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DE10138214A1 - Elektrolysezelle und Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor - Google Patents

Elektrolysezelle und Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor

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Publication number
DE10138214A1
DE10138214A1 DE10138214A DE10138214A DE10138214A1 DE 10138214 A1 DE10138214 A1 DE 10138214A1 DE 10138214 A DE10138214 A DE 10138214A DE 10138214 A DE10138214 A DE 10138214A DE 10138214 A1 DE10138214 A1 DE 10138214A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
anode
current collector
gas diffusion
cathode
cation exchange
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10138214A
Other languages
English (en)
Inventor
Fritz Gestermann
Hans-Dieter Pinter
Andreas Bulan
Walter Klesper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Covestro Deutschland AG
Original Assignee
Bayer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer AG filed Critical Bayer AG
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Priority to PT02794511T priority patent/PT1417356E/pt
Priority to DE50202014T priority patent/DE50202014D1/de
Priority to BR0211694-4A priority patent/BR0211694A/pt
Priority to EP02794511A priority patent/EP1417356B1/de
Priority to JP2003519545A priority patent/JP2004538365A/ja
Priority to PCT/EP2002/008132 priority patent/WO2003014419A2/de
Priority to KR10-2004-7001702A priority patent/KR20040030924A/ko
Priority to HU0401578A priority patent/HUP0401578A3/hu
Priority to ES02794511T priority patent/ES2236610T3/es
Priority to CNA028197666A priority patent/CN1564878A/zh
Priority to CA002456048A priority patent/CA2456048A1/en
Priority to AT02794511T priority patent/ATE286995T1/de
Priority to US10/214,480 priority patent/US6841047B2/en
Publication of DE10138214A1 publication Critical patent/DE10138214A1/de
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
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    • C25B1/01—Products
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle, enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen, wobei die Anode, die Kationenaustauschermembran, die Gasdiffusionselektrode und der Stromkollektor elastisch zusammengehalten werden und der Abstand zwischen den einzelnen Komponenten Anode Kationenaustauschermembran, Gasdiffusionselektrode und Stromkollektor dadurch auf Null gehalten wird. Der elastische Zusammenhalt wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen und/oder die Anode elastisch am Anodenrahmen befestigt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff oder wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids in einer solchen Elektrolysezelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrolysezelle und ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff.
  • Wässrige Lösungen von Chlorwasserstoff, nachfolgend Salzsäure genannt, fallen als Nebenprodukt bei vielen Prozessen an, insbesondere bei solchen, bei denen organische Kohlenwasserstoff-Verbindungen mit Chlor oxidierend chloriert werden. Wirtschaftlich interessant ist die Wiedergewinnung von Chlor aus diesen Salzsäuren, das dann beispielsweise für weitere Chlorierungen eingesetzt werden kann. Die Wiedergewinnung von Chlor kann beispielsweise elektrolytisch an einer Gasdiffusionselektrode erfolgen, die sich im Kathodenraum einer Elektrolysezelle befindet, wobei während der Elektrolyse an dieser Gasdiffusionselektrode zugeführter Sauerstoff umgesetzt wird. Entsprechende Gasdiffusionselektroden werden als Sauerstoffverzehrkathoden (SVK) bezeichnet.
  • Aus US-A-5,770,035 ist die Elektrolyse von Salzsäure zu Chlor in einer Elektrolysezelle bekannt. Ein Anodenraum, mit einer geeigneten Anode, z. B. einer edelmetallbeschichteten bzw. -dotierten Titanelektrode, wird mit der wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff gefüllt. Das an der Anode gebildete Chlor entweicht aus dem Anodenraum und wird einer geeigneten Aufbereitung zugeführt. Der Anodenraum ist von einem Kathodenraum durch eine handelsübliche Kationenaustauschermembran getrennt. Auf der Kathodenseite liegt eine Gasdiffusionselektrode auf der Kationenaustauschermembran auf. Hinter der Gasdiffusionselektrode befindet sich ein Stromverteiler. In den Kathodenraum wird üblicherweise ein Sauerstoffhaltiges Gas oder reiner Sauerstoff eingeleitet.
  • Der Anodenraum muss auf einem höheren Druck gehalten werden als der Kathodenraum. Dadurch wird die Kationenaustauschermembran auf die Gasdiffusionselektrode und diese wiederum auf den Stromverteiler gedrückt. Die Einstellung des Drucks kann z. B. durch eine Flüssigkeitstauchung erfolgen, durch die das in der Anodenkammer gebildete Chlorgas geleitet wird.
  • Das aus US-A-5,770,035 bekannte Zelldesign hat jedoch den Nachteil, dass der Druck im Kathodenraum, d. h. der Sauerstoffdruck, nur dann erhöht werden kann, wenn gleichzeitig der Druck im Anodenraum erhöht wird, da ansonsten die Gasdiffusionselektrode vom Stromkollektor weggedrückt wird und nicht mehr auf diesem aufliegt. Eine gleichzeitige Erhöhung des Druckes im Anodenraum ist technisch nur durch entsprechende aufwendige bauliche Veränderungen am Elektrolyseur sicherzustellen. Eine einseitige Erhöhung des Drucks im Anodenraum kann bei dem bekannten Zelldesign dazu führen, dass sich der Spalt zwischen Anode und Kationenaustauschermembran vergrößert, was zu einer unerwünschten Erhöhung der Betriebsspannung führt, was wiederum einen erhöhten Energieverbrauch bedingt.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Elektrolysezelle zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff, bei der selbst dann, wenn zwischen Anodenraum und Kathodenraum eine Druckdifferenz besteht, gewährleistet ist, dass Anode, Kationenaustauschermembran, Gasdiffusionselektrode und Stromkollektor unmittelbar aufeinander aufliegen. Insbesondere soll die Elektrolysezelle den Betrieb mit einer möglichst geringen Betriebsspannung ermöglichen.
  • Es wurde nun gefunden, dass diese Aufgabe von einer Elektrolysezelle gelöst wird, in der die Anode, die Kationenaustauschermembran, die Gasdiffusionselektrode und der Stromkollektor elastisch zusammengehalten werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher eine Elektrolysezelle, enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen, wobei die Anode, die Kationenaustauschermembran, die Gasdiffusionselektrode und der Stromkollektor elastisch zusammengehalten werden, so dass die Anode unmittelbar auf der Kationenaustauschermembran, diese unmittelbar auf der Gasdiffusionselektrode und diese wiederum unmittelbar auf dem Stromkollektor aufliegt.
  • Die erfindungsgemäße Zellkonstruktion stellt sicher, dass die Anode unmittelbar auf der Kationenaustauschermembran, diese unmittelbar auf der Gasdiffusionselektrode und diese wiederum unmittelbar auf dem Stromkollektor aufliegt, d. h. dass der Spalt zwischen den genannten Komponenten auf Null gehalten wird. Dies ist auch dann zuverlässig der Fall, wenn die Elektrolysezelle so betrieben wird, dass im Anodenraum und im Kathodenraum unterschiedliche Drücke eingestellt werden.
  • Die Elektrolysezelle kann beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle der elastisch befestigte Stromkollektor auf die Gasdiffusionselektrode, diese auf die Kationenaustauschermembran und diese auf die Anode drückt.
  • Es ist aber auch denkbar, dass die Anode der Elektrolysezelle elastisch am Anodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle die elastisch befestigte Anode auf die Kationenaustauschermembran, diese auf die Gasdiffusionselektrode und diese auf den Stromkollektor drückt.
  • In einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle ist sowohl die Anode elastisch am Anodenrahmen, als auch der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen befestigt und so angeordnet, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle die elastisch befestigte Anode auf die Kationenaustauschermembran und der elastisch befestigte Stromkollektor aus entgegengesetzter Richtung auf die Gasdiffusionselektrode drücken, so dass Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode aufeinander gedrückt werden.
  • Die elastische Befestigung von Anode und/oder Stromkollektor kann beispielsweise mittels Federn oder anderer elektrisch leitender, elastischer Verbindungen wie z. B. Kohlenstofffilzen oder Metallschwämmen erfolgen. Bevorzugt erfolgt die elastische Befestigung mittels metallischer Federn.
  • Es ist darauf zu achten, dass die Befestigungsmittel aus Werkstoffen bestehen, die unter den Reaktionsbedingungen stabil sind. Für die Befestigungsmittel der Anode kommt als geeigneter Werkstoff beispielsweise aktiviertes Titan in Betracht. Für die Befestigungsmittel des Stromkollektors beispielsweise Titan oder aktiviertes Titan.
  • Auch der Anodenrahmen und der Kathodenrahmen bestehen aus beständigen Werkstoffen, wie z. B. edelmetallbeschichtetem oder dotiertem Titan bzw. Titanlegierungen.
  • Die Wahl der Gasdiffusionselektrode ist nicht kritisch. Es können die bekannten und zum Teil kommerziell verfügbaren Sauerstoffverzehrkathoden eingesetzt werden. Vorzugsweise werden jedoch Gasdiffusionselektroden eingesetzt, die einen Katalysator der Platingruppe, vorzugsweise Platin oder Rhodium enthalten. Beispielhaft seien Gasdiffusionselektroden der Firma E-TEK (USA) genannt, die 30 Gew.-% Platin auf Aktivkohle mit einer Edelmetallbeschichtung der Elektrode von 1,2 mg Pt/cm2 aufweisen.
  • Als Kationenaustauschermembran eignen sich beispielsweise solche aus Perfluorethylen, die als aktive Zentren Sulfonsäuregruppen enthalten. Beispielsweise können handelsübliche Membranen der Firma DuPont eingesetzt werden, etwa die Membran Nation® 324. Es sind sowohl Einschichten-Membranen, die beidseitig Sulfonsäuregruppen mit gleichen Äquivalentgewichten haben, als auch Membranen, die auf beiden Seiten Sulfonsäuregruppen mit unterschiedlichen Äquivalentgewichten haben, geeignet. Ebenfalls sind Membranen mit Carboxylgruppen auf der Kathodenseite denkbar.
  • Geeignete Anoden sind beispielsweise Titananoden, insbesondere mit einer säurefesten, Chlor entwickelnden Beschichtung, z. B. auf Basis von mit Ruthenium beschichtetem Titan.
  • Der kathodenseitige Stromverteiler kann beispielsweise aus Titan-Streckmetall oder edelmetallbeschichtetem Titan bestehen, wobei auch alternative beständige Werkstoffe eingesetzt werden können.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff oder wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, insbesondere Natriumchlorid, wobei das Verfahren in einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle durchgeführt wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Elektrolyse insbesondere bei höherem Druck im Kathodenraum durchgeführt werden, ohne dass der Druck im Anodenraum angehoben werden muss.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in einer Elektrolysezelle, enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen durchgeführt werden, wobei der Kathodenrahmen und der Stromkollektor bzw. die Gasdiffusionselektrode einen Kathodenraum begrenzen, der Anodenrahmen und die Anode einen Anodenraum begrenzen und Kathoden- und Anodenraum von der Kationenaustauschermembran getrennt werden, und wobei der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle der elastisch befestigte Stromkollektor auf die Gasdiffusionselektrode, diese auf die Kationenaustauschermembran und diese auf die Anode drückt.
  • In diesem Fall wird das Verfahren vorzugsweise so geführt, dass der Druck im Kathodenraum größer ist als der im Anodenraum. Dabei kann der Differenzdruck zwischen Anoden- und Kathodenraum z. B. zwischen 0,01 und 1 bar betragen, wobei auch größere Differenzdrücke möglich sind. Vorzugsweise beträgt der Differenzdruck 20 bis 350 mbar.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise auch in einer Elektrolysezelle, enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen durchgeführt werden, wobei der Kathodenrahmen und der Stromkollektor bzw. die Gasdiffusionselektrode einen Kathodenraum begrenzen, der Anodenrahmen und die Anode einen Anodenraum begrenzen und Kathoden- und Anodenraum von der Kationenaustauschermembran getrennt werden, und wobei die Anode elastisch am Anodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle die elastisch befestigte Anode auf die Kationenaustauschermembran, diese auf die Gasdiffusionselektrode und diese auf den Stromkollektor drückt.
  • Bei dieser Verfahrensvariante ist es vorteilhaft, wenn der Druck im Anodenraum größer ist als der im Kathodenraum.
  • Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Chlor am Beispiel der Umsetzung von wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff näher ausgeführt. Die ebenfalls mögliche Umsetzung von Alkalichloriden, insbesondere von Natriumchlorid, kann in ähnlicher Weise erfolgen, wobei dem Fachmann gegebenenfalls zu variierende Verfahrensbedingungen geläufig sind.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in den Kathodenraum ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise reiner Sauerstoff, ein Gemisch aus Sauerstoff und inerten Gasen, insbesondere Stickstoff, oder Luft eingeleitet, vorzugsweise Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas.
  • Besonders bevorzugt wird als sauerstoffhaltiges Gas reiner Sauerstoff, insbesondere einer Reinheit von mindestens 99 Vol.-% eingesetzt.
  • Das sauerstoffhaltige Gas wird bevorzugt in einer solchen Menge zugeführt, dass Sauerstoff bezogen auf die gemäß Gleichung 1 theoretisch benötigte Menge überstöchiometrisch vorliegt. Hierbei beträgt der stöchiometrische Überschuss vorzugsweise das 1,1 bis 3 fache, bevorzugt das 1,2 bis 1,5 fache der stöchiometrischen Menge. Der Überschusssauerstoff kann recycliert werden, so dass der stöchiometrische Überschuss nur eine untergeordnete Bedeutung erlangt.


  • In die Anodenkammer wird die wässrige Lösung des Chlorwasserstoffs eingeleitet. Die Temperatur der zugeführten wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff beträgt vorzugsweise 30 bis 80°C, insbesondere bevorzugt 50 bis 70°C.
  • Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren wässrige Lösungen von Chlorwasserstoff mit einer Chlorwasserstoffkonzentration von 5 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt von 10 bis 15 Gew.-% eingesetzt.
  • Unabhängig von der gewählten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle wird die Elektrolyse vorzugsweise bei einem Druck im Anodenraum größer als 1 bar absolut durchgeführt.
  • Der Druck im Kathodenraum ist vorzugsweise größer als 1 bar absolut, besonders bevorzugt 1,02 bis 1,5 bar, insbesondere bevorzugt 1,05 bis 1,3 bar. Es wurde nämlich gefunden, dass bei einem höheren Druck im Kathodenraum, d. h. einem höheren Sauerstoffdruck, die Elektrolyse bei gleicher Stromdichte bei niedrigerer Spannung, d. h. mit geringerem Energieverbrauch, erfolgen kann.
  • Die Einstellung des Drucks im Kathodenraum kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das dem Kathodenraum zugeführte sauerstoffhaltige Gas durch eine Druckhaltevorrichtung angestaut wird. Eine geeignete Druckhaltevorrichtung ist beispielsweise eine Flüssigkeitstauchung, durch die der Kathodenraum abgesperrt wird. Eine Androsselung über Ventile stellt ebenfalls eine geeignete Methode zur Einstellung des Drucks dar.
  • Die erfindungsgemäße Elektrolysezelle und das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beispielhaften Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigen:
  • Fig. 1 (Eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit elastisch befestigtem Stromkollektor.
  • Fig. 2 Eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit elastisch befestigter Anode.
  • Fig. 3 Eine erfindungsgemäße Elektrolysezelle mit elastisch befestigtem Stromkollektor und elastisch befestigter Anode.
  • Die in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellten Elektrolysezellen sind der besseren Übersichtlichkeit wegen so dargestellt, dass die einzelnen Komponenten der Zelle zueinander Zwischenräume aufweisen. In einer zusammengebauten erfindungsgemäßen Elektrolysezelle liegen die einzelnen Komponenten unmittelbar aneinander.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle. Der Stromkollektor (7) ist elastisch am Kathodenrahmen (2) befestigt. Dies kann z. B. durch metallische Federn (8) erfolgen. Durch diese Konstruktion wird beim Zusammenbau der Zelle die Gasdiffusionselektrode (5) vom Stromkollektor (7) auf die Kationenaustauschermembran (4) und diese auf die Anode (6) gedrückt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Anode (6) mit einer Dichtung (3) im eingebauten Zustand eine Ebene bildet.
  • Durch die erfindungsgemäße Konstruktion kann unabhängig vom Druck im Anodenraum der Druck im Kathodenraum gewählt werden. Vorzugsweise wird bei dieser Ausführungsvariante im Kathodenraum eine höherer Druck als im Anodenraum gewählt. Die einzelnen Elemente der Elektrolysezelle werden mittels einer Dichtung (3) abgedichtet.
  • Der Anodenraum wird über einen HCl-Einlass (11) mit Salzsäure gefüllt und der Kathodenraum über einen O2-Einlass (9) mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigem Gas. Die Temperatur der Salzsäure beträgt bei der Elektrolyse 50 bis 70°C. Die Elektrolyse kann aber auch bei niedrigerer Temperatur durchgeführt werden. Während des Elektrolysebetriebes kann der Anodenraum von der Salzsäure durchströmt werden. Das gebildete Chlor verlässt den Anodenraum z. B. oben über einen Cl2-Auslass (12). Ebenso ist denkbar, dass andere Durchströmungsvarianten gewählt werden. So ist z. B. eine Durchströmung des Anodenraumes, von oben nach unten möglich. Ebenfalls denkbar ist, dass keine Zwangsströmung von außen mittels einer Pumpe aufgegeben wird. Durch die Bildung von Chlor entsteht ein Auftrieb innerhalb des Anodenraumes der zu Pumpzwecken genutzt werden kann (Mamutpumpenprinzip). So können durch Einbauten im Anodenraum mit der entstehenden Strömung Konzentrationsdifferenzen vermieden werden.
  • Der Kathodenraum kann vom Sauerstoff bzw. dem sauerstoffhaltigen Gas durchströmt werden. Es ist ebenfalls denkbar, den Sauerstoff innerhalb des Kathodenraumes durch Einbauten in seiner Strömungsrichtung zu beeinflussen. So können z. B. poröse Materialien, elektrisch leitende wie auch nichtleitende, im Raum hinter dem Stromkollektor (7) eingesetzt werden. Der Sauerstoff kann wie in der Fig. 1 dargestellt über einen O2-Einlass (9) von unten eingeleitet und über einen O2-Auslass (10) oben wieder abgeführt werden. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass der Sauerstoff von oben nach unten strömt oder dass eine seitliche Strömung im Kathodenraum von z. B. unten links nach oben rechts erfolgt. Bezüglich der ablaufenden Reaktion sollte überstöchiometrisch Sauerstoff angeboten werden.
  • Die Anode (6) kann so in die Elektrolysezelle eingebaut werden, dass sie über den Anodenrahmen (1) soweit hinausragt, dass bei aufgelegter Dichtung (3) die Anode (6) mit der Dichtung (3) eine Fläche bildet. Es ist ebenfalls möglich, dass die Anode (6) soweit unterhalb der Dichtung (3) liegt, dass im zusammengebauten Zustand der Zellkomponenten die Dichtung (3) mit der Anode (6) eine Ebene bildet. Hierbei ist die Kompressibilität der Dichtung (3) und die Anzugsmomente beim Zusammenbau der Zellkomponenten zu berücksichtigen.
  • Wird der Stromkollektor (7) wie in Fig. 1 dargestellt elastisch mit dem Kathodenrahmen (2) verbunden, so kann der Druck im Anoden- und im Kathodenraum gleich groß gewählt werden. Es ist ebenso denkbar, dass der Druck im Kathodenraum größer ist als der im Anodenraum. Diese Druckdifferenz kann auch bei höherem absoluten Druck gewählt werden.
  • In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Elektrolysezelle dargestellt. In diesem Fall ist die Anode (6) z. B. mit metallischen Federn (8) elastisch am Anodenrahmen (1) befestigt. Im eingebauten Zustand wird die Anode (6) durch die metallischen Federn (8) auf die Kationenaustauschermembran (4), diese auf die Gasdiffusionselektrode (5) und diese wiederum auf den Stromkollektor (7) gedrückt. Im zusammengebauten Zustand wird die Elektrolysezelle durch Dichtungen (3) abgedichtet. Die Stoffströme (Sauerstoff und Salzsäure) können in ähnlicher Weise geführt werden, wie in der Ausführungsvariante, die in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Wird die Anode (6) wie in Fig. 2 dargestellt elastisch mit dem Anodenrahmen (1) verbunden, so kann der Druck im Kathodenraum gleich groß wie der im Anodenraum gewählt werden. Der Druck im Anodenraum sollte jedoch mindestens gleich groß wie der im Kathodenraum sein, damit die Gasdiffusionselektrode auf dem Stromkollektor aufliegt.
  • Eine dritte Ausführungsvariante ist in Fig. 3 wiedergegeben. Hierbei wird sowohl die Anode (6) als auch der Stromkollektor (7) mittels metallischer Federn (8) oder ähnlichen elastischen Verbindungen am Anodenrahmen (1) bzw. am Kathodenrahmen (2) befestigt. Somit drücken die Anode (6) und der Stromkollektor (7) die Kationenaustauschermembran (4) und die Gasdiffusionselektrode (S) zusammen. Die Stoffstromführung von Sauerstoff und Salzsäure kann ähnlich erfolgen wie in den vorher beschriebenen Ausführungsvarianten.
  • Werden wie in Fig. 3 dargestellt sowohl der Stromkollektor (7) als auch die Anode (6) elastisch verbunden, so kann die Elektrolysezelle in einem Druckbereich betrieben werden, bei dem gewährleistet wird, dass die Gasdiffusionselektrode (5) auf dem Stromkollektor (7) aufliegt.
  • In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren weiter erläutert, wobei die Beispiele nicht als Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens zu verstehen sind.
    • Beispiel 1
  • Es wurde eine Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff in einer Elektrolysezelle durchgeführt, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt und oben näher beschrieben ist.
  • Die Anode (6) war so in die Elektrolysezelle eingebaut, dass sie über den Anodenrahmen (1) soweit hinausragte, dass bei aufgelegter Dichtung (3) die Anode (6) mit der Dichtung (3) eine Fläche bildete. Die Anode (6), der Anodenrahmen (1), der Stromkollektor (7), der Kathodenrahmen (2) und die elektrisch leidenden Federn (8) bestanden aus einer Titan-Palladium-Legierung mit 0,2 Gew-% Palladium. Die Anode (6) war in Form eines Streckmetalls ausgebildet und wurde zusätzlich mit einer Ruthenium-Oxidschicht aktiviert. Die Dicke des Streckmetalls betrug 1,5 mm. Die Dichtungen (3) bestanden aus einem Fluorelastomer, wie es von der Firma DuPont unter der Bezeichnung Viton® vertrieben wird. Der Stromkollektor (7) war ebenfalls in Form eines Ruthentium-Oxid beschichteten Titan-Streckmetalls ausgebildet. Die Kontaktierung des Stromkollektors (7) zu den elastischen Federn (8) erfolgte durch Punktschweißen. Als Gasdiffusionselektrode (5) wurde eine Gasdiffusionselektrode der Fa. E-TEK, USA auf Kohlenstoffbasis mit Platin-Katalysator eingesetzt. Bei der Kationenaustauschermembran (4) handelte es sich um eine Membran der Fa. DuPont auf Basis eines Perfluorsulfonatpolymers, die unter der Bezeichnung Nafion® 324 kommerziell verfügbar ist. Durch die Kationenaustauschermembran (4) wurde die Elektrolysezelle in einen Anoden- und einen Kathodenraum getrennt.
  • Der Anodenraum wurde mit einer 14 gew.-%igen Salzsäure beschickt. Die Temperatur der Salzsäure betrug 53°C. Der Kathodenraum wurde mit reinem Sauerstoff mit einem Gehalt von mehr als 99 Vol.-% beschickt. Der Druck im Kathodenraum betrug 1 bar. Der Differenzdruck zwischen Kathodenraum und Anodenraum betrug 0 bar. Die Elektrolyse wurde bei einer Stromdichte von 3000 A/m2 betrieben, wobei sich eine Spannung von 1,05 V einstellte.
    • Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
  • Es wurde eine Elektrolyse einer wässrigen Lösung von Chlorwasserstoff in einer Elektrolysezelle durchgeführt, wie sie in Beispiel 1 beschrieben ist, wobei in diesem Fall jedoch der Stromkollektor (7) nicht elastisch mit dem Kathodenrahmen (2) verbunden war.
  • Der Anodenraum wurde mit einer 14 gew.-%igen Salzsäure beschickt. Die Temperatur der Salzsäure betrug 53°C. Der Kathodenraum wurde mit reinem Sauerstoff mit einem Gehalt von mehr als 99 Vol.-% beschickt. Der Druck im Kathodenraum betrug 1 bar. Der Differenzdruck zwischen Kathodenraum und Anodenraum betrug 0,3 bar, so dass sich im Anodenraum ein Druck von 1,3 bar ergab. Das Anlegen eines Differenzdrucks war im Gegensatz zum Vorgehen nach Beispiel 1 notwendig, damit die Gasdiffusionselektrode (5) auf den Stromkollektor (7) gedrückt wurde. Die Elektrolyse wurde, wie in Beispiel 1 bei einer Stromdichte von 3000 A/m2 betrieben. Dabei stellte sich eine Spannung von 1,21 V ein.
  • Der Vergleich der Beispiele 1 und 2 zeigt, dass bei gegebenem Druck im Kathodenraum und konstant eingestellter Stromdichte die erfindungsgemäße Elektrolysezelle (Beispiel 1) mit geringerem Druck im Anodenraum betrieben werden kann und dabei eine geringere Spannung auftritt, was eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs zur Folge hat.

Claims (11)

1. Elektrolysezelle, enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode, die Kationenaustauschermembran, die Gasdiffusionselektrode und der Stromkollektor elastisch zusammengehalten werden, so dass die Anode unmittelbar auf der Kationenaustauschermembran, diese unmittelbar auf der Gasdiffusionselektrode und diese wiederum unmittelbar auf dem Stromkollektor aufliegt.
2. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle der elastisch befestigte Stromkollektor auf die Gasdiffusionselektrode, diese auf die Kationenaustauschermembran und diese auf die Anode drückt.
3. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode elastisch am Anodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle die elastisch befestigte Anode auf die Kationenaustauschermembran, diese auf die Gasdiffusionselektrode und diese auf den Stromkollektor drückt.
4. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode elastisch am Anodenrahmen, sowie der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen befestigt sind und so angeordnet werden, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle die elastisch befestigte Anode auf die Kationenaustauschermembran und der elastisch befestigte Stromkollektor aus entgegengesetzter Richtung auf die Gasdiffusionselektrode drücken, so dass Kationenaustauschermembran und Gasdiffusionselektrode aufeinander gedrückt werden.
5. Elektrolysezelle gemäß wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Befestigung mittels Federn, Kohlenstofffilzen oder Metallschwämmen erfolgt.
6. Elektrolysezelle gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Befestigung mittels metallischer Federn erfolgt.
7. Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff oder wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Elektrolysezelle gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 durchgeführt wird.
8. Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff oder wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Verfahren in einer Elektrolysezelle enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen durchgeführt wird, wobei der Kathodenrahmen und der Stromkollektor bzw. die Gasdiffusionselektrode einen Kathodenraum begrenzen, der Anodenrahmen und die Anode einen Anodenraum begrenzen und Kathoden- und Anodenraum von der Kationenaustauschermembran getrennt werden, und wobei der Stromkollektor elastisch am Kathodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle der elastisch befestigte Stromkollektor auf die Gasdiffusionselektrode, diese auf die Kationenaustauschermembran und diese auf die Anode drückt, und
b) der Druck im Kathodenraum gleich oder größer ist als der im Anodenraum.
9. Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Chlor aus wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff oder wässrigen Lösungen eines Alkalichlorids, dadurch gekennzeichnet, dass
a) das Verfahren in einer Elektrolysezelle enthaltend einen Anodenrahmen, eine Anode, eine Kationenaustauschermembran, eine Gasdiffusionselektrode, einen Stromkollektor und einen Kathodenrahmen durchgeführt wird, wobei der Kathodenrahmen und der Stromkollektor bzw. die Gasdiffusionselektrode einen Kathodenraum begrenzen, der Anodenrahmen und die Anode einen Anodenraum begrenzen und Kathoden- und Anodenraum von der Kationenaustauschermembran getrennt werden, und wobei die Anode elastisch am Anodenrahmen befestigt ist und so angeordnet wird, dass nach dem Zusammenbau der Komponenten der Elektrolysezelle die elastisch befestigte Anode auf die Kationenaustauschermembran, diese auf die Gasdiffusionselektrode und diese auf den Stromkollektor drückt, und
b) der Druck im Anodenraum gleich oder größer ist als der im Kathodenraum.
10. Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Anodenraum größer ist als 1 bar abs.
11. Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Kathodenraum größer ist als 1 bar abs.
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