Celda electroquímica.

Celda electroquímica para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno,

compuesta al menos por una semicelda anódica con un ánodo, una semicelda catódica con un electrodo de difusión gaseosa como cátodo y una membrana de intercambio iónico dispuesta entre la semicelda anódica y la semicelda catiónica, que está compuesta por al menos un polímero de ácido perfluorosulfónico, estando adyacentes entre sí el electrodo de difusión gaseosa y la membrana de intercambio iónico, caracterizada porque el electrodo de difusión gaseosa y la membrana de intercambio iónico presentan una superficie de contacto de al menos un 50% , referida al área geométrica, medida fuera de la celda a una presión de 250 g/cm2 y una temperatura de 60ºC.

Celda electroquímica La invención se refiere a una celda electroquímica con un electrodo de difusión de gas como cátodo, que es particularmente adecuada para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno.

Es conocido un procedimiento para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno, por ejemplo, por el documento US-A 5.770.035. Se rellena una región anódica con un ánodo adecuado, compuesto por ejemplo por un sustrato de una aleación de titanio-paladio que está recubierto con un óxido mixto de rutenio, iridio y titanio, con una solución acuosa de cloruro de hidrógeno. El cloro formado en el ánodo escapa de la región anódica y se conduce a un procesamiento adecuado. La región anódica está separada de la región catódica por una membrana de intercambio catiónico comercial. Sobre el lado catódico de la membrana de intercambio catiónico, se encuentra un electrodo de difusión de gas. El electrodo de difusión de gas se encuentra a su vez sobre un distribuidor de corriente. En el electrodo de difusión de gas se trata, por ejemplo, de cátodos de consumo de oxígeno (CCO) . En caso de un CCO como electrodo de difusión de gas, se conduce habitualmente a la región catódica aire, aire enriquecido con oxígeno u oxígeno puro, que se reduce en el CCO.

Es conocida por el documento EP-A 0.785.294 una celda electroquímica para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno que contiene un cátodo de difusión de gas y una membrana de intercambio iónico que están en estrecho contacto.

Las membranas de intercambio iónico comerciales presentan un soporte plano constituído por un tejido, red, malla o similar, por ejemplo de politetrafluoroetileno (PTFE) , sobre el que está aplicado por un lado un polímero de ácido perfluorosulfónico como, por ejemplo, Nafion®, un producto comercial de la compañía DuPont. Si se utiliza dicha membrana de intercambio iónico en una celda de electrólisis con electrodos de difusión de gas como cátodos de consumo de oxígeno para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno, se observa una tensión de funcionamiento comparativamente alta en el intervalo de 1, 25 a 1, 3 V a 5 kA/m2.

Es por tanto objetivo de la presente invención proporcionar una celda electrolítica de membrana con un electrodo de difusión de gas como cátodo, particularmente para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno, que presente una tensión de funcionamiento lo más baja posible.

Es objeto de la invención una celda electroquímica según la reivindicación 1 para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno, compuesta por al menos una semicelda anódica con un ánodo, una semicelda catódica con un electrodo de difusión de gas como cátodo y una membrana de intercambio iónico dispuesta entre la semicelda anódica y la semicelda catódica que está compuesta por al menos un polímero de ácido perfluorosulfónico, en la que el electrodo de difusión de gas y la membrana de intercambio iónico están adyacentes, caracterizada porque el electrodo de difusión de gas y la membrana de intercambio iónico presentan una superficie de contacto de al menos un 50%, preferiblemente de al menos un 70%, referida al área geométrica, a una presión de 250 g/cm2 y una temperatura de 60º C.

La superficie de contacto según la invención entre el electrodo de difusión de gas y la membrana de intercambio iónico a una presión de 250 g/cm2 y una temperatura de 60º C puede determinarse, por ejemplo, según el ejemplo 5. El ensayo según el ejemplo 5 simula las condiciones de presión y temperatura en la celda electroquímica según la invención en funcionamiento.

La membrana de intercambio iónico está compuesta por al menos una capa de un polímero de ácido perfluorosulfónico como, por ejemplo, Nafion®. Se describen otros polímeros de ácido perfluorosulfónico que pueden utilizarse para la celda electrolítica según la invención, por ejemplo, en el documento EP-A 1.292.634. La membrana de intercambio iónico puede presentar adicionalmente un soporte o microfibras incorporadas para reforzamiento mecánico.

El soporte de la membrana de intercambio iónico es preferiblemente una red, tejido, malla, tela tejida, tela no tejida o espuma de un material conformable elástico o plástico, con especial preferencia de metal, plástico, carbono y/o fibras de vidrio. Son especialmente adecuados como plásticos PTFE, PVC o PVC-HT.

En una forma de realización preferida de la membrana de intercambio iónico, el soporte está incluido en una capa o entre al menos dos capas de polímero de ácido perfluorosulfónico. La membrana de intercambio iónico está constituida con especial preferencia por al menos dos capas de polímero de ácido perfluorosulfónico, estando el soporte de la membrana de intercambio iónico incluido entre las capas o en una de las dos capas de polímero de ácido perfluorosulfónico. Esto puede efectuarse, por ejemplo, aplicando a ambos lados del soporte respectivamente al menos una capa de un polímero de ácido perfluorosulfónico. Si el soporte está incluido en una capa o entre al menos dos capas del polímero de ácido perfluorosulfónico, la membrana de intercambio iónico presenta una superficie más lisa que una membrana de intercambio iónica en que el soporte presente solo por un lado una capa de un polímero de ácido perfluorosulfónico. Una superficie más lisa de la membrana de intercambio iónico permite un mejor contacto con el electrodo de difusión de gas. Cuanto más lisa sea la superficie de la membrana de intercambio iónico, mayor será la superficie de contacto con la membrana de intercambio iónico del electrodo de difusión de gas adyacente.

El electrodo de difusión de gas comprende un soporte conductor eléctrico, preferiblemente constituído por un tejido, malla, red o tela no tejida de plástico, metal o metal sinterizado. El metal o metal sinterizado debe estar exento de ácido clorhídrico. Pertenecen a ellos, por ejemplo, titanio, hafnio, circonio, niobio, tantalio y algunas aleaciones Hastalloy. El soporte conductor eléctrico está eventualmente dotado de una masa de recubrimiento que contiene una mezcla de negro de acetileno-politetrafluoroetileno. Esta masa de recubrimiento puede aplicarse, por ejemplo, mediante espátulas sobre el soporte conductor eléctrico y a continuación sinterizarse a temperaturas de aprox. 340º C. Esta masa de recubrimiento sirve como capa de difusión de gas. La capa de difusión de gas puede aplicarse enteramente sobre el soporte conductor eléctrico. Puede incluirse también total o parcialmente en la estructura de poros abiertos del soporte, es decir, de un tejido, malla, red o similar. Es comercialmente obtenible un soporte conductor eléctrico de una tela no tejida de carbono que está dotado de una capa de difusión de gas de una mezcla de negro de acetileno-politetrafluoroetileno, por ejemplo, en la compañía SGL Carbon Group.

El electrodo de difusión de gas comprende además una capa que contiene catalizador, también designada capa de catalizador. Pueden utilizarse como catalizador para el electrodo de difusión de gas: metales nobles, por ejemplo, Pt, Rh, Ir, Re, Pd, aleaciones de metales nobles, por ejemplo, Pt-Ru, compuestos que contienen metales nobles, por ejemplo, sulfuros y óxidos que contienen metales nobles, así como fases de Chevrel, por ejemplo, Mo4Ru2Se8 o Mo4Ru2S8, pudiendo contener estos también Pt, Rh, Re, Pd, etc.

Es conocido un electrodo de difusión de gas adecuado para la celda electrolítica según la invención y su fabricación, por ejemplo, por el documento WO 04/032263 A. El contacto eléctrico del electrodo de difusión de gas se realiza mediante un distribuidor de corriente sobre el que reposa el electrodo de difusión de gas.

En la celda electroquímica según la invención, la membrana de intercambio iónico y el electrodo de difusión de gas, que actúa funcionando como cátodo, se encuentran totalmente adyacentes entre sí, presentando la membrana de intercambio iónico y el electrodo de difusión de gas una superficie de contacto de al menos un 50% a una presión de 250 g/cm2 y una temperatura de 60º C. En general, una celda electroquímica de la materia según la invención funciona a una presión de 0, 2 a 0, 5 kg/m2 y una temperatura de 40 a 65º C. También es deseable para el electrodo de difusión de gas una superficie lo más lisa posible, ya que una superficie lo más lisa posible mejora el contacto con la membrana de intercambio iónico. Para conseguir una superficie lo más lisa... [Seguir leyendo]

1. Celda electroquímica para la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de hidrógeno, compuesta al menos por una semicelda anódica con un ánodo, una semicelda catódica con un electrodo de difusión gaseosa como cátodo y una membrana de intercambio iónico dispuesta entre la semicelda anódica y la semicelda catiónica, que está compuesta por al menos un polímero de ácido perfluorosulfónico, estando adyacentes entre sí el electrodo de difusión gaseosa y la membrana de intercambio iónico, caracterizada porque el electrodo de difusión gaseosa y la membrana de intercambio iónico presentan una superficie de contacto de al menos un 50% , referida al área geométrica, medida fuera de la celda a una presión de 250 g/cm2 y una temperatura de 60º C.

2. Celda electroquímica según la reivindicación 1, caracterizada porque el área de contacto asciende al menos 10 a un 70%.

3. Celda electroquímica según una de las reivindicaciones 1-2, caracterizada porque la membrana de intercambio iónico presenta una capa de un polímero de ácido perfluorosulfónico y en la capa de polímero de ácido perfluorosulfónico está incluido un soporte.

4. Celda electroquímica según una de las reivindicaciones 1-2, caracterizada porque la membrana de

intercambio iónico presenta al menos dos capas de un polímero de ácido perfluorosulfónico y porque está entre dos capas o en una de las dos capas de polímero de ácido perfluorosulfónico incluido un portador.

5. Celda electroquímica según la reivindicación 4, caracterizada porque la membrana de intercambio iónico presenta al menos dos capas, presentando las capas distintos pesos equivalentes.

6. Celda electroquímica según una de las reivindicaciones 1-5, caracterizada porque las capas de polímero de 20 ácido perfluorosulfónico presentan un peso equivalente de 600 a 2500, preferiblemente de 900 a 2000.

7. Celda electroquímica según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizada porque la capa que está enfrentada al electrodo de difusión gaseosa presenta un mayor peso equivalente que las capas restantes.

8. Celda electroquímica según una de las reivindicaciones 1-7, caracterizada porque la capa de catalizador del electrodo de difusión gaseosa está aplicada sobre la membrana de intercambio iónico.

9. Celda electroquímica según una de las reivindicaciones 1-8, caracterizada porque la membrana de intercambio iónico presenta un soporte constituído por una red, tejido, malla, tela tejida, tela no tejida o espuma de un material conformable elástico o plástico, preferiblemente de metal, plástico, carbono y/o fibras de vidrio.