DE10159372A1

DE10159372A1 - Electrochemical half-cell comprises electrode chamber for an electrolyte, gas pockets for receiving gas, connecting channel for connecting two gas pockets, and gas diffusion electrode which separates the chamber from the gas pockets

Info

Publication number: DE10159372A1
Application number: DE10159372A
Authority: DE
Inventors: Fritz Gestermann; Andreas Bulan; Hans-Dieter Pinter; Walter Klesper
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Covestro Deutschland AG
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Electrochemical half-cell comprises an electrode chamber for an electrolyte and having an electrolyte feed line and an electrolyte removal line (11); several gas pockets (18, 20, 22, 24) for receiving gas, in which the lowermost pocket has a gas feed line (34); a connecting channel (26) for connecting two gas pockets (20, 22) and for allowing gas to flow from the gas pocket (20) to the gas pocket (22) via an inlet opening (30); and a gas diffusion electrode (36) which separates the electrode chamber from the gas pockets. A deviating unit (46) is provided in each of the gas pockets before the gas inlet opening. Preferred Features: The deviating unit is a collision plate arranged parallel to the gas diffusion electrode. The surface of the plate is 1.1-2.5 times the cross-sectional surface of the gas inlet opening.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Halbzelle mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode oder Anode mit einem Gasraum für die Gasdiffusionselektrode bei dem die Gaszuführung in den Gasraum so angeordnet ist, dass die Gaseinströmrichtung nicht direkt gegen die Gasdiffusionselektrode gerichtet ist. The invention relates to an electrochemical half cell with a Gas diffusion electrode as cathode or anode with a gas space for the gas diffusion electrode in which the gas supply in the gas space is arranged so that the Gas inflow direction is not directed directly against the gas diffusion electrode.

Beim Betrieb von Elektrolyseprozessen mit Gasdiffusionselektroden werden, bedingt durch hohe spezifische Elektrodenstromdichten, große Mengen Gas benötigt. Bei der Alkalihalogenid Elektrolyse, bei der die Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffverzehrkathode arbeitet, wird Sauerstoff, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Luft in den Gasraum geleitet. Conditional when operating electrolysis processes with gas diffusion electrodes due to high specific electrode current densities, large quantities of gas are required. In the Alkali halide electrolysis, in which the gas diffusion electrode as Oxygen cathode works, becomes oxygen, oxygen-enriched air or air passed into the gas space.

Dabei werden bei hohen spezifischen Stromdichten und Elektrodenflächen von 2,5 m² Sauerstoffmengen von mehr als 8 m³/h, bei Sauerstoff angereicherter Luft oder Luft alleine, dementsprechend mehr, benötigt. At high specific current densities and electrode areas of 2.5 m ^2, oxygen quantities of more than 8 m ³ / h are required, with oxygen-enriched air or air alone, correspondingly more.

Dieses führt bei relativ klein dimensionierten Eintrittsöffnungen zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Durch die geringe Bautiefe der Gastaschen führt das partiell zu sehr hohen Drücken und mechanischen Ansprüchen auf die Gasdiffusionselektrode. This leads to very high entry openings with relatively small dimensions Flow rates. This leads to the small depth of the gas pockets partially to very high pressures and mechanical demands on the Gas diffusion electrode.

Dies hat zur Folge, dass im Bereich des Sauerstoffeintrittes in die Gastasche an der Gasdiffusionselektrode es zu einem Sauerstoffdurchbruch durch die Sauerstoffverzehrkathode kommt oder die Katalysatormasse aus dem Trägermaterial herausgedrückt wird, was einen unkontrollierten Austausch von Flüssigkeit und Gas zur Folge haben würde. This has the consequence that in the area of oxygen entry into the gas pocket on the Gas diffusion electrode causes an oxygen breakthrough through the Oxygen consumption cathode or the catalyst mass comes from the carrier material is pressed out, which results in an uncontrolled exchange of liquid and gas would have.

Aufgabe der Erfindung ist die Vermeidung einer Beschädigung der Sauerstoffverzehrkathode und/oder der Katalysatormasse durch das einströmende Gas. The object of the invention is to avoid damage to the Oxygen consumption cathode and / or the catalyst mass by the inflowing gas.

Es wurden elektrochemische Halbzellen mit einer Gasdiffusionselektrode als Kathode oder Anode mit einem Gasraum für die Gasdiffusionselektrode, der aus einer oder mehreren Gastaschen bestehen kann, mit einer Gaszufuhr und einer Gas- oder Gas/Flüssigkeitsabführung gefunden, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Gaszuführung so angeordnet ist, dass die Gaseinströmrichtung nicht direkt gegen die Gasdiffusionselektrode gerichtet ist. There were electrochemical half cells with a gas diffusion electrode Cathode or anode with a gas space for the gas diffusion electrode, which consists of can consist of one or more gas pockets, with a gas supply and a gas or gas / liquid discharge found, which are characterized in that the Gas supply is arranged so that the gas inflow direction is not directly against the Gas diffusion electrode is directed.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Umlenkung des Gases durch ein Prallblech, welches zwischen Sauerstoffeintrittsöffnung und Gasdiffusionselektrode angeordnet ist. In a preferred embodiment of the invention, the deflection of the Gas through a baffle, which between the oxygen inlet and Gas diffusion electrode is arranged.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Größe des Prallbleches so ausgewählt ist, dass sich die parallele Strömungsgeschwindigkeit am Rande des Gases in einem Bereich von < 10 m/sec, bevorzugt von 1,5 bis 8 m/sec, befindet. It is further preferred that the size of the baffle plate is selected such that the parallel flow velocity at the edge of the gas in one area of <10 m / sec, preferably from 1.5 to 8 m / sec.

Das Prallblech besteht im allgemeinen aus einem unter den Reaktionsbedingungen inerten Material, wie Teflon oder Nickel. The baffle generally consists of one under the reaction conditions inert material, such as Teflon or nickel.

Die Anwendung der Erfindung ermöglicht einen problemlosen Gaseintritt in den Gasraum, der zu keinen partiellen Druckerhöhungen und mechanischen Ansprüchen auf die Gasdiffusionselektrode führt. Somit wird eine vorzeitige Zerstörung der Elektrode verhindert. The application of the invention enables easy gas entry into the Gas space that does not result in partial pressure increases and mechanical demands leads to the gas diffusion electrode. Thus, premature destruction of the Electrode prevented.

Der Einsatz von Gasdiffusionselektroden in unterschiedlichen Elektrolyseprozessen ist bekannt. The use of gas diffusion electrodes in different electrolysis processes is known.

Im Falle der Alkalihalogenid - Elektrolyse, bei der die Gasdiffusionselektrode als Sauerstoffverzehrkathode betrieben wird, ist die Gasdiffusionselektrode eine offenporige Membran. Diese ist zwischen Elektrolyt und Gasraum angeordnet und ermöglicht an der Dreiphasengrenze zwischen Elektrolyt, Katalysator und Sauerstoff eine Sauerstoffreduktion. In the case of alkali halide electrolysis, in which the gas diffusion electrode acts as Oxygen consumption cathode is operated, the gas diffusion electrode is a open pore membrane. This is arranged between the electrolyte and the gas space enables at the three-phase boundary between electrolyte, catalyst and oxygen an oxygen reduction.

Diese Sauerstoffverzehrkathode hat vorzugsweise folgenden Aufbau:
Ein elektrisch leitender Träger zur Stromverteilung, bestehend aus laugefesten Geweben, Drähten oder Filzen aus Silber oder versilbertem Nickel bzw. anderen laugebeständigen Metallen oder Legierungen wird mit einer Katalysator-Trägermasse nach den bekannten Nass- oder Trockenverfahren versehen. [DE A 37 10 168]. This oxygen consumption cathode preferably has the following structure:
An electrically conductive carrier for current distribution, consisting of alkali-resistant fabrics, wires or felts made of silver or silver-plated nickel or other alkali-resistant metals or alloys, is provided with a catalyst carrier composition according to the known wet or dry processes. [DE A 37 10 168].

Die Katalysatormasse besteht vorzugsweise aus einem Gemisch aus einem elektrisch leitfähigen Träger, z. B. Vulkanruß oder Acetylenruß, Teflon zur Einstellung der Hydrophobie und Gasdiffusion, und dem Katalysatormaterial selbst, welches z. B. in Form von fein verteiltem, katalytisch aktivem Silber oder Silberoxid untergemischt wird. The catalyst mass preferably consists of a mixture of an electrically conductive carrier, e.g. B. vulcanized carbon black or acetylene black, Teflon to adjust the Hydrophobicity and gas diffusion, and the catalyst material itself, which, for. B. in Form of finely divided, catalytically active silver or silver oxide mixed in becomes.

Alternativ kann auch auf den Kohlenstoffruß verzichtet werden, so dass die Elektrodenmatrix nur aus Teflon und Silber/ Silberoxid besteht. Alternatively, the carbon black can be dispensed with, so that the Electrode matrix consists only of Teflon and silver / silver oxide.

Hierbei muss jedoch die Silberbeladung so hoch sein, dass es sowohl die Katalysatorfunktion als auch die Elektronenleitung übernimmt. Here, however, the silver loading must be so high that both the Catalyst function as well as the electron conduction.

Die beschriebene Gasdiffusionselektrode, in der Alkalihalogenid-Elektrolyse als Sauerstoffverzehrkathode betrieben, ist eine offenporige Membran, angeordnet zwischen Gasraum und Elektrolyt, die an der Dreiphasengrenze zwischen Elektrolyt, Katalysator und Sauerstoff eine Sauerstoffreduktion nahe dem Elektrolyten bewirkt. Eine Stabilisierung dieser Grenzschicht erfolgt durch die Hydrophobie des Elektrodenmaterials. The described gas diffusion electrode, in the alkali halide electrolysis as Operated oxygen cathode, an open-pore membrane is arranged between gas space and electrolyte, which is at the three-phase boundary between electrolyte, Catalyst and oxygen causes an oxygen reduction near the electrolyte. This boundary layer is stabilized by the hydrophobicity of the Electrode material.

Diese Stabilisierung ist jedoch nur bis zu einem endlichen Druckgefälle zwischen Gasseite und Flüssigkeitsseite wirksam. However, this stabilization is only up to a finite pressure drop between Gas side and liquid side effective.

Ist der Gasdruck zu hoch, bricht Gas durch die Elektrode und die Funktion ist gestört. If the gas pressure is too high, gas breaks through the electrode and the function is disrupted.

Ist hingegen der Flüssigkeitsdruck zu hoch, wird zunächst die Dreiphasengrenze in Richtung Gasseite verlagert oder aber es kommt zu einem Flüssigkeitsdurchbruch von Elektrolyt in den Gasraum. If, on the other hand, the liquid pressure is too high, the three-phase limit is Relocated towards the gas side or there is a liquid breakthrough of electrolyte in the gas space.

Bei technischen Elektrolyseuren, die mit einer Druckkompensation versehen sind, sind die Bauhöhen der einzelnen Gastaschen auf ca. 30-40 cm begrenzt, was zu Druckdifferenzen zwischen Gasseite und Flüssigkeitsseite von 0 bis ca. 40 cm Flüssigkeitssäule führt. In technical electrolysers that are equipped with pressure compensation, the overall heights of the individual gas pockets are limited to approx. 30-40 cm, which too Pressure differences between gas side and liquid side from 0 to approx. 40 cm Liquid column leads.

Da die Katalysatormasse nur mechanisch am Trägermaterial verklammert ist, dürfen die Druckdifferenzen zwischen Flüssigkeits- und Gasraum nicht zu groß werden, da ansonsten die Katalysatormasse vom Trägermaterial getrennt werden kann. Since the catalyst mass is only mechanically clamped onto the support material, the pressure differences between the liquid and gas space do not become too large because otherwise the catalyst mass can be separated from the support material.

Um eine hohe Gasströmung in den Gastaschen zu gewährleisten, haben diese nur eine geringe Bautiefe von nur einigen Millimetern. Das führt dazu, dass das mit hoher Geschwindigkeit in die Gastasche einströmende Gas unmittelbar mit hohem Druck auf die Gasdiffusionselektrode trifft. To ensure a high gas flow in the gas pockets, they only have a shallow depth of just a few millimeters. That means that with Gas flowing into the gas pocket at high speed immediately at high speed Pressure hits the gas diffusion electrode.

Überraschenderweise wird bei der erfindungsgemäßen elektrochemischen Halbzelle die Katalysatormasse nicht aus dem Trägermaterial herausgedrückt und die Funktion der kompletten Gastasche und des gesamten Elementes gesichert. Es tritt auch keine Flüssigkeit in die Gastasche ein und ein unkontrollierter Gaseintritt in den Flüssigkeitsraum wird vermieden. Surprisingly, the electrochemical half cell according to the invention the catalyst mass is not pressed out of the support material and the function the entire gas bag and the entire element. Neither occurs Liquid into the gas pocket and an uncontrolled gas entry into the Liquid space is avoided.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei so durchgeführt werden, dass der Gasstrom, der in die Gastasche einströmt, z. B. durch ein Blech umgelenkt wird. Diese Blech kann aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein, vorzugsweise jedoch aus dem Material der Gastaschenrückwand. Ebenso ist es denkbar, dass andere Einbauten, die die Gaseinströmrichtung von der Gasdiffusionselektrodenoberfläche wegleiten eingesetzt werden. Hierzu können z. B. geschlossene Kästen, die auf die Gaseinlassöffnung aufgesetzt werden, mit seitlichen Auslassöffnungen verwendet werden. The inventive method can be carried out so that the Gas flow that flows into the gas pocket, e.g. B. is deflected by a sheet. This Sheet metal can be made of metal or plastic, but preferably from Material of the gas pocket back wall. It is also conceivable that other internals that direct the gas inflow direction away from the gas diffusion electrode surface be used. For this purpose, e.g. B. closed boxes on the Gas inlet opening can be placed, used with side outlet openings.

example

In eine elektrochemische Halbzelle (1), bestehend aus z. B. vier übereinander angeordneten Gastaschen (2, 3, 4, 5), einer Gasdiffusionselektrode (6), einem Gaseintritt (7), einem Gasaustritt (8) einem Prallblech (9), einer Gasglocke (10) und einer Gastaschenrückwand (11) wird in die unterste Gastasche trockener oder angefeuchteter, kalter oder bereits vorgeheizter Sauerstoff eingeleitet. In an electrochemical half cell ( 1 ) consisting of z. B. four superposed gas pockets ( 2 , 3 , 4 , 5 ), a gas diffusion electrode ( 6 ), a gas inlet ( 7 ), a gas outlet ( 8 ), a baffle plate ( 9 ), a gas bell ( 10 ) and a gas pocket rear wall ( 11 ) Dry or moistened, cold or preheated oxygen is introduced into the bottom gas pocket.

Bei einer technischen Zellengröße von 2,5 m² und Elektrolysestromdichten von bis zu 6 kA/m² muss mit Sauerstoffmengen von bis zu 10 m³/h (feucht, 80°C, Überschuss) gerechnet werden. With a technical cell size of 2.5 m ² and electrolysis current densities of up to 6 kA / m ² , oxygen quantities of up to 10 m ³ / h (moist, 80 ° C, excess) must be expected.

Die Gasmengen in den darüber angeordneten Gastaschen vermindern sich jeweils um den von der Sauerstoffverzehrkathode verbrauchten Anteil. The gas quantities in the gas pockets arranged above each decrease by the portion consumed by the oxygen cathode.

Der einströmende Sauerstoff trifft zunächst auf das Prallblech (9), welches das Gas in eine parallele Strömung zur Sauerstoffverzehrkathode umlenkt. The inflowing oxygen first hits the baffle plate ( 9 ), which deflects the gas into a parallel flow to the oxygen consumption cathode.

Das Prallblech soll so dimensioniert sein, dass das umgelenkte Gas eine Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/sec nicht überschreitet. The baffle plate should be dimensioned so that the deflected gas is one Flow rate does not exceed 10 m / sec.

Da die Gastasche nur eine Bautiefe von 5 mm hat, das Prallblech eine Dicke von 0,5 mm und zwischen Prallblech und Sauerstoffverzehrkathode ein Spalt von mindestens 1,5 mm sein sollte, beträgt der Spalt zwischen Gastaschenrückwand (11) und Prallblech (9) maximal 3 mm. Since the gas pocket only has a construction depth of 5 mm, the baffle plate should be 0.5 mm thick and there should be a gap of at least 1.5 mm between the baffle plate and the oxygen consumable cathode, the gap between the gas pocket rear wall ( 11 ) and the baffle plate ( 9 ) is maximum 3 mm.

Bei einer maximalen Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/sec muss die Kantenlänge eines quadratischen Prallbleches somit mindesten 2 cm betragen. The edge length must be at a maximum flow speed of 10 m / sec a square baffle should be at least 2 cm.

Der Restsauerstoff, gegebenenfalls mit Kondensat, tritt am Gasaustritt (8) aus der Gastasche aus und wird über die Gasglocke (10) in die nächst höher angeordnete Gastasche geleitet. Bezugszeichenliste 1 elektrochemische Halbzelle
2, 3, 4 und 5 Gastaschen
6 Gasdiffusionselektrode
7 Gaseintritt
8 Gasaustritt
9 Prallblech
10 Gasglocke
11 Gastaschenrückwand
The residual oxygen, possibly with condensate, emerges from the gas pocket at the gas outlet ( 8 ) and is passed via the gas bell ( 10 ) into the gas pocket located next up. LIST OF REFERENCES 1 electrochemical half-cell
2 , 3 , 4 and 5 gas pockets
6 gas diffusion electrode
7 gas inlet
8 gas outlet
9 baffle
10 gas bell
11 gas pocket rear wall

Claims

1. Electrochemical half-cell with a gas diffusion electrode as cathode or anode with a gas space for the gas diffusion electrode, which can consist of one or more gas pockets, with a gas supply and a gas or gas / liquid discharge, characterized in that the gas supply is arranged in the gas space is that the gas inflow direction is not directed directly against the gas diffusion electrode.

2. Electrochemical half-cell according to claim 1, characterized in that the deflection of the gas through a baffle, which between Oxygen inlet opening and gas diffusion electrode is arranged takes place.

3. Electrochemical half cell according to claim 2, characterized in that the size of the baffle plate is selected so that the parallel Flow velocity at the edge of the gas in a range of <10 m / sec. located.