DE3439265A1

DE3439265A1 - Elektrolyseapparat mit horizontal angeordneten elektroden

Info

Publication number: DE3439265A1
Application number: DE19843439265
Authority: DE
Inventors: D. Dr. Bergner; K. Dipl.-Ing. 6233 Kelkheim Hannesen; Rudolf Dr. Staab
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1984-10-26
Filing date: 1984-10-26
Publication date: 1986-05-07
Also published as: EP0182114B1; NO854272L; NO165249B; CA1258443A; ATE36177T1; NO165249C; US4639303A; EP0182114A1; DE3564136D1

Description

HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT HOE 84/P 254 DPh.HS/er

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Elektrolyseapparat mit horizontal angeordneten Elektroden

Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zum Herstellen von Chlor aus wäßrigen Alkalihalogenldlösungen, der mindestens eine Elektrolysezelle aufweist, deren Anode und Gasdiffusionskathode horizontal und durch eine Trennwand voneinander getrennt in einem Gehäuse aus zwei Halbschalen angeordnet und über ihre Ränder mit den Halbschalen mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Gehäuse mit Einrichtungen zum Zuführen der Elektrolyseausgangsstoffe und zum Abführen der Elektrolyseprodukte versehen ist.

Beim Betreiben von Elektrolysezellen mit vertikal angeordneten Gasdiffusionskathoden besteht die Gefahr, daß die Sauerstoff verzehrenden Kathoden bedingt durch den hydrostatischen Druck der Lauge, am unteren Ende elektrolytdurchlässig und am oberen Ende gasdurchlässig werden. Dieser Effekt macht sich umso mehr bemerkbar, je größer die Bauhöhe einer Zelle ist. Eine weitere Schwierigkeit beim Betreiben von Elektrolysezellen mit Gasdiffusionskathoden besteht in der Stromzuführung zur sauerstoffverzehrenden Kathode. Da die Elektrode zur Vermeidung des "Ertrinkens" mit einem Kunststoff, z.B. Polytetrafluorethylen, hydrophobiert sein mufi>, ist es nicht möglich, solche Kathoden in den Kathodenraum einzuschweißen. Das Hydrophobierungsmittel würde unter diesen Bedingungen abbrennen. Dabei entstünden Leckstellen in der Kathode, so daß diese elektrolyt- und gasdurchlässig würde. Gerade die Dichtigkeit der Gasdiffusionskathode ist jedoch eine entscheidende Voraussetzung für das Betreiben von Elektrolyseuren mit solchen Elektroden. In der Praxis bedeutet dies, daß die

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Kontaktierung der Gasdiffusionskathoden durch Anpressen an eine Stromzuführung erfolgen muß. Hierbei treten insbesondere bei flächenförmiger Stromversorgung hohe übergangswiderstände auf. Die Folge davon ist, daß es praktisch unmöglich ist, große Elektrolysezellen von

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1 m aktiver

zu betreiben.

1 m aktiver Fläche und mehr mit Gasdiffusionskathoden

Es bestand daher die Aufgabe, eine Elektrolysezelle zu entwickeln, die es erlaubt, bei großer Elektrodenfläche eine flächenförmige Stromzuführung und damit eine bipolare Schaltungsweise des Elektrolyseurs zu gewährleisten, wobei die .einzelnen Elektrolysezellen aus ^x möglichst wenig, einfachen und preiswerten Bauteilen bestehen und die Gasdiffusionskathode optimal mit Elektrolyt und Sauerstoff versorgt werden kann, so daß weder Elektrolyt noch Gas durch die Kathode hindurch treten.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Gasdiffuisonskathode flüssigkeitsdicht mit ihrer Halbschale verbunden ist und durch eine Stromzufuhr- und Verteileinrichtung unterstützt wird, die Trennwand zwischen einer zwischen den Rändern der Halbschalen umlaufenden Dichtung und einem dazu parallel angeordneten Rahmen eingeklemmt ist und sich kathodenseitig auf einem Abstandshalter abstützt, der auf der Kathode aufliegt und durch den Rahmen gehalten wird und der Rahmen einen Zu- und Ablauf für den Katholyten aufweist.

Als Anodenmaterial eignet sich Titan, das mit einem Oxid oder Mischoxid der Metalle der 8. Nebengruppe des Periodensystems aktiviert ist. Die Diffusionskathode kann aus einem Stromkollektor aus Nickelgewebe bestehen, welches mit einem porösen, kolloidalen Silberkatalysator, der auf Polytetrafluorethylen abgeschieden ist, beschichtet

ist, und auf der Laugeseite eine hydrophile Schicht besitzt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß ein extrem dünner Laugefilm im Kathodenraum ausreicht. Daraus ergibt sich ein niedriger hydrostatischer Laugedruck, bei dem nur eine sehr geringe, meist vernachlässigbare Laugemenge durch die Kathode hindurchtritt. Da also keine Lauge aus dem Gasraum ausgetrieben werden muß, kann die Zelle mit der stöchiometrischen Sauerstoffmenge betrieben werden. Des weiteren genügt wegen des geringen Laugedruckes auch ein niedriger Gasdruck, um die Dreiphasengrenzfläche Gas-Elektrolyt- und Katalysator innerhalb der Kathode einzustellen. Auf der Anodenseite wird durch die rasche Entmischung von Chlor und Anolyt der Chlorblaseneffekt stark reduziert. Bei horizontaler Anordnung wird mit Hilfe des Abstandshalters (Spacer) auch im Gegensatz zur vertikalen Anordnung der Elektroden vermieden, daß sich die relativ flexiblen Gasdiffusionskathoden verbiegen und sich an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Elektrodenabstände (beispielsweise durch Ausbeulen der Kathode aufgrund des Laugedrucks) einstellen, was zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung führen wird.

Die Erfindung soll nun anhand der Figur näher erläutert werden. Sie zeigt einen Elektrolyseapparat bestehend aus drei Elektrolysezellen mit Gasdiffusionskathoden 11, die völlig unabhängig voneinander sind und über Kontaktpunkte oder Kontaktstreifen 20 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Servicefreundlichkeit der Konstruktion bei Schadstellen an einer Zelle. Durch Lockerung des Anpreßdruckes kann die schadhafte Zelle aus dem Zellenverband entfernt werden und anschließend kann sofort

nach Wiedereinstellung des Anpreßdruckes die Elektrolyse mit den verbleibenden Zellen wieder aufgenommen werden.

Die Halbschalen 1 und 8, deren Ränder als Plansche 2 und 9 ausgebildet sind, tragen die Anode 3 und die Gasdiffusionskathode 11. Die Anodenschale 1 kann aus Titanmetall oder einer Titanlegierung bestehen. Die Anode 3, die ebenfalls aus Titan bestehen kann, das mit einem Edelmetalloxid aktiviert ist, ist über einen Anodenstromleiter 4, der beispielsweise in Form eines Titanwellbandes ausgebildet sein kann, mit der Anodenhalbschale 1 elektrisch leitend verbunden, über eine Zuleitung 5 wird der·Anodenraum 6 mit Elektrolyt, beispielsweise gesättigter Natriumchloridlösung, versorgt.

Die Abführung des gebildeten Chlors und der abgereicherten Sole erfolgt über das Rohr 7. Pur die Kathodenhalbschale 8 kann Normalstahl, Edelstahl oder Nickel aber, auch Titanmetall verwendet werden; letzteres insbesondere deshalb, weil in der Elektrolysezelle kein Wasserstoff produziert wird und somit die H„-Versprödung des Titans nicht einsetzen kann. In. der Kathodenhalbschale 8 befindet sich der Kathodenstromleiter 10 als Stromzufuhr- und -verteileinrichtung, der in Form eines* Wellbandes ausgestaltet sein kann und aus dem gleichen Material wie die Kathodenhalbschale besteht. Der Kathodenstromleiter 10 trägt die Gasdiffusionskathode 11 und verbindet diese elektrisch leitend mit der Kathodenhalbschale 8. Die Gasdiffusionskathode 11 besteht bevorzugt aus einem Elektrokatalysator auf Metallbasis, wie er beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 33 32 566.S beschrieben ist, da eine solche Elektrode auch in einfacher Weise mit dem Kathodenstromleiter verschweißt oder verlötet werden kann. Die Gasdiffusionskathode wird am äußeren Rand mit· der Kathodenhalbschale 8 ebenfalls durch Löten, Schweißen

oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber verbunden und gleichzeitig abgedichtet, so daß unterhalb der Kathode der Gasraum 12 gebildet wird. In diesen wird über eine Zuleitung 13 ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise elementarer Sauerstoff, Luft oder an Sauerstoff angereicherte Luft eingespeist. Die Entsorgung überschüssigen Sauerstoffs oder an Sauerstoff verarmter Luft erfolgt über das Rohr 14. über dieses Rohr 14 kann auch eventuell anfallendes Kondensat abgeführt werden.

Auf dem Plansch 9 der Kathodenhalbschale 8 liegt ein umlaufender Rahmen 17 aus einem laugebeständigen Material, der mit Zufuhrleitung 18 für Dünnlauge und Abführ- "* leitung 19 für die Starklauge versehen ist. Bevorzugtes Material ist Polytetrafluorethylen, da dadurch auch die Abdichtung gegenüber der Kathodenhalbschale gewährleistet ist. Durch den Rahmen 17, die Trennwand 15 und die Kathode 11 wird der Laugeraum defininiert. In diesem befindet sich zweckmäßigerweise ein Abstandshalter 21 aus einem laugebeständigen Kunststoff, der einen konstanten Abstand zwischen Gasdiffusionskathode 11 und Trennwand 15, beispielsweise'einer Kationenaustauschermembran, einstellt. Gegenüber der Anodenschale 1 ist die Trennwand 15 mittels einer Dichtung abgedichtet. Die Kalbschalen können mittels in Büchsen aus elektrisch isolierendem Material geführten Schrauben an den Planschen miteinander verbunden werden (nicht gezeigt). Dies macht die Zelle besonders service- und wartungsfreundlich. Es ist aber auch möglich, die Einzelteile der Zelle übereinander zu stapeln und nach Art einer Filterpresse zusammenzudrücken. Um einen besseren Stromübergang von Zelle zu Zelle zu ermöglichen, können die Außenseiten beider Halbschalenwände oder auch nur eine Halbschalenwand mit Kontaktpunkten oder Kontaktstreifen 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material

versehen sein, über Zuganker oder andere Preßvorrichtungen werden schließlich die zu einem Elektrolyseapparat zusammengestellten Zellen zusammengepreßt (nicht dargestellt). Die Stromzuführungen sind mit Plus und Minus gekennzeichnet. Die Anode 3 kann auf der Trennwand 15 aufliegen.

Eine Elektrolysezelle gemäß obiger Beschreibung wurde mit einer Gasdiffusionskathode auf Basis kolloidalen Silbers und einer Titananode so in Betrieb genommen, daß die Titananode über der Gasdiffusionskathode zu liegen kam. Die aktive, mit elementarem Sauerstoff bespülte Kathodenoberfläche betrug 0,2 m . Die Zelle war mit einer Kationenaustauschermembran des Typs Nafion^) 90203 ausgerüstet. Bei einer Stromdichte von 3 KA/m^ arbeitet die Elektrolysezelle mit einer Zellspannung von 2,17 V, wobei 1550 kwh/t NaOH an elektrischer Energie verbraucht werden. Die Zelle wird bei 90⁰C mit der stöchiometrischen Menge an Sauerstoff betrieben; es wird 33 Gew.-^ige Natronlauge produziert.

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Claims

HOE 84/F 254 PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrolyseapparat zur Herstellung von Chlor aus wäßrigen Alkalihalgogenidlösungen, der mindestens . eine Elektrolysezelle aufweist, deren Anode und Gasdiffusionskathode horizontal und durch eine Trennwand voneinander getrennt in einem Gehäuse aus zwei Halbschalen angeordnet und über ihre Ränder mit den Halbschalen mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Gehäuse mit Einrichtungen zum Zuführen der Elektrolyseausgangsstoffe und zum Abführen der Elektrolyseprodukte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11), flüssigkeitsdieht^mit ihrer Halbschale (8) verbunden ist und durch eine Stromzufuhr- und Verteileinrichtung (10) unterstützt wird, die Trennwand (15) zwischen einer zwischen den Rändern der Halbschalen (1,8) umlaufenden Dichtung (16) und einem dazu parallel angeordneten Rahmen (17) eingeklemmt ist und sich kathodenseitig auf einem Abstandshalter (21) abstützt, der auf der Kathode (11) aufliegt und durch den Rahmen (17) gehalten wird und

der Rahmen (17) einen Zu- und Abiauf (18, 19) für den Katholyten aufweist.

2. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anode (3) eine Titananode verwendet wird, die mit einem Oxid oder Mischoxid der Metalle der 8. Nebengruppe des Periodensystems aktiviert ist.

3. Elektrolyseapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionskathode (11) aus einem Stromkollektor aus Nickelgewebe besteht, welches mit einem porösen, kolloidalen Silberkatalysator, der auf Polytetrafluorethylen abgeschieden ist, beschichtet ist und auf der Laugeseite eine hydrophile Deckschicht besitzt.