[发明专利]操作耗氧电极的方法

说明书

对相关申请的交叉引用

要求2001年3月4日提交的德国专利申请No. 10 2011 005 133.3的优先权，其出于所有有用的目的全文经此引用并入本文。

背景

本发明涉及在使用气体扩散电极，特别是耗氧电极的电化学过程中调节含氧工艺气体的方法。在此，电化学过程特别是使用耗氧电极的氯碱和盐酸电解。

气体扩散电极的使用能在各种电化学过程中实现节能，另外避免形成不合意或不经济的副产物。

气体扩散电极的一个实例是耗氧电极（OCE）。耗氧电极尤其用在氯碱电解、盐酸电解、燃料电池技术或金属/空气电池中。

本发明从本身已知的耗氧电极出发，其构造为气体扩散电极并通常包含导电载体和具有催化活性组分的气体扩散层。

原则上从现有技术中获知操作工业尺寸电解池（electrolysis cell）中的耗氧电极的各种提议。其中基本理念是用耗氧电极（阴极）替换电解（例如在氯碱电解中）的析氢阴极。可能的池设计和解决方案的综述可见于Moussallem等人的出版物"Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes: History, Present Status and Future Prospects", J. Appl. Electrochem. 38 (2008) 1177-1194。

根据现有技术的耗氧电极用在电化学过程中的各种布置中，例如在燃料电池中的电力生成中或在由氯化钠水溶液电解制备氯气中。使用耗氧电极的氯碱电解的更详细描述可见于Journal of Applied Electrochemistry, 第38 (9)卷第1177-1194 (2008)页。具有耗氧电极的电解池的实例可见于文献EP 1033419B1、DE 19622744C1和WO 2008006909A2。

氯化钠或盐酸的电解在工业上在生产力为每年最多超过1百万吨氯气的工厂中实施。该工厂不仅包括电解装置，还包括后处理氯气和氢氧化钠和（如果进行无OCE的传统电解）氢气的设施。后处理法的描述可见于例如Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KG, Weinheim的在线版本的章节"Chlorine"和"Sodium Hydroxide"。

在氯碱电解中利用OCE技术的进一步发展方向是在电解池中将阳极区与阴极区隔开的离子交换膜，氢氧化钠间隙没有直接位于OCE上。这种布置在现有技术中也被称作零间隙布置。在燃料电池技术中也常使用这种布置。在此，缺点在于，形成的氢氧化钠必须经由OCE传送至气体侧并随后在OCE上向下流动。这决不能造成OCE中的孔隙被氢氧化钠堵塞或造成孔隙中的氢氧化钠结晶。已经发现，还会出现极高氢氧化钠浓度，且该离子交换膜从长远看对这些高浓度不稳定（Lipp等人, J. Appl. Electrochem. 35 (2005)1015 – Los Alamos National Laboratory "Peroxide formation during chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC"）。

在DE10149779 A1中描述了使来自电解的未消耗的氧气再循环至电解的方法。在DE10149779 A1中描述的方法中，添加的新鲜氧气在气体喷射泵中减压，造成的吸入压力用于吸入来自电解池的未消耗的氧气。在喷嘴中发生新鲜氧气与再循环氧气的密切混合。

原则上，通过使用OCE的所有电解中的二次反应可形成少量氢气，其随后与过量氧气一起离开电解池。在来自该池的含氢氧气再循环时，氢气积聚并会形成可燃混合物。为避免氢气的危险积聚以及其它外来气体的不合意积聚，离开该池的一部分气流作为清除气流从该线路中除去。对抗氢气危险积聚的另一措施是如DE 10342148中所述通过催化氧化除去。

DE10159372 A1提到工艺气体的加热和增湿作为具有 OCE的电化学半电池（electrochemical half cell）的可能变体，但没有公开关于精确温度条件、浓度和适当实施方案的进一步信息。

在生产工艺学中，通常借助由外部能源如蒸汽加热的热交换器实现工艺气体的加热。通过适当的调节装置控制工艺气体的温度。该调节装置需要额外投资，附加外部能源的使用也提高资本成本以及提高该方法的总能量消耗。