CN86102194A - 单、双极电解槽及其电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的电解槽，至少有一个在两个终端电极结构间的中间电极结构及其每侧上的一块供应电流、电解液及排出电解产物的隔离片。中间电极有至少含一高度导电金属片的中心部分(1)；有或没有一组基本平行且在(1)两个表面上的凸出肋(2，10)；一个在(1)每侧上的抗蚀金属衬套(3)。(1)有肋时，使(3)冷或热成形装在(2，10)上；(1)无肋时，使平行肋(10′)固定于(3)。(3)有与其平行的外围突出边(4)。

Description

本发明涉及单、双极隔片或单、双极隔膜电解槽，具体涉及由多重电解池构成的电解槽，更具体与其电极分布和电流分布及电极的结构有关。

正如本行业专家广为知道的那样，许多隔离片（多孔隔片或离子交换膜）所装备的电解槽由一系列中间电极结构组成，隔离片置于阳极室与阴极室之间，中间电极结构实行电连接且置于两个电极终端结构之间。每一电解槽的电池用许多隔离片隔开，该隔离片作为电流分布器及支撑电极的装置。电极通常由合适的材料制作成的多孔片或穿孔片或小孔片构成，例如，用钛制阳极，镍或钢制阴极。

每一中间电极结构由一个所述的隔离片及相应的电极组成。

所述电极结构安装在所谓的压滤器装置中，电极装置用诸如连接杆、支撑柱之类的合适的器件压在一起。从具体需要和实际经济考虑，电接线既可用串联也可用并联。

在串联情况下，加在电极终端结构上的电流导致属于同一电极结构的电流分布面间的双极性，因此由一个面支撑的电极就是电池的阳极，而由其反面支撑的电极就是相邻电池的阴极。

在并联情况下，使用一系列的电接触输送电流，这些电接触连接着导电条和每一所述隔离片。这样，电流纵向地从隔离片流过，然后依靠支撑部分传输至电极。采用并联时，将两个相邻电池隔开的同一导电片支撑的两个电极具有相同极性（单极电解槽）。为了保证此类电解槽的电流尽可能均匀分布，就有必要将电流分布片内部的电阻损耗减至最小程度。正如所知，电流的不均匀分配会导致能量损耗的增加及电极和隔膜使用寿命的缩短。

电解槽越大，则电流分布片上的电流更难均匀分布，所以，具有良好导电性能的材料是制作导电片的最佳材料。十分遗憾的是，表现出良好的导电性能的金属常常又不能承受住电解槽腐蚀性的环境。因此，实用中的金属实际上不太导电，但却具有承受电解槽环境的能力，例如，采用钛作阳极结构，采用镍作阴极结构。所以，实际上输送到距离导电条连接处较近的电流分配片部分的电流，要比输送到距离导电条连接处较远的电流分布片部分的电流大。

进一步遇到的问题就是所述电解槽的装配过程，这一过程包括若干个将电极连接至支撑工具上的焊接，支撑工具依次焊接在电流分布片上。美国专利第4，464，242号，通过一个冲压过程在金属片两侧获得支撑电极的结构，从而减少了安装的复杂性。这种又起着电流分布片作用的金属片必须用抗蚀性材料制得，这样，由于上述原因，考虑到压制片的尺寸，在一定限度内保持电流分布的不均匀性的需要使受到了极其严格的限制。

美国专利第4，488，946号描述了一种带有一个电流传导及分布装置的电极结构，电流传导及分配装置的两侧带有间柱及凸部，间柱及凸部由低电导率的粗质材料制成（钢、铸铁或类似的材料），为了补偿电阻损耗，电极结构厚度突出，而且通过铸型而获得。铸铁、铸钢或类似材料的铸件则必须用抗蚀性金属衬套覆盖，适当成形，用电焊使之与间柱和凸部相连。

这样制成的电极结构实际上考虑到了电流的均匀分布，正如美国专利第4，464，242号，所需电焊数目也能容许，然而为了使电阻损耗降至最小，电极装置需要较大厚度，每一单个电极结构质量很大，而且作为一个简单的冲压过程，铸塑当然也不是那样容易和经济。

本发明可获得一种滤压电解槽，甚至可以是一种为使电流的均匀分布而装备的大尺寸电解槽，它重量轻，装配过程简单且经济。

更具体地说，本发明电解槽具有两个电极终端结构，至少有一个中间电极结构安插在所述电极终端结构之间，在所述中间电极结构的每一侧上的隔离片（多孔隔片或离子交换膜）将电解槽分隔成阳极室和阴极室，隔离片作为传输电解电流至电解槽的工具和向电解室供应电解液及从电解室排出电解产物的工具。所述电解槽其特征在于中间电极结构包括有：

a）至少包括一块高度导电的金属片构成的电流传导及分布中心部分;

b）装备有或不装备有一组基本平行的、所述中心部分两个表面上凸出的肋条，这些肋条由对中心部分的一块或多块金属片的冷压或热压制得，也可用电学的或机械的方法将导电部件接在所述中心部分上而制得。

c）一对冷压或热压的衬套，所述中心部分的每一侧均有一个这样的衬套，衬套用抗蚀性金属制成，使这些衬套成形，以便在装配各种肋条时安装在肋条上;此外，当中心部分上无肋条时，衬套基本为带有加在其上的平行肋条的平整面;所述衬套具有基本上与衬套平面平行的外围凸出边;

d）基本上平整的电极隔板电连接至所述衬套。

该中心部分衬套、肋条和电极隔板相互之间实行电连接，支撑部件安插在每一衬套的外围凸出边与相应中心部分凸出区之间。

电流分布中心部分可以由一块、两块或更多块高度导电的金属片构成（例如，铝、铜或它们的合金）。便利的是，电流传导及分布中心部分由三块片构成：两块高度导电的外置金属片和比这两块金属片具有更大弹性模量的金属中间片。

中心部分用冲压或挤压的衬套覆盖，该衬套材料具有承受电解槽环境的能力。铁、碳钢、不锈钢、镍及镍合金是适合制作阴极侧壁的材料。在阳极侧壁上，用镍制成的衬套适用于碱性溶液存在的情况，而在有侵蚀性更强的溶液的情况下，例如碱金属卤化物溶液，则必须使用电子管金属，如钛、锆、钽。

使用这样的电流分布中心部分可获得的电极结构，重量足够轻，电阻损耗显著减小，而且尺寸大的电解槽情况也是这样，另外，装配方式简单、经济。

此外，在外部框架也由导电材料制成的情况下，就使电流传导中心部分内的纵向电流通路减少至一半，又促进了均匀电流的获得。而且框架带来了更可靠的外部衬垫密封性。

依照传统技术，尤其是用点焊接与连接焊缝的方法，可以实现本发明电极结构不同部件之间的机械连接和电连接，因为这类连接简单且容易进行，所以它是最佳连接。

不同部件本身的尺寸要求不很严格，但尺寸的决定须考虑到电极结构和电极平面的足够稳定性。

工业用电解槽中，电流分布中心部分最好用一块具有适当厚度的铜片或铝片构成，而抗蚀性衬套由冷压或热压金属片制得，钛片作阳极室，镍片作阴极室，或也可用其它合适的材料。

肋条基本上是平行、等距和适当间隔分开的，例如，间隔为10-15厘米，而纵向延伸方向基本就是垂直方向，电流分布中心部分一侧上的金属肋条可以与另一侧上的肋条相对错开。

假设肋条不是直接用冷压或热压或中心部分金属片成形的方法制得，则可以例如用冷成形的导电金属部分制成（例如，铜部分为中心部分肋条，钛或镍部分为衬套肋条），金属部分的厚度是1.5-2毫米，然后用上述技术使金属部分与中心部分或衬套连接起来。

同样，肋条的形状要求也很不严格：例如，一个合适的形状实际是一个具有梯形的横截面形状，截面带有与电极网保持接触的小基点，金属条宽度大概是3-10毫米，而高度可能大约为20-25毫米。假如肋条由金属部分构成，实际上它就可便利地具有L形，U形或梯形的横截面。

电极结构是一种液体和气体可渗透的多孔结构。通常所述电极结构至少由一块金属隔片或一块多孔金属片构成。正如本行业众所周知的，制作所述电极结构的合适材料是：

阴极：铁、碳钢、不锈钢、镍和镍合金;

阳极：碱性溶液情况下：镍;

侵蚀性更强的溶液情况下（诸如碱性卤化物溶液）：电子管金属，例如，覆盖有电解催化剂涂层的钛、锆、钽，电解催化剂涂层含有铂族金属和/或它们的化合物，且化合物最好是它们的氧化物。

如上所述，本发明的电极结构不仅可以用于双极电解槽，而且可用于单极电解槽。在单极电解槽情况下，衬套和相应的电极网位于电流分布中心部分的对侧，很明显，电流分布中心部分由同种材料制得;相反，在双极电解槽的情况下，镍或钢制成的衬套和网无论是否被适当活化，都可以应用在阴极侧壁上，而钛多孔片和较纯的钛隔网不管是否被适当活化，都可应用在阳极侧壁上。

本发明特征之一由下列事实描述，这就是，中心部分没有肋条的情况下，用于衬套上的垂直肋条与衬套的外围凸出边隔开，这样，在所述肋条端头有一可提供电解质循环的空出部分，伴随排放气体且向上升起的电解液至少要部分的向下、沿着肋条形成的路径再次循环。电解液的再次循环导致它的活化。

本发明的电极结构还可以用于SPE电解槽中，在那里电极以很细的粉末形式粘着或嵌入离子交换膜中，该粉末起电解质作用。在这种情况下，由合适的弹性电传导部件提供电极和肋条间的电流传输，肋条是与网膜相连接的。

本发明电解槽使用于工业电解，尤其使用于电解钾碱溶液生产氢气、氧气，电解食盐溶液生产氯气、氢气和氢氧化钠。

以下说明有一些本发明最佳实施例的参考资料，但必须知道，这些实施例不会用来构成对本发明的限制。现用下例参考附图描述本发明。

图1所示，是一个最佳实施例的水平的横截面部视图，其中肋条由一块高度导电金属片组成，采用电流传导及分布中心的冷成形方法而得到。

图2所示，是本发明另一实施例的一个分解部件的水平横截面剖视图，其中，电流分布中心部分由两块附着于一块中间片的，冷成形的高度导电金属构成，中间片起着坚固结构的作用;中心部分则由适当成形的衬套覆盖，衬套用抗蚀性导电材料制成，相对的肋条错开。

图3所示，是另一实施例的一个分解部件的水平横截面剖视图，其中，每一中心部分薄片的肋条互相对立且叠合放置，该中心部分由连在一起的两块薄片构成。

图4所示，为本发明的另一个实施例，其中，肋条由固定在电流分布中心部分的冷压部分构成。

图5所示，为本发明一个电极结构的部件分解透视图，该电极结构包括图2的构造部件。

图6a和6b所示，分别是又一实施例的正视图和横向截面视图，这里伸出的肋条与衬套相接触，为促使电解液的循环，所述肋条终端留有一个开放空出处。

图中同样的参照数字标明同样的部件或对应的部件。

参考图1，根据制得肋条2的金属片的厚度及种类，用冷压或热压的方法使电流传导及分布中心部分1适当成形，肋条2对立且错开地置于两侧。两个冷压或热压的衬套3，例如用焊接方法，固定在所述的肋条2上的顶端，再连同其外围凸出边4一起固定于框架构件5形状的金属部件上，衬套3在单极电解槽和双极电解槽中分别由同种材料和不同种材料制成，但无论如何，这些材料可以承受住电解槽的环境。

由两个凸边4构成的组件起着坚固电极的作用和液体密封表面的作用。电流分布中心部分1的外围边缘和两个框架构件5依次地安插在中心部件1和衬套3之间。框架构件5用导电材料制成，因此结构5进一步改善了电流分布中心部分上的电流分布，这是因为电流沿着整个中心部分边缘输送，而实际上电流的路径减少到了一半。

此外，理想的衬垫外部密封的获得，其结果比美国专利第4，464，242号描述的密封更为有效。

电极网6附着在肋条2上，而且用相同或不同材料制成，这取决于电解槽是单极还是双极。

图2说明本发明一个电解槽的一个电极终端结构和中间电极结构，其中电流传导和分布中心部分实际上由平整、坚固的金属片7和附着于片7的冷成形薄片1构成，薄片1用高度导电的金属制成（铜、铝和类似的材料）。如图1所示，电流传导中心部分由带有固定于结构5的外围凸出边4的衬套3保护。

参照数字6指向电极网，而参照数字8指向隔离片（离子交换膜或多孔隔片），该隔离片置于阳极与阴极室之间，带有相应的衬垫9。

图3说明本发明的又一实施例的两个具有代表性的电极中间结构。电流传导及分布中心部分由两块金属片1构成，两块金属片1的如此形式致使在装配两块金属片1时相对侧上的肋条2产生叠合。如图2所示，可放置一中间平片于两块片1之间，该中间平片起坚固作用，它的制作材料虽然表现较低的导电率（例如碳钢）或甚至是惰性材料（例如，塑料材料），但却要比制作两块片1的材料具有更大的弹性模量。图3所说明的其他部件与图1或图2的部件相对应。

图4说明本发明的另一实施例，其中肋条10由冷成形的部份构成，冷成形部分的横截面为L形（图4b）或梯形（图4a），依照现有技术，肋条10电连接至电流传导及分布中心部分7。

显然，肋条10的形状要求不十分严格而且可以不同于本申请所说明的肋条形状，制成肋条10的材料表现出良好的导电性能，诸如铝或铜。肋条的数量也不是要求十分苛刻，但为了给予电极合适的机械支撑，使得电流均匀分布及装置适当坚固，肋条的数量必须足够多。

图2的中间电极结构在图5中用透视图说明，其中可清楚地看到支撑电极网6的肋条2。实际上，所述的肋条相互平行且在垂直方向延伸。电流通过部件11传输到电流传导及分布中心部分7及具有大横截面的传输结构5，电流没有明显阻损失地均匀分配到电极6。

图6a和6b说明本发明另外的一个实施例，这里，电流传导及分布中心部分1由单独一块平片构成，例如，可用铜制作成。衬套3为槽的形成，其边缘带有合适的凸出边4。与所述衬套3底部接触的肋条10′也被采用，肋条10′具有梯形的横截面。为了留出一个开放部分，肋条10′的端头与凸出边4隔开放置，这是考虑到电解液要通过具有梯形横截面的路径，向下再作循环，这些电解液是向上升起的且伴有排放出的气体。这样，电解液的内在循环便得到改善。

图6b中，大致说明中心部分和衬套间的电连接及机械连接，参照数字12对此也予以标明。所述连接用点焊法可获得有利的效果。

Claims (14)

1、一个带有两个电极终端结构和至少一个置于所述终端结构之间的中间电极结构及一个在所述中间电极结构每一侧上的隔离片(多孔隔片或离子交换膜)的电解槽，该中间电极结构每个侧面上的隔片将电解槽分成阳极室和阴极室，而隔离片作为将电解电流传输至电解槽的工具和向电解室供应电解液及从电解室排出电解产物的工具，所述电解槽其特征在于中间电极结构包括有：

a)一个电流传导及分布中心部分(1)由至少一片高度导电的金属构成；

b)装备有或不装备有一组基本平行的、所述中心部分(1)两个表面的凸出肋条(2，10)，该肋条采用冷压或热压一块或多块中心部分薄片或将导电部分机械连接或电连接至所述中心部分而得到。

c)一对衬套(3)，这样的衬套在中心部分每一侧上均具有一个且用抗蚀性金属制成，在中心部分有肋条的情况下，要使这些衬套成形以便装配于所述肋条(2，10)；否则，在中心部分没有肋条(10)的情况下，衬套基本上为平整面，它带有加在其上的平行肋条(10′)，所述衬套外围突出边(4)基本与衬套平面平行。

d)实际上，平面电极隔片(6)电连接至所述衬套(3)：

所述中心部分(1)，肋条(2，10，10′)，衬套(3)和电极隔片(6)相互之间用电连接，框架构件(5)安插在每一衬套(3)的外围凸出边(4)与中心部分(1)的外围区之间。

2、权利要求1中的电解槽，其特征在于，肋条（2，10，10′）基本相互平行、等间距放置且基本上在垂直方向上纵向延伸。

3、权利要求1或权利要求2中的电解槽，其特征在于肋条（2，10）由冷压或热压中心部分薄片而得到，且实际上具有梯形横截面。

4、权利要求1中的电解槽，在那里电流传导及分布中心部分（1）上没有肋条，而是只有用衬套（3）上的垂直肋条（10′），其特征在于所述垂直肋条（10′）的终端空出且与相应的衬套（3）的外围凸出边（4）隔离。

5、权利要求1，2或4中的电解槽，其特征在于导电肋条（2，10，10′）由冷成形的金属部分构成。

6、权利要求5的电解槽，其特征在于构成肋条（2，10，10′）的冷成形金属部分具有L形，U形或梯形横截面。

7、任何上述权利要求的电解槽，其特征在于电流传导及分布中心部分（1）由单独一块薄片制成。

8、权利要求1至权利要求6的电解槽，其特征在于电流传导及分布中心部分（1）由一种高度导电金属的两块薄片构成。

9、权利要求1至权利要求6中的电解槽，其特征在于电流传导及分布中心部分（1）由三块薄片构成，外置的两块薄片为高度导电金属，中间片的金属具有比其它两块薄片的金属更大的弹性模量。

10、权利要求1至权利要求9中的电解槽，其特征在于用电焊使衬套（3）附着于电流传导及分布中心部分（1）。

11、上述任何权利要求中的电解槽，其特征在于当衬套（3）用于单极电解槽时，电流传导及分布中心部分（1）两侧上的衬套（3）用同种材料制成。

12、权利要求1至权利要求10的任何权利要求中的电解槽，其特征在于当衬套（3）用于双极电解槽时，电流传导及分布中心部分（1）两侧上的衬套（3）用不同种材料制成。

13、权利要求11或权利要求12中的电解槽，其特征在于衬套（3）的制得是用镍和钢作阴极室，用钛作阳极室。

14、上述任何权利要求中的电解槽，其特征在于许多部件以框架5的形式安插在衬套（3）的外围凸出边（4）和导电材料制成的电流传导及分布中心部分凸边区之间。

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