180719. lajstromszámú szabadalom • Levegő-depolarizált klóralkáli cella és eljárás annak működtetésére
180719 12 nősen akkor fontos, ha 100%-nál kisebb tisztaságú 02-t használunk. Molekuláris oxigén fogy, ha a reakció a katalitikus oldalon játszódik le a 18 pórusos oxigénkatód pórusos anyagában. Ahogy az oxigén felhasználódik, további mennyiségeket kell folyamatosan rendelkezésre bocsátani, és ezért folyamatosan oxigént kell betáplálni a 24 oxigéntérbe. Az előnyös teljes áramlás a reakcióhoz szükséges elméleti sztöchiometrikus oxigénmennyiség 0—10-szerese, előnyösen 2,5-szerese. Tiszta oxigéngázt vihetünk be a 24 oxígéntérbe, de levegőt is használhatunk, mivel az közelítőleg 23 súly% szabad molekuláris oxigént tartalmaz. Levegő használata esetén a széndioxidot el kell távolítani mielőtt bevinnénk a 24 oxigéntérbe. Azt találtuk, hogy a széndioxid elősegíti bizonyos mennyiségű karbonát lerakódását a katódra, amely nagy mértékben csökkenti annak élettartamát és teljesítményét, miközben megnövekszik a feszültség. A széndioxid nagyobb részének az eltávolításával viszont ez a probléma megszűnik. Nitrogénnek levegőben való jelenléte nehézségeket okoz, mivel az hígítóként hat és csökkenti a 12 egypólusú, oszlott elektrolizáló cella 24 oxigénterében jelenlevő oxigén koncentrációját. A nitrogénmolekulák a 18 pórusos oxigénkatód pórusaiba lépnek és ki kell ezeket diffundálni a pórusokból, mivel nem használhatók a reakcióban. Ez csökkenti a 18 pórusos oxigénkatód pórusos területén az aktivitást, ezzel leszorítja a lehetséges hatásfokot és megnöveli az ilyen cellák működtetéséhez szükséges feszültséget. Azt találtuk továbbá, hogy ez a lehető legkisebbre csökkenthető azzal, hogy növeljük a teljes átáramlást és így bőséges oxigént szállítunk a 24 oxigéntérbe. Ezzel a lehető legkisebbre szorítjuk le a cella működtetéséhez szükséges feszültséget, miközben a lehető legnagyobbra növeljük egy ilyen 12 egypólusú osztott elektrolizáló cella teljesítményét. Azt találtuk továbbá, hogy a párolgás és a tömegátvitel problémát okoz a 12 egypólusú osztott elektrolizáló cellákban bemutatott 18 pórusos oxigénelektródnál. A problémát úgy oldjuk meg, hogy növeljük a 24 oxigéntérbe szállított oxigén vagy levegő viszonylagos nedvességét oly módon, hogy a gázt vízen buborékoltatjuk át 40—70 Cc-on és így 85%-os relatív nedvességet alakítunk ki. Ennek eredményeként csökken a párolgás és a katódok kiszáradása, amely a pórusos anyag leválását okozhatja a 18 pórusos oxigénkatód szilárd hordozó anyagáról és tovább növelheti a tömegátvitelt a pórusos felületeken. A 24 oxigéntérbe bevitt gáz hőmérséklete általában 40—90 C° tartományban van és ennek megfelelően van telítve. Ezen túlmenően úgy tűnik, hogy a nedvesítésnek más hatása is van. A párolgási hajtóerő, amely a víz tömegátvitelét okozza a 22 katódtérből a 18 pórusos oxigénkatódba, az elektrolit szilárd anyaggá való kristályosodását segíti, amely nagy mértékben csökkenti egy adott 18 pórusos oxigénkatód élettartamát, mivel a szilárd anyag eltörni a pórusokat. A 24 oxigéntérbe bevitt gáz nedvesítése útján a párolgási hajtóerő megszüntetésével jelentős mértékben csökkentjük a folyékony elektrolit elvitelét a 22 katódtérből. Abban az esetben, ha a bevitt gáz harmatpontja nagyobb, mint a katódhéj hőmérséklete, a katód felületén lecsapódás mehet végbe. Amennyiben ez történik, az oxigén tömegátviteli helyei elzáródnak és így nagy mértékben csökken egy adott 18 pórusos oxigénkatód teljesítőképessége. Ezért a gázáram harmatponíját úgy 11 alakítjuk ki, hogy ellensúlyozzuk a fent leírt két káros hatást, és a harmatpontot néhány fokkal a katódhéj hőmérséklete alatt tartjuk, mimellett a relatív nedvességet olyan tartományra állítjuk be, hogy kiküszöböljük a párolgási hajtóerőt. Megjegyezzük még azt, hogy nagyobb üzemi hőmérsékletek csökkentik a cellafeszültséget, de megrövidítik a katód élettartamát. A 60— 85 CJ-os hőmérséklettartományt optimálisnak találtuk. A találmány szerinti eljárás könnyebb megértése céljából a találmányt néhány jellegzetes kiviteli példán is bemutatjuk. 1. példa Egy a 3 423 245 számú amerikai szabadalmi leírásban ismertetett oxigénkatódot egy elektrolizáló cellába úgy építünk be, hogy a szénoldal az oxigéntér felé, a nikkeloldal pedig a katódtcr felé nézzen, amelybe az elektrolitot tesszük. Egy méretálló anódot, amely tantál- és iridiumoxidból álló katalitikus réteggel van ellátva, az oxigénelektróddal párhuzamosan és attól körülbelül 7 cm távolságban helyezünk el. Egy széndioxidmentes levegőáramot vezetünk a cella oxigénterébe körülbelül 790 cmVperc áramlási sebességgel, amely közelítőleg 21-szerese a szükséges elméleti sztöchiometrikus menynyiségnek, ha a cella 0,15 amper/cm2 áramsűrűséggel működik. A nyomást az oxigéntérben közelítőleg 14,85 Pa-lal a légköri nyomás fölé állítjuk be oly módon, hogy korlátozzuk a 36 elszegényedett folyadékelvezető nyíláson való kifolyást. A nyomást ezen a szinten tartjuk a kísérlet idején. Körülbelül 400 g/liter NaOH-t tartalmazó elektrolitot adunk a 22 katódtérbe és egy mágneses keverőszerkezettel mozgatjuk azt. A katódot ezután kondicionáljuk oly módon, hogy a cellát 60 C°-on és közelítőleg 0,05 amper/cm2 áramsűrűség mellett körülbelül egy napig üzemeltetjük. A kondicionálás befejezése után az áramsűrűséget körülbelül 0,15 amper/cm3-re növeljük. A levegőáramot, a nyomást, a hőmérsékletet és az áramsűrűséget állandó értéken tartjuk a kísérlet további részében. Ezeket a kísérleteket csupán nátriumhidroxid-elektrolit alkalmazásával végeztük, így a készüléket nem klórkáli cellaként üzemeltettük. Ezek az eredmények azonban szorosan kapcsolódnak azokkal az eredményekkel, amelyeket klóralkáli cellaként való üzemeltetésnél kapunk, mivel az anód típusa vagy az anódnak a katódtól való távolsága nem meghatározó tényezők, bár az anódnak stabilisnak kell lennie a nátriumhidroxid-oldatban. A katódokat csökkentett áramsűrűség alkalmazása mellett üzemeltettük, mivel úgy véltük, hogy a katalitikus platinaréteg részben oxidálódott azalatt az idő alatt, mialatt a katódokat használat előtt tároltuk. A kondicionáló folyamat helyreállítja a katalitikus réteg eredeti nagy aktivitását anélkül, hogy a katód minőségét rontaná. Lappangó szakadások kevésbé nemes katalizátorokra károsak lehetnek. Az elektromos csatlakozást a katód nikkeloldalára tesszük, mivel könnyebben létesíthetünk jó elektromos kapcsolatot a nikkelen, mint a szénen. Egy higany/higanyoxid vonatkoztatási elektród-cellával szemben mért vonatkoztató feszültség az 1. napon —0,31 V és a 98. napon, amely a kísérlet befejezési napja volt —1,03 V nagyságú volt. A katód élettartama ilyen körülmények között 2350 óra volt. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 6
