[发明专利]用于氯碱电解的双功能电极和电解装置

说明书

描述了用于氯碱电解的耗氧电极，其如果需要可以形成氢气或消耗氧气，该耗氧电极基于银基催化剂和钌和/或铱基附加电催化剂，以及由其制成的电解装置。当该电极用于氯碱电解时，可以使用相应配备的氯碱电解设备例如用于电网的电网稳定。

本发明涉及用于氯碱电解的电极，其如果需要可以形成氢气或消耗氧气。当该电极用于氯碱电解时，可以使用相应配备的氯碱电解设备例如用于电网的电网稳定。

本发明从本身已知的用于氯碱电解的耗氧电极出发。

通过双功能阴极，氯碱电解（CAEL）可以为电网的电网稳定和能源管理作出贡献。在CAEL中，在现代膜电解中使用经贵金属氧化物涂覆的析氢阴极。根据现有技术的能源消耗通常为约2300 kWh/t氯气（Cl₂）。在使用耗氧阴极（SVK）操作CAEL的情况下，能源消耗降低至约1550 kWh/t Cl₂。能源消耗的巨大差异可在能源管理中用于电网稳定。例如，在电网中电能盈余的情况下，电解以产氢模式进行，并且在能源盈余不足时以氧还原模式进行。

例如使用蓄电池或电池的其它已知能源管理系统的缺点是必须为此建造新的存储设备。相反，在双功能CAEL的情况下，仅需要改造现有的电解设备。仍产生作为化学工业必需原料的诸如氯气和氢氧化钠溶液之类的产物（全球约8500 Mt/a，德国约500 Mt/a），因此不需要储存氢氧化钠溶液和氯气。CAEL的第三产物是氢气，其根据运行模式而产生（标准运行模式）或不产生（在使用耗氧阴极的情况下）。原则上，利用来自CAEL的氢气：一部分用于化学合成，另一部分以热方式利用，即在发电厂中燃烧用于发电。化学工业对氢气的需求巨大，这些氢气基本上来自重整过程。相反，来自CAEL的氢气比例为化学工业制造或所需的氢气的仅2％（http://www.hydrogeit.de/wasserstoff.htm）。因此，在通过双功能电解方法的电网稳定的背景下所涉的相对少量的氢气可以任选地毫无困难地储存或被现有的氢气制造方法代替。

目的是提供一种电极，其用于在能源盈余的情况下使氯碱电解（CAEL）可以在高能源消耗下运行，这意味着电解产生氯气（Cl₂）、氢氧化钠溶液（NaOH）和氢气（H₂）。在能源稀缺的情况下，CAEL可以在耗氧模式（SVK模式）下运行，其中能源消耗低约30％。化学生产所需的物质，即氯气和氢氧化钠溶液始终可用。如上所述，氢气在化学工业中只起次要作用，因为它主要由重整器制造。通过使用双功能电极，可以以简单的方式改造基于膜技术的现有CAEL。因此，对于生产能力为500 Mt氯气（1150万MWh）的德意志联邦共和国而言，约30％，即345 MWh的备转容量可用。以约550 TWh的德国耗电量测量，这约为0.6％。

为了进行双功能电解，除了双功能电极之外，还需要提供相应改性的电解池。这基于CAEL的标准电解池技术。

WO 2015082319描述了具有未详细描述的电极的电池的运行，其中可以吹扫析氢电极后面的气体空间。没有展示该布置的功效。

WO2015091422描述了在电解池中使用两个彼此分开工作的阴极。一个电极与膜直接接触，耗氧阴极此时通过电解质间隙与析氢电极隔开。该间隙可以用惰性气体吹扫。该方法的缺点是必须在电解池中安装两个电极，这极大地损害了经济可行性。此外，与膜直接接触的电极是不利的，因为其必须以复杂的方式接触。此外，对这种系统的维护支出相对高。

本发明提供了作为氯碱电解中的阴极运行的双功能电极，其中在阴极处产生氢气，或当向阴极供应氧气时在阴极处消耗氧气，所述双功能电极具有至少一个平面（flächig）导电载体和施加在该载体上的气体扩散层和基于银和/或氧化银的电催化剂（银催化剂），其特征在于提供基于钌和/或氧化钌的钌催化剂和/或基于铱和/或氧化铱的铱催化剂，优选钌催化剂作为附加电催化剂，其中所述载体具有包含附加电催化剂的催化涂层和/或所述附加电催化剂以与银催化剂的混合物的形式存在。