CN1013453B - 压滤式电解装置 - Google Patents

Abstract

一种电解装置，包括竖立的电极(8，9)和堆叠的竖立的框架(1，2)。竖立的框架(1，2)由柔韧的材料制成，自由配置在各电极周边，且在两个端部构件(3，4)之间相互压缩而产生弹性变形。

本发明适用于电解氯化钠水溶液用的膜电解装置。

Description

本发明是关于一种压滤式电解装置。

压滤式电解装置通常由堆叠的竖立框架组成，这些框架限定出电解室，电解室中竖向地配置电极。相邻的框架之间可插入具有选择渗透性的膜或对电解质为可渗透的隔板，以分隔该电解室。

这种公知的压滤式电解装置具有的特点是，它们通常是由不同材料制成的一堆叠构件单元组成。例如，比利时专利BE-A-858，100（泰孟夏姆洛克公司）叙述了一种刚性的堆叠金属框架和具有选择渗透性的膜组成的电解装置，在框架和电极之间插入密封件，电极装设在框架和膜所限定的室中。欧洲专利EP-A-80，287和EP-A-80，288（帝国化学工业公司PLC）介绍了一种由堆叠的金属板作为电极和具有选择可渗透性的膜组成的电解装置，板和膜之间插入由柔韧材料制成的密封件。

在这些公知的电解装置中，由不同材料制成的多个构件单元是间隔配置的，这使它们难以制造，而且不利于它们的防漏性能。

法国专利FR-A-1，593，242叙述了一种由堆叠橡胶电极托架构成的燃料电池，各电极托架由一个环形橡胶框架组成，其中装有若干电极和若干隔离件。在这个公知的燃料电池中，由于电极是以封装或夹在环形框架中而加以固定的，因而能防止环形框架的局部变形。装配电池时，为了防漏，需要将各环形框架压缩，这使环形框架和电极中产生很高的内应力，使环形框架易于断裂，电极易于变形。

本发明通过提供一种新型设计的压滤式电解装置对这些缺点进行补救，该装置中不同堆叠构件单元的数目被减少了，更容易制造，并在不 致在框架和电极中产生过量的应力的情况下改进了其密封性。

因此本发明是关于这样一种压滤式电解装置，该电解装置包括限定含有竖立电极的电解室的堆叠竖立框架。根据本发明，各框架由柔韧材料制成，自由地配置在电极的周边，在两个端部构件之间彼此相互压缩时发生弹性变形。

在本发明的电解装置中，框架由柔韧材料制成，压缩时发生弹性变形。一般说来，框架在竖向位置保持自身轮廓所应有的刚度可能不足，使它们在其自身重量的作用下自然下垂。它们通常是由肖氏A硬度（按美国材料试验标准D2240-75的定义）在40和90单位之间，最好在50和80单位之间的弹性体材料制成。框架材料的选择还应根据它们足以承受电解装置在工作过程中通常占主导的化学和温度方面的条件的需要而决定。当电解装置是供电解氯化钠水溶液生产氯气和氢氧化钠溶液时，框架材料适宜采用由乙烯和丙烯制成的弹性体共聚物。这类共聚物较好的实例有乙烯-丙烯共聚物和乙烯-丙烯-二烯三元共聚物。乙烯-丙烯共聚物是丙烯含量在25%和60%之间的乙烯和丙烯的共聚物。乙烯-丙烯-二烯共聚物是乙烯、丙烯和含非共轭双键的二烯的三元共聚物。

框架的外形可以取任何能与电解室的实施配合好的外形，例如圆形、椭圆形、矩形或多面形。根据本发明，这些框架是配置在电极的周边，由于电极具有一定的刚度，因而形成对各框架起支撑作用的结构。因此电极与框架在外形和尺寸上应配合好，使得电极能与框架所限定的开口吻合，并使框架外形保持不变。例如，该电极可由完全平坦的或平坦多孔的或波纹形的金属板材、棒材或水平或竖立的金属条构成。它们应具有足够的刚度，足以在竖向位置支撑框架而不变形。

在本发明的电解装置中，框架跨在电极的整个周边上，并自由环抱电极周边。它们也可以自由座落在电极周边而无需整体附装在电极上。

根据本发明，框架堆叠中的一个框架是否套在若干电极上，还是若 干相邻的框架一起套在同一个电极上，这是无关重要的。但通常最好使一个独立框架与各电极相联系。

根据本发明，堆叠框架是在两个端部构件之间彼此相互压缩的，这样该两端部构件就成为框架堆叠的不变形的竖向支撑。通常，压缩量应调节到这样的程度，使框架达到足够的弹性变形以确保框架堆叠的防漏性能。压缩的最佳值与制造框架的材料有关，应按具体情况确定。压缩作用可借助适当的方法产生，例如借助于将各端部构件彼此连接起来的系杆产生。

在本发明的电解装置中，端部构件可以是电解装置的封口板。在另一个实施例中，该端部构件可取能限定电解室或电解质循环室的外形。

本发明的电解装置通常是安置在一个基座上，该基座可以是，举例来说，一个混凝土或砌筑的底座，或静止或可在滚道上运动的金属梁构架。

本发明对双电极电解装置和单电极电解装置同样适用。

本发明的电解装置通常设有送入和移出参与电解过程的物质所用的输送线。如叙述在欧洲专利EP-A-80，287中的这些输送线宜采用配置在堆叠框架中的并列的管形部分。

在本发明电解装置的一个特殊实施例中，该电解装置有可将电极对准框架中心所用的器件。中心对准器件应设计成当框架彼此压缩以形成电解装置的壁时，使得该中心对准器件对框架的自由变形所起的阻碍作用被限制至最小的程度。为达到此目的，根据本发明，该中心对准器件可以包含将电极局部地固定到框架上所用的构件，这些构件配置在框架周边的间隙上，使得框架能在两顺次的固定构件之间毫无阻碍地、自由地变形。通常最好严格限制局部固定构件的数目，使其达到可确保电极对准到框架中心所需的最小数目。例如，框架为方形或矩形时，可以设四个局部固定构件，均匀分布在框架周边;它们以这样分布为宜：使两 固定构件沿框架的各竖向立柱分布。举例来说该固定构件可包括，固定到电极上并嵌入框架上相应槽孔中的凸榫。在另一个可供选择的实施例中，框架包括侧向凸榫，安置在固定在电极上的相应支架上。为将电极对准框架中心，在框架周边上配备四对凸榫槽或凸榫支架为有利。

本发明的这个实施例证实单极式电解装置的有利的应用。在该电解装置中，所有电极独立地接到以防漏方式穿过配备在框架上的圆柱体形开口的导电体上，以便接到配置在电解装置外部的母线上。根据本发明，该导电体是用作将电极局部地固定到框架上所用的构件，因此导电体是由实心金属棒材制成的，金属棒材的横截面最好是圆的或椭圆的。棒材穿过框架上相应圆柱体形开口的密封可以通过棒材在它们圆柱体形开口的弹性支持产生和/或采用在棒材和开口的圆柱体形壁之间塞入涂胶的方法而实现。密封可用固定到框架上的密封唇加强，如法国专利FR-A-1，593，242图4中所示的那种方式。

在本发明电解装置另一个特殊实施例中，框架和电极的对应尺寸是这样调整，使得在电极至少一部分边缘和框架之间有一个适当的间隙。以框架和电极呈方形或矩形时为例，可采用高度和宽度分别小于相应框架矩形开口的高度和宽度的电极。本发明的这个实施例进一步减少了对框架在电解装置装配和工作过程中局部变形和位移的阻碍作用。为此，我们建议电极周边边缘与框架之间应具有足够的间隙，以便使框架可在电解装置装配和工作过程中横向膨胀而不受电极的阻碍，或在适当情况下，不致分别在框架和电极中产生超过临界阈值的内部抗拉应力和压缩应力，后者则受例如框架制造材料弹性极限和电极的抗弯强度的限制。实际上，框架和电极之间应设多大间隙为佳，与一系列参数有关，其中尤其包括框架和电极的外形和尺寸、框架的制造材料，特别是其弹性模量和框架在端部构件之间彼此压缩时的压缩力。在各种个别情况下，该间隙应通过例行计算予以确定。

在本发明电解装置的又一个实施例中，该端部构件安置在底座上，电极由框架支撑，框架则靠本身与端部构件之间产生的摩擦力支撑在底座上方。本发明的这个实施例容许堆叠框架，尤其是在各电解室压力或温度局部发生变化的影响下，产生局部变形和位移。本发明的这个实施例特别适用于小型的框架数目有限的电解装置，例如相邻框架数目小于50的电解装置。在另一种可供选择的形式中，在大的电解装置是由大量的例如100个以上的柔韧框架所组成的情况下，宜在堆叠框架底下加一个或多个支架。

在本发明电解装置的一个改良实施例中，框架是从电极上悬挂下来，电极则被固定到以防漏方式穿过框架的刚性导电体上，并承载在适当的支架上。在本发明电解装置的这个实施例中，该导电体有双重作用：一方面，它们作为电极与直流电源之间的电气接线，另一方面，它们作为电极和框架的支撑装置。

本发明选用了柔韧性极佳的可变形的框架，并使该框架彼此之间可任意压缩，因而提高了具有堆叠框架的压滤式电解装置的抗渗性能。本发明可很好地适用于这样一种结构的电解装置，其中各正电极室与各负电极室之间是用离子能渗透的隔膜隔离开来。通常隔膜可以是插接在相邻堆叠框架之间的薄板，由在电解装置工作过程中能透过离子流的材料制成。为此，隔膜可以是含水电解质能透过的隔膜，也可以是具有选择渗透性的膜。

可用于本发明电解装置中的隔膜的实例有石棉隔膜，例如美国专利1，855，497（斯图业特）、英国专利2，003，182（索尔维公司）和美国专利4，204，941（转让给索尔维公司）所叙述的那种，和有机聚合物隔膜，例如美国专利3，890，417（转让给英国帝国化学工业公司）和欧洲专利7，674和37，140（索尔维公司）所叙述的那一种。

选择渗透性膜是指含离子交换物质的薄型无孔膜。膜材料及其离子 交换物质是根据待电解电解质和想获取产品的性能进行选择的。通常，膜材料是从那些能承受电解过程中通常存在电解装置中的温度和化学条件的物质中选取的，离子交换物质则从交换阴离子的物质或交换阳离子的物质中选取，这与电解装置是用于哪一种电解操作有关。例如，电解装置系用以电解氯化钠水溶液以制造氯、氢和氢氧化钠水溶液时，特别适用的膜是含氟聚合物阳离子膜，最好是含全氟化聚合物的，含有从磺酸、羧酸或膦酸衍生出来的阳离子官能团或这些官能团的混合物。这类膜的实例有英国专利1，497，748和1，497，749（朝日碱工业有限公司）、1，518，387和1，522，877（朝日玻璃工业有限公司）和1，402，920（泰孟夏姆洛克有限公司）和美国专利4，126，588（转让给朝日玻璃有限公司）所叙述的那种。

特别适合用于本发明电解装置的膜是那些商品名为“NAFION”（杜邦公司出品）和“FLEMION”（朝日玻璃有限公司出品）的膜。

本发明的电解装置用以电解氯化钠水溶液制造氯和氢氧化钠水溶液可取得很好的效果。

本发明电解装置的优点在于提高了压滤式电解装置的无漏损密封性能，而且更容易密封。本发明的电解装置甚至易于做到堆叠框架和膜之间的无漏损密封，方法是对框架进行弹性压缩，而无需在框架和各膜之间加密封件，也无需将框架与膜胶合、焊接或密封在一起。但在压缩的基础上将框架再加以焊接或密封则不超出本发明的设想。

阅读下面有关本发明电解装置若干具体实施例的说明并参照附图即可清楚了解到本发明的特点和细节。

图1是本发明电解装置第一个实施例的纵向剖视图。

图2是图1电解装置部分剖开的轴侧视图。

图3是图2构件单元沿Ⅲ-Ⅲ平面截取的纵向剖视图。

图4是图2和图3构件单元从图2箭头Ⅳ方向看起的侧视图。

图5是图1电解装置另一个构件单元沿图1的Ⅴ-Ⅴ平面截取的纵向剖视图。

图6是图1电解装置另一可供选择实施例的部分纵向剖视图。

图7是本发明电解装置第二个实施例的部分剖开纵向剖视图。

图8是图7实施例另一种可供选择的形式，与图7类似的剖视图。

图9是沿图8Ⅸ-Ⅸ平面截取的剖视图。

图10是本发明电解装置一个部分以更大的比例绘制的与图9类似的部分视图。

图11是本发明电解装置另一个部分的部件分解部分视图。

图12是图11的详细的结构另一种可供选择的形式的部件分解部分视图。

图13是图11的详细的结构又另一种可供选择的形式的部件分解部分视图。

在这些图中，相同的编号表示相同的元件。

图1中所示的电解装置是安置在底座24上的，由堆叠配置的竖立的框架构成，该竖立的框架以正极框架1和负极框架2交替的方式配置在两个刚性的端部构件3和4之间。具有选择渗透性的膜5插在框架1和2之间，限定了里面分别装有正电极8和负电极9以交替的方式配置的正极电解室6和负极电解室7。

根据本发明，正极框架1和负极框架2由一种其特征为肖氏硬度小于50单位的弹性体材料制成，例如诸如那些叫做乙烯-丙烯共聚物和乙烯-丙烯-二烯三元共聚物等由乙烯和丙烯衍生的共聚物等。

图2、3和4是与正电极8有关的一个正极框架1。根据本发明，框架1自由配置在正电极8周边。为此，框架1由两个竖立的矩形金属板10构成，彼此面对面地配置在框架1的开口11内。U形固定件13将两金属板10整体地固定到水平金属杆12上。杆12以防漏的方式穿过在框架 1的立柱14中的圆柱体形开口55中，并进入而固定在框架另一个立柱的槽孔15中，使正电极处在框架中心。板10的高度和宽度应这样选择，使它们虽然略小于但大致等于框架1中开口11的高度和宽度，从而使正电极8形成框架1的支撑结构，同时在正电极8与框架之间形成一个小间隙。杆12超出立柱14在开口11外部延伸，以便耦合到一个与直流电源正极连接的母线上。因此杆12既作为正电极8的导电体，也作为将正电极8固定到框架1上所用的构件。

负电极9也以类似的方式与负极框架2连接，为此它们也形成一支撑结构。所以它们也具有一对彼此在构架2中对向配置的竖立的矩形金属板17（图1和图5）。金属板17在高度和宽度上与框架2上的开口18的高度和宽度比虽然略小于但大致相等，借助于焊接到该金属板并进入固定在框架立柱21和22相应开口56中的小杆或凸榫19和20而对准框架2的中心。小杆19也作为负电极9的导电体伸出框架2外，以便接到与电流源负极耦合的母线上。

在图1至5的电解装置中，各正极杆12和各小负极杆19是用编织金属绞合软线接到各自的母线上的，使它们不妨碍堆叠框架自由位移。

构成该电极的板10和17最好是多孔板，例如可以是金属多孔板，拉制金属板或刚性的金属丝网。

根据本发明，框架1和2以及膜5是用系杆23压缩在端部构件3和4之间的，框架1和2的弹性变形确保了整个装配件的密封，因而无需另加密封件。借助于设在电极的板10和17之间和它们对应的框架1和2之间的间隙54，当框架1和2在端部构件3和4之间被压缩时会横向膨胀而不致为各极所阻碍。

在图1所示的实施例中，只有端部构件3和4座落在底座24上，框架1和2以及电极8和9则因框架和端部构件之间产生的摩擦力而夹持在离开底座的地方。在另一种可供选择的方式中，当电解装置具有大量 柔韧的框架时，该框架可配以一个或多个中间支架。系杆23可很好地用在这个用途上，如图6的示意图所示。

框架1和2以及膜5边上带四个边缘开口25、26、27和28，这些开口在电解装置中对齐时，分别形成四个分别向外通过端部构件3的四个开口33的独立的水平收集器。这些收集器用以将待电解的电解质引入电解室6和7中和除去电解生成物。为此，在正极框架1中，边缘开口25和27经路线34和35与中央开口11连通，在负极框架2中，边孔26和28经路线36和37与中央开口18连通。

图7是本发明电解装置的另一个实施例，其中正极框架1是从正电极8上悬垂下来的，正电极8则支撑在金属构架38上。为此各正极框架1是围绕板10对周围配置，形成正电极8，（如前面参照图1至4所介绍的那样），杆12的一端用螺钉或螺栓40固定到横切的支撑板39上，杆的另一端进入并固定到另一个横切的支撑板42的适当的开口41中，板39和41则座落在构架38的小水平梁43上。绝缘体45插在小梁43与板39和42之间。如图1至5的实施例所示，负极框架2及其负电极9借助于正极框架之间的压缩力固定在框架堆中。

必要时，构架38可以另外附加小梁44，作为各框架的中间支架。

在如图8和9所示的本实施例另一个可供选择的方式中，正极框架1拥有围绕负极框架2的外围肋条46，用以支撑框架并将框架对准在框架堆叠中心。

在图1至9所示的本发明电解装置的诸实施例中，必要时可在正极框架1和负极框架2的下边部件52和/或上边部件53上埋置图中未示出的加强件。这些加强件是用以增强框架边缘部件52和/或53的抗弯强度。它们可以由例如金属杆或金属棒构成。

图1至9中所示的本发明的电解装置用以电解氯化钠水溶液时，各正电极8的板10可以按公知的方式用钛制成，还可涂以能放出氯离子的 活性材料层，例如氧化钌与二氧化钛的混合物等。杆12可以由钛制成。采用共挤压在钛鞘中的铜芯条可取得良好的效果。负电极9的板17可用任何适当的材料制成，例如钢或镍。

用膜电解装置生产氯气和氢氧化钠水溶液时，通常发现，令负极室中的压力保持高于正极室中常有的压力大有好处。图10至12示意表示的各实施例就是专为按这种方式使用电解装置而设计的，目的在于当正极框架是用乙烯-丙烯共聚物制成时可以防止正极框架的局部腐蚀现象。

在图10所示的实施例中，各正极框架1在电解装置中设置得比各负极框架2偏后。

在图11所示的实施例中，限定各正极框架1中央开口11的面47是装在薄板48中的，薄板48是氟聚合物制成的，最好是全氟聚合物，例如聚四氟乙烯。在图12所示的本发明电解装置实施例的另一种可供选择的形式中，图11的外套48用两个在正电极室6中在面47前方凸出的环形薄板49代替。

在图13所示的实施例中，各正极框架1有两个开向膜对面正电极室中的环形周边切口50，这些切口50中装有聚四氟乙烯之类的氟聚合物制成的环51。

Claims (8)

1、一种压滤式电解装置，包括两个端部构件(3，4)、堆叠的竖立框架(1，2)、电解室(6，7)和竖立的电极(8，9)，所述框架位于两个端部构件之间，且限定出所述电解室，而电解室中则包含所述电极，其特征在于，所述框架(1，2)是由具有肖氏A硬度在40和90单位之间的一种柔韧材料制成，自由配置在所述电极(8，9)的周边上，且在两个端部构件(3，4)之间彼此压缩产生弹性变形，而所述电极形成为该框架(1，2)的支撑结构。

2、根据权利要求1的电解装置，其特征在于，个别的框架（1，2）与个别的电极（8，9）相关联。

3、根据权利要求1或2的电解装置，其特征在于，将电极（8，9）对准在框架（1，2）中心所用的器件包括用以将电极（8，9）局部固定到框架（1，2）上的分布在框架周边间隔上的构件。

4、根据权利要求3的电解装置，其特征在于，将电极（8，9）局部固定到框架（1，2）上所用的构件包括固定到电极（8，9）上并嵌入各框架（1，2）的相应槽孔（15，55，56）中的凸榫（12，19，20）。

5、根据权利要求4的电解装置，其特征在于，局部固定构件的凸榫包括刚性的金属杆（12），该金属杆（12）穿过配置在框架（1）上的圆柱体形开口（55），同时形成各电极（8）的导电体。

6、根据权利要求1的电解装置，其特征在于，框架（1，2）和电极（8，9）的各尺寸被调节成使电极（8，9）的至少一部分周边边缘与框架（1，2）之间留有适当的间隙（54），该间隙的大小被确定为当两个端部构件之间的框架因彼此压缩而产生弹性变形时允许框架能横向膨胀。

7、根据权利要求1的电解装置，其特征在于，端部构件（3，4）安置在一底座（24）上，电极（8，9）由框架（1，2）支撑，框架（1，2）则借框架（1，2）与端部构件（3，4）之间产生的摩擦力支撑在支座（24）的上方。

8、根据权利要求5至7中任一项的电解装置，其特征在于，各电极（8）由导电体（12）支撑在支架（39，42，43）上，框架（1）则从电极（8）上悬垂下来。

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