CZ20014027A3 - Elektrodová sestava - Google Patents

Description

Elektrodová sestava

Oblast techniky

Vynález se týká elektrodových sestav pro použití, např. v bipolárních elektrolyzérech, zejména v modulárních bipolárních elektrolyzérech, a rovněž v palivových článcích.

Dosavadní stav techniky

Ze stavu techniky jsou dobře známé monopolární elektrolyzéry s membránami kalolisového typu. Jeden z těchto elektrolyzérů je popsán v patentovém dokumentu GB 1,595,183. Výhodou těchto elektrolyzérů je to, že jsou snadno vyrobitelné, levné a snadno sestavitelné.

Ze stavu techniky jsou rovněž známé bipolární elektrolyzéry. Jako příklad může být uveden elektrolyzér popsaný v patentovém dokumentu GB 1,581,348.

V konvenčních bipolárních elektrolyzérech pro použití v elektrolýze vodných roztoků chloridu alkalických kovů bipolární jednotka zahrnuje anodu, která má vhodnou formu desky z kovu tvořícího film, obvykle z titanu, přičemž tato deska nese elektrokatalyticky aktivní povlak, např. povlak oxidu skupiny platinových kovů; a katodu, která má vhodnou formu perforované desky, např. perforované desky z kovu, obvykle niklu nebo měkké oceli, přičemž anoda a katoda jsou vzájemně elektricky vodivě spojeny k vytvoření bipolární jednotky. Mezi po sobě jdoucími bipolárními jednotkami, které jsou uspořádány v řadě, jsou umístěny oddělovače, takže anoda jedné bipolární jednotky je přivrácena ke katodě přilehlé bipolární jednotky s tím, že mezi katodou a anodou je umístěn oddělovač. Elektrolyzér rovněž zahrnuje anodový a katodový vývod.

• · • · 4 • ··

Při provozu elektrolytického článku bipolárniho typu je výhodné, aby vzdálenost mezi anodou a katodou byla pokud možno co nejmenši, aby se dosáhly minimální ohmické ztráty a tudíž minimální napětí na článku.

Oddělovače jsou obvykle přilehlé ke katodě nebo dokonce jsou v kontaktu s katodou, přičemž, aby se dosáhla malá mezera mezi katodou a anodou bez toho, že by současně došlo k poškození oddělovače, je žádoucí věnovat značnou pozornost výrobě elektrod, které jsou vhodně ploché, přičemž je žádoucí udržet tuto plochost v průběhu tepelné úpravy, ke které dochází pří potahování elektrody elektrokatalyticky aktivním potahem. Kromě toho, se musí věnovat velká pozornost sestavování jednotek v bipolárním elektrolyzéru, aby se zamezilo poškození oddělovačů.

Patent US 4,557,816 popisuje, že se rovnoměrná koncentrační distribuce elektrolytu na elektrodách v bipolárním elektrolyzéru popsaného v tomto patentu může zlepšit poskytnutím vertikálních kanálků na straně elektrody odvrácené od oddělovače pro sestupný proud tekutiny.

Patent US 4,643,818 popisuje, že se elektrický odpor bipolárniho elektrolyzéru popsaného v tomto patentu může snížit a rovnoměrná proudová hustota se může dosáhnout použitím pevných vícekontaktních vodivých prostředků mezi jednotlivými články v bipolárním elektrolyzéru.

Patent US 4,734,180 popisuje bipolární elektrolyzér zahrnující bipolární jednotky, které jsou uspořádány tak, že jejich zadní části jsou přivráceny jedna k druhé s tím, že mezi jednotlivými bipolárními jednotkami je umístěna explozně spojená deska z titanu a železa, a ve kterých jsou k elektrodě a k miskovitému tělu přivaleny vodivá žebra.

Patent US 5,225,060 popisuje, že se produkci plynových zón v horních částech anodových a katodových struktur bipolárního elektrolyzéru popsaného v tomto patentu může zabránit vytvořením prostorů, kterými neprotéká proud, v horních částech těchto struktur.

Patent EP 0,704,556 popisuje, že poskytnutí oddělovačů typu plyn-tekutina ve vrchní části anodových a katodových struktur bipolárního elektrolyzéru popsaného v tomto patentu minimalizuje kolísání tlaku, zhoršování membrány a změny napětí.

Patentová přihláška 98/55670 popisuje prvek pro bipolární elektrolyzér, jehož obě strany jsou vytvořeny z přírub a protilehlých výstupků. Tyto výstupky jsou výhodně ve formě komolých kuželů a jsou výhodně uspořádány v konfiguraci vystředěných šestiúhelníků pro zlepšení laterálnío míchání elektrolytu. Avšak, vertikálního míchání se dosáhne sestupnými kanálky, které snižují aktivní oblast elektrody, čímž zesilují změny proudové hustoty na elektrodě, což představuje problém pro provoz elektrolyzéru, při kterém se produkují vysoké proudové hustoty a pro konfigurace typu anoda/membrána/katoda s úzkou nebo nulovou mezerou a s iontoměníčovou membránou citlivou na nečistoty.

Patent EP 0 521 386 popisuje bipolární elektrolyzér, zahrnující elektrolytické článkové jednotky, které zahrnují elektrodové přepážky se shodnými ústupky a výstupky a s pletivy spojenými přímo nebo skrze pružiny s těmito výstupky. Tyto svislé elektrolytické článkové jednotky jsou spojeny do série s iontoměničovými membránami uspořádanými mezi přilehlými elektrolytickými článkovými jednotkami k vytvoření elektrolytické článkové sestavy. Avšak, zatímco ústupky a výstupky zajišťují dobré laterální míšení elektrolytu, • ·

vertikální míšení je slabé. Vzhledem k této skutečnosti, za účelem udržení změn koncentrace a teploty v článkových jednotkách uvnitř přijatelného rozmezí je žádoucí vnější recirkulace s energeticky náročným čerpáním, a tudíž dodatečný nákladný potrubní systém s nádržemi.

V elektrolytických článcích, které mají nulovou mezeru mezi anodou a katodou, mají sklon k vytváření tlaku působícího na oddělovač skrze anodu a katodu, se kterými je oddělovač v kontaktu, což má za následek odchýlení od rovnoměrnosti oddělovače a abrazy nebo dokonce roztržení oddělovače. To se stane zejména v případě, že oddělovač je tvořen iontoměničovou membránou a je žádoucí působení tlaku na membránu skrze anodu a katodu.

Cílem vynálezu je poskytnout elektrodovou sestavu pro bipolární elektrolyzér, která umožňuje použít velmi malé nebo dokonce nulové mezery mezi anodami a katodami v tomto elektrolyzéru bez toho, že by došlo k poškození oddělovače, která minimalizuje elektrický odpor použitím krátké svislé proud-nesoucí cesty probíhající mezí elektrodami a nízkoodporových materiálů pro téměř celé svislé proud-nesoucí cesty, a která poskytuje vynikající proudovou distribuci v celé elektrodové oblasti. Tato elektrodová sestava umožňuje jak horizontální tak i vertikální proudění kapalin uvnitř elektrodové sestavy, které napomáhává jejich cirkulaci a míšení, a má zlepšenou tuhost a pevnost, která dovoluje nižší toleranci, která má být dosažena v článkové konstrukci. Tato elektrodová sestava má jednoduchou konstrukci a je snadným způsobem vyrobítelná.

·· ·» · · ·· ···· ·· · · ·· • · ·« 9 · · * • · < · · · ···· • · « · · · · · «· « « c · · · · · ♦·

Podstata vynálezu

Podle prvního hlediska vynálezu je předmětem vynálezu elektrodová sestava pro použití, zejména v bipolárním elektrolyzéru, která zahrnuje plotnu s vnitřní částí a přírubovou částí probíhající podél okraje vnitřní části pro nesení plochého těsnícího prostředku k utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi přilehlých elektrodových sestav, přičemž oddělovač je umístěn mezi povrch anody první elektrodové sestavy a povrch katody druhé elektrodové sestavy tak, že anodový povrch je v podstatě paralelní s katodovým povrchem a je přivrácen ke katodovému povrchu, avšak je izolován od katodového povrchu, odsazen od katodového povrchu oddělovačem a je hermeticky utěsněn s oddělovačem; elektricky vodivou desku odsazenou od plotny; vstup pro tekutinu; a výstup pro tekutinu; přičemž elektricky vodivá deska je elektricky spojena s plotnou množinou elektricky vodivých prvků, ke kterým je elektricky vodivá deska elektricky vodivě připevněna a které poskytují elektricky vodivé cesty mezi plotnou a elektricky vodivou deskou, přičemž v případě, že elektricky vodivá deska je tvořena anodovou deskou, elektricky vodivá deska může být případně přímo elektricky spojena s plotnou, přičemž v případě, že elektrodová sestava je tvořena anodovou sestavou, vnitřní část plotny je opatřena množinou dovnitř vybíhajících výstupků, a v případě, že elektrodová sestava je tvořena katodovou sestavou, vnitřní část plotny je opatřena množinou ven vybíhajících výstupků, takže dovnitř vybíhající výstupky ve vnitřní části plotny anodové sestavy kopírují ven vybíhající výstupky ve vnitřní části plotny přilehlé katodové sestavy v sestavě zahrnující množinu elektrodových sestav.

Elektricky vodivá deska je výhodně vyrobena z kovu nebo ze slitiny kovů. V případě, že elektrodová sestava má být • 9 alkalických ventilového

99 9 99 ·9

9 99 ♦ ·

9·99· · 9

9 9 9 9 9 • 9 99 999 999 použita jako anoda při elektrolýze halogenidu kovů, elektricky vodivá deska může být vyrobena z kovu nebo ze slitiny obsahující zejména ventilová kov. V případě, že elektrodová sestava má být použita jako katoda při elektrolýze halogenidu alkalických kovů, elektricky vodivá deska může být vyrobena, např. z nerezavějící oceli, měkké oceli, niklu nebo mědi.

Je nutné si uvědomit, že v případě, že elektricky vodivá deska je anodou pro použití při elektrolýze solanky, potom tato deska nese elektrokatalyticky aktivní potah.

Elektricky vodivá deska může mít libovolnou vhodnou strukturu. Přesná struktura není rozhodující.

Výhodně každý výstupek ve vnitřní části plotny je elektricky vodivě spojen s elektricky vodivým prvkem, takže výstupky poskytují množinu bodů pro dodávku proudu, tudíž zlepšují proudovou distribuci v plotně, což vede k nižšímu napětí, nižší spotřebě energie a delší životnosti oddělovače a elektrodového potahu.

Výstupky ve vnitřní části plotny jsou výhodně odsazeny jeden od druhého v prvním směru a v druhém směru příčném k prvnímu směru. Výhodněji jsou výstupky symetricky odsazeny jeden od druhého. Tak např., výstupky mohou být vzájemně odsazeny o stejnou první vzdálenost v prvním směru a mohou být vzájemně odsazeny o stejnou druhou vzdálenost, která může být stejná jako první vzdálenost, v druhém směru příčném k prvním směru, přičemž druhý směr může být např. směr kolmý k prvnímu směru. Výhodně vzájemné odsazení výstupků je stejné v obou směrech.

Výstupky ve vnitřní části plotny mohou mít různé tvary. Tak např. výstupky mohou mít kopulovitý tvar, tvar mísy,

kuželovitý tvar, výhodně tvar komolého kuželu. Jako příklad způsobu výroby výstupků, může být uvedena podtlaková technika, explozní technika, lisovací technika nebo výhodně technika spočívající v přiložení nástroje s vhodným tvarem na opačný povrch vnitřní části plotny.

Hustota výstupků na vnitřní části plotny elektrodové sestavy je typicky asi 20 až 200 výstupků/m², výhodně 40 až 100 výstupků/m² .

Výška výstupků od roviny vnitřní části plotny může být, např. v rozmezí od 0,5 až 8 cm, výhodně od 1 do 4 cm, přičemž výška výstupků závisí na hloubce plotny. Vzdálenost mezi středy přilehlých výstupků na vnitřní části plotny může být, např. v rozmezí od 1 do 30 cm, výhodně od 5 do 20 cm. Rozměry elektrodové sestavy ve směru proudového toku, tj . vzdálenost mezi elektricky vodivou deskou a základnou plotny, je výhodně v rozmezí od 1 do 6 cm k poskytnutí krátké proudové cesty, která zajišťuje nízký úbytek napětí na elektrodové sestavě bez nutnosti použít komplikované zařízení pro nesení proudu.

Elektricky vodivé prvky, ke kterým je elektricky vodivá deska elektricky vodivě připevněna, jsou výhodně tvořeny sloupky.

V případě, že elektricky vodivý prvek, ke kterému je elektricky vodivá deska elektricky vodivě připevněna, má formu sloupku a je elektricky spojen s dovnitř vybíhajícím výstupkem ve vnitřní části plotny, délka proudové cesty mezi elektricky vodivou deskou a plotnou může být minimalizována.

V případě, že anodový sloupek je vyroben z titanu nebo jeho slitiny a katodový sloupek je vyroben z niklu nebo jeho slitiny, délka elektricky vodivé cesty probíhající skrze katodový sloupek je výhodně větší, naž je délka elektricky

·· vodivé cesty probíhající skrze anodový sloupek. Výhodně poměr délky elektricky vodivé cesty probíhající skrze katodový sloupek ku délce elektricky vodivé cesty probíhající skrze anodový sloupek je alespoň 2:1, výhodně alespoň 4:1 a nejvýhodněji alespoň 7:1. Tento poměr je typicky alespoň 10:1.

Délka sloupků závisí na provedení elektrolyzéru a na tom, zda sloupek je sdružen s anodovou deskou nebo katodovou deskou. Délka sloupku může být typicky v rozmezí od 0 do 10 cm, výhodně od 0 do 4 cm. Skutečnosti, že tato délka je rovna nule, je nutné rozumět tak, že vynález má modifikované provedení, ve kterém elektricky vodivá deska, která působí jako anodová deska, může být přímo elektricky spojena s příslušnou plotnou nebo alternativně může být spojena k příslušné plotně níže definovaným proudovým nosičem.

V případě, že elektricky vodivé prvky, ke kterým jsou připevněny elektricky vodivé desky, mají formu sloupků, každý sloupek je výhodně opatřen proudovým nosičem, jakým je např. prstenec, síto nebo drátěná vlna a který je přilehlý k elektricky vodivé desce pro vytvoření vícebodového elektrického kontaktu s elektricky vodivou deskou. Výhodně proudový nosič je tvořen víceramenným proudouvým nosičem, který je dále označován jako hvězdice. V některých případech se předpokládá, že elektrická spojení mohou být provedena bez nutnosti použití sloupků. Tak např. v případě anodové sestavy, vrchol každého dovnitř vybíhajícího výstupku může být elektricky spojen s anodovou deskou uvedeným proudovým nosičem, jakým je např. hvězdice.

Použití hvězdic zvyšuje počet bodů pro dodávku proudu na elektrické vodivé desce a zlepšuje jejich distribuci, čímž zlepšuje distribuci proudu, což vede k nižšímu napětí, nižší « ·

9
spotřebě energie a elektrodových potahů.	delší životnosti	oddělovačů	a

V případě, že je použita hvězdice, délka ramen a počet ramen na hvězdici se může měnit uvnitř širokého rozmezí. Typicky hvězdice zahrnuje od 2 až 100 ramen, výhodně od 2 do 8 ramen. Typicky každé rameno je dlouhé od 1 do 200 mm, výhodně od 5 mm do 100 mm. Odborník v daném oboru je schopen jednoduchým experimentem určit vhodné délky ramen vězdice a jejich vhodný počet na hvězdicí.

Hvězdice může být pružná nebo pevná. Tvar hvězdic a mechanické vlastnosti hvězdic v anodové sestavě mohou být stejné jako tvar hvězdic a mechanické vlastnosti hvězdic v katodové sestavě nebo mohou být rozdílné od tvaru hvězdic a mechanických vlastností hvězdic v katodové sestavě. Tak např., v anodové sestavě jsou často žádoucí relativně nepružné hvězdice s krátkými rameny, zatímco v katodové sestavě jsou žádoucí relativně pružné hvězdice s dlouhými rameny.

Použití pružně zatížených hvězdic alespoň při katodové desce umožňuje pružné zatížení elektrodových sestav, čímž se dosahuje provoz elektrodové sestavy s nulovou mezerou a s optimálním tlakem, který minimalizuje riziko poškození oddělovače a elektrody. Nulovou mezerou se rozumí to, že mezi elektricky vodivou deskou každé elektrodové sestavy a přilehlým oddělovačem není žádná mezera, takže přilehlé elektricky vodivé desky jsou při použití odděleny pouze tloušťkou oddělovače.

V případě, že oddělovač je tvořen membránou, pružně zatížené hvězdice poskytují rovnoměrnější podpěru pro membránu ve větší oblasti, a tudíž snižují pohyb membrány, který by jinak mohl vést k poškození membrány v důsledku,

např. ohybu, abraze nebo zkrabatění membrány.

Hvězdice je výhodně vyrobena ze stejného kovu jako elektricky vodivá deska, s kterou je hvězdice v elektrickém kontaktu.

Typicky hvězdice je přivábená k elektricky vodivé desce, s kterou je v elektrickém kontaktu.

Hvězdice může být připevněna ke sloupku konvenční technikou, jakou je např. svařování, připevňování šrouby nebo připevňování svěrkami.

Ramena každé hvězdice mohou radiálně vybíhat ze středové části určené pro připevnění hvězdice ke sloupku nebo v některých případech přímo k vrcholu příslušného výstupku. Ramena hvězdice mohou být rovnoměrně rozmístěny kolem středové částí, takže každá dvě přilehlá ramena svírají vždy stejný úhel.

Podle dalšího hlediska je předmětem vynálezu hvězdice pro použití v elektrodové sestavě, která je elektricky vodivě připevněna k elektricky vodivému prvku a k elektricky vodivé desce, takže distribuce proudu k elektrické vodivé desce je zlepšena.

Podle ještě dalšího hlediska předmětem vynálezu je anodová nebo katodová sestava, která zahrnuje elektricky vodivou desku, k jejíž jedné straně jsou připevněny hvězdice pro distribuci proudu, z nichž každá zahrnuje připevňovací část pro připevnění k plotně a množinu ramen radiálně vybíhajících z připevňovací části, takže dodávka elektrického proudu se uskutečňuje skrze tyto ramena. Toto uspořádání umožňuje snadné přivábení nebo jiný způsob připevnění anodové nebo katodové sestavy uvnitř oddělení elektrolytického článku nebo modulu a její vyjmutí, např. za účelem opravy elektricky

vodivé desky nebo nahrazení libovolného elektrolytického potahu na této desce.

V případě, že sloupek je opatřen proudovým nosičem, může být dále opatřen izolační čepičkou uspořádanou na konci sloupku, který je přilehlý k oddělovači.

V případě, že elektrodová sestava je tvořena anodovou sestavou, její plotna může být spojena s plotnou elektrodové sestavy, tvořící katodovu sestavu, zadními částmi jedna k druhé tak, že dovnitř vybíhající výstupky v plotně anodové sestavy kopírují ven vybíhající výstupky na plotně katodové sestavy k vytvoření bipolární jednotky.

Podle dalšího hlediska předmětem vynálezu je bipolární jednotka, ve které plotna elektrodové sestavy podle vynálezu, která je anodovou sestavou, je spojena s plotnou elektrodové sestavy podle vynálezu, která je katodovou sestavou, tak, že dovnitř vybíhající výstupky na plotně anodové sestavy kopírují ven vybíhající výstupky na plotně katodové sestavy k vytvoření bipolární jednotky.

V bipolární jednotce podle vynálezu elektrodové sestavy jsou stlačeny nebo spojeny dohromady, výhodně svařením, výhodněji explozním spojením, takže mezi vnitřními částmi ploten elektrodových sestav je vytvořen elektrický kontakt.

Tyto bipolární jednotky s mezilehlými vhodnými oddělovači, plochými těsněními a tlačnými prostředky mohou být sestaveny k vytvoření bipolárního elektrolyzéru kalolisového typu.

Podle ještě dalšího hlediska předmětem vynálezu je bipolární elektrolyzér kalolisového typu, který zahrnuje prostředek pro distribuci proudu a jednu nebo několik bipolárních jednotek připevněných na rámu a sestavených do řady, a to jak mechanicky tak i elektricky, přičemž podstatou tohoto elektrolyzéru je to, že bipolární jednotky jsou tvořeny bipolárními jednotkami podle dalšího hlediska vynálezu.

Prostředkem pro distribuci proudu se rozumí systém, který je za normálních okolnostích připevněn k vnitřní straně koncových rámů připevňovacího rámu elektrolyzéru, a uzpůsoben k nesení proudu ze zdroje energie, jakým je např. napájecí kabel nebo sběrnice, k plotnám koncových elektrod elektrolyzéru kalolisového typu nebo k vnějším plotnám koncových modulů modulárního elektrolyzéru tak, že dodávka proudu je rovnoměrně distribuována na všechny elektrické kontaktní body na těchto plotnách. Typicky prostředek pro distribuci proudy může být tvořen samostatnými deskami nebo systémy desek, kabelů nebo drátů z vodivých kovů. Prostředek pro distribuci proudu může být případně opatřen potahy pro zvýšení vodivosti nebo připevňovacími prvky ke zlepšeni elektrického spojeni mezi prostředkem pro distribuci proudu a koncovou elektrodou. Alternativně, zejména v elektrolyzéru kalolisového typu, koncové elektrody mohou být nepřetržitě připevněny k prostředku pro distribuci proudu, např. svarovým spoj em.

Jedno výhodné provedení prostředku pro distribuci proudu, které je zejména použitelné v elektrolyzéru podle vynálezu, zahrnuje řadu měděných desek probíhajících ve vertikálním směru od spodní části koncového rámu elektrolyzéru k horní části koncového rámu elektrolyzéru, přičemž tyto měděné desky jsou vzájemně elektricky spojeny tak, že jsou všechny tyto desky připojeny při spodní části koncového rámu k jediné horizontální měděné sběrnici. Při jednom konci koncového rámu elektrolyzéru v místě, kde měděné desky jsou určeny ke spojení s plotnou, která je částí anodové sestavy, měděné

desky mohou být opatřeny vodivými ven vybíhajícími výstupky nebo vodivými sloupky, které kopírují dovnitř vybíhající výstupky anody. Na druhém konci rámu elektrolyzéru v místě, kde měděné desky jsou určeny ke spojení s plotnou, která je částí katodové sestavy, měděné desky mohou být ploché nebo mohou být opatřeny dovnitř vybíhajícími výstupky, které kopírují vně vybíhající výstupky katody. Případně měděné desky prostředku pro distribuci proudu mohou být opatřeny potahy pro zvýšení vodivosti nebo prvky pro zlepšení elektrického kontaktu s plotnou elektrodové sestavy.

Koncové elektrody bípolárního elektrolyzéru kalolisového typu podle vynálezu jsou výhodně tvořeny elektrodovými sestavami podle vynálezu.

V případě, že elektrodová sestava podle vynálezu poskytuje konce bípolárního elektrolyzéru, elektrodová sestava může být opatřena prostředkem pro dodávku elektrické energie do této elektrodové sestavy. Tak např., tento prostředek může být tvořen výstupkem, který má vhodný tvar pro připevnění ke sběrnici, když elektrodová sestava je sestavena v elektrolyzéru.

Typicky bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle vynálezu zahrnuje až 300 bipolárních jednotek.

Prostředky pro poskytnutí zátěže k hermetickému utěsnění bipolárních elektrolyzérů podle vynálezu jsou pro odborníka v daném oboru zřejmé ze stavu techniky.

Modulární bipolární elektrolyzéry jsou známé. Tyto elektrolyzéry jsou např. popsány v patentech US 4,108,752 a US 4,664,770.

Výhoda modulárního bípolárního elektrolyzéru spočívá v tom, že na modulární bipolární elektrolyzér působí nižší zátěž v tlaku, než na konvenční bipolární elektrolyzéry, poněvadž u modulárního bipolárního elektrolyzéru je žádoucí zatížení zajišťující pouze elektrický kontakt mezi přilehlými moduly, a tudíž není nutné aplikovat zatížení k utěsnění každého článku v elektrolyzéru. Použití nižší zátěže v tlaku vylučuje potřebu robustních koncových desek a příslušných systémů pro generování tlaku. Kromě toho použití modulů usnadňuje jak výrobu/sestavování bipolárního elektrolyzéru tak i jeho údržbu.

Patent US 4,108,752 popisuje modulární bipolární elektrolyzér zahrnující množinu vyjímatelných modulů. Každý modul zahrnuje dvojici kopírujících se ploten, z nichž každá má vnitřní část a okrajovou přírubovou část obklopující vnitřní část, přičemž plotny jsou vzájemně spojeny při přírubových částech tak, že vnitřní část každé plotny je přilehlá k vnitřní části připojené plotny. Mezi plotnami je obvykle umístěn rovinný oddělovač. Vnitřní část jedné plotny a odpovídající strana rovinného oddělovače definují první sestavu a vnitřní část druhé plotny a opačná strana rovinného oddělovače definují druhou sestavu. Uvnitř každé sestavy je umístěna rovinná elektroda, která je paralelní s rovinou oddělovače a která je elektricky a strukturně připojena k odpovídající plotně, např. sloupky. Biolární elektrolyzér kalolisového typu je sestaven vyrovnáním množiny modulů tak, že rovinné vnější povrchy ploten jsou paralelní. Mezi přivrácené povrchy ploten přilehlých modulů je vložen alespoň jeden vícekontaktní vodivý pásek, v důsledku čehož rovinné vnější povrchy ploten jsou paralelní a, když jsou moduly stlačeny jeden k druhému, vodivé pásky jsou sevřeny mezi těmito vnějšími povrchy, čímž vytvářejí pozitivní elektrický kontakt mezi přilehlými články na několika místech.

Patent US 4,664,770 popisuje modul pro modulární elektrolyzér, který zahrnuje kryt tvořený dvěma sestavami, z nichž každá má spodní stranu probíhající v rovině paralelní k rovinám, ve kterých leží anoda a katoda. Anoda a katoda jsou odděleny membránou, přičemž jak anoda taki katoda mají množinu perforovaných a neperforovaných sekci uspořádaných paralelně jedna k druhé. Mezi anodou a přilehlým vnitřním povrchem spodní strany jedné sestavy a mezi katodou a přilehlým vnitřním povrchem spodní strany druhé struktury je umístěna kovová výstuha s rámovou konfigurací. Ke vnějšímu povrchu každé spodní strany je připevněn kontaktní pásek, přičemž kontakní pásky přilehlých článků jsou elektricky spojeny. Rovněž jsou poskytnuty prostředky pro spojení každého kontaktního pásku ke kovové výztuži a k neperforovaným sekcím v elektrodě v připevněné sestavě. Rozdělující membrána probíhá mezu anodou a katodou v každém modulu a ploché těsnící prostředky utěsňují spojení mezi sestavami a membránou. V případě, že elektrolyzér je sestaven uspořádáním množiny těchto modulů do řady s pomocí známých zařízeních pro generování tlaku, elektrický kontakt mezi přilehlými moduly je zajištěn elektricky vodivými kontaktními páskami.

V případě, že elektricky vodivé prvky, ke kterým elektricky vodivé desky jsou připevněny v elektrodových sestavách podle vynálezu, jsou tvořeny zátěž-nesoucími prvky, modulu pro modulární bipolární elektrolysér může být dána přednost před uvedenými elektrodovými sestavami. Tyto moduly jsou jednoduchým způsobem sestavitelné, přičemž jsou jednoduchým způsobem připevnitelné k ostatním modulům na rámu elektrolyzéru a umístitelné spolu s ostatními moduly na rámu elektrolyzéru. Kromě toho je jednoduchým způsobem dosaženo dobré elektrické spojení mezi sousedními moduly. Část plochy membrány, která je podrobena elektrolýze, je rovněž zvětšena ·« ·· » · ·* · • · · · · · · · · · ·· • · ·· · « · · · ····· · · · · · · ···· · · · * · ·· ·· ··· *·· ·· ··· ve srovnání se známými modulárními konfiguracemi.

Podle výhodného hlediska předmětem vynálezu je modul pro použití v modulárním bipolárním elektrolyzéru, který zahrnuje:

a) anodovou sestavu zahrnující

i) plotnu s vnitřní částí a přírubovou částí probíhající kolem okraje vnitřní části, ii) anodovou desku, která má případně elektrokatalyticky aktivní povrch, iii) prostředek, případně zahrnující množinu elektricky vodivých zátěž-nesoucích prvků, ke kterým je elektricky vodivě připevněna anoda, poskytující elektricky vodivé cesty mezi plotnou a anodovu deskou, iv) vstup pro tekutinu,

v) výstup pro tekutiny;

b) katodovou sestavu zahrnující

i) plotnou s vnitřní částí a přírubovou částí probíhající kolem okraje vnitřní části, ii) katodová deska, která případně má elektrokatalyticky aktivní povrch, iii) množinu elektricky vodivých zátěž-nesoucích prvků, ke kterým je elektricky vodivě připevněna katoda a které poskytují elektricky vodivé cesty mezi plotnou a katodovou deskou, iv) vstup pro tekutinu,

v) výstup pro tekutiny;

c) oddělovač, který je umístěn mezi anodovou deskou a katodovou deskou tak, že anodový povrch je v podstatě paralelní s katodovým povrchem a přivrácený ke katodovému povrchu, avšak je izolován od katodového povrchu a odsazen od katodového povrchu oddělovačem, který tak rozděluje modul na

99 9 9 9« 9

9* 9 9» 9« · 999

99 · · 999

99999 · 9999 9

9999 9 9 999

99 »99 999 99 ·9» samostatné anodové a katodové oddělení;

d) plochý těsnící prostředek pro utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi ploten,

e) prostředek pro přiložení napětí na plochý těsnící prostředek k hermetickému utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi ploten, přičemž podstata modulu spočívá v tom, že

i) vnitřní část plotny anodové sestavy je opatřena množinou dovnitř vybíhajících výstupků a vnitřní část plotny katodové sestavy je opatřena množinou vně vybíhajících výstupků, takže dovnitř vybíhající výstupky anodové sestavy modulu kopírují vně vybíhající výstupky katodové sestavy přilehlého modulu v modulárním bipolárním elektrolyzéru, který zahrnuje množinu modulů, a ii) případně zahrnuje jednu nebo několik bipolárních jednotek podle vynálezu, výhodně s elektricky vodivými zátěž-nesoucími sloupky, a příslušné oddělovače vložené mezi anodové a katodové sestavy.

Je nutné si uvědomit, že uspořádáním jedné nebo několika bipolárních jednotek, společně s příslušnými plochými těsněními a oddělovači, mezi anodovou sestavou a katodovou sestavou modulu podle vynálezu a použitím prostředku pro přiložení tlaku k hermetickému utěsnění oddělovačů mezi plochými těsněními a plochých těsnění mezi elektrodovými sestavami je možné vytvořit hybridní modul, který zahrnuje dvě nebo několik anodových sestav a dvě nebo několik katodových sestav se dvěma nebo několika oddělovači. Je nutné upozornit na to, že tyto hybridní moduly spadají do rozsahu vynálezu.

Jedna výhoda hybridního modulu spočívá v tom, že omezuje «4 ♦ 4 4* « 4 4 4

4 44

4 4 4 4

4 4 4

44

444

4« *

4 4 4

4 4 počet zdvihacích operacích, které jsou žádoucí uvnitř operačního prostoru článku, což vede k omezení bezpečnostních rizik a ke snížení prostoje při výměně elektrodové sestavy nebo modulu v průběhu údržby nebo opravy.

Prostředek pro přiložení tlaku na plochá těsnění k hermetickému utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi plotny je výhodně opatřen šrouby probíhajícími skrze otvory vytvořenými v přírubových částech. Avšak tato skutečnost nevylučuje možnost použití alternativního prostředku pro přiložení tlaku.

V případě, že elektricky vodivé zátěž-nesoucí prvky v modulu jsou opatřeny nosiči proudu, výhodně každý sloupek je opatřen izolační čepičkou a výhodněji v elektricky vodivé desce je vytvořen otvor přizpůsobený izolační čepičce, a to zejméné v případě, že elektricky vodivá deska má formu síta. V případě, že otvor přizpůsobený izolační čepičce je vytvořen v elektricky vodivé desce, izolační čepička je výhodně tvořena podložkou.

Podle dalšího výhodného hlediska předmětem vynálezu je modulární bipolární elektrolyzér, který zahrnuje jeden nebo několik modulů sestavených na připevňovacím rámě do řady, a to jak mechanicky tak i elektricky, a desky pro distribuci proudu na každém konci elektrolyzéru, přičemž podstata tohoto elektrolyzéru spočívá v tom, že moduly jsou tvořeny moduly podle výhodného hlediska vynálezu.

Elektricky izolační, zátěž-převádějící podložky jsou výhodně uspořádány na koncích elektricky vodivých, zátěž-nesoucích sloupků, přilehlých k elektricky vodivé desce v modulárním bipolárním elektrolyzéru podle vynálezu a v případě, že sloupky nesou zátěž, na koncích sloupků přilehlých k elektricky vodivé desce v bipolárním

elektrolyzéru kalolisového typu podle vynálezu. Tato izolační podložka zabraňuje mechanickému poškození membrány a, poněvadž v místě podložky nedochází k elektrolýze, membrána není vystavena poškození vyplývající z elektrolýzy.

• · · · · • · ·· • · · · · • · · · • · · · ·

Tyto izolační podložky mohou být vyrobeny z nevodivého materiálu, který je odolný vůči chemickým látkám obsaženým uvnitř článku a jakým je, např. fluoropolymer, např. produkt PTFE,FEP,PFA, polypropylen, produkt CPVC a fluoroelastomerní pryž. Izolační podložky mohou být uspořádány na kovových výstupkách, které se náchazejí mezi sloupky a elektricky vodivou deskou s tím, že podložky jsou přivráceny k oddělovači nebo membráně.

V modulárním bipolárním zahrnujícím množinu modulů, elektrolyzéru podle vynálezu vnitřní část anodové plotny jednoho modulu a vnitřní část katodové plotny přilehlého modulu jsou elektricky spojeny, výhodně při vrcholech výstupků.

Elektrická vodivost mezi přilehlými moduly v modulárním bipolárním elektrolyzéru může být dosažena použitím propojovacích prvků nebo výhodně alespoň těsním kontaktem mezi přilehlými moduly.

Elektrická vodivost mezi přilehlými moduly může být zvýšena poskytnutím vodivost-zvyšujících materiálů nebo vodivost-zvyšujících prvků uspořádaných na vnějším povrchu ploten. Jako příklady vodivost-zvyšujících materiálů mohou být uvedeny vodivé uhlíkové pěny, vodivé tuky a povlaky z kovu s vysokou vodivostí, jakým je např. stříbro nebo zlato.

Pro zlepšení elektrické vodivosti mezi přilehlými moduly se výhodně používají elektrickou vodivost-zvyšujicí prvky. Jako příklady elektrickou vodivost-zvyšujících prvků mohou • 9 být uvedeny elektricky vodivé bimetalické desky přivařené k anodě, elektricky vodivé prvky, jakými jsou např. podložky, nebo výhodně elektricky vodivé kovové prvky, které jsou uzpůsobeny a) k odírání povrchu ploten nebo k pronikání do povrchu ploten zařezáváním nebo zadíráním skrze libovolný elektricky izolující potah pokrývající povrch ploten, jakým je např. vrstva oxidu, b) k alespoň omezování tvorby izolační vrstvy mezi tímto prvkem a povrchem plotny.

Abrazívní prvek může být připevněn k anodě, např. šrouby, svarovým spojem nebo kolíkovým spojem z kovu, jakým je např. titan. Výhodně tento prvek je připevněn tak, že se může otáčet v alespoň omezeném rozsahu.

Abrazívní prvek je výhodně opětovně použitelný, tj. může být použit k provedení opakovaného spojení bez toho, že by musel být vyměněn.

Vynález je dále úplněji popsán pro aplikace chloru a hydroxidu alkalického kovu, jakou je např. elektrolýza solanky, s tím, že budou činěny odkazy na použití různých hledisek vynálezu.

Pro odborníka v daném oboru je zřejmá volba počtu modulů nebo bipolárních jednotek v bipolárních elektrolyzérech podle vynálezu z hlediska žádoucí produkce, dosažitelného výkonu nebo napětí a jistých omezení známých pro tohoto odborníka.

Typicky modulární bipolární elektrolyzér podle vynálezu zahrnuje 1 až 300 modulů.

Bipolární elektrolyzéry kalolisového typu a modulární bipolární elektrolyzéry mohou být provozovány při tlacích mezi 50 a 600 kPa, výhodně mezi 50 a 150 kPa.

Spodní část elektrodové sestavy je opatřena vstupním potrubím, které výhodně probíhá z jedné strany elektrodové • · · · • · © · ·· ·· sestavy ke druhé straně k umožnění dodávky tekutiny do spodní části elektrodové sestavy. Tak např., v případě, že modulární bipolární elektrolyzér má být použit pro elektrolýzu solanky, vstupní potrubí umožňuje dodávku kaustické složky do katodové sestavy a dodávku solanky do anodové sestavy. Výhodně je vstupní potrubí napájeno tekutinou pouze z jednoho konce.

Vstupní potrubí je opatřeno otvory, které jsou odsazeny podél potrubí, výhodně o stejnou vzdálenost ke zlepšení distribuce tekutiny v elektrodové sestavě. Otvory jsou výhodně vytvořeny tak, že v případě, že v elektrodové sestavě je uspořádána přepážka, která bude dále podrobněji popsána, tekutina proudící z otvorů je zavedena do recirkulačního proudu generovaného touto přepážkou. Rozměry otvorů jsou takové, že tlakový spád vstupního potrubí je minimalizován.

Počet otvorů ve vstupním potrubím pro libovolnou konkrétní aplikaci může odborník v daném oboru snadno vypočíst. Typicky počet otvorů je asi od 2 do 10, výhodně asi 6 na jeden metr vstupního potrubí. Typicky každý otvor má průměr asi od 1 do 3 mm, výhodně asi 2 mm.

Napájecí potrubí, skrze které je tekutina vedena do vstupního potrubí, je vyrobeno z nevodivého materiálu a může být zasunuto do vstupního potrubí do libovolné hloubky tohoto potrubí. Tak např., napájecí potrubí může dosahovat téměř slepého konce vstupního potrubí. V bipolárních elektrolyzérech zvětšená délka nevodivého napájecího potrubí zvětšuje délku tekutinové cesty mezi články v elektrolyzéru, čímž snižuje riziko poškození elektrolyzéru korozí způsobenou svodovým proudem.

Vstupní potrubí jsou výhodně zhotovena ze stejného materiálu jako elektrodové sestavy, které jsou napájeny těmito potrubími. Tak např., v případě, že anoda je vyrobena

^{5 :} i z titanu nebo jeho slitiny, vstupní potrubí sdružené s touto anodou je výhodně vyrobeno z titanu nebo jeho slitiny, zatímco v případě, že katoda je vyrobena z niklu nebo jeho slitiny, vstupní potrubí sdružené s touto katodou je výhodně vyrobeno z niklu nebo jeho slitiny.

Jako příklady vhodných nevodivých materiálů, z kterých může být vyrobeno napájecí potrubí, mohou být uvedeny fluoropolymery, jakým jsou např. produkty PTFE,FEP a PFA.

Přítomnost elektricky vodivé desky nebo elektricky vodivých desek vzájemně odsazených oddělovačem vytváří oblast elektrolýzy v modulárním elektrolyzéru nebo bipolárním elektrolyzéru kalolisového typu.

Vyčerpaná tekutina a procesní plyn se vyvedou z elektrodové sestavy skrze výstupní systém zahrnující výstupní štěrbinu, výstupní sběrač, ve kterém dochází k oddělení plynu od kapaliny, a výstupní otvor. Poškození oddělovače způsobeného vytvořením vzduchové kapsy v blízkosti oddělovače v horní části oblasti elektrolýzy je alespoň omezeno a často vyloučeno uspořádáním výstupního sběrače v oblasti, ve které neprobíhá elektrolýza a která se nachází v elektrodové sestavě nad oblastí elektrolýzy.

Ve výstupním systému směs plynu a kapaliny proudí nahoru z oblasti elektrolýzy skrze výstupní štěrbinu, nalézající se nad odděleními elektrolyzéru, do výstupního sběrače. Hloubka výstupní štěrbiny, která probíhá podél v podstatě celé šířky elektrodové sestavy, je mimo jiné zvolena s ohledem na proudovou hustotu, plochu elektrod a teplotu, takže plynná fáze je rozptýlena ve formě bublin v nepřetržité kapalné fázi. Hloubka výstupní štěrbiny typicky tvoří asi od 5 do 50 %, výhodně od 10 do 30 % hloubky elektrodové sestavy, tj. vzdálenosti mezi vnitřní částí plotny a elektrodovou deskou.

• to ·♦· ·

Vzájemné oddělování plynu od kapaliny probíhá rychle ve výstupním sběrači, který probíhá v podstatě podél celé šířky elektrodové sestavy. Průřez výstupního sběrače je mimo jiné zvolen s ohledem na proudovou hustotu, plochu elektrody a teplotu tak, že se výstupním sběračem vede vrstvený horizontální proud směsi plynu a kapaliny výhodně s hladkým povrchem.

Proudy plynu a kapaliny jsou vyvedeny z výstupního sběrače skrze jeden nebo více výstupních otvorů, výhodně skrze jeden výstupní otvor, výhodněji umístěný na jednom konci výstupního sběrače. Průřez výstupního otvoru je mimo jiné zvolen s ohledem na proudovou hustotu, plochu elektrod a teplotu tak, že proud kapaliny a plynu vedený skrze výstupní otvor má výhodně formu prstencovité vrstvené proudnice s plášťovou vrstvou kapaliny a středovým jádrem plynu.

Výhoda výše popsaného systému pro kapalinu a plyn spočívá v tom, že nízký tlakový spád zamezuje poklesu rozhraní mezi plynem a kapalinou do oblasti elektrolýzy v elektrodové sestavě, což má za následek vyloučení rizika poškození oddělovače způsobeného vytvořením vzduchových komůrek v blízkosti oddělovače v horní části oblasti elektrolýzy. Další výhoda tohoto výstupního systému pro kapalinu a plyn spočívá v minimalizaci kolísání tlaku, které způsobuje fyzické poškození oddělovače obrušovánim o elektrodovou desku. Plášťová vrstva kapaliny vedená po vnitřní stěně výstupního potrubí přináší ještě další výhodu spočívající ve zvýšení odporu tekutinové cesty mezi články v elektrolyzéru, a tudíž snížení rizika poškozeni elektrolyzéru korozi způsobenou svodovými proudy.

Ve výhodném provedení vynálezu výstupní sběrač pro kapalinu a plyn má formu pravoúhlé struktury, probíhající v podstatě podél celé šířky elektrodové sestavy. Zadní deska výstupního sběrače tvoří prodloužení zadní části plotny, vybíhající nahoru ve vertikálním směru elektrodové sestavy. Tato zadni deska je pod úhlem 90° ohnuta do směru k elektrodě kolmého k zadní části plotny pro vytvoření vrchní desky výstupního sběrače a dále pod úhlem 90° ohnuta dolů k vytvoření čelní desky sběrače tak, že čelní deska sběrače je v podstatě paralelní se zadní deskou sběrače. Uvedená deska může být případně ohnuta pod úhledm 90° zpátky k zadní desce sběrače k vytvoření spodní desky sběrače a dále pod úhlem 90° ohnuta dolů k vytvoření čelní desky výstupní štěrbiny. Alternativně čelní deska výstupní štěrbiny může být tvořena prodloužením čelní desky výstupního sběrače.

Při spodní části výstupní štěrbiny čelní deska je pod uhlem 90° ohnuta do směru od zadní desky a do směru kolmého k zadní desce k vytvoření vrchní desky plotny. Tato vrchní deska je potom pod úhlem 90° ohnuta nahoru k vytvoření přírubové části plotny.

Výška přírubové části účinně definuje vertikální vedení proudu plynu a kapaliny skrze výstupní štěrbinu a pravoúhlá komora nad přírubovou částí tvoří výstupní sběrač. Typicky výška přírubové části je asi od 20 do 80% výšky výstupnío sběrače.

Plochá těsnění pro utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi ploten v bipolárních elektrolyzérech podle vynálezu, která mohou být rozdílná v anodových a katodových sestavách, jsou vyrobena z materiálu s vhodnou chemickou odolností a vhodnými fyzickými vlastnostmi. Jako příklad takového materiálu může být uvedena změkčená pryskyřice EPDM. V případě, že materiál nemá vhodnou kombinaci chemické odolnosti a fyzických vlastnostích, ploché těsnění, vyrobené z materiálu, majícího vhodné chemické vlastnosti, může být opatřen chemicky odolným pláštěm, který je vyroben, např. z produktu PTFE, a který pokrývá vnitřní okraj plochého těsnění.

Ploché těsnění může mít formu rámu, výhodně nepřetržitého rámu, takže, když dvě plochá těsnění jsou uspořádána na obou stranách oddělovače a jsou zatížena tlakem skrze přírubové části, je dosaženo hermetické utěsnění modulu.

Ploché těsnění je uspořádáno mezi anodou a oddělovačem a mezi katodou a oddělovačem.

Uvedený rám může mít libovolnou konfiguraci, která umožňuje hermetické utěsnění odddělovače v modulu nebo oddělení. Rám má typicky čtvercovou nebo obdélníkovou konfiguraci. Průřez rámu může mít libovolnou konfiguraci, která umožňuje účinné utěsnění oddělovače. Tak např., tento rám může mít kruhový, trojúhelníkový nebo čtvercový průřez, avšak je výhodný obdélníkový průřez s tím, že rozměr ve směru kolmém k rovině plochého těsnění je menší než rozměr v rovině plochého těsnění.

Výhodně průřez rámu plochého těsnění zahrnuje výstupek, který probíhá v podstatě podél celého obvodu rámu pro záběr s oddělovačem, přičemž tento výstupek je opatřen na vnitřním nebo/a vnějším okraji rámu.

Uvedený výstupek může mít libovolný tvar, který umožňuje těsné sevření oddělovače, avšak výhodně má hruškovou konfiguraci, jako je např. konfigurace s částečně kruhovým průřezem.

Při použití se každá strana oddělovače uvede do záběru s příslušným těsněním tak, že výstupky plochých těsnění jsou vzájemně vyrovnány, přičemž tyto výstupky při jejich stlačení způsob! lokální sevření plochého těsnění kolem celého obvodu plochých těsnění k zamezení průsaku článkových tekutin skrze strukturu oddělovače nebo podél struktury oddělovače z vnitřku oddělení, ve kterém probíhá elektrolýza, do míst nalézajících se vně tohoto oddělení. Toto provedení plochého těsněni je zejména účinné v zabránění průsaku článkových tekutin, když oddělovač je zdrsněn nebo má nerovnoměrný povrch, který je způsoben, např. přítomností výztužného síta, nebo obsahuje kanálky vytvořené rozpuštěním obětovaných komponent uvnitř oddělovače; nebo když elektrolýza v oddělení elektrolýzy probíhá při tlaku vyšším, než je atmosferický tlak.

V modifikovaném provedení každé ploché těsnění může být opatřeno výstupkem na opačné straně pro záběr s příslušnou přírubovou částí elektrodové sestavy.

Ploché těsnění nebo rám může zahrnovat otvory pro vedení těsnících šroubů skrze tyto otvory, zejména v případě, že ploché těsnění je použito v modulu.

V případě, že ploché těsnění je opatřeno výše uvedeným chemicky odolným pláštěm, tento plášť může pokrývat výstupek pro sevření plochého těsněni.

Elektrolýza podle vynálezu může probíhat při vysoké proudové hustotě, jako je např. proudová hustota větší než 4,5 kA/m².

Oddělovač je výhodně tvořen v podstatě elektrolyt-nepropouštějící iontoměníčovou membránou. Avšak není vyloučena možnost použití porézní elektrolytnepropouštějící membrány.

V případě, že oddělovač je tvořen iontoměníčovou membránou, tato membrána může být vyrobena z libovolného vhodného iontoměničového materiálu.

Iontové permselektivní membrány pro produkci chloru a alkálie jsou dobře známé ze stavu techniky. Membrána je výhodně vyrobena z fluor-obsahujícího polymerního materiálu obsahujícího aníontové skupiny. Výhodně tímto materiálem je aniontové skupiny-obsahující polymer obsahující všechny vazby C-F a žádné vazby C-H.

Mebrána může mít formu jednovrstvé nebo vícevrstvé fólie. Membrána může být zesílena tím, že je přilaminována nebo potažena na tkanou tkaninu nebo mikroporézní fólii. Kromě toho, membrána může být na jedné nebo obou stranách pokryta chemicky odolným potahem k zlepšení smáčení membrány a uvolňování plynu.

V případě, že membrána, která nese povrchový potah, je použita v chloralkalických aplikacích, povrchový potah je typicky vytvořen z oxidu kovu, inertnímu k chemickému prostředí, jakým je např. zirkoníum.

Vhodné membrány pro chloralkalické aplikace jsou dostupné pod obchodním označením Nafion u společnosti Ε I Du Pont de Nemeurs and Co. Ibc., ”Flemion u společnosti Asahi Glass Co. Ltd. a Aciplex u společnosti Asahi Chemical Co. Ltd.

Oddělovač je umístěn mezi přilehlými anodovými deskami a katodovými deskami, čímž odděluje anodovou sestavu od katodové sestavy.

Mezera mezi anodovou a katodovou mezerou je vhodně v rozmezí od 3 do 0 mm, výhodně od 1 do 0 mm. Tudíž, když mezera mezi anodou a katodou je rovna nule, anody a katody modulu jsou v kontaktu s oddělovačem.

V bipolárních elektrolyzérech, opatřených v podstatě nepropustnou ionto-měničovou membránou, vodný roztok chloridu • ·

4 ♦ · * · ·· • 4 4 ·4 4 · · ♦ ·♦ 44 alkalického kovu se přivádí do anodové sestavy bípolárního elektrolyzéru a chlór a vyčerpaný vodný roztok chloridu alkalického kovu se odvádí z anodové sestavy bípolárního elektrolyzéru, zatímco vodík a hydroxid alkalického kovu se odvádí z katodové sestavy bípolárního elektrolyzéru.

Anodová deska v elektrodové sestavě může být kovová, přičemž zvolení kovu s vhodnými vlastnostmi závisí na vlastnostech elektrolytu, který má být elektrolyzován v elektrolyzéru. Výhodným kovem je kov tvořící tenké povlaky, a to zejména v případě, že vodný roztok chloridu alkalického kovu má být elektrolyzován v elektrolyzéru. Tento kov může být vybrán z množiny kovů zahrnující titan, zirkon, niob, tantal nebo wolfram nebo může být slitinou jednoho nebo více kovů zvolených z této množiny, přičemž tento kov má anodické polarizační vlastnosti srovnatelné s anodickými polarizačními vlastnostmi titanu.

Anodová deska má potah z elektricky vodícího elektrokatalyticky aktivního materiálu. Zejména v případě, že vodný roztok chloridu alkalického kovu má být elektrolyzován, tento potah může, např. obsahovat jeden nebo více kovů z platinové skupiny kovů, zahrnující platinu, rhodium, iridium, rutheruthenium, osmium a palladium.

Elektricky vodící elektrokatalyticky aktivní materiály pro použití jako anodové potahy v elektrolyzéru jsou dobře známé ze stavu techniky a jsou popsány, např. v patentu EP 0,052,986, EP 0,107,934 a EP 0,129,374.

Pro katodovou desku v elektrodové sestavě se může použít libovolný vhodný kov, který je odlišný od tenké povlaky-tvořícího kovu anody, samozřejmě za předpokladu, že kov použitý pro katodovou desku je vodivý a je odolný vůči elektrolytu použitého v elektrolytickém článku. Výhodně

I» 9 • 9 99 * • 9 9 · · · · · 9 · •9 99 999 katodová deska je vyrobena z niklu nebo slitiny niklu nebo z jiného materiálu, který má vnější čelní stranu z niklu nebo ze slitiny niklu. Tak např., katodová deska může zahrnovat jádro jiného kovu, jakým je např. ocel nebo měď, a vnější plášť z niklu nebo slitiny niklu. Niklu nebo slitině niklu je dána přednost kvůli odolnosti tohoto materiálu proti korozi v elektrolytickém článku, ve kterém vodný roztok chloridu alkalického kovu je elektrolyzován, a kvůli dlouhodobému vodíkovému předpětí niklu nebo slitiny niklu.

Katodová deska může být upravena pro zvýšení její povrchové plochy, např. pískováním.

Katodová deska může být opatřena elektrovodivým elektrokatalyticky aktivním potahem. Elektricky vodivé elektrokatalytické aktivní materiály pro použití jako katodové potahy v elektrolyzéru jsou dobře známé ze stavu techniky a jsou popsány, např. v patentech EP 0,479,423, WO 95/05499, WO95/05498, EP 0,546,714, WO 96/24705, EP 0,052,986 a EP 0,107,934.

Elektrodová deska může mít libovolnou žádoucí strukturu. Tak např., elektrodová deska může obsahovat množinu vrstev. Avšak výhodně každá elektrodová deska je tvořena perforovanou deskou, tj. může být děrována, nebo může mít formu expandovaného kovu, nebo může být tkaná nebo netkaná, nebo může mít žaluziovou strukturu. Nejvýhodněji anodové a katodové desky mají formu sít.

Jak to bylo výše uvedeno, plotna v elektrodové sestavě je obecně ze stejného materiálu jako elektricky vodivá deska. Plotna má typicky takovou tloušťku, že je ohebná, výhodně pružná.

V anodových a katodových sestavách je výhodně uspořádána • · • ·· jedna nebo několik přepážek k vytvoření prvního kanálku mezi první stranou přepážky a elektrodovou deskou a druhého kanálku mezi druhou stranou přepážky a vnitřní částí plotny, přičemž první a druhý kanálek jsou ve vzájemném spojení, výhodně alespoň při horní a dolní části elektrodové sestavy nebo v blízkosti horní a dolní části elektrodové sestavy. První kanálek poskytuje vedení pro vzestupné proudění solanky plněné plynem k výstupnímu sběrači při horní části elektrodové sestavy. Druhý kanálek poskytuje vedení pro sestupné proudění odplyněné solanky ke spodní části elektrodové sestavy. Přepážky výhodně probíhají ve vertikálním směru. Přepážky využívají zdvihacího účinku generovaného plynu ke zvýšení cirkulace tekutiny a míšení tekutiny, které přináší jisté výhody.

Zlepšené míšení anodové a katodové sestavy minimalizuje zahušťování roztoku a teplotní gradienty uvnitř sestav, čímž prodlužuje dobu životnosti anodového potahu a membrány. Zejména v anodové sestavě zlepšené míšení umožňuje použití vysoce kyselé solanky k dosažení nízkých hodnot kyslíku v chlóru bez rizika poškození membrány způsobené protonací. Zlepšené míšení v katodové sestavě umožňuje přímou dodávku deionizované vody k ponechání konstantní hladiny koncentrace kaustické složky po vyvedení koncetrované kaustícké složky.

Šikmá přepážková deska uspořádáná v horní části elektrodové sestavy dále zvyšuje vzájemné oddělení kapaliny a plynu zrychlením vzestupného proudu směsi kapaliny a plynu z oblasti elektrolýzy, které způsobuje zvýšení sjednocování plynových bublin.

Přepážky jsou vyrobeny z materiálu, který je odolný vůči chemickému prostředí v článku. Přepážky v anodové sestavě mohou být vyrobeny z fluoropolymeru nebo vhodného kovu, jakým • ·

je např. titan nebo jeho slitina. Přepážky v katodové sestavě mohou být vyrobeny z fluoropolymeru nebo vhodného kovu, jakým je např. nikl.

V anodové sestavě přepážky, jsou-li přítomny, jsou výhodně připevněny k dovnitř vybíhajícím výstupkům v anodové plotně. V katodové sestavě přepážky, jsou-li přítomny, jsou výhodně připevněny ke sloupkům.

Přepážka může mít jednodílnou strukturu, probíhající v horizontálním směru v elektrodové sestavě nebo výhodně obsahuje množinu dílů, výhodně dva díly, z nichž každý probíhá v elektrodové sestavě s tím, že mezi jednotlivými díly je horizontální mezera. V případě, že je použita dvoudílná přepážka, spodní díl podporuje recirkulaci tekutiny a vrchní díl pomáhá v udržení oblasti pro poklesnutí pěny při vrchní části sestavy, když provoz probíhá pří vysokých proudových hustotách.

Při provozu množina bipolárních elektrolyzérů podle vynálezu může být uspořádána tak, že jsou elektricky napájeny ze stejného usměrňovače.

Tekutina je výhodně dodávána paralelně do všech modulů v modulárním bipolárním elektrolyzéru podle vynálezu ze stejného solankového a kaustického rozváděče.

Výstupní solankové a kaustické kapaliny jsou vyvedeny paralelně ze všech modulů v modulárním bipolárním elektrolyzéru podle vynálezu ke společným solankovým a kaustickým sběračům.

Moduly v modulárním bipolárním elektrolyzéru podle vynálezu jsou připevněny v proud-nesoucím rámě a jsou drženy dohromady libovolnými konvenčními prostředky, jakými jsou např. šrouby, svěrky, hydraulické nebo pneumatické • 9 • 9 prostředky.

Modulární bipolárný elektrolyzér a bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle vynálezu jsou zejména použitelné ve výrobě chlóru elektrolýzou vodných roztoků chloridu alkalických kovů, zejména vodného roztoku chloridu sodného.

Elektrodová sestava podle vynálezu může být použita jako proudové distribuční zařízení v elektrolytickém článku opatřeném iontoměničovou membránou, která tvoří tzv. pevný polymerní elektrolyt.

Vynález byl popsán na elektrodové sestavě vhodné pro použití v elektrolyzéru pro elektrolýzu vhodného roztoku halogenidu alkalických kovů. Avšak je zřejmé, že tato elektrodová sestava může být použita v elektrolyzérech, ve kterých mohou být elektrolyzovány jiné rozkoky, nebo v jiných typech elektrolytických článků, jakými jsou např. palivové články.

Podle dalšího hlediska předmětem vynálezu je elektrodová sestava zahrnující:

i) plotnu s vnitřní částí a přírubovou částí obklopující okraj vnitřní části pro nesení plochého těsnícího prostředku pro utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi přilehlých elektrodových sestav;

ii) elektricky vodivou desku odsazenou od plotny; a iii) prostředek, který případně zahrnuje množinu elektricky vodivých prvků, ke kterým je elektricky vodivě připevněna elektricky vodivá deska, a který poskytuje elektricky vodivé cesty mezi plotnou a elektricky vodivou deskou;

přičemž podstata této elektrodové sestavy spočívá v tom, že elektricky vodivé prvky v případě, že jsou přítomny, mají formu sloupků, přičemž v případě, že elektrodová sestava je • · ·· • · · · · • 9 9 · ♦ « ·· anodovou sestavou, vnitřní část plotny je opatřena množinou dovnitř vybíhajících výstupků a v případě, že elektrodová sestava je katodovou sestavou, vnitřní část plotny je opatřena množinou ven vybíhajících výstupků.

Přehled obrázků na výkresech

Za účelem lepšího pochopení vynálezu v následující části této přihlášky vynálezu je uveden popis příkladů provedení vynálezu, ve kterém jsou činěny odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zobrazuje vrchní část elektrodové sestavy podle vynálezu ve formě anodové sestavy, obr. 2 zobrazuje vrchní část elektrodové sestavy podle vynálezu ve formě katodové sestavy, obr. 3 zobrazuje vrchní část bipolární jednotky podle vynálezu, obr. 4 zobrazuje vrchní část modulu podle vynálezu, obr. 5 zobrazuje anodovou sestavu modulu podle vynálezu, obr. 6 zobrazuje průřez spodní části modulu podle vynálezu, obr. 7 a 8 zobrazuje prostorý resp. boční pohled na abrazívní zařízení, obr. 9 zobrazuje jedno provedení plochého těsnění pro použití s elektrodovou sestavou podle vynálezu, obr. 10 zobrazuje zvětšený detail části plochého těsnění zobrazeného na obr. 9, a obr. 11 zobrazuje průřez plochého těsnění zobrazeného na • 9 • · · • · ·

« · • · · obr. 9.

Příklady provedení vynálezu

Jak je to zřejmé z obr. 1 a 2, plotna fy je tvořena přírubovou částí 2 a vnitřní částí 3, ve které jsou vytvořeny dovnitř vybíhající výstupky fy ve tvaru komolého kuželu resp. vně vybíhající výstupky fy ve tvaru komolého kuželu. Ke každému dovnitř vybíhajícímu výstupku fy resp. vně vybíhajícímu výstupku 5 je elektricky připojen elektricky vodivý sloupek 6, ke kterému je připevněna hvězdice (není zobrazena). Z obrázků je zřejmé, že sloupky fy sdružené s katodovou sestavou jsou značně delší než sloupky 6 sdružené s anodovou sestavou. Pokud jde o anodovou sestavu, sloupky mohou být úplně vynechány. V tomto případě anodová deska může být buď přímo spojena s příslušnou plotnou nebo může být spojena s touto plotnou přímo skrze hvězdice. Elektrodová deska fy má typicky formu síta a je spojena s hvězdicemi. Mezi koncem sloupku fy a elektrodovou deskou fy je uspořádána elektricky izolační podložka fy. V elektrodových deskách fy v místech, kde sloupky fy mají být připevněny k příslušným elektrodovým deskám fy, jsou vytvořeny otvory, dovnitř kterých jsou uloženy izolační podložky fy. Jak je to zřejmé z obr. 4, přírubové části 2 jsou opatřeny přírubovými podložkami 2b, ve který jsou vytvořeny první otvory 10B. Tyto první otvory 10B se kryjí s druhými otvory 10, které jsou vytvořeny v přírubových částech 2. Skrze první otvory 10B a druhé otvory 10 jsou vedeny šrouby (nejsou zobrazeny) k přišroubování anodové sestavy a katodové sestavy společně s plochým těsněním a mebránou pro vytvoření modulu podle vynálezu. Podél vrchního okraje plotny fy probíhá výstupní sběrač 11. Proud tekutiny do výstupního sběrače 11 se uskutečňuje skrze · 9 • · • ·9 9 výstupní štěrbinu 35., která se nachází na vrchním konci každé elektrodové sestavy, přičemž tato výstupní štěrbina 35 je vytvořena tak, že je uspořádána přímo nad elektrodovou deskou 8^ a pod odsazenými válcovitými trubicemi 36, které se kryjí s otvory ve vnitřní části 3_ a přírubové části 2, a které přemosťují hlavní vertikální stěny výstupního sběrače 11. Tudíž proud tekutiny se vede skrze výstupní štěrbinu 35 a dále kolem trubic 36 do výstupního sběrače 11.

Elektrodové sestavy podle vynálezu mohou být použity v elektrolyzérech kalolisového typu, modulárních článcích a palivových článcích. Obr. 3 zobrazuje jednotku, ve které dvě elektrodové sestavy jsou sdruženy pro vytvoření bipolární elektrodové sestavy pro použití v elektrolyzéru kalolisového typu nebo palivového článku. V tomto případě jsou elektrodové sestavy sestaveny tak, že vně vybíhající výstupky 5 zapadají do příslušných dovnitř vybíhajících výstupků _4. Obr. 4 zobrazuje jednotku, ve které jsou elektrodové sestavy spojeny dohromady společně oddělovačem uspořádaným mezi těmito elektrodovými sestavami pro použití v modulárním elektrolyzéru nebo v palivovém článku. V obou případech je zřejmé, že, když jsou jednotky z množiny jednotek sestaveny, výsledného efektu se dosáhne tím, že výstupky přilehlých anod a katod bez ohledu nato, zda se jedná o část stejné jednoty nebo části oddělených jednotek, vzájemně do sebe zapadají.

Jak je to zřejmé z obr.3, zobrazující bipolární sestavu, anadová sestav, zobrazená na obr. 1, a katodová sestava, zobrazená na obr. 2, jsou uspořádány tak, že jejich zadní strany jsou přilehlé jedna k druhé, a elektricky vodivě spojeny abrazívním prvkem 12, uspořádaným mezi dovnitř vybíhajícím výstupkem 4 na anodové sestavě a vně vybíhajícím výstupkem 5 na katodové sestavě, přičemž uspořádání je ♦ 4 4 4 «4 44 · ft «

4 takové, že, když obě sestavy jsou tlačeny jedna k druhé, abrazívní prvek 12 poskytuje žádoucí elektrické spojení mezi vrcholy vně vybíhajících výstupků 5 a základnami dovnitř vybíhajících výstupků, a tudíž mezi sloupky 6 vybíhajícími k elektrodovým deskám <3.

Jak je to zřejmé z obr. 4, zobrazujícího modulární elektrodovou sestavu, anodová sestava, zobrazená na obr. 1, a katodová sestava, zobrazená na obr. 2, jsou spojeny šrouby (nejsou zobrazeny) probíhajícími druhými otvory 10 vytvořenými v přírubových částech 2. Mezi membránovými plochými těsněními 14 umístěnými mezi přírubovými částmi 2_ je těsně sevřena membrána 13. Hvězdice Ί_, které nejsou zobrazeny na obr. 1 až 3, poskytují elektricky vodivé cesty mezi sloupky 6 a elektrodovými deskami Hvězdice Ί_ zahrnují kotoučové středové části 40, které jsou připevněny ke koncům sloupků 6, např. svarovým spojem, šrouby nebo svěrkami, a množinu ramen 38, které radiálně vybíhají z kotoučové středové části 40 a jsou připevněny při volných koncích, např. svarovým spojem, k příslušné elektrodové desce 8^. Jednotlivá ramena 38 jsou obvykle rovnoměrně rozdělena kolem obvodu kotoučové středové části 40, tj . ramena 38 z každé dvojice sousedních ramen svírají stejný úhel, takže dodávka proudu skrze sloupky 6 je distribuována do množiny rovnoměrně odsazených bodů obklopující dotyčný sloupek 6. Zejména v případě, že elektrodové sestavy jsou určeny pro použití v elektrolýzách halogenidů alkalických kovů, katodové hvězdice mohou být vyrobeny z materiálu, jakým je např. nerezavějící ocel, nikl nebo měď, zatímco anodové hvězdice jsou vyrobeny z ventilového kovu nebo z jeho slitin. Ramena 38 hvězdic T_, která jsou sdružena s anodovou sestavou, jsou poněkud kratší, než ramena 38 hvězdic j_, která jsou sdružena s katodovou sestavou.

·· • · • « ·· • · · · ♦ · · · • to ·· • to • to·· ·< to

Ve skutečnosti, v průběhu výroby elektrodových sestav hvězdice Ί_ ^mohou být přivaleny nebo nějakým jiným způsobem připevněny k elektrodovým deskám .8 a potom mohou být přivaleny nebo nějakým jiným způsobem připevněny ke sloupkům 6. Toto uspořádání umožňuje nahrazení nebo opravení anodových/katodový desek nebo obnovu/nahrazení libovolného elektrokatalyticky aktivního povlaku na těchto deskách.

Jak je to zřejmé z obr. 5, anodová sestava s dovnitř vybíhajícími výstupky 4 v plotně 3 je opatřena napájecím potrubím 15 vybíhajícím ke vstupnímu potrubí (není zobrazeno) pro solný roztok a vyčerpané solankové výstupním potrubím 16 pro chlór nebo směsi. Katodová sestava je opatřena katodovým napájecím potrubím 17 vybíhajícím ke vstupnímu potrubí (není zobrazeno) pro kaustickou složku a katodové výstupní potrubí 18 pro vodík a kaustické směsi.

Jak je to zřejmé z obr. 6, anodová sestava je opatřena anodovým napájecím potrubím 15, které je soustředné s anodovým vstupním potrubím 19, ve kterém jsou vytvořeny anodové vstupní otvory 24, a anodovými přepážkami 21, které jsou připevněny na dovnitř vybíhajících výstupkách 4. Katodová sestava je opatřena katodovým napájecím potrubím 17, které je soustředné se vstupním katodovým potrubím 20, ve kterém jsou vytvořeny katodové vstupní otvory 23, a katodovými přepážkami 22, které jsou připevněny na sloupcích 6. Anodové vstupní otvory 24 a katodové vstupní otvory 23 v anodovém vstupním potrubí 19 resp. v katodovém vstupním potrubí 20 jsou vytvořeny tak, že se tekutina proudící z těchto otvorů vede směrem k zadním částem ploten za anodové přepážky 21 a katodové přepážky 22 pro napomáhání míšeni. Anodové přepážky 21 a katodové přepážky 22 slouží k rozdělení anodových a katodových oddělení do dvou vzájemně spojených zón k poskytnutí výše uvedené kapalinové recirkulace. Anodové • 9 • ♦ · • * • 9 9

9 9 ft ·

9 99

99 9 9 9 · 9 9

9 9 9 9

9 9 ·

9 9 99 99 « přepážky 21 a katodové přepážky 22 (nejsou zobrazeny na obr. 1 až 3) probíhají vertikálně uvnitř anodových resp. katodových oddělení ze spodních konců elektrodových sestav k horním koncům těchto sestav a vytvářejí dva kanály uvnitř každé elektrodové sestavy, které jsou spojeny alespoň při spodních a horních koncích elektrodových sestav.

Jak je to zřejmé z obr. 7 a 8, abrazívni prvek 12 je tvořen tlačnou podložkou 35, která je na obou čelních stranách opatřena ostrými výstupky 34, takže, když přilehlá anodová sestava a katodová sestava jsou tlačeny jedna k druhé, ostré výstupky 34 se zadírají do materiálu katodové a anodové plotny.

Jak je zřejmé z obr. 9 a 11, každé membránové ploché těsnění 14 může mít pravoúhlou konfiguraci s druhými otvory 10 určenými pro vyrovnání s prvními otvory 10B vytvořenými v přírubových částech 2, takže membránové ploché těsnění 14 se stlačí, když elektrodové sestavy se přitáhnou jedna k druhé k sevření oddělovače/membrány 13 mezi těmito elektrodovými sestavami. Každé membránové ploché těsnění 14 má při vnitřním okraji zvětšenou tloušťku k vytvoření výstupku 30, který vybíhá za rovinu membránového plochého těsnění 14 na jedné straně tohoto těsnění. Membránová plochá těsnění 14 jsou s elektrodovými sestavami sestaveny tak, že jejich výstupky 30 jsou v kontaktu s přilehlými stranami membrány 13. V oblasti kontaktu s mebránou 13 průřez každého výstupku 30 může mít tvar části kruhu. V důsledku lokálního zvětšení tloušťky membránového plochého těsnění, rovněž i v důsledku skutečnosti, že membrána je stlačena a utěsněna mezi přilehlými plochými stranami membránových plochých těsnění, membrána 13 je dodatečně sevřena mezi výstupkami 30, což vede k vytvoření tlačného těsnění, které je zejména účinné při zábránění prosakování článkové tekutiny skrze strukturu

9* ·· β 9 1 · • · »* • · » “> 1

11 9

11

9		·*
11	11	« ·	··
1	9	• ·
1	1	11 1
1	9	9 ·
111	111		··

membrány nebo podél struktury membrány.

Plochá membránová těsnění 14 jsou rovněž opatřeny na vnitřních okrajích pláštěm 32 z chemicky odolného materiálu, jakým produkt PTFE. V modifikovaném provedení každé ploché těsnění může být opatřeno výstupkem na straně opačné ke straně, ze které výbíhají výstupky 30, k uvedení do kontaktu příslušnou přírubovou částí 2.

V případě, že je žádoucí vyměnit anodovou nebo katodovou desku elektrodové sestavy, anodová nebo katodová deska může být vyjmuta z elektrodové sestavy sejmutím podložek 2 ^a obnažením kotoučových středních částí 40 hvězdic 7, umožňujícím jejich odpojení od sloupků 6 nebo přímo od elektrodové plotny nebo bipolární desky, v případě, že nejsou přítomny sloupky j5. Tak např., v případě, že kotoučové střední části hvězdic jsou přivařeny, např. bodovými svarovými spoji, odpojení těchto středových částí může být provedeno vyvrtáním svarových spojů použitím vrtacího nebo obráběcího nástroje. V případě, že kotoučové středové části jsou připevněny ke sloupkům nebo k plotnám šrouby nebo svěrkami, odpojení těchto středových částí může být uskutečněno vyjmutím šroubů nebo těchto svěrek. V některých případech svařovací systém použitý k připevnění středových částí může být proveden tak, že poskytuje pouze slabé svarové spoje, takže hvězdice mohou být odpojeny od sloupků, ploten nebo bipolárních desek jednoduše přerušením těchto svarových spojů použitím fyzické síly. Po odpojení hvězdic anoda nebo katoda může být vyjmuta a nahrazena novou elektrodovou sestavou zahrnující anodu nebo katodu s řadou hvězdic, které jsou uspořádány tak, že jejich umístění odpovídá umístění sloupků nebo výstupků v případě, že sloupky nejsou použity. Nové nebo renovované elektrodové sestavy jsou potom fyzicky nebo elektricky opětovně připevněny, např. svarovými spoji, • 4 4 4

4 44

4 4 4 4

4 4 4 šrouby nebo svěrkami.

V případě, že způsob připevnění hvězdic nezahrnuje použití svarových spojů, tj. zahrnuje použití, např. šroubů nebo svěrek, ke středových částem hvězdic nebo/a na povrch sloupků, ploten nebo bipolárních desek mohou být přiloženy prostředky pro zvýšení vodivosti, jakými jsou např. podložky, abrazívní kotouče nebo vodivé potahy. Případně tam, kde je žádoucí zajistit dobrý fyzikální a elektrický spoj s náhradní anodou nebo katodou, hrubé povrch sloupků, ploten nebo bipolárních desek, které se vytvořily při odstraňování elektrodových sestav, mohou být upraveny broušením, pískováním, pilováním, apod..

Claims (70)

1. iv Λΰοι - tjviy

   • · · · • · ·· • · · · c » · · • · · · · • · · · · • · · · · ··· ··· ·· ·· 41 P A T Ε N T 0 V É N Á ROKY 1. Elektrodová sestava, v y z n a č e n á tím, že zahrnuje plotnu s vnitřní částí a přírubovou částí

   probíhající podél okraje vnitřní části pro nesení plochého těsnícího prostředku k utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi v přilehlých elektrodových sestavách, přičemž oddělovač je umístěn mezi povrchem anody první elektrodové sestavy a povrchem katody druhé elektrodové sestavy tak, že povrch anody je v podstatě paralelní s povrchem katody a je přilehlý k povrchu katody, avšak je izolován od povrchu katody, odsazen od povrchu katody uvedeným oddělovačem a hermeticky připevněn k oddělovači; elektricky vodivou desku odsazenou od plotny; vstup pro tekutinu; a výstup pro tekutinu; přičemž elektricky vodivá deska je elektricky spojena s plotnou prostředkem, který má případně formu množiny elektricky vodivých prvků, ke kterým je elektricky vodivě připevněna elektricky vodivý deska, a který poskytuje elektricky vodivé cesty mezi plotnou a elektricky vodivou deskou, přičemž v případě, že elektricky vodivá deska je tvořena anodovou deskou, elektricky vodivá deska může být případně přímo elektricky spojena s plotnou, přičemž v případě, že elektrodová sestava je tvořena anodovou sestavou, vnitřní část plotny je opatřena množinou dovnitř vybíhajících výstupků, a v případě, že elektrodová sestava je tvořena katodovou sestavou, vnitřní část plotny je opatřena množinou vně vybíhajících výstupků, takže dovnitř vybíhající výstupky ve vnitřní části plotny anodové sestavy kopírují vně vybíhající výstupky ve vnitřní části plotny přilehlé katodové sestavy v sestavě zahrnujících množinu elektrodových sestav.

   ···· · · · · «· ·· ··· · · · ·· ·
2. 2. Elektrodová sestava podle nároku 1, vyznačená tím, že elektricky vodivé cesty jsou pružné.
3. 3. Elektrodová sestava podle nároku 1 nebo 2, vyznačená t í m, že každý výstupek je elektricky vodivě spojen s elektricky vodivým prvkem.
4. 4 4

   4 4 4 4

   4 4 4 4 4

   4 4 4 4 4 • 4 44

   4 4 4 4 4 · 44*4 4 • 444 4 4 444

   4 4 44 4 · 44 · • 4 4 4 ·· 44 · 4··

   4 4 4 4 4 4 ··· 4 • · · 4 4 4 44 • 4 4 4 444444 44 4

   4 4 44 · · ♦ ·

   • 4 4« 4 4 ·* • 44« 44 ·« · · ·

   4. Elektrodová sestava podle některého z nároků 1 až 3, v yznačený tím, že výstupky jsou odsazeny jeden od druhého v prvním směru a ve směru příčném k tomuto prvním směru.
5. 5. Elektrodová sestava podle nároku 4, vyznačená tím, že výstupky jsou vzájemně odsazeny o stejnou vzdálenost v prvním směru a v příčném směru.
6. 6. Elektrodová sestava podle některého z nároku 1 až 5, v yznačená tím, že výstupky mají tvar komolých kuželů.
7. 7. Elektrodová sestava podle některého z nároků 1 až 6, v yznačená tim, že elektricky vodové prvky jsou tvořeny sloupky, které jsou případně určeny k neseni zátěže.
8. 8. Elektrodová sestava podle některého z nároků 1 až 7, v yznačená tím, že každý elektricky vodivý prvek zahrnuje proudový nosič, výhodně víceramenný proudový nosič, přilehlý k elektricky vodivé desce k vytvoření vícebodového elektrického kontaktu s touto deskou.
9. 9 9 9 9 9 9

   99 9 9 99 9 9 99

   9 9 9 9 9 9 9

   9 · « 9 99 · 9 • 9 9 9 9 9 9 9

   9999 9 9

   9. Elektrodová sestava podle nároku 8, vyznačená tím, že elektrodovou sestavou je anodová sestava opatřená relativně nepružnými hvězdicemi s krátkými rameny.
10. 10. Elektrodová sestava podle nároku 8, vyznačená tím, že elektrodovou sestavou je katodová sestava opatřená relativně pružnými hvězdicemi s dlouhými rameny.
11. 11. Elektrodová sestava podle některého z nároků 1 až 10, vyznačená tím, že ve spodní části elektrodové sestavy se nachází vstupní potrubí, které výhodně probíhá z jedné boční části elektrodové sestavy k druhé boční části.
12. 12. Elektrodová sestava podle nároku 11, vyznačená tím, že vstupní potrubí je opatřeno vstupními otvory, uspořádanými podél vstupního potrubí a vzájemně odsazenými o stejnou vzdálenost.
13. 13. Elektrodová sestava podle nároku 12, vyznačená tím, že rozměry vstupních otvorů jsou takové, že tlakový gradient podél vstupního potrubí je minimalizován.
14. 14. Elektrodová sestava podle některého z nároků 11 až 13, vyznačená tím, že vstupní potrubí je uzpůsobeno k přivedení tekutiny pouze k jednomu jeho konci.
15. 15. Elektrodová sestava podle některého z nároků 11 až 14, vyznačená tím, že se vstupním potrubím je sdruženo napájecí potrubí probíhající podél vstupního potrubí až téměř ke slepému konci vstupního potrubí.
16. 16. Elektrodová sestava podle některého z nároků 11 až 14, vyznačená tím, že napájecí potrubí sdružené se vstupním potrubím je vytvořeno z nevodícího materiálu a výhodně probíhá podél vstupního potrubí.
17. 17. Elektrodová sestava podél některého z nároků 1 až 16, vyznačená tím, že uvnitř elektrodové sestavy je uspořádána jedna přepážka nebo více přepážek k vytvoření kanálku mezi první stranou přepážky a elektricky vodivou deskou a druhého kanálku mezi druhou stranou přepážky a vnitřní částí plotny, přičemž první kanálek je určen pro vzestupné vedení plynem-plněného elektrolytu k výstupnímu sběrači uspořádanému při vrchním konci elektrodové sestavy a druhý kanálek je určen pro sestupné vedení odplyněného elektrolytu ke spodní částí elektrodové sestavy.
18. 18. Elektrodová sestava podle nároku 17, vyznačená tím, že přepážky probíhají ve vertikálním směru.
19. 19. Elektrodová sestava podle nároku 17 nebo 18, vyznačená tím, že v případě, že elektrodová sestava je tvořena anodovou sestavou vyrobenou z titanu nebo jeho slitin, přepážky jsou vyrobeny z titanu nebo jeho slitin, a v případě, že elektrodová sestava je tvořena katodovou sestavou vyrobenou z niklu nebo jeho slitin, přepážky jsou vyrobeny z niklu nebo jeho slitin.
20. 20. Elektrodová sestava podle některého z nároků 17 až 19, vyznačená tím, že v případě, že elektrodová sestava je tvořena anodovou sestavou, přepážky jsou připevněny k dovnitř vybíhajícím výstupkům anodové plotny a v případě, že elektrodová sestava je tvořena katodovou sestavou, přepážky jsou připevněny ke sloupkům.
21. 21. Elektrodová sestava podle některého z nároků 17 až 20, vyznačená tím, že přepážky zahrnují množinů dílů, z nichž každý probíhá elektrodovou sestavou s tím, že mezi jednotlivým díly jsou horizontální mezery.
22. 22. Elektrodová sestava podle nároku 7 nebo podle některého z nároků 8 až 21, vyznačený tím, že sloupky jsou uzpůsobeny pro nesení zátěže.
23. 23. Elektrodová sestava podle nároku 22, vyznačený tím, že konce zátěž-nesoucích sloupků jsou vyrovnány s otvory v elektrické vodivé desce.
24. 24. Bipolární jednotka, vyznačená tím, že plotna elektrodové sestavy podle některého z nároků 1 až 23, která je tvořena anodovou sestavou, je spojena s plotnou elektrodové sestavy podle některého z nároků 1 až 23, která je tvořena katodovou sestavou, tak, že dovnitř vybíhající výstupky plotny anodové sestavy kopírují ven vybíhající výstupky plotny katodové sestavy k vytvoření bipolární jednotky.
25. 25. Bipolární elektrolyzér kalolisového typu, který zahrnuje prostředek pro distribuci proudu a jednu nebo několik bipolárních jednotek připevněných na připevňovacích rámech a sestavených do série, jak mechanicky tak i elektricky, vyznačený tím, že bipolární jednotky jsou tvořeny bipolárními jednotkami podle nároku 24.
26. 26. Modul, vyznačený tím, že zahrnuje anodovou sestavu podle některého z nároků 1 až 23 a katodovou sestavu podle některého z nároků 1 až 23, přičemž plotna anodové sestavy je spojena s plotnou katodové sestavy tak, že dovnitř vybíhající výstupky plotny anodové sestavy kopírují vně vybíhající výstupky plotny katodové sestavy k vytvoření bipolární jednotky; oddělovač uspořádaný mezi anodovou deskou a katodovou deskou tak, že anodový povrch je v podstatě paralelní s katodovým povrchem a je přilehlý ke katodovému povrchu, avšak je izolován a odsazen od katodového povrchu oddělovačem, který rozděluje modul na samostatná anodová a katodová oddělení; plochý těsnící prostředek pro utěsnění oddělovače mezi přírubovými částmi na okrajích ploten; a tlakové prostředky k působení tlaku na plochý těsnící prostředek k hermetickému utěsnění těsnícího prostředku mezi tlakovými prostředky; přičemž dovnitř vybíhající výstupky anodové sestavy jednoho modulu jsou uspořádány tak, že kopírují vně vybíhající výstupky katodové sestavy přilehlého modulu, když jsou použity v modulárním bipolárním elektrolyzérů zahrnujícím množinu modulů; přičemž modul případně zahrnuje jednu nebo několik bipolárních jednotek podle nároku 24, výhodně s elektricky vodícími zátěž-nesoucimi sloupky, a sdružené oddělovače vložené mezi anodové a katodové sestavy.
27. 27. Modulární bipolární elektrolyzér, který zahrnuje jeden nebo více modulů sestavených na připevňovacím rámu do série, a to jak elektricky tak i mechanicky, a desky pro distribuci proudu na každém konci elektrolyzéru, vyznačený tím, že moduly jsou tvořeny moduly podle nároku 26.
28. 28. Elektrolyzér podle nároku 25 nebo 27, vyznačený tím, že elektrická vodivost mezi přilehlými moduly v modulárním bipolárním elektrolyzéru podle nároku 27 nebo mezi elektrodovými sestavami v bipolární jednotce bipolárního elektrolyzéru kalolisového typu podle nároku 25, je dosažena přímým kontaktem přilehlých modulů nebo přilehlých elektrodových sestav.
29. 29. Elektrolyzér podle nároku 25 nebo 27, vyznačený tím, že elektrická vodivost mezi přilehlými moduly v modulárním bipolárním elektrolyzéru podle nároku 27 nebo mezi elektrodovými sestavami v bipolární jednotce bipolárního elektrolyzéru kalolisového typu podle nároku 25 je zvýšena použitím vodivost-zvyšujícího materiálu nebo zařízením mezi přilehlými moduly nebo přilehlými elektrodovými sestavami.
30. 30. Elektrolyzér podle nároku 29, vyznačený tím, že zařízení pro zvýšení vodivosti je tvořeno elektricky •» ·· « · ♦ · • · ·· vodivou kovovou podložkou uzpůsobenou k zařezávání do plotny.
31. 31. Elektrolyzér podle nároku 30, vyznačený tím, že zařízení pro zvýšení vodivosti je uspořádáno v každém dovnitř vybíhajícím výstupku na plotně anodové sestavy k vytvoření elektrického kontaktu mezi dovnitř vybíhajícími výstupky a kopírujícími ven vybíhajícími výstupky na plotně katodové sestavy přilehlého modulu.
32. 32. Modul podle nároku 26 nebo bipolární elektrolyzér kalolisového lisu podle nároku 25, vyznačený tím, že elektricky vodivé zátěž-nesoucí prvky, ke kterým jsou připevněny elektrodové desky, jsou tvořeny sloupky.
33. 33. Modul nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 32, vyznačený tím, že poměr délky elektricky vodivé cesty probíhající skrze katodový sloupek ku délce elektricky vodivé cesty probíhající skrze anodový sloupek je alespoň 2:1, výhodně alespoň 4:1 a výhodněji alepoň 10:1.
34. 34. Modul podle nároku 26, vyznačený tím, že každý zátěž-nesoucí prvek je spojen s elektricky vodivou deskou víceramennou hvězdicí.
35. 35. Modul podle nároku 26 nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 25, vyznačený tím, že prostředek pro působení tlaku na plochá těsnění pro • * hermetické utěsnění oddělovače je opatřen šrouby probíhajícími skrze otvory v přírubových částech.
36. 36. Modul podle nároku 32 nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 25, vyznačený tím, že na koncích sloupků přilehlých k elektricky vodivé desce jsou uspořádány elektricky izolující, zátěž-převádějící podložky.
37. 37. Modul podle nároku 26 nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 25, vyznačený tím, že oddělovač je tvořen v podstatě elektrolyticky nepropustnou iontoměničovou membránou.
38. 38. Modul podle nároku 26 nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 25, vyznačený tím, že je opatřen výstupním sběračem pro vzájemné oddělení plynu a kapaliny v oblasti, která se nalézá v každé sestavě nad oblasti elektrolýzy a ve které na membránu nepůsobí žádná tekutina.
39. 39. Modul podle nároku 26 nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 25, vyznačený tím, že těsnící prostředek je vyroben ze změkčené pryskyřice EPDM.
40. 40. Modul nebo bipolární elektrolyzér kalolisového typu podle nároku 39, vyznačený tím, že těsnící prostředek je na vnitřní okraji opatřen chemicky odolným výstupkem.
41. 41. Modul nebo bipolární elektrolyzér bipolárního typu podle nároku 40, vyznačený tím, že chemicky odolný výstupek je vyroben z produktu PTFE.
42. 42. Elektrodová sestava podle některého z nároků 1 až 23, vyznačená tím, že je opatřena výstupním sběračem pro vzájemné oddělení plynu a kapaliny v oblasti sestavy nalézající se nad oblastí elektrolýzy.
43. 43. Způsob elektrolýzy halogenidu alkalických kovů, vyznačený tím, že se provádí v bipolárním elektrolyzéru podle nároku 25 nebo 27.
44. 44 44 4

    44 44 444 <44 44 4·4 částí, přičemž ploché těsnění má na jedné straně pružný výstupek, který společně se stejným výstupkem druhého plochého těsnění je sevřen k vytvoření těsnícího spoje, přičemž tento pružný výstupek probíhá po vnitřním okraji rámu nebo podél vnitřního okraje rámu a je odsazen od vnějšího okraje rámu.

    44 44 · · · · ·

    44. Způsob výroby bipolárního elektrolyzéru kalolisového typu podle nároku 25, který zahrnuje připevnění prostředku pro distribuci proudu a jedné nebo několik bipolárních jednotek k připevňovacímu rámu a sestavení těchto bipolárních jednotek do série, a to jak mechanicky tak i elektricky, vyznačený t 1 m, že bipolární jednotky jsou tvořeny bipolárními jednotkami podle nároku 24.
45. 45. Způsob výroby modulárního bipolárního elektrolyzéru podle nároku 27, který zahrnuje sestavení jednoho nebo několika modulů na připevňovacím rámě do série, a to jak mechanicky tak i elektricky, a poskytnutí desky pro distribuci proudu při každém konci elektrolyzéru, vyznačený tím, že moduly jsou tvořeny moduly podle nároku 26.
46. 46. Bipolární jednotka podle nároku 24 nebo modul podle nároku 26, vyznačený tím, že anodová deska nebo/a katodová deska má’elektrokatalyticky aktivní povrch.
47. 47. Bipolární jednotka podle nároku 24 nebo modul podle nároku 26, v y z n a č e n ý t í m, že délka elektricky vodivé cesty mezi anodovou plotnou a anodovou deskou je kratší než i lélka elektricky vodivé cesty mezi katodovou plotnou a katodovou deskou.
48. 48. Elektrodová sestava, vyznačená tím, že zahrnuje plotnu, která má základnu a boční stěny, které vybíhají ze základny k vytvoření ústupku pro přijímání tekutiny; elektrodovou desku připevněnou tak, že je přivrácená k vnitřnímu povrchu základny a odsazená od vnitřního povrchu základny; a množinu dutých výstupků uspořádaných na základně plotny tak, že vybíhají ve směru pryč od elektrodové desky, přičemž uvnitř každého dutého výstupku se nachází elektricky vodivý prvek poskytující elektrické spojení mezi vrcholem výstupku a elektrodovou deskou.
49. 49 nebo 50, vyznačený tím, že zahrnuje oddělení elektrodové sestavy, zahrnující elektrodovou desku a připevněné proudové nosiče, od plotny oddělením uvedených proudových nosičů od plotny nebo od sloupků, ke kterým jsou proudové nosiče připojeny, a následné opětovné připevnění stejné renovované elektrodové desky nebo náhradní elektrodové desky k plotně připevněním proudových nosičů, sdružených s renovovanou nebo náhradní elektrodovou deskou, k plotně nebo uvedeným sloupkům.

    49. Elektrodová sestava podle nároku 48, vyznačená tím, že každý elektricky vodivý prvek je tvořen sloupkem, který je elektricky spojen s elektrodovou deskou skrze množinu vodivých ramen, které radiálně vybíhají ze sloupku.
50. 50. Elektrodová sestava, vyznač ená tím, že zahrnuje plotnu, která má základnu a boční stěny, které • · vybíhají ze základny k vytvoření ústupku pro přijmutí tekutiny; elektrodovou desku připevněnou tak, že je přivrácená k vnitřnímu povrchu základny a je odsazena od vnitřního povrchu základny; a množinu dutých výstupků uspořádaných na základně plotny, přičemž s každým výstupkem je sdružen proudový nosič, který poskytuje elektrické spojení mezi vrcholem výstupku a elektrodovou deskou a je spojen s elektrodovou deskou skrze množinu elektricky vodivých ramen, které jsou v kontaktu s elektrodovou deskou na různých místech.
51. 51. Elektrodová sestava podle některého znároků 1 až 23, 42 a 48 až 50, v y z n a č e n á t í m, že výstupky vybíhají výhradně v jednom směru.
52. 52. Elektrodová sestava podle některého z nároků 48 až 51, vyznačená tím, že zahrnuje jednu nebo několik přepážek umístěných mezi základnou plotny a elektrodovou deskou tak, že rozdělují prostor mezi základnou a elektrodovou deskou do dvou vzájemně spolupracujících proudových zón.
53. 53. Elektrodová sestava podle některého z nároků 49, vyznačená tím, že zahrnuje jednu nebo několik přepážek umístěných mezi základnu plotny a elektrodovou desku tak, že rozdělují prostor mezi základnou a elektrodovou deskou do dvou vzájemně spolupracujících proudových zón, přičemž přepážky jsou připevněny na uvedených sloupkách.
54. 54. Elektrodová sestava podle nároku 50, vyznačená tim, že má formu anodové sestavy, ve které uvedené výstupky vybíhají ve směru k anodové desce, přičemž sestava zahrnuje jednu nebo několik přepážek připevněných na uvedených výstupcích mezi základnou plotny a elektrodovou deskou tak, že rozdělují prostor mezi základnou a elektrodovou deskou do dvou vzájmně spolupracujících proudových zón.
55. 55. Elektrodová sestava pro použiti s elektrodovou sestavou podlě některého z nároků 1 až 23, 42 a 48 až 54, vyznačená t 1 m, že zahrnuje elektricky vodivou desku a řadu proudových nosičů připevněných k hlavní čelní straně elektricky vodivé desky, přičemž každý proudový nosič zahrnuje množinu ramen spojených k elektricky vodivé desce.
56. 56. Elektrodová sestava podle nároku 55, vyznačená tim, že elektricky vodivá deska je opatřena na alespoň hlavní čelní straně elektrokatalyticky aktivním potahem.
57. 57. Elektrodová sestava podle nároku 56, vyznačená tím, že všechny proudové nosiče jsou připevněny k elektricky vodivé desce na její druhé straně, zejména na čelní straně nepokryté uvedeným potahem.
58. 58. Elektrodová sestava podle některého z nároků 55 až 57, vyznačená tím, že každý proudový nosič zahrnuje středovou připevňovací část, z které radiálně vybíhají uvedená ramena.

    • · • * · • ·
59. 59. Elektrodová sestava podle některého z nároků 55 až 58, vyznačená tím, že ramena jsou pružná k umožnění jejich ohnutí.
60. 60. Elektrodová sestava podle některého z nároků 55 až 59, vyznačená tím, že proudové nosiče jsou vyrobeny ze stejného materiálu jako elektricky vodivá deska.
61. 61. Elektrodová sestava podle některého z nároků 55 až 60, vyznačená tím, že elektricky vodivá deska je perforovaná.
62. 62. Proudový nosič pro použití s elektrodovou sestavou podle některého z nároků 1 až 23, 42, a 48 až 54, vyznačený tím, že zahrnuje středovou připevňovací část, ze které radiálně vybíhá množina ramen, jejichž odlehlé konce leží v rovině odlišné od roviny, ve které leží středová připevňovací část.
63. 63. Elektrodová sestava nebo proudový nosič podle nároků 60, 61 nebo 62, vyznačený tím, že proudový nosič nebo proudové nosiče jsou vyrobeny z kovu zvoleného z množiny zahrnující titan, zirkonium, niob, tantal, wolfram, nikl nebo slitinu obsahující v postatě jeden nebo několik těchto kovů.
64. 64. Ploché těsnění, vyznačené tím, že je tvořeno rámem určeným pro stlačení společně s rámem druhého plochého těsnění se stejnou konfigurací mezi dvojici přírubových
65. 65. Ploché těsnění podle nároku 64, vyznačené tím, že vnitřní okraj plochého těsnění je chráněn chemicky odolným pláštěm, který pokrývá pružný výstupek.
66. 66. Elektrodová sestava pro elektrolytický článek nebo palivový článek, vyznačená tím, že zahrnuje anodové oddělení, které zahrnuje anodovou desku; katodové oddělení, které zahrnuje katodovou desku; a iontoměničovou membránu, která je umístěna mezi anodovou deskou a katodovou deskou, přičemž membrána je při vnějším okraji nebo v místě přilehlém k vnějšímu okraji utěsněna dvojicí plochých těsnění podle nároku 64 nebo 65, přičemž tato plochá těsnění jsou uspořádána na každé straně membrány s tím, že jejich pružné výstupky jsou vzájemně vyrovnány a sevřeny k membráně pro vytvoření těsnícího spoje mezi membránou a plochým těsněním.
67. 67. Bípolární elektrolyzér kalolisového typu nebo modul podle nároku 26, vyznačený tím, že plochý těsnící prostředek je tvořen plochým těsněním opatřeným na vnitřním okraji chemicky pružným pláštěm.
68. 68. Způsob renovace elektrodové sestavy podle nároků 8,9,10, • 4 44
69. 69. Způsob podle nároku 68, vyznačený tím, že renovace elektrodové desky spočívá v nahrazení alespoň některého z proudových nosičů.
70. 70. Elektrovodivé kovové zařízení pro elektrodovou sestavu podle některého z nároků 1 až 23, 42 a 48 až 54, jednotku podle nároku 24, elektrolyzér podle nároku 25, modul podle nároku 26 nebo modulární bipolární elektrolyzér podle nároku 27, vyznačený tím, že je uzpůsoben k abrazi nebo pronikáni do povrchu plotny zadíráním nebo zařezáváním skrze libovolný elektricky izolující povlak pokrývající plotnu, jakým je např. oxidová vrstva; a k alespoň zabránění vytvoření izolační vrstvy mezi elektrovodivým kovovým zařízením a povrchem plotny.