CN1080775C

CN1080775C - 双极型离子交换膜电解池

Info

Publication number: CN1080775C
Application number: CN95116046A
Authority: CN
Inventors: 木村达人; 铃木幹夫; 内堀贵弘
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2002-03-13
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: CN1128410A; DE69501993D1; EP0704556B1; US5571390A; JPH08100286A; JP3555197B2; EP0704556A1; DE69501993T2

Abstract

一种双极型离子交换膜电解池，其气体—液体分离室尽量减小了间隔框构件中的压强变化、离子交换膜的损坏和间隔构件中电压的变化。

后板5、3a的上部向外弯到比每个阳极或阴极间隔框更高的位置以形成倒U形部分；U形通道构件10分别安置并固定于倒U形部分，以而形成用作通道12并与后板接触的空间，并且由倒U形部分和U形通道构件限定的区域为气体—液体分离室。

Description

双极型离子交换膜电解池

本发明涉及一种双极型离子交换膜电解池。

被广泛使用的离子交换膜电解池是压滤器(紧固)型的电解池，其中如图4所示，通过插入衬垫22(厚度画得放大了)，使一些离子交换膜20和间隔框构件21相间地安装，安装的构件用液压机或类似装置从两边紧固。这种类型的电解池一般被分类为并联的单极型电解池和串联的双极型电解池，两者的区别在于电学连接方式不同。

在如图5所示的双极型离子交换膜电解池中，间隔框构件21由背对背连接的阳极间隔框30和阴极间隔框40形成。用于形成阳极室31的阳极间隔框30包括后板32和大体上与后板32平行并与后板32间有一定空间安装的网状阳极板33，其中支承构件或肋34安装于后板32和阳极板33之间，以保持位于其间的空间。每个支承部件34上有多个开口，电极液或电解液通过这些开口可在图5中的左右方向流动。

用于形成阴极室41的阴极间隔框40的结构与阳极间隔框30的结构相同，即它包括后板42、网状阴极板43和支承构件或肋44。后板32与后板42整体连接成用于传导电流的间壁。每块后板32、42的外围边缘部分弯曲并固定于一中空部件或方形管24。

图6是间隔框构件21的正视图，即从阴极一边看到的图，其中标号27代表位于阴极间隔框一边的入口，阴极液或阴极电解液由此引入。标号28代表用于阴极电解液和氢气的出口。同样地，在阳极间隔框30上形成阳极液的入口27a和出口28a。

在氯碱电解池的制造中，阳极室31产生氯气，阴极室41产生氢气。每种气体都分别与电解液混合以形成气-液相混合气流。此气流在每个间隔室中上升至到达室上部的每个气体-液体分离器29，气-液混合气流在此分成气相和液相并分别从室中通过出口28、28a排出。

气体-液体分离器可以是如美国专利号为5,225,060的文件中揭示的那种分离器即气体-液体分离室位于每块极板上部的无电解区域，其中在气体-液体分离室底部至少形成一个开口从而使间隔室中向上流通的气-液相混合气流通过此开口进入分离室。

此外，气体-液体分离器还可以是如日本审查专利公开号为46191/1985的文件中揭示的那种分离器，即在电解区装有L型通道构件而形成气-液分离室，使气-液相混合气体从电极边进入分离室并从中排出。

在这种双极型离子交换膜电解池中，当气-液相混合气体的释放不通畅时，造成间隔室上部的空气的滞流，引起室中压强变化，于是产生电压变化。此外，室中压强不稳定引起相邻的离子交换膜的振动，并使它们与电极频频接触，从而会损坏离子交换膜，因此，必须在气体-液体分离器中迅速地把气体从液体中分离出来，并且把它们排出间隔室。对此，气体-液体分离器的作用很重要。

在无导电电流、电解的区域中形成的如美国专利号为5,225,060中所揭示的气体-液体分离器中，接近位于气体-液体分离室底部形成的开口处很容易发生气体滞流，从而发生间隔室中压强变化，离子交换膜的损坏和电压变化。

此外，在导电电流区域形成的如日本审查专利公开号为46191/1985的文件中揭示的气体-液体分离器中，其中气-液相混合气体通过位于电极板和气体-液体分离室之间的缝隙或间隙进入气体-液体分离室，因为电极做成网状，因而在电极和离子交换膜之间很容易形成气体的滞流，从而引起间隔室中压强变化，离子交换膜的损坏及电压变化。

本发明的主要目的在于提供一个双极型离子交换膜电解池，其气体-液体分离器可抑制间隔室中压强的变化，离子交换膜的损坏及电压的变化。

依据本发明，在双极型离子交换膜电解池中提供有其间插入离子交换膜并紧固在一起的多个间隔框单元，其中每个间隔框单元由背对背连接的阳极间隔框和阴极间隔框组成，阳极间隔框和阴极间隔框分别包括大体上平行安装且其间具有一定空间的后板和网电极，该双极型离子交换膜电解池的特征在于，后板的上部在高于每个阳极和阴极间隔框的网状极板的位置处向外弯曲以形成一倒U形部分；一U形通道构件被安置并固定于此倒U形部分，从而在此U形通道构件与后板之间形成空隙或缝隙，并且由倒U形部分和U形通道构件或部分限定的区域就是气体-液体分离室。

在本发明中，具有分散开口的支承构件支撑板大体上水平地装在U形通道构件中，从而对支承构件的上部在气体-液体分离室中提供了一气相室，且对于支承构件的下部在气体-液体分离室中提供了一液相室。

此外，在本发明中，U形通道构件和后板之间的空隙或缝隙宽度最好是电极间隔框宽度的5-20％。

此外，在本发明中，在空隙或缝隙一边的U形通道构件上端形成的气体-液体分离室的入口尺寸A最好是气体-液体分离室高度的5-30％。

在图中：

图1是依据本发明的一个实施例的双极型离子交换膜电解池一部分的纵向剖面图；

图2是依据本发明的一个实施例示出气体-液体分离器及其相关部分的纵向剖面图；

图3是气体-液体分离器部分截断的剖面图；

图4是从侧面看到的双极型子交换膜电解池的纵向剖面图；

图5是沿图4中B-B线得到的横向剖面图；

图6是间隔框构件的正视图。

本发明的最佳实施例将参考这些图进行更详细的描述。

在图1至3中，本发明的双极型离子交换膜电解池的间隔框构件1包括互相背对背连接的阳极间隔框2和阴极间隔框3。阳极间隔框2由后板5、大致平行于后板5安装的网状阳极板6及安装于阳极一边的后板5和阳极板6之间以在其间保持空隙的支承构件肋7。每个支承构件7在必要位置提供有开口7a，从而在间隔室中交换阳极电解液，另一方面，阴极间隔框3包括阴极边后板3a、阴极板3b和支承构件或肋3c。标号4代表衬垫，标号1a代表离子交换膜。

网状阳极间隔框2的后板5和支承构件7由如钛或钛合金等制成，阳极板6是由其上有一层氧化钛或贵金属氧化物(如，氧化钌、氧化铱或类似的氧化物)覆盖物的用作衬底的导电网状钛板。

阴极间隔框3的结构类似于阳极间隔框2的结构。阴极板3b由如铁、镍、不锈钢或类似的耐碱蚀性金属的导电网状板构成，在用作衬底的此板上覆盖了一层阮来镍或贵金属。后板3a和支承构件3b由铁、镍、不锈钢等类似的金属材料制成。

在电解池中，电极板6、3b的存在形成了一电解区。气体-液体分离器8配置在每个阳极间隔框2或阴极间隔框3上部的非电解区。在气体-液体分离器8中，通过把阳极间隔框2的后板5的上部向外弯曲来形成外层框9以构成一倒U形部分。U形通道构件或部分10装在外层框9中。由外层框9和通道构件10限定的区域构成气体-液体分离室11。

气体-液体分离器8的外层框9具有内层侧壁部分9a、外层部分9b和外层侧壁部分9c。外层框9的外层侧壁部分9c的下端9d通过TIG焊或类似的方法，在接近通道构件10的外层侧壁部分10b的下端位置牢固地附着在外层侧壁部分10b上。

万一外层框9的外层侧壁部分9c仅仅盖住了通道构件10的外层侧壁部分10b的上端，必须小心地进行线焊，以免引起可导致间隔框变形的电解液体泄漏。然而如图2所示，当外层框9的外层侧壁部分9c延伸至接近通道构件10的外层侧壁部分10b的下端位置时，则没有电解液泄漏的危险，使用点焊就足够了。

位于通道构件10的内层侧壁部分10a和外层框9的内层侧壁部分9a之间的缝隙或空隙形成气-液相混合气体的通道上。如图3所示，垫片13装在通道12中必要位置上，从而当从两侧通过衬垫4向每个包含有阳极间隔框2和阴极间隔框3的一些间隔框构件1加压时，可保持缝隙的预定距离。通道构件10和垫片13可由与后板相同的材料构成。

通道构件10的内层侧壁部分10a最好做得比外层侧壁部分10b高。位于通道构件10的内层侧壁部分10a的上端和外层框9的上部9b之间的缝隙，形成把上升的气-液相混合气体通过通道12引入气体-液体分离室的入口14。

支承构件或支撑板15大致水平地装在每个通道构件10的大体中间的位置。支承构件15具有分散的开口16。当从两边向间隔框构件加压时，支承构件15可保持通道构件10的宽度，也可起到分离板的作用，将气-液分离室11中的气相从液相中分离出来，其中对于支承构件15的上部17形成气相室，而对于支承构件15的下部18形成液相室。

当从正面(图6)看时，例如每个间隔框构件2、3的尺寸大约是240厘米宽，大约120厘米高及大约2厘米厚。例如，气体-液体分离室11的尺寸可以是外层框9的外层侧壁部分9c大约60毫米长，其上面部分9b大约是20毫米宽。在通道构件10的内层侧壁部分10a上端和外层框9的上面部分9b之间形成的用作入口14的缝隙，其尺寸A大约是10毫米。尺寸A更好是气体-液体分离室11高度的5-30％，最好为其高度的10-20％。

通道构件10的外层侧壁部分10b的高度可以近似于内层侧壁部分10a的高度。然而，减小外层侧壁部分10b的高度有利于在通道构件10中安装支承构件15的操作。通道12的宽度做成大约2毫米。通道12的宽度更好是间隔框2、3宽度的5-20％，最好为其宽度的7-15％。

在本发明的双极型离子交换膜电解池中，当在每个阳极间隔框2中向上流动的气-液相混合气体进一步上升到位于后板5一侧的窄通道12时，混合相气体变成气泡流，其中小气泡以液相扩散，并且通过入口14进入气体-液体分离室11的气相室17。气相室17中气泡流的液相通过支承构件15的开口16进入液相室18。因为通过通道12向上流动的气-液混合气体首先进入气体-液体分离室的气相室，因此可很快进行气相、液相之间的分离。在气体-液体分离室11中分离出的气相和液相横向移动(图2中的前后方向或图6中的左右方向)，并通过图6中的出口28排出。在阴极间隔框3中可得到同样的气泡流。

后板5、3a可由不同于气体-液体分离器8的材料制成。然而，使用同种材料是有益的，因为这样焊接的数量可减少，工艺过程可变得容易。此外，可用U形构件的改进形L形构件来代替U形通道构件1，从而相对于气体-液体分离室11在后板5、3a的一侧形成通道12。

现在，参考实施例将更详细地描述本发明。然而，必须明白，本发明决不受这特殊实施例所限制。

实施例1

通过使用具有每个包含阳极和阴极间隔框的间隔框构件并提供有本发明的气体-液体分离器的双极型离子交换膜电解池进行电分解实验，从而测量阳极间隔框中的压强变化值。每个间隔框中的电极板的尺寸为240厘米宽、120厘米高。1.7毫米厚的拉制网状钛板用做每个阳极板，而1.2毫米厚的穿孔网状镍板用做每个阴极板。1.2毫米厚的钛板用作阳极一侧的后板，且2.0毫米厚、30毫米宽的钛板用作支承构件或肋。所用的支承构件或肋的数量是24，它们以等间距纵向安装并通过焊接固定在后板和电极板上。1.2毫米厚的镍板用作阴极一侧的后板，且1.0毫米厚、30毫米宽的镍板用作支承构件。所用的支承构件或肋的数量是24，它们相对于电解区电解池以等间距纵向安装，并通过焊接固定在后板和电极板上。

对每个气体-液体分离器，它的高度、宽度、入口14的尺寸A和通道12的宽度分别是60毫米、30毫米、10毫米和2毫米。24片2毫米厚、5毫米宽及50毫米高的垫片13以等间距安装，用来保证通道12的距离。

在每个U形通道构件中，支承构件或支撑板水平地固定在离外层框9的上端25毫米的位置上，直径为12毫米的24个开口以等间距分布在支承构件15上。

每个包含阳板间隔框和阴极间隔框及离子交换膜的间隔框构件由插入衬垫交替地安装，以此形成的组合件从铁制电解池框的两侧紧固在一起以形成双极型离子交换膜电解池。对离子交换膜来说，使用Flemion膜F-893(由旭硝子株式会社制造)。

在间隔框构件下部的入口27引入300克/升的NaCl水溶液，这样在阳极室的出口28处的盐溶液浓度是210克/升，在间隔框下部的入口27a引入稀释的氢氧化钠水溶液，从而在阴极室的出口28a处的氢氧化钠水溶液的浓度是32wt％(重量百分比)。

在电解溶液温度为90℃及电流密度为5千安/米2的条件下进行电分解实验以测量压强变化值。表1列出测量结果。经过6个月的工作后，把电解池拆开以观察和检查离子交换膜。结果是，其外表与膜强度没有发现异常。

表1

	电流密度(千安/米²)	电压(伏)	阳极室中压强值(毫米水柱)
	电流密度(千安/米²)	电压(伏)	阳极室中压强值(毫米水柱)	实施例1	5	3.22	24
实施例2	4	3.04	18	实施例1	5	3.22	24
实施例2	4	3.04	18	实施例3	3	2.86	10

实施例2

除了电流密度为4千安/米²以外，以与实施例1相同的条件进行电分解实验。压强变化值的测量结果列于表1。经过6个月的工作以后，把电解池拆开。然而没有发现异常。实施例3

除了电流密度为3千安/米²以外，以与实施例1相同的条件进行电分解实验。压强变化值的测量结果列于表1。经过6个月的工作后，把电解池拆开。然而，未发现异常。比较的实施例1

使用其电极板的尺寸、电极板后板及离子交换膜的材料与实施例1中相同的双极型离子交换膜电解池。然而，气体-液体分离室分别在由电解的电极板和后板构成的间隔框中形成。每个气体-液体分离室通过把L形构件固定在由电极板和后板构成的间隔框上部的后板上而形成，从而在间隔框中向上流动的气-液混合相气流穿过L形构件和电极板之间的通道并经L形构件上部及间隔框上部之间形成的入口空隙进入气体-液体分离室。通道宽10毫米；L形构件高60毫米，入口间隙高10毫米。

在与实施例1一样的情况下进行电分解实验以测量压强变化值，获得的结果列于表2。经过3个月的工作后，把电解池拆开以观察和检查离子交换膜。膜的上部由于气体滞流显示出白色，且该部分的强度明显低于其中部和下部的强度。

表2

	电流密度(千安/米²)	电压(伏)	阳极室中压强值(毫米水柱)
	电流密度(千安/米²)	电压(伏)	阳极室中压强值(毫米水柱)	比较的实施例1	5	3.30	70
比较的实施例2	4	3.10	45	比较的实施例1	5	3.30	70
比较的实施例2	4	3.10	45	比较的实施例3	3	2.90	24

比较的实施例2

除了电流强度为4千安/米²以外，以与比较的实施例1相同的条件进行电分解实验，以测量压强变化值。得到的结果列于表2。比较的实施例3

除了电流强度为3千安/米²以外，在与比较的实施例1相同条件下进行电分解实验以测量压强变化值。得到的结果列于表2。

表1和表2的结果表明，实施例1至3中离子交换膜双极型电解池的阳极室的压强变化值低于比较的实施例1至3中电解池的值，并且前者对离子膜的影响较小。

依据本发明，因为在间隔框中向上流动的气-液混合相气流由于虹吸作用通过位于气体-液体分离室一侧边形成的通道被抽吸而进入气体-液体分离室，在气体-液体分离室的外侧下部的气体滞流发生的可能性很小。此外，当气-液混合相气流穿过窄通道的，混合相气流变成气泡流，其中小气泡是扩散的，从而气相能够很容易地从液相中分离出，且分离出来的相可以很快排出间隔室，相应地，在间隔框中几乎没有压强变化和电压改变，而且在4千安/米²或更高的电流密度甚至在高温条件下可实现稳定工作。

因为每个气体-液体分离器装在电解池的每个非电解区中，并且每个气体-液体分离器的通道位于后板一边，所以在网状电极板的侧面特别是电极板和离子交换膜之间没有气体滞流，以而离子交换膜的损坏可能性就很小。

通过以倒U形的形式向外弯曲每个间隔框的后板上部来形成每个气体-液体分离器，其中U形通道构件安装并固定于向外弯曲的部分，以在U形通道构件和后板之间形成一通道空隙，这样既可得到具有高硬度的间隔框，TIG焊的数量也可以减少，并且制造过程也变得简单。

此外，支承构件装在每个气体-液体分离室中，从而使其纵向延伸，其中在气体-液体分离室中，气相室在相对于支承构件的上部形成，而液相室在相对于支承构件的下部形成。相应地，即使当气体-液体分离室从两边受到挤压时也没有形变的危险。此外，因为气相室和液相室是由支承构件的存在而形成的，因此很容易将气相和液相从间隔室中排出，且使间隔室中的压强变化减到最小。此外，因为通过通道上升的气泡流首先流入气体-液体分离室的气相室，气相可被有效地从液相中分离出来。

Claims

1.一种双极型离子交换膜电解池，它具有其间插入离子交换膜且紧固在一起的多个间隔框单元，其中每个间隔框单元由背对背连接的阳极间隔框和阴极间隔框形成，所述阳极间隔框和阴极间隔框分别包含大体平行且有一定间距安装的后板和网状电极板，所述双极型离子交换膜电解池的特征在于，所述后板的上部在高于每个阳极和阴极间隔框的网状电极板的位置处向外弯曲以形成一倒U形部分；一U形通道构件安置并固定于倒U形部分，从而在所述U形通道构件与所述后板之间形成空隙或缝隙，由倒U形分和U形通道构件限定的区域就是气体-液体分离室。

2.如权利要求1所述的双极型离子交换膜电解池，其特征在于具有分散开口的支承构件大体水平地装在U形通道构件中，从而相对于支承构件的上部在气体-液体分离室中形成气相室，而相对于支承构件的下部在气体-液体分离室中形成液相室。

3.如权利要求1所述的双极型离子交换膜电解池，其特征在于位于U形通道构件和后板之间的空隙或缝隙宽度是间隔框宽度的5-20％。

4.如权利要求1所述的双极型离子交换膜电解池，其特征在于气体-液体分离室的入口的尺寸是气体-液体分离室高度的5-30％，此入口是在所述空隙或缝隙一边的U形通道构件的上端形成的。