein Abstand zwischen den einzelnen Komponenten Anode (24), Kationenaustauschmembran (34), Gasdiffusionselektrode (32) und Stromkollektor (10) auftritt. Der elastische Zusammenhalt wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass der Stromkollektor (10) elastisch am Kathodenrahmen (12) und/oder die Anode (24) elastisch am Anodenrahmen (26) befestigt ist.

Description

Elektrolvsezelle, insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor
Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, die insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff geeignet ist.
Wässrige Lösungen von Chlorwasserstoff, nachfolgend Salzsäure genannt, fallen als Nebenprodukt bei vielen Prozessen an, insbesondere bei solchen, bei denen organische Kohlenwasserstoff- Verbindungen mit Chlor oxidierend chloriert werden. Wirtschaftlich interessant ist die Wiedergewinnung von Chlor aus diesen Salzsäuren, das dann beispielsweise für weitere Chlorierungen eingesetzt werden kann. Chlor aus Salzsäuren kann beispielsweise elektrolytisch wiedergewonnen werden.
Aus US-A-5, 770,035 ist die Elektrolyse von Salzsäure zu Chlor in einer Elektrolysezelle bekannt. Ein Anodenraum mit einer geeigneten Anode, z.B. einer edelmetallbeschichteten bzw. -dotierten Titanelektrode, wird mit der wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff gefüllt. Das an der Anode gebildete Chlor entweicht aus dem Anodenraum und wird einer geeigneten Aufbereitung zugeführt. Der Anodenraum ist von einem Kathodenraum durch eine handelsübliche Kationen- austauschermernbran getrennt. Auf der Kathodenseite liegt eine Gasdiffusionselektrode auf der Kationenaustauschermembran auf. Hinter der Gasdiffusionselektrode befindet sich ein Stromverteiler. Bei Gasdiffusionselektroden handelt es sich beispielsweise um Sauerstoffverzehrkathoden (SVK). Im Falle einer SVK als Gasdiffusionselektrode wird in den Kathodenraum üblicherweise ein sauerstoffhaltiges Gas oder reiner Sauerstoff eingeleitet, der an der SVK umgesetzt wird.
Der Anodenraum muss bei der in US-A-5, 770,035 beschriebenen Elektrolysezelle auf einem höheren Druck gehalten werden als der Kathodenraum. Dadurch wird die
Kationenaustauschermembran auf die Gasdiffusionselektrode und diese wiederum auf den Stromverteiler gedrückt. Die Einstellung des Drucks kann z.B. durch eine Flüssigkeitstauchung erfolgen, durch die das in der Anodenkammer gebildete Chlorgas geleitet wird.
Ein hoher Sauerstoffdruck im Kathodenraum ist von Vorteil, weil er zu niedrigerer Spannung und damit zu niedrigerem Energieverbrauch führt. Die aus US-A-
5,770,035 bekannte Elektrolysezelle hat dabei jedoch den Nachteil, dass der Druck im Kathodenraum, d.h. der Sauerstoffdruck, nur dann erhöht werden kann, wenn gleichzeitig der Druck im Anodenraum erhöht wird, da ansonsten die Gasdiffusionselektrode vom Stromkollektor weggedrückt wird und nicht mehr auf diesem aufliegt. Eine gleichzeitige Erhöhung des Druckes im Anodenraum ist technisch nur durch entsprechende aufwendige bauliche Veränderungen am Elektrolyseur sicherzustellen. Eine einseitige Erhöhung des Drucks im Anodenraum kann bei dem bekannten Zelldesign dazu führen, dass sich der Spalt zwischen Anode und Kationen- austaschermembran vergrößert, was zu einer unerwünschten Erhöhung der Betriebs- Spannung und somit zu einem erhöhten Energieverbrauch führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrolysezelle, insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff, zu schaffen, bei der gewährleistet ist, dass auch bei einer Druckdifferenz zwischen Anodenraum und Kathodenraum die Anode, die Kationenaustauschermembran, die
Gasdiffusionselektrode und der Stromkollektor unmittelbar aneinander anliegen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfmdungsgemäße Elektrolysezelle weist eine Anode und einen Stromkollektor auf, die jeweils von einem Anodenrahmen bzw. einem Kathodenrahmen getragen sind. Zwischen der Anode und dem Stromkollektor ist eine Kationenaustauschmembran und zwischen Kationenaustauschermembran und Stromkollektor eine Gasdiffusionselektrode angeordnet. Um das Auftreten eines Spaltes zwischen diesen
Bauteilen auch bei beispielsweise Druckdifferenzen zwischen der Anoden- und der Kathodenseite zu vermeiden, ist die Anode und/oder der Stromkollektor erfindungsgemäß elastisch mit dem Anodenrahmen bzw. dem Kathodenrahmen verbunden. Auf Grund der elastischen Verbindung wird eine Kraft auf die Anode und/oder den Stromkollektor ausgeübt, so dass die Anode in Richtung des Stromkollektors und/oder der Stromkollektor in Richtung der Anode gedrückt wird. Hierdurch werden die Anode, die Kationenaustauschmembran, die Gasdiffusionselektrode und der Stromkollektor zusammengehalten, so dass kein Spalt oder Zwischenraum zwischen diesen entstehen kann. Hierdurch ist eine unerwünschte Erhöhung der Betriebsspannung vermieden.
Die Anode und/oder der Stromkollektor sind vorzugsweise derart elastisch gehalten, dass auf die Anode und/oder den Stromkollektor Druckkräfte wirken. Ebenso ist es auch möglich, die Anode und/oder den Stromkollektor derart mit dem Anoden- bzw. Kathodenrahmen zu verbinden, dass Zugkräfte, die jeweils in Richtung der anderen Elektrode gerichtet sind, auf die Anode oder den Stromkollektor wirken.
Zum elastischen Halten der Anode und/oder des Stromkollektors kann der Anodenbzw. Kathodenrahmen elastisch ausgebildet sein oder ein elastisches Element aufweisen. Vorzugsweise ist mindestens ein elastisches Halteelement, wie beispiels- weise eine Feder, vorgesehen, die mit dem Anodenrahmen bzw. dem Kathodenrahmen verbunden ist. Besonders bevorzugt ist es, mehrere Halteelemente vorzusehen, die insbesondere regelmäßig angeordnet sind. Die Halteelemente sind vorzugsweise derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass auf die Anode und/oder den Stromkollektor eine im Wesentlichen gleichmäßige Pressung ausgeübt wird. Die Kraft pro Flächeneinheit ist somit bei im Wesentlichen flächigen Anoden oder
Stromkollektoren im Wesentlichen an jeder Stelle der Anode oder des Stromkollektors gleich.
Die Halteelemente sind vorzugsweise als Federelemente ausgebildet, bei denen es sich beispielsweise um Blatt- oder Spiralfedern handeln kann. Vorzugsweise sind die Halteelemente entweder unmittelbar mit dem Rahmen oder über eine Rückwand des Anoden- bzw. Kathodenraums mit dem entsprechenden Rahmen verbunden.
Vorzugsweise ist die Größe der Anode und/oder des Stromkollektors derart gewählt, dass diese innerhalb des Rahmens angeordnet werden kann und nicht am Rahmen anoder aufliegt. Die Anode und/oder der Stromkollektor ist somit ausschließlich von dem bzw. den Halteelementen gehalten.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt der elektrische Kontakt zur Anode und/oder zum Stromkollektor ebenfalls über die Halteelemente. Eine zusätzliche elektrische Verbindung mit Anode und/oder Stromkollektor kann bei dieser bevorzugten Ausführungsform somit entfallen. Die elastische Befestigung von
Anode und/oder Stromkollektor kann beispielsweise mittels Federn oder anderer elektrisch leitender, elastischer Verbindungen wie z.B. Kohlenstofffilzen oder Metallschwämmen erfolgen. Bevorzugt erfolgt die elastische Befestigung mittels metallischer Federn. Beispielsweise werden hierbei als Halteelemente Federn aus
Titan oder Titanlegierungen eingesetzt, da diese von den in der Elektrolysezelle vorhandenen chemischen Stoffen nicht beschädigt werden. Um die elektrische
Leitfähigkeit der Titanfedern zu verbessern, können auch z.B. Kupferfedern, die mit Titan ummantelt sind, eingesetzt werden.
Bei sämtlichen, vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ist es stets ausreichend, wenn die erforderlichen Zusammendrückkräfte in zusammengebautem Zustand der Elektrolysezelle auftreten.
Die erfindungsgemäße Zellkonstruktion stellt sicher, dass die Anode unmittelbar auf der Kationenaustauschermembran, diese unmittelbar auf der Gasdiffusionselektrode und diese wiederum unmittelbar auf dem Stromkollektor aufliegt, d.h. dass kein Spalt zwischen den genannten Komponenten besteht. Dies ist auch dann zuverlässig der Fall, wenn die Elektrolysezelle so betrieben wird, dass im Anodenraum und im
Kathodenraum unterschiedliche Drücke eingestellt werden. Auch der Anodenrahmen und der Kathodenrahmen bestehen vorzugsweise aus beständigen Werkstoffen, wie z.B. edelmetallbeschichtetem oder dotiertem Titan bzw. Titanlegierungen.
Vorzugsweise werden Gasdiffusionselektroden eingesetzt, die einen Katalysator der Platingruppe, vorzugsweise Platin oder Rhodium enthalten. Beispielhaft seien Gasdiffusionselektroden der Firma E-TEK (USA) genannt, die 30 Gew.-% Platin auf Aktivkohle mit einer Edelmetallbeschichtung der Elektrode von 1,2 mg Pt/cm2 aufweisen.
Als Kationenaustauschermembran eignen sich beispielsweise solche aus Per- fluorethylen, die als aktive Zentren Sulfonsäuregruppen enthalten. Beispielsweise können handelsübliche Membranen der Firma DuPont eingesetzt werden, etwa die Membran Nafion® 324. Es sind sowohl Einschichten-Membranen, die beidseitig
Sulfonsäuregruppen mit gleichen Äquivalentgewichten haben, als auch Membranen, die auf beiden Seiten Sulfonsäuregruppen mit unterschiedlichen Äquivalentgewichten haben, geeignet. Ebenfalls sind Membranen mit Carboxylgruppen auf der Kathodenseite denkbar.
Geeignete Anoden sind beispielsweise Titananoden, insbesondere mit einer säurefesten, Chlor entwickelnden Beschichtung, z.B. auf Basis von mit Ruthenium beschichtetem Titan.
Der kathodenseitige Stromverteiler kann beispielsweise aus Titan-Streckmetall oder edelmetallbeschichtetem Titan bestehen, wobei auch alternative beständige Werkstoffe eingesetzt werden können.
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle eignet sich insbesondere zur elektro- chemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff oder wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, insbesondere Natriumchlorid. Bei Einsatz der Elektrolysezelle ist der Druck im Kathodenraum vorzugsweise größer als der im Anodenraum, wenn der Stromkollektor elastisch gehalten ist. Dabei kann der Differenzdruck zwischen Anoden- und Kathodenraum z.B. zwischen 0,01 und 1 bar betragen, wobei auch größere Differenzdrücke möglich sind. Vorzugsweise
'beträgt der Differenzdruck 20 bis 350 mbar.
Wenn die Anode elastisch gehalten ist, ist es vorteilhaft, wenn der Druck im Anodenraum größer ist als der im Kathodenraum.
Im Folgenden wird ein mit der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle durchführbares Verfahren zur Herstellung von Chlor am Beispiel der Umsetzung von wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff näher ausgeführt. Die ebenfalls mögliche Umsetzung von Alkalichloriden, insbesondere von Natriumchlorid, kann in ähnlicher Weise erfolgen, wobei gegebenenfalls Verfahrensbedingungen zu variieren sind.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird in den Kathodenraum ein sauerstoff- haltiges Gas, beispielsweise reiner Sauerstoff, ein Gemisch aus Sauerstoff und inerten Gasen, insbesondere Stickstoff, oder Luft eingeleitet, vorzugsweise Sauer- stoff oder ein sauerstoffreiches Gas.
Besonders bevorzugt wird als sauerstoffhaltiges Gas reiner Sauerstoff, insbesondere einer Reinheit von mindestens 99 Vol.-%, eingesetzt.
Das sauerstoffhaltige Gas wird bevorzugt in einer solchen Menge zugeführt, dass
Sauerstoff bezogen auf die gemäß Gleichung (1) theoretisch benötigte Menge über- stöchiometrisch vorliegt. Hierbei beträgt der stöchiometrische Überschuss vorzugsweise das 1,1 bis 3-fache, bevorzugt das 1,2 bis 1,5-fache der stöchiometrischen Menge. Der Überschusssauerstoff kann recycliert werden, so dass der stöchio- metrische Überschuss nur eine untergeordnete Bedeutung erlangt. Anodenreaktion: 4 HC1 -» 2 Cl2 + 4 H+ + 4 e" Kathodenreaktion: O2 + 4 H+ + 4 e" → 2 H2O
Gesamtreaktion: 4 HC1 + O2 → 2 C12 + 2 H2O (1)
In die Anodenkammer wird die wässrige Lösung des Chlorwasserstoffs eingeleitet.
Die Temperatur der zugeführten wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff beträgt vorzugsweise 30 bis 80°C, insbesondere bevorzugt 50 bis 70°C.
Vorzugsweise werden wässrige Lösungen von Chlorwasserstoff mit einer Chlor- wasserstoffkonzentration von 5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 15
Gew.-%, eingesetzt.
Unabhängig von der gewählten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird die Elektrolyse vorzugsweise bei einem Druck im Anodenraum größer als 1 bar absolut durchgeführt.
Der Druck im Kathodenraum ist vorzugsweise größer als 1 bar absolut, besonders bevorzugt 1,02 bis 1,5 bar, insbesondere bevorzugt 1,05 bis 1,3 bar. Es wurde nämlich gefunden, dass bei einem höheren Druck im Kathodenraum, d.h. einem höheren Sauerstoffdruck, die Elektrolyse bei gleicher Stromdichte bei niedrigerer Spannung, d.h. mit geringerem Energieverbrauch, erfolgen kann.
Die Einstellung des Drucks im Kathodenraum kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das dem Kathodenraum zugefuhrte sauerstoffhaltige Gas durch eine Druckhalte- Vorrichtung angestaut wird. Eine geeignete Druckhaltevorrichtung ist beispielsweise eine Flüssigkeitstauchung, durch die der Kathodenraum abgesperrt wird. Eine An- drosselung über Ventile stellt ebenfalls eine geeignete Methode zur Einstellung des Drucks dar.
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1: eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit elastisch befestigtem
Stromkollektor,
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit elastisch befestigter
Anode, Fig. 3: eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit elastisch befestigtem
Stromkollektor und elastisch befestigter Anode und
Fig. 4: eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle mit elastisch befestigter Anode.
Die in den Fig. 1 bis 4 schematisch dargestellten Elektrolysezellen sind der besseren
Übersichtlichkeit wegen so dargestellt, dass die einzelnen Komponenten der Zelle zueinander Zwischenräume aufweisen. In einer zusammengebauten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle liegen die einzelnen Komponenten unmittelbar aneinander.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.
Der Stromkollektor 10 ist elastisch am Kathodenrahmen 12 befestigt. Der Kathodenrahmen 12 ist ferner mit einer Rückwand 14 verbunden. Durch den Stromkollektor 10, den Kathodenrahmen 12 und die Rückwand 14 ist ein Kathodenraum 16 ausgebildet.
Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist der Stromkollektor 10 über mehrere Spiralfedern 18 elastisch gehalten. Die Federn 18 sind über Zwischenteile, z.B. Z- oder Trapezprofile, 20 an der Rückwand 14 befestigt. Um eine gleichmäßige Andrückkraft von den Federn 18 auf den Stromkollektor 10 zu übertragen, sind je nach Größe des Stromkollektors 10 mehrere Federn 18 vorgesehen, die regelmäßig verteilt angeordnet sind. Beispielsweise sind die Federn 18 in mehreren Reihen und Spalten angeordnet, um einen im Wesentlichen rechteckigen Stromkollektor 10 zu halten. Der Stromkollektor 10 ist von einer im zusammengebauten Zustand am Kathodenrahmen 12 anliegenden Dichtung 22 umgeben. Die Form der Dichtung 22 entspricht im Wesentlichen der Form des Kathodenrahmens 12.
Dem Stromkollektor 10 gegenüberliegend ist eine Anode 24 vorgesehen, die von einem Anodenrahmen 26 getragen wird. Die Befestigung kann hierbei beispielsweise durch geeignete an dem Anodenrahmen 26 vorgesehene Ansätze oder an der Rückwand 28 angebrachte Z- oder Trapezprofile (hier nicht dargestellt) erfolgen, auf denen die Anode 24 aufliegt. Entsprechend dem Kathodenraum 16 ist durch den Anodenrahmen 26, die Anode 24 und eine Rückwand 28 ein Anodenraum 30 ausgebildet. Zwischen der Anode 24 und dem Stromkollektor 10 ist eine Gasdiffusionselektrode 32 sowie eine Kationenaustauschmembran 34 angeordnet. Die Abmessungen der Gasdiffusionselektrode 32 sind vorzugsweise derart, dass diese den Stromkollektor 10 vollständig bedeckt. Die Kationenaustauschmembran 34 ist hingegen größer, so dass diese zwischen den beiden Rahmen 12,26 angeordnet ist und von den Rahmen 12,26 in zusammengebautem Zustand gehalten wird. Des Weiteren ist um eine sichere Abdichtung der beiden Rahmen 12,26 und der beiden Räume 16,30 zu gewährleisten, zwischen der Kationenaustauschmembran 34 und dem Anodenrahmen 26 eine Dichtung 36 sowie zwischen der Kationenaustauscher- membran 34 und Kathodenrahmen 12 eine Dichtung 22 vorgesehen.
Bei dieser Ausführungsform wird beim Zusammenbau der Zelle die Gasdiffusionselektrode 32 von dem Stromkollektor 10 auf die Kationenaustauschermembran 34 und diese auf die Anode 24 gedrückt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Anode 24 mit der Dichtung 36 im eingebauten Zustand eine Ebene bildet.
Durch die erfindungsgemäße Konstruktion (Fig. 1) kann unabhängig vom Druck im Anodenraum 30 der Druck im Kathodenraum 16 gewählt werden. Vorzugsweise wird bei dieser Ausführungsvariante im Kathodenraum 16 eine höherer Druck als im Anodenraum 30 gewählt. Die einzelnen Elemente der Elektrolysezelle werden mittels der Dichtungen 22,36 abgedichtet. Im Betrieb wird der Anodenraum 30 wird über einen HCl-Einlass 38 mit Salzsäure gefüllt und der Kathodenraum 16 über einen 02-Einlass 40 mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Gas. Die Temperatur der Salzsäure beträgt bei der Elektrolyse vorzugsweise 50 bis 70°C. Die Elektrolyse kann aber auch bei niedrigerer Temperatur durchgeführt werden. Während des Elektrolysebetriebes kann der Anodenraum 30 von der Salzsäure durchströmt werden. Das gebildete Chlor verlässt den Anodenraum 30 z.B. oben über einen Cl2-Auslass 42. Ebenso ist denkbar, dass andere Durchströmungsvarianten gewählt werden. So ist z.B. eine Durchströmung des Anodenraumes 30, von oben nach unten möglich. Ebenfalls denkbar ist, dass keine
Zwangsströmung von außen mittels einer Pumpe aufgegeben wird. Durch die Bildung von Chlor entsteht ein Auftrieb innerhalb des Anodenraumes 30 der zu Pumpzwecken genutzt werden kann (Mamutpumpenprinzip). So können durch Einbauten, z.B. geeignete Leitbleche oder dgl., im Anodenraum 30 mit der entstehenden Strömung Konzentrationsdifferenzen vermieden werden.
Der Kathodenraum 16 kann vom Sauerstoff bzw. dem sauerstoffhaltigen Gas durchströmt werden. Es ist ebenfalls denkbar, den Sauerstoff innerhalb des Kathodenraumes 16 durch Einbauten in seiner Strömungsrichtung zu beeinflussen. So können z.B. poröse Materialien, elektrisch leitende wie auch nichtleitende, im Raum hinter dem Stromkollektor 10 eingesetzt werden. Der Sauerstoff kann wie in der Fig. 1 dargestellt über den O2-Einlass 40 von unten eingeleitet und über einen O2-Auslass 44 oben wieder abgeführt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Sauerstoff von oben nach unten strömt oder dass eine seitliche Strömung im Kathodenraum 16 von z.B. unten links nach oben rechts erfolgt. Bezüglich der ablaufenden Reaktion sollte überstöchiometrisch Sauerstoff angeboten werden.
Die Anode 24 kann so in die Elektrolysezelle eingebaut werden, dass sie über den
Anodenrahmen 26 soweit hinausragt, dass bei aufgelegter Dichtung 36 die Anode 24 mit der Dichtung 36 eine Fläche bildet. Es ist ebenfalls möglich, dass die Anode 24 soweit unterhalb der Dichtung 36 liegt, dass im zusammengebauten Zustand der Zellkomponenten die Dichtung 36 mit der Anode 24 eine Ebene bildet. Hierbei ist die Kompressibilität der Dichtung 36 und die Anzugsmomente beim Zusammenbau der Zellkomponenten zu berücksichtigen.
Wird der Stromkollektor 10 wie in Fig. 1 dargestellt elastisch mit der Rückwand 14 verbunden, so kann der Druck im Anoden- und im Kathodenraum gleich groß gewählt werden. Es ist ebenso denkbar, dass der Druck im Kathodenraum 16 größer ist als der im Anodenraum 30. Diese Druckdifferenz kann auch bei höherem absoluten Druck gewählt werden.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform entspricht prinzipiell der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform. Identische oder ähnliche Bestandteile sind daher mit den selben Bezugszeichen gekennzeichnet. Der einzige Unterschied gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass nicht der Stromkollektor 10, sondern die Anode 24 über die Federn 8 und die Zwischenteile, z.B. Z- oder Trapezprofile, 20 mit der Rückwand 28 verbunden sind. Somit ist nicht der Stromkollektor 10, sondern die Anode 24 elastisch über die Rückwand 28 mit dem Anodenrahmen 26 verbunden.
Im eingebauten Zustand wird die Anode 24 durch die metallischen Federn 18 auf die
Kationenaustauschmembran 34, diese auf die Gasdiffusionselektrode 32 und diese wiederum auf den Stromkollektor 10 gedrückt. Die Stoffströme (Sauerstoff und Salzsäure) können in ähnlicher Weise geführt werden, wie in der Ausführungsvariante, die in Fig. 1 dargestellt ist.
Wird die Anode 24 wie in Fig. 2 dargestellt über die Rückwand 28 elastisch mit dem Anodenrahmen 26 verbunden, so kann der Druck im Kathodenraum 16 gleich groß wie der im Anodenraum 30 gewählt werden. Der Druck im Anodenraum 30 sollte jedoch mindestens gleich groß wie der im Kathodenraum 16 sein, damit die Gas- diffusionselektrode 32 auf dem Stromkollektor 10 aufliegt. Die dritte Ausführungsform (Fig. 3) ist eine Kombination der in Fign. 1 und 2 dargestellten Ausfiihrungsformen. In dieser Ausfuhrungsform ist sowohl die Anode 24 als auch der Stromkollektor 10 über Federn 18 elastisch mit der Rückwand 28 bzw. 14 verbunden.
In zusammengebautem Zustand drückt somit die Anode 24 gegen die Kationenaustauschmembran 34 und der gegenüberliegende Stromkollektor 10 drückt gegen die Gasdiffusionselektrode 32, so dass in dieser Ausführungsform eine besonders hohe Sicherheit besteht, dass die entsprechenden Komponenten der Elektrolysezelle ohne Spalt aneinander anliegen. Die Stoffführung von Sauerstoff und Salzsäure kann ähnlich erfolgen wie in den anhand Fign. 1 und 2 dargestellten Ausfiihrungsformen.
Werden wie in Fig. 3 dargestellt sowohl der Stromkollektor 10 als auch die Anode 24 elastisch verbunden, so kann die Elektrolysezelle in einem großen Druckbereich be- trieben werden, bei dem gewährleistet wird, dass die Gasdiffusionselektrode 32 auf den Stromkollektor 10 aufliegt.
Die vierte Ausfuhrungsform (Fig. 4) entspricht prinzipiell ebenfalls den anhand Fign. 1 bis 3 beschriebenen Elektrolysezelle. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind daher wiederum mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der wesentliche Unterschied der in Fig. 4 dargestellten Elektrolysezelle besteht in der Art der verwendeten Halteelemente 46. Bei den Halteelementen 46 handelt es sich nicht um Spiralfedern 18, wie bei den in den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen, sondern um eine Art Blattfeder, die an einer Innenseite 48 des Anodenrahmens 26 und der Anode 24 befestigt ist. Durch das Halteelement 46 wird ebenfalls eine in Richtung des
Stromkollektors 10 wirkende Kraft auf die Anode 24 aufgebracht, so dass auch diese Ausführungsform kein Spalt zwischen Stromkollektor 10, Gasdiffusionselektrode 32, Kationenaustauschmembran 34 und Anode 24 besteht. Entsprechend den Federn 18 (Fig. 1 - 3) können auch die Halteelemente 46 als elektrische Kontakte dienen. Femer ist es möglich, zusätzlich oder anstelle der Anode 24 der Stromkollektor 10 mit entsprechenden Halteelementen 46 an dem Kathodenrahmen 12 zu befestigen.
Die möglichen Druckdifferenzen sowie die Stoffstromführung ist je nach Anordnung der Halteelemente 46 zumindest durch ein Halten der Anode 24 und/oder des Stromkollektors 10 wie vorstehend beschrieben möglich.
In den folgenden Beispielen wird ein mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbares Verfahren weiter erläutert, wobei die Beispiele nicht als Ein- schränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens zu verstehen sind.
Beispiel 1
Es wurde eine Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff in einer Elektrolysezelle durchgeführt, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt und oben näher beschrieben ist.
Die Anode 24 war so in die Elektrolysezelle eingebaut, dass sie über den Anodenrahmen 26 soweit hinausragte, dass bei aufgelegter Dichtung 36 die Anode 24 mit der Dichtung 36 eine Fläche bildete. Die Anode 24, der Anodenrahmen 26, der Stromkollektor 10, der Kathodenrahmen 12 und die elektrisch leitenden Federn 18 bestanden aus einer Titan-Palladium-Legierung mit 0,2 Gew.-% Palladium. Die Anode 24 war in Form eines Streckmetalls ausgebildet und wurde zusätzlich mit einer Ruthenium-Oxidschicht aktiviert. Die Dicke des Streckmetalls betrug 1,5 mm. Die Dichtungen 36 bestanden aus einem Fluorelastomer, wie es von der Firma DuPont unter der Bezeichnung Viton® vertrieben wird. Der Stromkollektor 10 war ebenfalls in Form eines Ruthentium-Oxid beschichteten Titan-Streckmetalls ausgebildet. Die Kontaktierung des Stromkollektors 10 zu den elastischen Federn 18 erfolgte durch Punktschweißen. Als Gasdiffusionselektrode 32 wurde eine Gasdiffusionselektrode der Fa. E-TEK, USA auf Kohlenstoffbasis mit Platin-Katalysator ein- gesetzt. Bei der Kationenaustauschermembran 34 handelte es sich um eine Membran der Fa. DuPont auf Basis eines Perfluorsulfonatpolymers, die unter der Bezeichnung Nafion® 324 kommerziell verfügbar ist. Durch die Kationenaustauschermembran 34 wurde die Elektrolysezelle in einen Anoden- und einen Kathodenraum getrennt.
Der Anodenraum wurde mit einer 14 gew.-%igen Salzsäure beschickt. Die Temperatur der Salzsäure betrug 53°C. Der Kathodenraum wurde mit reinem Sauerstoff mit einem Gehalt von mehr als 99 Vol.-% beschickt. Der Druck im Kathodenraum betrug 1 bar. Der Differenzdruck zwischen Kathodenraum und Anodenraum betrug 0 bar. Die Elektrolyse wurde bei einer Stromdichte von 3000 A/m2 betrieben, wobei sich eine Spannung von 1,05 V einstellte. Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Es wurde eine Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff in einer Elektrolysezelle durchgeführt, wie sie in Beispiel 1 beschrieben ist, wobei in diesem Fall jedoch der Stromkollektor 10 nicht elastisch mit dem Kathodenrahmen 12 verbunden war.
Der Anodenraum wurde mit einer 14 gew.-%igen Salzsäure beschickt. Die Temperatur der Salzsäure betrug 53°C. Der Kathodenraum wurde mit reinem Sauerstoff mit einem Gehalt von mehr als 99 Vol.-% beschickt. Der Druck im Kathodenraum betrug
1 bar. Der Differenzdruck zwischen Kathodenraum und Anodenraum betrag 0,3 bar, so dass sich im Anodenraum ein Druck von 1,3 bar ergab. Das Anlegen eines Differenzdrucks war im Gegensatz zum Vorgehen nach Beispiel 1 notwendig, damit die Gasdiffusionselektrode 32 auf den Stromkollektor 10 gedrückt wurde. Die Elektrolyse wurde, wie in Beispiel 1 bei einer Stromdichte von 3000 A/m2 betrieben.
Dabei stellte sich eine Spannung von 1,21 V ein.
Der Vergleich der Beispiele 1 und 2 zeigt, dass bei gegebenem Druck im Kathodenraum und konstant eingestellter Stromdichte die erfindungsgemäße Elektrolysezelle (Beispiel 1) mit geringerem Druck im Anodenraum betrieben werden kann und dabei eine geringere Spannung auftritt, was eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs zur Folge hat.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysezelle, insbesondere zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff mit
einem eine Anode (24) tragenden Anodenrahmen (26),
einem einen Stromkollektor (10) tragenden Kathodenrahmen (12),
eine zwischen der Anode (24) und dem Stromkollektor (10) angeordnete Kationenaustauschmembran (34) und eine zwischen der Anode (24) und dem Stromkollektor (10) angeordneten Gasdiffusionselektrode (32),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anode (24) mit dem Anodenrahmen (26) und/oder der Stromkollektor (10) mit dem Kathodenrahmen (12) zum Zusammenhalten von Anode (24), Kationenaustauschmembran (34), Gasdiffusionselektrode (32) und Stromkollektor (10) elastisch verbunden ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anode (24) und dem Anodenrahmen (26) und/oder dem Stromkollektor (10) und dem Kathodenrahmen (12) ein elastisches Halteelement (18,46) vorgesehen ist.
Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Halteelemente (18,46) vorgesehen sind.
4. Elektrolysezelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement bzw. die Halteelemente (18,46) derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass die Anode (24) und/oder der Stromkollektor (10) eine im Wesentlichen gleichmäßige Flächenpressung ausübt.
5. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die Halteelemente (18,46) als Federelemente ausgebildet sind.
6. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt zur Anode (24) und/oder zum Stromkollektor (10) mittels der Halteelemente (18,46) erfolgt.
7. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenrahmen (26) und/oder der Kathodenrahmen (12) eine Rückwand (28 bzw. 14) aufweisen, mit der das bzw. die Halteelemente (18) verbunden sind.
8. Elektrolysezelle nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (24) und/oder der Stromkollektor (10) ausschließlich von dem bzw. den elastischen Halteelementen (18,46) gehalten sind.
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