Elektrolyseapparat mit horizontal angeordneten Elektroden

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Elektrolyseapparat zum Herstellen von Chlor aus wässrigen Alkalihalogenidlösungen, der mindestens eine Elektrolysezellp aufweist, deren Anode und Gasdiffusionskathode horizontal und durch eine Trennwand voneinander getrennt in einem Gehäuse aus zwei Halbschalen angeordnet und über ihre Ränder mit den Halbschalen mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Gehäuse mit Einrichtungen zum Zuführen der Elektrolyseausgangsstoffe und zum Abführen der Elektrolyseprodukte versehen ist.

[0002] Beim Betreiben von Elektrolysezellen mit vertikal angeordneten Gasdiffusionskathoden besteht die Gefahr, dass die Sauerstoff verzehrenden Kathoden bedingt durch den hydrostatischen Druck der Lauge, am unteren Ende elektrolytdurchlässig und am oberen Ende gasdurchlässig werden. Dieser Effekt macht sich umso mehr bemerkbar, je grösser die Bauhöhe einer Zelle ist. Eine weitere Schwierigkeit beim Betreiben von Elektrolysezellen mit Gasdiffusionskathoden besteht in der Stromzuführung zur sauerstoffverzehrenden Kathode. Da die Elektrode zur Vermeidung des «Ertrinkens» mit einem Kunststoff, z.B. Polytetrafluorethylen, hydrophobiert sein muss, ist es nicht möglich, solche Kathoden in den Kathodenraum einzuschweissen. Das Hydrophobierungsmittel würde unter diesen Bedingungen abbrennen. Dabei entstünden Leckstellen in der Kathode, so dass diese elekrolyt- und gasdurchlässig würde. Gerade die Dichtigkeit der Gasdiffusionskathode ist jedoch eine entscheidende Voraussetzung für das Betreiben von Elektrolyseuren mit solchen Elektroden. In der Praxis bedeutet dies, dass die Kontaktierung der Gasdiffusionskathoden durch Anpressen an eine Stromzuführung erfolgen muss. Hierbei treten insbesondere bei flächenförmiger Stromversorgung hohe Übergangswiderstände auf. Die Folge davon ist, dass es praktisch unmöglich ist, grosse Elektrolysezellen von 1M2 aktiver Fläche und mehr mit Gasdiffusionskathoden zu betreiben.

[0003] Es bestand daher die Aufgabe, eine Elektrolysezelle zu entwickeln, die es erlaubt, bei grosser Elektrodenfläche eine flächenförmige Stromzuführung und damit eine bipolare Schaltungsweise des Elektrolyseurs zu gewährleisten, wobei die einzelnen Elektrolysezellen aus möglichst wenig, einfachen und preiswerten Bauteilen bestehen und die Gasdiffusionskathode optimal mit Elektolyt und Sauerstoff versorgt werden kann, und weder Elektrolyt noch Gas durch die Kathode hindurch treten.

[0004] Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass die Gasdiffusionskathode flüssigkeitsdicht mit ihrer Halbschale verbunden ist und auf einer Stromzuführ- und -verteileinrichtung aufliegt, die zwischen Halbschale und Kathode angeordnet ist, die Trennwand zwischen einer zwischen den Rändern der Halbschalen umlaufenden Dichtung und einem dazu parallel angeordneten Rahmen eingeklemmt ist und sich kathodenseitig auf einem Abstandhalter abstützt, der auf der Kathode aufliegt und durch den Rahmen gehalten wird und der Rahmen einen Zu- und Ablauf für den Katholyten aufweist.

[0005] Als Anodenmaterial eignet sich Titan, das mit einem Oxid oder Mischoxid der Metalle der VIII. Gruppe des Periodensystems aktiviert ist. Die Diffusionskathode kann aus einem Stromkollektor aus Nickelgewebe bestehen, welches mit einem porösen, kolloidalen Silberkatalysator, der auf Polytetrafluorethylen abgeschieden ist, beschichtet ist, und auf der Laugeseite eine hydrophile Schicht besitzt.

[0006] Der Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung ist darin zu sehen, dass ein extrem dünner Laugefilm im Kathodenraum ausreicht. Daraus ergibt sich ein niedriger hydrostatischer Laugedruck, bei dem nur eine sehr geringe, meist vernachlässigbare Laugemenge durch die Kathode hindurchtritt. Da also keine Lauge aus dem Gasraum ausgetrieben werden muss, kann die Zelle mit der stöchiometrischen Sauerstoffmenge betrieben werden. Des weiteren genügt wegen des geringen Laugedruckes auch ein niedriger Gasdruck, um die Dreiphasengrenzfläche Gas-Elektrolyt- und Katalysator innerhalb der Kathode einzustellen. Auf der Anodenseite wird durch die rasche Entmischung von Chlor und Anolyt der Chlorblaseneffekt stark reduziert. Bei horizontaler Anordnung wird mit Hilfe des Abstandshalters (Spacer) auch im Gegensatz zur vertikalen Anordnung der Elektroden vermieden, dass sich die relativ flexiblen Gasdiffusionskathoden verbiegen und sich an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Elektrodenabstände (beispielsweise durch Ausbeulen der Kathode aufgrund des Laugedrucks) einstellen, was zu einer ungleichmässigen Stromverteilung führen wird.

[0007] Die Erfindung soll nun anhand der Figur näher erläutert werden. Sie zeigt einen Elektrolyseapparat bestehend aus drei Elektrolysezellen mit Gasdiffusionskathoden 11, die völlig unabhängig voneinander sind und über Kontaktpunkte oder Kontaktstreifen 20 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Servicefreundlichkeit der Konstruktion bei Schadstellen an einer Zelle. Durch Lockerung des Anpressdruckes kann die schadhafte Zelle aus dem Zellenverband entfernt werden und anschliessend kann sofort nach Wiedereinstellung des Anpressdruckes die Elektrolyse mit den verbleibenden Zellen wieder aufgenommen werden.

[0008] Die Halbschalen 1 und 8, deren Ränder als Flansche 2 und 9 ausgebildet sind, tragen die Anode 3 und die Gasdiffunsionskathode 11. Die Anodenschale 1 kann aus Titanmetall oder einer Titanlegierung bestehen. Die Anode 3, die ebenfalls aus Titan bestehen kann, das mit einem Edelmetalloxid aktiviert ist, ist über einen Anodenstromleiter 4, der beispielsweise in Form eines Titanwellbandes ausgebildet sein kann, mit der Anodenhalbschale 1 elektrisch leitend verbunden. Über eine Zuleitung 5 wird der Anodenraum 6 mit Elektrolyt, beispielsweise gesättigter Natriumchloridlösung, versorgt. Die Abführung des gebildeten Chlors und der abgereicherten Sole erfolgt über das Rohr 7. Für die Kathodenhalbschale 8 kann Normalstahl, Edelstahl oder Nickel aber auch Titanmetall verwendet werden; letzteres insbesondere deshalb, weil in der Elektrolysezelle kein Wasserstoff produziert wird und somit die H₂-Versprödung des Titans nicht einsetzen kann. In der Kathodenhalbschale 8 befindet sich der Kathodenstromleiter 10 als Stromzuführ-und -verteileinrichtung, der in Form eines Wellbandes ausgestaltet sein kann und aus dem gleichen Material wie die Kathodenhalbschale besteht. Der Kathodenstromleiter 10 trägt die Gasdiffusionskathode 11 und verbindet diese elektrisch leitend mit der Kathodenhalbschale 8. Die Gasdiffusionskathode 11 besteht bevorzugt aus einem Elektrokatalysator auf Metallbasis, wie er beispielsweise in der EP-A-141 142 beschrieben ist, da eine solche Elektrode auch in einfacher Weise mit dem Kathodenstromleiter verschweisst oder verlötet werden kann. Die Gasdiffusionskathode wird am äusseren Rand mit der Kathodenhalbschale 8 ebenfalls durch Löten, Schweissen oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber verbunden und gleichzeitig abgedichtet, so dass unterhalb der Kathode der Gasraum 12 gebildet wird. In diesen wird über eine Zuleitung 13 ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise elementarer Sauerstoff, Luft oder an Sauerstoff angereicherte Luft eingespeist. Die Entsorgung überschüssigen Sauerstoffs oder an Sauerstoff verarmter Luft erfolgt über das Rohr 14. Über dieses Rohr 14 kann auch eventuell anfallendes Kondensat abgeführt werden.

[0009] Auf dem Flansch 9 der Kathodenhalbschale 8 liegt ein umlaufender Rahmen 17 aus einem laugenbeständigen Material, der mit Zufuhrleitung 18 für Dünnlauge und Abführleitung 19 für die Starklauge versehen ist. Bevorzugtes Material ist Polytetrafluorethylen, da dadurch auch die Abdichtung gegenüber der Kathodenhalbschale gewährleistet ist. Durch den Rahmen 17, die Trennwand 15 und die Kathode 11 wird der Laugenraum definiert. In diesem befindet sich zweckmässigerweise ein Abstandshalter 21 aus einem laugenbeständigen Kunststoff, der einen konstanten Abstand zwischen Gasdiffusionskathode 11 und Trennwand 15, beispielsweise einer Kationenaustauschermembran, einstellt. Gegenüber der Anodenschale 1 ist die Trennwand 15 mittels einer Dichtung 16 abgedichtet. Die Halbschalen können mittels in Büchsen aus elektrisch isolierendem Material geführten Schrauben an den Flanschen miteinander verbunden werden (nicht gezeigt). Dies macht die Zelle besonders service- und wartungsfreundlich. Es ist aber auch möglich, die Einzelteile der Zelle übereinander zu stapeln und nach Art einer Filterpresse zusammenzudrücken. Um einen besseren Stromübergang von Zelle zu Zelle zu ermöglichen, können die Aussenseiten beider Halbschalenwände oder auch nur eine Halbschalenwand mit Kontaktpunkten oder Kontaktstreifen 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material versehen sein. Über Zuganker oder andere Pressvorrichtungen werden schliesslich die zu einem Elektrolyseapparat zusammengestellten Zellen zusammengepresst (nicht dargestellt). Die Stromzuführungen sind mit Plus und Minus gekennzeichnet. Die Anode 3 kann auf der Trennwand 15 aufliegen.

[0010] Eine Elektrolysezelle gemäss obiger Beschreibung wurde mit einer Gasdiffusionskathode auf Basis kolloidalen Silbers und einer Titananode so in Betrieb genommen, dass die Titananode über der Gasdiffusionskathode zu liegen kam. Die aktive, mit elementarem Sauerstoff bespülte Kathodenoberfläche betrug 0,2 m². Die Zelle war mit einer Kationenaustauschermembran des Typs Nafion° 90 209 ausgerüstet. Bei einer Stromdichte von 3 ka/m² arbeitet die Elektrolysezelle mit einer Zellspannung von 2,17 V, wobei 1550 kwh/t NaOH an elektrischer Energie verbraucht werden. Die Zelle wird bei 90°C mit der stöchiometrischen Menge an Sauerstoff betrieben; es wird 33 Gew.-%ige Natronlauge produziert.

Ansprüche

1. Elektrolyseapparat zur Herstellung von Chlor aus wässriger Alkalichloridlösung, der mindestens eine Elektrolysezelle aufweist, deren Anode und Gasdiffusionskathode horizontal und durch eine Trennwand voneinander getrennt in einem Gehäuse aus zwei Halbschalen angeordnet und über ihre Ränder mit den Halbschalen mechanisch und elektrisch leitend verbunden sind, wobei das Gehäuse mit Einrichtungen zum Zuführen der Elektrolyseausgangsstoffe und zum Abführen der Elektrolyseprodukte versehen ist, wobei die Kathode (11) flüssigkeitsdicht mit ihrer Halbschale (8) verbunden ist und auf einer Stromzuführ- und -verteileinrichtung (10) aufliegt, die zwischen Halbschale (8) und Kathode (11) angeordnet ist, die Trennwand (15) zwischen einer zwischen den Rändern der Halbschalen (1,8) umlaufenden Dichtung (16) und einem dazu parallel angeordneten Rahmen (17) eingeklemmt ist und sich kathodenseitig auf einem Abstandshalter (21) abstützt, der auf der Kathode (11) aufliegt und durch den Rahmen (17) gehalten wird und der Rahmen (17) einen Zu- und Ablauf (18, 19) für den Katholyten aufweist.

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

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

Claims

1. Electrolysis apparatus for the preparation of chlorine from aqueous alkali chloride solution which comprises at least one electrolytic cell whose anode and gas diffusion cathode are disposed horizontally and separatet from each other by a partition in a housing consisting of two half shells and are connected by means of their edges mechanically and in an electrically conducting manner to the half shells, the housing being provided with devices for feeding in the electrolytic starting materials and for removing the products of electrolysis, wherein the cathode (11) is connected in a liquid-tight manner to its half shell (8) and is supported by a current supply and distribution device (10) which is disposed between half shell (8) and cathode (11), the partition (15) is clamped between a circumferential seal (16) between the edges of the half shells (1, 8) and a frame (17) disposed parallel thereto and rests on the cathode side on a spacer (21 which is supported on the cathode (11) and is held by the frame (17) and the frame (17) contains an inlet and outlet (18, 19) for the catholyte.

2. Electrolysis apparatus as claimed in claim 1, wherein a titanium anode, which is activated with an oxide or mixed oxide of the metals of group VI of the periodic system is used as anode (3).

3. Electrolysis apparatus as claimed in claim 1, wherein the gas diffusion cathode (11) consists of a current collector of nickel mesh which is coated with a porous, colloidal silver catalyst, which is deposited on polytetrafluoroethylene, and has a hydrophilic covering coating on the lye side.

Revendications

1. Appareil d'électrolyse pour la production de chlore à partir d'une solution aqueuse de chlorure alcalin, qui comprend au moins une cellule d'électrolyse dont l'anode et la cathode à diffusion gazeuse sont disposées horizontalement, séparées l'une de l'autre par une paroi séparatrice, dans un boîtier formé de deux demi-coquilles, et sont reliées mécaniquement et électriquement aux demi-coquilles par leurs bords, le boîtier étant muni de dispositifs servant à acheminer les matières de départ de l'électrolyse et à évacuer les produits de l'électrolyse, la cathode (11) étant relisée à sa demi-coquille (8) par une liaison étanche aux liquides et reposant sur un dispositif d'amenée et de distribution du courant (10) qui est disposé entre la demi-coquille (8) et la cathode (11 ), la paroi séparatrice (15) étant serrée entre une garniture d'étanchéité périphérique (16) qui s'étend entre les bords des demi-coquilles (1, 8) et un cadre (17) disposé parallèlement à cette garniture, et s'appuyant, côté cathode, sur une entretoise (21) qui repose sur la cathode (11) et est retenue par le cadre (17), et le cadre (17) présente une arrivée et un départ (18, 19) pour le catholyte.

2. Appareil d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise, comme anode (3) une anode de titane qui est activée au moyen d'un oxyde ou d'un mélange d'oxydes des métaux du groupe VIII de la classification périodique.

3. Appareil d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode à diffusion gazeuse (11) est constituée par un collecteur de courant en toile de nickel qui est enduite d'un catalyseur poreux à l'argent colloïdal, précipité sur du polytétrafluor- éthylène, et présente une couche de recouvrement hydrophile sur le côté exposé à la lessive.

Zeichnung