[0001] Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zum Herstellen von Chlor aus wäßrigen
Alkalihalogenidlösungen, 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.
[0002] 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 muß, 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 Dichtigkeitlter Gasdiffusionskathode ist jedoch eine entscheidende
Voraussetzung für das Betreiben von Elektrolyseuren mit solchen Elektroden. In der
Praxis bedeutet dies, daß die 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 1 m
2 aktiver Fläche und mehr mit Gasdiffusionskathoden zu betreiben.
[0003] 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 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.
[0004] Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Gasdiffuisonskathode
flüssigkeitsdicht mit ihrer Halbschale verbunden ist und durch eine Stromzuführ- 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] Die Halbschalen 1 und 8, deren Ränder als Flansche 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. Für 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 H2-Versprödung des Titans nicht einsetzen
kann. In der Kathodenhalbschale 8 befindet sich der Kathodenstromleiter 10 als Stromzuführ-
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 32 566.9
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.
[0009] Auf dem Flansch 9 der Kathodenhalbschale 8 liegt ein umlaufender Rahmen 17 aus einem
laugebeständigen Material, der mit Zufuhrleitung 18 für Dünnlauge und Abführleitung
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 16 abgedichtet. Die Halbschalen können
mittels in Büchsen aus elektrisch isolierendem Material geführten Schrauben an den
Flanschen 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.
[0010] 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
2. Die Zelle war mit einer Kationenaustauschermembran des Typs Nafion(
R) 90209 ausgerüstet. Bei einer Stromdichte von 3ka./m2 arbeitet die Elektrolysezelle
mit einer Zellspannung von 2,17 V, wobei 1550 kwh/t NaOH an elektrischer Energie verbraucht
werden. Die Zelle wird bei 90°C mit der stöchiometrischen Menge an Sauerstoff betrieben;
es wird 33 Gew.-%ige Natronlauge produziert.
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), flüssigkeitsdicht mit ihrer Halbschale (8) verbunden ist und durch
eine Stromzuführ- 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 Ablauf (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 SilberkatalysatQr, der auf Polytetrafluorethylen abgeschieden ist, beschichtet
ist und auf der Laugeseite eine hydrophile Deckschicht besitzt.
