DE4438275A1

DE4438275A1 - Elektrolyse einer Salzlösung und dafür geeignete Elektrolysezelle

Info

Publication number: DE4438275A1
Application number: DE4438275A
Authority: DE
Inventors: Shuji Nakamatsu; Yoshinori Nishiki
Original assignee: Permelec Electrode Ltd
Current assignee: De Nora Permelec Ltd
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2014-10-27
Also published as: JPH07126880A; FR2711675B1; IT1274189B1; FR2711675A1; JP3400508B2; ITVA940030A1; US5565082A; DE4438275B4; ITVA940030A0

Description

Die Erfindung betrifft die Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung bzw. NaCl-Lösung) unter Verwendung einer Gaselektrode und eine dafür geeignete Elektrolysezelle; sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer wäßrigen Natriumhydroxidlösung durch Elektrolyse ei ner Salzlösung (Kochsalzlösung) unter Verwendung einer Gaselektrode mit einer hohen Stromausbeute und auf stabile Weise sowie eine Elektrolysezelle für die Verwendung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Mit der kürzlich erfolgten bemerkenswerten Entwicklung und Verbesserung von Ionenaustausch-Membranen vom Fluor-Typ hat die Elektrolyse von Natriumchlorid-Lösungen unter Ver wendung einer Ionenaustausch-Membran als Diaphragma eine weite Verbreitung gefunden. Diese Technik stellt eine Me thode zur Herstellung von Wasserstoffgas und Natriumhydro xid in einer Kathodenkammer und von Chlorgas in einer An odenkammer durch Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung) dar.

Um den Energieverbrauch zu verringern, wurde beispiels weise in JP-A-52-124496 (der Ausdruck "Jp-A" wird hier als Abkürzung für "ungeprüfte publizierte japanische Patentan meldung" verwendet), in JP-B-2-29757 (der Ausdruck "JP-B" wird hier verwendet für eine "geprüfte publizierte japani sche Patentanmeldung") und in JP-A 62-93388 die Verwendung einer Gaselektrode als eine Kathode zur Durchführung der Elektrolyse vorgeschlagen, wobei gleichzeitig Sauerstoff in eine Kathodenkammer eingeführt wird, um die Wasserstoffentwicklung zu unterdrücken und die Zellenspan nung stark herabzusetzen. Theoretisch kann die Zellenspan nung um 1,2 V oder mehr herabgesetzt werden durch Umwand lung einer kathodischen Reaktion ohne Zufuhr von Sauer stoff, wie durch die folgende Gleichung (1) dargestellt, in eine Reaktion mit Sauerstoffzufuhr, wie durch die fol gende Gleichung (2) dargesellt:

2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (E = -0.83 V vs. NHE) . . . (1)

H₂O + 1/2O₂ + 2e⁻ → 2OH⁻ (E = 0.40 V vs. NHE) . . . (2)

Im allgemeinen wird eine Gaselektrode in einer Kathoden kammer angeordnet, um die Kammer in eine Lösungskammer auf einer Seite der Ionenaustauschmembran und in eine Gaskam mer auf der gegenüberliegenden Seite zu unterteilen. Die Gaselektrode wird in der Regel hergestellt durch Formen einer Mischung aus einer hydrophoben Substanz wie Polyte trafluorethylen-Harz (nachstehend abgekürzt als PTFE be zeichnet) und einem Katalysator oder einem auf einem Trä ger angeordneten Katalysator und ihre hydrophoben Eigen schaften verhindern die Permeation (das Eindringen) der Flüssigkeit. Die Gaselektrode verliert jedoch allmählich ihre hydrophoben Eigenschaften, wenn sie einer hohen Tem peratur von etwa 90°C und einer wäßrigen Natriumhydroxid lösung in einer hohen Konzentration von etwa 32 Gew.-% während einer Langzeit-Elektrolyse ausgesetzt ist. Als Folge davon beginnt die Flüssigkeit der Lösungskammer in die Gaskammer einzudringen. Außerdem ist die Gaselektrode, da sie aus einem Gemisch hauptsächlich aus einem Kohlen stoffmaterial und einem Harz hergestellt ist, mechanisch spröde und neigt zum Reißen (Zerbrechen). Diese Nachteile haben die praktische Verwendung einer Gaselektrode für die Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung) verhindert.

Die Fig. 1 erläutert eine Elektrolysezelle, in der eine konventionelle Gaselektrode verwendet wird. Die Elektroly sezelle 1 ist durch eine Ionenaustauschmembran 2 in eine Anodenkammer 3 und eine Kathodenkammer 4 unterteilt. Eine poröse Anode 5 ist nahe bei der Ionenaustauschmembran 2 in der Anodenkammer 3 angeordnet. Die Anodenkammer 3 weist einen Einlaß 6 zur Einführung einer Salzlösung (einer ge sättigten wäßrigen Natriumchloridlösung) in ihrer unteren Seitenwand, einen Auslaß 7 zum Abziehen eines verdünnten Salzwassers in ihrer oberen Seitenwand und einen Auslaß 8 zum Abziehen von Chlorgas auf ihrer Oberseite auf.

Die Kathodenkammer 4 ist mit einer Gaselektrode 11 ausge stattet, die umfaßt ein Platten- bzw. Folien-Substrat 9 mit einer darauf geformten Elektrodensubstanz 10, beste hend aus einer Mischung aus einem Kohlenstoffmaterial und PTFE in der Weise, daß die Kathodenkammer 4 in eine Lö sungskammer 12 auf der Seite der Elektrodensubstanz 10 und in eine Gaskammer 13 auf der Seite des Substrats 9 unter teilt ist. Die Lösungskammer 12 weist einen Einlaß 14 zur Einführung einer verdünnten wäßrigen Natriumhydroxidlösung am Boden derselben und einen Auslaß 15 zum Abziehen einer gesättigten wäßrigen Natriumhydroxidlösung an ihrer Ober seite auf. Die Gaskammer 13 weist einen Einlaß 16 zum Ein führen eines Sauerstoff enthaltenden Gases in ihrer Sei tenwand und einen Auslaß 17 zum Austragen eines Sauerstoff enthaltenden Gases in ihrem Boden auf.

Die Elektrolyse, bei der eine Zelle dieses Typs verwendet wird, wird durchgeführt durch Einführen einer Salzlösung (Kochsalzlösung) durch den Einlaß 6 in die Anodenkammer 3, einer verdünnten wäßrigen Natriumhydroxidlösung durch den Einlaß 14 in die Lösungskammer 12 und eines Sauerstoff enthaltenden Gases, z. B. Luft, durch den Einlaß 16 in die Gaskammer 13. Dabei wird die Gaselektrode 11, die das Fo lien- bzw. Plattensubstrat 9 mit einer Schicht aus einer Elektrodensubstanz 10 darauf umfaßt, durch die hohe Tempe ratur der Elektrolyselösung und die konzentrierte wäßrige Natriumhydroxidlösung, die durch die Elektrolyse gebildet wird, beschädigt. Als Folge davon werden das Substrat 9 und die Elektrodensubstanz 10 beeinträchtigt (abgebaut) und halten einem Langzeitbetrieb nicht Stand.

Um das obengenannte Problem zu lösen, das mit diesem Typ einer Elektrolysezelle verbunden ist, wurde bereits vorge schlagen, eine Gaselektrode mit einer Ionenaustauschmem bran zu einer einheitlichen Struktur zu vereinigen (nachstehend als Zelle vom integralen Gaselektro den/Ionenaustauscherharz-Typ bezeichnet), ohne die Katho denkammer zu unterteilen, wie in JP-B-61-6155 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird, wie darin angegeben ist, durch eine Gaselektrode, die durch die Ionenaustauschmembran verstärkt ist, die mechanische Sprödigkeit überwunden. Hochkonzentriertes Natriumhydroxid, das jedoch auf der Oberfläche der Kathode, d. h. in der Nähe oder auf der Oberfläche der Ionenaustauschmembran gebildet wird, dringt in die Ionenaustauschmembran ein und tritt in die Anoden kammer ein. Dies führt nicht nur zu einer Herabsetzung der stromausbeute bei der Natriumhydroxid-Bildung, sondern bietet auch die Möglichkeit einer Beschädigung des die An odenkammer aufbauenden Elements, das in der Regel nicht Alkali-beständig ist. Andererseits muß das auf der Ober fläche der Ionenaustauschmembran gebildete Natriumhydroxid die Gaselektrode passieren, um seine Abtrennung (Rückgewinnung) zu ermöglichen. Es ist jedoch extrem schwierig, das Natriumhydroxid abzutrennen (zu gewinnen), während gleichzeitig ein Sauerstoff enthaltendes Gas in ausreichender Menge in die Gaskammer eingeführt wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren zur Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung) zu schaffen, bei dem eine Gaselektrode mit einer ausreichen den Festigkeit verwendet wird, die auf wirksame Weise ver hindert, daß das während der Elektrolyse gebildete Natri umhydroxid in eine Anodenkammer eindringt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung), bei dem eine Elektrolysezelle verwendet wird, die eine Ionenaus tauschmembran aufweist, welche die Zelle in eine Anoden kammer und eine Kathodenkammer unterteilt, die eine poröse Anode aufweist, die in der Anodenkammer angeordnet ist, und die eine Gaselektrode aufweist, die an einen in der Kathodenkammer angeordneten elektrisch leitenden porösen Körper gebunden ist, das die folgenden Stufen umfaßt:

Einführen einer Salzlösung (Kochsalzlösung) in die An odenkammer und eines Sauerstoff enthaltenden Gases in die Kathodenkammer und Elektrolysieren der Salzlösung (Kochsalzlösung) zur Bildung von Chlorgas in der Anoden kammer und einer wäßrigen Natriumhydroxidlösung in der Ka thodenkammer, wobei die Gaselektrode für Gas und Flüssig keit durchlässig ist und mit der Ionenaustauschmembran in Kontakt steht.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem eine Elektrolysezelle, die zur Durchführung des vorstehend be schriebenen Verfahrens verwendet werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erläuterndes Bei spiel einer konventionellen Elektrolysezelle, in der eine Gaselektrode verwendet wird; und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein erläuterndes Bei spiel der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle.

Erfindungsgemäß wird eine für Gas und Flüssigkeit durch lässige Gaselektrode anstelle einer konventionellen, für Gas und Flüssigkeit undurchlässigen Elektrode verwendet, um so die Nachteile der konventionellen Elektrolysezelle vom integralen Gaselektroden/Ionenaustauschmembran-Typ zu eliminieren. Die erfindungsgemäße Gaselektrode verhindert, daß eine konzentrierte wäßrige Natriumhydroxidlösung, die während der Elektrolyse gebildet wird, in der Nähe der Oberfläche zwischen einer Ionenaustauschmembran und einer Gaselektrode verbleibt und durch die Ionenaustauschmembran hindurch in eine Anodenkammer gelangt.

Im Gegensatz dazu gelangt bei einer konventionellen Zelle das während der Elektrolysezelle gebildete Natriumhydroxid im wesentlichen nicht durch eine Gaselektrode hindurch in eine Kathodenkammer, sondern es tritt statt dessen in eine Anodenkammer ein.

Andererseits erlaubt die erfindungsgemäß verwendete Gaselektrode, daß das während der Elektrolyse gebildete Natriumhydroxid in eine Kathodenkammer eindringt und dar aus leicht abgetrennt (gewonnen) werden kann. Als Folge davon wird eine hohe Stromausbeute bei der Natriumhydro xid-Bildung aufrechterhalten und das nicht Alkali-bestän dige Element der Anodenkammer ist gegenüber dem Alkali ge schützt.

Die erfindungsgemäß verwendete Gaselektrode ist somit für Gas und Flüssigkeit durchlässig und in dieser Hinsicht un terscheidet sie sich grundlegend von einer für Gas und Flüssigkeit undurchlässigen konventionellen Gaselektrode. Im einzelnen liegt der Druck, der für das Eindringen der Flüssigkeit in die für Gas und Flüssigkeit durchlässige Gaselektrode der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, unter 0,1 kgf/cm², der sehr viel niedriger ist als derje nige einer konventionellen für Gas und Flüssigkeit un durchlassigen Gaselektrode (etwa 1 kgf/cm² oder weniger).

Spezifische Beispiele für Gase, für welche die erfindungs gemäße Gaselektrode durchlässig ist, sind Luft, Sauer stoff, Wasserstoff, Kohlendioxid und dgl., und spezifische Beispiele für Flüssigkeiten, für welche die erfindungsge mäße Gaselektrode durchlässig ist, sind Wasser, Methanol, ein Elektrolyt mit darin gelöstem Salz und dgl.

Die erfindungsgemäße Gaselektrode kann nicht nach einem konventionellen Verfahren hergestellt werden, wie es all gemein für Gaselektroden angewendet wird; vielmehr ist ein spezifisch aufgebautes Verfahren erforderlich. Obgleich die erfindungsgemäß verwendete, für Gas und Flüssigkeit durchlässige Gaselektrode keineswegs auf die nachstehend beschriebenen Herstellungsverfahren beschränkt ist, kann sie beispielsweise hergestellt werden, indem man (i) eine oder beide Seiten eines elektrisch leitenden Materials, das feine Poren von etwa 1 bis etwa 100 µm hat, z. B. eines Kohlenstoff-Gewebes, einer Metallfaser oder eines Metall sintermaterials, mit einer Mischung aus einem Kohlenstoff pulver und einem wasserabstoßenden Material wie PTFE in einem Gewichtsverhältnis von Kohlenstoffpulver zu wasser abstoßendem Material von etwa 5,0 bis etwa 1,0 be schichtet, (ii) die Überzugsschicht calciniert zur Bildung einer Gasdiffusionsschicht und (iii) eine Katalysator schicht, beispielsweise aus Platin oder Silber, bildet durch Pyrolyse auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht auf der Seite, die mit einer Ionenaustauschmembran in Kon takt steht, oder durch Bildung einer einen Katalysator tragenden dünnen Schicht aus einem Kohlenstoffpulver und PTFE auf dieser Oberfläche.

Ein erfindungsgemäßer elektrisch leitender poröser Körper, welcher der Gaselektrode Elektrizität zuführt, wird herge stellt aus einem Alkali-beständigen Material, vorzugsweise einem Metall, wie rostfreiem Stahl oder Nickel. Als elek trisch leitender poröser Körper können auch Kohlenstoffma terialien verwendet werden. Der elektrisch leitende poröse Körper hat vorzugsweise die Form eines expandierten Git ters, eines gewebten Gitters, eines Stanzmetalls (Lochmetalls), einer Metallfaserbahn, eines Stoffes (Gewebes) und dgl. Geeignet sind auch gesinterte Metalle und geschäumte Metalle (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "Celmet", hergestellt von der Firma Sumitomo Electric Industries, Ltd.).

Die erfindungsgemäß verwendete Ionenaustauschmembran um faßt solche, die von der Firma E.I. Du Pont de Nemours and Company für die Elektrolyse einer Kochsalzlösung herge stellt werden, wie "Nafion 901", "Nafion 90209" und "Nafion 961". Bevorzugt ist auch eine Ionenaustauschmem bran FX-50, hergestellt von der Firma Asahi Glass Co., Ltd. für hochkonzentrierte Natronlauge wegen ihrer Bestän digkeit gegenüber Natriumhydroxid.

Die aus den obengenannten Elementen aufgebaute Elektroly sezelle kann entweder horizontal oder vertikal installiert werden. Im erstgenannten Fall wird die Zelle vorzugsweise unterhalb der Ionenaustauschmembran angeordnet, so daß das während der Elektrolyse gebildete Natriumhydroxid im we sentlichen nicht bei der Gaselektrode verbleibt.

Das der Kathodenkammer zugeführte, Sauerstoff enthaltende Gas (Sauerstoffgehalt etwa 20 bis 100 Vol.-%), z. B. Luft, an Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff, wird vorzugsweise bis auf einen Wassergehalt von etwa 10 bis etwa 90 Vol. -% angefeuchtet, bevor es in die Elektro lysezelle eingeführt wird. Der Wassergehalt in dem Gas wird vorzugsweise kontrolliert (gesteuert), indem man das Gas durch einen Wasserbehälter hindurchleitet, der bei ei ner Temperatur von etwa 30 bis etwa 100°C gehalten wird. Die Konzentration an Natriumhydroxid, das während der Elektrolyse gebildet wird, kann durch die Feuchtigkeit des Sauerstoff enthaltenden Gases kontrolliert (gesteuert) werden. Es ist auch bevorzugt, Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen, bevor sie in eine Elektrolysezelle eingelei tet wird.

Der Anodenkammer wird eine Salzlösung (Kochsalzlösung) zu geführt und eine verdünnte wäßrige Natriumhydroxidlösung und ein Sauerstoff enthaltendes Gas werden der Kathoden kammer zugeführt. Beim Anlegen einer Spannung wird Chlor gas aus der der Anodenkammer zugeführten Salzlösung gebil det, während in der Kathodenkammer Wasserstoffionen mit Sauerstoff reagieren unter Bildung von Wasser, um dadurch eine Wasserstoffentwicklung zu unterdrücken. Gleichzeitig wird an dem Katalysator der Gaselektrode, die eine Gas- Flüssigkeits-Durchlässigkeit aufweist, im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran Natriumhydroxid gebildet. Das so ge bildete Natriumhydroxid passiert die Gaselektrode, wandert zu der Kathodenkammer auf der gegenüberliegenden Seite und wird aus der Kathodenkammer leicht entfernt. Da die Gaselektrode kein integraler Teil der Ionenaustauschmem bran ist, sondern nur im Kontakt damit steht, wird kein Natriumhydroxid innerhalb der Ionenaustauschmembran gebil det. Als Folge davon wird ein Eindringen von Natriumhydro xid in die Anodenkammer mit Sicherheit verhindert.

Da die Gaselektrode im Kontakt mit der Ionenaustauschmem bran steht, wird sie durch die Ionenaustauschmembran in ähnlicher Weise verstärkt wie eine konventionelle Gaselek trode, die mit einer Ionenaustauschmembran eine Einheit bildet. Deshalb ist die erfindungsgemäße Gaselektrode auch bei ihrer Langzeitverwendung gegen mechanische Verschlech terung (Abbau) beständig, so daß die Elektrolyse kontinu ierlich und auf stabile Weise durchgeführt werden kann. Ferner wird durch die Verwendung eines Zwei-Kammer-Aufbaus gerade wie bei einer Zelle vom integralen Gaselektro den/Ionenaustauschmembran-Typ, durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle eine Vereinfachung des Aufbaus und der Rohrleitungen der Zelle selbst im Vergleich zu einer Drei- Kammer-Struktur erzielt.

Nachstehend wird ein erläuterndes Beispiel für die erfin dungsgemäße Zelle zur Durchführung einer Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung) unter Bezugnahme auf die bei liegende Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung wird nach der Pulverzufuhr ein Strom an die Zelle angelegt, die mit einer Anode und einer Kathode verbunden ist (⊕ und ⊖). Die an die Membran angelegte Stromdichte beträgt 10 bis 50 A/dm².

Die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Beispiel ei ner erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Die Elektrolyse zelle 21 umfaßt eine Anodenkammer 23 und eine Kathodenkam mer 24, die durch eine Ionenaustauschmembran 22 voneinan der getrennt sind. Eine poröse Anode 25 wird in die An odenkammer 23 in der Nähe der Ionenaustauschmembran 22 eingesetzt. Eine Anodenkammer 23 weist einen Einlaß 26 zur Einführung einer Salzlösung in den unteren Abschnitt des selben, einen Auslaß 27 zum Abziehen einer verdünnten Salzlösung in dem oberen Abschnitt derselben und einen Auslaß 28 zum Abziehen von Chlorgas an der Oberseite der selben auf.

Die Kathodenkammer 24 ist mit einer für Gas und Flüssig keit durchlässigen Gaselektrode 31 ausgestattet, die um faßt ein Substrat 29 (beispielsweise eine poröse Platte bzw. Folie) mit einer darauf geformten Elektrodensubstanz 30 aus einer Mischung aus einem Kohlenstoffmaterial und PTFE. Die Kathodenkammer 24 weist einen Einlaß 32 zur Ein führung eines Sauerstoff enthaltenden Gases und einer ver dünnten wäßrigen Natriumhydroxidlösung in ihrer Wandseite und einen Auslaß 33 zum Abziehen eines Sauerstoff enthal tenden Gases und einer gesättigten wäßrigen Natriumhydro xidlösung im Boden derselben auf.

Die Elektrolyse wird durchgeführt, indem man eine Salzlö sung (Kochsalzlösung) durch einen Einlaß 26 in die Anoden kammer 23 einführt und eine verdünnte wäßrige Natriumhy droxidlösung und ein Sauerstoff enthaltendes Gas durch den Einlaß 32 in die Kathodenkammer 24 einführt. Ein Strom fließt von der Anode zu der Kathode. Das auf der Oberflä che der Elektrodensubstanz 30 so gebildete Natriumhydroxid passiert die Gaselektrode 31 und gelangt in die Kathoden kammer 24, im wesentlichen ohne daß es die Ionenaus tauschmembran 22 passiert und in die Anodenkammer 23 ge langt. Als Folge davon kann die Elektrolyse ohne Verluste an dem so gebildeten Natriumhydroxid durchgeführt werden, wobei Natriumhydroxid mit einem hohen Wirkungsgrad (in ei ner hohen Ausbeute) erhalten wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Bei spiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Beispiel 1

Eine kreisförmige Elektrolysezelle mit dem in Fig. 2 dar gestellten Aufbau (wirksame Fläche 1 dm²) wurde zusammen gebaut unter Verwendung der folgenden Elemente in der Rei henfolge elektrisch leitender poröser Körper für die Ka thode/Gaselektrode (Kathode)/Ionenaustauschmembran/Anode mit der Katalysatorschicht der Gaselektrode im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran.

Anode

Es wurde eine Überzugsschicht, enthaltend Rutheniumoxid und Titanoxid (Rutheniumgehalt 8 g/m² und Titangehalt 8 g/m²) gebildet durch Pyrolyse auf einem expandierten Titangitter mit ein in längeren Durchmesser von 8mm, einem kürzeren Durchmesser von 3,6 mm und einer Dicke von 1,2 mm.

Kathode

Ein Kohlenstoffgewebe PWB-3, hergestellt von der Firma Zoltek Co., wurde als Substrat mit einem Gemisch von Koh lenstoffpulver XC-72, hergestellt von der Firma Cabot G.L. Inc., und einer Teflon-Suspension 30J (Gewichtsverhältnis 2 : 1), hergestellt von der Firma Du Pont-Mitsui Fluoroche micals Co., Ltd., beschichtet und heiß gepreßt. Eine Al kylalkohollösung (spezielle Sorte, hergestellt von der Firma Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) von Chloropla tin(IV)säure (Konzentration: 100 g/l) wurde auf eine Seite des Substrats aufgebracht und bei 300°C pyrolysiert zur Bildung einer Katalysatorschicht.

Elektrisch leitender poröser Körper für die Kathode

Nickel-Celmit, hergestellt von der Firma Sumitomo Electric Industries, Ltd.

Ionenaustauschmembran

Nafion 901, hergestellt von der Firma E.I. du Pont de Ne mours & Co.

Angefeuchtetes Sauerstoffgas von 80°C wurde der Kathoden kammer zugeführt. Der Anodenkammer wurde eine gesättigte wäßrige Natriumhydroxidlösung, die durch Chelatbildung gereinigt worden war, zugeführt. Die Elektrolyse wurde bei 80°C und 30 A/dm² durchgeführt. Die Zellenspannung betrug 2,30 V. Eine 25 gew.-%ige wäßrige Natriumhydroxidlösung wurde aus der Kathodenkammer in einer Stromausbeute von 93 % erhalten. Die Elektrolyse wurde 50 Tage lang fortgesetzt und es wurde keine Beeinträchtigung (Verschlechterung) der Leistung beobachtet.

Vergleichsbeispiel 1

Die Elektrolyse wurde auf die gleiche Weise wie in Bei spiel 1 durchgeführt, jedoch mit der Ausnahme, daß eine handelsübliche, für Gas und Flüssigkeit undurchlassige Gaselektrode, hergestellt von der Firma Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K., verwendet wurde. Die Gaselektrode wurde so an geordnet, daß sie die Kathodenkammer in eine Lösungskammer und in eine Gaskammer unterteilte, wie in Fig. 1 darge stellt, wobei die anderen Elemente die gleichen waren wie diejenigen, die in Beispiel 1 verwendet wurden. Die Zel lenspannung betrug 2,30 V am Beginn der Elektrolyse, sie begann jedoch ab dem 10. Tag zu steigen. Am 30. Tag über stieg die Zellenspannung 3,0 V, so daß die Elektrolyse beendet wurde. Ab etwa dem 10. Tag wurde Natriumhydroxid als Abfallflüssigkeit nachgewiesen, die aus der Gaskammer der Kathodenkammer abgezogen wurde. Die Zelle wurde zer legt und in der Gaselektrode wurden Risse gefunden, die anzeigten, daß Natriumhydroxid aus der Lösungskammer aus getreten war.

Da die erfindungsgemäß verwendete Gaselektrode sowohl für Gas als auch für Flüssigkeit durchlässig ist, passiert das auf dem Katalysator der Gaselektrode im Kontakt mit einer Ionenaustauschmembran gebildete Natriumhydroxid die Gaselektrode, tritt in die Kathodenkammer auf der gegen überliegenden Seite der Gaselektrode ein und kann aus der Kathodenkammer leicht entnommen werden. Da die Gaselek trode mit der Ionenaustauschmembran nur in Kontakt steht und nicht damit eine Einheit bildet, wird kein Natriumhy droxid innerhalb der Ionenaustauschmembran gebildet. Diese Anordnung verhindert das Eindringen von Natriumhydroxid in die Anodenkammer.

Da die Gaselektrode durch Kontakt mit der Ionenaus tauschmembran verstärkt ist, wird sie auch bei ihrer Lang zeitverwendung nur wenig mechanisch beeinträchtigt (verschlechtert). Als Folge davon kann die Elektrolyse kontinuierlich über einen längeren Zeitraum hinweg und in einer stabilen Weise durchgeführt werden. Außerdem kann durch Verwendung eines Zwei-Kammer-Aufbaus ebenso wie im Falle der Zelle vom integralen Gaselektro den/ Ionenaustauschmembran-Typ durch die erfindungsgemäße Elektrolysezelle eine Vereinfachung des Aufbaus und der Rohrleitungen der Zelle selbst erzielt werden, verglichen mit einem Drei-Kammer-Aufbau.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend anhand spezifischer bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert, es ist je doch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf nicht beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hin sicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Verfahren zum Elektrolysieren einer Salzlösung (Kochsalzlösung) unter Verwendung einer Elektrolysezelle, die umfaßt eine Ionenaustauschmembran, welche die Zelle in eine Anodenkammer und in eine Kathodenkammer unterteilt, eine poröse Anode, die in der Anodenkammer angeordnet ist, und eine Gaselektrode, die an einen elektrisch leitenden porösen Körper gebunden ist, der in der Kathodenkammer an geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Einführen der Salzlösung (Kochsalzlösung) in die An odenkammer und eines Sauerstoff enthaltenden Gases in die Kathodenkammer und Elektrolysieren der Salzlösung (Koch salzlösung) zur Gewinnung von Chlorgas aus der An odenkammer und einer wäßrigen Natriumhydroxidlösung aus der Kathodenkammer,
wobei die genannte Gaselektrode für Gas und Flüssigkeit durchlässig ist und mit der genannten Ionenaustauschmem bran in Kontakt steht.

2. Elektrolysezelle für die Durchführung der Elektrolyse einer Salzlösung (Kochsalzlösung), gekennzeichnet durch eine Ionenaustauschmembran (22), welche die Zelle (21) in eine Anodenkammer (23) und in eine Kathodenkammer (24) un terteilt, eine poröse Anode (25), die in der genannten An odenkammer (23) angeordnet ist, und eine für Gas und Flüs sigkeit durchlässige Gaselektrode (31), die an einen elek trisch leitenden porösen Körper gebunden ist, der in der genannten Kathodenkammer (24) angeordnet ist und im Kon takt steht mit der genannten Ionenaustauschmembran (22), wobei die genannte Anodenkammer (23) einen Einlaß (26) für die Einführung der Salzlösung (Kochsalzlösung) und die ge nannte Kathodenkammer (24) einen Einlaß (32) für die Ein führung eines Sauerstoff enthaltenden Gases aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sauerstoff enthaltenden Gas um ein feuchtes (angefeuchtetes) Gas handelt.

4. Elektrolysezelle nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die genannte Gaselektrode (31) hergestellt worden ist durch

i) Beschichten einer oder beider Seiten eines elektrisch leitenden Materials, das Poren aufweist, mit einem Gemisch aus Kohlenstoffpulver und einem wasserabstoßenden Mate rial;
ii) Calcinieren der Überzugsschicht zur Bildung einer Gasdiffusionsschicht; und
iii) Bildung einer Katalysatorschicht durch Pyrolysieren der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht oder durch Bildung einer einen Katalysator tragenden Schicht aus Kohlenstoff pulver und PTFE auf der Seite der Gaselektrode im Kontakt mit der Ionenaustauschmembran.