CS217391A3 - Electrolyzer comprising at least two elementary electrolytic cells being connected in series along a common vertical axis - Google Patents

Description

JUDr. Miloš VŠETEČKAadvokát 115 04 PRAHA 1, Žitná 25 -1- •o 2> ELEKTROLYZER OBSAHUJÍC! ALESPOŇ DVEBUŇKY ZAPOJENÉ DO SERIE PODÉL SPOLEČNÉ

~U

XJ SSSNTg

ELE^MjNÍ ^XEKTROLYJICKÉ * _3 •c-< mN-<

Oblast techniky

Vynález se týká elektrolýzám, který obsahuje θΐΦδρ'Οΐelementární elektrolytické buňky zapojené do serie podél spo- v léčné svislé stěny, která vytváří elektrické spojení mezi buň-kami .

Dosavadní stav techniky

Ve známých elektrolyzérech výše uvedeného typu společnásvislá stěna obou buněk nese obecně na jedné straně anodu jed-né z buněk a na druhé straně katodu jiné buňky. Pro tento účelje společná stěna obvykle tvořena dvěma deskami z odlišných ko-vů, spolu pevně spojenými, například svařením. V případě elektro-lyzérů používaných pro elektrolýzu vody nebo vodných roztokůje deska nesoucí anodu obecně z titanu, druhá deska je ze že-leza, z oceli, z niklu nebo ze slitiny těchto kovů. Přítomnostdesky z titanu sdružené s deskou z odlišného kovu může působitobtíže při využití elektrolyzéru. Tyto obtíže jsou spojenys vyvíjením atomárního vodíku na katodě během elektrolýzy. v Část atomárního vodíku migruje napříč deskami společné stěnya tvoří hydrid titaničitý uvnitř titanové desky, což může véstk jejímu rozpadu. Dále je zde nebezpečí vyvíjení molekulárníhovodíku na spoji desek kovové stěny, což vede ke vzniku vnitř-ních mechanických napětí schopných způsobit trhliny desek nebozpůsobit místní 'lomy spojovacího svaru desek.

Pro odstranění těchto nedostatků bylo navrženo vložit me-zi desku z titanu a desku ze železa, oceli nebo niklu foliize záchytného materiálu bránící migraci atomárního vodíku dodesky z titanu. Jako záchytný materiál byl navržen wolfram,zinek, bór, křemík, kadmium, uhlík, germanium a hliník, vizpatentový spis BE-A-815411. Ačkoliv toto řešení odstraňuje vy-víjení hydridu titaničitého, nezamezuje vytváření oblastí mo-lekulárního vodíku na spoji katodické desky a folie ze záchyt-ného materiálu.

Byly také činěny úvahy o vytvoření mezery mezi oběma des-kami svislé stěny k vytvoření komory svisle uspořádané pro od-čerpání vodíku po jeho migraci napříč deskou nesoucí katodu,viz patentový spis Spojených států amerických A-4088551. -2- V tomto známém uspořádání je elektrické spojení mezi dvěma des- v kami svislé stěny společné dvěma buňkám zajištěno kovovými pásyrozmístěnými v intervalech po povrchu desek. V britském patento·vém spise GB-A-2027053 se navrhuje podobné řešení, kde komoravymezená mezi dvěma deskami je vyplněna vodivým porézním mate-riálem, například polymerickým buňkovitým materiálem vyplněnýmkovovými částicemi. V těchto známých elektrolyzérech není elek-trické spojení mezi dvěma deskami homogenní a kromě toho před-stavuje elektrický odpor, který není zanedbatelný, protože totospojení není vytvořeno po celé ploše povrchu desek. Úkolem předloženého vynálezu je odstranit výše popsané ne-výhody známých elektrolyzérů vytvořením prostředku k realizacikovové stěny společné dvěma sousedním elektrolytickým buňkám,která by měla velmi malý elektrický odpor a účinně zachycovalaplyn migrující do vnitřku steny.

Podstata vynálezu

Vynález řeší úkol tím, že vytváří elektrolyzér obsahujícíalespoň dvě základní elektrolytické buňky zapojené elektricky doserie podél společné svislé stěny, která obsahuje dvě svislékovové desky uspořádané proti sobě jako strany obvodového rámupro vymezení svislé komory, přičemž jedna z desek nese anodujedné buňky a druhá deska nese katodu jiné buňky, jehož podsta-ta spočívá v tom, že komora obsahuje kovovou hmotu, jejíž teplota tavení je nižší než teplota panující v komoře během činnostielektrolyzérů. V elektrolyzérů podle předloženého vynálezu jsou dvě buň-ky sousedící. Jedna z desek tvoří prvek stěny jedné z obou bu- v něk a nese anodu této buňky, a druhá deska tvoří prvek stěnydruhé buňky a nese její katodu. Desky mohou tyto elektrody tvo-řit nebo sloužit jako nosiče elektrod, jak je tomu napříkladv případě buně&amp; popsaných v patentovém spise Spojených státůamerických A-4088551· Desky jsou vytvořeny z elektricky vodi-vého materiálu schopného odolávat mechanickým, tepelným a che-mickým podmínkám panujícím normálně v buňkách během činnostielektrolyzérů. Tak například v případě elektrolyzérů určenéhopro elektrolýzu vodných roztoků chloridu sodného může být des-ka nesoucí anodu vytvořena z některého filmogenního kovu zvo-leného ze skupiny zahrnující titan, tantal, niob, zirkon -3- a wolfram a deska nesoucí katodu může být vytvořena z kovu zvo-leného ze skupiny zahrnující železo, nikl a kobalt a jejich sli-tiny. V případě, kdy deska z filmogenního kovu tvoří alespoňčást anody, tato deska je alespoň ná části své strany umístěné v v buňce, povlečena elektricky vodivým povlakem představujícímslabé přepětí pro oxidaci iontů chloridu. Tento povlak může býtvytvořen z látky zvolené mezi kovy skupiny platiny zahrnujícíplatinu, ruthenium, rhodium, palladium, iridium, osmium, jejichslitiny a jejich oxidy. Povlak může být výhodně vytvořen zesměsi krystalů oxidu kovu skupiny platiny a oxidu filmogenníhokovu uvedeného výše. Ostatně se doporučuje povléknout vrstvouniklu tu stranu desky z filmogenního kovu, která je umístěnauvnitř svislé komory. Tato vrstva niklu může být získána ja-koukoli vhodnou technikou poniklování. Má za účel zlepšitsmáčení desky roztavenou kovovou hmotou.

Obě desky společné stěny dvou buněk jsou uspořádány navzá-jem proti sobě z jedné a druhé strany obvodového rámu k vymeze-ní svislé komory. Sestavení rámu a dvou desek má být hermetické,aby komora mohla během činnosti elektrolyzéru být naplněna ka-palnou látkou. Pro tento účel je možno použít rám z pružnéhomateriálu, který se stlačí mezi dvě desky, nebo tuhý rám, na-příklad z kovu nebo·z polymerického materiálu, který se vložímezi dvě desky s proloženými těsnicími spoji, nebo se přivaříči hermeticky přilepí na obě desky. Ostatně je záhodno vytvořit v alespoň jeden otvor v horní oblasti komory pro umožnění únxkuplynného vodíku z komory. Tento otvor může být proveden napříčrámem.

Podle předloženého vynálezu komora mezi dvěma deskami ob-sahuje kovovou hmotu, jejíž bod tavení je nižší než teplota,která normálně panuje v komoře během normální činnosti elektro-lyzéru. Volba kovové hmoty bude záviset na teplotě při normálníčinnosti elektrolyzéru a tedy od prováděného elektrolytickéhoprocesu. V případě elektrolyzéru určeného k elektrolýze vodynebo vodných roztoků se zvolí kovová hmota, jejíž teplota ta-vení je nižší než 100 °C, například rtut. tíěhem normální činnosti elektrolyzéru kovová hmota zajiš-tuje přenos elektrického proudu napříč stěnou společnou dvěmabuňkám. Když je přivedena na teplotu vyšší než její bod tavení, -4- stane se kapalnou. Vodík, který migruje napříč stěny a dosáhnekomory, může z ní také uniknout tím, že pronikne kapalnou ko-vovou hmotou. V jenom výhodném způsobu provedení předloženého vynálezumá kovová hmota teplotu tavení vyšší než je teplota okolí, na-příklad vyšší než 25 °C. Tento způsob provedení má také tuzvláštnost, že kovová hmota je pevná při teplotě okolí a kapal-ná při teplotě odpovídající normální činnosti elektrolyzéru.

Tento způsob vytvoření předloženého vynálezu má výhodu v tom, žezjenodušuje montáž a demontáž elektrolyzéru. Příklady kovovýchhmot použitelných v tomto způsobu vytvoření předloženého vyná-lezu osou binární eutektická slitina 68,0 % hmotnosti rubidiaa 32,0 % hmotnosti draslíku o teplotě tavení 33 °u, kvartérníeutektická slitina 49,5 % hmotnosti vizmutu, 17,6 % hmotnostiolova, 11,6 % hmotnosti cínu a 21,3 % hmotnosti india o teplo-tě tavení 58,2 °υ, ternárni eutektická slitina 51,0 % hmotnostiindia, 32,5 % hmotnosti vizmutu, 16,5 % hmotnosti cínu o tep-lotě tavení bO,5 °C, Woodova slitina, to je kvaternární sliti-na 50 % hmotnosti vizmutu, 25 % hmotnosti olova, 12,5 % hmotnosticínu a 12,5 % hmotnosti kadmia o teplotě tavení 70 °C, binárníeutektická slitina 67 % hmotnosti india a 33 % hmotnosti vizmutuo teplotě tavení 70 °C a ternárni slitina 51,6 % hmotnosti viz-mutu, 40,2 % hmotnosti olova a 8,2 % hmotnosti kadmia o teplotětavení 91,5 °C. V technické literatuře je možno nalézt i jinépříklady kovových slitin použitelných v elektrolyzéru podle před-loženého vynálezu, například pojednání v Handbook of Chemistryand Physics, 52. vydání, The Chemical Rubber Co., 1971, str.F-18,"Low melting point alloys”.

Elektrolyzér podle předloženého vynálezu je zvláštně způso-bilý pro elektrolytické procesy s vodnými roztoky chloridu sod-ného při pracovních teplotách blízkých 100 °C, například v roz-sahu od 80 do 120 °C. Předložený vynález také nalézá výhodné po-užití při konstrukci elektrolyzéru určených pro výrobu vodnýchroztoků chlorečnanu sofného elektrolýzou vodných roztoků chlo-ridu sodného. Další zajímavé použití nalézá při konstrukci elek-trolyzérů s prúlinčitými nádobami nebo membránami selektivněpropustnými pro kationty, používaných pro výrobu chloru a vod-ných roztoků hydroxidu sodného elektrolýzou vodných roztokůchloridu sodného. -5- Přehled obrázků na výkresech

Vynález je znázorněn na výkresech, kde obr.1 je podélnýsvislý rez elektrolyzérem podle předloženého vynálezu přeru-šeny ve dvou místech, obr.2 znázorňuje ve větším měřítku detailelektrolyzéru z obr.1 a obr.3 znázorňuje řez podél čáry III-IIIz obr.2. Přiklad provedeni vynálezu

Elektrolyzér znázorněný v obr.1 je určen pro výrobu vod-ných roztoků chlorečnanu sodného elektrolýzou vodného roztokuchloridu sodného. Elektrolyzér obsahuje elementární buňky χvložené mezi dvě koncové elementární buňky 2 a J. Elementární v buňky χ obsahují elektrolytickou komoru omezenou vodorovnouboční stěnou obdélníkového průřezu a dvěma koncovými stěnamiβ, které jsou společné dvěma sousedícím elementárním buňkám χ.

X

Koncové elementární buňky 2 a obsahují také vodorovnou boč-ní stěnu £, koncovou stěnu 6 vloženou mezi ni a sousední ele- v mentérní buňku χ a jednu koncovou stěnu 7 připojenou ke zdrojistejnosměrného proudu, který není znázorněn. Dvě trubky 8 a 9.spojené s elektrolytickou komorou jsou určené pro připojeníjedna ke společné nádrži, ze které se přivádí vodný roztok chlo-ridu sodného, druhá ke společné nádrži, do které se odvádějíprodukty elektrolýzy.

Obrázky 2 a 3 znázorňují ve větším měřítku koncovou stěnu x 6 společnou dvěma sousedním elementárním buňkám χ. Koncová stě-na &amp; obsahuje dvě svislé kovové desky 10 a 11 uložené proti so-bě po obou stranách obvodového rámu 12. Kovová deska 10 jez titanu a nese anodu sestávající ze řady svislých plechů 13přivařených příčně ke kovové desce 10. Svislé plechy 13 jsouz titanu a mají povlak vytvořený ze směsi krystalů oxidu ruthe-ničitého a oxidu titaničitého. Kovová deska XX je z oceli a nesekatodu tvořenou řadou svislých plechů 14 z ocele přifařenýchke kovové desce 11. Obvodový rám 12 je z ocele a má v sobě nasvé horní části řadu otvorů 1 Kovové desky 10 a 11 jsou těs-ně připevněny k obvodovému rámu 12, aby byla vytvořena těsnákomora 16. Kovové desky 10 a 11 jsou také těsně připevněnyk vodorovným bočním stěnám dvou sousedních elementárních bu-něk χ. Připevnění kovových desek 10 a 11 K vodorovným bočnímstěnám, 5 a k obvodovému rámu 12 může být provedeno svařováním. -6- Dává se však přednost spojení šrouby a maticemi, což má výhodupři montáží a demontáži elektrolyzéru podle vynálezu.

Koncová stěna Ί_ koncové elementární buňky 2 je deska z ti-tanu obdobná kovové desce 10 společné koncové stěny 6 a jako ta-to nese anodu tvořenou řadou svislých plechů 13 z titanu opat-řených povlakem z oxidu rutheničitého a oxidu titaničitého.Koncová stěna 2 koncové elementární buňky 2 je deska z oceleshodná s kovovou deskou 11 společné koncové stěny 6 a jako tatonese katodu sestávající ze řady svislých plechů 14 z ocele.Připevněni koncových stěn 2 k vodorovné boční stěně % koncovýchelementárních buněk 2 a je podobné jako u kovových desek 10a 11.

Ve všech elementárních buňkách J_»2 a 3 se svislé plechy 13kovových desek 10 střídají se svislými plechy 14 kovových desekli· V souhlase s předloženým vynálezem těsná komora 16 konco-vé stěny 6 je z Woodovy slitiny obsahující 50»0 % hmotnostivizmutu, 25 % hmotnosti olova, 12,5 % hmotnosti cínu a 12,5 %hmotnosti kadmia a mající teplotu tavení 70 °C. Slitina vypl-ňuje téměř celý objem těsné komory 1 ž. Nicméně nad slitinou mábýt ponechána malá mezera 17 k umožnění jejího rozpínání běhemčinnosti elektrolyzéru.

Pro sestavení koncové stěny 6 postačí složit kovové desky10 a 11 s rámem 12 a potom do těsné komory 16 otvorem 15 vlo-žit slitinu předem zahřátou na teplotu vyšší než je teplota ta-vení slitiny. Při následujícím sestavení elektrolyzéru je sli-tina v pevném stavu v těsné komoře 16. Při činnosti elektrolyzéru podle předloženého vynálezuse trubkami 8 zavede do elementárních buněk a 2 vodný roz-tok chloridu sodného a koncové stěny 2 se připojí ke svorkámzdroje stejnosměrného proudu, který není znázorněn na výkresech.Roztok chloridu sodného v elementérnicn buňkách a 2 0e elek-trolyzován a trubkami 2 se odvádí vodný roztok chlorečnanu sod-ného a vodík vyvíjený na svislých plechách 14 katod. Účinkemtepla vyvíjeného při elektrolýze se roztaví kovová hmota obsa-žená v těsných komorách 16. Když atomární vodík difunduje napříčkovovou deskou 11 až do těsné komory 16, probublává kapalnoukovovou hmotou a uniká otvory 1 5« Kapalná kovové hmota v těsnýchkomorách 16 zajištuje také cirkulaci elektrického proudu mezisousedními elementárními buňkami 1.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ

   1. Elektrolyzér obsahující alespomlvě e ní buňky zapojené elektricky do serie podél společné svislé stě- ny, která obsahuje dvě kovové desky uspořádané proti sobě nastranách obvodového rámu pro vymezení svislé těsné komory, při-čemž jedna z kovových desek nese anodu jedné elementární buňkya druhá kovová deska nese katodu druhé elementární buňky, vyzna-čující se tím, že těsná komora (16) obsahuje kovovou hmotu, je-jíž teplota tavení je nižší než teplota panující v těsné komoře(16) během činnosti elektrolyzéru.
2. 2. Elektrolyzér podle bodu 1, vyznačující se tím, že v horníčásti obvodového rámu (12) jsou vytvořeny otvory (15).
3. 3. Elektrolyzér podle bodu 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obvodový rám (1 2) je tuhý a je připevněn ke kovovým deskám (10,11) sestavou šroubů a matic.
4. 4. Elektrolyzér podle kteréhokoli z bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že teplota tavení kovové hmoty je v rozsahu od 25 do 100 °C. <
5. 5. Elektrolyzér podle bodu 4, vyznačující se tím, že kovová hmo-ta je slitina sestávající z 50 % hmotnosti vizmutu, 25 % hmot-nosti olova, 12,5 % hmotnosti cínu a 12,5 % hmotnosti kadmia.
6. 6. Elektrolyzér podle bodu 4, vyznačující se tím, že kovová hmota je binární eutektická slitina india a vizmutu.
7. 7. Elektrolyzér podle kteréhokoli z bodů 1 až 6, vyznačujícíse tím, že kovová deska (10) nesoucí svislé plechy [13) anody je z titanu a kovová deska (11) nesoucí svislé plechy (14) kato-dy je ze hmoty zvolené ze skupiny zahrnující železo, nikl, ko-balt a jejich slitiny.
8. 8. Elektrolyzér podle kteréhokoli z bodů 1 až 7, vyznačující se tím, že anoda a katoda jsou tvořeny svislými plechy 13 a 14upevněnými napřič na kovových deskách 10 a 11 .
9. 9. Elektrolyzér podle kteréhokoli z bodů 1 až 8, vyznačujícíse tím, že je určen k elektrolýze vodných roztoků.
10. 10. Elektrolyzér podle bodu 9, vyznačující se tím, že je určenk výrobě vodných roztoků chlorečnanu sodného elektrolýzou vod-ných roztoků chloridu sodného. Zsrstupujer-