JP2013194323A - Electrolysis method of alkali metal chloride using oxygen-consuming electrode having orifice - Google Patents

Electrolysis method of alkali metal chloride using oxygen-consuming electrode having orifice Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an improved electrolysis unit for chlor-alkali electrolysis using an OCE with a micro-gap arrangement and a silver catalyst as an electrocatalytic substance, in which damage in the course of startup and shutdown and an intervening shutdown period is avoided.SOLUTION: An oxygen-consuming electrode, which is for use in an electrolysis cell with a micro-gap arrangement especially having a distance of 0.01 mm to 2 mm between an ion exchange membrane and the oxygen-consuming electrode, has at least one carrier element in the form of a sheet-like structure and a coating with a gas diffusion layer and a catalytically active component, wherein the coating with the gas diffusion layer is provided with an aperture having a diameter or a height of 0.5 mm to 20 mm, preferably 1 mm to 1 mm, and preferably having a cross-sectional area accounting for 0.05% to 15% of the total OCE area.

Description

本発明は、特にクロルアルカリ電気分解に用いるための酸素消費電極、およびその製造、電気分解装置、および特定の操作パラメーターに適合するアルカリ金属塩化物の水溶液の電気分解法に関する。さらに、本発明は、上記酸素消費電極のクロルアルカリ電気分解における使用または燃料電池技術に関する。   The present invention relates to an oxygen-consuming electrode, particularly for use in chloralkali electrolysis, and to its manufacture, electrolysis apparatus, and a method for electrolysis of aqueous solutions of alkali metal chlorides adapted to specific operating parameters. Furthermore, the present invention relates to the use of the oxygen-consuming electrode in chloralkali electrolysis or fuel cell technology.

本発明は、ガス拡散電極の形態をとり、および電気伝導性担体および触媒活性成分を含むガス拡散層を典型的に含む酸素消費電極を用いる水性アルカリ金属塩化物の電気分解のためのそれ自体既知の電気分解法に由来する。   The present invention is known per se for the electrolysis of aqueous alkali metal chlorides in the form of a gas diffusion electrode and using an oxygen consuming electrode typically comprising a gas diffusion layer comprising an electrically conductive support and a catalytically active component. This is derived from the electrolysis method.

酸素消費電極の工業規模の電解セル中における操作の種々の提案が、先行技術から原理上知られている。基本概念は、電気分解において(例えばクロルアルカリ電気分解において)水素発生カソードを、酸素消費電極(カソード)に置き換えることである。可能なセル設計および解決策の概説は、Moussallem等による出版物、「Chlor−Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes: History, Present Status and Future Prospects」、J.Appl.Electrochem、第38巻、(2008年)、第1177〜1194頁に見出し得る。   Various proposals for the operation of oxygen-consuming electrodes in industrial scale electrolysis cells are known in principle from the prior art. The basic concept is to replace the hydrogen generating cathode with an oxygen consuming electrode (cathode) in electrolysis (eg in chloralkali electrolysis). A review of possible cell designs and solutions can be found in a publication by Moussallem et al., “Chlor-Alkali Electricity with Oxygen Depolarized Cathodes: History, Present Status and Future Prospects”. Appl. Electrochem, 38, (2008), pages 1177-1194.

酸素消費電極(以下、略して、OCEとも称する)は、工業的電気分解槽において使用可能であるために一連の要件を充足する必要がある。例えば、用いる触媒および全ての他の物質が、濃縮アルカリ金属水酸化物溶液および典型的には80〜90℃の温度において純粋酸素に対して化学的に安定性である必要がある。同様に、電極は、通常、2m2(工業規模)を越える面積の大きさを有する電気分解槽中において設置および操作されるので、高度の機械的安定性が要求される。更なる所望の特性は、以下の通りである:高い電気伝導性、小さい層厚み、大きい内部表面積および電気分解触媒の高い電気化学活性。適当な疎水性および親水性細孔およびガスおよび電解質の伝導のための適切な細孔構造。長期安定性および低い製造コストは、工業的に使用可能な酸素消費電極についての更なる特定の要件である。   An oxygen consuming electrode (hereinafter also referred to as OCE for short) needs to satisfy a series of requirements in order to be usable in an industrial electrolysis tank. For example, the catalyst used and all other materials should be chemically stable to pure oxygen at a concentrated alkali metal hydroxide solution and typically at a temperature of 80-90 ° C. Similarly, since the electrodes are usually installed and operated in an electrolytic cell having an area size exceeding 2 m 2 (industrial scale), a high degree of mechanical stability is required. Further desired properties are as follows: high electrical conductivity, small layer thickness, large internal surface area and high electrochemical activity of the electrolysis catalyst. Appropriate hydrophobic and hydrophilic pores and appropriate pore structure for gas and electrolyte conduction. Long-term stability and low manufacturing costs are further specific requirements for industrially usable oxygen-consuming electrodes.

電解質ギャップが膜およびOCEの間に存在するカソード要素におけるOCEの配置の場合、陰極液側では、静水圧が圧力勾配を電極の高さにわたり形成するのに対し、ガス側ではその高さにわたり一定圧となることから問題が生じる。この影響により、より低い電極の領域において、疎水性細孔も浸水し、および液体がガス側へ入ることがある。他方では、OCEの上部において過度に高いガス圧の場合、液体は、親水性細孔から置換され、酸素が陰極液へ入ることがある。これらはいずれも、OCEの性能を低下させる。実際には、この影響により、OCEの構築高さは、更なる手段が取られない限り約30cmに限定される。工業的電気分解では、電極は、典型的には1mまたはより高い高さで構築される。このような構築高さの実現について、種々の技術が記載された。   In the case of an OCE arrangement in the cathode element where an electrolyte gap exists between the membrane and the OCE, the hydrostatic pressure forms a pressure gradient across the height of the electrode on the catholyte side, whereas it is constant over that height on the gas side. The problem arises from the pressure. Due to this effect, hydrophobic pores can also be submerged and liquid can enter the gas side in the region of the lower electrode. On the other hand, if the gas pressure is too high at the top of the OCE, the liquid is displaced from the hydrophilic pores and oxygen can enter the catholyte. Both of these reduce the performance of the OCE. In practice, this effect limits the build height of the OCE to about 30 cm unless further measures are taken. In industrial electrolysis, the electrodes are typically constructed at a height of 1 m or higher. Various techniques have been described for realizing such a build height.

WO2001/57290A1は、略して流下薄膜と呼ばれる、OCEに沿った自由落下液体薄膜の種類において、パーコレーターと呼ばれる、液体が上部から下流へOCEおよびイオン交換膜の間に配置された平坦細孔要素より導入されるセルを記載する(有限ギャップ配置)。この配置では、液体カラムは、OCEの液体側で影響を与えず、および静水圧プロファイルは、セルの構築物高さにわたり構成されない。しかしながら、WO2001/57290A1に記載の構築物は、極めて複雑である。均質なアルカリ流および均質なOCEと陰極液との接触を確保するために、パーコレーター、イオン交換膜およびOCEは極めて正確に配置されなければならない。   WO2001 / 57290A1 is a kind of free-falling liquid thin film along the OCE, called a falling film for short. The cells to be introduced are described (finite gap arrangement). In this arrangement, the liquid column has no effect on the liquid side of the OCE, and the hydrostatic pressure profile is not configured across the cell build height. However, the construct described in WO2001 / 57290A1 is very complex. In order to ensure a homogeneous alkali flow and contact between the homogeneous OCE and the catholyte, the percolator, ion exchange membrane and OCE must be positioned very accurately.

他の実施態様では、イオン交換膜は、電解セルにおいて、アノード空間と、直接OCEへ接触するカソード空間とを、アルカリ金属水酸化物溶液を導入および除去する介在空間を伴わずに分割する。この配置は、ゼロギャップ配置と称される。また、ゼロギャップ配置は典型的には、燃料電池技術に用いられる。ここでは、形成するアルカリ金属水酸化物溶液は、ガス側へOCEを通過し、次いでOCEにて下流へ流れる必要がある欠点がある。この過程では、OCEにおける細孔は、アルカリ金属水酸化物溶液によりブロックされてはならず、アルカリ金属水酸化物の結晶化が細孔に存在してはならない。極めて高いアルカリ金属水酸化物濃度がここで生じ得ることが見出されたが、この高い濃度において、イオン交換膜は、長期安定性を欠くことが述べられている(Lipp等、J.Appl.Electrochem.第35巻、2005年、第1015頁−Los Alamos National Laboratory、「Peroxide formation during chlor−alkali electrolysis with carbon−based ODC」)。   In another embodiment, the ion exchange membrane divides, in the electrolysis cell, the anode space and the cathode space that directly contacts the OCE without an intervening space for introducing and removing the alkali metal hydroxide solution. This arrangement is referred to as a zero gap arrangement. Also, the zero gap configuration is typically used in fuel cell technology. Here, there is a drawback that the alkali metal hydroxide solution to be formed needs to pass through the OCE to the gas side and then flow downstream in the OCE. In this process, the pores in the OCE must not be blocked by the alkali metal hydroxide solution and crystallization of the alkali metal hydroxide should not be present in the pores. It has been found that very high alkali metal hydroxide concentrations can occur here, but at this high concentration it has been stated that ion exchange membranes lack long-term stability (Lipp et al., J. Appl. Electrochem. 35, 2005, p. 1015—Los Alamos National Laboratory, “Peroxide formation chlor-alkali electrification with carbon-based ODC”).

更なる配置は、「ゼロギャップ」と称されることもあるが、より正確には、「マイクロギャップ」として定められ、JP3553775およびUS6117286A1に記載される。この配置では、その吸収性により、形成された水性アルカリを吸収し、アルカリの少なくとも一部を下方へ排出する細孔親水性物質の更なる層が、イオン交換膜とOCEとの間に存在する。水性アルカリの排出の手段は、OCEおよびセル設計の導入により決定される。この配置の優位性は、下方へOCEの逆側へ流れるアルカリの量がより少なくなることである。その結果、ガス側に面したOCEの側(逆側)は、酸素へより接触することとなる。さらに、OCEの細孔系は、少量の液体へ曝され、その結果、より大きい細孔容積がガスの移動に利用される。上記有限ギャップ配置とは対照的に、非水性アルカリ金属水酸化物溶液(アルカリ)は、適用および排出の結果、OCEおよびイオン交換膜の間のギャップより導入され、マイクロギャップ中に存在する細孔物質は、水性アルカリを吸収し、水平または垂直方向に向かってマイクロギャップを通過する。JP3553775およびUS6117286A1に記載の配置は、以下、「マイクロギャップ」と称する。マイクロギャップ配置を有する高性能電解セルは、有限ギャップ配置における電解セルより構築および操作し易い。   A further arrangement, sometimes referred to as “zero gap”, is more precisely defined as “microgap” and is described in JP3553775 and US6117286A1. In this arrangement, due to its absorbency, there is an additional layer of pore hydrophilic material between the ion exchange membrane and the OCE that absorbs the formed aqueous alkali and discharges at least a portion of the alkali downward. . The means of aqueous alkali discharge is determined by the introduction of OCE and cell design. The advantage of this arrangement is that the amount of alkali that flows down to the opposite side of the OCE is less. As a result, the OCE side (reverse side) facing the gas side comes into more contact with oxygen. Furthermore, the OCE pore system is exposed to a small amount of liquid, so that a larger pore volume is utilized for gas transfer. In contrast to the finite gap arrangement described above, the non-aqueous alkali metal hydroxide solution (alkali) is introduced from the gap between the OCE and the ion exchange membrane as a result of application and discharge, and the pores present in the micro gap The material absorbs aqueous alkali and passes through the microgap in a horizontal or vertical direction. The arrangement described in JP3553775 and US6117286A1 is hereinafter referred to as “microgap”. High performance electrolysis cells having a microgap arrangement are easier to construct and operate than electrolysis cells in a finite gap arrangement.

US6117286A1は、アルカリ水溶液を、OCEにおけるスロットより細孔親水性物質からガス側に面したOCEの側へ導入する「マイクロギャップ」OCE配置の更なる実施態様を記載する。オリフィスは、アルカリ金属水酸化物溶液を、細孔親水性物質よりOCEのガス側およびそのガス空間における下流へ滴らせることを可能とする働きをする。この配置の優位性は、アルカリ金属水酸化物溶液が、OCEのガス側で、任意の液体フィルムの形成をOCE上で伴わずに取り除かれることである。しかしながら、示された実施態様における構築は複雑である。   US 6117286 A1 describes a further embodiment of a “microgap” OCE configuration in which an aqueous alkaline solution is introduced from the pore hydrophilic material to the side of the OCE facing the gas side from the slot in the OCE. The orifice serves to allow the alkali metal hydroxide solution to drip from the pore hydrophilic material to the gas side of the OCE and downstream in the gas space. The advantage of this arrangement is that the alkali metal hydroxide solution is removed on the gas side of the OCE without any liquid film formation on the OCE. However, the construction in the illustrated embodiment is complex.

US4332662A1は、形成されたアルカリ金属水酸化物溶液が、OCEのガス側へ通過する一連のオリフィスを有するゼロギャップ配置についてのOCEを記載する。オリフィスの開口面積は、電極面積の2〜80%、好ましくは5〜25%である。オリフィスは、OCEよりアルカリ金属水酸化物溶液の流れを促進することを目的とする。この場合、アルカリ金属水酸化物溶液は、OCEのガス側で下流へ流れるが、これは酸素のOCEへの接近を妨げる。特定の実施態様では、更なる高多孔性セパレーター物質の膜およびOCEの間での配置を記載する。更なるセパレーターについて記載の可能性のある物質は、酸化ジルコニウム繊維からできたペーパーに加えて、酸化アルミニウムまたは他のセラミック繊維からできた紙、PVC編織布またはポリプロピレン編織布および細孔ニッケルである。この記載は、更なるセパレーター物質の機能を提示しない。疎水性PVCおよびポリプロピレン物質の記載は、セパレーター物質が、JP3553775およびUS6117286A1に従うマイクロギャップ配置としてアルカリ金属水酸化物溶液を取り除く働きをしないことを意味する。US4332662A1に記載の実施態様の欠点としては、電極面積の比較的高い損失および上記のOCEへの酸素供給の障害が挙げられる   US4333262A1 describes an OCE for a zero gap arrangement with a series of orifices through which the formed alkali metal hydroxide solution passes to the gas side of the OCE. The opening area of the orifice is 2 to 80%, preferably 5 to 25% of the electrode area. The orifice is intended to promote the flow of the alkali metal hydroxide solution over the OCE. In this case, the alkali metal hydroxide solution flows downstream on the gas side of the OCE, but this prevents oxygen from approaching the OCE. In a particular embodiment, the placement of additional highly porous separator material between the membrane and the OCE is described. Materials that may be described for further separators are papers made of aluminum oxide or other ceramic fibers, PVC or polypropylene woven fabrics and fine nickel, in addition to paper made of zirconium oxide fibers. This description does not present further separator material functions. The description of the hydrophobic PVC and polypropylene material means that the separator material does not serve to remove the alkali metal hydroxide solution as a microgap arrangement according to JP 3553775 and US6117286A1. Disadvantages of the embodiment described in US Pat. No. 4,332,662 A1 include the relatively high loss of electrode area and the above-mentioned obstruction of oxygen supply to the OCE.

酸素消費電極は、典型的には、担体要素、例えば多孔質金属のプレートまたは金属ワイヤーメッシュ、および電気化学触媒活性被覆物から構成される。電気化学触媒活性被覆物は、微小孔質であり、親水性および疎水性成分から構成される。疎水性成分は、電解質が浸透することを困難とし、従ってOCEにおける対応する細孔を、酸素の触媒活性部位への移動のために非ブロック化状態にする。親水性成分は、電解質を触媒活性部位へ浸透し、水酸化物イオンをOCEから運んで離すことを可能とする。使用する疎水性成分は、一般には、フッ素化ポリマー、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)であり、これは、触媒の粒子のためのポリマーバインダーとして更に働く。銀触媒を有する電極の場合には、例えば銀は、親水性成分として働く。多くの化合物は、酸素の還元のための電気化学触媒として記載された。しかしながら、白金および銀だけが、アルカリ溶液中における酸素の還元のための触媒としての実際的重要性を得た。   The oxygen-consuming electrode is typically composed of a support element, such as a porous metal plate or metal wire mesh, and an electrochemically active coating. The electrochemically catalytically active coating is microporous and is composed of hydrophilic and hydrophobic components. The hydrophobic component makes it difficult for the electrolyte to penetrate and thus makes the corresponding pore in the OCE unblocked due to the transfer of oxygen to the catalytically active site. The hydrophilic component allows the electrolyte to penetrate into the catalytically active site and carry hydroxide ions away from the OCE. The hydrophobic component used is generally a fluorinated polymer, such as polytetrafluoroethylene (PTFE), which further serves as a polymer binder for the catalyst particles. In the case of an electrode having a silver catalyst, for example, silver serves as a hydrophilic component. Many compounds have been described as electrochemical catalysts for the reduction of oxygen. However, only platinum and silver have gained practical importance as catalysts for the reduction of oxygen in alkaline solutions.

白金は、酸素の還元のための極めて高い触媒活性を有する。白金の高い費用に起因して、専ら担体形態でのみ使用される。好ましい担体物質は炭素である。しかしながら、炭素担持白金系電極についての安定性は、長期間の操作において、おそらく、白金が担体物質の酸化も触媒するので不十分である。炭素は、酸化を同じく引き起こすHの望ましくない形成を更に促進する。銀もまた、酸素の還元のための高い触媒活性を有する。銀は、炭素担持形態で、また微細金属銀として用いることができる。炭素担持銀触媒は、相当する白金触媒より耐久性を有するが、酸素消費電極の1つにおける条件下での長期安定性はまた、特にクロルアルカリ電気分解のための使用の場合に制限される。 Platinum has a very high catalytic activity for the reduction of oxygen. Due to the high cost of platinum, it is used exclusively in support form. A preferred support material is carbon. However, the stability for carbon-supported platinum-based electrodes is insufficient in long-term operation, probably because platinum also catalyzes the oxidation of the support material. Carbon further promotes the undesirable formation of H 2 O 2 that also causes oxidation. Silver also has a high catalytic activity for the reduction of oxygen. Silver can be used in a carbon-supported form or as fine metallic silver. Carbon-supported silver catalysts are more durable than the corresponding platinum catalysts, but long-term stability under conditions at one of the oxygen-consuming electrodes is also limited, especially when used for chloralkali electrolysis.

非担持銀触媒を含むOCEの製造の場合、銀は、好ましくは、金属銀へ還元される銀酸化物の形態で少なくとも部分的に導入される。還元は、一般的には、電解セルをまず立ち上げる場合に行う。また、銀化合物の還元は、結晶の配置における変化を生じさせ、より具体的には、個々の銀粒子間で架橋をもたらす。これは、構造の全体的な連結をもたらす。   For the production of OCE comprising an unsupported silver catalyst, the silver is preferably introduced at least partially in the form of a silver oxide that is reduced to metallic silver. The reduction is generally performed when the electrolytic cell is first started up. The reduction of the silver compound also causes a change in the crystal arrangement, and more specifically, cross-linking between individual silver particles. This results in an overall connection of the structures.

電解電流を切った場合には、銀触媒が再び酸化され得ることが観測された。酸化は、酸素および湿気によりハーフセルにおいて明らかに促進される。酸化は、触媒構造における再配置をもたらすことが可能であり、これは、触媒の活性について、従ってOCEの性能について悪影響を有する。   It was observed that when the electrolysis current was turned off, the silver catalyst could be oxidized again. Oxidation is clearly promoted in the half cell by oxygen and moisture. Oxidation can lead to rearrangements in the catalyst structure, which has a negative impact on the activity of the catalyst and thus on the performance of the OCE.

性能、特に必要な電解電圧は、銀触媒を有するOCEにおいて、開始条件にかなり依存することも見出された。これは、OCEの第1開始およびシャットトダウン後の更なる開始はいずれにも当てはまる。本発明の課題の1つは、OCEの高い性能を確保する操作、特に銀触媒を有するOCEの運転停止および始動のための特定の条件を見出すことである。   It has also been found that the performance, especially the required electrolysis voltage, depends considerably on the starting conditions in OCE with silver catalyst. This is true for both the first start of OCE and further start after shutdown. One of the problems of the present invention is to find specific conditions for operations that ensure high performance of the OCE, in particular for shutting down and starting an OCE with a silver catalyst.

電解セルの更なる主要な要素は、イオン交換膜である。膜は、カチオンおよび水に浸透性であるが、アニオンに実質的に不浸透性である。イオン交換膜は、電解セルにおいて、強いストレスに曝される:これらは、アノード側で塩素に対して安定性であり、カソード側で強いアルカリストレスについて約90℃の温度において安定性である必要がある。パーフッ素化ポリマー、例えばPTFE等は、典型的にはこれらのストレスに耐えない。イオンは、これらのポリマー中へ重合されるスルホネート基および/またはカルボキシレート基より運ばれる。カルボキシレート基は、高い選択性を示し、カルボキシレート基を含有するポリマーは、スルホネート基を含有するポリマーより低い水吸収性を有し、より高い電気抵抗を有する。一般に、多層膜は、アノード側でスルホネート基を含有する厚い層およびカソード側でカルボキシレート基を含有する薄い層で用いる。膜は、カソード側または両側に親水性層が与えられる。機械特性を向上するために、膜は、織物またはニットの埋め込みにより強化され、補強は、好ましくは、スルホネート基を含有する層へ組み込まれる。   A further major element of the electrolysis cell is an ion exchange membrane. The membrane is permeable to cations and water, but is substantially impermeable to anions. Ion exchange membranes are exposed to strong stresses in the electrolysis cell: they must be stable to chlorine on the anode side and stable at a temperature of about 90 ° C. for strong alkaline stresses on the cathode side. is there. Perfluorinated polymers such as PTFE typically do not withstand these stresses. Ions are carried from sulfonate and / or carboxylate groups that are polymerized into these polymers. Carboxylate groups exhibit high selectivity, and polymers containing carboxylate groups have a lower water absorption and higher electrical resistance than polymers containing sulfonate groups. In general, multilayer films are used with a thick layer containing sulfonate groups on the anode side and a thin layer containing carboxylate groups on the cathode side. The membrane is provided with a hydrophilic layer on the cathode side or on both sides. In order to improve the mechanical properties, the membrane is reinforced by embedding fabrics or knits and the reinforcement is preferably incorporated into the layer containing sulfonate groups.

複合材料構造に起因して、イオン交換膜は、これを取り囲む媒体における変化に敏感である。異なったモル濃度は、アノードおよびカソード間の著しい浸透圧勾配の形成をもたらし得る。電解質濃度が減少する場合には、膜は、向上した吸水により膨潤する。電解質濃度が向上した場合には、膜は水を放出し、その結果収縮し、極端な場合には、水の離脱が膜における固体の析出を引き起こし得る。従って、濃度変化は、崩壊および損傷を膜において生じさせ得る。この結果、層構造の層間剥離であり得(ブリスター形成)、この結果、質量は、膜からの物質移動が低下する。   Due to the composite structure, the ion exchange membrane is sensitive to changes in the media surrounding it. Different molar concentrations can lead to the formation of a significant osmotic pressure gradient between the anode and the cathode. When the electrolyte concentration decreases, the membrane swells with improved water absorption. When the electrolyte concentration is increased, the membrane releases water and as a result contracts, and in extreme cases, the detachment of water can cause solid deposition in the membrane. Thus, concentration changes can cause collapse and damage in the membrane. This can result in delamination of the layer structure (blister formation), which results in a decrease in mass transfer of mass from the membrane.

さらに、陽極液および陰極液の混合をもたらし得るピンホールおよび極端な場合にはクラックが生じ得る。   Furthermore, pinholes that can result in mixing of the anolyte and catholyte and in extreme cases cracks can occur.

製造プラントでは、電解セルを、数年の期間にわたり、その間に開放することなく操作することが望ましい。しかしながら、要求体積の変化および電気分解の上流および下流の製造部分における障害に起因して、製造プラントにおける電解セルは、必然的に、繰り返し運転停止し、および再び始動する必要がある。   In a production plant, it is desirable to operate the electrolysis cell for a period of several years without opening in the meantime. However, due to demand volume changes and failures in the production parts upstream and downstream of the electrolysis, the electrolysis cells in the production plant necessarily have to be repeatedly shut down and restarted.

電解セルの停止および再始動により、セル要素への損傷をもたらし、およびその寿命を著しく低下させ得る条件が生じる。より具体的には、酸化損傷は、OCEへの損傷および膜への損傷を有するが、カソード空間に見出される。   Stopping and restarting the electrolysis cell results in conditions that can cause damage to the cell elements and significantly reduce their lifetime. More specifically, oxidative damage has damage to the OCE and damage to the membrane, but is found in the cathode space.

先行技術は、電解セルへの損傷の虞が、始動および停止の間に低減し得る操作の態様をほとんど開示しない。   The prior art discloses few modes of operation where the risk of damage to the electrolysis cell can be reduced during startup and shutdown.

従来法による膜電気分解から既知の測定は、分極電圧の維持であり、これは、電気分解が終了する場合に、電位差がゼロへ下方に調節されないが、分極電圧の水準において維持されることを意味する。実際面においては、分極に必要な電圧より幾分高い電圧が設定され、一定の低電流、および結果として僅かな電気分解が起こる。しかしながら、OCEの使用の場合には、この測定は単独では、始動および運転停止の過程でのOCEへの酸化損傷を防止するのに不十分である。   A known measurement from conventional membrane electrolysis is the maintenance of the polarization voltage, which means that when the electrolysis is terminated, the potential difference is not adjusted downward to zero but is maintained at the level of the polarization voltage. means. In practice, a voltage somewhat higher than that required for polarization is set, resulting in a constant low current and consequently a slight electrolysis. However, in the case of the use of OCE, this measurement alone is insufficient to prevent oxidative damage to the OCE during start-up and shutdown.

公報明細書JP2004−300510Aは、カソード空間における腐食が、ガス空間を水酸化ナトリウム溶液でセルの停止によりマイクロギャップ配置を用いる電気分解法を記載する。従って、ガス空間の水酸化ナトリウム溶液での流入は、腐食からカソード空間を保護するが、電極および膜への損傷からの不適切な保護を、停止および開始により、または停止期間の間に与える。   Publication JP 2004-300510A describes an electrolysis method in which the corrosion in the cathode space uses a microgap arrangement by stopping the cell with a sodium hydroxide solution in the gas space. Thus, the inflow of the gas space with sodium hydroxide solution protects the cathode space from corrosion, but provides improper protection from damage to the electrodes and membranes by stopping and starting or during the stopping period.

US4578159A1は、ゼロギャップ配置を用いる電気分解法のために、カソード空間を35%水酸化ナトリウム溶液でセルの始動前にパージすること、セルを低電流密度で始動し、および電流密度を徐々に増加させることが、膜および電極への損傷を防止し得ることを記載する。この手順は、始動の間に膜およびOCEへの損傷の虞を低下するが、停止中におよび停止時に損傷からの保護を与えない。   US4578159A1 purges the cathode space with 35% sodium hydroxide solution before starting the cell, starts the cell at a low current density, and gradually increases the current density for electrolysis using a zero gap configuration Describes that damage to the membrane and electrodes can be prevented. This procedure reduces the risk of damage to the membrane and OCE during start-up, but does not provide protection from damage during and during a stop.

文献US4364806A1は、酸素の窒素との交換が電解電流を下方へ調節した後に、カソード空間における腐食を防止することを開示する。WO2008009661A2によれば、水素の酸素への少ない割合の添加は、腐食損傷からの保護における改良を生じさせる。しかしながら、記載の方法は、特に安全面の観点から複雑であり、窒素および酸素供給のための更なる設備の導入を必要とする。再始動の際、OCEの細孔は、窒素および/または水素により部分的に充填され、これは、酸素の反応性部位への供給を防止する。該方法は、イオン交換膜への損傷からの保護を与えず、および爆発性ガス混合物の回避についての高い安全性を要件とする。   The document US 4364806 A1 discloses that the exchange of oxygen with nitrogen prevents corrosion in the cathode space after regulating the electrolysis current downward. According to WO2008009661A2, the addition of a small proportion of hydrogen to oxygen results in an improvement in protection from corrosion damage. However, the described method is particularly complex from a safety point of view and requires the introduction of further equipment for supplying nitrogen and oxygen. Upon restart, the OCE pores are partially filled with nitrogen and / or hydrogen, which prevents the supply of oxygen to the reactive sites. The method does not provide protection from damage to the ion exchange membrane and requires high safety with respect to avoiding explosive gas mixtures.

Jerzy Chlistunoffによる最終技術報告書「Advanced Chlor−Alkali Technology」(Los Alamos National Laboratory、DOE Award 03EE−2F/Ed190403、2004年)は、一時的な停止およびゼロギャップセルの始動についての条件を詳述する。運転停止の場合には、電解電流が停止した後、酸素供給を停止し、窒素により置換する。ガス流の湿潤を、残存水酸化ナトリウム溶液を洗い流すために増加させる。アノード側では、塩水は、熱水(90℃)で置換される。この手順は、安定性電圧(開路電圧)が得られるまで繰り返される。次いでセルを冷却し、次いで湿潤窒素の供給およびアノード側の水のポンプ循環を停止する。   The final technical report “Advanced Chlor-Alkali Technology” by Jerzy Christunoff (Los Alamos National Laboratory, DOE Award 03EE-2F / Ed190403, 2004) details the temporary outage and the start of zero-gap cell. . In the case of operation stop, after the electrolysis current stops, the oxygen supply is stopped and replaced with nitrogen. The wetness of the gas stream is increased to wash away residual sodium hydroxide solution. On the anode side, the brine is replaced with hot water (90 ° C.). This procedure is repeated until a stability voltage (open circuit voltage) is obtained. The cell is then cooled and then the supply of wet nitrogen and the pumping of water on the anode side are stopped.

再始動のために、まず、アノード側を塩水で充填し、カソード側で、水および窒素を導入する。次いでセルを80℃へ加熱する。次いでガス供給を酸素へ切り替え、低電流フローでの分極電圧を適用する。次いで、電流密度を増加し、カソードにおける圧力を増加し、温度を90℃へ昇温する。次いで塩水および水の供給を調節し、所望の濃度をアノード側およびカソード側で得る。   For restarting, the anode side is first filled with brine and water and nitrogen are introduced on the cathode side. The cell is then heated to 80 ° C. The gas supply is then switched to oxygen and a polarization voltage with a low current flow is applied. The current density is then increased, the pressure at the cathode is increased, and the temperature is raised to 90 ° C. The brine and water supply is then adjusted to obtain the desired concentration on the anode and cathode sides.

カソード側での増加した水供給によるNaOH濃度の減少により、アノード側でのNaCl濃度の維持により、塩化物イオンのカソード空間への拡散における増加が対応して、カソード空間における腐食およびOCEの不活性化についての悪影響を伴って存在する。再始動により、純粋な水がカソード側でまず投入され、濃縮塩水がアノード側で投入され、より高い塩化物負担量が、ここでも、カソード側で予想される。   The decrease in NaOH concentration due to increased water supply at the cathode side, with the maintenance of NaCl concentration at the anode side, corresponds to an increase in diffusion of chloride ions into the cathode space, corrosiveness in the cathode space and OCE inertness. Exists with a negative impact on chemistry. By restarting, pure water is initially charged on the cathode side and concentrated brine is charged on the anode side, and a higher chloride burden is again expected on the cathode side.

陽極液を水で90℃において運転停止操作中に置換することにより、クラックおよび他の損傷の虞を増加させる膜の膨潤および膨張が予想される。記載の手順は極めて複雑であり、より具体的には、工業用電気分解法について極めて高い水準の複雑性が要件となる。   Replacing the anolyte with water at 90 ° C. during shutdown operations is expected to swell and expand the membrane, increasing the risk of cracks and other damage. The described procedure is extremely complex, and more specifically, a very high level of complexity is required for industrial electrolysis processes.

OCEの始動および運転停止のためにこれまで記載された技術は、不利であり、損傷からの不適切な保護のみを与えることを記載するべきである。より具体的には、記載の方法は、マイクロギャップ配置を有するOCEの場合には十分な保護を与えない。   It should be noted that the techniques described so far for starting and shutting down the OCE are disadvantageous and only provide improper protection from damage. More specifically, the described method does not provide sufficient protection in the case of an OCE having a microgap configuration.

国際公開第2001/57290A1号パンフレットInternational Publication No. 2001 / 57290A1 Pamphlet 特許第3553775号公報Japanese Patent No. 3553775 米国特許第6117286号明細書US Pat. No. 6,117,286 米国特許第4332662号明細書U.S. Pat. No. 4,332,662 特開第2004−300510号公報JP 2004-300510 A 米国特許第4578159号明細書US Pat. No. 4,578,159 米国特許第4364806号明細書US Pat. No. 4,364,806 国際公開第2008/009661号パンフレットInternational Publication No. 2008/009661 Pamphlet

Moussallem、「Chlor−Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes: History, Present Status and Future Prospects」、J.Appl.Electrochem、第38巻、2008年、第1177〜1194頁Moussallem, “Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Methods: History, Present Status and Future Prospects”, J. Am. Appl. Electrochem, 38, 2008, 1177-1194. Lipp、「Peroxide formation during chlor−alkali electrolysis with carbon−based ODC」−Los Alamos National Laboratory、J.Appl.Electrochem.第35巻、2005年、第1015頁Lipp, “Peroxide formation chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC” —Los Alamos National Laboratory, J. Mol. Appl. Electrochem. Volume 35, 2005, page 1015 Jerzy Chlistunoff、「Advanced Chlor−Alkali Technology」、Los Alamos National Laboratory、DOE Award 03EE−2F/Ed190403、2004年Jerzy Christunoff, “Advanced Chlor-Alkali Technology”, Los Alamos National Laboratory, DOE Award 03EE-2F / Ed190403, 2004

本発明の目的は、始動および運転停止の過程および介在する運転停止期間における損傷を防止する、マイクロギャップ配置および電気触媒物質としての銀触媒でのOCEを用いるクロルアルカリ電気分解のための改善された電解装置を見出すことであった。このような装置の操作のための、特に立ち上げおよび立ち下げのための操作パラメーターは容易に実行されるべきであり、これによって、適合性は、電解セルの膜、電極および/または他の成分への損傷を防止するべきである。   The object of the present invention is improved for chloralkali electrolysis using OCE with microgap configuration and silver catalyst as electrocatalyst material, which prevents damage during start-up and shutdown processes and intervening shutdown periods. It was to find an electrolyzer. The operating parameters for the operation of such a device, in particular for starting up and shutting down, should be easily implemented, so that the compatibility can be achieved with membranes, electrodes and / or other components of the electrolysis cell. Should be prevented from damage.

本発明は、少なくとも1つのシート状構造の形態での担体要素およびガス拡散層および触媒活性成分での被覆物を有し、該ガス拡散層での被覆物は、0.5mm〜20mm、好ましくは1mm〜1mmの直径または高さを有し、好ましくは全OCE面積の0.05%〜15%までの断面積を有する開口部を有することを特徴とする、マイクロギャップ配置での、特にイオン交換膜および酸素消費電極の間で0.01mm〜2mmの距離を有する電解セルにおける使用のための酸素消費電極を提供する。   The invention comprises a support element in the form of at least one sheet-like structure and a coating with a gas diffusion layer and a catalytically active component, the coating with the gas diffusion layer being 0.5 mm to 20 mm, preferably Ion exchange in particular in a microgap arrangement, characterized in that it has an opening with a diameter or height of 1 mm to 1 mm and preferably having a cross-sectional area of 0.05% to 15% of the total OCE area An oxygen consuming electrode is provided for use in an electrolysis cell having a distance of between 0.01 mm and 2 mm between the membrane and the oxygen consuming electrode.

水平スロット1を有するOCEの概略図。1 is a schematic view of an OCE having a horizontal slot 1. 対角線上に配置したスロット2を有するOCEの概略図。Schematic of OCE with slot 2 arranged on a diagonal. ホール3の水平配置列を有するOCEの概略図。FIG. 3 is a schematic diagram of an OCE having a horizontally arranged row of holes 3. 電極面積上に均一に配置されたホール4を有するOCEの概略図。Schematic of OCE having holes 4 uniformly arranged on the electrode area. 水平スロット5およびガイド板6およびイオン交換膜7を有するOCE8を通じる概略断面。A schematic cross section through an OCE 8 having a horizontal slot 5 and a guide plate 6 and an ion exchange membrane 7.

本発明は、さらに、クロルアルカリ電気分解を、上記酸素消費電極(OCE)を、マイクロギャップ配置において、特にイオン交換膜および酸素消費電極の間での0.01mm〜2mmの距離で含む電解セルにより行うための方法であって、該セルは、陽極液を含む少なくとも1つのアノード空間、イオン交換膜、カソードとして銀含有触媒を含む酸素消費電極を有するカソード空間、およびOCEおよび膜の間での平坦細孔要素を有し、該プロセス要素は0.01mm〜2mmの厚みを有し、アノードおよびカソード間の電解電圧の適用前に、最初の工程において、酸素消費電極をガス側で、1000ppm以下、好ましくは700ppm以下、より好ましくは500ppm以下の塩化物イオンの含有量を有するアルカリ金属水酸化物水溶液で湿潤し、引き続きの陽極液のアノード空間への導入および酸素性ガスのカソード空間への導入後に、電解電圧を適用することを特徴とする方法を提供する。   The present invention further provides an electrolytic cell comprising chloralkali electrolysis, wherein the oxygen consuming electrode (OCE) is in a microgap configuration, particularly at a distance of 0.01 mm to 2 mm between the ion exchange membrane and the oxygen consuming electrode. Method for performing the cell comprising at least one anode space containing an anolyte, an ion exchange membrane, a cathode space having an oxygen consuming electrode containing a silver-containing catalyst as a cathode, and a flat surface between the OCE and the membrane Having a pore element, the process element has a thickness of 0.01 mm to 2 mm, and in the first step before the application of the electrolysis voltage between the anode and the cathode, the oxygen consuming electrode is 1000 ppm or less on the gas side, Preferably alkali metal hydroxide aqueous solution having a chloride ion content of 700 ppm or less, more preferably 500 ppm or less In wet, after introduction into the subsequent introduction and cathode space of the oxygen gas to the anode space of the anolyte provides a method characterized by applying the electrolysis voltage.

本発明はまた、クロルアルカリ電解を、上記酸素消費電極をマイクロギャップ配置において含む電解セルにより行うための方法であって、該セルは、陽極液を含む少なくとも1つのアノード空間、イオン交換膜、銀含有触媒を有するOCEを有するカソード空間およびOCEおよび膜の間での平坦細孔要素を有し、該プロセス要素は0.01mm〜2mmの厚みを有し、電気分解操作の終わりに、運転停止のために、少なくとも以下の工程:
・陽極液をフラッシュして塩化物を取り除き、および陽極液を冷却する工程、
・電解電圧を切る工程、
・アノード空間を排出する工程、
・好ましくは、アノード空間を、以下の液体の1つで補充し、次いでアノード空間を排出する工程:4モル/L以下の希釈アルカリ金属塩化物溶液または脱イオン水、
・カソード空間を、以下の液体の1つで補充し、次いでカソード空間を排出する工程:4モル/L以下の希釈アルカリ金属塩化物溶液または脱イオン水、
をこの順序で行うことを特徴とする方法を提供する。
The present invention is also a method for performing chloralkali electrolysis with an electrolytic cell including the oxygen consuming electrode in a microgap configuration, the cell comprising at least one anode space containing an anolyte, an ion exchange membrane, silver A cathode space having an OCE with a catalyst containing and a flat pore element between the OCE and the membrane, the process element having a thickness of 0.01 mm to 2 mm, at the end of the electrolysis operation, For at least the following steps:
The step of flushing the anolyte to remove chloride and cooling the anolyte,
・ Process to cut electrolytic voltage,
A process of discharging the anode space,
Preferably replenishing the anode space with one of the following liquids and then discharging the anode space: 4 mol / L or less of diluted alkali metal chloride solution or deionized water,
Replenish the cathode space with one of the following liquids and then drain the cathode space: dilute alkali metal chloride solution or deionized water of 4 mol / L or less,
Are provided in this order.

これらの2つの電気分解法の変法は、好ましい実施態様では、互いに組み合わせて、電気分解のための始動のために、および運転停止のために記載の条件をいずれも適合する。これはまた、以下に記載の好ましい変法を含む。   These two variants of electrolysis are, in the preferred embodiment, combined with each other to meet any of the conditions described for starting for electrolysis and for shutting down. This also includes the preferred variants described below.

カソードでは、強い酸化状態が酸素により存在し、これらは、運転停止の際の電解電流によりもはや補充されることがない。電解電流を切った後、更に、塩化物イオンは膜よりカソード空間中へ増加した範囲へ拡散する。塩化物イオンは、腐食プロセスを促進し、さらに、銀触媒の酸化は、不溶性銀塩化物を形成することができる。電極への損傷およびカソード空間全体への損傷が生じる。   At the cathode, strong oxidation states are present due to oxygen, which are no longer replenished by the electrolysis current at shutdown. After cutting off the electrolysis current, further chloride ions diffuse from the membrane into the increased area into the cathode space. Chloride ions facilitate the corrosion process, and further, oxidation of the silver catalyst can form insoluble silver chloride. Damage to the electrode and to the entire cathode space occurs.

電解電圧が低下する場合、電流流れにより生じた膜を通じての物質移動もまた停止する。膜は、水中で欠損し始め、収縮および固体の沈殿、次いでクラックおよびピンホール形成が存在し得、膜よりアニオンの通過が促進される。次に、再始動により、過度に低い含水量が、膜からの物質移動を妨害する。この結果、圧力上昇および界面における層間剥離が起こる。   When the electrolysis voltage decreases, the mass transfer through the membrane caused by the current flow also stops. The membrane begins to become deficient in water, and there may be shrinkage and solid precipitation followed by cracks and pinhole formation, facilitating the passage of anions over the membrane. Secondly, due to restart, excessively low water content interferes with mass transfer from the membrane. This results in a pressure increase and delamination at the interface.

膜および/またはOCE中の水および/またはイオン分布における不均一性は、電流および物質移動において局所的な急増を生じさせ、次いで膜またはOCEへの損傷をもたらす。   Inhomogeneities in the water and / or ion distribution in the membrane and / or OCE cause local surges in current and mass transfer, which in turn leads to damage to the membrane or OCE.

また、アルカリ金属塩化物塩のアノード側での析出による問題が存在する。陽極液および陰極液の間の顕著な浸透性勾配は、アノード空間からカソード空間への水の移動をもたらす。電気分解が操作中である限り、アノード空間からの水の移動は、塩化物およびアルカリ金属イオンアノードの損失により対抗され、アルカリ金属塩化物の濃度は、アノード空間において標準電気分解条件下で低下する。電気分解はスイッチを切った場合、浸透圧により引き起こされたアノード空間からのカソード空間への水の移動が残る。陽極液の濃度は、飽和限界より高くなる。その結果、特に膜への境界領域において、膜への損傷を生じさせるアルカリ金属塩化物塩の析出が生じる。   There are also problems due to precipitation of alkali metal chloride salts on the anode side. A significant permeability gradient between the anolyte and the catholyte results in the movement of water from the anodic space to the cathodic space. As long as electrolysis is in operation, water migration from the anode space is countered by the loss of chloride and alkali metal ion anodes, and the concentration of alkali metal chloride is reduced under standard electrolysis conditions in the anode space. . When the electrolysis is switched off, the water transfer from the anode space to the cathode space caused by osmotic pressure remains. The concentration of the anolyte is higher than the saturation limit. This results in the precipitation of alkali metal chloride salts that cause damage to the membrane, particularly in the boundary region to the membrane.

意外にも、全電極面積と比べて小さい開口部を有する新規OCEは、始動および運転停止の過程において一連の簡単な手段により、長期間にわたりその性能を維持することが見出された。本発明のOCEは、特に高さ1m以上の電極を有する工業電気分解装置に適しているが、これに限定されない。本発明のOCEおよびこれらのOCEを操作するための方法は、塩化ナトリウム水溶液および塩化カリウム水溶液の電気分解に特に適当である。   Surprisingly, it has been found that a novel OCE having an opening that is small compared to the total electrode area maintains its performance over a long period of time by a series of simple means in the course of starting and shutting down. The OCE of the present invention is particularly suitable for an industrial electrolysis apparatus having an electrode having a height of 1 m or more, but is not limited thereto. The OCEs of the present invention and methods for operating these OCEs are particularly suitable for the electrolysis of aqueous sodium chloride and aqueous potassium chloride solutions.

OCEにおける開口部は、任意の形態で配置し得る。好ましいのは、円形、長円形、長方形または台形断面である。可能性のある実施態様を図1〜4に示す。特に好ましいのは、水平、垂直または対角線上に配置され得るスロットである。図1は、水平スロット1を3つの異なった高さにおいて有するOCEを示す。垂直スロットも同様に配置し得る。図2は、対角線上に配置されたスロット2を示す。図3は、ホール形態での開口部を示し、図3におけるホール3は、OCEの大きさに関して過大表示されている。図4は、OCE上に均質に配置されたホール4を有する変形であり、ここでも、ホールの大きさは、OCE面積に対して過大表示されている。同様に、より多くのホールは、OCEの上部に配置し得る(示さず)。   The opening in the OCE can be arranged in any form. Preference is given to circular, oval, rectangular or trapezoidal cross sections. A possible embodiment is shown in FIGS. Particularly preferred are slots that can be arranged horizontally, vertically or diagonally. FIG. 1 shows an OCE having horizontal slots 1 at three different heights. Vertical slots can be similarly arranged. FIG. 2 shows slots 2 arranged diagonally. FIG. 3 shows an opening in the form of a hole, and the hole 3 in FIG. 3 is over-displayed with respect to the size of the OCE. FIG. 4 shows a variant with holes 4 arranged homogeneously on the OCE, here again the size of the holes is over-represented with respect to the OCE area. Similarly, more holes can be placed on top of the OCE (not shown).

開口部の直径または高さ(長方形断面の場合にはより短い辺、長円形の場合にはより短い直径、他の形状の場合にも同様に当てはまる)は、0.5mm〜20mm、好ましくは1mm〜10mmである。   The diameter or height of the opening (shorter side in the case of a rectangular cross-section, shorter diameter in the case of an oval, similarly applies to other shapes) 0.5 mm to 20 mm, preferably 1 mm -10 mm.

開口部は、触媒活性層の面積を幾分低下させる。しかしながら、損失は少なく、多数の始動および停止操作についての長期安定性の優位性において許容できる。こは、開口部の全面積が電極面積の0.05%〜15%である場合に特に達成可能である。従って、好ましいのは、イオン交換膜に面した電極の側に関して開口部の全面積が電極面積の0.05〜15%、好ましくは1〜12%であることを特徴とする酸素消費電極である。   The opening somewhat reduces the area of the catalytically active layer. However, the loss is small and acceptable in the long-term stability advantage for multiple start and stop operations. This is particularly achievable when the total area of the opening is 0.05% to 15% of the electrode area. Therefore, preferred is an oxygen consuming electrode characterized in that the total area of the opening with respect to the electrode side facing the ion exchange membrane is 0.05 to 15%, preferably 1 to 12% of the electrode area. .

開口部は、電極面積にわたり均一に分布し得る。好ましいのは、開口部の過半数が電極の上部3分の1にある配置である。この過半数は、全ての通路オリフィスの合計の60%超えを意味する。特に好ましい実施態様では、1つのスロットは、いずれの場合にも、上端および下端から0.5cm〜10cmの距離において存在する。同様に、スロットが垂直または対角線上に配置されることが挙げられる。   The openings can be uniformly distributed over the electrode area. Preferred is an arrangement where the majority of the openings are in the upper third of the electrodes. This majority means over 60% of the sum of all passage orifices. In a particularly preferred embodiment, one slot is present in each case at a distance of 0.5 cm to 10 cm from the upper and lower ends. Similarly, it can be mentioned that the slots are arranged vertically or diagonally.

この開口部は、通路の方向に水平に広がるかまたは勾配が与えられる(対角線上に配置、図2参照)。   This opening extends horizontally or is given a gradient in the direction of the passage (disposed diagonally, see FIG. 2).

通路オリフィスより、水酸化ナトリウム溶液が、膜およびOCEの間のギャップからガス側へ面したOCEの側へ通過することも可能である。図5に原理上示される通り、ここでは、構築期間において、カソード半シェルに設置した装置は、水酸化ナトリウム溶液が通過するので水酸化ナトリウム溶液を取り込み、および水酸化ナトリウム溶液をガス側に面したOCEの側から奪うことが可能である。特にスロットの場合には、例えばスロット5の下のガイド板6を、カソード半シェルの構造上に設置し、アルカリ金属水酸化物溶液を取り込み、および例えばアルカリ金属水酸化物溶液を滴らせ、OCEともはや接触させないようにすることが可能である。   From the passage orifice, it is also possible for the sodium hydroxide solution to pass from the gap between the membrane and the OCE to the side of the OCE facing the gas side. As shown in principle in FIG. 5, here, during the construction period, the device installed in the cathode half shell takes in the sodium hydroxide solution as the sodium hydroxide solution passes through, and faces the sodium hydroxide solution to the gas side. It is possible to take away from the OCE side. Especially in the case of slots, for example the guide plate 6 below the slot 5 is placed on the structure of the cathode half shell, takes up the alkali metal hydroxide solution, and drip the alkali metal hydroxide solution, for example, It is possible to prevent contact with the OCE anymore.

好ましくは、イオン交換膜に面した電極の側に関して開口部の全面積がOCE面積の0.05〜15%、好ましくは1〜12%未満である。   Preferably, the total area of the opening with respect to the electrode side facing the ion exchange membrane is 0.05 to 15%, preferably less than 1 to 12% of the OCE area.

開口部は、好ましくは、全酸素消費電極を通じて、すなわち、触媒活性層および担体要素のいずれをも通じて連続的となるように配置することができる。開口部は、触媒活性層のみに影響を与え、担体要素が開口部中に留まるように配置し得る。担体要素は、本質的に透過性であり、開口部の領域に留まるので、OCEの機械安定性を損なわない。幾つかの実施態様において、例えば特定のOCE製造方法の場合には、開口部中の担体要素から離れることは有利であり得る。   The openings can preferably be arranged to be continuous through the total oxygen consuming electrode, i.e. through both the catalytically active layer and the support element. The opening can affect the catalytically active layer only and can be arranged such that the support element remains in the opening. Since the carrier element is essentially permeable and remains in the region of the opening, it does not compromise the mechanical stability of the OCE. In some embodiments, for example in the case of certain OCE manufacturing methods, it may be advantageous to leave the carrier element in the opening.

本発明の開口部を有する酸素電極は、種々の技術により製造することができる。   The oxygen electrode having an opening of the present invention can be manufactured by various techniques.

例えば、乾燥または湿潤法により製造されたOCEでは、開口部は、打ち抜き、断裁、掘削、機械加工または他の穿孔技術により作ることができる。一般には、開口部は、ここでは、担体要素を含む電極全体より作る。   For example, in an OCE manufactured by a dry or wet process, the openings can be made by stamping, cutting, drilling, machining or other drilling techniques. In general, the opening is made here from the entire electrode, including the carrier element.

電極の製造中の測定より、電極が所望の開口部を有する条件を設定することも可能である。これは、例えば圧縮前の開口部の寸法に対応するストリップ、円筒体または触媒組成物の適用および類似寸法置換体のはめ込みにより行うことができる。この実施態様では、担体要素は、好ましくは元の形態のままである。置換体は、担体要素の両側で反対の位置に配置するように置くこともできる。置換体は、製造方法の過程において再び取り除くことができるように配置する。これは、置換体を取出することにより、また溶融または他の物理的または化学的手法により行うことができる。   It is also possible to set conditions under which the electrode has a desired opening by measurement during the manufacture of the electrode. This can be done, for example, by application of strips, cylinders or catalyst compositions corresponding to the dimensions of the opening before compression and fitting of similar dimensional displacements. In this embodiment, the carrier element preferably remains in its original form. The replacement body can also be placed in opposite positions on both sides of the carrier element. The replacement body is arranged so that it can be removed again in the course of the manufacturing method. This can be done by removing the substitute and by melting or other physical or chemical techniques.

電解セルの始動および停止のための操作パラメーターを、以下、銀触媒を有する本発明のOCEおよびマイクロギャップ配置および2.5〜4.0モル/Lの標準アルカリ金属塩化物濃度(陽極液)および8〜14モル/Lのアルカリ金属水酸化物濃度(陰極液)を有する電解セルについて記載するが、記載の手順の実施に限定されない。本発明によれば、このような電解セルの始動および停止のために、始動前に、カソード空間を、塩化物イオンでの低汚染を有する水酸化ナトリウム溶液で湿潤し、停止の過程において、電解電圧を切った後、最初の工程において、陽極液を放出し、好ましくはアノード空間をフラッシュし、引き続きの工程において、陰極液を放出し、カソード空間をフラッシュする更なる実施態様を用いることも可能である。   The operating parameters for the start and stop of the electrolysis cell are as follows: OCE of the invention with silver catalyst and microgap configuration and standard alkali metal chloride concentration (anolyte) of 2.5-4.0 mol / L and An electrolysis cell having an alkali metal hydroxide concentration (catholyte) of 8-14 mol / L is described, but is not limited to the implementation of the described procedure. According to the invention, for starting and stopping such an electrolytic cell, before starting, the cathode space is wetted with a sodium hydroxide solution having low contamination with chloride ions, It is also possible to use further embodiments in which the anolyte is discharged in the first step, preferably the anodic space is flushed, and the catholyte is discharged and the cathodic space is flushed in subsequent steps after the voltage has been switched off. It is.

マイクロギャップ配置、銀触媒を有するOCEおよび先行技術に従ってアルカリ水で浸したイオン交換膜を有する電解装置の始動を、最初の工程において、カソード空間をアルカリ水で湿潤させることにより行う。湿潤は、例えばカソード空間をアルカリ金属水酸化物溶液で充填し、その直後にアルカリ金属水酸化物溶液を排出することにより行う。用いるアルカリ水の濃度は、1リットル当たり0.01および13.9モル/Lの間、好ましくは0.1〜4モルのアルカリ金属水酸化物である。アルカリ水は、塩化物および塩素酸イオンを実質的にほとんど含んではならない。 Microgap arranged, starting of the electrolysis apparatus having an ion-exchange membrane soaked in alkaline water according OCE and the prior art having a silver catalyst, in a first step, performed by wetting the cathode space in alkaline water. Wetting is performed, for example, by filling the cathode space with an alkali metal hydroxide solution and immediately thereafter discharging the alkali metal hydroxide solution. The concentration of alkaline water used is between 0.01 and 13.9 mol / L, preferably 0.1 to 4 mol of alkali metal hydroxide per liter. Alkaline water should be substantially free of chloride and chlorate ions.

好ましいのは、電解電圧の適用前に供給した陰極液に導入したアルカリ金属水酸化物溶液は、20ppm以下、好ましくは10ppm以下の塩素酸イオンの含有量を有することを特徴とする方法である。   Preference is given to a method characterized in that the alkali metal hydroxide solution introduced into the catholyte supplied before application of the electrolysis voltage has a chlorate ion content of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less.

湿潤のためのアルカリ金属水酸化物溶液の温度は、10〜95℃、好ましくは15〜60℃である。   The temperature of the alkali metal hydroxide solution for wetting is 10 to 95 ° C, preferably 15 to 60 ° C.

カソード空間におけるアルカリ金属水酸化物溶液の滞留時間は、直ぐの排出、すなわち、アルカリ金属水酸化物溶液を、充填完了後、カソード空間から再び直ぐに放出すること、および200分の間である。   The residence time of the alkali metal hydroxide solution in the cathode space is immediately drained, that is, the alkali metal hydroxide solution is immediately released again from the cathode space after filling, and for 200 minutes.

アルカリ金属水酸化物溶液を、カソード空間から放出した後、酸素を添加する。好ましいのは、水酸化ナトリウム溶液を放出し、酸素で導入した水酸化ナトリウム溶液を置換するように酸素を添加することである。通常、10〜100ミリバールの大きさのカソードにおける正圧を、セルにおける配置に従って設定する。   After releasing the alkali metal hydroxide solution from the cathode space, oxygen is added. Preference is given to releasing the sodium hydroxide solution and adding oxygen to replace the sodium hydroxide solution introduced with oxygen. Usually, the positive pressure at the cathode of 10 to 100 mbar is set according to the arrangement in the cell.

濃度は、当業者に既知の滴定または他の方法により決定する。   The concentration is determined by titration or other methods known to those skilled in the art.

カソード空間の湿潤のために、好ましいのは、通常の製造からのアルカリ金属水酸化物溶液を用いることである。運転停止操作からのアルカリは、特に、塩化物イオンでの汚染に起因して、セルの始動前の湿潤に適していない。   For wetting of the cathode space, preference is given to using alkali metal hydroxide solutions from conventional production. Alkali from shutdown operations is not particularly suitable for wetting prior to cell startup due to contamination with chloride ions.

アルカリ金属水酸化物溶液を、カソード空間から放出した後、酸素を添加する。好ましいのは、水酸化ナトリウム溶液を放出し、酸素で導入した水酸化ナトリウム溶液を置換するように酸素を添加することである。通常、10〜100ミリバールの大きさのカソードにおける正圧を、セルにおける配置に従って設定する。   After releasing the alkali metal hydroxide solution from the cathode space, oxygen is added. Preference is given to releasing the sodium hydroxide solution and adding oxygen to replace the sodium hydroxide solution introduced with oxygen. Usually, the positive pressure at the cathode of 10 to 100 mbar is set according to the arrangement in the cell.

アルカリ金属水酸化物溶液をカソード空間から放出した後、アノード空間をアルカリ金属塩化物溶液(塩水)で充填する。塩水は、膜電解槽のために従来用いられる純度要件を満たす。アノード空間を充填した後、塩水を、通常の装置条件に従って、アノード空間よりポンプ循環によって導入する。ポンプ循環の過程において、陽極液を加熱することができる。供給された塩水の温度は、30〜95℃の温度をアノード空間からの出力において確立するように選択する。供給された陽極液におけるアルカリ金属塩化物濃度は、150および330g/Lの間である。   After discharging the alkali metal hydroxide solution from the cathode space, the anode space is filled with an alkali metal chloride solution (brine). Brine meets the purity requirements conventionally used for membrane electrolysers. After filling the anode space, brine is introduced by pump circulation from the anode space according to normal equipment conditions. In the process of pump circulation, the anolyte can be heated. The temperature of the supplied brine is selected to establish a temperature of 30-95 ° C. at the output from the anode space. The alkali metal chloride concentration in the fed anolyte is between 150 and 330 g / L.

アノード空間を充填し、アノード循環を立ち上げた後、電解電圧を次の工程において適用する。これは、アノードの充填および60を超えるアノード空間から出る塩水の温度の到達直後に行う。アノード空間の充填に次いで、分極電圧または電解電圧の少なくとも一部を入れる場合、有利である。分極電圧または電解電圧を、0.01A/m〜40A/m、好ましくは10〜25A/mの電流密度を確立するように調節する。この電流密度において時間は、30分以下、好ましくは20分以下とするべきである。 After filling the anode space and setting up the anode circulation, the electrolysis voltage is applied in the next step. This is done immediately after reaching the anode charge and the temperature of the brine exiting the anode space beyond 60. Subsequent to filling the anode space, it is advantageous if at least part of the polarization voltage or electrolysis voltage is applied. The polarization voltage or electrolysis voltage is adjusted to establish a current density of 0.01 A / m 2 to 40 A / m 2 , preferably 10 to 25 A / m 2 . At this current density, the time should be 30 minutes or less, preferably 20 minutes or less.

全体的に、始動のための全時間は、最小限に抑えるべきである。アノード空間の塩水での充填および>1kA/mの電解力の到達後の時間は、240分未満、好ましくは150分未満とするべきである。電解電流は、好ましくは1分当たり3〜400A/mの速度にて増加する。次いで電解セルは、設計パラメーター、例えばアノード空間において1リットル当たり2.5〜4.0モルのアルカリ金属の濃度、3〜6kA/mの電流密度およびガス供給における50%〜100%過剰の酸素で操作する。カソード区画中へ導入する酸素を、室温において水蒸気で好ましく飽和する(周囲温度)。これは、例えば酸素を、カソード区画へ導入する前に水浴を通過させることにより行うことができる。同様に、湿潤を、より高い温度にて行うことも考えられる。カソード区画から流れ出る水酸化ナトリウム溶液の濃度を、イオン交換膜および8および14モル/Lの間のアノード空間におけるアルカリ金属塩化物濃度の選択より本質的に確立する。アルカリ金属水酸化物溶液は、有利には自発的にカソード空間から流れ出る。 Overall, the total time for start-up should be minimized. The time after filling the anode space with brine and reaching an electrolysis power of> 1 kA / m 2 should be less than 240 minutes, preferably less than 150 minutes. The electrolysis current preferably increases at a rate of 3 to 400 A / m 2 per minute. The electrolysis cell is then subjected to design parameters such as a concentration of 2.5 to 4.0 moles of alkali metal per liter in the anode space, a current density of 3 to 6 kA / m 2 and a 50% to 100% excess oxygen in the gas supply. Operate with. The oxygen introduced into the cathode compartment is preferably saturated with water vapor at room temperature (ambient temperature). This can be done, for example, by passing oxygen through a water bath before introducing it into the cathode compartment. Likewise, it is conceivable to carry out the wetting at higher temperatures. The concentration of sodium hydroxide solution flowing out of the cathode compartment is essentially established by selection of the alkali metal chloride concentration in the ion exchange membrane and in the anode space between 8 and 14 mol / L. The alkali metal hydroxide solution advantageously flows out of the cathode space spontaneously.

記載の方法は、未だ操作していない銀含有、特に酸化銀含有OCEの導入後に電解装置の最初の立ち上げおよび停止後に本発明のOCEを含む電解セルの始動のいずれについても適している。   The described method is suitable for both starting an electrolysis cell containing the inventive OCE after initial start-up and shut-down of the electrolyzer after introduction of silver-containing, in particular silver oxide-containing OCE, which has not yet been operated.

電解セルの停止において、以下の工程:
・電解電圧を低下し、および塩素を陽極液から除去して、10ppm未満の活性塩素を陽極液に存在させる工程、
・陽極液の温度を60℃未満(20〜60℃)へ低下し、およびアノード空間を排出する工程、
・好ましくはアノード空間を以下の液体の1つで補充する工程:4モル/L以下の希釈アルカリ金属塩化物溶液または脱イオン水、
・アノード空間を、好ましくは0.01〜200分後に排出する工程、
・以下の液体の1つでカソード空間を充填する工程:0.01〜4モル/L以下の希釈アルカリ金属塩化物溶液または脱イオン水、
・カソード空間を、好ましくは0.01〜200分後に排出する工程、
をこの順序において行う。
In stopping the electrolysis cell, the following steps:
Reducing the electrolysis voltage and removing chlorine from the anolyte so that less than 10 ppm of active chlorine is present in the anolyte;
Reducing the temperature of the anolyte to below 60 ° C. (20-60 ° C.) and discharging the anode space;
Preferably replenishing the anode space with one of the following liquids: dilute alkali metal chloride solution or deionized water of 4 mol / L or less,
-Discharging the anode space preferably after 0.01 to 200 minutes;
Filling the cathode space with one of the following liquids: 0.01-4 mol / L or less of diluted alkali metal chloride solution or deionized water,
A step of discharging the cathode space preferably after 0.01 to 200 minutes;
In this order.

最初の工程において、電解電圧を下方へ調節する。本発明では、電圧は、ゼロへ下方調節することができる。好ましくは、電解電流を下げた後、電圧を維持し、<10mg/L、好ましくは1mg/L未満のアノード空間中の塩素含有量へ低下後にのみ切る。塩素含有量は、ここでは、0以上の酸化状態中の溶解塩素の全含有量を意味すると理解される。残存塩素は、好ましくは、塩素不含陽極液を、塩素含有陽極液を除去するのと同時に供給するように、または同時の塩素ガスの分離および除去でのアノード回路のポンプ循環によりアノード空間から除去する。この操作中の電圧は、0.01〜40A/m、好ましくは10〜25A/mの電流密度を確立するように調節する。電解電圧および分極電圧を切った後、陽極液を放出する。 In the first step, the electrolysis voltage is adjusted downward. In the present invention, the voltage can be adjusted down to zero. Preferably, after reducing the electrolysis current, the voltage is maintained and cut only after a drop to a chlorine content in the anode space of <10 mg / L, preferably less than 1 mg / L. Chlorine content is understood here to mean the total content of dissolved chlorine in zero or more oxidation states. Residual chlorine is preferably removed from the anode space by supplying a chlorine-free anolyte simultaneously with the removal of the chlorine-containing anolyte or by pump circulation of the anode circuit with simultaneous separation and removal of chlorine gas. To do. Voltage during this operation, 0.01~40A / m 2, preferably adjusted to establish a current density of 10~25A / m 2. After turning off the electrolysis voltage and the polarization voltage, the anolyte is discharged.

電解電圧を切った後、陽極液を60℃未満の温度へ冷却し、次いで放出する。   After turning off the electrolysis voltage, the anolyte is cooled to a temperature below 60 ° C. and then discharged.

その後、アノード空間をフラッシュする。フラッシュは、0.01〜4モル/Lのアルカリ金属塩化物含有量を有する高度に希釈した塩水、水または好ましくは脱イオン水を用いて行う。フラッシュは、好ましくはアノード空間を一度充填し、およびフラッシュ液体をすぐに放出することにより行う。フラッシュは、2以上の工程において、例えば、まず1.5〜2モル/Lのアルカリ金属塩化物含有量を有する希釈塩水で充填しおよび排出し、次いで0.01モル/LのNaCl含有量を有する高度に希釈した塩水でまたは希釈水で充填しおよび排出することにより行ってもよい。フラッシュ溶液は、アノード空間を完全に充填した直後に再び放出してよく、または200分間までアノード空間中で滞留し、次いで放出してよい。放出後、フラッシュ溶液の少ない残存量がアノード空間中に残る。その後、アノード空間を、周囲の外気へ直接接触することなく包み込むかまたは運転停止した状態にする。   Thereafter, the anode space is flushed. The flush is performed using highly diluted brine, water or preferably deionized water having an alkali metal chloride content of 0.01-4 mol / L. The flush is preferably performed by filling the anode space once and releasing the flush liquid immediately. The flash is charged and discharged in two or more steps, for example, first with dilute brine having an alkali metal chloride content of 1.5-2 mol / L and then with a NaCl content of 0.01 mol / L. It may be done by filling and draining with highly diluted brine or having diluted water. The flash solution may be released again immediately after the anode space is completely filled, or may remain in the anode space for up to 200 minutes and then released. After discharge, a small residual amount of flash solution remains in the anode space. Thereafter, the anode space is encased or shut down without direct contact with the surrounding ambient air.

アノード空間を排出した後になお存在する陰極液を、カソード空間から放出し、次いでカソードのガス空間をフラッシュする。フラッシュは、4モル/Lまでのアルカリ金属水酸化物含有量を有する高希釈アルカリ水、水または好ましくは脱イオン水で行う。フラッシュは、好ましくはガス空間を一度充填し、およびフラッシュ液体をすぐに放出することにより行う。フラッシュは、2以上の工程において、例えば、まず1.05〜3モル/Lのアルカリ金属水酸化物含有量を有する希釈アルカリで充填しおよび排出し、次いで0.01モル/Lのアルカリ金属水酸化物含有量を有する高希釈アルカリでまたは脱イオン水でさらに充填しおよび排出することにより行ってもよい。フラッシュ溶液は、カソード空間を完全に充填した直後に再び放出してよく、または200分間までアノード空間中で滞留し、次いで放出してよい。放出後、フラッシュ溶液の少ない残存量が、カソード空間に残る。カソード空間を、周囲の外気へ直接接触することなくケースに入れるかまたは運転停止した状態にする。   The catholyte still present after discharging the anode space is discharged from the cathode space and then the cathode gas space is flushed. The flush is performed with highly diluted alkaline water, water or preferably deionized water having an alkali metal hydroxide content of up to 4 mol / L. The flush is preferably done by filling the gas space once and releasing the flush liquid immediately. The flash is charged and discharged in two or more steps, for example, first with a diluted alkali having an alkali metal hydroxide content of 1.05 to 3 mol / L and then with 0.01 mol / L of alkali metal water. It may be carried out by further filling and discharging with highly diluted alkali having an oxide content or with deionized water. The flash solution may be released again immediately after the cathode space is completely filled, or it may stay in the anode space for up to 200 minutes and then be released. After discharge, a small residual amount of flash solution remains in the cathode space. The cathode space is put into a case or brought into a shutdown state without directly contacting the surrounding outside air.

酸素供給は、分極電圧を切った場合に停止することができる。酸素供給は、好ましくは、カソード空間の排出およびフラッシュ前に停止し、酸素供給のためのオリフィスは、充填の過程において、カソード空間の排出または脱気のために働く。   The oxygen supply can be stopped when the polarization voltage is turned off. The oxygen supply is preferably stopped before the discharge and flushing of the cathode space, and the orifice for supplying oxygen serves for the discharge or degassing of the cathode space during the filling process.

アノード空間およびカソード空間を放出した後、湿潤膜を有する電解セルは、設置された状態で長期にわたり電解セルの性能を低下させることなく、急な始動に備え続けることができる。数週間にわたり延びる停止時間の場合には、安定化のために、アノード空間を希釈アルカリ金属塩化物水溶液で、カソード空間を希釈アルカリ金属水酸化物水溶液で通常の間隔においてフラッシュまたは湿潤させることが適切である。好ましいのは、1〜12週間の間隔にて、特に好ましいのは、4〜8週間の間隔にてフラッシュすることである。フラッシュまたは湿潤のために希釈アルカリ金属塩化物溶液の濃度は、1〜4.8モル/Lである。フラッシュ溶液は、アノード空間を完全に充填した直後に再び放出してよく、または200分間までアノード空間において滞留し、次いで放出してよい。フラッシュまたは湿潤するために用いるアルカリ金属水酸化物溶液の濃度は、0.1〜10モル/L、好ましくは1および4モル/Lの間である。塩水またはアルカリ金属水酸化物溶液の温度は、10および80℃の間、好ましくは15〜40℃の間であり得る。フラッシュ溶液は、カソード空間を完全に充填した直後に再び放出してよく、または200分間までカソード空間において滞留し、次いで放出してよい。   After discharging the anode space and the cathode space, the electrolysis cell with the wet membrane can remain ready for sudden start-up without degrading the performance of the electrolysis cell over time in the installed state. In the case of downtime extending over several weeks, it is appropriate to flush or wet the anode space with dilute alkali metal chloride aqueous solution and the cathode space with dilute alkali metal hydroxide aqueous solution at regular intervals for stabilization. It is. Preference is given to flushing at intervals of 1-12 weeks, particularly preferred at intervals of 4-8 weeks. The concentration of the diluted alkali metal chloride solution for flashing or wetting is 1 to 4.8 mol / L. The flash solution may be released again immediately after the anode space is completely filled, or it may stay in the anode space for up to 200 minutes and then be released. The concentration of the alkali metal hydroxide solution used for flashing or wetting is between 0.1 and 10 mol / L, preferably between 1 and 4 mol / L. The temperature of the brine or alkali metal hydroxide solution can be between 10 and 80 ° C, preferably between 15 and 40 ° C. The flash solution may be released again immediately after the cathode space is completely filled, or it may stay in the cathode space for up to 200 minutes and then be released.

本発明の方法の更なる実施態様は、電解セルのカソードおよびアノード空間を意味すると理解される電極空間を湿潤ガスによりフラッシュする工程を包含する。この目的のために、例えば水飽和窒素を、アノード空間中へ導入する。あるいは、酸素を導入してもよい。ガス体積流量を計測し、2倍〜10倍の体積交換を行うことができる。100リットルのガス体積について、ガス体積流量は、5〜40℃の温度にて1L/時〜200L/時であってよく、ガスの温度は、好ましくは周囲温度、すなわち、15〜25℃である。パージガスは、水でガスの温度にて飽和させる。   A further embodiment of the method of the invention comprises the step of flushing the electrode spaces, understood to mean the cathode and anode spaces of the electrolysis cell, with a wet gas. For this purpose, for example, water saturated nitrogen is introduced into the anode space. Alternatively, oxygen may be introduced. The gas volume flow rate can be measured and volume exchange of 2 to 10 times can be performed. For a gas volume of 100 liters, the gas volume flow rate may be 1 L / hr to 200 L / hr at a temperature of 5-40 ° C., and the temperature of the gas is preferably ambient temperature, ie 15-25 ° C. . The purge gas is saturated with water at the gas temperature.

上記方法による操作から取り出した電解セルは、操作へ前記方法により再び戻す。記載のプロセス工程での適合性の場合には、電解セルは、セルの性能における障害を伴わずに多くの立ち上げおよび立ち下げサイクルを経ることができる。   The electrolytic cell removed from the operation by the above method is returned to the operation again by the above method. In the case of compatibility with the described process steps, the electrolysis cell can go through many start-up and shut-down cycles without any hindrance in cell performance.

本発明を詳細に、例として、以下、図を参照して説明する。   The invention will now be described in detail, by way of example, with reference to the drawings.

図1 水平スロット1を有するOCEの概略図。 FIG. 1 is a schematic view of an OCE having a horizontal slot 1.

図2 対角線上に配置したスロット2を有するOCEの概略図。 FIG. 2 is a schematic view of an OCE having slots 2 arranged diagonally.

図3 ホール3の水平配置列を有するOCEの概略図。 3 is a schematic view of an OCE having a horizontally arranged row of holes 3. FIG.

図4 電極面積上に均一に配置されたホール4を有するOCEの概略図。 FIG. 4 is a schematic view of an OCE having holes 4 uniformly arranged on the electrode area.

図5 水平スロット5およびガイド板6およびイオン交換膜7を有するOCE8を通じる概略断面。 FIG. 5 is a schematic cross section through an OCE 8 having a horizontal slot 5 and a guide plate 6 and an ion exchange membrane 7.

実施例1
7重量%のPTFE粉末、88重量%の酸化銀(I)および5重量%の銀粉末からなる粉末混合物を、ニッケルワイヤーのメッシュへ適用し、およびプレスして酸素消費電極(OCE)を形成した。電極を、DuPONT N2030型のイオン交換膜および0.3mmの厚みを有するZoltekからのPW3MFBP炭素編織布を有する100cmの面積を有する電解装置へ設置した。炭素編織布は、OCEおよび膜の間に配置した。電解装置は、組み立てにおいて、陽極液供給および排出を有し、被覆チタン(ルテニウム酸化物被覆物)からできたアノードを有するアノード空間、OCEをカソードとして有し、および酸素のためのガス空間および酸素注入口および排出口を有するカソード空間、アノード空間およびカソード空間の間に配置されたイオン交換膜を有する。OCE、炭素編織布およびイオン交換膜を、カソード炉における高圧により約30ミリバールの圧力でアノード上へ圧縮した。
Example 1
A powder mixture consisting of 7 wt% PTFE powder, 88 wt% silver (I) oxide and 5 wt% silver powder was applied to a mesh of nickel wire and pressed to form an oxygen consuming electrode (OCE). . The electrode was placed in an electrolyzer having an area of 100 cm 2 with a DuPONT N2030 type ion exchange membrane and a PW3MFBP carbon woven fabric from Zoltek having a thickness of 0.3 mm. A carbon woven fabric was placed between the OCE and the membrane. The electrolyzer in assembly has an anolyte supply and discharge, an anode space with an anode made of coated titanium (ruthenium oxide coating), an OCE as a cathode, and a gas space for oxygen and oxygen A cathode space having an inlet and an outlet, and an ion exchange membrane disposed between the anode space and the cathode space. The OCE, carbon woven fabric and ion exchange membrane were compressed onto the anode at a pressure of about 30 mbar with high pressure in the cathode furnace.

最初の工程において、カソード空間を、20ppmの塩化物イオンの含有量および<10ppmの塩素酸イオンの含有量を有する30重量%水酸化ナトリウム溶液で80℃にて充填し、次いで再び排出した。排出の過程において、酸素を供給し、得られるガス空間を酸素で充填した。排出後、30ミリバールの正圧をカソード側で確立した。   In the first step, the cathode space was filled with 30 wt% sodium hydroxide solution having a content of 20 ppm chloride ions and a content of <10 ppm chlorate ions at 80 ° C. and then discharged again. In the discharge process, oxygen was supplied and the resulting gas space was filled with oxygen. After discharge, a positive pressure of 30 mbar was established on the cathode side.

次の工程において、アノード空間を、70℃にて210gNaCl/Lの濃度を有する塩素で充填し、およびアノード循環を操作へ置いた。アノード循環の一定運転の到達直後に、電解電圧を入れた。電解電流を制御し、1kA/mの電解電流を5分後に、および3kA/mの電解電流を30分後に得た。設備を、3日間にわたり、3kA/m2の電力および1.90〜1.95Vの電解電圧、32重量%の除去した水酸化ナトリウム溶液の濃度および88℃の電解セルにおける温度で操作した。 In the next step, the anode space was filled with chlorine having a concentration of 210 g NaCl / L at 70 ° C. and the anode circulation was put into operation. Immediately after reaching the constant operation of the anode circulation, the electrolysis voltage was applied. Controls electrolysis current, the electrolytic current of 1 kA / m 2 after 5 minutes, and the electrolytic current of 3 kA / m 2 was obtained after 30 minutes. The equipment was operated for 3 days at a power of 3 kA / m 2 and an electrolysis voltage of 1.90 to 1.95 V, a concentration of 32% by weight of removed sodium hydroxide solution and a temperature in the electrolysis cell of 88 ° C.

実施例2
7重量%のPTFE粉末、88重量%の酸化銀(I)および5重量%の銀粉末からなる粉末混合物を、ニッケルワイヤーのメッシュへ適用し、およびプレスして酸素消費電極を形成した。有効OCE面積は、10×10cmであった。カッターナイフを用いて電極よりそれぞれ2mmの高さの1個の水平スロットを、下端より1cm上におよび上端より1cm下に断裁した。4%のOCE面積を除去した。OCEを、DuPONT N2030型のイオン交換膜およびOCEおよび膜の間に0.3mmの厚みを有するZoltek PW03炭素編織布を有する電解装置へ設置した。
Example 2
A powder mixture consisting of 7 wt% PTFE powder, 88 wt% silver (I) oxide and 5 wt% silver powder was applied to a mesh of nickel wire and pressed to form an oxygen consuming electrode. The effective OCE area was 10 × 10 cm. Using a cutter knife, one horizontal slot, each 2 mm high from the electrode, was cut 1 cm above the bottom and 1 cm below the top. 4% of the OCE area was removed. The OCE was installed in an electrolysis apparatus having a DuPONT N2030 type ion exchange membrane and a Zoltek PW03 carbon woven fabric having a thickness of 0.3 mm between the OCE and the membrane.

最初の工程において、カソード空間を、20ppmの塩化物イオンの含有量および<10ppmの塩素酸イオンの含有量を有する30重量%水酸化ナトリウム溶液で80℃にて充填し、次いで再び排出した。排出の過程において、酸素を供給し、得られるガス空間を酸素で充填した。排出後、30ミリバールの正圧をカソード側で確立した。   In the first step, the cathode space was filled with 30 wt% sodium hydroxide solution having a content of 20 ppm chloride ions and a content of <10 ppm chlorate ions at 80 ° C. and then discharged again. In the discharge process, oxygen was supplied and the resulting gas space was filled with oxygen. After discharge, a positive pressure of 30 mbar was established on the cathode side.

次の工程において、アノード空間を、70℃にて210gNaCl/Lの濃度を有する塩素で充填し、およびアノード循環を操作へ置いた。アノード循環の一定運転の到達直後に、電解電圧を入れた。電解電流を制御し、1kA/mの電解電流を5分後に、および4kA/mの電解電流を30分後に得た。設備を、10日間にわたり、4kA/mの電力および2.0〜2.2Vの電解電圧、32重量%の除去した水酸化ナトリウム溶液の濃度および90℃の電解セルにおける温度で操作した。平均電解電圧は、2.14Vであった。 In the next step, the anode space was filled with chlorine having a concentration of 210 g NaCl / L at 70 ° C. and the anode circulation was put into operation. Immediately after reaching the constant operation of the anode circulation, the electrolysis voltage was applied. Controls electrolysis current, the electrolytic current of 1 kA / m 2 after 5 minutes, and the electrolytic current of 4 kA / m 2 was obtained after 30 minutes. The equipment was operated for 10 days at a power of 4 kA / m 2 and an electrolysis voltage of 2.0 to 2.2 V, a concentration of 32% by weight of removed sodium hydroxide solution and a temperature in an electrolysis cell of 90 ° C. The average electrolysis voltage was 2.14V.

スロットをOCEにおいて作ることにより、電解電力に関する低下は見られなかった。   By making the slots in OCE, no reduction in electrolysis power was seen.

実施例3 Example 3

実施例1による電解装置を、3日間の運転後、以下の通り操作から出した:   The electrolyzer according to Example 1 was taken out of operation as follows after 3 days of operation:

電解装置を、90A/mへ下げて運転した。陽極液を、1mg/Lの塩素含有量を得るまで60分間を超えて循環し、次いで電解電流を切った。この時間内に、陽極液を70℃へ冷却した。アノード空間を排出し、次いで脱イオン水で充填して溢れさせ、直ぐに再び排出した。 The electrolyzer was operated down to 90 A / m 2 . The anolyte was circulated for over 60 minutes until a chlorine content of 1 mg / L was obtained, and then the electrolysis current was turned off. Within this time, the anolyte was cooled to 70 ° C. The anode space was drained and then filled with deionized water to overflow and immediately drained again.

その後、カソード空間中に残存する液体を排出し、酸素供給を停止し、カソード空間を充填して脱イオン水で溢れさせ、直ぐに再び排出した。   Thereafter, the liquid remaining in the cathode space was discharged, the oxygen supply was stopped, the cathode space was filled, overflowed with deionized water, and immediately discharged again.

運転停止から50時間後、実施例2からの電解装置を以下の通り操作へ戻した:   After 50 hours of shutdown, the electrolyzer from Example 2 was returned to operation as follows:

最初の工程において、カソード空間を、20ppmの塩化物イオンの含有量および<10ppmの塩素酸イオンの含有量を有する32重量%水酸化ナトリウム溶液で80℃にて充填し、次いで再び排出した。排出の過程において、酸素を供給し、得られるガス空間を酸素で充填した。排出後、30ミリバールの正圧をカソード側で確立した。   In the first step, the cathode space was filled with a 32 wt% sodium hydroxide solution having a content of 20 ppm chloride ions and a content of <10 ppm chlorate ions at 80 ° C. and then discharged again. In the discharge process, oxygen was supplied and the resulting gas space was filled with oxygen. After discharge, a positive pressure of 30 mbar was established on the cathode side.

次の工程において、アノード空間を、70℃にて210gNaCl/Lの濃度を有する塩素で充填し、およびアノード循環を操作へ置いた。アノード循環の一定運転の到達直後に、電解電圧を入れた。電解電流を制御し、1kA/mの電解電流を5分後に、3kA/mの電解電流を30分後に、32重量%の除去した水酸化ナトリウム溶液の濃度および88℃の電解セルにおける温度にて得た。 In the next step, the anode space was filled with chlorine having a concentration of 210 g NaCl / L at 70 ° C. and the anode circulation was put into operation. Immediately after reaching the constant operation of the anode circulation, the electrolysis voltage was applied. Controls electrolysis current, the electrolytic current of 1 kA / m 2 after 5 minutes, 30 minutes after the electrolysis current of 3 kA / m 2, the temperature at 32% by weight of the removed concentration and 88 ° C. of the electrolytic cell of the sodium hydroxide solution Obtained.

3kA/mでの電解電圧は、1.8〜1.9Vであった。電解装置は、運転停止前の期間と比べて低下を示さず、実際、100mVによる向上を観測した。 The electrolysis voltage at 3 kA / m 2 was 1.8 to 1.9V. The electrolyzer did not show a decrease compared to the period before shutdown, and in fact, an improvement by 100 mV was observed.

Claims (12)

マイクロギャップ配置での電解セルにおける使用のための、少なくとも1つのシート状構造の形態での担体要素およびガス拡散層および触媒活性成分での被覆物を有し、前記ガス拡散層を有する被覆物は、0.5mm〜20mm、好ましくは1mm〜10mmの直径または高さを有する1以上の開口部を有することを特徴とする、酸素消費電極。   For use in an electrolysis cell in a microgap arrangement, it has a support element in the form of at least one sheet-like structure and a coating with a gas diffusion layer and a catalytically active component, the coating having said gas diffusion layer comprising An oxygen consuming electrode comprising one or more openings having a diameter or height of 0.5 mm to 20 mm, preferably 1 mm to 10 mm. イオン交換膜に面した電極の側に関する開口部の全面積は、電極面積の0.05〜15%、好ましくは1〜12%であることを特徴とする、請求項1に記載の酸素消費電極。   2. The oxygen consuming electrode according to claim 1, characterized in that the total area of the opening on the side of the electrode facing the ion exchange membrane is 0.05 to 15%, preferably 1 to 12% of the electrode area. . 担体要素のガス拡散層での被覆物および触媒活性成分の被覆物のみが開口部を有することを特徴とする、請求項1または2に記載の酸素電極。   3. The oxygen electrode according to claim 1 or 2, characterized in that only the coating on the gas diffusion layer of the support element and the coating of the catalytically active component have openings. 開口部は、被覆物および担体要素を通じて連続的であることを特徴とする、請求項1〜2のいずれかに記載の酸素電極。   3. The oxygen electrode according to claim 1, wherein the opening is continuous through the coating and the carrier element. 開口部は、酸素消費電極から打抜き、断裁、機械加工、孔開けにより形成することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の酸素消費電極。   The oxygen consuming electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the opening is formed by punching, cutting, machining, or punching from the oxygen consuming electrode. 対応するオリフィスは、電極を製造するための方法において、担体要素の被覆の過程において、被覆の完了後に引き続いて除去する除去可能性置換体の挿入により透明性を保つことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の酸素消費電極。   The corresponding orifice is maintained in the method for manufacturing an electrode, in the course of the coating of the carrier element, by the insertion of a removable substitution which is subsequently removed after the coating has been completed. The oxygen-consuming electrode according to any one of 1 to 3. 酸素消費電極は、イオン交換膜および酸素消費電極の間に0.01mm〜2mmの距離を有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の酸素消費電極。   The oxygen consuming electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the oxygen consuming electrode has a distance of 0.01 mm to 2 mm between the ion exchange membrane and the oxygen consuming electrode. クロルアルカリ電気分解を、請求項1〜7に記載の酸素消費電極をマイクロギャップ配置において含んでなる電解セルにより行うための方法であって、該セルは、アノードおよびアルカリ金属塩化物を含んでなる陽極液を有する少なくとも1つのアノード空間、イオン交換膜、銀含有触媒を含んでなる酸素消費電極をカソードとして有するカソード空間、および0.01mm〜2mmの厚みを有し、および陰極液が流入するOCEおよび膜の間での平坦細孔要素を有し、電解電圧の適用前に、最初の工程において、酸素消費電極をガス側で、1000ppm以下、好ましくは700ppm以下、より好ましくは500ppm以下の塩化物イオンの含有量を有するアルカリ金属水酸化物水溶液で湿潤し、引き続きの陽極液のアノード空間への導入および酸素性ガスのカソード空間への導入後に、電解電圧を適用することを特徴とする方法。   A method for performing chloralkali electrolysis with an electrolysis cell comprising an oxygen-consuming electrode according to claims 1-7 in a microgap arrangement, the cell comprising an anode and an alkali metal chloride. At least one anode space having an anolyte, an ion exchange membrane, a cathode space having an oxygen-consuming electrode comprising a silver-containing catalyst as a cathode, and an OCE having a thickness of 0.01 mm to 2 mm and into which the catholyte flows And a flat pore element between the membranes, and before applying the electrolysis voltage, in the first step, the oxygen-consuming electrode on the gas side is less than 1000 ppm, preferably less than 700 ppm, more preferably less than 500 ppm chloride. Wetting with an aqueous alkali metal hydroxide solution with an ionic content and subsequent introduction of the anolyte into the anode space And applying an electrolysis voltage after introduction of the oxygenous gas into the cathode space. クロルアルカリ電気分解を、請求項1〜7のいずれかに記載の酸素消費電極をマイクロギャップ配置において含む電解セルにより行うための方法であって、該セルは、陽極液を含む少なくとも1つのアノード空間、イオン交換膜、銀含有触媒でのOCEを有するカソード空間およびOCEおよび膜の間での平坦細孔要素を有し、該細孔要素は、0.01mm〜2mmの厚みを有し、電気分解操作の終わりに、運転停止のために、少なくとも以下の工程:
・電解電圧を切る工程、
・アノード空間を排出する工程、
・好ましくは、アノード空間を、以下の液体の1つで補充し、次いでアノード空間を排出する工程:4モル/L以下の希釈アルカリ金属塩化物溶液または脱イオン水、
・カソード空間を、以下の液体の1つで補充し、次いでカソード空間を排出する工程:4モル/L以下の希釈アルカリ金属塩化物溶液または脱イオン水、
をこの順序で行うことを特徴とする、方法。
A method for performing chloralkali electrolysis with an electrolysis cell comprising an oxygen-consuming electrode according to any of claims 1 to 7 in a microgap arrangement, the cell comprising at least one anode space containing an anolyte. An ion exchange membrane, a cathode space with OCE with a silver-containing catalyst and a flat pore element between the OCE and the membrane, the pore element having a thickness of 0.01 mm to 2 mm, and electrolysis At the end of the operation, at least the following steps are taken for shutdown:
・ Process to cut electrolytic voltage,
A process of discharging the anode space,
Preferably replenishing the anode space with one of the following liquids and then discharging the anode space: 4 mol / L or less of diluted alkali metal chloride solution or deionized water,
Replenish the cathode space with one of the following liquids and then drain the cathode space: dilute alkali metal chloride solution or deionized water of 4 mol / L or less,
Performing in this order.
カソード空間を電解電圧の適用前に湿潤するために用いるアルカリ金属水酸化物溶液は、20ppm以下、好ましくは10ppm以下、より好ましくは4ppm以下の塩素酸イオンの含有量を有することを特徴とする、請求項7に記載の方法。   The alkali metal hydroxide solution used for wetting the cathode space before application of the electrolysis voltage is characterized in that it has a chlorate ion content of 20 ppm or less, preferably 10 ppm or less, more preferably 4 ppm or less, The method of claim 7. 電解セルの運転停止および排出した後、必要に応じて繰り返し、1〜12週間毎に、好ましくは4〜8週間毎に、アノード空間を、1.7〜3.4モル/L、好ましくは2.2〜2.9モル/Lの含有量を有する希釈アルカリ金属塩化物水溶液で、およびカソード空間を、2〜9モル/L、好ましくは4〜6モル/Lの希釈アルカリ金属水酸化物水溶液でフラッシュすることを特徴とする、請求項8および9に記載の方法。   After the electrolysis cell is shut down and discharged, it is repeated as necessary, and the anode space is changed to 1.7 to 3.4 mol / L, preferably 2 to every 1 to 12 weeks, preferably every 4 to 8 weeks. A dilute alkali metal chloride aqueous solution having a content of 2 to 2.9 mol / L and a dilute alkali metal hydroxide aqueous solution of 2 to 9 mol / L, preferably 4 to 6 mol / L in the cathode space. 10. A method according to claim 8 and 9, characterized in that it is flushed. アルカリ金属塩化物は、塩化ナトリウムまたは塩化カリウム、好ましくは塩化ナトリウムであることを特徴とする、請求項7〜11のいずれかに記載の方法。   12. Process according to any one of claims 7 to 11, characterized in that the alkali metal chloride is sodium chloride or potassium chloride, preferably sodium chloride.
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