CN1075567C - 压力补偿型电化学半电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半电解槽，其中含至少一个用于容纳电解液的电极室14、一个气体室23和至少一个作为阳极或阴极的气体扩散电极5，它将气体室23和电极室14分隔开，其中，气体室23被分隔成两个或多个气袋20，20’，它们以级联方式一个叠一个地排列，其中，气体的供应或排出都通过连通电解液22的开口11，12来进行。

Description

压力补偿型电化学半电解槽
本发明涉及一种压力补偿型电化学半电解槽。因此本发明属于电解领域。
在电解方法的宽广领域中，气体扩散电极的使用在很多情况下可以提供其他可供选择的反应途径，或者有助于防止在电解过程中产生不需要的或不经济的副产品。例如，在碱金属卤化物电解工艺中，氢是一种不需要的副产品，它作为一种产品(它的产生是不可避免的)常常不能找到实际的用途。另外，在电解过程中氢所消耗的能量的价值远远高于通常氢所能达到的销售价格。因此，可以明显地看出，电化学过程中产生的氢应重新用于电化学过程中或者借助于其他反应过程来完全防止氢的产生。
将氢重新用于电化学过程中的一种可能性是将其应用于燃料电池中。在美国专利4647351中描述了一种令人感兴趣的方法。其中提出了通过将碱性燃料电池与电解工艺相结合来收集利用氢。在此情况下，把来自电解工艺阴极室的碱溶液导入燃料电池的阳极室和阴极室，该碱溶液在阴极室中富集后排出，而在阳极室中贫化，然后被送回电解工艺中。该方法的缺点是设备的成本高，另外是在产生氢时和在燃料电池的后续氧化过程中存在额外的能量损失，以及在把来自燃料电池的直流电直接应于用电解时，由于给定相互相反的电流-电压的特性，因此也造成电力损失及其他与此有关的问题。
另一种可供选择的方法是通过在一个耗氧阴极上将氧还原来防止电解过程中在阴极上产生氢。在该方法中，例如在碱金属氢氧化物电解工艺中-以一种十分相似于传统的产生氢的方法-在阴极上生成氢氧根离子，这些氢氧根离子促使碱金属离子透过一种选择性阳离子交换膜而迁移入阴极室，从而导致生成碱金属氢氧化物溶液。目标产品卤元素和碱金属氢氧化物溶液的生成并不因此而受影响，而在电能消耗方面却形成鲜明的对比，该方法所消耗的电能要低得多。在过去，关于将耗氧阴极用于碱金属卤化物电解工艺已进行了大量的研究。但这些研究遇到以下的共同问题。
在碱金属卤化物电解中使用的气体扩散阴极(例如一种耗氧阴极)是一块处于电解液和气体室之间的开放式电解槽离子交换膜，其作用是允许在电解液与催化剂及氧之间的三相边界尽可能靠近电解液处发生氧的还原反应。由于该阴极材料的疏水性质使得该边界层是稳定的。然而已发现，这种稳定作用是由于电解液的表面张力所造成的，这就使得在气体侧和液体侧之间只允许很有限的压力降。假如气体侧的压力太大，该气体最终将穿透离子交换膜，因此在该区域的电极的功能就受到干扰，从而使电解过程中断。另一方面，如果液体的压力太大，则三相边界就要被压出离子交换膜上催化剂存在的区域之外，这样同样地干扰阴极的功能，而进一步的压力增高就会导致电解液渗入气体室中。对于垂直的电极布局来说(在离子交换膜电解法中，这种布局是必须的，其目的是使目标产物氯能满意地排出)，这种方法造成对气体扩散电极总高度的限制，因为若非如此，气体就会从顶部渗透入阴极室，而液体则从底部渗透入气体室。因此，在技术上可行的总高度仍然限制在约20cm的高度，因此使得这种离子交换膜电解法目前在市场上没有吸引力。
为了克服这一缺点，还有人提出了一些方法，然而其中没有一种方法获得成功。例如在公开的专利申请DE-3401636A1中，提出了在一种下垂式薄膜(falling-film)设备中使电解液在阳离子交换膜与气体扩散电极之间流动，从而克服流体静压力所引起的问题。该方法是在电解液室与气体室之间达到基本上的等压状态。然而在长期试验中产生的问题(例如润湿问题和在两块离子交换膜之间产生气泡的问题)导致放弃将该方法应用于电解的目的。
在公开的专利申请DE3439265A1中提出了一种用于防止不同压力问题的水平式电解槽装置，在该装置中，电解液按水平的方向流动。这种装置也没有获得成功，因为使用这种装置，一方面，在电解槽中生成的气体难以排出，而另一方面，强制的流动几乎不可能完全更新其中的电解液。
在美国专利4657651中公开了另一种方案，这种方案在技术上更为复杂。在该方案中，为了达到压力的平衡，将阴极分隔成多个单独的水平小室，这些小室用来单独地容纳气体，其中，由于从垂直小室中分出的气流被浸没所引起的气体压力，受到相应于高出所说小室上面的电解液高度的小室的深度所控制。然而该方法的缺点是用于在技术上实现该方法所需的设备需要很高的成本。而且，其中每个独立的气室的压力事实上要单独地用阀门来调节。
美国专利4578159提出的另一种方法是将一种用于使氧还原的催化剂直接附加于阳离子交换膜上。由于氧被还原而生成的氢氧根离子引起碱金属离子迁移透过离子交换膜，从而生成碱金属氢氧化物溶液，这些氢氧化物溶液在涂覆有催化剂的亲水性离子交换膜的气体侧表面上流过，然后被收集。该方法的缺点是朝向气体室的三相界面层由于在气体侧渗出碱金属氢氧化物溶液而被破坏，从而导致必须用更高的操作电压来进行电解。
本发明的一个目的是提供一种不存在上述设备缺点的半电解槽，具体地说该半电解槽允许在一种垂直排列的电解槽中使用气体扩散电极，在该电解槽中作用于电极的电解液的静压力可用一种简单的方法来补偿。
本发明的目的是通过这样一种压力补偿型电化学半电解槽来达到的，该半电解槽包含至少一个用于容纳电解液的电极室、一个用于容纳电解液液柱的后电解液室、一个处于所述的电极室和所述的后电解液室之间的气体室、至少一个分隔所述的气体室和所述的电极室的用作阳极或阴极的气体扩散电极、一个分隔所述的气体室和所述的后电解液室并形成为所述的后电解液室的壁的气体隔板，所述的后电解液室具有一个相对于所述的气体隔板的后壁，所述的后电解液室被限定为所述的气体隔板和所述的后壁之间的空间，所述的气体室被分隔成两个或多个单独的气袋，这些气袋按级联方式一个叠一个地排列，这些气袋是在其后侧以所述的气体隔板为边界，而这些气体隔板以其低于该实际气袋的一端以气体档板的方式作为通向电解液的狭缝，其中该气体挡板用于接纳在电解液中上升的气泡，然后将这些电极气送往下一个更高的气袋，其中施加于向着每个气袋的电极室的气体扩散电极的表面的电解液液柱的液体静压力通过气袋的压力而得到平衡，该气体压力是约等于后电解液室中的电解液液柱通过该气袋的狭缝加到每个气袋的气体的液体静压力。
这些气袋优选是以高于电解液的压力与处于气体扩散电极另一侧的相应电极室形成流体静压力平衡。
优选是这些气袋是在其后侧以所谓气体隔板作为边界，而这些气体隔板又以其低于该实际气袋的一端以气体挡板的方式作为通向电解液的开口，在此处，该气体挡板用于接纳在电解液中上升的气泡，然后将这些电极气送往下一个更高的气袋。
具体地说，该气体挡板在半电解槽中的布置使其刚好达到电解槽后壁的前面，例如以便防止气泡从旁路通过，但另一方面，为了达到流体静压力的平衡，而在后电解液室中充满电解液。
该气体挡板优选在低于相应气袋下部边缘的位置，或者在该气体挡板的上部区域，具有例如可称为小孔或狭缝的可让气体通过的通气开口，以便把多余的气体受控制地输送至下一个更高的气袋。气体从相应气袋的下部边缘通过所说开口的距离，对处于气体扩散电极之上的压差产生影响。
这些气体通过的开口的布置最好使得一个气袋与另一个气袋之间，其开口相互错开，从使得上升的气泡总是碰撞在挡板区域而不是直接通过开口。
最优选的方案是具有一组一个接一个地排列的通气开口，在它们上方的下一块更高气体挡板上，这些通气开口上方的整个面积都没有通气开口。在特殊的情况中，相应的挡板在其一侧设置有通气开口，而在其余的面积上则没有通气开口。然而在每下一块更高挡板上将有通气开口和无通气开口的面积完全相反地布置。
由于“集气”功能所引起的物理分离作用和由于输送功能面将气体导入气袋以及将工作气体转送至下一个更高气袋，使得在该气袋的气体区域中建立了对流，这有助于防止在气袋中未转变的那部分气体的积累。在气体挡板与气体隔板之间的联接板，起一种对导入部分和输送部分加强分离的作用，从而迫使气体在两个气袋之间对流。
为了对流过电解液间隙的造成的压力损失进行附加的补偿，也可以调节上述如称为小孔或狭缝的通气开口的高度，以使它们相对于处在它们上面的气袋不在相同的高度上。它们可以(为了对在任选地充填有垫片的狭窄的电极室中的液压损失进行附加补偿)处于最底部气体挡板的最深点，并且与下一个更高气袋的气体挡板上相应的较高的小孔或狭缝相互错开，以此方法即可在相应气室中经常获得相同的压差条件。
特别是通过下述方法可以使压力损失得到附加补偿，即通气开口从一个气袋到另一个气袋可按这样一种方式变化，即假定气体挡板皆具有相同的相对高度的情况下，这些通气开口的直径逐渐减小或增大，优选是从底部向顶部，通气开口的直径逐渐减小。
处于最底部的气袋的气体挡板，尤其是可做减虹吸结构(例如一个变换的薄金属板条)，它可以使压力补偿作用不会由于电解液流入半电解槽面受到干扰，也不会受处于气体扩散电极与离子交换膜之间的主液流所干扰。
本发明的半电解槽的优选方案的特征在于，所说气体从气体挡板通过狭缝而导入气袋中，该狭缝任选地被金属传导连接物阻挡，以便在气袋的支持物与后面的电源之间获得低电阻的连接。
该狭缝优选地设置成它能保证在气体挡板下面气体弯液面处，由于气泡的破裂所造成的电解液溅射不能直接溅到气体扩散电极的后侧壁上。该电极的后侧壁上任选地复盖一块用来阻挡气体导入的栅网，以防止在气体室中的电极受污染。
所说气袋的高度优选为1～50cm，特别优选是5～30cm。
该半电解槽优选是通过一个单独的气体源，将电极气供入最下面的气袋中，其中过剩的气体由底部至顶部从一个气袋转移到另一个气袋，而在最后一个气袋中仍然留下的过剩气体则从该电解槽的顶部排出。
在该电解槽的一种方案中，电极气可以同轴地通过一个共同喷嘴供入最底部的气袋，同时电解液则供入电极室，而过剩的气体则随同电解液一起排出。
假如某些电极单元用作气体扩散电极，则将该气体扩散电极单元气密性地固定到电极室中。
用于气体扩散元件的夹紧元件可以是一种例如夹板条或磁性板条的结构，它在最初组装时起作用。
在电解槽使用中间离子交换膜的情况下，可以在组装后借助于离子交换膜将夹紧元件支撑在对面的电极结构上，面对面的电极结构则支撑在离子交换膜的后面，这样就保证了有适合的接触压力作用于气体扩散电极上。
在一种电解槽的情况下，夹紧元件可以在其面向离子交换膜的一侧上具有顺着流动方向的切口，这样即使该电解槽处于压紧的状态下也能允许电解液均匀地从电极室中的一个小室通向另一个小室。
在一个特别优选的方案中，狭窄的电极室中充填有弹性垫，这些弹性垫不仅充满了间隙地并起湍流促进器的功能，而且由于它们处于上述的夹紧元件之间，因此在被夹紧元件压紧在一起时，就成为一种具有更大弹性的元件，从而使气体扩散电极受到接触压力和达到密封。
在本发明的半电解槽的一个优选方案中，气体扩散电极单元借助于一种T型夹板条来固定，该长形元件以合适长度的窄板条作为其两端，其上面插入低电阻的电源线，其后面的紧固操作可通过夹紧楔子来进行，这些夹紧楔子借助于适宜地布置的孔来驱动。气体扩散电极和任选的密封垫都通过T型夹板条的短端而被压紧在低电阻电源线上，从而保证同时达到气密性和良好的电接触。
向气体扩散电极供电最好是通过电极的夹紧元件来实现，而该夹紧元件又以低电阻与连接到外电源的电解槽后壁相连接，处于两个夹紧元件之间，在电解液一侧与气体扩散电极相连接的金属格结构，保证了短的电流通路。在气体扩散与金属栅格一体化的情况下，也可以省去处于两个夹紧元件中间的单独的金属栅格。
具体而言，在连接到电解槽后壁的低电阻连接物上具有开口或小孔，以便允许在后室中的电解液达到流体静压力的平衡，另一方面为气泡的通过提供一条通路。
连接到电解槽后壁的最底部的低电阻连接物上带有一个小的平衡孔，它允许电解液在后室中混合均匀，而不会对通过电极室的电解液主流产生明显的影响。
本发明的半电解槽的一个优点在于，气袋电极整个结构可以整体成型，从而使它能从半电解槽中拆卸下来。
特别优选的是气体扩散电极可以更换，面气袋电极的所有其他结构可以继续工作。
本发明的半电解槽的一种优选形式可作为例如氯碱电解工艺中的耗氧电极使用。将所需的氧供入水平的气袋中，该气袋的相应高度由该气体扩散电极所能承受的压差来决定。在此情况下这些气袋由电极、带有适宜通气开口和气泡收集挡板的后侧隔板以及与气体扩散电极形成相对侧的夹紧构件共同构成，该夹紧构件也起一种电流分布的作用。氧被供入最底层的气袋中，在此处没有转变的氧成为气泡通过侧壁隔板底部区域适宜的小孔而进入此处所含的电解液中(最好该电解液与阴极室的电解液相同)，这些气泡被下一个更高气袋的气泡收集挡板所收集并接着进入该气袋中。该过程一直重复进行直至到达最高的气袋，在此处，有一部分氧已被各个耗氧阴极所消耗。最底层气袋的进料气应加以调节，以使得最顶层的气袋一直有过剩的氧放出，以保证所有的耗氧阴极都有过剩的氧供应。没有转变的氧可加以收集并将其再次作为进料使用。
在本发明的电化学半电解槽的一个实施方案中，其特征在于，通过处于气袋后面的竖管的高度或者通过横向接触喷嘴的液面位置，使得电解液的液面与电极室中电解液的液面相比，二者之差是稳定的，因此，气体室与电极室二者之间的压差对于所有气袋都是同等地可变的。
在每一个气袋的区域，形成一个相当于从气泡弯液面的底部边缘到达气袋级联与电解槽后壁之间的液柱的顶部边缘的液柱的气体压力。该压力被电极室中的液柱所补偿，假定在两个电极室中具有相同的液面(例如对两个电极室进行液压连接)，则处于上述气泡弯液面的底部边缘处达到了平衡。由于在相应气袋中均匀压力占优势，在气体一侧平均地存在稍稍过大的压力，因此有希望达到最优功能的目的，例如氧的催化还原。
在本发明的半电解槽的另一个优选方案中，电极室和后电解液室皆在水力学上被分隔开，因此，为使所有小室都具有相同的压差，可在两类小室中通过改变进料液面或排料液面的高度来达到。
这是可以达到的，例如，通过一根接到气体出口的管子进行单独的气体排放，并任选地设置处在气体出口上方的电解液贮槽，以便达到可控的过剩压力，从而使该受控的压力与电极室所有气袋的压力相同。
如果在一方面，从电解槽排放电解液最好是如图5所示通过一根竖管向下排放，或者任选地通过电解槽的侧壁向下排放，那末就可能一起直接地排放电解液及剩余的气体，只要将来自电极室的电解液全部地在电解槽的顶部通过该气袋电极而流入后电解液室，在此处，电解液与剩余的氧一起从电解槽向下通过竖管排出，或在横向排放的情况下，也是排到电解槽侧壁。不同的竖管高度导致不同的压差，在液压大于气压的情况下，特别有利于使织物型气体扩散电极紧贴地支持在电流分布栅格上。在此情况下，可以任选地省去用于电极的固定装置和夹紧装置。可以用一种十分相似的方法来使电解液和剩余气体一起通过竖管联合排出，这样也可以通过一根横向地接到半电解槽上的排料管来排放，这时，气体与电解液的分离，例如可在一个处于电解槽附近的收集器中进行。按此方法也可使液压高于气体扩散电极上方的气压。
本发明的半电解槽可以推广应用到任何技术上可行的规模，条件是相应地增加气袋的数目。由于用于具有代表性的电解进料所需的气体量(例如氧)例如对每平方米阴极面积每小时为0.7～1标准立方米，因此只需如水力学试验所示那样，将气泡通孔进行适宜分布，就可以毫无问题地获得所需的气体输送量。
本发明的半电解槽在原理上可用于常规的工业离子交换膜电解槽，以用来进行碱金属卤化物溶液的电解，条件是所说电解槽必须具有足够厚度的阴极室，以便使用例如耗氧阴极来进行节能操作。
其他可以应用本发明半电解槽的潜在领域例如有：
重铬酸钠的电解。这时，产氧阳极可以用一个耗氢阳极来代替，在阴极上产氢的反应可用耗氧阴极进行氧还原的反应来代替。
通过在气体扩散电极上进行的氧还原反应来生产过氧化氢。
如序言中所述，将碱性燃料电池用于氢氧化钠溶液的增浓。此处可用本发明的半电解槽作为阳极以进行氢的转化，并用其作为阴极以进行氧的还原。
任何可以使用气体扩散电极在直接接触液体电解质的条件下操作的各种场合，在原理上皆可以使用本发明的半电解槽。
已知的所有类型的本扩散电极在原理上都可用于本发明的半电解槽，例如带有整体化金属支持体或电流分配栅格或由碳毡构成的电极等类型的电极。本发明的半电解槽的其他优选实施方案在从属权利要求中给出。
以下将在实例中根据附图详细地解释本发明，在附图中：
图1示出一个使用耗氧阴极的半电解槽的主要布局，它可能作为氯碱电解槽的一部分；
图2是图1中从A-B线剖开的通过电解槽的剖面图；
图3是图1中从C-D线剖开的通过电解槽的剖面图；
图4是用于本发明的半电解槽的气袋的基本布局的示意图；以及
图5是带有可调压差的半电解槽的示意图。
半电解槽1具有一个电解液入口喷嘴2和一个电解液出口喷嘴3，该半电解槽1以一个常规的离子交换膜作为边界，其中装有一个气体扩散电极5以用来代替常规的金属电极。该气体扩散电极通过其后的一个金属栅格构件6来获得电能供应，该栅格构件6的作用是以低电阻将电流分配入气体扩散电极中，而其本身则通过结构元件7来接受电能，该结构元件7又与其后面的接触元件8进行金属接触，接触元件8又通过后壁接通外电源(此处未示出)。当气体扩散电极5与金属电流分配栅格一体化时，可以省去栅格构件6。
真实的气袋20的构成包括：带有疏水性后侧面的气体扩散电极5；结构元件7，它不但在顶部和底部，同时还在中部构成气袋20的边界；后方气体隔板9，它在顶部和中部气密地连接(例如焊接)到结构元件7上。气密性连接件延伸至处于朝气体挡板21弯曲的气体隔板9与横向结构元件(此处未示出)之间的横向联接板的下端。
这样构成的气袋电极可以成型，以便作为一个单元装置装卸。
气体可以通过一个软管10供入，该软管10气密地连接到最底部的气袋20并同轴地通过入口喷嘴2。在最底部气袋20中未转变的气体流过狭缝11，对于所有的气袋元件，该狭缝11的形状皆相同，气泡通过处于与气体隔板9形成一个角度的气体挡板21上的通气开口12，或任选地通过虹吸器18而进入垂直的液柱中，然后通过小孔或后面的连接元件8上的通气口13，接着被下一块更高气体隔板9的气体挡板21收集并进入相应的气袋20’中，在此处再有部分气体被转变。在电极5中未完全转变的气体与电解液22一起通过出口喷嘴3而从电解液室中排出，并任选地将气体从溶液中分离出来并再次用作工作气体。
在一个方案中(见图4)，未完全转变的气体与电解液一起通过一个竖管24向下排出，这样，在竖管的整个高度内，经过所有气体扩散电极5的压差都同等地变化。
借助于夹板条15(也可以见图2)而将气体扩散电极5固定并密封于结构元件7上，该夹板条15只在开始时起帮助固定的作用。因此，这些夹板条也可以用带有相应塑料涂层的磁性板条构成，在该夹板条15朝向离子交换膜4的压力元件的侧面上具有与该夹板形成倾斜角度的切口15a，这些切口的作用是允许电解液易于从阴极室14的一个小室流向另一个小室。
耐电解液腐蚀的弹性限距片16，最好是一种不导电的薄型材料，用它来复盖整个阴极室，其作用是作为一种湍流促进器和垫片，并可将气体扩散电极5紧贴地支持在电流分配栅格6上。按表面接触方式将电极17平铺于离子交换膜4的另一个侧面上，在碱金属卤化物电解的情况下，所说的电极17就支持在离子交换膜4上作为阳极17，在完成组装后它不仅起机械支撑作用，而且尤其是以适当的压力通过被压缩的限距片16而将夹板条或磁性板条15压紧在气体扩散电极5上，并帮助气体扩散电极5的密封。用这样的方法就能可靠地防止离子交换膜和气体扩散电极的摆动，从而增加其使用寿命。另外，使得在气体扩散电极5与电流分配栅格6之间达到了低电阻的紧贴式接触。
由于电解液进料在底部区域需要可靠地防止作为电极气的氧进入阴极缝隙，所以在此处气泡的流动方式作如下具体变动：
象在其他气袋20中一样，形成作为气流通道的狭缝11。但此处的气体隔板9弯入虹吸器18中，并将气流反向引导通过后连接元件8a，在该后连接元件8a上不具有任何通气口13，在此处由相应最底部气袋20的气体隔板9进行浸入作用，气体隔板9在此处不朝气体挡板弯曲。从而在气体隔板9的后面形成了一条与狭缝11一样允许溢出气流通过的狭缝11a。按此方法可以保证最底层气袋20具有相应的过剩压力。在后连接元件8a上有一个小的平衡孔19，它可以作为后室中更换少量电解液之用，这样就不需要将液流强制地通过电极室14，以免其中引起明显的干扰。
实施例1
为了模拟气袋电极的水力学行为，在一个实施例中使用一种模型来进行实验，该实验采用以下工艺参数：
按照下列尺寸来制造一个模型(根据图4)，但是没有电气元件。
模型高30cm，
模型宽20cm，
3个气袋，每个高10cm，
电极室厚度1cm，
挡板长度6cm，
挡板角度约30°，
在挡板弯曲处有2个小孔，孔宽0.5mm
小孔至另一小孔的距离10cm。
从气体挡板21至气体挡板21’，这些小孔的位置按横向相互错开。
结果
用压缩空气和氧进行了一系列试验。按照选择的方案，在第一个气泡通过无支持气袋的挡板边缘之前，可以使用30至35l/h流量的气体通过每个小孔。压差试验表明，对于所有3个室皆产生相同的压差。对于一个比负载为3KA/m2的电极来说，每平方米电极面积的需氧量为例如0.63m3 N/m2×h，或者在75℃的操作温度下约为0.8×m3/m2×h(m3 N=标准立方米)。
根据对该模型测得的通过每个小孔的气体流量为30l/h，假定电解液槽的高度为1m，则使用各自高度为25cm的4个气袋就已足够，而假定其他的尺寸皆相同，则一个小孔可以约为7cm，由于从最底部气袋排出的气体中有0.2m2/h的工作氧气在最底部的电极上被消耗掉，因此从下一个更高气袋溢流的气体中也必定有0.2m3/h的氧被消耗掉。
实施例2
耗氧阴极的压力补偿操作的实际例子：
在另一个实施例中，按下列尺寸制造电化学电解槽并用它进行实验：
电解槽高度         90cm
电解槽宽度         22cm
4个气袋，每个尺寸为18×18cm2
电极室厚度         1.5cm
挡板长度           6cm
挡板角度           约10°
每块挡板有2个孔，每个孔1.5cm，孔间距4cm，从一块挡板
                至另一块挡板，小孔的位置错开，
耗氧阴极        4个阴极，每个无活性的表面为18×18cm2，
                型号为ESNS，由GDE，法兰克福制造，使用
                含有20％Pt碳，用量为15.7g Pt/m2。
离子交换膜      Nafion980 WX型，由杜邦公司制造
阴极与离子交换
膜之间的缝隙    0.3cm
阳极            具有低氧活性的钛质拉制金属网，由
                Haereus,Hanau制造
                4个阴极单元，每单元的尺寸为18×18cm2，
                它们各自独立地供电
结果
对于一个电流密度为3KA/m2，电解槽温度为85℃的电解槽，NaCl溶液的进料浓度为300g/l，在电解槽中，NaCl溶液浓度的降低约为90g/l，生成的氢氧化钠浓度为32.5％，供入过剩量约为10％的纯氧，对每个电解槽单元，从其底部至顶部，分别测得电压为：
单元1    2.04V
单元2    2.05V
单元3    2.04V
单元4    2.04V
即使在连续工作1周以后，检测结果也表明电压与高度没有关系。相对于平均值的偏离在≤5mV的范围内，故所测得的电压的变化非常小。

Claims (17)

1．一种压力补偿型电化学半电解槽(1)，它包含至少一个用于容纳电解液(22)的电极室(14)、一个用于容纳电解液(22)液柱的后电解液室、一个处于所述的电极室(14)和所述的后电解液室之间的气体室(23)、至少一个分隔所述的气体室和所述的电极室的用作阳极或阴极的气体扩散电极(5)、一个分隔所述的气体室和所述的后电解液室并形成为所述的后电解液室的壁的气体隔板(9)，所述的后电解液室具有一个相对于所述的气体隔板(9)的后壁，所述的后电解液室被限定为所述的气体隔板(9)和所述的后壁之间的空间，所述的气体室被分隔成两个或多个单独的气袋(20)和(20’)，这些气袋按级联方式一个叠一个地排列，这些气袋是在其后侧以所述的气体隔板(9)为边界，而这些气体隔板以其低于该实际气袋(20)的一端以气体档板(21)的方式作为通向电解液(22)的狭缝(11)，其中该气体挡板(21)用于接纳在电解液中上升的气泡，然后将这些电极气送往下一个更高的气袋(20′)，其中施加于向着每个气袋(20,20’)的电极室(14)的气体扩散电极(5)的表面的电解液(22)液柱的液体静压力通过气袋(20,20’)的压力而得到平衡，该气体压力是约等于后电解液室中的电解液液柱通过该气袋的狭缝(11)加到每个气袋的气体的液体静压力。
2．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，所说的气体挡板(21)延伸至刚好处于半电解槽(1)的后壁之前的位置。
3．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，所说气体挡板(21)在其低于相应气袋(20)的下部边缘的位置，或者在该气体挡板(21)的上部位置具有用于控制过剩气体进入下一个更高气袋(20’)的输送量的通气开口(12)。
4．根据权利要求3的半电解槽，其特征在于，通气开口(12)从最底部气袋(20)的气体挡板开始，其位置的布置方式是相对于相应的气袋(20)的底部边缘，上方和下方通气孔的位置相互错开。
5．根据权利要求3的半电解槽，其特征在于，多个通气开口(12)在特定面积上的布置是使其成为一个接着另一个地排列的一组，其中，相应于重叠布置的气袋(20,20’)，带有通气开口(12)的气体挡板(21)的面积经常这样来布置，使得处于通气开口(12)上方的气体挡板(21)的相应面积内没有通气开口(12)。
6．根据权利要求3的半电解槽，其特征在于，通过处于气体挡板(21)与气体隔板(9)之间的连接板来使得在气体挡板(21)上具有气袋(20)的通气开口(12)的那部分面积与没有通气开口的那部分面积分开，以促进气体室(23)中的气体交换。
7．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，在最底部气袋(20)处的气体挡板(21)的结构是形成一个虹吸器(18)，它能使压力补偿不受电解液(22)流入半电解槽(1)的干扰。
8．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，所说气袋(20)的高度为1～50cm。
9．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，电解槽的进料是通过一个单独的气源将气体供入最底层的气袋(20)，相应的过剩气体由底至顶地从气袋(20)向气袋(20’)输送，而在最顶层气袋之后仍剩下的过剩气体则从电解槽的顶部排出。
10．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，通过将电极室(14)和后电解液室进行水力学分离，而使得在气体扩散电极(5)前面和后面两部分区域之间的压力差可以自由调节。
11．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，气体进入最底层气袋(20)的供料是与供入的电解液一起同轴地通过一个喷嘴(2)进入电极室(14)，而过剩气体的排出则是与电解液一起向上通过出口喷嘴(3)排出。
12．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，电极室(14)在顶部与气袋(20)后面的后电解液室进行水力学连接，进入气袋(20)的剩余气体和排出的过剩气体皆与电解液(22)一起，或者通过气袋(20)后面的一根竖管(24)向下排出，或者通过一个横向布置的喷嘴，通过一个处于相同液面的气-液分离器而向侧面排出。
13．根据权利要求12的半电解槽，其特征在于，通过处于气袋(20)后面的竖管(24)的高度或者通过横向接触喷嘴的液面位置，使得电解液(22)的液面与电极室(14)中电解液的液面相比，二者之差是稳定的，因此，气体室(23)与电极室(14)二者之间的压差对于所有气袋(20,20’)都是同等地可变的。
14．根据权利要求1的半电解槽，其特征在于，电源通过夹紧装置(7)向气体扩散电极(5)供电，而夹紧装置(7)又以低电阻接到与外电源相连接的电解槽的后壁上，而处于两个夹紧装置(7)之间，在电解液一侧与气体扩散电极(5)相连接的金属棚格构件(6)保证了最短的电流通路。
15．根据权利要求14的半电解槽，其特征在于，与电解槽后壁相连接的低电阻连接件(8)具有通气口(13)或小平衡孔(19)，它们一方面允许在电极室(14)后面区域的电解液(22)达到流体压力平衡，而另一方面又作为让电极气的气泡通过的通道。
16．根据权利14的半电解槽，其特征在于，连接到电解槽后壁的最底层低电阻连接件具有一个小平衡孔(19)，它允许电解液在电解室后面的区域混合均匀，而不会明显地影响通过电极室(14)的电解液(22)的平稳的主流。
17．根据权利要求1至16的任一项的半电解槽，其特征在于，气体扩散电极(5)是可以更换的，而半电解槽(1)的所有其余构件皆可以保留。
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