CN1408032A - 单元件技术的电解槽用电化学池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于隔膜电解法的单元件技术的电解槽用电化学池。所述池组成如下：至少两个半壳体(8，10)，该半壳体围绕其间设置有隔膜(5)的阳极电解液室(16)和阴极室(22)；位于阳极电解液室(16)中的阳极(6)，而在阴极室(22)中设置有耗氧阴极(4)，其中具有以一个在另一个之上的方式排布的许多压力补偿气袋(15)；阴极电解液间隙(14)和任选地后室(19)，其特征在于，导电支撑元件(7)设置在阳极电解液室(16)中，而支撑元件(3，2，1)的同样互相相对的位置设置在阴极室(22)中。
Description
本发明涉及一种根据权利要求1的用于膜电解法的单元件技术电解槽用的电化学池。该池的组成如下：至少2个半壳体，该半壳体围绕着其间设置有隔膜的阳极电解液室和阴极室；位于阳极电解液室中的阳极，阴极室中具有耗氧阴极，其具有以一个叠置在另一个之上的方式排布的许多压力补偿气袋；阴极电解液间隙和任选地后室，阳极电解液室中具有导电支撑元件，并且在阴极室中在互相相对位置处设置有支撑元件。
例如，用于NaCl电解的电解槽对于两项基础技术中的双极法是已知的。
在压滤技术中，池元件以半壳体背靠背焊接地排列在框架内，阳极和阴极均独立地位于外侧，并且插入两个元件之间的离子交换膜形成电化学池。池与池之间的电流通过半壳体之间的焊缝流动。
在单元件技术中，电化学池是通过两个独立的电极半壳体形成的，在这两个半壳体之间设置有隔膜，而后将这两个半壳体用螺栓连接在一起，以形成一个单元件。一个单元件与另一个单元件之间的电接触是通过将一叠单元件压在一起实现的，这些单元件是通过适当的接触条带相互电连接的。从外部施加的压力必须传递到单元件结构内部。
在使用被称作气袋的压力补偿操作中，耗氧阴极的使用(其基本原理正如US5963202中所描述的，而气体有效通过的气袋如DE-A-19622744 A1中描述的)在耗氧阴极和隔膜之间的电解液间隙实现。同时，气袋自身代表空体积。对力的传递未受限的两种结构，必须通过一种适于传递应力的系统来桥接。同时，应利用该应力来进一步改进通过压力接触在耗氧阴极的电流分布。
含有耗氧阴极的气袋通常在电解槽的整个宽度上延伸。出于水力学的原因，传递应力的结构垂直布置，正如在电解制氢的情况下那样。这里，对于交叉功能，必须找到一种实用的简单解决办法，不仅从一开始就可以结合到新电解单元件中，同时还能够改进制氢操作中通用的电解作业。
根据本发明，该目的是通过膜电解法用电化学池实现的，该池的组成如下：至少2个半壳体，该半壳体围绕着其间设置有隔膜的阳极电解液室和阴极室；位于阳极电解液室中的阳极，阴极室中具有耗氧阴极，并具有以一个叠置在另一个之上的方式排布的许多压力补偿气袋；阴极电解液间隙和任选地后室，其特征在于，在阳极电解液室中设置有导电支撑元件，并且在阴极室中在互相相对位置处设置有支撑元件，其接收作用于半壳体壁上的压力。
一种电化学池的优选实施方案的特征在于，阴极室中的支撑通过多个支撑元件实现，其中一个支撑件布置在阴极电解液间隙内，另一个支撑件布置在气袋中，并且如果存在后室，则第三支撑件布置在气袋后面的后室中。
特别是，气袋的背部焊接到垂直支撑元件上，以供力和电流的传递。在气袋中例如，结构横梁或者其它类型的纵向延伸的结构桥优选通过这些焊缝作为支撑件焊接，它们的高度与气袋的外周边等高。
与所选择的实施方案无关，这些内部装置必须能使气体水平通过气袋，以及在较下缘处的任何冷凝物水平流出。
在安装了耗氧阴极后，它们可以例如平直地定位在结构横梁或桥上，以及定位在气袋的边缘处，并在气袋的整个宽度和各个高度上形成一个平的表面。
为了桥接耗氧阴极和隔膜之间的阴极电解液间隙，特别是将由耐电解质的和耐热的材料制成的支撑件作为配合件安装到上述结构横梁或桥上，并且其一方面通过耗氧阴极支撑，另一方面通过隔膜支撑，该隔膜也在该区域中支撑着阳极结构，从而使力可通过电化学池传递。
由于下述原因，在该池中优选不安装整块的支撑元件(间隔器)。首先，在整个高度上不能确保相对于上述结构横梁或桥的可靠定位，即使微小的侧变形也可能导致滑落，从而有损坏耗氧阴极的危险，其次，热膨胀系数之差如此之大，受阴极电解液滑动作用的影响，可能发生侧弯曲。因此，优选将支撑元件分成小块并再分成相应于各个独立气袋的高度的段。特别是，使支撑元件的段根据下述方案上下固定或安置：在上端，它们固定到气袋的边缘上。这可以通过位于间隔器或气袋的上边缘的销钉或某种压扣紧固元件实现，这就需要在每个相对部分包含相应的孔。
因此，本发明优选方案的特征在于，阴极电解液间隙中的支撑件是由多个以一个在另一个上垂直安置的棒形成的，需要时在其上端通过可拆卸的连接装置，例如搭扣-固定连接件连接到支撑电极的横支撑上。
在下端，支撑元件终止于燕尾形结构中，该结构包围着下一个在下方的支撑元件的尖上端，从而确保支撑元件的水平定位。优选选择这两个段之间的间隙，以使与金属结构相比该支撑元件可补偿较大的热膨胀。
在电化学池的优选方案中，支撑件的相邻端部总设计为榫槽组合，特别是其中将下支撑件的上端总是设计为榫。
如果支撑元件在半壳体的整个高度上延伸，则在池中具有良好的力分布。
在气袋中的第二支撑件特别优选的是位于选定的位置，特别是在每个气袋的上部或下部区域具有开口或留有通道。
第二支撑件特别优选设计为实心导电棒的形式或U形，或者作为气袋背部相应的垂直凸起。
为了确保支撑元件更可靠的定位，对结构横梁或桥设置向右或向左或者在中心略垂直的拱面，其具有相应于支撑元件的形状，因此在电解槽相应其变形时，总是在其相对面的结构上再对中。
特别是，耗氧阴极背面应导电。除了耗氧阴极与气袋边缘的金属连接外，通过导电支撑元件经过压力接触提供了又一电连接，这导致电阻损失的进一步最小化。另外，使用支撑元件防止耗氧阴极膨胀大面积凸进阴极电解液间隙，这会导致与隔膜接触的阴极电解液流的局部堵塞。具体地说，特别在支撑元件的上述构造中是有效的，通过这种方法使耗氧阴极压紧。
在阴极电解液间隙中的支撑元件，特别是在氯碱电解的情况下，优选由ECTFE、FEP、MFA或PFA制成，同时诸如结构横梁或桥的导电支撑元件应由镍或另一种耐苛性碱液的金属合金组成，或直接由气袋后壁模压成。
在其前部为金属或导电的耗氧阴极情况下，阴极电解液间隙中的支撑元件在面对耗氧阴极的一侧可以是金属的，以便通过压力接触在耗氧阴极中获得改进的电流分布。在此种情况下，支撑元件优选具有两层的结构，面对隔膜的一侧由ECTFE、FEP、MFA或PFA组成，而金属部分由耐苛性碱液的金属组成。
在单元件技术中描述的力传递的使用并不仅限于氯碱电解，而是还可用于需要压力补偿的直接与液体电解质接触的有气体扩散电极的所有电解中，如：
-用耗氧阴极生产过氧化氢，
-用耗氢阳极和耗氧阴极进行的重铬酸钠电解，
-用于富集氢氧化钠溶液的碱性燃料电池，
-用耗氧阴极的氢氯酸的电解。
通过参考附图和下述实施例将对本发明进行更详细的说明，其中：
图1所示为根据本发明的电池的阴极半壳体的纵切面图，其为左上角的详图。
图2所示为相应于图1中的通过电化学池的A-A’截面图。
图3所示为相应于图1中的通过阴极半壳体的B-B’纵切面图。
实施例
图1所示为阴极半壳体的左上角详图，并且图2所示为通过气袋15的A-A’水平截面。在阴极半壳体10中，具有后壁11和侧框架9的气袋结构通过支撑结构3支撑。
根据图2或3中所示的方案，垂直结构横梁2a或垂直结构桥2b焊接到气袋15上。为了确保氧气在气袋15中横向迁移，这两个结构是开口的，并且不在气袋15的水平界限12上，以便能使形成的任何冷凝物从耗氧阴极流出。耗氧阴极4以导电且气密的方式连接到侧框架9和水平界限12上，并且定位在结构横梁或桥上。隔膜5和耗氧阴极4之间的阴极电解液间隙14被间隔器元件1界定，其通过在阳极6处的隔膜支撑，阳极6通过支撑结构7以界定的方式保持在阳极半壳体8中(参考图2)。
阳极半壳体8和阴极半壳体10以液体密封方式相互连接，并形成一个单元件(电解槽)。当该电解槽压在一起时，大量此种单元件压在一起，其中相邻单元件的下一个阳极半壳体8’压在阴极半壳体10上，相邻单元件下一个的阴极半壳体10’以单元件的另一面压在阳极半壳体8上。压在一起的单元件通过阴极半壳体10向支撑结构3、垂直结构横梁2a或此种结构桥2b和间隔器1施加载荷，其一方面压在耗氧阴极4上，而另一方面通过隔膜5压在阳极6上。这样通过支撑结构7将压力传递给阳极半壳体8。单元件与单元件之间的电连接是通过压接触条21a和21b实现的。
间隔器元件1a，1b自身设计为顶部逐渐变成一尖头，并且在其底部具有相应的燕尾形结构(图1)。它们通过销钉或类似压扣紧固元件13与气袋15的水平界限12固定。间隔器元件1b的燕尾形与下面的下一个间隔器元件1a的尖端紧接，并且由此精确定位。同时，间隔器元件1a，1b之间的界定间隙使其可自由热膨胀，由于材料的原因，该膨胀大于金属结构的膨胀。
Claims (11)
1、一种用于隔膜电解法的电化学池，其组成如下：至少两个半壳体(8，10)，该半壳体围绕其间设置有隔膜(5)的阳极电解液室(16)和阴极室(22)；位于阳极电解液室(16)中的阳极(6)，而在阴极室(22)中设置有耗氧阴极(4)，其中具有以一个在另一个之上的方式排布的许多压力补偿气袋(15)；阴极电解液间隙(14)和任选地后室(19)，其特征在于，导电支撑元件(7)设置在阳极电解液室(16)中，而支撑元件(3，2，1)的同样互相相对的位置设置在阴极室(22)中。
2、根据权利要求1的电化学池，其特征在于，阴极室(22)中的支撑通过多个支撑元件(3，2，1)实现，其中支撑件(1)布置在阴极电解液间隙(14)中，另一个支撑部分(2a；2b)布置在气袋(15)中，并且如果存在后室(19)，则第三支撑部分(3)布置在气袋(15)后面的后室(19)中。
3、根据权利要求1或2的电化学池，其特征在于，阴极电解液间隙(14)中的支撑件(1)是由许多个一个在一个之上垂直设置的棒(1)形成的，任选地在其上端通过可拆卸的连接装置(13)如搭扣连接件(13)连接到支撑电极(4)的横支撑(12)上。
4、根据权利要求3的电化学池，其特征在于，支撑件(1a，1b)的相邻端部总是设计为榫槽组合，特别是，下支撑件(1a)的上端总是设计为榫。
5、根据权利要求1～4之一的电化学池，其特征在于，支撑元件(3，2，1)在半壳体(10)的整个长度上延伸，并对着第二半壳体8中的连续支撑元件(7)。
6、根据权利要求1～5之一的电化学池，其特征在于，在气袋(15)中的第二支撑件(2a)或(2b)在选定位置，特别是在每个气袋(15)的上部或下部区域，具有开口(22a，22b，23a)或留有通道(24)。
7、根据权利要求1～6之一的电化学池，其特征在于，第二支撑件(2)设计为实心导电棒(2a)或U形(2b)。
8、根据权利要求7的电化学池，其特征在于，U形(2b)由气袋的后壁凸出，并且支撑元件(3)伸入凸出的U形(2b)的底，由此直接导致力的传递。
9、根据权利要求1～8之一的电化学池，其特征在于，支撑元件(7，3和2)由耐苛性碱液的金属或合金制成，特别是由镍制成，或由耐酸金属或合金制成，特别是由钛或钛和钯的合金制成。
10、根据权利要求1～9之一的电化学池，其特征在于，支撑元件(1，1a或1b)由耐热和耐电解质的塑料组成。
11、根据权利要求1～10之一的电化学池，其特征在于，支撑元件(1，1a，1b)在面对耗氧阴极(4)的一侧做成金属导电的。
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