WO2004013379A1

WO2004013379A1 - Elektrochemische zelle

Info

Publication number: WO2004013379A1
Application number: PCT/EP2003/007823
Authority: WO
Inventors: Fritz Gestermann; Andreas Bulan; Richard Malchow; Hans-Dieter Pinter; Walter Klesper
Original assignee: Bayer Materialscience Ag
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2004-02-12
Also published as: KR20050028050A; AU2003250100A1; PL374671A1; TW200409396A; CN1671889A; US20040069621A1; EP1527211A1; DE10234806A1; JP2005534806A; BR0305706A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren, umfassend wenigstens einen Anodenraum mit einer Metallelektrode als Anode, einen Kathodenraum mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode und einer zwischen Anodenraum und Kathodenraum angeordneten Ionenaustauschermembran. Die Metallelektrode als Anode taucht in einen Elektrolyt ein und weist Öffnungen (14) für den Durchlass des im Betrieb gebildeten Gases auf und ist gegebenenfalls gewinkelt und/oder gekrümmt, wobei die Öffnungen Leitstrukturen (12) besitzen, welche das gebildete Gas auf die der Kathode abgewandten Seite der Metallelektrode ableiten.

Description

Elektr o chemis ehe Zelle

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Zelle, welche insbesondere zur 5 Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff nach dem Membranverfahren mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode verwendet wird.

Wässrige Lösungen von Chlorwasserstoff, nachfolgend auch als Salzsäure bezeichnet, fallen als Nebenprodukt bei vielen chemischen Prozessen an. Dazu gehören

1_.0 insbesondere Prozesse, bei denen organische Kohlenwasserstoffverbindungen mit

Hilfe von Chlor oxidiert werden. Viele dieser organischen Chlorverbindungen sind wichtige Zwischenprodukte für die großtechnische Chemie, beispielsweise in der Kunststoffproduktion. Die Wiedergewinnung von Chlor aus diesen Salzsäuren ist von wirtschaftlichem Interesse, da das Chlor beispielsweise für weitere Chlo-

15 rierungen eingesetzt werden kann. Chlor aus Salzsäuren kann beispielsweise elektrolytisch wiedergewonnen werden.

Ein Verfahren zur Elektrolyse von Salzsäure ist beispielsweise aus US-A-5 770 035 bekannt. Ein Anodenraum mit einer geeigneten Anode, bestehend z.B. aus einem '

20 Substrat aus einer Titan-Palladium-Legierung, welches mit einem Mischoxid, aus

Ruthenium, Iridium und Titan beschichtet ist, wird mit der wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff gefüllt. Das an der Anode gebildete Chlor entweicht aus dem Anodenraum und wird einer geeigneten Aufbereitung zugeführt. Der Anodenraum ist von einem Kathodenraum durch eine handelsübliche Kationenaustauschermembran

25 getrennt. Auf der Kathodenseite liegt eine Gasdiffusionselektrode auf der Kationen- austauschermembran auf. Die Gasdiffusionselektrode liegt wiederum auf einem Stromverteiler auf. Bei Gasdiffusionselektroden handelt es sich beispielsweise um Sauerstoffverzehrkathoden (SVK). Im Falle einer SVK als Gasdiffusionselektrode wird in den Kathodenraum üblicherweise ein sauerstoffhaltiges Gas oder reiner

30 Sauerstoff eingeleitet, der an der SVK umgesetzt wird. Die elektrochemische Gasbildung an Elektroden beeinflussen den Elektrolyseprozess negativ. Neben hydrostatischen und hydrodynamischen Effekten sorgen die Gasblasen für einen erhöhten Ohmschen Widerstand im Elektrolyten. Um diesen Einflüssen der Gasblasen zu begegnen, wird in der DE 3 401 637 ein Elektrolyseverfahren in einer elektrochemischen Zelle mit getrenntem Anoden- und

Kathodenraum vorgeschlagen, bei dem eine oder beide Elektroden durchbrochen sind und ein Elektrolyt so von oben nach unten durch eine oder beide Halbzellen fließt, dass die Elektroden benetzt werden. Dadurch strömt der Elektrolyt dem elektrochemisch gebildeten und nach oben aufsteigenden Gas entgegen. Die entstandenen Gasblasen zerplatzen schließlich an der Phasengrenze zwischen dem herabfallenden Elektrolytfilm und dem angrenzenden Gasraum.

Die Aufgäbe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren zur Verfügung zu stellen, welche als Anode eine Metallelektrode mit einer möglichst großen elektrochemisch aktiven Oberfläche aufweist sowie Öffnungen, die es erlauben, das gebildete Gas von der der Kathode als Gegenelektrode zugewandten Seite in den hinter der Metallelektrode liegenden Raum der Halbzelle zu leiten. Insbesondere soll die elektrochemische Zelle zur Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff eingesetzt werden, wobei als Kathode eine Gasdiffusionselektrode eingesetzt wird. Der Anodenraum wird dabei von der Salzsäure vollständig angefüllt, wobei diese von unten nach oben durch den Anodenraum strömt.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, die Öffnungen der Metallelektrode mit Leitstrukturen zu versehen, welche das gebildete Gas in den Raum hinter die

Metallelektrode ableiten. Gleichzeitig ist die Metallelektrode gewinkelt und/oder gekrümmt, wodurch ihre elektrochemisch aktive Fläche vergrößert wird.

Gegenstand der Erfindung ist demnach eine elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren, umfassend wenigstens einen Anodenraum mit einer

Metallelektrode als Anode, einen Kathodenraum mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode und einer zwischen Anodenraum und . Kathodenraum- angeordneten lonenaustauschermembran, wobei die Metallelektrode in einen Elektrolyt eintaucht und Öffnungen für den Durchlass des im Betrieb gebildeten Gases aufweist und gegebenenfalls gewinkelt und/oder gel rümmt ist. Die Öffnungen weisen dabei 5 Leitstrukturen auf, welche das gebildete Gas auf die der Kathode abgewandten Seite der Metallelektrode ableiten.

Die Öffnungen der Elektrode können nicht nur Schlitze oder Löcher sein, sondern auch durch die Maschen eines Streckmetalls gebildet werden. Um das Gas gezielt in

1.0 ■ den Raum hinter der Metallelektrode, welcher hier auch als Rückraum bezeichnet wird, abzuleiten, sind die Leitstrukturen an den Öffnungen in Richtung der lonenaustauschermembran geneigt. Damit wird das Gas, welches verstärkt an der zu der lonenaustauschermembran weisenden Oberfläche der Metallelektrode gebildet wird, von der Oberfläche v eggeleitet und beim Aufsteigen aus dem engen Spalt

15 zwischen Metallelektrode und lonenaustauschermembran herausgeführt. Dies verhindert, dass sich das Gas in dem engen Zwischenraum ansammelt und zu einem erhöhten Widerstand in dem Elektrolyten führt.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen 20 Zelle weisen die Öffnungen der Metallelektrode eine Gesamtquerschnittsfläche auf, welche im Bereich von 20 °Λ bis 70 % der Fläche beträgt, welche durch die Höhe und Breite der Metallelektrode gebildet wird. Bei der senkrechten Anordnung der Metallelektrode in der elektrochemischen Zelle ist als Höhe der Metallelektrode die Länge der im Wesentlichen senkrecht angeordneten Seite der Elektrode und als 25 Breite die Länge der im Wesentlichen parallel zur Gegenelektrode und waagerecht angeordneten Seite der Elektrode anzusehen.

Besteht die Elektrode im Wesentlichen aus einem Metallblech, so ist die Elektrode vorzugsweise nicht eben, sondern gekrümmt und/oder gewellt. Für eine solche

30 Elektrodenstruktur wird bevorzugt ein wellenförmiger, zickzackförmiger oder rechteckförmiger Querschnitt gewählt. Auf diese Weise vergrößert sich die elektrochemisch aktive Oberfläche der Metallelektrode. Eine solche Elektrodenstruktur ist insbesondere für die Elektrolyse wässriger Lösungen von Chlorwasserstoff (Salzsäure) von Bedeutung, da hier aufgrund der höheren Leitfähigkeit der Salzsäure auch noch bei größerer Distanz zwischen Elektrode und Gegen- elektrode eine elektrochemische Reaktion zu beobachten ist. Die elektrochemisch aktive Oberfläche der Metallelektrode wird insbesondere durch die in Richtung der Gegenelektrode, hier der Kathode, weisende Oberfläche der Metallelektrode gebildet. Darüber hinaus ist die elektrochemische Reaktion aber auch an Oberflächen zu beobachten, welche nicht der Gegenelektrode zugewandt sind. Dies betrifft beispiels- weise Oberflächen, die unter einem rechten Winkel zu der Gegenelektrode stehen, wie z.B. Kanten, oder Oberflächen, die der Gegenelektrode abgewandt sind, wie z.B. die Rückseite der Metallelektrode. Als elektrochemisch aktive Oberfläche wird also der Anteil der Gesamtoberfläche der Metallelektrode verstanden, an dem eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Bevorzugt beträgt das Verhältnis von elektrochemisch aktiver Fläche zu der Fläche, welche durch die Höhe und Breite der

Metallelektrode gebildet wird, mindestens 1,2.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsforrn der Elektrolysezelle weist die Metallelektrode eine Tiefe von mindestens 1 mm auf. Dabei wird als Tiefe die Seitenlänge der Metallelektrode angesehen, welche im Wesentlichen senkrecht zur

Gegenelektrode und waagerecht angeordnet ist. Bei einem wellenförmigen Querschnitt der Metallelektrode entspricht die Tiefe der zweifachen Amplitude der Welle. Oder anders ausgedrückt: Die Tiefe entspricht der Differenz zwischen minimalem und maximalem Abstand gebildet durch eine der Kanten der Elektrode und der lonenaustauschermembran. Entsprechendes gilt für die Tiefe bei einem zickzackförmigen Querschnitt der Elektrode.

Auch Streckmetalle besitzen bei geeigneter Maschengröße, Stegdicke und -breite die gewünschten Eigenschaften der Elektrodenstruktur, nämlich eine große elektro- chemisch aktive Oberfläche, die in die Tiefe reicht, sowie Öffnungen für die

Ableitung des Gases. Die Maschen erlauben die Ableitung des Gases auf die Rückseite der Metallelektrode, wobei die Stege die Funktion der Leitstruktur übernehmen, sofern das Streckmetall so angeordnet ist, dass die Stege in Richtung der Gegenelektrode geneigt sind. Auch eine Kombination von zwei oder mehreren gleichen oder verschiedenen Streckmetallen ist möglich, wenn mindestens eines der Strecknaetalle auf die beschriebene Weise in die elektrochemische Zelle als

Metallelektrode, insbesondere als Anode, eingebaut ist. Bevorzugt basiert die Metallelektrode auf zwei aneinander hegenden Streckmetallen, wobei das zur Gegenelektrode weisende Streckmetall ferner stxukturiert ist als das von der Gegenelektrode abweisende Streckmetall, das feiner strukturierte Streckmetall außerdem flachgewalzt ist und die Stege des gröber strukturierten Streckmetalls als Leitstrukturen dienen, dadurch dass das Streckmetall so angeordnet ist, dass die Maschenstege in Richtung der Gegenelektrode geneigt sind.

Die erfindungsgemäße Zelle wird insbesondere zur Elektrolyse wässriger Lösungen von Chlorwasserstoff eingesetzt. Die Anodenhalbzelle besitzt einen Einläss und einen Auslass für den Elektrolyt, welcher von unten nach oben durch die Halbzelle strömt und diese vollständig anfüllt. Der Auslass für den Elektrolyt dient gleichzeitig als Auslass für das gebildete Gas. Eine geeignete Anode ist z.B. eine edelmetallbeschichtete oder edelmetalldotierte Titanelektrode. Dazu gehört auch eine Elektrode aus Titan oder aus einer Titan-Legierung, insbesondere einer Titan-Palladium-

Legierung, die mit einer säurefesten, Chlor entwickelnden Beschichtung, beispielsweise auf Basis eines Ruthenium-Titan-Mischoxids, eines Iridiumoxids oder auf Basis von Platin, versehen ist. Die Anodenhalbzelle ist von der Kathodenhalbzelle durch eine lonenaustauschermembran getrennt. Dabei befindet sich zwischen der Anode und der lonenaustauschermembran ein Spalt. Als Kathode dient insbesondere eine Gasdiffusionselektrode, die als Sauerstoffverzehrkathode fungiert. Die • Gasdiffusionselektrode liegt einerseits an der lonenaustauschermembran, andererseits an einem Stromkollektor an. Wird die Gasαiffu-sionselektrode ' als Sauerstoffverzehrkathode eingesetzt, kann der Kathodenraum vom Sauerstoff bzw. dem sauerstoffhaltigen Gas durchströmt werden.

Es ist ebenfalls denkbar, den Sauerstoff innerhalb des Kathodenraumes durch Ein- bauten in seiner Strömungsrichtung zu beeinflussen. Der Sauerstoff kann über einen Einlass von unten eingeleitet und über einen Auslass oben wieder abgeführt werden. Es ist jedoch ebenso möglich, dass der Sauerstoff von oben nach unten strömt oder dass eine seitliche Strömung im Kathodenraum von z.B. unten links nach oben rechts erfolgt. Bezügüch der ablaufenden Reaktion sollte überstöchiometrisch Sauerstoff angeboten werden.

Vorzugsweise werden Gasdiffusionselektroden eingesetzt, die einen Katalysator der Platingruppe, vorzugsweise Platin oder Rhodium enthalten. Beispielhaft seien Gas- diffusionselektroden der Firma E-TEK (USA) genannt, die 30 Gew.-% Platin auf

Aktivkohle mit einer Edel etallbeschichtung der Elektrode von 1,2 mg Pt/cm² aufweisen.

Als lonenaustauschermembran eignen sich beispielsweise solche aus Perfluorethylen, die als aktive Zentren Sulfonsäuregruppen enthalten. Beispielsweise können handelsübliche Membranen der Firma DuPont eingesetzt werden, etwa die Membran Nation^® 324. Es sind sowohl Einschichten-Membranen, die beidseitig Sulfonsäuregruppen mit gleichen Äquivalentgewichten haben, als auch Membranen, die auf beiden Seiten Sulfonsäuregruppen mit unterschiedlichen Äquivalentgewichten haben, geeignet. Ebenfalls sind Membranen mit Carboxylgruppen denkbar.

E> er kathodenseitige Stromverteiler kann beispielsweise aus Titan-Streckmetall oder ed.elmetallbeschichtetem Titan bestehen, wobei auch alternative beständige Werk-

Stoffe eingesetzt werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Fi ezugnahme auf die anhegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer ersten bevorzugten Ausfuhrungsform der Elektrodenstruktur in perspektivischer Darstellung

Fig. 2 ein Schema einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Elektrodenstruktur in perspektivischer Darstellung

Fig. 3 ein Schema einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Elektroden- Struktur in perspektivischer Darstellung

Fig. 4 ein Schema einer vierten bevorzugten Ausführungsform der Elektrodenstruktur in perspektivischer Darstellung

Fig. 4a ein Ausschnitt aus der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform

Fig. 5 ein Schema einer fünften bevorzugten Ausfuhrungsform der Elektrodenstruktur in perspektivischer Darstellung

In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird die Fläche der Metallelektrode, welche der lonenaustauschermembran und damit der Gegenelektrode zugewandt ist, als Vorderseite bezeichnet und entsprechend die der lonenaustauschermembran abgewandte Fläche als Rückseite, hl der erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle liegt die Elektrode nicht auf der lonenaustauschermembran auf, sondern zwischen Anode und lonenaustauschermembran befindet sich ein mit

Elektrolyt gefüllter Spalt wobei der Spalt nicht vom übrigen Raum der Halbzelle getrennt ist. Der Spalt beträgt in der Regel 1 bis 3 mm. Er entsteht dadurch, dass der Anodemaum auf einem höheren Druck gehalten wird als der Kathodenraum. Damit wird die lonenaustauschermembran auf die Gasdiffusionselektrode und diese wiederum auf den Stromkollektor gedrückt. Der Elektrolyt strömt frei von unten nach oben durch die gesamte Halbzelle. Der Raum der Halbzelle, welcher an die Rückseite der Elektrode angrenzt, wird nachfolgend auch als Rückraum bezeichnet.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsfonn besteht die Elektrode aus senkrecht angeordneten Metall-Lamellen 10, welche in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur lonenaustauschermembran stehen. Als Leitstrukturen befinden sich jeweils zwischen zwei benachbarten Lamellen in Richtung der lonenaustauschermembran geneigte Leitbleche 12, mit deren Hilfe das aufsteigende Gas von der Vorderseite, d.h. der lonenaustauschermembran zugewandten Seite, der Elektrode nach hinten in den Rückraum der elektrochemischen Halbzelle durch die Öffnungen 14 geleitet wird. Die Klontaktierung der Lamellen erfolgt über Sfrornzuführungen 16. Die Tiefe der Lamellen liegt im Bereich von 1 bis 40 mm und der Abstand zwischen zwei benachbarten Lamellen im Bereich von 1 bis 10 mm.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (hier nicht dargestellt), welche dem

Prinzip nach der in Figur 1 dargestellten ähnlich ist, stehen die senkrecht angeordneten Lamellen in einem Winkel zu der lonenaustauschermembran, der von 50 bis 90° beträgt.

In der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform entspricht die Struktur der Elektrode

20 und der Leitbleche im Wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsform (gleiche oder ähnliche Bauteile sind daher mit den gleichen Bezugszeichen belegt). Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Lamellen 20 an ihren der lonenaustauschermembran abgewandten Kanten mit einem Blech 28 verbunden sind, welches unterhalb der Leitbleche 22 Öffnungen 24 zur Ableitung des Gases aufweist.

Das an den Lamellen rückwärtig angebrachte Blech 28 steht also im Wesentlichen parallel zu der lonenaustauschermembran.

In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform basiert die Metallelektrode 30 auf einem wellenförmigen Querschnitt. Dabei befinden sich die Öffnungen 34 im

Bereich der der lonenaustauschermembran ab gewandten Wellenberge. Die Leit- Strukturen 32 bestehen aus Blechen, welche im Wesentlichen die Form einer Halb- welle besitzen und in Richtung der lonenaustauschermembran geneigt oberhalb der Öffnungen 34 angebracht sind. Eine solche Elektrodenstaiktur kann auf einfache Weise beispielsweise dadurch gefertigt werden, dass im Bereich der Wellenberge von der Rückseite der Elektrode 30 im Wesentlichen dreieckförmige Öffnungen 34 gestanzt werden. Dabei werden die dreiecksförmigen Öffnungen nicht vollständig ausgestanzt, sondern die ausgestanzten Teile bleiben jeweils im Bereich der oberen Dreiecksspitze mit der Elektrode verbunden, so dass die ausgestanzten Teile als Leitstrukturen 32 in Richtung der lonenaustauschermembran gebogen und unter einem Neigungswinkel von 10 bis 60° angeordnet werden können. Die Leitstrukturen

32 können gegebenenfalls an. ihren seitlichen Kanten mit der Elektrode 30 verschweißt werden. Bevorzugt werden jedoch Öffnungen 34 von der Rückseite der Elektrode 30 her in einer Form gestanzt, die der Form der Wellenberge entsprechen, da so die zur Vorderseite der Elektrode 30 gebogene und in Richtung der Gegen- elektrode geneigte Leitstrukturen 32 mit der Elektrode abschließen. Ein zusätzliches Verbinden der Leitstrukturen 32 mit der Elektrode 30 kann daher entfallen. Bei einer derartigen Fertigungsweise bestimmt die Fläche der ausgestanzten Öffnungen 34 im Wesentlichen die Fläche der Leitstrukturen 32. Die als Leitstrukturen füngierenden ausgestanzten Metallteile der Elektrode können auch verkleinert werden, so dass sie weniger weit in den Raum zwischen Elektrode und lonenaustauschermembran hineinragen. Vorzugsweise wird die Größe der Öffnungen 34 so gewählt, dass die Fläche der Leitstrukturen 32 gerade der Fläche eines Wellenberges entspricht. Die Tiefe der Elektrode, womit hier der Abstand von Wellenberg zu Wellental, also die doppelte Amplitude, einer Welle, verstanden wird, beträgt von 2 bis 40 mm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen oder Wellentälern, was der

Wellenlänge entspräche, beträgt von 3 bis 30 mm. Die Strömung des Gases erfolgt in dieser Ausführungsform im Wesentlichen der mit den Pfeilen 39 markierten Richtung.

In einer weiteren Ausführungsfonn (hier nicht dargestellt) handelt es sich prinzipiell um eine ähnlich der in Fig. 3 dargestellten Struktur der Elektrode, wobei die Elektrode aber auf einem zickzackförmigen Querschnitt basiert. Analog zu der oben beschriebenen Fertigungsweise kann diese Elektrodenstruktur durch Ausstanzen einer dreiecksförmigen Öffnung von hinten im Bereich der der Ionenaus- tauschennembran abgewandten Spitzen hergestellt werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten wiederum nur durch den Querschnitt, auf dem die Elektrodenstruktur 40 basiert. Hier handelt es sich um einen rechteckförmigen Querschnitt, wobei sich die Öffnungen 44 (Fig. 4a) an den der lonenaustauschermembran abgewandten Längs- sehen befinden. Diese sind im Wesentlichen parallel zu der lonenaustauschermembran angeordnet. Die Leitstrukturen 42 leiten das Gas in den Rückraum der Halbzelle entsprechend der mit dem Pfeil 49 (Fig. 4a) markierten Richtung ab.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsforni (Fig. 5) sind die Öffnungen 54 bei einem ebenfalls rechteckförmigen Querschnitt der Eleldxodenstruktur 50 nicht an den hinteren Längsseiten angeordnet, sondern an einer der Querseiten, d.h. an einer der zur lonenaustauschermembran senkrecht stehenden Seiten der Elektrode. Entsprechend sind die Leitstrukturen 52 in dieser Ausführungsforni nicht in Richtung der lonenaustauschermembran geneigt, sondern in Richtung der gegenüberliegenden ' Querseite der Elektrode. Die Strömung des Gases von der Vorderseite auf die Rückseite der Elektrode ist mit den Pfeilen 59 markiert.

Eine Elektrodenstruktur mit großer elektrochemisch aktiver Oberfläche und Öffnungen mit Leitstrukturen für die Ableitung des Gases in den Rückraum der Halbzelle bieten auch Streckmetalle. So besteht eine weitere bevorzugte

Ausführungsform aus zwei verschiedenen, aneinander liegenden Streckmetallen, wobei besonders bevorzugt das zur lonenaustauschermembran gewandte Streckmetall feiner strukturiert ist als das der lonenaustauschermembran abgewandte Streckmetall. Ein feiner strukturiertes Streckmetall ist gegenüber einem gröber struk- turierten Streckmetall durch eine geringere Maschenbreite und Maschenweite sowie eine geringere Stegbreite und Stegdicke gekennzeichnet. Vorzugsweise ist außerdem das feiner strukturierte Streckmetall flachgewalzt und das gröber strukturierte Streckmetall nicht beliebig angeordnet, sondern so, dass die Maschenstege die Funktion von Leitstrukturen übernehmen. Die Maschen sind dabei bevorzugt rautenförmig oder quadratisch, und die Stege des gröberen, der lonenaustauschermembran abge- wandten Streckmetalls in Richtung der lonenaustauschermembran geneigt. Die Gesamtfläche der Öffnungen beträgt sowohl beim feiner strukturierten als auch beim gröber strukturierten Streckmetall im Bereich von 20 bis 70 % der Fläche, welche durch die äußeren Abmessungen, d.h. die Kantenlängen, der Streckmetalle gegeben ist. Zur Kennzeichnung der Streckmetalle werden folgende Parameter verwendet: Die Stegdicke entspricht der Dicke des zur Herstellung des Streckmetall verwendeten

Metallblechs. Die Stegbreite resultiert aus dem Abstand zweier zueinander paralleler, aber versetzter Schnitte. Die Maschenweite kennzeichnet die Länge des Schnittes, die Maschenbreite der durch streckende Verformung entstandene maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Stegen.

Übenaschenderweise wurde gefunden, dass bei dieser bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung eine geringere Betriebsspannung zu beobachten ist als in Elektrolysezellen mit herkömmlichen Elektrodenstrukturen, was in den nachfolgend beschriebenen Beispielen deutlich wird.

Beispiele

Die Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff (Salzsäure) wurde mit einer Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffverzehrkathode durchgeführt. Die Kon- zentration der Salzsäure betrug 13 Gew.-% und ihre Temperatur beim Eintritt in die

Anodenhalbzelle wurde so eingestellt, das die Temperatur im Ablauf 60°C betrug. Der Umpumpvolumenstrom der Salzsäure wurde so eingestellt, dass die Geschwindigkeit der Salzsäure in der Anodenhalbzelle 0,3 cm/s betrug. Der Werkstoff der Anoden bestand aus einer Titan-Palladium-Legierung, welche mit einer Ruthe- tium-Titan-Mischoxidschicht (DSA^®-Beschichtung) aktiviert war. Zwischen

Anoden- und Kathodenraum wurde eine Kationenaustauschermembran der Firma DuPont, Typ Nation^® 324 eingesetzt. Als Kathode wurde eine Gasdiffusionselektrode der Firma E-TEK (USA) verwendet, welche auf Kohlenstoff basierte und mit Rhodiumsulfid aktiviert war. Die Gasdiffusionselektrode war auf dem Stromkollektor befestigt, wobei dieser aus einem aktivierten Titan-Palladium-

Streckmetall bestand. Die Breite der Elektrode betrug 730 mm, die Höhe betrug 1200 mm. Der minimale Abstand der Anode zur Kationenaustauschermembran betrug 3,5 mm.

Beispiel 1

Als Anode wurde eine Kombination aus zwei aneinanderliegenden Titan- Steckmetallen eingesetzt, wobei ein feiner strukturiertes Streckmetall auf einem gröber strukturierten Streckmetall aufgebracht war. Das feiner strukturierte Streck- metall besaß eine Maschenweite von 4,2 mm und eine Maschenbreite von 3,1 mm sowie eine Stegbreite von 0,6 mm und eine Stegdicke von 0,4 mm. Entsprechend betrüg die Gesamtfläche der Öffnungen 53 % der Fläche des Streckmetalls. Dieses Streckmetall war auf eine Dicke von 0,5 mm flachgewalzt. Das gröber strukturierte der beiden Streckmetalle wies eine Maschenweite von 13,2 mm, eine Maschenbreite von 6,3 mm, eine Stegbreite von 2,4 mm und eine Stegdicke von 3,5 mm auf. Damit betrug die Gesamtfläche der Öffnungen 24 % der Fläche des Streckmetalls. Der Einbau der Anode erfolgte derart, dass das flachgewalzte, feinere Streckmetall der Kationenaustauschermembran zugewandt war.

Die Spannung betrug 1,59 V bei einer Stromdichte von 5 kA/m²

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Die Anode bestand aus einem einzelnen grob strukturierten Streckmetall mit einer Maschenweite von 6,2 mm, einer Maschenbreite von 3,6 mm sowie einer Stegbreite von 1,1 mm und einer Stegdicke von 1 mm. Die Gesamtfläche der Öffnungen betrug entsprechend 24 % der Gesamtfläche der Anode.

Die Spannung betrug 1,67 V bei einer Stromdichte von 5 kA/m² und war damit größer als bei der Elektrolyse einer Salzsäurelösung unter vergleichbaren Be- dingungen, jedoch mit der speziellen Kombination aus einem feiner strukturierten, flach gewalzten Streckmetall, das der Kathode zugewandt war, und einem dahinter liegenden gröber strukturierten Streckmetalls.

Claims

- Patentansprüche

1. Elektrochemische Zelle für das Membranelektrolyseverfahren, umfassend wenigstens einen Anodemaum mit einer Metallelektrode (10;20;30;40;50) als Anode, einen Kathodemaum mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode und einer zwischen Anodemaum und Kathodenraum angeordneten lonenaustauschermembran, wobei die Metallelektrode (10;20;30;40;50) in einen Elektrolyt eintaucht und Öffnungen (14;24;34;44;54) für den Durchlass des im Betrieb gebildeten Gases aufweist- und gegebenenfalls gewinkelt und/oder gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen

(14;24;34;44;54) Leitstrukturen (12;22;32;42;52) aufweisen, welche das gebildete Gas auf die der Kathode abgewandten Seite der Metallelektrode ableiten.

2. ^• Elektrochemische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Gesamtquerschnittsfläche der Öffnungen (14;24;34;44;54) im Bereich von 20 % bis 70 % der Fläche beträgt, welche durch die Höhe und Breite der^' Metallelektrode gebildet wird.

3. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektrode einen wellenförmigen, zickzackförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt hat.

4. Elektrochemische Zelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektrode eine Tiefe von mindestens 1 mm aufweist.

5. Elektrochemische Zelle nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallelektrode auf zwei aneinander liegenden Streckmetallen basiert, wobei das zur Kathode weisende Streckmetall feiner struk- turiert ist als das von der Kathode abweisende Streckmetall, das feiner strukturierte Streckmetall flachgewalzt ist und das gröber strukturiert Streckmetall so angeordnet ist, dass die Maschenstege in Richtung der Kathode geneigt sind und als Leitstrukturen dienen.