CN1307326C - 高压电解器组件 - Google Patents

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Abstract

如在图中所示的高压电解器，具有被固定在框架(1)中的多个电解室，它们被薄膜(2)隔开，电极(3)被压制到膜上。电极用金属的编织片(5)被电连接到双极板(4)。框架具有较大的导管孔(7)在顶侧和(8)在底侧。导管孔(7)排出所生成的气体而孔(8)构成电解液的供应通道。孔(7)借助小的连接导管(9)被连接到电解器组件的内部空间，孔(8)同样地通过小的连接导管(10)被连接到内部空间。环形的框架具有用于电解液供应及所生成气体排除的导管孔并且另外具有带有同心降起和凹陷的连接面。

Description

高压电解器组件
本发明涉及用于气体电解生产的压滤机型高压电解器组件，并进一步涉及包含该组件的电解器。
压滤机型电解器包含所谓的电解器组件和多个辅助零件，例如脱气室、供水装置和可能的变压器/整流器以及所需的管系以连接电解器的不同部件。电解器组件包含一系列阴极和阳极交替被层叠的电解室。每个室容纳一个或更多的阳极或阴极。电解室借助可选择渗透的薄膜或隔片被相互隔开。阴极室和阳极室的组合构成电解槽。在每个室中，电极被竖直安装，最好与薄膜紧密接触。这可以，例如，通过压紧电极间的薄膜被完成。特别适合于这个目的的薄膜已在EP-A-0 232 923中被描述。
电解室借助框架被固定在一起，该框架构成电解器的外壁并且可以取各种形状的多边形，如正方形、矩形或圆形。在末一种情况下框架实际上是环形或圆柱形的。隔离的薄膜连同电极一起被固定到框架。框架由被插入电解液的材料制成，并且可由例如适当的非导电层覆盖的金属制成，或可由适当的惰性非导电材料如合成物制成。由被柔性可硬化材料覆盖的金属制成的框架已从WO-97/00979了解到。
在每个电解室中电极必须借助适当的导体被连接。在特定的实施例中，这可借助用金属编织片同电极接触被完成，而编织片本身又同被安装在框架中的金属板接触，该板在本领域中被叫做双极板。
所生成的气体被引到脱气室，该室通常被放置在电解器装置上面，在那里气体被聚集并与携带气体的电解液分离开。被脱气的电解液被回收返回到电解室而被聚集的气体可被压缩并存储在适当的高压箱中。电解室可被连接到引至或来自分别用于所生成气体或电解液循环的脱气室的外管。
或者电解室框架可以在它们的顶侧或底侧具有适当的导管。顶侧导管被计划去排出在电解期间所生成的气体-电解液混合物而底侧导管使电解液能进入。所生成的气体-电解液混合物通过上部导管被泵送到引向脱气装置的管子，从该装置脱气的电解液被泵送返回框架中的底侧导管，从那里它进入电解室。
压滤机型电解器已在EP-A-137,836和EP-A-56,759中被描述。例如US 5,139,635描述了包含被连接到脱气室的竖直的电解室叠堆的压滤机型气体电解器。
从而，技术上已知的压滤机型气体电解器是含有诸如泵、箱及管系的若干辅助零件的复杂装置，并因此包含众多要求监控、检查及保养的活动部件。因而，不具有或具有较少活动部件的更简化的装置将是所希望达到的目标，这在于它几乎不需要或只要求有限的保养。
根据本发明的高压电解器的目的在于避免活动部件并同时考虑到删除辅助附件，导致电解器的更简化的装置，而要求较少的监控和保养。
本发明涉及在高压下运动，因而产生压强被增强不需要额外的压缩步骤而能直接被储存的气体的电解器。在另外的方面，根据本发明的电解器使电解液能借助自发的对流在电解器及脱气室中循环，即无需泵运。在更进一步方面，配置有给水系统以补充在电解过程中所消耗的水，该系统使用在电解器组件中所释出气体的压强作为驱动力而具有最少的活动部件。
除了上面提到的优点以外，本发明的高压电解器当它们不在运行时能被允许冷却到室温。技术上已知的电解器一般在高温，例如在70℃，运行而当使它冷却时会出现泄漏。因此，即使在不运行时，它们也必须被保持在这个高温。
因而在一个方面，本发明涉及包含一系列被层叠的电解室的高压电解器组件，每个室被安装在两个环形的固定框架内，该框架具有形成导管的孔用于电解液的供应及所生成气体的排除，其中
(1)环形框架的连接面具有按这样方式的一个或多个隆起和/或一个或多个凹陷，以使环的隆起与邻近环的凹陷相配合；
(2)垫片被放置在特定环的该隆起与邻近环的该凹陷之间；
(3)该导管边缘与形成气体或电解液导管的孔的外壁之间的间隔，及环形框架的外壁是这样的以使材料能容忍至少200bar的压强梯度。
在另外一个方面，本发明涉及包含如在这里所描述的电解器组件的电解器。
在电解器组件中所生成的气体包含电解液，而且在组件中一般所生成的气体/电解液混合物通常形成泡沫混合物。混合物被引到气体和电解液被分离的脱气室。作为在这里使用的，术语“所生成的气体”以及类似的术语，当被使用涉及在电解器组件中所生成的气体直到它在脱气室中被分离时，意指的是包含上面所提到的气体/电解液混合物。
在根据本发明的高压电解器组件中的电解室包含一个或多个，最好是两个被竖直放置在室中的电极。电极由技术上已知的被插入电解液的材料制成。电解室借助半渗透的薄膜或隔片被隔开，并且其中每室采用两个电极，电极最好贴着薄膜或隔片被压紧并且借助适当的导体被连接。在优选的装置中，双极板被放置在两个电极之间并且借助在各个电极之间放置两个金属编织片形成电接触。
各个电解室的不同部件被安装在构成电解室外壁的环形框架中。这个框架的形状和线度一方面是保证高压电解而另一方面是保证电解液自发对流的基本性能。
在特定的实施例中，电解室被放置在最好由金属制成的两个法兰盘之间，法兰盘被安装在电解室叠堆的每个侧面。法兰盘用几根放置在电解器组件外面的拉杆被结合在一起并且连接装有夹子的法兰盘，拧紧夹子把电解室压在一起。
在另一方面，本发明提供环形的框架，其中该环的连接面具有按这样方式的一个或多个隆起和/或一个或多个凹陷以使环的隆起与邻近环的凹陷相配合，并且具有两个圆柱形的孔，至少一个在底侧而至少一个在顶侧，该导管的边缘与孔的外壁之间的间隔构成气体或电解液的导管，并且环形框架的外壁是这样的以使材料能容忍至少200bar的压强，特别是该间隔至少是1.5cm。
作为在这里使用的术语“连接面”指的是具有在下文所描述的一个或多个隆起的环的平坦表面，借助它特定的环形框架与邻近的环被连接。
环形框架是有在0.2到1.5cm范围内特别是0.4到1.0cm，最好约5或6mm的厚度(即环的两个连接面之间的距离)。
环的内径可依赖于所想要的电解室的体积并从而电解过程的规模而改变。在用于工业用途的标准电解器组件中，内径可在10到100cm之间，最好在20到40cm之间改变。典型的内径例如是30cm。
环的内侧的大小往往通过表面来表示，即由环的内圆所约束的表面。用这种方式表示，特定的内侧大小可在300至5000cm2之间，更具体而言在1000到3000cm2之间，或在1000到2500cm2之间改变，例如约2000或约3000cm2。
环形框架的内侧边缘与外侧边缘之间的距离，即外径减掉内径，可以改变，并且应当至少约为5cm，更具体而言至少约为7cm，例如约10cm。环的外径依赖于上面提到的内径的大小及环的开孔的尺寸和定位。
本发明的环形框架的接触面可具有一个隆起或最好按同心的方式定位的几个这样的隆起，而邻近的环可含有一个或多个相同大小及形状的凹陷以使隆起与相邻环的凹陷相配合。或者特定的环可在一个连接面具有一个或多个隆起而在另外的连接面有一个或多个凹陷。在另一种实施例中，连接面可不仅包含一个或多个隆起而且也包含凹陷。
隆起和凹陷可以有不同的形状，例如方块形(即正方形或矩形)或三角形。后一种形状是更可取的。在特别优选的实施例中，环形框架的连接面具有一系列小的隆起及凹陷给予连接面被磨细的面貌，隆起和凹陷具有三角形的形状，从而连接面的横截面具有锯齿的样子。各个隆起之间(因而各个凹陷之间)的距离可改变，但在前面提到的特别的优选实施例中是在0.5到3mm的范围内，例如约1mm，而隆起的顶与凹陷的底之间的距离在0.5到3mm范围的高度内。
更可取的是，除在环的外边缘和内边缘处的小区间以外，隆起/凹陷覆盖了大约环的整个表面，特别是终止在距环边至少2或3mm处。
在特别的优选实施例中，一系列隆起/凹陷同心地环绕导管孔被设置。这种实施例使环能甚至更加有效地闭合。约束被这些同心的隆起/凹陷所覆盖表面的外圆和导管孔的外边缘的间隔约为导管开孔直径的一半。
环形框架由适当的被插入电解液的聚合材料制成，并最好是热塑的材料例如聚苯撑硫、聚苯撑氧等并特别是聚砜。这些环借助通用的模压技术被制造。
为了保证较好的接触，合适的垫片被采用。垫片可以是平坦的或O形的环，并由插入所使用的电解液中的适当材料制成。特别是，垫片是由合成物制成的平环并且被压在两个相邻框架的被磨细的面之间。这种环形平垫片最好是由适当有弹性的惰性聚合材料例如聚四氟乙烯制成，并且有在0.2到1.0mm范围内的均匀厚度，最好是约0.5mm。它的尺寸最好定为等于或稍小于环形框架的平表面。在后一种情况，垫片的外侧位于框架外侧的一个小距离之内，例如2mm。最好平的垫片覆盖住由环中隆起/凹陷所形成的表面。
环形框架外壁与形成气体或电解液导管的孔边缘之间的间隔是关键性的，并应当在于使由该间隔所涉及的环的部分能容忍在电解器组件内侧空间与电解器组件外部大气压强之间的压强梯度。特别是该间隔最少是1.5cm，更具体而言是至少2cm或至少3cm。电解器在约200bar运行的情况下，约2cm的间隔被证明将是有效的。
环形框架具有至少三个孔，两个在上部以排除所生成的气体而至少一个，但最好两个，在底侧用作电解液的供应导管。更可取的是，有四个孔，两个在顶侧而两个在底侧，各个孔的中心被设置在与环的内侧及外侧边缘同心的虚构的圆上，并且孔被对称地定位。
导管孔是具有直径在从1.0cm到3.0cm范围内的圆形，特别是在从1.5cm到2.5cm范围内，例如约2.0cm。
在特别的实施例中，每个圆环形的环具有两个上部孔和两个底部孔。顶部孔用作导管去排除在阴极和相应的阳极释放的气体，例如在水的电解情况下，氢和相应的氧。底部孔用作供从脱气室到达的新鲜的或脱气的电解液供应用的导管。圆环形的环按这样的方式被层叠以使所有的孔被相互精确地安装因而构成穿过整个电解器组件的通道。
在每个环中，一个顶部和一个底部孔通过小的圆柱形连接导管被连接到电解室。该连接导管最好具有小的直径，例如从0.5到5mm范围内，更具体而言，从0.5到3mm，例如1或2mm。特别是，供电解液用的连接导管的直径应大于供排除气体的连接导管的直径。在特别的实施例中，该导管的直径对气体导管的约为1mm而对电解液导管的约为2mm。该连接导管的长度可以在从1cm到4cm的范围内，特别是从2cm到3cm，例如2.5cm。
在特定的实施例中，环形框架具有两个顶部孔，其中一个被连接到环的内边缘，和两个底部孔，其中一个被连接到环的内边缘，这些孔被对称地设置在环上并且其中具有较小导管连接的孔都被设置在环的相同的一半。环的这种特定的实施例只允许以这种环层叠。
当在环形框架中的孔被成形并按上述的方式被定位时，可十分意外地发现到电解液气体混合物在电解器组件和排气装置中通过自发的对流，即没有泵送系统的帮助，而循环。
根据本发明的高压电解器组件能承受200bar，甚至高达300bar的高压。压强一般被用于压缩气体诸如氢或氧，例如200bar是十分合理的。这使电解能在增大的压强下进行，从而所生成的气体不需要被压缩。这提供了更简单的装置，其中一方面气体压缩机而另一方面被需要去循环电解液的泵都能被省略。
在更另外的方面，提供根据本发明有的高压电解器，它具有被放在脱气室上面的供水系统，包含容器，容器具有用于水的入口和用于从排气装置之一所放出的压缩气体的入口以及用于在高压下水被带入连接到脱气室之一的导管的出口。供水系统具有最少的活动部件并被放置在电解器组件上面，特别是在脱气装置上面。它包含最好由金属制成的容器并能承受电解器运行的压强，容器具有用于水的入口和用于从排气装置之一放出的压缩气体的入口。使水能进入该容器，例如通过适当的支管，接着使压缩气体进入。按这种方式，水在高压下被输入并随后使这水离开容器，例如通过支管，进入连接到脱气器之一的导管，水通过重力流入脱气器。本系统是简单的，不需要附加的泵从而避免活动部件。支管能被手动控制或者其操作能被自动化。
在优选的实施例中，在水电解的情况下，在脱气装置中分离的增压氧被使用，并且供水系统被连接到氧分离室。
本电解器能被用于各种气体的生产中，例如通过盐水的电解生产氯，或在水的电解情况下产生氧和氢。
下面是意欲说明本发明而不是去限制它的附图的详细的描述。
图1展示根据本发明的高压电解器组件的横截面。
图2是根据本发明的环形框架的正面图。
图3展示环形框架的横截面。
图4展示具有两个脱气室和一个供水系统的电解器的图解表示。
图1展示被固定在框架1中多个电解室的横截面，它们被薄膜2隔开，电极3被压制到膜上。电极用金属编织片5被电连接到双板板4。框架有在顶侧上的较大导管孔7和在底侧上的孔8。导管孔7排出被生成的气体而孔8构成电解液的供应通道。孔7通过小的连接导管9被连接到电解器组件的内部空间，同样地孔8通过小的连接导管10被连接到内部空间。
根据本发明的环形框架的正面图被示于图2，它具有连接面11，内边缘12和外边缘13，被磨细的面14与顶部导管孔15和16，以及底部孔17和18。在这个实施例中，只有顶部孔16被连接到环形框架的内部孔，从而借助连接导管19被连接到电解室，同样地孔18借助连接导管20被连接到电解室。四个环形孔的中心位于同心圆23上。轴21穿过环形框架的中心，该中心也位于横断轴22的交叉口。与环形孔15，16，17和18同心的被磨细面用24表示，后一个被磨细面的表面依赖于在孔的外边缘26与同心的被磨细面24的外边缘25之间的距离。
图3展示具有被磨细面14和隆起33及凹陷32的多个环形框架34外面部分的横截面，它给出锯齿形状的环的横截面。13是环的外边缘而31是垫片。
图4展示根据本发明的高压电解器主要部件的图解表示，其中41代表具有被较高放置的脱气室42和43以及还有被更高放置供水系统44的电解器组件。在电解器组件41中生成的气体/电解液混合物被引入脱气室42和43。该脱气室之一，特别是在水电解的情况下的氧脱气室，被连接到供水系统44，其中水用来自室43的氧气被增压。44的增压水借助重力被引入室43，因此不需要额外的泵以供应淡水。

Claims (9)

1.高压电解器组件(41)，包含一系列被层叠的电解室，每个室被固定在第一和第二环形的固定框架(1)内，且每个所述环形的固定框架(1)具有一个外壁和一个内壁及第一和第二连接面(11)，这样所述第一环形的固定框架(1)的所述第二连接面(11)和所述第二环形的固定框架(1)的所述第一连接面(11)是相邻的连接面(11)，每个所述环形的固定框架还具有形成用于供应电解液和排除所生成气体的导管的圆形的孔(8、17、18；7、15、16)，其中
(i)所述环形框架的所述连接面具有按如下方式的一个或多个隆起(33)和/或一个或多个凹陷(32)：在所述相邻的连接面(11)中，所述隆起(33)与所述凹陷(32)相配合；
(ii)垫片(31)被放置在所述的相邻连接面之间；
(iii)所述外壁与形成气体或电解液导管的所述孔的边缘之间的间隔至少为1.5cm；
(iv)该导管的直径在从1cm到3cm的范围内。
2.根据权利要求1的电解器组件，其中所述外壁与形成气体或电解液导管的所述孔(7、15、16；8、17、18)的边缘之间的间隔至少为2cm。
3.根据权利要求1的电解器组件(41)，其中该导管的直径在从1.5cm到2.5cm的范围内。
4.根据权利要求1的电解器组件(41)，它具有在所述环形固定框架(1)的所述内壁与形成气体或电解液的导管的所述圆形的孔(7、15、16；8、17、18)之间的圆柱形连接导管(9、19；10、20)，其中该圆柱形连接导管(9、19；10、20)具有在从0.5mm到3mm的范围内的直径和1cm到4cm的范围内的长度。
5.根据权利要求1的电解器组件(41)，其中垫片(31)具有在从0.2mm到1mm的范围内的厚度并且用聚四氟乙烯制成。
6.一种用于高压电解器的环形的固定框架(1)，所述环形的固定框架(1)具有一个外壁和一个内壁及第一和第二连接面(11)，其特征在于，
(i)所述环形的固定框架的所述连接面具有按如下方式的一个或多个隆起(33)和/或一个或多个凹陷(32)：在所述相邻的连接面(11)中，所述隆起(33)与所述凹陷(32)相配合；以及
(ii)所述环形的固定框架至少具有两个形成气体或电解液的导管的圆形的孔(7、15、16；8、17、18)，至少一个在底侧上而至少一个在顶侧上；
(iii)在所述外壁与形成气体或电解液导管的所述孔(7、15、16；8、17、18)的边缘之间的间隔至少为1.5cm；
(iv)该形成气体或电解液导管的圆形的孔(7、15、16；8、17、18)的直径在从1cm到3cm的范围内。
7.根据权利要求6的环形的固定框架(1)，其中形成气体或电解液导管的所述孔(7、15、16；8、17、18)的边缘与所述环形的固定框架的所述外壁之间的间隔至少为2cm。
8.一种包含根据权利要求1的电解器组件(41)的电解器，还具有被放置在脱气室(42，43)上面的供水系统(44)，该供水系统包含容器，它具有用于水的入口和用于从脱气装置(42、43)之一放出的压缩气体的入口以及用于水在高压下被输入连接到脱气室(42、43)之一的导管的出口。
9.根据权利要求8的电解器，其中供水系统(44)被放置在氧脱气室(43)上面，并且被压缩的气体从氧脱气室(43)被放出。
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