EP1740739A1 - Elektrochemische zelle - Google Patents

Elektrochemische zelle

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EP1740739A1
EP1740739A1 EP05732004A EP05732004A EP1740739A1 EP 1740739 A1 EP1740739 A1 EP 1740739A1 EP 05732004 A EP05732004 A EP 05732004A EP 05732004 A EP05732004 A EP 05732004A EP 1740739 A1 EP1740739 A1 EP 1740739A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolyte
gap
gas
overflow
inlet
Prior art date
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Granted
Application number
EP05732004A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1740739B1 (de
Inventor
Fritz Gestermann
Andreas Bulan
Hans-Dieter Pinter
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Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
Publication of EP1740739A1 publication Critical patent/EP1740739A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1740739B1 publication Critical patent/EP1740739B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes

Definitions

  • the invention relates to an electrochemical cell, at least consisting of an anode half cell with an anode, a cathode half cell with a cathode and an ion exchange membrane arranged between the anode half cell and cathode half cell, the anode and / or the cathode being a gas diffusion electrode.
  • the invention further relates to a method for the electrolysis of an aqueous solution of alkali chloride.
  • WO 01/57290 From WO 01/57290 an electrolysis cell with a gas diffusion electrode is known, in which a porous layer is provided in the gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane. The electrolyte flows from top to bottom over the porous layer under the influence of gravity through the gap.
  • the porous layer according to WO-A 01/57290 can consist of foams, wire nets or the like.
  • US Pat. No. 6,117,286 also describes an electrolysis cell with a gas diffusion electrode for the electrolysis of a sodium chloride solution, in which there is a layer made of a hydrophilic material in the gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane.
  • the layer of hydrophilic material preferably has a porous structure which contains a corrosion-resistant metal or resin. As a porous structure e.g. Nets, fabrics or foams can be used.
  • Sodium hydroxide, the electrolyte flows under the force of gravity down over the layer of hydrophilic material to the bottom of the electrolytic cell.
  • EP-A 1 033 419 discloses an electrolysis cell with a gas diffusion electrode as the cathode for the electrolysis of a sodium chloride solution.
  • a hydrophilic, porous material through which the electrolyte flows is provided in the cathode half-cell, in which the electrolyte flows downward, separated from the gas space by a gas diffusion electrode.
  • Metals, metal oxides or organic materials come into consideration as the porous material if they are corrosion-resistant.
  • the gas can accumulate within the porous layer, which creates the disadvantages mentioned above.
  • gas from the gas space can also pass from the gas space into the gap through the gas diffusion electrode.
  • gas diffusion electrodes tend to allow more gas to pass through at non-wetted points, so that the effect is intensified.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrolysis cell which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the invention relates to an electrochemical cell, at least consisting of an anode half cell with an anode, a cathode half cell with a cathode and an ion exchange membrane arranged between the anode half cell and cathode half cell, the anode and / or the cathode being a gas diffusion electrode, between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane Gap, an electrolyte inlet above the gap and an electrolyte outlet below the gap and a gas inlet and a gas outlet is arranged, characterized in that the electrolyte inlet is connected to an electrolyte reservoir and has an overflow.
  • the electrolyte flows through the half cell from top to bottom in the gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane. Accordingly, there is an electrolyte inlet above the gap and an electrolyte outlet below the gap in the electrolytic cell according to the invention.
  • the gap is completely filled by the flowing electrolyte.
  • the remaining space of the half cell behind the gas diffusion electrode i.e. the space on the side of the gas diffusion electrode facing away from the ion exchange membrane, which is referred to as the gas space, is filled with gas.
  • the gas is fed into the gas space through the gas inlet and discharged through the gas outlet.
  • the electrolyte feed forms a channel horizontally above the gap, which extends over the entire width of the electrochemical cell.
  • the electrolyte can be fed uniformly over the entire width from above into the gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane.
  • the electrolyte inlet has, for example, numerous openings which are directed downward and through which the electrolyte flows into the gap during operation of the electrolysis cell.
  • a gap-shaped or slit-shaped opening can also be provided, which extends over the entire width of the gap.
  • the electrolyte leaves the half-cell via the electrolyte outlet and arrives in an electrolyte collecting container, the electrolyte outlet having to be immersed in the electrolyte collecting container in order to prevent an uncontrolled gas flow through the electrolyte collecting container from cell to cell (in the case of several electrolysis cells connected to one another).
  • the electrochemical cell according to the invention is also referred to as a falling film cell.
  • Their trouble-free operation depends crucially on the safe supply of the electrode with electrolyte.
  • the width of a technical electrolysis cell can be more than 2000 mm. This means that an even supply of electrolyte to the electrode must be guaranteed over the entire width.
  • gas diffusion electrode is used as the electrode, gas from the gas space can enter the gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane through the gas diffusion electrode. The gas must be able to be reliably removed from the gap, since an accumulation of gas in the gap must be avoided.
  • the uniform feeding of the gas diffusion electrode with electrolyte, which flows from top to bottom in the gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, is achieved in the electrolytic cell according to the invention in that the electrolyte inlet is connected to an electrolyte reservoir and has an overflow.
  • the electrolyte reservoir is preferably arranged 30 to 200 cm above the electrolyte feed.
  • the electrolyte reservoir is connected to the electrolyte feed via a pump.
  • the electrolyte reservoir can in principle be arranged at any point, for example below the electrochemical cell. With the help of the pump, the electrolyte is pumped into the electrolyte inlet with the desired north pressure.
  • the electrolyte reservoir can in principle be connected to the electrolyte inlet at any point, e.g. at one end of the electrolyte feed. If several electrolysis cells according to the invention are connected to form an electrolyser, a single electrolyte reservoir can be used to supply all the electrolysis cells of the electrolyser. Alternatively, each of the electrolytic cells can be used. be equipped with a separate standard container.
  • the electrolyte feed has an overflow.
  • the overflow preferably has a height of 0 to 190 cm, particularly preferably 1 to 190 cm above the entry into the gap.
  • the height of the overflow can be less than 1 cm; the overflow is at the same level as it enters the gap.
  • the overflow ensures that a certain amount of electrolyte always builds up in the electrolyte feed during operation of the electrolysis cell. It is crucial for the height of the overflow that it builds up a quantity of electrolyte in the electrolyte inlet which is sufficient to continuously supply the gap with electrolyte over its entire width.
  • a valve, a diaphragm, for example in the form of a perforated disk, or the like can be provided in the feed line which connects the electrolyte reservoir to the electrolyte inlet.
  • the targeted overflow of the electrolyte from the electrolyte feed allows the gap to be evenly supplied with electrolyte across the entire width of the electrode, as well as the safe removal of gas from the gap.
  • the overflow flow prevents the electrolyte level in the electrolyte inlet from dropping so far that the falling film of the electrolyte in the gap breaks off.
  • the overflow also ensures, among other things, that gas bubbles which rise from the gap into the electrolyte inlet are carried away with the electrolyte.
  • the overflow can in principle be positioned anywhere along the electrolyte feed. He can e.g. be provided at one end of the electrolyte feed.
  • the overflow can for example be designed as an overflow channel.
  • Such an overflow channel can be arranged either outside or inside the cathode half-cell. Excess electrolyte, which does not flow downward in the gap, flows from the electrolyte inlet into the overflow channel and is removed from the overflow channel from the electrolysis cell e.g. discharged into an electrolyte collection container.
  • the overflow channel can be designed, for example, as a hose or tube, optionally with a perforated screen or the like.
  • the overflow channel is e.g. directed upwards. This can e.g. be designed as a U-shaped channel so that excess electrolyte first fills the leg of the U-shaped overflow channel connected to the electrolyte inlet and flows off again via the second leg.
  • the overflow channel is directed upwards, e.g. U-shaped
  • the height between the upper vertex of the upward overflow channel and the electrolyte inlet (hereinafter referred to as g) is preferably 0 to 190 cm, particularly preferably 1 to 190 cm. This applies analogously to any form of overflow.
  • the overflow channel can also be designed as a standpipe or vertical shaft, channel or the like within the electrolysis half cell.
  • the excess electrolyte is removed from the electrolysis cell and passed, for example, into a collection container.
  • the entry into the standpipe is preferably at least 1 cm above the Level of the gap, so that uniform feeding over the full width of the cell is guaranteed.
  • the electrolyte discharged via the overflow is preferably passed into a collecting container. This can be done, for example, through a channel arranged outside the electrolytic cell, e.g. a hose or pipe.
  • the collection container can be connected to the storage container, so that the electrolyte can be pumped from the storage container into the storage container and fed back to the electrolysis cell.
  • the amount of electrolyte that flows from the storage container into the electrolyte inlet depends on the height difference between the liquid level of the electrolyte in the storage container and the liquid level in the electrolyte inlet.
  • the height difference defined in this way is also referred to below as h.
  • the liquid level in the electrolyte feed in turn depends on the height of the overflow, which determines how much the electrolyte is dammed up in the electrolyte feed. If the electrolyte is fed to the electrolyte feed from the storage tank by means of a pump, the amount of electrolyte which is fed into the electrolyte feed depends on the delivery head h of the pump.
  • an overflow channel can be provided, which is arranged essentially horizontally. Excess electrolyte can also be removed from the electrolysis cell via such a horizontally arranged overflow channel.
  • the pressure of the electrolyte in the channel-shaped electrolyte inlet above the gap increases.
  • the pressure in the electrolyte inlet can be adjusted by selecting the height g of the overflow channel. As the pressure increases, more electrolyte can be passed through the gap. Thus, the gap can be acted upon with different amounts of electrolyte at different current densities. This is advantageous, for example, if the electrolyte is strongly concentrated at high current densities and damage to the ion exchange membrane j can occur as a result. However, this can be avoided if the electrolyte is passed through the gap with a larger volume flow.
  • the pressure in the electrolyte feed can be set in a targeted manner. Make sure that g is less than or equal to h.
  • the advantage of the electrolysis cell according to the invention is that the simple principle of the free overflow means that the gap between the gas diffusion electrodes is evenly fed. trode and the ion exchange membrane and the safe removal of gas from the gap is possible.
  • the flow velocity in the gap can be easily regulated using the overflow.
  • a dynamic pressure increase in the gap between the gas diffusion electrode and the membrane which is dangerous for the gas diffusion electrode can be avoided, which could be caused, for example, by direct feeding of the electrolyte by means of a pump without a functioning free overflow of the electrolyte feed.
  • Oxygen, air or oxygen-enriched air (hereinafter simply referred to as oxygen) is fed from a receiver (also referred to as a gas collection container), preferably below the gas space, into the gas space of the half-cell with a gas diffusion electrode.
  • the supply takes place via a gas distribution pipe as a gas inlet evenly over the entire width of the half-cell.
  • the unused oxygen is discharged from the gas space via a gas outlet in the upper area of the half cell.
  • the gas supply can also take place in the upper region and the gas discharge in the lower region of the electrolysis half cell.
  • the gas outlet is connected to the electrolyte reservoir, so that the electrolyte reservoir also serves as a gas collector for excess oxygen.
  • the unused oxygen is fed from the gas space via a gas line as a gas outlet to the electrolyte reservoir, the gas line preferably submerging below the liquid level of the electrolyte. If the gas line is immersed in the electrolyte reservoir and at the same time the electrolyte drain is also immersed in the electrolyte reservoir, the immersion of the gas line in the electrolyte reservoir must not be deeper than the immersion of the electrolyte drain in the reservoir. The excess oxygen can be recycled for optimal use.
  • the electrolyte storage container also serves as a gas collection container, has the advantage that only one storage container is required for the oxygen and the electrolyte.
  • the electrolyte storage tank can also be arranged below the electrolysis cell, the electrolyte being pumped from the electrolyte storage tank into the electrolyte inlet by means of a pump, provided that the free discharge of the excess electrolyte via the overflow channel is ensured (control of the overflow channel not flowing across the entire surface).
  • the gas outlet is connected to a gas collection container and the gas space is closed off from the gap.
  • the gas space can, for example, by means of a Plate, for example a metal plate, be closed off from the gap.
  • the gas collection container is a separate collection container into which excess oxygen flows as a gas outlet via a gas line. In this way, the oxygen pressure can be set independently of the pressure conditions in the gap.
  • the gas also has drainage openings at the lower end.
  • flow guide structures are provided in the gap.
  • the flow guide structures prevent a free fall of the electrolyte in the gap, so that the flow speed is reduced compared to the free fall. At the same time, however, the electrolyte must not build up in the gap due to the flow guide structures.
  • the flow control structures are selected so that the pressure loss of the hydrostatic liquid column in the gap is compensated for. Examples of flow guide structures are known from WO 03/042430 and WO 01/57290.
  • the flow guide structures can also consist of thin plates, foils or the like, which have openings for the electrolyte to flow through. They are across, i.e. arranged perpendicular or obliquely to the flow direction of the electrolyte in the gap.
  • the plate-shaped flow guide structures are preferably inclined with respect to the horizontal, wherein they are inclined either only in one axis or in both axes. If the flow guide structures are arranged obliquely to the direction of flow, they can be inclined both in the direction of the ion exchange membrane and in the direction of the gas diffusion electrode. In addition, the flow guide structures can be inclined across the width of the electrochemical cell.
  • Another object of the invention is a method for the electrolysis of an aqueous alkali halide solution in the electrochemical cell according to the invention.
  • the method is characterized in that the electrolyte from the electrolyte supply container is supplied in excess to the electrolyte inlet, the electrolyte flows from the electrolyte inlet into the gap and out of the gap into the electrolyte outlet and flows out of the electrolyte inlet via the overflow.
  • an excess of electrolyte in the electrolyte feed means that the electrolyte feed is always filled uniformly over the entire width with at least one electrolyte film. So while electrolyte always flows through the gap during operation of the electrolytic cell, at the same time a certain electrolyte level must always be present in the electrolyte inlet over the entire width of the electrolyte inlet. This is best guaranteed if a certain amount of electrolyte always flows out of the electrolyte inlet not only via the gap, but also via the overflow.
  • the excess of the electrolyte which is discharged via the overflow is preferably 0.5 to 30% by volume, particularly preferably 1 to 20% by volume.
  • the amount of electrolyte that a falling film cell requires for its trouble-free operation depends only on the design of the falling film cell, but not on the current densities selected. Therefore, the excess electrolyte only has to be set once at the beginning of the electrolysis operation and only has to be kept constant during operation.
  • the effective height ratio h to g must be selected so that the electrolyte concentration necessary for the optimal operation of the electrolytic cell is established in the gap.
  • the electrochemical cell according to the invention can be used for different electrolysis processes in which at least one electrode is a gas diffusion electrode.
  • the gas diffusion electrode preferably functions as a cathode, particularly preferably as an oxygen consumable cathode, the gas supplied to the electrochemical cell being an oxygen-containing gas, e.g. Air, oxygen-enriched air or oxygen itself.
  • the cell according to the invention is preferably used for the electrolysis of an aqueous solution of an alkali halide, in particular sodium chloride.
  • the gas diffusion electrode is constructed, for example, as follows: the gas diffusion electrode consists at least of an electrically conductive carrier and an electrochemically active coating.
  • the electrically conductive carrier is preferably a mesh, woven fabric, braid, knitted fabric, fleece or foam made of metal, in particular made of nickel, silver or silver-plated nickel.
  • the electrochemically active coating preferably consists of at least one catalyst, e.g. Silver (I) oxide, and a binder, e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the electrochemically active coating can be constructed from one or more layers.
  • a gas diffusion layer for example made of a mixture of carbon and polytetrafluoroethylene, can be provided, which is applied to the carrier.
  • Electrodes made of titanium can be used as anode, e.g. are coated with ruthenium-iridium-titanium oxides or ruthenium-titanium oxide.
  • ion exchange membrane a commercially available membrane, for example, the Fa. DuPont, may be used, for example Nafion ® NX2010.
  • the electrolysis cell according to the invention which is suitable for the electrolysis of an aqueous sodium chloride solution, has a gap between the gas diffusion electrode and the ion exchange membrane, preferably with a width of 0.2 to 5 mm, particularly preferably from 0.5 to 3 mm.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through an embodiment of the electrolytic cell according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through the electrolytic cell according to FIG. 1.
  • Electrolyte flows from the electrolyte storage container 7 via an electrolyte feed line 8 into the electrolyte feed 10 of the electrolysis half cell with gas diffusion electrode 4 (FIG. 2).
  • the electrolyte reservoir 7 is arranged above the electrolyte inlet 10.
  • the electrolyte inlet 10 runs longitudinally over the entire width of the electrolytic half cell above the gap 11 (FIG. 2).
  • the height difference between the liquid level in the storage container 7 and the liquid level in the electrolyte inlet 10 is denoted by h.
  • the electrolyte flows uniformly over the entire width of the electrolysis half cell via the electrolyte inlet 10 at the top into the gap 11 (FIG. 2).
  • the electrolyte flows downward into the electrolyte drain 20 (FIG. 2), which is open to the gas space 5 (FIG. 2), and from the electrolyte drain 20 via an electrolyte drain 15 into an electrolyte collecting container 14.
  • the gas space 5 is finished with a metal plate, e.g. a sheet, 23 separated from the electrolyte drain 20.
  • a metal plate e.g. a sheet, 23 separated from the electrolyte drain 20.
  • the oxygen pressure can thus be set independently of the pressure conditions in the gap 11 and brought to optimal operating conditions for the gas diffusion electrodes. Drainage openings (not shown here) allow any condensate that has accumulated to be removed from the rear of the gas diffusion electrode.
  • the electrolysis half-cell has an overflow channel 13, which is shown in FIG. Embodiment is U-shaped, with the apex of the U-shaped channel pointing upwards.
  • an additional overflow channel 12 is provided in the illustrated embodiment, which is arranged essentially horizontally. Excess electrolyte, which does not flow out in the gap 11, flows via the overflow channel 12 into a side channel 21, which is essentially arranged vertically to the side of the electrolysis half-cell and discharges excess electrolyte downwards. Excess electrolyte is collected in the electrolyte collecting container 14.
  • the gas distributor tube 18 thus forms the gas entry into the electrolysis half cell.
  • Unused oxygen can leave the gas space 5 via a gas line 9 as a gas outlet and flow into the electrolyte storage container 7.
  • the electrolyte storage container 7 also serves as a gas collection container.
  • a pump 30 is provided in the embodiment according to FIG. 1, which pumps electrolyte from the collecting container 14 into the storage container 7.
  • Figure 2 shows the electrolytic cell according to Figure 1 in cross section. It consists of an anode half cell 1 with an anode 6 and a cathode half cell 22 with a gas diffusion electrode 4 as the cathode.
  • the two half cells 1, 22 are separated from one another by an ion exchange membrane 3.
  • a gas space 5 is arranged behind the gas diffusion electrode 4. The gas space 5 thus forms the rear space behind the gas diffusion electrode 4.
  • electrolyte flows from the electrolyte inlet 10 into the gap 11 and from the gap 11 into the electrolyte outlet 20 until the electrolyte is finally collected in the electrolyte collecting container 14 via the electrolyte drain 15.
  • Gas which flows into the gas space 5 via the gas distributor pipe 18 can flow via the gas outlet 9 into the electrolyte reservoir 7 above the electrolysis cell.
  • a metal plate 23 separates the gas space 5 from the electrolyte drain 20.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine elektrochemische Zelle, wenigstens bestehend aus einer Anodenhalbzelle (1) mit einer Anode (6), einer Kathodenhalbzelle (22) mit einer Kathode (4) und einer zwischen Anodenhalbzelle (1) und Kathodenhalbzelle (22) angeordneten Ionenaustauschermembran (3), wobei die Anode (6) und/oder die Kathode (4) eine Gasdiffusionselektrode ist, zwischen der Gasdiffusionselektrode (4) und der Ionenaustauschermembran (3) ein Spalt (11), ein Elektrolytzulauf (10) oberhalb des Spaltes (11) und ein Elektrolytablauf (20) unterhalb des Spaltes (11) sowie ein Gaseintritt (18) und ein Gasaustritt (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytzulauf (10) mit einem Elektrolytvorlagebehälter (7) verbunden ist und einen Überlauf aufweist.

Description

Elektrochemische Zelle
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, wenigstens bestehend aus einer Anodenhalbzelle mit einer Anode, einer Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordneten Ionenaustauschermembran, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Gasdiffusionselektrode ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Alkalichlorid.
Aus' WO 01/57290 ist eine Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode bekannt, bei der in dem Spalt zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Ionenaustauschermembran eine poröse Schicht vorgesehen ist. Der Elektrolyt strömt von oben nach unten über die poröse Schicht unter Einwirkung der Schwerkraft durch den Spalt. Die poröse Schicht gemäß WO-A 01/57290 kann aus Schäumen, Drahtnetzen oder dergleichen bestehen.
In US 6 117 286 ist ebenfalls eine Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode zur Elektrolyse einer Natriumchlorid-Lösung beschrieben, in der sich eine Schicht aus einem hydrophilen Material im Spalt zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Ionenaustauschermembran befindet. Die Schicht aus hydrophilem Material hat vorzugsweise eine poröse Struktur, welche ein korrosionsbeständiges Metall oder Harz enthält. Als poröse Struktur können z.B. Netze, Gewebe oder Schäume verwendet werden. Natriumhydroxid, der Elektrolyt, strömt unter der Schwerkraft über die Schicht aus hydrophilem Material nach unten auf den Boden der Elektrolysezelle.
Weiterhin ist aus EP-A 1 033 419 eine Elektrolysezelle mit Gasdiffusionselektrode als Kathode zur Elektrolyse einer Natriumchlorid-Lösung bekannt. In der Kathodenhalbzelle, in der der Elektrolyt, von dem Gasraum durch eine Gasdiffusionselektrode getrennt, nach unten strömt, ist ein hydrophiles, poröses Material vorgesehen, durch das der Elektrolyt strömt. Als poröses Material kommen Metalle, Metalloxide oder organische Materialien in Betracht, sofern sie korrosionsbeständig sind.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Elektrolysezellen mit Gasdiffusionselektrode ist nicht sicher gestellt, dass .der Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauscher- ernbran aufgrund des porösen Materials vollständig mit Elektrolyt gefüllt werden kann. Dies ist nachteilig, da hierdurch Bereiche in dem Spalt entstehen, in denen sich Gas befindet und ansammelt. In diesen Bereichen kann kein elektrischer Strom fließen. Strom fließt ausschließlich durch elektrolytgefullte Bereiche in dem Spalt, sodass lokal eine höhere Stromdichte entsteht, die eine höhere Elektrolysespannung zur Folge hat. Sammelt sich das Gas an der Ionenaustauschermembran, so ist diese nicht mehr vollständig benetzt und kann aufgrund des fehlenden Elektrolyten beschädigt werden. Poröse Schichten haben weiterhin den Nachteil, dass Gas, welches einmal in die poröse Struktur eingetreten ist, aus dieser nur schwierig wieder heraus gelangen kann. Innerhalb der porösen Schicht kann sich das Gas ansammeln, wodurch die oben genannten Nachteile entstehen. Gas aus dem Gasraum kann unter Betriebsbedingungen auch aus dem Gasraum in den Spalt durch die Gasdiffusionselektrode hindurchtreten. Darüber hinaus neigen Gasdiffusionselektroden dazu, an nicht benetzten Stellen vermehrt Gas durchzulassen, so dass sich der Effekt verstärkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Elektrolysezelle bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Gegenstand der Erfindung ist eine_ elektrochemische Zelle, wenigstens bestehend aus einer Anodenhalbzelle mit einer Anode, einer Kathodenhalbzelle mit einer Kathode und einer zwischen Anodenhalbzelle und Kathodenhalbzelle angeordneten Ionenaustauschermembran, wobei die Anode und/oder die Kathode eine Gasdiffusionselektrode ist, zwischen der Gasdiffusionselektrode und der Ionenaustauschermembran ein Spalt, ein Elektrolytzulauf oberhalb des Spaltes und ein Elektrolytablauf unterhalb des Spaltes sowie ein Gaseintritt und ein Gasaustritt angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist.
Im Betrieb der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle strömt der Elektrolyt in dem Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran von oben nach unten durch die Halbzelle. Dementsprechend befindet sich in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ein Elektrolytzulauf oberhalb des Spaltes und ein Elektrolytablauf unterhalb des Spaltes. Der Spalt ist dabei vollständig von dem strömenden Elektrolyt angefüllt. Der übrige Raum der Halbzelle hinter der Gasdiffusionselektrode, d.h. der Raum auf der der Ionenaustauschermembran abgewandten Seite der Gasdiffusionselektrode, welcher als Gasraum bezeichnet wird, ist mit Gas gefüllt. Das Gas wird dem Gasraum durch den Gaseintritt zugeführt und durch den Gasaustritt abgeführt.
Der Elektolytzulauf bildet horizontal oberhalb des Spaltes einen Kanal, welcher sich über die gesamte Breite der elektrochemischen Zelle erstreckt. So kann mit Hilfe des kanalförmigen Elektrolytzulaufs der Elektrolyt gleichmäßig über die gesamte Breite von oben in den Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran zugeführt werden. Dazu besitzt der Elektrolytzulauf z.B. zahlreiche Öffnungen, welche nach unten gerichtet sind, über die der Elektrolyt im Betrieb der Elektrolysezelle in den Spalt strömt. Anstelle von melireren Öffnungen kann auch eine spalt- oder schlitzförmige Öffnung vorgesehen sein, welche sich über die gesamte Breite des Spaltes erstreckt. Der Elektrolyt verlässt die Halbzelle über den Elektrolytablauf und gelangt in einen Elektrolytsammelbehälter, wobei der Elektrolytablauf in dem Elektrolytsammelbehälter getaucht sein muss, um einen unkontrollierten Gasstrom über den Elektrolytsammelbehälter von Zelle zu Zelle (bei mehreren zu einem Elektrolyseur miteinander verbundenen Elektrolysezellen) zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle wird auch als Fallfilmzelle bezeichnet. Ihr störungsfreier Betrieb hängt entscheidend von der sicheren Versorgung der Elektrode mit Elektrolyt ab. Bei einer technischen Elektrolysezelle kann die Breite mehr als 2000 mm betragen. Dies bedeutet, dass eine gleichmäßige Bespeisung der Elektrode mit Elektrolyt über die gesamte Breite gewährleistet sein muss. Wird als Elektrode eine Gasdiffusionselektrode eingesetzt, kann Gas aus dem Gasraum durch die Gasdiffusionselektrode hindurch in den Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran eintreten. Das Gas muss aus dem Spalt zuverlässig abgeführt werden können, da eine Anreicherung von Gas in dem Spalt vermieden werden muss.
Die gleichmäßige Bespeisung der Gasdiffusionselektrode mit Elektrolyt, welcher in dem Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran von oben nach unten strömt, wird in der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle dadurch erzielt, dass der Elektrolytzulauf mit einem Elektrolytvorlagebehälter verbunden ist und einen Überlauf aufweist. In einer ersten Ausführungsform ist der Elektrolytvorlagebehälter vorzugsweise 30 bis 200 cm oberhalb des Elektrolytzulaufs angeordnet. Im Betrieb der Elektrolysezelle strömt der Elektrolyt aus dem Norlagebehälter in den Elektrolytzulauf. Non dem Elektrolytzulauf strömt der Elektrolyt z.B. über eine spalt- förmige Öffnung in den Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Elektrolytvorlagebehälter über eine Pumpe mit dem Elektrolytzulauf verbunden. In dieser Ausführungsform kann der Elektrolytvorlagebehälter prinzipiell an beliebiger Stelle, beispielsweise unterhalb der elektrochemischen Zelle, angeordnet sein. Mit Hilfe der Pumpe wird der Elektrolyt mit dem gewünschten Nordruck in den Elektrolytzulauf gepumpt.
Der Elektrolytvorlagebehälter kann prinzipiell an beliebiger Stelle mit dem Elektrolytzulauf verbunden sein, so z.B. an einem Ende des Elektrolytzulaufs. erden mehrere erfindungsgemäße Elektrolysezellen zu einem Elektrolyseur verbunden, kann ein einziger Elektrolytvorlagebehälter für die Bespeisung aller Elektrolysezellen des Elektrolyseurs eingesetzt werden. Alternativ kann jede der Elektrolysezellen mit. einem separaten Norlagebehälter ausgestattet sein.
Der Elektrolytzulauf weist erfindungsgemäß einen Überlauf auf. Der Überlauf hat bevorzugt eine Höhe von 0 bis 190 cm, besonders bevorzugt 1 bis 190 cm über dem Eintritt in den Spalt. Prinzipiell kann die Höhe des Überlaufs weniger als 1 cm betragen; dabei liegt der Überlauf auf gleicher Höhe mit dem Eintritt in den Spalt. Der Überlauf gewährleistet, dass sich im Betrieb der Elektrolysezelle immer eine gewisse Menge Elektrolyt in dem Elektrolytzulauf aufstaut. Für die Höhe des Überlaufs ist entscheidend, dass er eine Menge Elektrolyt in dem Elektrolytzulauf aufstaut, die ausreicht, um den Spalt über seine gesamte Breite kontinuierlich mit Elektrolyt zu versorgen. Hierfür strömt gerade so viel Elektrolyt aus dem Elektrolytvorlagebehälter in den Elektrolytzulauf, dass der Überlauf gerade überläuft. In der Zuführleitung, welche den Elektrolytvorlagebehälter mit dem Elektrolytzulauf verbindet, kann ein Ventil, eine Blende, z.B. in Form einer Lochscheibe, oder dergleichen vorgesehen sein. Die gezielte Überlaufströmung des Elek- trolyten aus dem Elektrolytzulauf erlaubt eine gleichmäßige Bespeisung des Spaltes mit Elektrolyt über die gesamte Breite der Elektrode sowie eine sichere Abführung von Gas aus dem Spalt. Die Überlaufströmung verhindert, dass der Elektrolytpegel in dem Elektrolytzulauf so weit abfällt, dass der Fallfilm des Elektrolyten in dem Spalt abreißt. Ferner gewährleistet der Überlauf unter anderem, dass Gasblasen, welche aus dem Spalt in den Elektrolytzulauf aufsteigen, mit dem Elektrolyten abtransportiert werden.
Der Überlauf kann prinzipiell an beliebiger Stelle entlang des Elektrolytzulaufs positioniert sein. Er kann z.B. an einem Ende des Elektrolytzulaufs vorgesehen sein.
Der Überlauf kann beispielsweise als Überlaufkanal ausgeführt sein. Ein solcher Überlaufkanal kann entweder außerhalb oder innerhalb der Kathodenhalbzelle angeordnet sein. Überschüssiger Elektrolyt, welcher nicht in dem Spalt nach unten strömt, fließt aus dem Elektrolytzulauf in den Überlaufkanal und wird aus dem Überlaufkanal aus der Elektrolysezelle z.B. in einen Elektrolytsammelbehälter abgeführt. Der Überlaufkanal kann beispielsweise als Schlauch oder Rohr, gegebenenfalls mit Lochblende oder dergleichen, ausgeführt sein. Der Überlaufkanal ist z.B. nach oben gerichtet. Dieser kann z.B. als U-formiger Kanal ausgeführt sein, so dass überschüssiger Elektrolyt zunächst den mit dem Elektrolytzulauf verbundenen Schenkel des U-förmigen Überlaufkanals anfüllt und über den zweiten Schenkel wieder abfließt.
Ist der Überlaufkanal nach oben gerichtet, z.B. U-formig, so beträgt die Höhe zwischen dem oberen Scheitelpunkt des nach oben gerichteten Überlaufkanals und dem Elektrolytzulauf (nachfolgend mit g bezeichnet) bevorzugt 0 bis 190 cm, besonders bevorzugt 1 bis 190 cm. Analog gilt dies für jede Form des Überlaufs.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Überlaufkanal auch als Standrohr oder vertikaler Schacht, Kanal oder dergleichen innerhalb der Elektrolysehalbzelle ausgeführt sein. Der überschüssige Elektrolyt wird hierüber aus der Elektrolysezelle abgeführt und z.B. in einen Sammelbehälter geleitet. Der Eintritt in das Standrohr liegt bevorzugt mindestens 1 cm über dem Niveau des Spaltes, damit eine gleichmäßige Bespeisung über die volle Breite der Zelle gewährleistet ist.
Der über den Überlauf abgeführte Elektrolyt wird vorzugsweise in einen Sammelbehälter geleitet. Dies kann beispielsweise durch einen außerhalb der Elektrolysezelle angeordneten Kanal, z.B. ein Schlauch oder Rohr erfolgen. Der Sammelbehälter kann mit dem Vorlagebehälter verbunden sein, so dass der Elektrolyt aus dem Sammelbehälter in den Vorlagebehälter gepumpt und der Elektrolysezelle erneut zugeführt werden kann.
Die Menge an Elektrolyt, welche aus dem Vorlagebehälter in den Elektrolytzulauf strömt, ist von der Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitspegel des Elektrolyten in dem Vorlagebehälter und dem Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf abhängig. Die so definierte Höhendifferenz wird nachfolgend auch mit h bezeichnet. Der Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf wiederum ist von der Höhe des Überlaufs abhängig, welche bestimmt, wie stark der Elektrolyt in dem Elektrolytzulauf aufgestaut wird. Wird der Elektrolyt mittels einer Pumpe aus dem Vorlagebehälter dem Elektrolytzulauf zugeführt, ist die Menge an Elektrolyt, welche in den Elektrolytzulauf gefördert wird, von der Förderhöhe h der Pumpe abhängig.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle kann alternativ oder zusätzlich zu einem nach oben gerichteten Überlaufkanal oder einem Standrohr, Schacht, Kanal oder dergleichen ein Überlaufkanal vorgesehen sein, welcher im Wesentlichen horizontal angeordnet ist. Auch über einen solchen horizontal angeordneten Überlaufkanal kann überschüssiger Elek- trolyt aus der Elektrolysezelle abgeführt werden.
Wird mehr Elektrolyt zugegeben, als über den z.B. U-förmigen Überlaufkanal und den Spalt ablaufen kann, so erhöht sich der Druck des Elektrolyten in dem kanalförmigen Elektrolytzulauf oberhalb des Spaltes. Durch Wahl der Höhe g des Überlaufkanals ist der Druck im Elektrolytzulauf einstellbar. Mit Erhöhung des Druckes kann mehr Elektrolyt durch den Spalt geführt werden. Somit kann der Spalt bei unterschiedlichen Stromdichten mit unterschiedlicher Elektrolytmenge beaufschlagt werden. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn bei hohen Stromdichten der Elektrolyt stark aufkonzentriert wird und dadurch Schäden an der Ionenaustauschermembran j entstehen können. Dies kann jedoch vermieden werden, wenn der Elektrolyt mit einem größeren ι Volumenstrom durch den Spalt geführt wird. Durch Variation des Verhältnisses der Höhen- differenzen zueinander, also das Verhältnis von h zu g, kann der Druck in dem Elektrolytzulauf gezielt eingestellt werden. Es ist darauf zu achten, dass g kleiner oder gleich h ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle liegt darin, dass durch das einfache Prinzip des freien Überlaufs eine gleichmäßige Bespeisung des Spalts zwischen der Gasdiffusionselek- trode und der Ionenaustauschermembran sowie die sichere Abführung von Gas aus dem Spalt möglich ist. Darüber hinaus kann die Strömungsgeschwindigkeit im Spalt auf einfache Weise mit Hilfe des Überlaufs reguliert werden. Außerdem kann eine für die Gasdiffusionselektrode gefährliche dynamische Druckerhöhung im Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Membran vermieden werden, welche z.B. durch direkte Einspeisung des Elektrolyten mittels einer Pumpe ohne funktionierenden freien Überlauf des Elektrolytzulaufs verursacht werden könnte.
Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherte Luft (nachfolgend vereinfacht als Sauerstoff bezeichnet) wird aus einer Vorlage (auch als Gassammelbehälter bezeichnet), vorzugsweise unterhalb des Gasraums, in den Gasraum der Halbzelle mit Gasdiffusionselektrode zugeführt. Die Zuführung erfolgt über ein Gasverteilerrohr als Gaseintritt gleichmäßig über die gesamte Breite der Halbzelle. Der nicht verbrauchte Sauerstoff wird im oberen Bereich der Halbzelle über einen Gasaustritt aus dem Gasraum abgeführt. Alternativ kann die Gaszufuhr auch im oberen Bereich und die Gasabfuhr im unteren Bereich der Elektrolysehalbzelle erfolgen.
In einer ersten Ausführungsform ist der Gasaustritt mit dem Elektrolytvorlagebehälter verbunden, so dass der Elektrolytvorlagebehälter gleichzeitig als Gassammelbehälter für überschüssigen Sauerstoff dient. Der nicht verbrauchte Sauerstoff wird dabei aus dem Gasraum über eine Gasleitung als Gasaustritt dem Elektrolytvorlagebehälter zugeführt, wobei die Gasleitung bevorzugt unter den Flüssigkeitsspiegel des Elektrolyten abtaucht. Wird die Gasleitung im Elektrolytvorlagebehälter getaucht und ist gleichzeitig auch die Elektrolytableitung in dem Elektrolytsammel- behälter getaucht, so darf die Tauchung der Gasleitung im Elektrolytvorlagebehälter nicht tiefer sein, als die Tauchung der Elektrolytableitung im Sammelbehälter. Der überschüssige Sauerstoff kann zur optimalen Ausnutzung rezykliert werden.
Diese bevorzugte Ausführungsform, bei welcher der Elektrolytvorlagebehälter gleichzeitig als Gassammelbehälter dient, hat den Vorteil, dass für den Sauerstoff und den Elektrolyten nur ein Vorlagebehälter benötigt wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, für den Sauerstoff und den Elektrolyten jeweils eine unabhängige Vorlage bereitzustellen. In diesem Fall kann der Elektrolytvorlagebehälter auch unterhalb der Elektrolysezelle angeordnet sein, wobei der Elektrolyt aus dem Elektrolytvorlagebehälter in den Elektrolytzulauf mittels einer Pumpe gefordert wird, sofern der freie Ablauf des Elektrolytüberschusses über den Überlaufkanal gewährleistet ist (Kontrolle über nicht vollflächig durchströmten Überlaufkanal).
In einer alternativen Ausführungsform ist der Gasaustritt mit einem Gassammelbehälter verbunden und der Gasraum gegenüber dem Spalt abgeschlossen. Dies bedeutet, dass auch im unteren Bereich des Gasraums, wo der Elektrolyt aus dem Spalt abfließt, der Elektrolyt nicht in den Gasraum eintreten und sich dort aufstauen kann. Der Gasraum kann beispielsweise mittels einer Platte, z.B. einer Metallplatte, gegenüber dem Spalt abgeschlossen sein. In dieser Ausführungsform ist der Gassammelbehälter ein separater Sammelbehälter, in den überschüssiger Sauerstoff über eine Gasleitung als Gasaustritt strömt. Auf diese Weise kann der Sauerstoffdruck unabhängig von den Druckverhältnissen im Spalt eingestellt werden. In dieser Ausführungsform weist der Gas aum am unteren Ende Drainageöffnungen auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Strömungsleitstrukturen in dem Spalt vorgesehen. Die Strömungsleitstrukturen verhindern einen freien Fall des Elektrolyten in dem Spalt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit gegenüber dem freien Fall verringert ist. Gleichzeitig darf sich jedoch der Elektrolyt in dem Spalt aufgrund der Strömungsleitstrukturen nicht aufstauen. Die Strömungs- leitstrukturen sind so gewählt, dass der Druckverlust der hydrostatischen Flüssigkeitssäule in dem Spalt kompensiert wird. Beispiele für Strömungsleitstrukturen sind aus WO 03/042430 und WO 01/57290 bekannt.
Die Strömungsleitstrukturen können auch aus dünnen Platten, Folien oder dergleichen bestehen, welche Öffnungen zum Durchströmen des Elektrolyten aufweisen. Sie sind quer, d.h. senkrecht oder schräg, zur Strömungsrichtung des Elektrolyten in dem Spalt angeordnet. Die plattenfÖrmigen Strömungsleitstrukturen sind vorzugsweise gegenüber der Horizontalen geneigt, wobei sie entweder nur in einer Achse oder in beiden Achsen geneigt sind. Sind die Strömungsleitstrukturen schräg zur Strömungsrichtung angeordnet, können sie sowohl in Richtung der Ionenaustauschermembran als auch in Richtung der Gasdiffusionselektrode geneigt seih. Darüber hinaus können die Strömungsleitstrukturen über die Breite der elektrochemischen Zelle geneigt sein.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung in der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Elektrolyt aus dem Elektrolytvorlagebehälter im Überschuss dem Elektrolytzulauf zugeführt wird, der Elektrolyt von dem Elektrolytzulauf in den Spalt und aus dem Spalt in den Elektrolytablauf strömt sowie von dem Elektrolytzulauf über den Überlauf abfließt.
Ein Überschuss an Elektrolyt im Elektrolytzulauf bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass der Elektrolytzulauf stets gleichmäßig über die gesamte Breite wenigstens mit einem 'Elektrolytfilm gefüllt ist. Während also im Betrieb der Elektrolysezelle stets Elektrolyt über den Spalt abfließt, muss gleichzeitig im Elektrolytzulauf stets ein gewisser Elektrolytpegel auf der gesamten Breite des Elektrolytzulaufs vorhanden sein. Dies ist am besten dann gewährleistet, wenn stets eine bestimmte Elektrolytmenge nicht nur über den Spalt, sondern auch über den Überlauf aus dem Elektrolytzulauf abfließt. Vorzugsweise beträgt der Überschuss des Elektrolyten der über den Überlauf abgeführt wird 0,5 bis 30 Vol%, besonders bevorzugt 1 bis 20 Vol.%.
Wesentlich ist, dass die Elektrolytmenge, die eine Fallfilmzelle zu ihrem störungsfreien Betrieb benötigt, nur von der Bauart der Fallfilmzelle abhängt, nicht jedoch von den gewählten Strom- dichten. Daher muss der Elektrolytüberschuss nur einmal zu Beginn des Elektrolysebetriebs eingestellt und während des Betriebs lediglich konstant gehalten werden. Das effektive Höhenverhältnis h zu g muss so gewählt werden, dass sich die für den optimalen Betrieb der Elektrolysezelle notwendige Elektrolytkonzentration in dem Spalt einstellt.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Zelle kann für unterschiedliche Elektrolyseverfahren eingesetzt werden, in denen mindestens eine Elektrode eine Gasdiffusionselektrode ist. Vorzugsweise fungiert die Gasdiffusionselektrode als Kathode, besonders bevorzugt als Sauerstoffverzehrkathode, wobei das der elektrochemischen Zelle zugeführte Gas ein sauerstoffhaltiges Gas ist, z.B. Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff selbst. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Zelle für die Elektrolyse einer wässrigen Lösung eines Alkalihalogenids, insbesondere von Natriumchlorid, verwendet.
Im Falle der Elektrolyse einer wässrigen Natriumchloridlösung ist die Gasdiffusionselektrode beispielsweise wie folgt aufgebaut: Die Gasdiffusionselektrode besteht wenigstens aus einem elektrisch leitfähigen Träger und einer elektrochemisch aktiven Beschichtung. Der elektrisch leitfahige Träger ist bevorzugt ein Netz, Gewebe, Geflecht, Gewirke, Vlies oder Schaum aus Metall, insbesondere aus Nickel, Silber oder versilbertem Nickel. Die elektrochemisch aktive Beschichtung besteht vorzugsweise wenigstens aus einem Katalysator, z.B. Silber(I)-Oxid, und einem Binder, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE). Die elektrochemisch aktive Beschichtung kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. Zusätzlich kann eine Gasdiffusionsschicht, beispielsweise aus einer Mischung aus Kohlenstoff und Polytetrafluorethylen, vorgesehen sein, welche auf den Träger aufgebracht wird.
Als Anode können beispielsweise Elektroden aus Titan eingesetzt werden, welche z.B. mit Ruthenium-Iridium-Titan-Oxiden oder Ruthenium-Titanoxid beschichtet sind.
Als Ionenaustauschermembran kann eine handelsübliche Membran, z.B. der Fa. DuPont, z.B. Nafion® NX2010, eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle, welche sich für die Elektrolyse einer wässrigen Natriumchloridlösung eignet, besitzt einen Spalt zwischen Gasdiffusionselektrode und Ionenaustauschermembran vorzugsweise mit einer Breite von 0,2 bis 5 mm, besonders bevorzugt von 0,5 bis 3 mm. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle
Figur 2 • einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle nach Figur 1.
In Figur 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle im Längsschnitt dargestellt. Elektrolyt strömt aus dem Elektrolytvorlagebehälter 7 über eine Elektrolytzuleitung 8 in den Elektrolytzulauf 10 der Elektrolysehalbzelle mit Gasdiffusionselektrode 4 (Figur 2). Der Elektrolytvorlagebehälter 7 ist oberhalb des Elektrolytzulaufs 10 angeordnet. Der Elektrolytzulauf 10 verläuft längs über die gesamte Breite der Elektrolysehalbzelle oberhalb des Spaltes 11 (Figur 2). Die Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitspegel in dem Vorlagebehälter 7 und dem Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf 10 ist mit h bezeichnet.
Der Elektrolyt strömt gleichmäßig über die gesamte Breite der Elektrolysehalbzelle über den Elektrolytzulauf 10 oben in den Spalt 11 (Figur 2). In dem Spalt 11 fließt der Elektrolyt nach unten in den Elektrolytablauf 20 (Figur 2), der zum Gasraum 5 (Figur 2) hin offen ist, und von dem Elektrolytablauf 20 über eine Elektrolytableitung 15 in einen Elektrolytsammelbehälter 14.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Gasraum 5 mit einer Metallplatte als Abschluss, z.B. einem Blech, 23 von dem Elektrolytablauf 20 getrennt. In Verbindung mit einer von der Vorlage 7 unabhängigen Sauerstoffvorlage (hier nicht dargestellt) kann damit der Sauerstoffdruck unab- hängig von den Druckverhältnissen im Spalt 11 eingestellt und auf für die Gasdiffusionselektroden optimale Betriebsbedingungen gebracht werden. Drainageöffnungen (hier nicht dargestellt) ermöglichen eine Abfuhr von möglicherweise angefallenem Kondensat von der Rückseite der Gasdiffusionselektrode.
Erfindungsgemäß weist die Elektrolysehalbzelle einen Überlaufkanal 13 auf, der in der darge- stellten. Ausführungsform U-förmig ist, wobei der Scheitel des U-fÖrmigen Kanals nach oben weist. Außerdem ist in der dargestellten Ausführungsform ein zusätzlicher Überlaufkanal 12 vorgesehen, welcher im Wesentlichen horizontal angeordnet ist. Überschüssiger Elektrolyt, welcher nicht in dem Spalt 11 abfließt, strömt über den Überlaufkanal 12 in einen Seitenkanal 21, welcher im Wesentlichen seitlich der Elektrolysehalbzelle vertikal angeordnet ist und über- schüssigen Elektrolyten nach unten abführt. Überschüssiger Elektrolyt wird in dem Elektrolytsammelbehälter 14 aufgefangen. Ist der Überschuss an Elektrolyt so groß, dass dieser nicht alleine über den Spalt 11 und den Überlaufkanal 12 abgeführt werden kann, fließt ein Teil des Elektrolyten über den U-förmigen Überlaufkanal 13 in den Seitenkanal 21 nach unten ab. Die Höhendifferenz zwischen dem Scheitel des Überlaufkanals 13 und dem Flüssigkeitspegel in dem Elektrolytzulauf 10 ist mit g bezeichnet.
Unterhalb des Spaltes 11 verläuft ebenfalls längs der Elektrolysehalbzelle ein Gasverteilerrohr 18 mit Öffnungen 19, über die Sauerstoff aus einem Gasvorlagebehälter 17 in den Gasraum 5 der Elektrolysehalbzelle strömt. Das Gasverteilerrohr 18 bildet somit den Gaseintritt in die Elektrolysehalbzelle. Nicht verbrauchter Sauerstoff kann über eine Gasleitung 9 als Gasaustritt den Gasraum 5 verlassen und in den Elektrolytvorlagebehälter 7 strömen. In der dargestellten Ausführungsform dient der Elektrolytvorlagebehälter 7 zugleich als Gassammelbehälter.
Ferner ist in der Ausführungsform gemäß Figur 1 eine Pumpe 30 vorgesehen, welche Elektrolyt aus dem Sammelbehälter 14 in den Vorlagebehälter 7 pumpt.
Figur 2 zeigt die Elektrolysezelle gemäß Figur 1 im Querschnitt. Sie besteht aus einer Anodenhalbzelle 1 mit einer Anode 6 und einer Kathodenhalbzelle 22 mit einer Gasdiffusionselektrode 4 als Kathode. Die beiden Halbzellen 1, 22 sind durch eine Ionenaustauschermembran 3 voneinander getrennt. Zwischen der Ionenaustauschermembran 3 und der Gasdiffusionselektrode 4 befindet sich ein Spalt 11. Hinter der Gasdiffusionselektrode 4 ist ein Gasraum 5 angeordnet. Der Gasraum 5 bildet somit den Rückraum hinter der Gasdiffusionselektrode 4.
Wie in Figur 2 dargestellt, strömt Elektrolyt aus dem Elektrolytzulauf 10 in den Spalt 11 und von dem Spalt 11 in den Elektrolytablauf 20, bis der Elektrolyt schließlich über die Elektrolytableitung 15 in dem Elektrolytsammelbehälter 14 aufgefangen wird. Gas, welches über das Gasverteilerrohr 18 in den Gasraum 5 strömt, kann über den Gasaustritt 9 in den Elektrolytvorlagebehälter 7 oberhalb der Elektrolysezelle strömen. Eine Metallplatte 23 trennt den Gasraum 5 von dem Elektrolytablauf 20.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Zelle, wenigstens bestehend aus einer Anodenhalbzelle (1) mit einer Anode (6), einer Kathodenhalbzelle (22) mit einer Kathode (4) und einer zwischen Anodenhalbzelle (1) und Kathodenhalbzelle (22) angeordneten Ionenaustauschermembran (3), wobei die Anode (6) und/oder die Kathode (4) eine Gasdiffusionselektrode ist, zwischen der Gasdiffusionselektrode (4) und der Ionenaustauschermembran (3) ein Spalt (11), ein Elektrolytzulauf (10) oberhalb des Spaltes (11) und ein Elektrolytablaύf (20) unterhalb des Spaltes (11) sowie ein Gaseintritt (18) und ein Gasaustritt (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytzulauf (10) mit einem Elektrolytvorlage- behälter (7) verbunden ist und einen Überlauf aufweist.
2. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytvorlagebehälter (7) 30 bis 200 cm oberhalb des Elektrolytzulaufs (10) angeordnet ist.
3. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytvorlagebehälter (7) über eine Pumpe mit dem Elektrolytzulauf (10) verbunden ist.
4. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Überlaufs 0 bis 190 cm beträgt.
5. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlauf als Überlaufkanal (12; 13) ausgebildet ist.
6. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlaufkanal ein U-förmiger Kanal (13) ist, dessen Scheitel nach oben weist.
7. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlautkanal als Standrohr oder Schacht ausgeführt ist.
8. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaustritt (9) mit dem Elektrolytvorlagebehälter (7) verbunden ist.
^9. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaustritt (9) mit einem Gassammelbehälter verbunden ist und der Gasraum (5) gegenüber dem Spalt (11) abgeschlossen ist.
10. Verfahren zur Elektrolyse einer wässrigen Alkalihalogenid-Lösung in einer elektrochemischen Zelle nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus dem Elektrolytvorlagebehälter (7) im Überschuss dem Elektrolytzulauf (10) zugeführt wird, der Elektrolyt von dem Elektrolytzulauf (10) in den Spalt (11) und aus dem Spalt (11) in den Elektrolytablauf (20) strömt sowie von dem Elektrolytzulauf (10) über den Überlauf abfließt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschuss an Elektrolyt 0,5 bis 30 Vol.%, vorzugsweise 1 bis 20 Vol.%, beträgt.
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