BRUCHSTABILE TRENNWAND UMFASSEND FESTELEKTROLYTKERAMIKEN FÜR ELEKTROLYSEZELLEN

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Trennwand W, welche sich zum Einsatz in einer Elektrolysezelle E eignet. Die Trennwand W umfasst mindestens zwei alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A und F_B, die durch mindestens ein Trennelement T voneinander getrennt sind. Im Vergleich zu den Fällen gemäß Stand der Technik, in denen die Trennwand W den Festelektrolyten in einem Stück umfasst, ist diese Anordnung flexibler, und den einzelnen Keramiken stehen mehr Freiheitsgrade zur Verfügung, um z.B. mit Schrumpfung oder Ausdehnung auf Temperaturschwankungen zu reagieren. Dadurch erhöht sich die Stabilität gegenüber mechanischen Spannungen in der Keramik.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolysezelle E, welche eine Kathodenkammer K_K umfasst, die durch die Trennwand W von der benachbarten Kammer, bei der es sich um die Anodenkammer K_A oder eine Mittelkammer K_M der Elektrolysezelle E handelt, abgetrennt ist.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetallalkoholatlösung in der Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Trennwand W, welche sich zum Einsatz in einer Elektrolysezelle E eignet. Die Trennwand W umfasst mindestens zwei alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A und F_B, die durch mindestens ein Trennelement T voneinander getrennt sind. Im Vergleich zu den Fällen gemäß Stand der Technik, in denen die Trennwand W den Festelektrolyten in einem Stück umfasst, ist diese Anordnung flexibler, und den einzelnen Keramiken stehen mehr Freiheitsgrade zur Verfügung, um z.B. mit Schrumpfung oder Ausdehnung auf Temperaturschwankungen zu reagieren. Dadurch erhöht sich die Stabilität gegenüber mechanischen Spannungen in der Keramik.

[0002] In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolysezelle E, welche eine Kathodenkammer K_K umfasst, die durch die Trennwand W von der benachbarten Kammer, bei der es sich um eine Anodenkammer K_A oder eine Mittelkammer K_M der Elektrolysezelle E handelt, abgetrennt ist.

[0003] In einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Alkalimetallalkoholatlösung in der Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

1. Hintergrund der Erfindung

[0004] Die elektrochemische Herstellung von Alkalimetallalkoholatlösungen ist ein wichtiger industrieller Prozess, der beispielsweise in der DE 103 60 758 A1, der US 2006/0226022 A1 und der WO 2005/059205 A1 beschrieben ist. Das Prinzip dieser Verfahren spiegelt sich in einer Elektrolysezelle wider, in deren Anodenkammer sich die Lösung eines Alkalisalzes, beispielsweise Kochsalz oder NaOH, und in deren Kathodenkammer sich der betreffende Alkohol oder eine niedrig konzentrierte alkoholische Lösung des betreffenden Alkalimetallalkoholates, beispielsweise Natriummethanolat oder Natriumethanolat, befinden. Die Kathodenkammer und die Anodenkammer sind durch eine das eingesetzte Alkalimetallion leitende Keramik getrennt, beispielsweise NaSICON oder ein Analogon für Kalium oder Lithium. Bei Anlegen eines Stroms entstehen an der Anode - wenn ein Chloridsalz des Alkalimetalls eingesetzt wird - Chlor und an der Kathode Wasserstoff und Alkoholationen. Der Ladungsausgleich erfolgt dadurch, dass Alkalimetallionen aus der Mittelkammer in die Kathodenkammer über die für sie selektive Keramik wandern. Der Ladungsausgleich zwischen Mittelkammer und Anodenkammer erfolgt durch die Wanderung von Kationen bei Einsatz von Kationenaustauschermembranen oder die Wanderung von Anionen bei Einsatz von Anionenaustauschermembranen oder durch Wanderung beider lonenarten bei Einsatz nichtspezifischer Diffusionsbarrieren. Dadurch erhöht sich die Konzentration des Alkalimetallalkoholats in der Kathodenkammer und es erniedrigt sich die Konzentration der Natriumionen im Anolyten.

[0005] NaSICON-Festelektrolyte werden auch bei der elektrochemischen Herstellung anderer Verbindungen eingesetzt:
WO 2014/008410 A1 beschreibt ein elektrolytisches Verfahren zur Herstellung von elementarem Titan oder Seltenen Erden. Dieses Verfahren beruht darauf, dass Titanchlorid aus TiO₂ und der entsprechenden Säure gebildet wird, dieses mit Natriumalkoholat zum Titaniumalkoholat und NaCl reagiert und schließlich elektrolytisch zu elementarem Titan und Natriumalkoholat umgesetzt wird.

[0006] WO 2007/082092 A2 und WO 2009/059315 A1 beschreiben Verfahren zur Herstellung von Biodiesel, in denen mithilfe von über NaSICON elektrolytisch hergestellten Alkoholaten zunächst Triglyceride in die entsprechenden Alkalimetalltriglyceride überführt werden und in einem zweiten Schritt mit elektrolytisch erzeugten Protonen zu Glycerin und dem jeweiligen Alkalimetallhydroxid umgesetzt werden.

[0007] Diese Festelektrolytkeramiken weisen allerdings typischerweise einige Nachteile auf. Beim Betrieb der Elektrolysezelle kommt es unweigerlich zu Temperaturschwankungen in der Zelle, durch welche sich die Festelektrolytkeramik ausdehnt oder schrumpft. Da diese Keramiken zerbrechlich sind, kann dies zu einem Bruch der Keramik führen.

[0008] Diese Problematik ergibt sich insbesondere bei den sich immer wieder wiederholenden An- und Abfahrprozessen, die beim Betrieb der Elektrolyse unumgänglich sind. Während des Aufheizens und Abkühlens kommt es zu Ausdehnungs- und Schrumpfungsphasen, wodurch sich die Keramik in der Elektrolysezelle hin- und herbewegt. Diese Bewegungen können aufgrund der unkontrollierten Kräfteverteilung in der Keramik dazu führen, dass diese bricht.

[0009] Daneben können Undichtigkeiten entstehen, die zu einer Leckage von Sole in Alkohol oder umgekehrt führen kann. Dadurch wird das Produkt der Elektrolyse - die Alkoholatlösung - verwässert. Daneben kann auch die Elektrolysezelle selbst undicht werden und auslaufen.

[0010] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung lag deshalb darin, eine Elektrolysezelle zur Verfügung zu stellen, die diese Nachteile nicht aufweist.

[0011] Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Elektrolysezellen auf diesem technischen Gebiet ergibt sich daraus, dass der Festelektrolyt nicht gegenüber wässrigen Säuren langzeitstabil ist. Dies ist insofern problematisch, als während der Elektrolyse in der Anodenkammer der pH durch Oxidationsprozesse sinkt (zum Beispiel bei Herstellung von Halogenen durch Disproportionierung oder durch Sauerstoffbildung). Diese sauren Bedingungen greifen den NaSICON-Festelektrolyten an, so dass das Verfahren nicht großtechnisch eingesetzt werden kann. Um diesem Problem zu begegnen, wurden im Stand der Technik verschiedene Ansätze beschrieben.

[0012] So wurden im Stand der Technik Dreikammerzellen vorgeschlagen. Solche sind auf dem Gebiet der Elektrodialyse bekannt, zum Beispiel US 6,221,225 B1.

[0013] WO 2012/048032 A2 und US 2010/0044242 A1 beschreiben beispielsweise elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Natriumhypochlorit und ähnlichen Chlorverbindungen in einer solchen Dreikammerzelle. Die Kathodenkammer und die mittlere Kammer der Zelle werden dabei durch einen für Kationen durchlässigen Festelektrolyten wie zum Beispiel NaSICON getrennt. Um diesen vor dem sauren Anolyten zu schützen, wird der Mittelkammer beispielsweise Lösung aus der Kathodenkammer zugeführt. Die US 2010/0044242 A1 beschreibt außerdem in Abbildung 6, dass Lösung aus der mittleren Kammer mit Lösung aus der Anodenkammer außerhalb der Kammer vermischt werden kann, um Natriumhypochlorit zu erhalten.

[0014] Auch für die Herstellung oder Reinigung von Alkalialkoholaten wurden solche Zellen im Stand der Technik vorgeschlagen.

[0015] So beschreibt die US 5,389,211 A ein Verfahren zur Reinigung von Alkoholatlösungen, in denen eine Dreikammerzelle eingesetzt wird, in welcher die Kammern durch kationenselektive Festelektrolyten oder auch nichtionische Trennwände voneinander abgegrenzt sind. Die Mittelkammer wird als Pufferkammer eingesetzt, um zu verhindern, dass sich die gereinigte Alkoxid- oder Hydroxidlösung aus der Kathodenkammer mit der verunreinigten Lösung aus der Anodenkammer mischt.

[0016] Die DE 42 33 191 A1 beschreibt die elektrolytische Gewinnung von Alkoholaten aus Salzen und Alkoholaten in Mehrkammerzellen und Stapeln aus mehreren Zellen.

[0017] Die WO 2008/076327 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Alkalimetallalkoholaten. Dabei wird eine Dreikammerzelle eingesetzt, deren Mittelkammer mit Akalimetallalkoholat gefüllt ist (siehe zum Beispiel Absätze [0008] und [0067] der WO 2008/076327 A1). Dadurch wird der die Mittelkammer und die Kathodenkammer abtrennende Festelektrolyt vor der in der Anodenkammer befindlichen Lösung, die bei der Elektrolyse saurer wird, geschützt. Eine ähnliche Anordnung beschreibt die WO 2009/073062 A1. Diese Anordnung hat allerdings den Nachteil, dass es sich bei der Alkalimetallalkoholatlösung, welche als Pufferlösung verbraucht und kontinuierlich kontaminiert wird, um das gewünschte Produkt handelt. Ein weiterer Nachteil des in der WO 2008/076327 A1 beschriebenen Verfahrens ist, dass die Bildung des Alkoholats in der Kathodenkammer von der Diffusionsgeschwindigkeit der Alkalimetallionen durch zwei Membranen bzw. Festelektrolyten abhängt. Dies führt wiederum zu einer Verlangsamung der Bildung des Alkoholats.

[0018] Ein weiteres Problem ergibt sich durch die Geometrie der Dreikammerzelle. Die Mittelkammer ist in einer solchen Kammer durch eine Diffusionsbarriere von der Anodenkammer und durch eine ionenleitende Keramik von der Kathodenkammer abgetrennt. Während der Elektrolyse kommt es damit unvermeidlich zur Ausbildung von pH-Gradienten und zu Totvolumina. Dies kann die ionenleitende Keramik schädigen und infolgedessen den Spannungsbedarf der Elektrolyse erhöhen und/oder zum Bruch der Keramik führen.

[0019] Während dieser Effekt in der gesamten Elektrolysekammer stattfindet, ist der Abfall des pH-Wertes besonders kritisch in der Mittelkammer, da diese von der ionenleitenden Keramik begrenzt wird. An der Anode und der Kathode werden üblicherweise Gase gebildet, sodass es in diesen Kammern zumindest bis zu einem gewissen Grad zur Durchmischung kommt. Eine solche Durchmischung findet dagegen in der Mittelkammer nicht statt, so dass sich in ihr der pH-Gradient ausbildet. Dieser unerwünschte Effekt verstärkt sich dadurch, dass die Sole im Allgemeinen relativ langsam durch die Elektrolysezelle gepumpt wird.

[0020] Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es deshalb, ein verbessertes Verfahren zur elektrolytischen Herstellung von Alkalimetallalkoholat wie auch eine insbesondere für ein solches Verfahren geeignete Elektrolysezelle zu Verfügung zu stellen. Diese sollen die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen und insbesondere einen verbesserten Schutz des Festelektrolyten vor der Ausbildung des pH-Gradienten sowie einen gegenüber dem Stand der Technik sparsameren Einsatz der Edukte gewährleisten.

2. Kurzbeschreibung der Erfindung

[0021] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelöst. Die Trennwand W <16> umfasst eine Seite S_KK <161> mit der Oberfläche O_KK <163> und eine der Seite S_KK <161> gegenüberliegende Seite S_A/MK <162> mit der Oberfläche O_A/MK <164>. Sie umfasst außerdem mindestens zwei, durch mindestens ein Trennelement T <17> voneinander getrennte, alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19>. Dabei sind die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T <17>, sowohl über die Oberfläche O_KK <163> als auch über die Oberfläche O_A/MK <164> direkt kontaktierbar.

[0022] In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Elektrolysezelle E <1>, umfassend

• mindestens eine Anodenkammer K_A <11> mit mindestens einem Zulauf Z_KA <110>, mindestens einem Ablauf A_KA <111> und einem Innenraum I_KA <112>, der eine anodische Elektrode E_A <113> umfasst,
• mindestens eine Kathodenkammer K_K <12> mit mindestens einem Zulauf Z_KK <120>, mindestens einem Ablauf A_KK <121> und einem Innenraum I_KK <122>, der eine kathodische Elektrode E_K <123> umfasst,
• und gegebenenfalls mindestens eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M <13> mit mindestens einem Zulauf Z_KM <130>, mindestens einem Ablauf A_KM <131> und einem Innenraum I_KM <132>,
  wobei dann I_KA <112> und I_KM <132> durch eine Diffusionsbarriere D <14> voneinander abgetrennt sind, und A_KM <131> durch eine Verbindung V_AM <15> mit dem Zulauf Z_KA <110> verbunden ist, so dass durch die Verbindung V_AM <15> Flüssigkeit aus I_KM <132> in I_KA <112> geleitet werden kann,

wobei

• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> keine Mittelkammer K_M <13> umfasst, I_KA <112> und I_KK <122> durch eine Trennwand W <16> gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung voneinander abgetrennt sind,
• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> mindestens eine Mittelkammer K_M <13> umfasst, I_KA <112> und I_KM <132> durch eine Trennwand W <16> gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung voneinander abgetrennt sind,

dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T <17>, den Innenraum I_KK <122> auf der Seite S_KK <161> über die Oberfläche O_KK <163> direkt kontaktieren,
und

• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> keine Mittelkammer K_M <13> umfasst, die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T <17>, den Innenraum I_KA <112> auf der Seite S_A/MK <162> über die Oberfläche O_A/MK <164> direkt kontaktieren,
• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> mindestens eine Mittelkammer K_M <13> umfasst, die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T <17>, den Innenraum I_KM <132> auf der Seite S_A/MK <162> über die Oberfläche O_A/MK <164> direkt kontaktieren.

[0023] In einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lösung L₁ eines Alkalimetallalkoholats XOR im Alkohol ROH, wobei X ein Alkalimetallkation ist und R ein Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist,

[0024] (α) wobei in einer Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die keine Mittelkammer K_M umfasst, die folgenden, gleichzeitig ablaufenden Schritte (α1), (α2), (α3) durchgeführt werden:

(a1) eine Lösung L₂ umfassend den Alkohol ROH wird durch K_K geleitet,

(a2) eine neutrale oder alkalische, wässrige Lösung L₃ eines Salzes S umfassend X als Kation wird durch K_A geleitet,

(a3) zwischen E_A und E_K wird Spannung angelegt,

oder
(β) wobei in einer Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die eine Mittelkammer K_M umfasst, die folgenden, gleichzeitig ablaufenden Schritte (β1), (β2), (β3) durchgeführt werden:

(β1) eine Lösung L₂ umfassend den Alkohol ROH wird durch K_K geleitet,

(β2) eine neutrale oder alkalische, wässrige Lösung L₃ eines Salzes S umfassend X als Kation wird durch K_M, dann über V_AM, dann durch K_A geleitet,

(β3) zwischen E_A und E_K wird Spannung angelegt,

wodurch am Ablauf A_KK die Lösung L₁ erhalten wird, wobei die Konzentration von XOR in L₁ höher ist als in L₂,
und wodurch am Ablauf A_KA eine wässrige Lösung L₄ von S erhalten wird, wobei die Konzentration von S in L₄ geringer ist als in L₃.

3. Abbildungen

3.1 Abbildungen 1 A und 1 B

[0025] Abbildung 1A (= "Fig. 1 A") zeigt eine nicht erfindungsgemäße Elektrolysezelle E. Diese umfasst eine Kathodenkammer K_K <12> und eine Anodenkammer K_A <11>.

[0026] Die Kathodenkammer K_K <12> umfasst eine kathodische Elektrode E_K <123> im Innenraum I_KK <122>, einen Zulauf Z_KK <120> und einen Ablauf A_KK <121>.

[0027] Die Anodenkammer K_A <11> umfasst eine anodische Elektrode E_A <113> im Innenraum I_KA <112>, einen Zulauf Z_KK <110> und einen Ablauf A_KA <111>.

[0028] Die beiden Kammern werden von einer Außenwand <80> der Zweikammerzelle E begrenzt. Der Innenraum I_KK <122> ist außerdem durch eine Trennwand, die aus einer Scheibe eines für Natriumionen selektiv permeablen NaSICON-Festelektrolyten F_A <18> besteht, vom Innenraum I_KA <112> abgetrennt. Der NaSICON-Festelektrolyt F_A <18> erstreckt sich über die gesamte Tiefe und Höhe der Zweikammerzelle E. Die Trennwand weist zwei Seiten S_KK <161> und S_A/MK <162> auf, deren Oberflächen O_KK <163> und O_A/MK <164> den jeweiligen Innenraum I_KK <122> bzw. I_KA <112> kontaktieren.

[0029] Eine wässrige Lösung von Natriumchlorid L₃ <23> mit pH 10.5 wird über den Zulauf Z_KA <110> entgegen der Schwerkraft in den Innenraum I_KA <112> gegeben.

[0030] Über den Zulauf Z_KK <120> wird eine Lösung von Natriummethanolat in Methanol L₂ <22> in den Innenraum I_KK <122> geleitet.

[0031] Es wird dabei eine Spannung zwischen der kathodischen Elektrode E_K <123> und der anodischen Elektrode E_A <113> angelegt. Dadurch wird im Innenraum I_KK <122> Methanol im Elektrolyten L₂ <22> zu Methanolat und H₂ reduziert (CH₃OH + e^- → CH₃O^- + ½ H₂). Natriumionen diffundieren dabei vom Innenraum I_KA <112> durch den NaSICON-Festelektrolyten F_A <18> in den Innenraum I_KK <122>. Insgesamt erhöht sich dadurch die Konzentration von Natriummethanolat im Innenraum I_KK <122>, wodurch eine methanolische Lösung von Natriummethanolat L₁ <21> erhalten wird, deren Konzentration an Natriummethanolat gegenüber L₂ <22> erhöht ist.

[0032] Im Innenraum I_KA <112> findet die Oxidation von Chloridionen zu molekularem Chlor statt (Cl^- → ½ Cl₂ + e^-). Am Ablauf A_KA <111> wird eine wässrige Lösung L₄ <24> erhalten, in der der Gehalt an NaCl gegenüber L₃ <23> verringert ist. Chlorgas Cl₂ bildet in Wasser gemäß der Reaktion Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl hypochlorige Säure und Salzsäure, welche mit weiteren Wassermolekülen sauer reagieren. Die Acidität schädigt den NaSICON-Festelektrolyten F_A <18>.

[0033] Abbildung 1B (= "Fig. 1 B") zeigt eine weitere nicht erfindungsgemäße Elektrolysezelle E. Diese Dreikammerzelle E umfasst eine Kathodenkammer K_K <12>, eine Anodenkammer K_A <11> und eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M <13>.

[0034] Die Kathodenkammer K_K <12> umfasst eine kathodische Elektrode E_K <123> im Innenraum I_KK <122>, einen Zulauf Z_KK <120> und einen Ablauf A_KK <121>.

[0035] Die Anodenkammer K_A <11> umfasst eine anodische Elektrode E_A <113> im Innenraum I_KA <112>, einen Zulauf Z_KK <110> und einen Ablauf A_KA <111>.

[0036] Die Mittelkammer K_M <13> umfasst einen Innenraum I_KM <132>, einen Zulauf Z_KM <130> und einen Ablauf A_KM <131>.

[0037] Der Innenraum I_KA <112> ist mit dem Innenraum I_KM <132> über die Verbindung V_AM <15> verbunden.

[0038] Die drei Kammern werden von einer Außenwand <80> der Dreikammerzelle E begrenzt. Der Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> ist außerdem durch eine Trennwand, die aus einer Scheibe eines für Natriumionen selektiv permeablen NaSICON-Festelektrolyten F_A <18> besteht, vom Innenraum I_KK <122> der Kathodenkammer K_K <12> abgetrennt. Der NaSICON-Festelektrolyt F_A <18> erstreckt sich über die gesamte Tiefe und Höhe der Dreikammerzelle E. Die Trennwand weist zwei Seiten S_KK <161> und S_A/MK <162> auf, deren Oberflächen O_KK <163> und O_A/MK <164> den jeweiligen Innenraum I_KK <122> bzw. I_KM <132> kontaktieren.

[0039] Der Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> ist zusätzlich wiederum durch eine Diffusionsbarriere D <14> vom Innenraum I_KA <112> der Anodenkammer K_A <11> abgetrennt. Der NaSICON-Festelektrolyt F_A <18> und die Diffusionsbarriere D <14> erstrecken sich über die gesamte Tiefe und Höhe der Dreikammerzelle E. Die Diffusionsbarriere D <14> ist eine Kationenaustauschermembran (sulfoniertes PTFE).

[0040] In der Ausführungsform gemäß Abbildung 1B wird die Verbindung V_AM <15> außerhalb der Elektrolysezelle E ausgebildet, insbesondere durch ein Rohr oder Schlauch, dessen Material aus Gummi, Metall oder Kunststoff ausgewählt sein kann. Durch die Verbindung V_AM <15> kann Flüssigkeit aus dem Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> in den Innenraum I_KA <112> der Anodenkammer K_A <11> außerhalb der Außenwand W_A <80> der Dreikammerzelle E geleitet werden. Die Verbindung V_AM <18> verbindet einen Ablauf A_KM <131>, der am Boden der Mittelkammer K_M <13> die Außenwand W_A <80> der Elektrolysezelle E durchbricht, mit einem Zulauf Z_KA <110>, der am Boden der Anodenkammer K_A <11> die Außenwand W_A <80> der Elektrolysezelle E durchbricht.

[0041] Eine wässrige Lösung von Natriumchlorid L₃ <23> mit pH 10.5 wird über den Zulauf Z_KM <130> gleichgerichtet mit der Schwerkraft in den Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> gegeben. Durch die Verbindung V_AM <15>, die zwischen einem Ablauf A_KM <131> der Mittelkammer K_M <13> und einem Zulauf Z_KA <110> der Anodenkammer K_A <11> ausgebildet ist, ist der Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> mit dem Innenraum I_KA <112> der Anodenkammer K_A <11> verbunden. Natriumchloridlösung L₃ <23> wird durch diese Verbindung V_AM <15> vom Innenraum I_KM <132> in den Innenraum I_KM <112> geleitet.

[0042] Über den Zulauf Z_KK <120> wird eine Lösung von Natriummethanolat in Methanol L₂ <22> in den Innenraum I_KK <122> geleitet.

[0043] Es wird dabei eine Spannung zwischen der kathodischen Elektrode E_K <123> und der anodischen Elektrode E_A <113> angelegt. Dadurch wird im Innenraum I_KK <122> Methanol im Elektrolyten L₂ <22> zu Methanolat und H₂ reduziert (CH₃OH + e^- → CH₃O^- + ½ H₂). Natriumionen diffundieren dabei vom Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <103> durch den NaSICON-Festelektrolyten F_A <18> in den Innenraum I_KK <122>. Insgesamt erhöht sich dadurch die Konzentration von Natriummethanolat im Innenraum I_KK <122>, wodurch eine methanolische Lösung von Natriummethanolat L₁ <21> erhalten wird, deren Konzentration an Natriummethanolat gegenüber L₂ <22> erhöht ist.

[0044] Im Innenraum I_KA <112> findet die Oxidation von Chloridionen zu molekularem Chlor statt (Cl^- → ½ Cl₂ + e^-). Am Ablauf A_KA <111> wird eine wässrige Lösung L₄ <24> erhalten, in der der Gehalt an NaCl gegenüber L₃ <23> verringert ist. Chlorgas Cl₂ bildet in Wasser gemäß der Reaktion Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl hypochlorige Säure und Salzsäure, welche mit weiteren Wassermolekülen sauer reagieren. Die Acidität würde den NaSICON-Festelektrolyten F_A <18> schädigen, wird aber durch die Anordnung in der Dreikammerzelle auf die Anodenkammer K_A <11> begrenzt und somit in der Elektrolysezelle E vom NaSICON-Festelektrolyten F_A <18> ferngehalten. Dadurch erhöht sich dessen Lebensdauer beträchtlich.

3.2 Abbildungen 2 A und 2 B

[0045] Abbildung 2A (= "Fig. 2 A") zeigt eine erfindungsgemäße Trennwand W <16>. Diese umfasst zwei NaSICON-Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19>, die durch ein Trennelement T <17> voneinander getrennt sind und jeweils lückenlos daran befestigt sind. Das Trennelement T <17> weist die geometrische Form eines Quaders auf, an dessen gegenüberliegenden Seiten F_A <18> und F_B <19> lückenlos befestigt sind (z.B. durch Klebstoff).

[0046] Die Seite S_KK <161> mit der Oberfläche O_KK <163> liegt in der Bildebene, die Seite S_A/MK <162> mit der nicht in Fig. 2A sichtbaren Oberfläche O_A/MK <164> hinter der Bildebene.

[0047] Abbildung 2B (= Fig. 2 B) zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennwand W <16>. Diese umfasst vier NaSICON-Festelektrolytkeramiken F_A <18>, F_B <19>, F_C <28>, F_D <29>, die durch ein Trennelement T <17> voneinander getrennt sind und jeweils lückenlos daran befestigt sind. Das Trennelement T <17> weist die Form eines Kreuzes auf, an dessen gegenüberliegenden Seiten F_A <18>, F_B <19>, F_C <28> und F_D <29> festgeklebt sind. Die Seite S_KK <161> mit der Oberfläche O_KK <163> liegt in der Bildebene, die Seite S_A/MK <162> mit der nicht in Fig. 2B sichtbaren Oberfläche O_A/MK <164> hinter der Bildebene.

3.3 Abbildungen 3 A bis 3 C

[0048] Abbildung 3A (= "Fig. 3 A") zeigt die Detailansicht, welche in den Abbildungen 2 A und 2 B durch einen gestrichelten Kreis hervorgehoben ist. Wie beschrieben sind die jeweiligen Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19> am Trennelement T <17> beispielsweise durch Klebstoff befestigt.

[0049] Abbildung 3B (= "Fig. 3 B") illustriert eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennwand W. Hier weist das Trennelement T <17> zwei konkave Vertiefungen (Rillen) auf, in welche die beiden Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19> eingepasst werden. Dazu kann die Form der Ränder der Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19> entsprechend mechanisch angepasst werden. Zusätzlich wird eine Dichtung Di <40> eingesetzt, die zum Beispiel aus einem mit einem Klebstoff am Trennelement T <17> und der jeweiligen Festelektrolytkeramik F_A <18> bzw. F_B <19> angebracht wird. Das Trennelement T <17> kann dabei aus zwei oder mehreren Teilen <171> und <172> bestehen, die, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 3B angedeutet, aneinander befestigt werden können. Bei einer entsprechenden Geometrie und Anpassung der Form der Ränder der Festelektrolytkeramiken F_A <18> bzw. F_B <19> können letztere zwischen die beiden Teile <171> und <172> geklemmt werden, was die Stabilität der Verbindung Trennelement T <17> / Keramik F_A <18> bzw. F_B <19> und die Dichtheit der Trennwand W <16> weiter verbessert.

[0050] Abbildung 3C (= "Fig. 3 C") illustriert eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennwand W. Diese entspricht der in Abbildung 3B beschriebenen, bis darauf, dass die Vertiefungen (Rillen) im Trennelement T <17>, in welche die beiden Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19> eingepasst werden, nicht konkav, sondern spitz zulaufend sind.

3.4 Abbildungen 4 A bis 4 D

[0051] Die Abbildungen 4 A (= "Fig. 4 A") bis 4 D zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Trennwand W <16>.

[0052] Die in Abbildung 4A dargestellt Trennwand W <16> entspricht der in Abbildung 2A dargestellten Trennwand W <16>, bis darauf, dass sie auch ein Rahmenelement R <20> umfasst. Dieses bedeckt alle Oberflächen der Trennwand W <16> außer O_KK <163> und O_A/MK <164> vollständig. Das Rahmenelement R <20> ist nicht einstückig mit dem Trennelement T <17> ausgeführt.

[0053] Abbildung 4B (= "Fig. 4 B") zeigt eine weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Trennwand W <16>. Diese entspricht der in Abbildung 4A dargestellten Ausführungsform, außer das sie zwei Rahmenelemente R <20> umfasst, die die obere und untere Oberfläche der Trennwand W <16> begrenzen.

[0054] Abbildung 4C (= "Fig. 4 C") zeigt eine weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Trennwand W <16>. Die in Abbildung 4C dargestellt Trennwand W <16> entspricht der in Abbildung 2B dargestellten Trennwand W <16>, bis darauf, dass sie auch ein Rahmenelement R <20> umfasst. Dieses bedeckt alle Oberflächen der Trennwand W <16> außer O_KK <163> und O_A/MK <164> vollständig. Das Rahmenelement R <20> ist nicht einstückig mit dem Trennelement T <17> ausgeführt.

[0055] Abbildung 4D (= "Fig. 4 D") zeigt eine weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Trennwand W <16>. Diese entspricht der in Abbildung 4C dargestellten Ausführungsform, außer das sie zwei Rahmenelemente R <20> umfasst, die die obere und untere Oberfläche der Trennwand W <16> begrenzen.

3.5 Abbildungen 5 A und 5 B

[0056] Abbildung 5A (= "Fig. 5 A") zeigt eine Elektrolysezelle E <1> gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Diese entspricht der in Abbildung 1A dargestellten Elektrolysezelle mit dem Unterschied, dass eine Trennwand W <16> den Innenraum I_KK <122> der Kathodenkammer K_K <12> vom Innenraum I_KA <112> der Anodenkammer K_A <11> abtrennt. Die Trennwand ist jene, die in Abbildungen 2 A und 2 B dargestellt ist.

[0057] Abbildung 5B (= "Fig. 5 B") zeigt eine Elektrolysezelle E <1> gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Diese entspricht der in Abbildung 1A dargestellten Elektrolysezelle mit dem Unterschied, dass eine Trennwand W <16> den Innenraum I_KK <122> der Kathodenkammer K_K <12> vom Innenraum I_KA <112> der Anodenkammer K_A <11> abtrennt. Die Trennwand W <16> ist jene, die in Abbildungen 4 A bis 4 D dargestellt ist. Das Rahmenelement R <20> bildet einen Teil der Außenwand W_A <80>, so dass die von der Trennwand W <16> umfassten Festelektrolytkeramiken vor dem Druck, der durch die Trennwand W <16> auf sie wirken würde, wenn sie Teil der Trennwand W <16> wären, geschützt sind. Zusätzlich werden die Festelektrolytkeramiken so vollständig zur Trennung der Innenräume I_KK <122> und I_KA <112> innerhalb der Elektrolysezelle E <1> eingesetzt, da sie nicht teilweise durch die Außenwand verdeckt werden.

3.6 Abbildungen 6 A und 6 B

[0058] Abbildung 6A (= "Fig. 6 A") zeigt eine Elektrolysezelle E <1> gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Diese entspricht der in Abbildung 1B dargestellten Elektrolysezelle mit dem Unterschied, dass eine Trennwand W <16> den Innenraum I_KK <122> der Kathodenkammer K_K <12> vom Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> abtrennt. Die Trennwand W <16> ist jene, die in Abbildungen 4 A bis 4 D dargestellt ist.

[0059] Abbildung 6B (= "Fig. 6 B") zeigt eine Elektrolysezelle E <1> gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Diese entspricht der in Abbildung 6A dargestellten Elektrolysezelle E <1> mit dem Unterschied, dass die Verbindung V_AM<15> vom Innenraum I_KM <132> der Mittelkammer K_M <13> zum Innenraum I_KA <112> der Anodenkammer K_A <11> durch eine Perforation in der Diffusionsbarriere D <14> gebildet wird. Diese Perforation kann in die Diffusionsbarriere D <14> gegeben werden oder schon bei der Herstellung der Diffusionsbarriere D <14> von Vorneherein in dieser vorliegen (z.B. bei textilen Geweben wie Filtertüchern oder Metallgeweben).

3.7 Abbildungen 7 A und 7 B

[0060] Abbildung 7A (= "Fig. 7 A") zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennwand W <16>. Diese umfasst vier NaSICON-Festelektrolytkeramiken F_A <18>, F_B <19>,

[0061] F_C <28> und F_D <29>, die durch ein Trennelement T <17>, welches zwei Hälften <171> und <172> umfasst, voneinander getrennt sind. Die Trennwand W <16> umfasst auch ein Rahmenelement R <20>, welches ebenfalls aus zwei Hälften <201> und <202> besteht.

[0062] Die Trennwand W <16> besteht aus zwei zusammenklappbaren Teilen, in denen die Hälfte <171> des Trennelements T <17> mit der Hälfte <201> des Rahmenelements R <20> einstückig vorliegt und die Hälfte <172> des Trennelements T <17> mit der Hälfte <202> des Rahmenelements R <20> einstückig vorliegt. Diese beiden Teile können optional über ein Scharnier <50> miteinander verbunden und im zusammengeklappten Zustand über das Schloss <60> arretiert werden. Zwischen diesen Hälften werden die vier NaSICON-Festelektrolytkeramiken F_A <18>, F_B <19>,

[0063] F_C <28> und F_D <29> eingeklemmt, wobei zur Abdichtung jeweils ein als Dichtung Di <40> fungierender Ring eingesetzt wird.

[0064] Die linke Seite der Abbildung 7A zeigt die Frontalansicht auf die Seite S_KK <161> mit der Oberfläche O_KK <163> der Trennwand W <16>. Die als Dichtung Di <40> fungierenden Ringe sind mit gestrichelten Umrissen angegeben. Die rechte Seite der Abbildung zeigt die seitliche Ansicht der Trennwand W <16>.

[0065] Abbildung 7B (= "Fig. 7 B") zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trennwand W <16>. Diese entspricht der in Abbildung 7A beschriebenen Ausführungsform, bis darauf dass sie neun NaSICON-Festelektrolytkeramiken F_A <18>, F_B <19>, F_C <28>, F_D <29>, F_E <30>, F_F <31>, F_G <32>, F_H <33>, F_I <34> umfasst.

4. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

4.1 Trennwand W

[0066] Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Trennwand W. Diese eignet sich insbesondere als Trennwand in einer Elektrolysezelle, insbesondere einer Elektrolysezelle E.

[0067] In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit auch eine Elektrolysezelle umfassend die Trennwand W, insbesondere eine Elektrolysezelle E umfassend die Trennwand W.

[0068] Die Trennwand W umfasst mindestens zwei, durch ein Trennelement T voneinander getrennte, alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken ("alkalikationenleitende Festelektrolytkeramik" wird im Folgenden durch "AFK" abgekürzt) F_A und F_B.

[0069] Die Trennwand W umfasst zwei Seiten S_KK und S_A/MK, die einander gegenüberliegen, das heißt, die Seite S_A/MK liegt der Seite S_KK gegenüber (und umgekehrt). Die beiden Seiten S_KK und S_A/MK umfassen insbesondere im Wesentlichen zueinander parallele Ebenen.

[0070] Die Geometrie der Trennwand W ist ansonsten nicht weiter beschränkt und kann insbesondere an den Querschnitt der Elektrolysezelle E angepasst werden, in der sie zum Einsatz kommt. Beispielsweise kann sie die Geometrie eines Quaders aufweisen und somit einen rechteckigen Durchschnitt aufweisen, oder die Geometrie eines stumpfen Kegels oder Zylinders und demnach einen kreisförmigen Durchschnitt aufweisen.

[0071] Optional kann die Trennwand W auch die Geometrie eines Quaders mit abgerundeten Ecken und/oder Auswölbungen aufweisen, die wiederum Löcher aufweisen können. Die Trennwand W hat dann Auswölbungen ("Hasenohren"), mit denen die Trennwand W an Elektrolysezellen fixiert werden kann oder auch Rahmenteile der Trennwand W aneinander fixiert werden können.

[0072] Die Seite S_KK der Trennwand W weist die Oberfläche O_KK auf, und die Seite S_A/MK der Trennwand W weist die Oberfläche O_A/MK auf.

[0073] Das Merkmal "Trennwand" bedeutet, dass die Trennwand W flüssigkeitsdicht ist. Dies bedeutet, dass die AFKs und das mindestens eine Trennelement T lückenlos aneinander anschließen. Somit existieren keine Lücken zwischen Trennelement T und den von der Trennwand W umfassten AFKs, durch welche wässrige Lösung, alkoholische Lösung, Alkohol oder Wasser von der Seite S_KK auf die Seite S_A/MK oder umgekehrt fließen könnte.

[0074] Gibt es zwei oder mehr Paare gegenüberliegender Seiten, über deren Oberflächen die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T, direkt kontaktierbar sind, dann wird bevorzugt das Paar gegenüberliegender Seiten als S_KK und S_A/MK im Sinne der Erfindung bezeichnet, welche die größten Oberflächen O_KK und O_A/MK umfasst. Sind die durch das jeweilige Paar gegenüberliegender Seiten umfassten Oberflächen gleich groß, kann vom Fachmann ein Paar als S_KK und S_A/MK mit Oberflächen O_KK bzw. O_A/MK ausgewählt werden.

[0075] Unter Trennwänden W, bei denen es zwei oder mehr Paare gegenüberliegender Seiten gibt, über deren Oberflächen die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken und insbesondere auch das Trennelement T, direkt kontaktierbar sind, sind die Trennwände W bevorzugt, bei denen die vom jeweiligen Paar gegenüberliegender Seiten umfassten Oberflächen unterschiedlich groß sind, wobei dann das Paar gegenüberliegender Seiten als S_KK und S_A/MK im Sinne der Erfindung bezeichnet wird, welche die größten Oberflächen O_KK und O_A/MK umfasst.

[0076] Die Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, in denen die Trennwand W mehr als zwei AFKs, z.B. vier oder neun oder zwölf AFKs, umfasst, wobei von den AFKs mindestens zwei, aber nicht alle AFKs durch ein Trennelement T voneinander getrennt sind, wobei die nicht durch ein Trennelement T voneinander getrennten AFKs direkt aneinander grenzen. Dies erfordert jedoch eine genaue Passung der jeweils angrenzenden AFKs, um das Entstehen einer Lücke zwischen ihnen, durch welche wässrige Flüssigkeit oder Wasser oder Alkohol oder alkoholische Lösung von der Seite S_KK auf die Seite S_A/MK fließen könnte, auszuschließen. Es ist deshalb vorteilhaft und bevorzugt, dass in der Trennwand W alle von der Trennwand W umfassten AFKs durch mindestens ein Trennelement T voneinander getrennt sind, das heißt kein AFK direkt, also ohne dass ein Trennelement T dazwischen wäre, an ein anderes AFK anschließt.

[0077] Die Trennwand W ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die von der Trennwand W umfassten AFKs sowohl über die Oberfläche O_KK als auch über die Oberfläche O_A/MK direkt kontaktierbar sind.

[0078] "Direkt kontaktierbar" bedeutet mit Bezug auf die von der Trennwand W umfassten AFKs, dass ein Teil der Oberflächen O_KK und O_A/MK durch die Oberfläche der von der Trennwand W umfassten AFKs gebildet wird, das heißt, dass die von der Trennwand W umfassten AFKs an den beiden Oberflächen O_KK und O_A/MK unmittelbar zugänglich sind, so dass sie an den beiden Oberflächen O_KK und O_A/MK zum Beispiel mit wässriger Lösung, alkoholischer Lösung, Alkohol oder Wasser benetzt werden können.

[0079] Für die Anordnung der AFKs in der Trennwand W bedeutet dies, dass es für jeden von der Trennwand W umfassten AFK einen Weg von der Oberfläche O_KK auf der Seite S_KK auf die Oberfläche O_A/MK auf der Seite S_A/MK gibt, der vollständig durch die jeweilige AFK führt.

[0080] Typischerweise ist auch das mindestens eine Trennelement T sowohl über mindestens einen Teil der Oberfläche O_KK als auch über mindestens einen Teil der Oberfläche O_A/MK direkt kontaktierbar.

[0081] "Direkt kontaktierbar" bedeutet mit Bezug auf das von der Trennwand W umfasste mindestens eine Trennelement T, dass ein Teil der Oberflächen O_KK und O_A/MK durch die Oberfläche des Trennelements T gebildet wird, das heißt dass das Trennelement T an den beiden Oberflächen O_KK und O_A/MK unmittelbar zugänglich ist, so dass das Trennelement T an den beiden Oberflächen O_KK und O_A/MK zum Beispiel mit wässriger Lösung, alkoholischer Lösung, Alkohol oder Wasser benetzt werden kann.

[0082] Für die Anordnung des Trennelements T in der Trennwand W bedeutet dies insbesondere, dass es für das von der Trennwand W umfasste Trennelement T einen Weg von der Oberfläche O_KK auf der Seite S_KK zur Oberfläche O_A/MK auf der Seite S_A/MK gibt, der durch das Trennelement T, und gegebenenfalls durch eine Dichtung Di, aber nicht durch eine AFK, führt.

[0083] In einer bevorzugten Ausführungsform der Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden 50 % bis 95 %, bevorzugter 60 bis 90 %, noch bevorzugter 70 bis 85 % der Oberfläche O_KK durch die von der Trennwand W umfassten AFKs gebildet, wobei noch bevorzugter der Rest der Oberfläche O_KK durch das Trennelement T und gegebenenfalls das Rahmenelement R gebildet werden.

[0084] In einer bevorzugten Ausführungsform der Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung werden außerdem 50 % bis 95 %, bevorzugter 60 bis 90 %, noch bevorzugter 70 bis 85 % der Oberfläche O_A/MK durch die von der Trennwand W umfassten AFKs gebildet, wobei noch bevorzugter der Rest der Oberfläche O_A/MK durch das Trennelement T und gegebenenfalls das Rahmenelement R gebildet werden.

[0085] In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennwand W mindestens vier AFKs F_A, F_B, F_C und F_D, wobei sie dann noch bevorzugter genau vier AFKs F_A, F_B, F_C und F_D umfasst.

[0086] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennwand W mindestens neun AFKs F_A, F_B, F_C, F_D, F_E, F_F, F_G, F_H und F_I wobei sie dann noch bevorzugter genau neun AFKs F_A, F_B, F_C, F_D, F_E, F_F, F_G, F_H und F_I umfasst.

[0087] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennwand W mindestens zwölf AFKs F_A, F_B, F_C, F_D, F_E, F_F, F_G, F_H, F_I, F_J, F_K und F_L, wobei sie dann noch bevorzugter genau zwölf AFKs F_A, F_B, F_C, F_D, F_E, F_F, F_G, F_H, F_I, F_J, F_K und F_L umfasst.

[0088] Durch diese erfindungsgemäße Anordnung von mindestens zwei AFKs neben einander in der Trennwand W ergibt sich gegenüber den herkömmlichen Trennwänden in den Elektrolysezellen des Standes der Technik eine weitere Ausbreitungsrichtung für die AFKs bei den Temperaturschwankungen, die sich bei dem Betrieb der Elektrolysezelle ergeben. In den Elektrolysezellen des Standes der Technik sind die NaSICON-Scheiben, die als Trennwände fungieren, durch die Außenwände der Elektrolysezelle oder von massiven Kunststoffrahmen eingegrenzt. Die bei der Ausdehnung auftretenden mechanischen Spannungen innerhalb der NaSICON können damit nicht abgeleitet werden, was zum Bruch der Keramik führen kann.

[0089] Demgegenüber grenzen die einzelnen AFKs innerhalb der Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung an das Trennelement T, was zu zwei vorteilhaften Effekten führt, die beide die Langzeitstabilität der AFK erhöhen:

• jedem AFK steht mindestens ein weiterer Freiheitsgrad zur Verfügung, das heißt eine Dimension, in die es sich ausdehnen kann. Neben der Ausdehnung in z-Richtung (= das heißt über die Dicke der Keramikscheibe im rechten Winkel zur Ebene der Trennwand W) ist nun auch eine Ausdehnung in x- und/oder y-Richtung möglich, d.h. in waagerechter und senkrechter Richtung innerhalb der Ebene der Trennwand W. Diese Ausdehnungsrichtung ist nicht gegeben oder zumindest stark eingeschränkt, wenn die AFKs zum Beispiel als massive Scheibe den Querschnitt der Elektrolysezelle durchspannen und an die massive Wand der Elektrolysezelle grenzen;
• gegenüber einer gleich großen Trennwand, die nur aus einem AFK besteht, resultiert die Aufteilung in mehrere kleine AFKs darin, dass die Spannungen, die innerhalb der kleineren AFKs auftreten, auch absolut kleiner sind, schneller abgeführt werden können und sich dadurch nicht so schnell zu einer Spannung aufbauen können, die zum Bruch der AFK führt.

[0090] Dadurch ist die Tendenz zu brechen, für die "aufgeteilten" AFKs in der Trennwand W gegenüber dem Einsatz einer Scheibe deutlich reduziert.

4.1.1 Alkalikationenleitender Festelektrolvtkeramik "AFK"

[0091] Als von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A, F_B etc. kommt jeder Festelektrolyt in Frage, durch welchen Kationen, insbesondere Alkalikationen, noch bevorzugter Natriumkationen, von der Seite S_A/MK auf die Seite S_KK transportiert werden können. Solche Festelektrolyten sind dem Fachmann bekannt und beispielsweise in der DE 10 2015 013 155 A1, in der WO 2012/048032 A2, Absätze [0035], [0039], [0040], in der US 2010/0044242 A1, Absätze [0040], [0041], in der DE 10360758 A1, Absätze [014] bis [025] beschrieben. Sie werden kommerziell unter dem Namen NaSICON, LiSICON, KSICON vertrieben. Ein natriumionenleitender Festelektrolyt ist bevorzugt, wobei dieser noch bevorzugter eine NaSICON-Struktur aufweist. Erfindungsgemäß einsetzbare NaSICON-Strukturen sind außerdem beispielsweise beschrieben von N. Anantharamulu, K. Koteswara Rao, G. Rambabu, B. Vijaya Kumar, Velchuri Radha, M. Vithal, J Mater Sci 2011, 46, 2821-2837.

[0092] In einer bevorzugten Ausführungsform der Trennwand W weisen die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken unabhängig voneinander eine NaSICON-Struktur der Formel M^I_1+2w+x-y+z M^II_w M^III_x Zr^IV_2-w-x-y M^V_y (SiO₄)_z (PO₄)_3-z auf.

[0093] M^I ist dabei ausgewählt aus Na⁺, Li⁺, bevorzugt Na⁺.

[0094] M^II ist dabei ein zweiwertiges Metallkation, bevorzugt ausgewählt aus Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, bevorzugter ausgewählt aus Co²⁺, Ni²⁺.

[0095] M^III ist dabei ein dreiwertiges Metallkation, bevorzugt ausgewählt aus Al³⁺, Ga³⁺, Sc³⁺, La³⁺, Y³⁺, Gd³⁺, Sm³⁺, Lu³⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, bevorzugter ausgewählt aus Sc³⁺, La³⁺, Y³⁺, Gd³⁺, Sm³⁺, besonders bevorzugt ausgewählt aus Sc³⁺, Y³⁺, La³⁺.

[0096] M^V ist dabei ein fünfwertiges Metallkation, bevorzugt ausgewählt aus V⁵⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺.

[0097] Die römischen Indizes I, II, III, IV, V geben die Oxidationszahlen an, in der die jeweiligen Metallkationen vorliegen.

[0098] w, x, y, z sind reelle Zahlen, wobei gilt, dass 0 ≤ x < 2, 0 ≤ y < 2, 0 ≤ w < 2, 0 ≤ z < 3, und wobei w, x, y, z so gewählt werden, dass gilt 1 + 2w + x- y + z ≥ 0 und 2 - w - x - y ≥ 0.

[0099] Die NaSICON-Struktur hat dabei erfindungsgemäß noch bevorzugter eine Struktur der Formel Na_(1+v)Zr₂Si_vP_(3-v)O₁₂, wobei v eine reelle Zahl ist, für die 0 ≤ v ≤ 3 gilt. Am bevorzugtesten gilt v = 2.4

[0100] In einer bevorzugten Ausführungsform der Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weisen die von der Trennwand W umfassten AFKs die gleiche Struktur auf.

4.1.2 Trennelement T

[0101] Das Trennelement T trennt erfindungsgemäß mindestens zwei von der Trennwand W umfasste alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A und F_B, das heißt es ist zwischen mindestens zwei von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A und F_B angeordnet.

[0102] Als Trennelement T, welches von der Trennwand W umfasst ist, eignet sich jeder Körper, durch den die jeweiligen AFKs voneinander getrennt angeordnet werden können. Die AFKs schließen dabei lückenlos an das Trennelement T an, um die Funktion der Trennwand nicht zu beeinträchtigen, die in der Elektrolysezelle E die Kathodenkammer flüssigkeitsdicht von der benachbarten Mittel- bzw. Anodenkammer abtrennen soll.

[0103] Die Form des Trennelements T kann vom Fachmann in Abhängigkeit von der Anzahl der AFKs, die die Trennwand W umfasst, gewählt werden.

[0104] Umfasst die Trennwand W beispielsweise zwei oder drei AFKs, können diese jeweils durch ein zwischen den AFKs angeordneter Steg als Trennelement T getrennt werden (siehe Abbildung 1 A).

[0105] Umfasst die Trennwand W vier oder mehr AFKs, können diese durch ein Trennelement T, welches die Form eines Kreuzes (siehe Abbildung 1B und 4A) oder Gitters (siehe Abbildung 4 B) hat, getrennt werden.

[0106] Es ist besonders bevorzugt, dass die Trennwand W mindestens vier AFKs umfasst und noch bevorzugter, dass das Trennelement T dann kreuzförmig oder gitterförmig ist, da dann gewährleistet ist, dass den AFKs alle drei Dimensionen vollständig für die thermische Ausdehnung/Schrumpfung zur Verfügung stehen.

[0107] Das Trennelement T kann dabei aus einem Stück bestehen (Abbildung 1). Dann wird der AFK zum Beispiel mit einem dem Fachmann bekannten Mittel lückenlos an das Trennelement befestigt, zum Beispiel über einen Klebstoff, wobei bevorzugt Epoxidharze, Phenolharze genutzt werden Alternativ oder zusätzlich kann das Trennelement T auch so ausgeformt sein, dass das jeweilige AFK in das Trennelement eingepasst oder eingeklemmt werden kann. Dies kann schon bei der Herstellung der Trennwand W entsprechend durchgeführt werden (Abschnitt 4.1.4).

[0108] In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennwand W, insbesondere zwischen Trennelement T und den AFKs, eine Dichtung Di (Abbildungen 3 B, 3 C). Dadurch wird eine besonders gut gewährleistet, dass die Trennwand W flüssigkeitsdicht ist. Die Dichtung Di kann vom Fachmann für die jeweilige AFK bzw. das jeweilige Trennelement T ausgewählt werden.

[0109] Die Dichtung Di umfasst insbesondere ein Material, welches aus der Gruppe bestehend aus Elastomeren, Klebstoffe, bevorzugt Elastomeren, ausgewählt ist.

[0110] Als Elastomer kommt insbesondere Kautschuk in Betracht, bevorzugt Ethylen-Propylen-DienKautschuk ("EPDM"), Fluor-Polymer-Kautschuk ("FPM"), Perfluorpolymerkautschuk ("FFPM"), Acrylnitrilbutadienkautschuk ("NBR").

[0111] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Trennelement T mindestens zwei Teile T₁ und T₂, die aneinander befestigt werden können und so die AFKs zwischen sich einklemmen.

[0112] In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dann zwischen Trennelement T und AFK noch eine Dichtung Di anzubringen, um die Flüssigkeitsdichte zu gewährleisten.

[0113] Das Trennelement T umfasst bevorzugt ein Material, welches aus der Gruppe bestehend aus Kunststoff, Glas, Holz ausgewählt ist. Besonders bevorzugt ist das Trennelement T aus Kunststoff. Noch bevorzugter handelt es sich bei dem Kunststoff um einen, der aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen, Polystyren, Polyvinylchlorid, nachchloriertes Polyvinylchlorid ("PVC-C") ausgewählt ist.

4.1.3 Rahmenelement R

[0114] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trennwand W auch ein Rahmenelement R. Das Rahmenelement R unterscheidet sich dadurch vom Trennelement T, dass es nicht zwischen den von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken angeordnet ist, diese also nicht voneinander trennt. Das Rahmenelement R begrenzt insbesondere die Oberflächen O_KK und O_A/MK mindestens teilweise, bevorzugt vollständig. Das bedeutet insbesondere: Das Rahmenelement R umschließt die Oberflächen O_KK und O_A/MK mindestens teilweise, bevorzugt vollständig.

[0115] Das Rahmenelement R kann dabei als ein Teil der Oberflächen O_KK und O_A/MK ausgebildet sein oder nicht. Bevorzugt ist das Rahmenelement R als ein Teil der Oberflächen O_KK und O_A/MK ausgebildet.

[0116] Das Rahmenelement R ist insbesondere über die Oberflächen O_KK und O_A/MK direkt kontaktierbar oder nicht direkt kontaktierbar, bevorzugt direkt kontaktierbar.

[0117] "Nicht direkt kontaktierbar" bedeutet mit Bezug auf das von der Trennwand W umfasste Rahmenelement R, dass das Rahmenelement R ausschließlich als mindestens ein Teil der Oberflächen jener Seiten der Trennwand W ausgebildet ist, bei denen es sich nicht um die Seiten S_KK und S_A/MK handelt. Insbesondere bildet das Rahmenelement R dann mindestens 1 %, bevorzugter mindestens 25 %, bevorzugter mindestens 50 %, noch bevorzugter 100 % der Oberflächen der Seiten der Trennwand W aus, bei denen es sich nicht um die Seiten S_KK und S_A/MK handelt.

[0118] "Direkt kontaktierbar" bedeutet mit Bezug auf das von der Trennwand W umfasste Rahmenelement R, dass ein Teil der Oberflächen O_KK und O_A/MK durch die Oberfläche des Rahmenelements R gebildet wird, das heißt, dass das von der Trennwand W umfasste Rahmenelement R an den beiden Oberflächen O_KK und O_A/MK unmittelbar zugänglich sind, so dass es an den beiden Oberflächen O_KK und O_A/MK zum Beispiel mit wässriger Lösung, alkoholischer Lösung, Alkohol oder Wasser benetzt werden kann.

[0119] Für die Anordnung des Rahmenelements R in der Trennwand W bedeutet dies, dass es dann einen Weg von der Oberfläche O_KK auf der Seite S_KK auf die Oberfläche O_A/MK auf der Seite S_A/MK gibt, der vollständig durch das Rahmenelement R führt.

[0120] Dies schließt die folgenden Ausführungsformen ein:

• ein Teil des Randes der Oberflächen O_KK und O_A/MK wird durch das Rahmenelement R gebildet (wie in den Abbildungen 4 B, 4 D gezeigt);
• der Rand der Oberflächen O_KK und O_A/MK wird vollständig durch das Rahmenelement R gebildet (wie in den Abbildungen 4 A, 4 C, 7 A, 7 B gezeigt);

[0121] Dabei kann das Rahmenelement R zusätzlich auch als mindestens ein Teil der Oberflächen jener Seiten der Trennwand W ausgebildet sein, bei denen es sich nicht um die Seiten S_KK und S_A/MK handelt. Insbesondere bildet das Rahmenelement R mindestens 1 %, bevorzugter mindestens 25 %, bevorzugter mindestens 50 %, noch bevorzugter 100 % der Oberflächen der Seiten der Trennwand W aus, bei denen es sich nicht um die Seiten S_KK und S_A/MK handelt.

[0122] In Fig. 4B und Fig. 4D sind beispielsweise Ausführungsformen gezeigt, in denen das Rahmenelement R einen Teil der Oberflächen jener Seiten der Trennwand W ausbildet, bei denen es sich nicht um die Seiten S_KK und S_A/MK handelt.

[0123] In Fig. 4A und Fig. 4C sind beispielsweise Ausführungsformen gezeigt, in denen das Rahmenelement R die Oberflächen jener Seiten der Trennwand W, bei denen es sich nicht um die Seiten S_KK und S_A/MK handelt, vollständig ausbildet.

[0124] Das Rahmenelement R ist insbesondere aus einem Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoff, Glas, Holz ausgewählt ist. Besonders bevorzugt ist das Rahmenelement R aus Kunststoff.

[0125] Noch bevorzugter handelt es sich bei dem Kunststoff um einen, der aus der Gruppe bestehend aus Polypropylen, Polystyren, Polyvinylchlorid, PVC-C ausgewählt ist.

[0126] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das Rahmenelement R und das Trennelement T aus dem gleichen Material, noch bevorzugter sind beide aus Kunststoff, der noch bevorzugter ausgewählt ist aus Polypropylen, Polystyren, Polyvinylchlorid, PVC-C.

[0127] Das Rahmenelement R kann dabei aus einem Stück bestehen. Dann wird der AFK zum Beispiel mit einem dem Fachmann bekannten Mittel lückenlos an das Rahmenelement R befestigt, zum Beispiel über einen Klebstoff, wobei sich besonders Epoxidharze und Phenolharze eignen. Alternativ oder zusätzlich kann das Rahmenelement R auch so ausgeformt sein, dass das jeweilige AFK in das Rahmenelement R eingepasst oder eingeklemmt werden kann.

[0128] Dies bedeutet auch, dass in der bevorzugten Ausführungsform, in der die Trennwand W ein Rahmenelement R umfasst, die AFKs, das mindestens eine Trennelement T und das Rahmenelement R lückenlos aneinander anschließen.

[0129] Somit existieren keine Lücken, zwischen Trennelement T, Rahmenelement R und den von der Trennwand W umfassten AFKs, durch welche wässrige Lösung oder Wasser von der Seite S_KK auf die Seite S_A/MK oder umgekehrt fließen könnte.

[0130] Daneben kann, insbesondere wenn die Trennwand W ein Rahmenelement R umfasst, mit dem das Trennelement T mindestens teilweise einstückig ausgebildet ist, das Rahmenelement R aus mindestens zwei Teilen bestehen, die aneinander befestigt sind und dabei die AFKs zwischen sich einklemmen. Beispielsweise kann die Trennwand W dann ein Scharnier aufweisen, an dem sich die beiden Teile des Rahmenelements R auf- und zuklappen lassen. Weiterhin kann die die Trennwand W dann ein Schloss aufweisen, an dem sich die beiden Teile des Rahmenelements R im zugeklappten Zustand arretieren lassen (Abbildung 7 A).

[0131] Im zugeklappten Zustand können dann die AFKs und, falls dieses nicht schon einstückig mit dem Rahmenelement R ausgebildet ist, das Trennelement T zwischen dem Rahmenelement R eingeklemmt werden. In dieser Ausführungsform kann dann zwischen Trennelement T und AFK bzw. Rahmenelement R und AFK noch eine Dichtung angebracht sein, um die Flüssigkeitsdichte zu gewährleisten.

[0132] In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Teil des Trennelements T <17> einstückig mit mindestens einem Teil des Rahmenelements R <20> ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass mindestens ein Teil des Trennelements T in das Rahmenelement R übergeht.

[0133] Bevorzugt liegen das Trennelement T <17> und das Rahmenelement R <20> einstückig vor.

[0134] Die Ausführungsform eines Rahmenelements R hat den Vorteil, dass es beim Zusammenbau der Elektrolysezelle E als Teil der Außenwand fungieren kann. Dieser Teil der Trennwand W kontaktiert die Lösungen im jeweiligen Innenraum I_KK, I_KA bzw. I_KM nicht, weshalb es Verschwendung wäre, für diesen Teil die Festelektrolytkeramik F_A oder F_B zu nehmen. Daneben ist der Teil der Trennwand W, welcher zwischen die Außenwand geklemmt oder ein Teil davon bildet, Drücken ausgesetzt, was die brüchige Festelektrolytkeramik F_A oder F_B ungeeignet macht. Stattdessen wird somit ein bruchsicheres und billigeres Material für den Rahmen R ausgewählt.

4.1.4 Herstellung der Trennwand W

[0135] Die Trennwand W kann nach dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt werden.

[0136] Beispielsweise können die von der Trennwand umfassten AFKs, gegebenenfalls mit Dichtungen, in eine Gießform eingelegt werden und das Trennelement über flüssigen Kunststoff gegossen und dann erstarren gelassen werden (Spritzgußverfahren). Beim Erstarren umschließt dieser dann die AFKs.

[0137] Alternativ wird das Trennelement T separat gegossen (bzw. in Teilen) und dann lückenlos an die mindestens zwei AFKs befestigt (zum Beispiel geklebt).

4.2 Elektrolysezelle E

[0138] Die Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung eignet sich als Trennwand in einer Elektrolysezelle E.

[0139] In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung deshalb eine Elektrolysezelle E, umfassend

• mindestens eine Anodenkammer K_A mit mindestens einem Zulauf Z_KA, mindestens einem Ablauf A_KA und einem Innenraum I_KA, der eine anodische Elektrode E_A umfasst,
• mindestens eine Kathodenkammer K_K mit mindestens einem Zulauf Z_KK, mindestens einem Ablauf A_KK und einem Innenraum I_KK, der eine kathodische Elektrode E_K umfasst,
• und gegebenenfalls mindestens eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M mit mindestens einem Zulauf Z_KM, mindestens einem Ablauf A_KM und einem Innenraum I_KM, wobei dann I_KA und I_KM durch eine Diffusionsbarriere D voneinander abgetrennt sind, und A_KM durch eine Verbindung V_AM mit dem Zulauf Z_KA verbunden ist, so dass durch die Verbindung V_AM Flüssigkeit aus I_KM in I_KA geleitet werden kann,

wobei

• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst, I_KA und I_KK durch eine Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung voneinander abgetrennt sind,
• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst, I_KA und I_KM durch eine Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung voneinander abgetrennt sind,

dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T, den Innenraum I_KK auf der Seite S_KK über die Oberfläche O_KK direkt kontaktieren,
und

• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst, die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T, den Innenraum I_KA auf der Seite S_A/MK über die Oberfläche O_A/MK direkt kontaktieren,
• in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst, die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und insbesondere auch das Trennelement T, den Innenraum I_KM auf der Seite S_A/MK über die Oberfläche O_A/MK direkt kontaktieren.

[0140] Die Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst mindestens eine Anodenkammer K_A und mindestens eine Kathodenkammer K_K und gegebenenfalls mindestens eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M. Dies umfasst auch Elektrolysezellen E, welche mehr als eine Anodenkammer K_A und/oder Kathodenkammer K_K und/oder Mittelkammer K_M aufweisen. Solche Elektrolysezellen, in denen diese Kammern modulartig aneinandergefügt werden, sind beispielsweise in der DD 258 143 A3 und der US 2006/0226022 A1 beschrieben.

[0141] Die Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Anodenkammer K_A und eine Kathodenkammer K_K und gegebenenfalls eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M.

[0142] Die Elektrolysezelle E weist üblicherweise eine Außenwand W_A auf. Die Außenwand W_A ist insbesondere aus einem Material, welches aus der Gruppe bestehend aus Stahl, bevorzugt gummiertem Stahl, Kunststoff, der insbesondere aus Telene ^® (duroplastischem Polydicyclopentadien), PVC (Polyvinylchlorid), PVC-C (nachchloriertes Polyvinylchlorid), PVDF (Polyvinylidenfluorid) ausgewählt ist. W_A kann insbesondere für Zuläufe und Abläufe durchbrochen sein. Innerhalb von W_A liegen dann die mindestens eine Anodenkammer K_A, die mindestens eine Kathodenkammer K_K und in den Ausführungsformen, in denen die Elektrolysezelle E eine solche umfasst, die mindestens eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M.

4.2.1 Kathodenkammer K_K

[0143] Die Kathodenkammer K_K weist mindestens einen Zulauf Z_KK, mindestens einen Ablauf A_KK und einen Innenraum I_KK, der eine kathodische Elektrode E_K umfasst, auf.

[0144] Der Innenraum I_KK der Kathodenkammer K_K ist durch die Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vom Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A abgetrennt, falls die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst. Der Innenraum I_KK der Kathodenkammer K_K ist durch die Trennwand W gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vom Innenraum I_KM der Mittelkammer K_M abgetrennt, falls die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst.

4.2.1.1 Kathodische Elektrode E_K

[0145] Die Kathodenkammer K_K umfasst einen Innenraum I_KK, der wiederum eine kathodische Elektrode E_K umfasst. Als solche kathodische Elektrode E_K kommt jede dem Fachmann geläufige Elektrode in Frage, die unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem dritten Aspekt der Erfindung stabil ist. Solche sind insbesondere in WO 2014/008410 A1, Absatz [025] oder DE 10360758 A1, Absatz [030] beschrieben. Diese Elektrode E_K kann aus der Gruppe bestehend aus Maschenwolle, dreidimensionale Matrixstruktur oder "Kugeln" ausgewählt sein. Die kathodische Elektrode E_K umfasst insbesondere ein Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stahl, Nickel, Kupfer, Platin, platinierte Metalle, Palladium, auf Kohle geträgertes Palladium, Titan. Bevorzugt umfasst E_K Nickel.

[0146] In den Ausführungsformen der Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, in denen diese eine Mittelkammer K_M umfasst, befindet sich diese zwischen der Anodenkammer K_A und der Kathodenkammer K_K.

4.2.1.2 Zulauf Z_KK und Ablauf A_KK

[0147] Die Kathodenkammer K_K umfasst auch einen Zulauf Z_KK und einen Ablauf A_KK. Dies ermöglicht es, dem Innenraum I_KK der Kathodenkammer K_K Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Lösung L₂, zuzufügen und darin befindliche Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Lösung L₁, zu entfernen. Der Zulauf Z_KK und der Ablauf A_KK sind dabei so an der Kathodenkammer K_K angebracht, dass die Flüssigkeit beim Durchströmen des Innenraums I_KK der Kathodenkammer K_K die kathodische Elektrode E_K kontaktiert. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung am Ablauf A_KK die Lösung L₁ erhalten wird, wenn die Lösung L₂ eines Alkalialkoholats XOR im Alkohol ROH durch den Innenraum I_KK der Kathodenkammer K_K geleitet wird.

[0148] Der Zulauf Z_KK und der Ablauf A_KK können nach dem Fachmann bekannten Verfahren an der Elektrolysezelle E angebracht werden, z.B. durch Bohrungen in der Außenwand und entsprechenden Anschlüssen (Ventilen), die die Ein- bzw. Ausleitung von Flüssigkeit vereinfachen.

4.2.2 Anodenkammer K_A

[0149] Die Anodenkammer K_A weist mindestens einen Zulauf Z_KA, mindestens einen Ablauf A_KA und einem Innenraum I_KA, der eine anodische Elektrode E_A umfasst, auf.

[0150] Der Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A ist, falls die Elektrolysezelle E eine Mittelkammer K_M umfasst, durch eine Diffusionsbarriere D vom Innenraum I_KM der Mittelkammer K_M abgetrennt.

[0151] Falls die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst, ist der Innenraum I_KA der Anodenkammer K durch die Trennwand W vom Innenraum I_KK der Kathodenkammer K_K abgetrennt.

4.2.2.1 Anodische Elektrode E_A

[0152] Die Anodenkammer K_A umfasst einen Innenraum I_KA, der wiederum eine anodische Elektrode E_A umfasst. Als solche anodische Elektrode E_A kommt jede dem Fachmann geläufige Elektrode in Frage, die unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem dritten Aspekt der Erfindung stabil ist. Solche sind insbesondere in WO 2014/008410 A1, Absatz [024] oder DE 10360758 A1, Absatz [031] beschrieben. Diese Elektrode E_A kann aus einer Schicht bestehen oder aus mehreren planen, zueinander parallelen Schichten bestehen, die jeweils perforiert oder expandiert sein können. Die anodische Elektrode E_A umfasst insbesondere ein Material, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Rutheniumoxid, Iridiumoxid, Nickel, Kobalt, Nickelwolframat, Nickeltitanat, Edelmetalle wie insbesondere Platin, welches auf einem Träger wie Titan oder Kovar^® (einer Eisen/Nickel/Kobalt-Legierung, in denen die einzelnen Anteile bevorzugt wie folgt sind: 54 Massen-% Eisen, 29 Massen-% Nickel, 17 Massen-% Cobalt) geträgert ist. Weitere mögliche Anodenmaterialien sind insbesondere Edelstahl, Blei, Graphit, Wolframcarbid, Titandiborid. Bevorzugt umfasst die anodische Elektrode E_A eine mit Rutheniumoxid/ Iridiumoxid beschichtete Titananode (RuO₂ + IrO₂ / Ti).

4.2.2.2 Zulauf Z_KA und Ablauf A_KA

[0153] Die Anodenkammer K_A umfasst auch einen Zulauf Z_KA und einen Ablauf A_KA. Dies ermöglicht es, dem Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Lösung L₃, zuzufügen und darin befindliche Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Lösung L₄, zu entfernen. Der Zulauf Z_KA und der Ablauf A_KA sind dabei so an der Anodenkammer K_A angebracht, dass die Flüssigkeit beim Durchströmen des Innenraums I_KA der Anodenkammer K_A die anodische Elektrode E_A kontaktiert. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung am Ablauf A_KA die Lösung L₄ erhalten wird, wenn die Lösung L₃ eines Salzes S durch den Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A geleitet wird.

[0154] Der Zulauf Z_KA und der Ablauf A_KA können nach dem Fachmann bekannten Verfahren an der Elektrolysezelle E angebracht werden, z.B. durch Bohrungen in der Außenwand und entsprechenden Anschlüssen (Ventilen), die die Ein- bzw. Ausleitung von Flüssigkeit vereinfachen. Der Zulauf Z_KA kann in bestimmten Ausführungsformen, in denen die Elektrolysezelle E eine Mittelkammer K_M umfasst, auch innerhalb der Elektrolysezelle liegen, beispielsweise als Perforation in der Diffusionsbarriere D.

4.2.3 Optionale Mittelkammer K_M

[0155] Die Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist bevorzugt eine Mittelkammer K_M auf. Die optionale Mittelkammer K_M liegt zwischen Kathodenkammer K_K und Anodenkammer K_A. Sie umfasst mindestens einen Zulauf Z_KM, mindestens einen Ablauf A_KM und einen Innenraum I_KM.

[0156] Der Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A ist, falls die Elektrolysezelle E eine Mittelkammer K_M umfasst, durch eine Diffusionsbarriere D vom Innenraum I_KM der Mittelkammer K_M abgetrennt. A_KM ist dann außerdem durch eine Verbindung V_AM mit dem Zulauf Z_KA verbunden, so dass durch die Verbindung V_AM Flüssigkeit aus I_KM in I_KA geleitet werden kann.

4.2.3.1 Diffusionsbarriere D

[0157] Der Innenraum I_KM der optionalen Mittelkammer K_M ist durch eine Diffusionsbarriere D vom Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A abgetrennt und durch die Trennwand W vom Innenraum I_KK der Kathodenkammer K_K abgetrennt.

[0158] Für die Diffusionsbarriere D kann jedes Material genutzt werden, welches unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem dritten Aspekt der Erfindung stabil ist und den Übergang von Protonen von der im Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A befindlichen Flüssigkeit in Innenraum I_KM der optionalen Mittelkammer K_M verhindert oder verlangsamt.

[0159] Als Diffusionsbarriere D wird insbesondere eine nicht ionenspezifische Trennwand oder eine für spezifische Ionen durchlässige Membran verwendet. Bevorzugt handelt es sich bei der Diffusionsbarriere D um eine nicht ionenspezifische Trennwand.

[0160] Das Material der nicht ionenspezifischen Trennwand ist insbesondere aus der Gruppe bestehend aus Gewebe, wobei es sich insbesondere um textiles Gewebe oder Metallgewebe handelt, Glas, wobei es sich insbesondere um gesintertes Glas oder Glasfritten handelt, Keramik, insbesondere keramische Fritten, Membrandiaphragmas ausgewählt, und ist besonders bevorzugt ein textiles Gewebe oder Metallgewebe, besonders bevorzugt ein textiles Gewebe. Das textile Gewebe umfasst bevorzugt Kunststoff, bevorzugter einen Kunststoff ausgewählt aus PVC, PVC-C, Polyvinylether ("PVE"), Polytetrafluorethylen ("PTFE").

[0161] Handelt es sich bei der Diffusionsbarriere D um eine "für spezifische Ionen durchlässige Membran", so bedeutet dies erfindungsgemäß, dass die jeweilige Membran die Diffusion bestimmter Ionen durch sie hindurch gegenüber anderen Ionen begünstigen. Insbesondere sind damit Membranen gemeint, die die Diffusion durch sie hindurch von Ionen einer bestimmten Ladungsart gegenüber entgegengesetzt geladenen Ionen begünstigt. Noch bevorzugter begünstigen für spezifische Ionen durchlässige Membranen außerdem die Diffusion bestimmter Ionen mit einer Ladungsart gegenüber anderen Ionen derselben Ladungsart durch sie hindurch.

[0162] Ist die Diffusionsbarriere D eine "für spezifische Ionen durchlässige Membran", handelt es sich insbesondere bei der Diffusionsbarriere D um eine anionenleitende Membran oder um eine kationenleitende Membran.

[0163] Anionenleitende Membranen sind erfindungsgemäß solche, die selektiv Anionen, bevorzugt selektiv bestimmte Anionen leiten. In anderen Worten begünstigen sie die Diffusion von Anionen durch sie hindurch gegenüber der von Kationen, insbesondere gegenüber Protonen, noch bevorzugter begünstigen sie zusätzlich die Diffusion von bestimmten Anionen durch sie hindurch gegenüber der Diffusion anderer Anionen durch sie hindurch.

[0164] Kationenleitende Membranen sind erfindungsgemäß solche, die selektiv Kationen, bevorzugt selektiv bestimmte Kationen leiten. In anderen Worten begünstigen sie die Diffusion von Kationen durch sie hindurch gegenüber der von Anionen, noch bevorzugter begünstigen sie zusätzlich die Diffusion von bestimmten Kationen, durch sie hindurch gegenüber der Diffusion anderer Kationen durch sie hindurch, noch viel mehr bevorzugter von Kationen, bei denen es sich nicht um Protonen handelt, noch bevorzugter um Natriumkationen handelt, gegenüber Protonen.

[0165] "Begünstigen die Diffusion bestimmter Ionen X gegenüber der Diffusion anderer Ionen Y" bedeutet insbesondere, dass der Diffusionskoeffizient (Einheit m²/s) der lonenart X bei einer gegebenen Temperatur für die betreffende Membran um den Faktor 10, bevorzugt 100, bevorzugt 1000 höher ist als der Diffusionskoeffizient der lonenart Y für die betreffende Membran.

[0166] Handelt es sich bei der Diffusionsbarriere D um eine "für spezifische Ionen durchlässige Membran", so ist es bevorzugt eine anionenleitende Membran, denn diese verhindert besonders gut die Diffusion von Protonen aus der Anodenkammer K_A in die Mittelkammer K_M.

[0167] Als anionenleitende Membran wird insbesondere eine solche eingesetzt, die für die vom Salz S umfassten Anionen selektiv ist. Solche Membranen sind dem Fachmann bekannt und können von ihm eingesetzt werden.

[0168] Das Salz S ist bevorzugt ein Halogenid, Sulfat, Sulfit, Nitrat, Hydrogencarbonat oder Carbonat von X, noch bevorzugter ein Halogenid.

[0169] Halogenide sind Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide. Das bevorzugteste Halogenid ist Chlorid.

[0170] Bevorzugt wird als anionenleitende Membran eine für Halogenide, bevorzugt Chlorid, selektive Membran eingesetzt.

[0171] Anionenleitende Membranen sind beispielsweise von M.A. Hickner, A.M. Herring, E.B. Coughlin, Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics 2013, 51, 1727-1735, von C.G. Arges, V. Ramani, P.N. Pintauro, Electrochemical Society Interface 2010, 19, 31-35, in WO 2007/048712 A2 sowie auf Seite 181 des Lehrbuchs von Volkmar M. Schmidt Elektrochemische Verfahrenstechnik: Grundlagen, Reaktionstechnik, Prozessoptimierung, 1. Auflage (8. Oktober 2003) beschrieben.

[0172] Noch bevorzugter werden demnach als anionenleitende Membran organische Polymere, welche insbesondere aus Polyethylen, Polybenzimidazolen, Polyetherketonen, Polystyrol, Polypropylen oder fluorierten Membranen wie Polyperfluorethylen, bevorzugt Polystyrol, ausgewählt sind, eingesetzt, wobei diese kovalent gebunden funktionelle Gruppen ausgewählt aus -NH₃⁺, -NRH₂⁺, -NR₃⁺, =NR⁺; -PR₃⁺, wobei es sich bei R um Alkylgruppen mit bevorzugt 1 bis 20 Kohlenstoffatomen handelt, oder andere kationische Gruppen aufweisen. Bevorzugt weisen sie kovalent gebundene funktionelle Gruppen, ausgewählt aus -NH₃⁺, -NRH₂⁺, -NR₃⁺, bevorzugter ausgewählt aus -NH₃⁺, -NR₃⁺, noch bevorzugter-NR₃⁺, auf.

[0173] Wenn die Diffusionsbarriere D eine kationenleitende Membran ist, handelt es sich insbesondere um eine Membran, die für die vom Salz S umfassten Kationen selektiv ist. Noch bevorzugter ist die Diffusionsbarriere D eine alkalikationenleitende Membran, noch mehr bevorzugter eine kalium- und/oder natriumionenleitende Membran, am bevorzugtesten eine natriumionenleitende Membran.

[0174] Kationenleitende Membranen sind beispielsweise beschrieben auf Seite 181 des Lehrbuchs von Volkmar M. Schmidt Elektrochemische Verfahrenstechnik: Grundlagen, Reaktionstechnik, Prozessoptimierung, 1. Auflage (8. Oktober 2003).

[0175] Noch bevorzugter werden demnach als kationenleitende Membran organische Polymere, welche insbesondere aus Polyethylen, Polybenzimidazolen, Polyetherketonen, Polystyrol, Polypropylen oder fluorierten Membranen wie Polyperfluorethylen, bevorzugt Polystyrol, Polyperfluorethylen, ausgewählt sind, eingesetzt, wobei diese kovalent gebunden funktionelle Gruppen ausgewählt aus -SO₃^-, -COO-, -PO₃^2-, -PO₂H^-, bevorzugt -SO₃^-, (beschrieben in DE 10 2010 062 804 A1, US 4,831,146) tragen.

[0176] Dies kann zum Beispiel ein sulfoniertes Polyperfluorethylen (Nafion ^® mit CAS-Nummer: 31175-20-9) sein. Diese sind dem Fachmann beispielsweise aus der WO 2008/076327 A1, Absatz [058], US 2010/0044242 A1, Absatz [0042] oder der US 2016/ 0204459 A1 bekannt und unter dem Handelsnamen Nafion ^®, Aciplex ^® F, Flemion ^®, Neosepta ^®, Ultrex ^®, PC-SK ^® erwerblich. Neosepta^®-Membranen sind beispielsweise beschrieben von S.A. Mareev, D.Yu. Butylskii, N.D. Pismenskaya, C. Larchet, L. Dammak, V.V. Nikonenko, Journal of Membrane Science 2018, 563, 768-776.

[0177] Wird eine kationenleitende Membran als Diffusionsbarriere D eingesetzt, kann dies beispielsweise ein mit Sulfonsäuregruppen funktionalisiertes Polymer, insbesondere der folgenden Formel P_NAFION, wobei n und m unabhängig voneinander eine ganze Zahl von 1 bis 10⁶, bevorzugter eine ganze Zahl von 10 bis 10⁵, noch bevorzugter eine ganze Zahl von 10² bis 10⁴ ist, sein.

4.2.3.2 Zulauf Z_KM und Ablauf A_KM

[0178] Die optionale Mittelkammer K_M umfasst auch einen Zulauf Z_KM und einen Ablauf A_KM. Dies ermöglicht es, dem Innenraum I_KM der Mittelkammer K_M Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Lösung L₃, zuzufügen, und darin befindliche Flüssigkeit, wie zum Beispiel die Lösung L₃, in die Anodenkammer K_A zu überführen.

[0179] Der Zulauf Z_KM und der Ablauf A_KM können nach dem Fachmann bekannten Verfahren an der Elektrolysezelle E angebracht werden, z.B. durch Bohrungen in der Außenwand und entsprechenden Anschlüssen (Ventilen), die die Ein- bzw. Ausleitung von Flüssigkeit vereinfachen. Der Ablauf A_KM kann auch innerhalb der Elektrolysezelle liegen, beispielsweise als Perforation in der Diffusionsbarriere D.

4.2.3.3 Verbindung V_AM

[0180] In der Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist der Ablauf A_KM durch eine Verbindung V_AM mit dem Zulauf Z_KA so verbunden, dass durch die Verbindung V_AM Flüssigkeit aus I_KM in I_KA geleitet werden kann,

[0181] Die Verbindung V_AM kann innerhalb der Elektrolysezelle E und/oder außerhalb der Elektrolysezelle E ausgebildet sein, und ist bevorzugt innerhalb der Elektrolysezelle ausgebildet.

1) Ist die Verbindung V_AM innerhalb der Elektrolysezelle E ausgebildet, wird sie bevorzugt durch mindestens eine Perforation in der Diffusionsbarriere D gebildet. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn als Diffusionsbarriere D eine nicht ionenspezifische Trennwand, insbesondere ein Metallgewebe oder textiles Gewebe eingesetzt wird. Dieses fungiert als Diffusionsbarriere D und weist aufgrund der Webeigenschaften von vorneherein Perforationen und Lücken auf, die als Verbindung V_AM fungieren.

2) Die folgend beschriebene Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn als Diffusionsbarriere D eine für spezifische Ionen durchlässige Membran eingesetzt wird: In dieser Ausführungsform ist die Verbindung V_AM außerhalb der Elektrolysezelle E ausgebildet, wobei sie bevorzugt durch eine außerhalb der Elektrolysezelle E verlaufende Verbindung von A_KM und Z_KA gebildet wird, insbesondere dadurch, dass vom Innenraum der Mittelkammer I_KM ein Ablauf A_KM durch die Außenwand W_A, bevorzugt am Boden der Mittelkammer K_M, wobei noch bevorzugter der Zulauf Z_KM an der Oberseite der Mittelkammer K_M ist, gebildet wird, und ein Zulauf Z_KA in den Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A durch die Außenwand W_A, bevorzugt am Boden der Anodenkammer K_A, gebildet wird, und diese durch eine Leitung, beispielsweise ein Rohr oder ein Schlauch, der bevorzugt ein Material ausgewählt aus Gummi, Kunststoff umfasst, verbunden sind. Der Ablauf A_KA ist dann noch bevorzugter an der Oberseite der Anodenkammer K_A ausgebildet.

[0182] "Ablauf A_KM am Boden der Mittelkammer K_M" bedeutet, dass der Ablauf A_KM so an der Elektrolysezelle E angebracht ist, dass die Lösung L₃ die Mittelkammer K_M gleichgerichtet mit der Schwerkraft verlässt.

[0183] "Zulauf Z_KA am Boden der Anodenkammer K_A" bedeutet, dass der Zulauf Z_KA so an der Elektrolysezelle E angebracht ist, dass die Lösung L₃ in die Anodenkammer K_A entgegen der Schwerkraft eintritt.

[0184] "Zulauf Z_KM an der Oberseite der Mittelkammer K_M" bedeutet, dass der Zulauf Z_KM so an der Elektrolysezelle E angebracht ist, dass die Lösung L₃ in die Mittelkammer K_M gleichgerichtet mit der Schwerkraft eintritt.

[0185] "Ablauf A_KA an der Oberseite der Anodenkammer K_A" bedeutet, dass der Ablauf A_KA so an der Elektrolysezelle E angebracht ist, dass die Lösung L₄ die Anodenkammer K_A entgegen der Schwerkraft verlässt.

[0186] Diese Ausführungsform ist dabei besonders vorteilhaft und deshalb bevorzugt, wenn der Ablauf A_KM durch die Außenwand W_A am Boden der Mittelkammer K_M, und der Zulauf Z_KA durch die Außenwand W_A am Boden der Anodenkammer K_A, gebildet wird. Durch diese Anordnung ist es besonders einfach möglich, in der Anodenkammer K_A gebildete Gase mit L₄ aus der Anodenkammer K_A abzuleiten, um diese dann weiter abzutrennen.

[0187] Wenn die Verbindung V_AM außerhalb der Elektrolysezelle E ausgebildet ist, sind insbesondere Z_KM und A_KM an gegenüberliegenden Seiten der Außenwand W_A der Mittelkammer K_M angeordnet (also z.B. Z_KM am Boden und A_KM an der Oberseite der Elektrolysezelle E oder umgekehrt) und Z_KA und A_KA an gegenüberliegenden Seiten der Außenwand W_A der Anodenkammer K_A angeordnet (also Z_KA am Boden und A_KA an der Oberseite der Elektrolysezelle E oder umgekehrt), wie es insbesondere in Abbildung 6A gezeigt ist. Durch diese Geometrie muss L₃ die beiden Kammern K_M und K_A durchströmen. Dabei können Z_KA und Z_KM an derselben Seite der Elektrolysezelle E ausgebildet sein, wobei dann automatisch auch A_KM und A_KA an derselben Seite der Elektrolysezelle E ausgebildet sind. Alternativ können Z_KA und Z_KM an gegenüberliegenden Seiten der Elektrolysezelle E ausgebildet sein, wobei dann automatisch auch A_KM und A_KA an gegenüberliegenden Seiten der Elektrolysezelle E ausgebildet sind.
3) Wenn die Verbindung V_AM innerhalb der Elektrolysezelle E ausgebildet ist, kann dies insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass eine Seite ("Seite A") der Elektrolysezelle E, bei der es sich um die Oberseite oder den Boden der Elektrolysezelle E handelt, bevorzugt wie in Abbildung 6B gezeigt um die Oberseite handelt, den Zulauf Z_KM und den Ablauf A_KA umfasst und die Diffusionsbarriere D ausgehend von dieser Seite ("Seite A") sich in die Elektrolysezelle E erstreckt, aber nicht ganz bis zur der der Seite A gegenüberliegenden Seite ("Seite B") der Elektrolysezelle E, bei der es dann sich um den Boden bzw. die Oberseite der Elektrolysezelle E handelt, reicht und dabei 50 % oder mehr der Höhe der Dreikammerzelle E, bevorzugter 60 % bis 99 % der Höhe der Dreikammerzelle E, noch bevorzugter 70 % bis 95 % der Höhe der Dreikammerzelle E, noch mehr bevorzugter 80 % bis 90 % der Höhe der Dreikammerzelle E, noch viel mehr bevorzugter 85 % der Höhe der Dreikammerzelle E durchspannt. Dadurch dass die Diffusionsbarriere D die Seite B der Dreikammerzelle E nicht berührt, entsteht so ein Spalt zwischen Diffusionsbarriere D und der Außenwand W_A der Seite B der Dreikammerzelle E. Der Spalt ist dann die Verbindung V_AM. Durch diese Geometrie muss L₃ die beiden Kammern K_M und K_A vollständig durchströmen.

[0188] Diese Ausführungsformen gewährleisten am besten, dass am säureempfindlichen Festelektrolyten die wässrige Salzlösung L₃ vorbeiströmt, bevor diese mit der anodischen Elektrode E_A in Kontakt kommt, wodurch es zur Bildung von Säuren kommt.

[0189] "Boden der Elektrolysezelle E" ist erfindungsgemäß die Seite der Elektrolysezelle E, durch die eine Lösung (z.B. L₃ bei A_KM in Abbildung 6 A) gleichgerichtet mit der Schwerkraft aus der Elektrolysezelle E austritt bzw. die Seite der Elektrolysezelle E, durch die eine Lösung (z.B. L₂ bei Z_KK in Abbildungen 6 A und 6 B und L₃ bei A_KA in Abbildungen 5 A und 5 B) der Elektrolysezelle E entgegen der Schwerkraft zugeführt wird.

[0190] "Oberseite der Elektrolysezelle E" ist erfindungsgemäß die Seite der Elektrolysezelle E, durch die eine Lösung (z.B. L₄ bei A_KA und L₁ bei A_KK in Abbildungen 6 A und 6 B) entgegen der Schwerkraft aus der Elektrolysezelle E austritt bzw. die Seite der Elektrolysezelle E, durch die eine Lösung (z.B. L₃ bei Z_KM in Abbildungen 6 A und 6 B) der Elektrolysezelle E gleichgerichtet mit der Schwerkraft zugeführt wird.

4.2.4 Anordnung der Trennwand W in der Elektrolysezelle E

[0191] Die Trennwand W ist in der Elektrolysezelle E so angeordnet, dass die die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und bevorzugt auch das Trennelement T, den Innenraum I_KK auf der Seite S_KK über die Oberfläche O_KK direkt kontaktieren.

[0192] Dies bedeutet, dass die Trennwand W in der Elektrolysezelle E so angeordnet ist, dass, wenn der Innenraum I_KK auf der Seite S_KK mit Lösung L₄ vollständig gefüllt ist, dass die Lösung L₄ dann über die Oberfläche O_KK alle von der der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken und bevorzugt auch das Trennelement T kontaktiert, so dass Ionen (z.B. Alkalimetallionen wie Natrium, Lithium) aus allen AFKs, die von der Trennwand W umfasst werden, in die Lösung L₄ eintreten können.

[0193] Zusätzlich ist die Trennwand W in den Ausführungsformen, in denen die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst, so in der Elektrolysezelle E angeordnet, dass die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und bevorzugt auch das Trennelement T, den Innenraum I_KA auf der Seite S_A/MK über die Oberfläche O_A/MK direkt kontaktieren.

[0194] Dies bedeutet Folgendes: in den Ausführungsformen, in denen die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst, grenzt die Trennwand W an den Innenraum I_KA der Anodenkammer K_A. In diesen Ausführungsformen ist die Trennwand W in der Elektrolysezelle E so angeordnet, dass, wenn der Innenraum I_KA auf der Seite S_A/MK mit Lösung L₂ vollständig gefüllt ist, dass die Lösung L₂ dann über die Oberfläche O_A/MK alle von der der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken und bevorzugt auch das Trennelement T kontaktiert, so dass Ionen (z.B. Alkalimetallionen wie Natrium, Lithium) aus der Lösung L₂ in jede AFK, die von der Trennwand W umfasst ist, eintreten können.

[0195] Zusätzlich ist die Trennwand W in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst, so in der Elektrolysezelle E angeordnet, dass die von der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken, und bevorzugt auch das Trennelement T, den Innenraum I_KM auf der Seite S_A/MK über die Oberfläche O_A/MK direkt kontaktieren.

[0196] Dies bedeutet Folgendes: in den Ausführungsformen, in denen die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst, grenzt die Trennwand W an den Innenraum I_KM der Mittelkammer K_M. In diesen Ausführungsformen ist die Trennwand W in der Elektrolysezelle E so angeordnet, dass, wenn der Innenraum I_KM auf der Seite S_A/MK mit Lösung L₂ vollständig gefüllt ist, dass die Lösung L₂ dann über die Oberfläche O_A/MK alle von der der Trennwand W umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken und bevorzugt auch das Trennelement T kontaktiert, so dass Ionen (z.B. Alkalimetallionen wie Natrium, Lithium) aus der Lösung L₂ in jede AFK, die von der Trennwand W umfasst ist, eintreten können.

[0197] In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kontaktieren mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, bevorzugt mindestes 90 %, am bevorzugtesten 100 % des Teils der Oberfläche O_KK, der durch AFKs gebildet wird, den Innenraum I_KK.

[0198] In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrolysezelle E ohne Mittelkammer gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kontaktieren mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, bevorzugt mindestes 90 %, am bevorzugtesten 100 % des Teils der Oberfläche O_A/MK, der durch AFKs gebildet wird, den Innenraum I_KA.

[0199] In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrolysezelle E mit mindestens einer Mittelkammer gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kontaktieren mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, bevorzugt mindestes 90 %, am bevorzugtesten 100 % des Teils der Oberfläche O_A/MK, der durch AFKs gebildet wird, den Innenraum I_KM.

4.3 Erfindungsgemäßes Verfahren

[0200] Die vorliegende Erfindung betrifft in einem dritten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer Lösung L₁ eines Alkalimetallalkoholats XOR im Alkohol ROH, wobei X ein Alkalimetallkation ist und R ein Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist. Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird in einer Elektrolysezelle E gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung durchgeführt.

[0201] Bevorzugt ist X aus der Gruppe bestehend aus Li⁺, K⁺, Na⁺, bevorzugter aus der Gruppe bestehend aus K⁺, Na⁺ ausgewählt. Am bevorzugtesten ist X = Na⁺.

[0202] R ist bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus n-Propyl, iso-Propyl, Ethyl, Methyl ausgewählt, bevorzugter aus der Gruppe bestehend aus Ethyl, Methyl ausgewählt. Am bevorzugtesten ist R Methyl.

4.3.1 Erfindungsgemäßes Verfahren in einer Elektrolysezelle E ohne Mittelkammer K_M

[0203] In den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E keine Mittelkammer K_M umfasst, werden die gleichzeitig ablaufenden Schritt (α1), (α2), (α3) durchgeführt.

4.3.1.1 Schritt (α1)

[0204] Im Schritt (α1) wird eine Lösung L₂ umfassend den Alkohol ROH, bevorzugt umfassend ein Alkalialkoholat XOR und Alkohol ROH, durch K_K geleitet.

[0205] Die Lösung L₂ ist bevorzugt frei von Wasser. "Frei von Wasser" bedeutet erfindungsgemäß, dass das Gewicht des Wassers in der Lösung L₂ bezogen auf das Gewichts des Alkohols ROH in der Lösung L₂ (Massenverhältnis) ≤ 1 : 10, bevorzugter ≤ 1 : 20, noch bevorzugter ≤ 1 : 100, noch bevorzugter ≤ 0.5 : 100 ist.

[0206] Umfasst die Lösung L₂ XOR, so liegt der Massenanteil von XOR in der Lösung L₂, bezogen auf die gesamte Lösung L₂, insbesondere bei > 0 bis 30 Gew.-%, bevorzugt bei 5 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter bei 10 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter bei 10 bis 15 Gew.-%, am bevorzugtesten bei 13 bis 14 Gew.-%, am allerbevorzugtesten bei 13 Gew.-%.

[0207] Umfasst die Lösung L₂ XOR, so liegt in der Lösung L₂ insbesondere das Massenverhältnis von XOR zu Alkohol ROH im Bereich 1 : 100 bis 1 : 5, bevorzugter im Bereich 1 : 25 bis 3 : 20, noch bevorzugter im Bereich 1 : 12 bis 1 : 8, noch bevorzugter bei 1 : 10.

4.3.1.2 Schritt (α2)

[0208] In Schritt (α2) wird eine neutrale oder alkalische, wässrige Lösung L₃ eines Salzes S umfassend X als Kation durch K_A geleitet.

[0209] Das Salz S ist bevorzugt ein Halogenid, Sulfat, Sulfit, Nitrat, Hydrogencarbonat oder Carbonat von X, noch bevorzugter ein Halogenid.

[0210] Halogenide sind Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide. Das bevorzugteste Halogenid ist Chlorid.

[0211] Der pH der wässrigen Lösung L₃ ist dabei ≥ 7.0, bevorzugt im Bereich 7 bis 12, bevorzugter im Bereich 8 bis 11, noch bevorzugter 10 bis 11, am bevorzugtesten bei 10.5.

[0212] Der Massenanteil des Salzes S in der Lösung L₃ liegt dabei bevorzugt im Bereich > 0 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugter bei 5 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter bei 10 bis 20 Gew.-%, am bevorzugtesten bei 20 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Lösung L₃.

4.3.1.3 Schritt (α3)

[0213] Im Schritt (α3) wird dann eine Spannung zwischen E_A und E_K angelegt.

[0214] Dadurch kommt es zu einem Stromtransport von der Ladungsquelle zur Anode, zu einem Ladungstransport über Ionen zur Kathode und schließlich zu einem Stromtransport zurück zur Ladungsquelle. Die Ladungsquelle ist dem Fachmann bekannt und ist typischerweise ein Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und über Spannungsumwandler bestimmte Spannungen erzeugen kann.

[0215] Dies hat wiederum folgende Konsequenzen:

am Ablauf A_KK wird die Lösung L₁ erhalten, wobei die Konzentration von XOR in L₁ höher ist als in L₂,

am Ablauf A_KA wird eine wässrige Lösung L₄ von S erhalten, wobei die Konzentration von S in L₄ geringer ist als in L₃.

[0216] Im Schritt (α3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird insbesondere eine solche Spannung angelegt, dass so ein Strom fließt, so dass die Stromdichte (= Verhältnis des Stroms, der zur Elektrolysezelle fließt, zur Fläche des Festelektrolyten, die den in der Anodenkammer K_A befindlichen Anolyten kontaktiert) im Bereich von 10 bis 8000 A/ m² liegt, bevorzugter im Bereich von 100 bis 2000 A/ m² liegt, noch bevorzugter im Bereich von 300 bis 800 A/ m², noch bevorzugter bei 494 A/ m² liegt. Dies kann vom Fachmann standardmäßig bestimmt werden. Die Fläche des Festelektrolyten, die den in der Anodenkammer K_A befindlichen Anolyten kontaktiert beträgt insbesondere 0.00001 bis 10 m², bevorzugt 0.0001 bis 2.5 m², bevorzugter 0.0002 bis 0.15 m², noch bevorzugter 2.83 cm².

[0217] Es versteht sich von selbst, dass der Schritt (α3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung dann durchgeführt wird, wenn die Kammer K_A mindestens teilweise mit L₃ beladen ist und K_K mit L₂ mindestens teilweise beladen ist, so dass sowohl L₃ als auch L₂ die von der Trennwand W umfassten AFKs kontaktieren und insbesondere auch das Trennelement T kontaktieren.

[0218] Die Tatsache, dass in Schritt (α3) ein Ladungstransport zwischen E_A und E_K stattfindet, impliziert, dass K_K und K_A gleichzeitig mit L₂ bzw. L₃ so beladen sind, dass sie die Elektroden E_A und E_K soweit bedecken, dass der Stromkreislauf geschlossen ist.

[0219] Das ist insbesondere dann der Fall, wenn kontinuierlich ein Flüssigkeitsstrom von L₃ durch K_A und ein Flüssigkeitsstrom von L₂ durch K_K geleitet wird und der Flüssigkeitsstrom von L₃ die Elektrode E_A und der Flüssigkeitsstrom von L₂ die Elektrode E_K mindestens teilweise, bevorzugt vollständig bedeckt.

[0220] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung kontinuierlich durchgeführt, also Schritt (α1) und Schritt (α2) kontinuierlich durchgeführt und dabei gemäß Schritt (α3) Spannung angelegt.

[0221] Nach Durchführung des Schrittes (α3) wird am Ablauf A_KK die Lösung L₁ erhalten, wobei die Konzentration von XOR in L₁ höher ist als in L₂. Wenn L₂ schon XOR umfasste, ist die Konzentration von XOR in L₁ bevorzugt um das 1.01 bis 2.2-fache, bevorzugter um das 1.04 bis 1.8-fache, noch bevorzugter um das 1.077 bis 1.4-fache, noch mehr bevorzugter um das 1.077 bis 1.08-fache höher als in L₂, am bevorzugtesten um das 1.077-fache höher als in L₂, wobei noch bevorzugter dabei der Massenanteil von XOR in L₁ und in L₂ im Bereich 10 bis 20 Gew.-%, noch mehr bevorzugter 13 bis 14 Gew.-% liegt.

[0222] Am Ablauf A_KA wird eine wässrige Lösung L₄ von S erhalten, wobei die Konzentration von S in L₄ geringer ist als in L₃.

[0223] Die Konzentration des Kations X in der wässrigen Lösung L₃ liegt bevorzugt im Bereich 3.5 bis 5 mol/l, bevorzugter 4 mol/l. Die Konzentration des Kations X in der wässrigen Lösung L₄ ist bevorzugter 0.5 mol/l geringer als jene der jeweils eingesetzten wässrigen Lösung L₃.

[0224] Insbesondere werden die Schritte (α1) bis (α3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bei einer Temperatur von 20 °C bis 70 °C, bevorzugt 35 °C bis 65 °C, bevorzugter 35 °C bis 60 °C, noch bevorzugter 35 °C bis 50 °C und einem Druck von 0.5 bar bis 1.5 bar, bevorzugt 0.9 bar bis 1.1 bar, bevorzugter 1.0 bar durchgeführt.

[0225] Bei der Durchführung der Schritte (α1) bis (α3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung entsteht in der Kathodenkammer K_K typischerweise Wasserstoff, der über den Ablauf A_KK aus der Zelle zusammen mit der Lösung L₁ abgeführt werden kann. Die Mischung aus Wasserstoff und Lösung L₁ kann dann in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Fachmann bekannten Verfahren aufgetrennt werden. In der Anodenkammer K_A, wenn es sich bei der eingesetzten Alkalimetallverbindung um ein Halogenid, insbesondere Chlorid handelt, kann Chlor oder ein anderes Halogengas entstehen, welches über den Ablauf A_KK aus der Zelle zusammen mit der Lösung L₄ abgeführt werden kann. Daneben kann auch Sauerstoff oder/und Kohlendioxid entstehen, was ebenso abgeführt werden kann. Die Mischung aus Chlor, Sauerstoff und/oder CO₂ und Lösung L₄ kann dann in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Fachmann bekannten Verfahren aufgetrennt werden. Genauso kann dann nach Abtrennung der Gase Chlor, Sauerstoff und/oder CO₂ von der Lösung L₄ diese nach dem Fachmann bekannten Verfahren voneinander abgetrennt werden.

4.3.2 Erfindungsgemäßes Verfahren in einer Elektrolysezelle E mit Mittelkammer K_M

[0226] In den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst, werden die gleichzeitig ablaufenden Schritte (β1), (β2), (β3) durchgeführt.

[0227] Es ist bevorzugt, dass die Elektrolysezelle E mindestens eine Mittelkammer K_M umfasst, und dann die gleichzeitig ablaufenden Schritte (β1), (β2), (β3) durchgeführt werden.

4.3.2.1 Schritt (β1)

[0228] Im Schritt (β1) wird eine Lösung L₂ umfassend den Alkohol ROH, bevorzugt umfassend ein Alkalialkoholat XOR und Alkohol ROH, durch K_K geleitet.

[0229] Die Lösung L₂ ist bevorzugt frei von Wasser. "Frei von Wasser" bedeutet erfindungsgemäß, dass das Gewicht des Wassers in der Lösung L₂ bezogen auf das Gewichts des Alkohols ROH in der Lösung L₂ (Massenverhältnis) ≤ 1 : 10, bevorzugter ≤ 1 : 20, noch bevorzugter ≤ 1 : 100, noch bevorzugter ≤ 0.5 : 100 ist.

[0230] Umfasst die Lösung L₂ XOR, so liegt der Massenanteil von XOR in der Lösung L₂, bezogen auf die gesamte Lösung L₂, insbesondere bei > 0 bis 30 Gew.-%, bevorzugt bei 5 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter bei 10 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter bei 10 bis 15 Gew.-%, am bevorzugtesten bei 13 bis 14 Gew.-%, am allerbevorzugtesten bei 13 Gew.-%.

[0231] Umfasst die Lösung L₂ XOR, so liegt in der Lösung L₂ insbesondere das Massenverhältnis von XOR zu Alkohol ROH im Bereich 1 : 100 bis 1 : 5, bevorzugter im Bereich 1 : 25 bis 3 : 20, noch bevorzugter im Bereich 1 : 12 bis 1 : 8, noch bevorzugter bei 1 : 10.

4.3.2.2 Schritt (β2)

[0232] In Schritt (β2) wird eine neutrale oder alkalische, wässrige Lösung L₃ eines Salzes S umfassend X als Kation durch K_M, dann über V_AM, dann durch K_A geleitet.

[0233] Das Salz S ist bevorzugt ein Halogenid, Sulfat, Sulfit, Nitrat, Hydrogencarbonat oder Carbonat von X, noch bevorzugter ein Halogenid.

[0234] Halogenide sind Fluoride, Chloride, Bromide, Jodide. Das bevorzugteste Halogenid ist Chlorid.

[0235] Der pH der wässrigen Lösung L₃ ist dabei ≥ 7.0, bevorzugt im Bereich 7 bis 12, bevorzugter im Bereich 8 bis 11, noch bevorzugter 10 bis 11, am bevorzugtesten bei 10.5.

[0236] Der Massenanteil des Salzes S in der Lösung L₃ liegt dabei bevorzugt im Bereich > 0 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugter bei 5 bis 20 Gew.-%, noch bevorzugter bei 10 bis 20 Gew.-%, am bevorzugtesten bei 20 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Lösung L₃.

4.3.2.3 Schritt (β3)

[0237] Im Schritt (β3) wird dann eine Spannung zwischen E_A und E_K angelegt.

[0238] Dadurch kommt es zu einem Stromtransport von der Ladungsquelle zur Anode, zu einem Ladungstransport über Ionen zur Kathode und schließlich zu einem Stromtransport zurück zur Ladungsquelle. Die Ladungsquelle ist dem Fachmann bekannt und ist typischerweise ein Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und über Spannungsumwandler bestimmte Spannungen erzeugen kann.

[0239] Dies hat wiederum folgende Konsequenzen:

am Ablauf A_KK wird die Lösung L₁ erhalten, wobei die Konzentration von XOR in L₁ höher ist als in L₂,

am Ablauf A_KA wird eine wässrige Lösung L₄ von S erhalten, wobei die Konzentration von S in L₄ geringer ist als in L₃.

[0240] Im Schritt (β3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird insbesondere eine solche Spannung angelegt, dass so ein Strom fließt, so dass die Stromdichte (= Verhältnis des Stroms, der zur Elektrolysezelle fließt, zur Fläche des Festelektrolyten, die den in der Mittelkammer K_M befindlichen Anolyten kontaktiert) im Bereich von 10 bis 8000 A/ m² liegt, bevorzugter im Bereich von 100 bis 2000 A/ m² liegt, noch bevorzugter im Bereich von 300 bis 800 A/ m², noch bevorzugter bei 494 A/ m² liegt. Dies kann vom Fachmann standardmäßig bestimmt werden. Die Fläche des Festelektrolyten, die den in der Mittelkammer K_M befindlichen Anolyten kontaktiert beträgt insbesondere 0.00001 bis 10 m², bevorzugt 0.0001 bis 2.5 m², bevorzugter 0.0002 bis 0.15 m², noch bevorzugter 2.83 cm².

[0241] Es versteht sich von selbst, dass der Schritt (β3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung dann durchgeführt wird, wenn beide Kammern K_M und K_A mindestens teilweise mit L₃ beladen sind und K_K mit L₂ mindestens teilweise beladen ist, so dass sowohl L₃ als auch L₂ die von der Trennwand W umfassten Festelektrolyten kontaktieren und insbesondere auch das Trennelement T kontaktieren.

[0242] Die Tatsache, dass in Schritt (β3) ein Ladungstransport zwischen E_A und E_K stattfindet, impliziert, dass K_K, K_M und K_A gleichzeitig mit L₂ bzw. L₃ so beladen sind, dass sie die Elektroden E_A und E_K soweit bedecken, dass der Stromkreislauf geschlossen ist.

[0243] Das ist insbesondere dann der Fall, wenn kontinuierlich ein Flüssigkeitsstrom von L₃ durch K_M, V_AM und K_A und ein Flüssigkeitsstrom von L₂ durch K_K geleitet wird und der Flüssigkeitsstrom von L₃ die Elektrode E_A und der Flüssigkeitsstrom von L₂ die Elektrode E_K mindestens teilweise, bevorzugt vollständig bedeckt.

[0244] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kontinuierlich durchgeführt, also Schritt (β1) und Schritt (β2) kontinuierlich durchgeführt und dabei gemäß Schritt (β3) Spannung angelegt.

[0245] Nach Durchführung des Schrittes (β3) wird am Ablauf A_KK die Lösung L₁ erhalten, wobei die Konzentration von XOR in L₁ höher ist als in L₂. Wenn L₂ schon XOR umfasste, ist die Konzentration von XOR in L₁ bevorzugt um das 1.01 bis 2.2-fache, bevorzugter um das 1.04 bis 1.8-fache, noch bevorzugter um das 1.077 bis 1.4-fache, noch mehr bevorzugter um das 1.077 bis 1.08-fache höher als in L₂, am bevorzugtesten um das 1.077-fache höher als in L₂, wobei noch bevorzugter dabei der Massenanteil von XOR in L₁ und in L₂ im Bereich 10 bis 20 Gew.-%, noch mehr bevorzugter 13 bis 14 Gew.-% liegt.

[0246] Am Ablauf A_KA wird eine wässrige Lösung L₄ von S erhalten, wobei die Konzentration von S in L₄ geringer ist als in L₃.

[0247] Die Konzentration des Kations X in der wässrigen Lösung L₃ liegt bevorzugt im Bereich 3.5 bis 5 mol/l, bevorzugter 4 mol/l. Die Konzentration des Kations X in der wässrigen Lösung L₄ ist bevorzugter 0.5 mol/l geringer als jene der jeweils eingesetzten wässrigen Lösung L₃.

[0248] Insbesondere werden die Schritte (β1) bis (β3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung bei einer Temperatur von 20 °C bis 70 °C, bevorzugt 35 °C bis 65 °C, bevorzugter 35 °C bis 60 °C, noch bevorzugter 35 °C bis 50 °C und einem Druck von 0.5 bar bis 1.5 bar, bevorzugt 0.9 bar bis 1.1 bar, bevorzugter 1.0 bar durchgeführt.

[0249] Bei der Durchführung der Schritte (β1) bis (β3) des Verfahrens gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung entsteht in der Kathodenkammer K_K typischerweise Wasserstoff, der über den Ablauf A_KK aus der Zelle zusammen mit der Lösung L₁ abgeführt werden kann. Die Mischung aus Wasserstoff und Lösung L₁ kann dann in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Fachmann bekannten Verfahren aufgetrennt werden. In der Anodenkammer K_A, wenn es sich bei der eingesetzten Alkalimetallverbindung um ein Halogenid, insbesondere Chlorid handelt, kann Chlor oder ein anderes Halogengas entstehen, welches über den Ablauf A_KK aus der Zelle zusammen mit der Lösung L₄ abgeführt werden kann. Daneben kann auch Sauerstoff oder/und Kohlendioxid entstehen, was ebenso abgeführt werden kann. Die Mischung aus Chlor, Sauerstoff und/oder CO₂ und Lösung L₄ kann dann in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nach dem Fachmann bekannten Verfahren aufgetrennt werden. Genauso kann dann nach Abtrennung der Gase Chlor, Sauerstoff und/oder CO₂ von der Lösung L₄ diese nach dem Fachmann bekannten Verfahren voneinander abgetrennt werden.

4.3.2.4 Zusätzliche Vorteile der Schritte (β1) bis (β3)

[0250] Diese Durchführung der Schritte (β1) bis (β3) bringen noch weitere überraschende Vorteile, die im Lichte des Standes der Technik nicht zu erwarten waren. Durch die Schritte (β1) bis (β3) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der säurelabile Feststoffelektrolyt vor Korrosion geschützt, ohne dass dabei wie im Stand der Technik Alkoholatlösung aus dem Kathodenraum als Pufferlösung geopfert werden muss. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren effizienter als die in WO 2008/076327 A1 beschriebene Vorgehensweise, in der die Produktlösung für die Mittelkammer verwendet wird, was den Gesamtumsatz schmälert.

5. Beispiele

5.1 Vergleichsbeispiel 1

[0251] Natriummethylat (NM) wurde über einen kathodischen Prozess hergestellt, wobei in der Anodenkammer 20 Gew.-%-ige NaCI-Lösung (in Wasser) und in der Kathodenkammer 10 Gew.-%-ige methanolische NM-Lösung zugeführt werden. Dabei bestand die Elektrolysezelle aus drei Kammern, welcher jenen in Abbildung 1B gezeigten entsprach. Die Verbindung zwischen Mittel- und Anodenkammer wurde durch einen Schlauch, der am Boden der Elektrolysezelle angebracht war, hergestellt. Die Anodenkammer und mittlere Kammer waren durch eine 2.83 cm² Anionenaustauschermembran (Tokuyama AMX, Ammoniumgruppen auf Polymer) getrennt. Kathoden und Mittelkammer waren durch eine Keramik vom Typ NaSICON mit einer Fläche von 2.83 cm² getrennt. Die Keramik hatte eine chemische Zusammensetzung der Formel Na_3.4Zr_2.0Si_2.4P_0.6O₁₂.

[0252] Der Anolyt wurde durch die mittlere Kammer in die Anodenkammer überführt. Die Durchflussrate des Anolyten betrug 1 l/h, jene des Katholyten betrug 90 ml/h, und es wurde ein Strom von 0.14 A angelegt. Die Temperatur betrug 35 °C. Die Elektrolyse wurde für 500 Stunden durchgeführt, wobei die Spannung konstant bei 5 V verblieb.

[0253] Es wurde beobachtet, dass sich in der Mittelkammer über längere Zeit ein pH-Gradient ausbildete, was auf die Wanderung der Ionen zu den Elektroden im Zuge der Elektrolyse und die Ausbreitung der an der Anode in Folgereaktionen gebildeten Protonen zurückzuführen ist. Diese lokale Erhöhung des pH-Wertes ist unerwünscht, da er den Festelektrolyten angreifen kann und gerade bei sehr langen Laufzeiten zur Korrosion und Bruch des Festelektrolyten führen kann.

[0254] Daneben kommt es bei wiederholtem Anfahren und Abfahren der Elektrolysezelle aufgrund der Aufheiz- und Abkühleffekten zur Ausdehnung bzw. Schrumpfung der NaSICON-Keramik. Daneben kann sich die NaSICON-Membran in der Zelle verlagern. Dies ist problematisch, da dies die Tendenz der Keramik, zu brechen, verstärkt und zu Leckage von Elektrolyt aus der Mittelkammer in die Kathodenkammer führen kann, was das Produkt der Elektrolyse verwässert. Daneben kann dies zu Undichtigkeiten in der Außenwand der Zelle führen, die zur Leckage von Elektrolyt nach außen führen.

5.2 Vergleichsbeispiel 2

[0255] Das Vergleichsbeispiel 1 wurde mit einer Zweikammerzelle umfassend nur eine Anoden- und eine Kathodenkammer, wobei die Anodenkammer durch die Keramik vom Typ NaSICON von der Kathodenkammer getrennt war, wiederholt (Abbildung 1 A) Somit enthielt diese Elektrolysezelle keine Mittelkammer. Dies schlägt sich in einer noch schnelleren Korrosion der Keramik im Vergleich zum Vergleichsbeispiel 1 nieder, was zu einem schnellen Anstieg der Spannungskurve führt. Bei einem Startwert der Spannung von < 5 V steigt diese innerhalb von 100 Stunden auf > 20 V.

5.3 Erfindungsgemäßes Beispiel 1

[0256] Vergleichsbeispiel 1 wird wiederholt, wobei eine Elektrolysezelle gemäß Abbildung 6A eingesetzt wird, in der eine Trennwand umfassend zwei NaSICON-Keramiken in einem Rahmen eingesetzt sind.

[0257] Durch diese Anordnung wird das Ausmaß der Ausdehnungs- und Schrumpfprozesse der Keramik reduziert, was zur Haltbarkeit der Keramik beiträgt und eine sauberere Produktlösung ergibt, da die Leckage unterbunden wird.

5.4 Erfindungsgemäßes Beispiel 2

[0258] Vergleichsbeispiel 2 wird wiederholt, wobei eine Elektrolysezelle gemäß Abbildung 6A eingesetzt wurde, in der eine Trennwand umfassend vier NaSICON-Keramiken in einem Rahmen eingesetzt wurden, in denen Rahmenelement R und Trennelement T verschmolzen sind (Abbildung 7A, aber ohne Scharnier und ohne Schloss).

[0259] Durch diese Anordnung wird das Ausmaß der Ausdehnungs- und Schrumpfprozesse der Keramik reduziert, was zur Haltbarkeit der Keramik beiträgt und eine sauberere Produktlösung ergibt, da die Leckage unterbunden wird.

5.5 Ergebnis

[0260] Die Abmilderung der Spannungen innerhalb der AFKs durch die sich bei den sich wiederholenden Elektrolysezyklen ergebenden Ausdehnungs- und Schrumpfungsprozessen führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Elektrolysekammer. In der Ausführung gemäß erfindungsgemäßem Beispielen 1 und 2 werden diese Effekte reduziert, was die Stabilität des Festelektrolyten erhöht.

[0261] Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Dreikammerzelle im erfindungsgemäßen Verfahren wird außerdem die Korrosion des Festelektrolyten verhindert, wobei gleichzeitig kein Alkalialkoholatprodukt für die Mittelkammer geopfert werden muss und die Spannung konstant gehalten wird. Diese Vorteile, die schon aus dem Vergleich der beiden Vergleichsbeispiele 1 und 2 ersichtlich sind, unterstreichen den überraschenden Effekt der Elektrolysezelle mit Mittelkammer und des entsprechenden in dieser durchgeführten Verfahrens.

6. Referenzzeichen in den Abbildungen

Elektrolysezelle	E	<1>
Anodenkammer	KA	<11>
Zulauf	ZKA	<110>
Ablauf	AKA	<111>
Innenraum	IKA	<112>
anodische Elektrode	EA	<113>
Kathodenkammer	KK	<12>
Zulauf	ZKK	<120>
Ablauf	AKK	<121>
Innenraum	IKK	<122>
kathodische Elektrode	EK	<123>
Mittelkammer	KM	<13>
Zulauf	ZKM	<130>
Ablauf	AKM	<131>
Innenraum	IKM	<132>
Diffusionsbarriere	D	<14>
Verbindung	VAM	<15>
Trennwand	W	<16>
Seite	SKK	<161>
Seite	SA/MK	<162>
Oberfläche	OKK	<163>
Oberfläche	OA/MK	<164>
Trennelement	T	<17>
Teil eines Trennelements		<171>
Teil eines Trennelements		<172>
Festelektrolytkeramik	FA	<18>
Festelektrolytkeramik	FB	<19>
Festelektrolytkeramik	FC	<28>
Festelektrolytkeramik	FD	<29>
Festelektrolytkeramiken	FE, FF, FG, FH, FI	<30>, <31>, <32>, <33>, <34>
Rahmenelement	R	<20>
Rahmenteil		<201>
Rahmenteil		<202>
Dichtung	Di	<40>
Scharnier		<50>
Schloss		<60>
Außenwand	WA	<80>
Alkalimetallalkoholats XOR im Alkohol ROH	L1	<21>
Lösung umfassend den Alkohol ROH	L2	<22>
neutrale oder alkalische, wässrige Lösung eines Salzes S umfassend X als Kation	L3	<23>
wässrige Lösung von S, wobei [S]L4 < [S]L3.	L4	<24>

Ansprüche

1. Trennwand W <16>, welche eine Seite S_KK <161> mit der Oberfläche O_KK <163> und eine der Seite S_KK <161> gegenüberliegende Seite S_A/MK <162> mit der Oberfläche O_A/MK <164> umfasst, wobei die Trennwand W <16> mindestens zwei, durch mindestens ein Trennelement T <17> voneinander getrennte, alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A <18> und F_B <19> dergestalt umfasst, dass die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken sowohl über die Oberfläche O_KK <163> als auch über die Oberfläche O_A/MK <164> direkt kontaktierbar sind.

2. Trennwand W <16> nach Anspruch 1, welche mindestens vier alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken F_A <18>, F_B <19>, F_C <28> und F_D <29> umfasst.

3. Trennwand W <16> nach Anspruch 2, wobei das Trennelement T <17> kreuzförmig oder gitterförmig ist.

4. Trennwand W <16> nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Trennelement T <17> ein Material umfasst, welches aus der Gruppe bestehend aus Kunststoff, Glas, Holz ausgewählt ist.

5. Trennwand W <16> nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche ein Rahmenelement R <20> umfasst.

6. Trennwand W <16> nach Anspruch 5, wobei mindestens ein Teil des Trennelements T <17> einstückig mit mindestens einem Teil des Rahmenelements R <20> ausgebildet ist.

7. Trennwand W <16> nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitende Festelektrolytkeramiken unabhängig voneinander eine Struktur der Formel M^I_1+2w+x-y+z M^II_w M^III_x Zr^IV_2-w-x-yM^V_y (SiO₄)_z(PO₄)_3-z aufweisen,
wobei M' ausgewählt aus Na⁺, Li⁺ ist,

M^II ein zweiwertiges Metallkation ist,

M^III ein dreiwertiges Metallkation ist,

M^V ein fünfwertiges Metallkation ist,

die römischen Indizes I, II, III, IV, V die Oxidationszahlen angeben, in der die jeweiligen Metallkationen vorliegen,

und w, x, y, z reelle Zahlen sind, wobei gilt, dass 0 ≤ x < 2, 0 ≤ y < 2, 0 ≤ w < 2, 0 ≤ z < 3,
und wobei w, x, y, z so gewählt werden, dass 1 + 2w + x - y + z ≥ 0 und 2 - w - x - y ≥ 0 gilt.

8. Elektrolysezelle E <1>, umfassend

- mindestens eine Anodenkammer K_A <11> mit mindestens einem Zulauf Z_KA <110>, mindestens einem Ablauf A_KA <111> und einem Innenraum I_KA <112>, der eine anodische Elektrode E_A <113> umfasst,

- mindestens eine Kathodenkammer K_K <12> mit mindestens einem Zulauf Z_KK <120>, mindestens einem Ablauf A_KK <121> und einem Innenraum I_KK <122>, der eine kathodische Elektrode E_K <123> umfasst,

- und gegebenenfalls mindestens eine dazwischen liegende Mittelkammer K_M <13> mit mindestens einem Zulauf Z_KM <130>, mindestens einem Ablauf A_KM <131> und einem Innenraum I_KM <132>,
wobei dann I_KA <112> und I_KM <132> durch eine Diffusionsbarriere D <14> voneinander abgetrennt sind, und A_KM <131> durch eine Verbindung V_AM <15> mit dem Zulauf Z_KA <110> verbunden ist, so dass durch die Verbindung V_AM <15> Flüssigkeit aus I_KM <132> in I_KA <112> geleitet werden kann,

wobei

- in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> keine Mittelkammer K_M <13> umfasst, I_KA <112> und I_KK <122> durch eine Trennwand W <16> nach einem der Ansprüche 1 bis 7 voneinander abgetrennt sind,

- in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> mindestens eine Mittelkammer K_M <13> umfasst, I_KA <112> und I_KM <132> durch eine Trennwand W <16> nach einem der Ansprüche 1 bis 7 voneinander abgetrennt sind,

dadurch gekennzeichnet, dass
die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken den Innenraum I_KK <122> auf der Seite S_KK <161> über die Oberfläche O_KK <163> direkt kontaktieren,
und

- in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> keine Mittelkammer K_M <13> umfasst, die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken den Innenraum I_KA <112> auf der Seite S_A/MK <162> über die Oberfläche O_A/MK <164> direkt kontaktieren,

- in den Fällen, in denen die Elektrolysezelle E <1> mindestens eine Mittelkammer K_M <13> umfasst, die von der Trennwand W <16> umfassten alkalikationenleitenden Festelektrolytkeramiken den Innenraum I_KM <132> auf der Seite S_A/MK <162> über die Oberfläche O_A/MK <164> direkt kontaktieren.

9. Elektrolysezelle E <1> nach Anspruch 8, welche keine Mittelkammer K_M <13> umfasst.

10. Elektrolysezelle E <1> nach Anspruch 8, welche mindestens eine Mittelkammer K_M <13> umfasst.

11. Elektrolysezelle E <1> nach Anspruch 10, wobei die Verbindung V_AM <15> innerhalb der Elektrolysezelle E <1> ausgebildet ist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Lösung L₁ <21> eines Alkalimetallalkoholats XOR im Alkohol ROH, wobei X ein Alkalimetallkation ist und R ein Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen ist,

(α) wobei in einer Elektrolysezelle E <1> nach Anspruch 9 die folgenden, gleichzeitig ablaufenden Schritte (α1), (α2), (α3) durchgeführt werden:

(α1) eine Lösung L₂ <22> umfassend den Alkohol ROH wird durch K_K <12> geleitet,

(α2) eine neutrale oder alkalische, wässrige Lösung L₃ <23> eines Salzes S umfassend X als Kation wird durch K_A <11> geleitet,

(α3) zwischen E_A <113> und E_K <123> wird Spannung angelegt,

oder

(β) wobei in einer Elektrolysezelle E <1> nach Anspruch 10 oder 11 die folgenden, gleichzeitig ablaufenden Schritte (β1), (β2), (β3) durchgeführt werden:

(β1) eine Lösung L₂ <22> umfassend den Alkohol ROH wird durch K_K <12> geleitet,

(β2) eine neutrale oder alkalische, wässrige Lösung L₃ <23> eines Salzes S umfassend X als Kation wird durch K_M <13>, dann über V_AM <15>, dann durch K_A <11> geleitet,

(β3) zwischen E_A <113> und E_K <123> wird Spannung angelegt,

wodurch am Ablauf A_KK <121> die Lösung L₁ <21> erhalten wird, wobei die Konzentration von XOR in L₁ <21> höher ist als in L₂ <22>,
und wodurch am Ablauf A_KA <111> eine wässrige Lösung L₄ <24> von S erhalten wird, wobei die Konzentration von S in L₄ <24> geringer ist als in L₃ <23>.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei X aus der Gruppe bestehend aus Li⁺, Na⁺, K⁺ ausgewählt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei S ein Halogenid, Sulfat, Sulfit, Nitrat, Hydrogencarbonat oder Carbonat von X ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei R aus der Gruppe bestehend aus Methyl, Ethyl ausgewählt ist.

Zeichnung