ES2240198T3 - Celula electroquimica para electrolizador con tecnologia de elementos individuales. - Google Patents

Abstract

Célula electroquímica para el procedimiento de electrolisis con membrana, constituida al menos por 2 semicápsulas (8, 10), que rodean un recinto para el anólito (16) y un recinto para el cátodo (22) con una membrana (5) dispuesta entre ambos, un ánodo (6) en el recinto para el anólito (16) estando dotado el recinto para el cátodo (22) con un cátodo de consumo de oxígeno (4), con varias bolsas de gas (15), dispuestas de manera superpuesta con presión compensada, un intersticio para el católito (14) y, en caso dado, un recinto de retorno (19), caracterizada porque se han previsto elementos de apoyo (7), eléctricamente conductores, en el recinto para el anólito (16) y elementos de apoyo (2, 3, 1) en el recinto para el cátodo (22) en posiciones idénticas, contrapuesta entre sí, que se apoyan entre sí, verificándose el apoyo, en el recinto para el cátodo (22), por medio de un elemento de apoyo (3, 2, 1), constituido por varias piezas, con una pieza de apoyo (1) en el intersticio para el católito(14), con otra pieza de apoyo (2a ; 2b) en la bolsa de gas (15), que presenta en puntos seleccionados, especialmente en las zona superior e inferior de la bolsa de gas (15) correspondiente, orificios pasantes (22a, 22b, 23a) o pasajes (24) y, cuando esté presente un recinto de retorno (19), con una tercera pieza de apoyo (3) en el recinto de retorno (19) por detrás de las bolsas de gas (15).

Description

Célula electroquímica para electrolizador con tecnología de elementos individuales.

La invención se refiere a una célula electroquímica para electrolizador con tecnología de elementos individuales para el procedimiento de electrolisis con membrana según la parte introductoria de la reivindicación 1. La célula está constituida al menos por 2 semicápsulas, que rodean un recinto para el anólito y un recinto para el cátodo con membrana dispuesta entre ambas, un ánodo en el recinto para el anólito, estando dotado el recinto para el cátodo con un cátodo de consumo de oxígeno, con varias bolsas de gas, dispuestas de manera superpuesta, con compensación de la presión, un intersticio para el católito y, en caso dado, con un recinto de retorno, estando previstos elementos de apoyo, eléctricamente conductores, en el recinto para el anólito y elementos de apoyo en el recinto para el cátodo en posiciones idénticas, contrapuesta.

Se conocen electrolizadores, por ejemplo para la electrolisis de NaCl para el modo de trabajo bipolar según dos técnicas básicas, fundamentalmente conocidas.

En el caso de la tecnología de los filtros prensa, los elementos de la célula están dispuestos dentro del bastidor, en forma de semicápsula, soldados por sus partes dorsales, con lo cual el ánodo y el cátodo se encuentra, respectivamente, libres en la parte externa y la membrana intercambiadora de iones, dispuesta entre dos elementos, constituye la célula electroquímica. La corriente de una célula a otra fluye en este caso a través de las costuras de soldadura entre las semicápsulas.

En el caso de la tecnología de los elementos individuales, la célula electroquímica está constituida por dos semicápsulas individuales para los electrodos, entre las cuales se dispone una membrana, y que se atornillan a continuación para formar un elemento individual. El contacto eléctrico desde un elemento individual hasta otro elemento individual se lleva a cabo en este caso a través de la compresión de un paquete de elementos individuales, que están unidos entre sí eléctricamente a través de tiras de contacto adecuadas. Las fuerzas de presión, que actúan desde el exterior, tienen que transmitirse en este caso dentro de las estructuras de los elementos.

El empleo de cátodos de consumo de oxígeno cuando se trabaja en compresión con las denominadas bolsas de gas, como se ha descrito en la memoria descriptiva de la patente US 5 963 202 según su principio básico así como en la memoria descriptiva de la solicitud de patente alemana publicada, no examinada DE 196 22 744 A1, para bolsas de gas recorridas por gas de manera activa, se lleva a cabo con un intersticio para el electrolito entre el cátodo de consumo de oxígeno y la membrana. Al mismo tiempo la propia bolsa de gas representa un volumen vacío. Ambas estructuras, indefinidas para la propagación de las fuerzas, tienen que puentearse con un sistema adecuado para la conducción de las fuerzas de tensión. Al mismo tiempo tiene que aprovecharse la fuerza de tensión para una mejora adicional de la distribución de la corriente en el cátodo de consumo de oxígeno a través de contactos de presión. Se conoce por la publicación DE-A-196 41 125 un aparato de electrólisis para la obtención de halógenos gaseosos a partir de solución acuosa de halogenuro alcalino con varias células electrolíticas en forma de placas, dispuestas de manera adyacente en un apilamiento y contactadas eléctricamente. Los ánodos y los cátodos están conectados, eléctricamente con la respectiva pared posterior asociada por medio de atirantados en forma de nervaduras, que coinciden con las tiras de contacto dispuestas en la pared posterior de la carcasa, con lo que se evitaría una distribución irregular de la corriente.

Las bolsas de gas con los cátodos de consumo de oxígeno se extienden, usualmente, a través de toda la anchura de la zona electrolítica. Las estructuras para la conducción de las fuerzas de tensión están dispuestas verticalmente como ocurre en el caso de la electrolisis para la producción de hidrógeno por motivos hidráulicos. Para las funciones, que se cruzan en este caso, debía encontrarse una solución plasmática simple, que se pudiese integrar, desde un principio, en nuevos elementos para electrolisis y que posibilitase el reequipamiento de las electrolisis que trabajan actualmente para la obtención de hidrógeno.

La tarea se resuelve, según la invención, por medio de una célula electroquímica para el procedimiento de electrolisis con membrana, constituida al menos por 2 semicápsulas, que rodean un recinto para el anólito y un recinto para el cátodo con membrana dispuesta entre ambas, un ánodo en el recinto para el anólito, estando dotado el recinto para el cátodo con un cátodo de consumo de oxígeno, con varias bolsas de gas, dispuestas de manera superpuesta, a presión compensada, un intersticio para el católito y, en caso dado, un recinto de retorno, caracterizada porque se han previsto elementos de apoyo, eléctricamente conductores, en el recinto para el anólito y elementos de apoyo en el recinto para el cátodo en posiciones idénticas, contrapuesta entre sí, que se apoyan entre sí, verificándose el apoyo, en el recinto para el cátodo, por medio de un elemento de apoyo, constituido por varias piezas, con una pieza de apoyo en el intersticio para el católito, con otra pieza de apoyo en la bolsa de gas, que presenta en puntos seleccionados, especialmente en las zona superior e inferior de la bolsa de gas correspondiente, orificios pasantes o pasajes y, cuando esté presente un recinto de retorno, con una tercera pieza de apoyo en el recinto de retorno por detrás de las bolsas de gas.

El lado posterior de las bolsas de gas está soldado, especialmente, con los elementos de apoyo verticales para la transmisión de las fuerzas y de la corriente. En las bolsas de gas se sueldan, preferentemente a través de estas costuras de soldadura, por ejemplo, vigas estructurales o puentes estructurales de otro tipo, que discurren verticalmente, a modo de elementos de apoyo, que tienen una altura tal que tienen el mismo nivel que el borde externo periférico de la bolsa de gas.

Independientemente de la forma de realización elegida, estos elementos incorporados deben posibilitar un flujo horizontal del gas a través de la bolsa de gas así como en el borde inferior igualmente una salida horizontal del posible condensado.

Tras el montaje de los cátodos de consumo de oxígeno éstos están situados, por ejemplo, horizontalmente sobre las vigas o bien los puentes estructurales y sobre el borde de las bolsas de gas y forman una superficie plana a través de toda la anchura así como de la altura correspondiente de la bolsa de gas.

Para puentear el intersticio del católito entre el cátodo de consumo de oxígeno y la membrana, se monta, especialmente, un elemento de apoyo a modo de elemento de apoyo constituido por material resistente a la electrolisis al calor a modo de contrapieza con respecto a las vigas o bien los puentes estructurales anteriormente citados, que se apoya, por su parte, sobre el cátodo de consumo de oxígeno así como, por otro lado, a través de la membrana, sobre la estructura del ánodo, apoyada igualmente en esta zona y, de este modo, se posibilita la propagación de las fuerzas a través de la célula electroquímica.

El elemento de apoyo (distanciador) no se monta en la célula en una pieza preferentemente por los motivos siguientes. En primer lugar no se asegura una posición segura frente a las vigas o bien los puentes estructurales anteriormente citados a través de toda la altura, pudiendo conducir ya pequeñas ondulaciones laterales a un desprendimiento con el peligro de la destrucción del cátodo de consumo de oxígeno y, en segundo lugar, los coeficientes de dilatación térmica se diferencian entre sí, de tal manera, que es probable una flexión lateral, favorecida por el efecto lubrificante por los católitos.

El segundo elemento de apoyo se ha configurado de forma especialmente preferente bien a modo de barra maciza, eléctricamente conductora, o a modo de perfil en forma de U, o bien a modo de estampación vertical correspondiente del lado posterior de las bolsas de gas. Por este motivo es preferente trocear el elemento de apoyo y subdividirlo en segmentos, que corresponden a la altura de las bolsas de gas individuales correspondientes. Los segmentos de los elementos de apoyo se fijan o bien se guían, especialmente en la parte superior y en la parte inferior según el esquema siguiente: en el extremo superior se fijan sobre el borde de la bolsa de gas. Esto puede llevarse a cabo bien a través de una espiga o según un tipo de botón a presión bien sobre el distanciador o sobre el borde superior de la bolsa de gas, debiendo contener un taladro correspondiente la pieza contrapuesta respectiva.

Una variante preferente de la invención se caracteriza por lo tanto porque la pieza de apoyo en el intersticio para el católito está formada por varias barras dispuestas verticalmente de manera superpuesta, que están fijadas en caso dado en su extremo superior con un agente de unión desprendible, por ejemplo un dispositivo de unión a presión sobre vigas transversales, que portan los electrodos.

En el extremo inferior el elemento de apoyo se transforma en una estructura en forma de cola de milano, que rodea al extremo superior, que termina en punto, del siguiente elemento de apoyo, situado por debajo y, de este modo, asegura la posición horizontal del elemento de apoyo. El intersticio entre estos dos segmentos se elige, convenientemente, de tal manera que se compense la dilatación térmica máxima del elemento de apoyo frente a las estructuras metálicas.

En una variante preferente de la célula electroquímica se han configurado, por lo tanto, los extremos limítrofes correspondientes de las piezas de apoyo, a modo de combinación de ranura-lengüeta, estando configurado en el extremo superior de la pieza de apoyo inferior correspondiente, especialmente, en forma de lengüeta.

Se produce una buena distribución de las fuerzas en la célula cuando los elementos de apoyo se dilaten a través de toda la altura de las semicápsulas.

Para garantizar una posición aún mas segura del elemento de apoyo, las vigas o bien los puentes estructurales pueden dotarse con ligeros abombados verticales bien a la derecha o a la izquierda o en el centro, que corresponden a un moldeado correspondiente del elemento de apoyo, de manera que este se centrará siempre sobre la estructura contrapuesta en el momento del tensado del electrolizador.

Los cátodos de consumo de oxígeno deben ser eléctricamente conductores, especialmente sobre su lado posterior. Para ello se realizará, además de la unión metálica de los cátodos de consumo de oxígeno con el borde de la bolsa de gas, otra unión eléctrica por medio de contacto a presión a través de los elementos de apoyo eléctricamente conductores que, conduce un minimizado adicional de las pérdidas óhmicas. Además, el empleo del elemento de apoyo impide un aboyado de gran superficie del cátodo de consumo de oxígeno en el intersticio para el católito con el peligro del bloqueo local del flujo del católito por contacto con la membrana. Esto es válido, especialmente, en el caso de la estructuración anteriormente citada de los elementos de apoyo, mediante la cual se tensa el cátodo de consumo de oxígeno.

Los elementos de apoyo en el intersticio para el católito se fabrican, especialmente en el caso de la electrolisis cloroalcalina, convenientemente con ECTFE, FEP, MFA o con PFA, mientras que los elementos de apoyo, eléctricamente conductores, por ejemplo las vigas o bien los puentes estructurales deben estar constituidos por níquel o por otra aleación metálica resistente a los álcalis o deben estamparse directamente sobre la pared posterior de la bolsa de gas.

En el caso de un cátodo de consumo de oxígeno metálico o eléctricamente conductor sobre su lado anterior, los elementos de apoyo pueden ser metálicos sobre el lado dirigido hacia el cátodo de consumo de oxígeno en el intersticio para el católito, para recibir a través del contacto por presión una mejora de la distribución de la corriente en el cátodo de consumo de oxígeno. Preferentemente se construirán en este caso los elementos de apoyo en dos piezas, estando constituido el lado dirigido hacia la membrana por ECTFE, FEP, MFA o por PFA, mientras que la parte metálica está constituida por metal resistente a los álcalis.

El empleo de la propagación de las fuerzas descrita en la tecnología de los elementos individuales no está limitada únicamente a la electrolisis cloro-álcali, sino que por el contrario puede emplearse para todas las electrolisis con electrodos de difusión gaseosa en contacto directo con electrolitos líquidos, que requieran una compensación de la presión, tal como por ejemplo

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producción de peróxido de hidrógeno con cátodos de consumo de oxígeno,

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electrolisis de dicromato de sodio con ánodo de consumo de hidrógeno y electrodo de consumo de oxígeno,

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células combustibles alcalinas para el enriquecimiento de lejía de hidróxido de sodio,

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electrolisis de ácido clorhídrico con cátodo de consumo de oxígeno.

La invención se explica a continuación con mayor detalle, de manera ejemplificativa, por medio de las figuras. En las figuras muestran:

La figura 1 una sección longitudinal a través de una semicápsula para el cátodo de una célula según la invención como corte de la esquina izquierda superior.

La figura 2 una sección transversal según la línea A-A' en la figura 1, a través de la célula electroquímica.

La figura 3 una sección longitudinal a través de una semicápsula para el cátodo según la línea B-B' en la figura 1.

Ejemplos

En la figura 1 se muestra la pista sobre la semicápsula para el cátodo con el extremo izquierdo superior a modo de corte, en la figura 2 una sección horizontal A-A' a través de una bolsa de gas 15. En la semicápsula, el cátodo 10 está soportada la estructura para las bolsas de gas con la pared posterior 11 del marco lateral 9 por medio de la estructura portante 3.

Las vigas estructurales verticales 2a o bien, según una variante mostrada en las mismas figuras 2 o bien 3, los puentes estructurales verticales 2b están soldados en las bolsas de gas 15. Para asegurar el transporte del oxígeno en las bolsas de gas 15, ambas estructuras están perforadas y no se encuentran sobre el límite horizontal 12 de la bolsa de gas 15 para posibilitar una descarga del posible condensado formado a partir del cátodo de consumo de oxígeno. El cátodo de consumo de oxígeno 4 está fijado de manera eléctricamente conductora y hermética a los gases sobre y en el marco lateral 9 así como en la limitación horizontal 12 y yace sobre las vigas o bien los puentes estructurales. El intersticio para el católito 14, entre la membrana 5 y el cátodo de consumo de oxígeno 4, se define por medio de los elementos distanciadores 1, que se apoyan, a su vez, por medio de la membrana sobre el ánodo 6, que se mantiene, de manera definida, en la semicápsula para el ánodo 8, por medio de la estructura portante 7 (véase la figura 2).

La semicápsula para el ánodo 8 y la semicápsula para el cátodo 10 se unen entre sí, de manera hermética a los líquidos y forman un elemento individual (célula electrolítica).Cuando se comprime el electrolizador se comprimen muchos de tales elementos individuales, ejerciendo presión la siguiente semicápsula para el ánodo 8' correspondiente, del elemento individual adyacente, sobre la semicápsula para el cátodo 10 y la siguiente semicápsula para el cátodo 10' de un elemento individual adyacente sobre el otro lado del elemento individual sobre la semicápsula para el ánodo 8. La compresión del elemento individual ejerce tensión, a través de la semicápsula para el cátodo 10, sobre la estructura portante 3, sobre las vigas estructurales verticales 2a o bien sobre los puentes estructurales verticales 2b y sobre los distanciadores 1, que ejercen presión, por un lado, contra el cátodo de consumo de oxígeno 4 y, por otro lado, a través de una membrana 5, contra el ánodo 6. Este transmite las fuerzas de tensión, a través de la estructura portante 7, hasta las semicápsula para el ánodo 8. Mediante la compresión sobre las tiras de contacto 21a y 21b se verifica el contacto eléctrico desde un elemento individual hasta otro elemento individual.

Los propios elementos distanciadores 1a, 1b se han configurado en la parte superior, acabados en punta y en la parte inferior se han dotado con una estructura en cola de milano correspondiente (figura 1). En la parte superior se fijan por medio de una espiga o por medio de un dispositivo de sujeción similar a un botón de presión 13, sobre el límite horizontal 12 de la bolsa de gas 15. La cola de milano del elemento distanciador 1b penetra por medio de la punta del elemento distanciador 1a siguiente, situado por debajo y, de este modo, se coloca de manera inequívoca. Al mismo tiempo un intersticio definido entre los elementos distanciadores 1a, 1b, posibilita su dilatación térmica libre que, en función del material, es mayor que la de las estructuras metálicas.

Claims (9)

1. Célula electroquímica para el procedimiento de electrolisis con membrana, constituida al menos por 2 semicápsulas (8, 10), que rodean un recinto para el anólito (16) y un recinto para el cátodo (22) con una membrana (5) dispuesta entre ambos, un ánodo (6) en el recinto para el anólito (16) estando dotado el recinto para el cátodo (22) con un cátodo de consumo de oxígeno (4), con varias bolsas de gas (15), dispuestas de manera superpuesta con presión compensada, un intersticio para el católito (14) y, en caso dado, un recinto de retorno (19), caracterizada porque se han previsto elementos de apoyo (7), eléctricamente conductores, en el recinto para el anólito (16) y elementos de apoyo (2, 3, 1) en el recinto para el cátodo (22) en posiciones idénticas, contrapuesta entre sí, que se apoyan entre sí, verificándose el apoyo, en el recinto para el cátodo (22), por medio de un elemento de apoyo (3, 2, 1), constituido por varias piezas, con una pieza de apoyo (1) en el intersticio para el católito (14), con otra pieza de apoyo (2a; 2b) en la bolsa de gas (15), que presenta en puntos seleccionados, especialmente en las zona superior e inferior de la bolsa de gas (15) correspondiente, orificios pasantes (22a, 22b, 23a) o pasajes (24) y, cuando esté presente un recinto de retorno (19), con una tercera pieza de apoyo (3) en el recinto de retorno (19) por detrás de las bolsas de gas (15).

2. Célula electroquímica según la reivindicación 1, caracterizada porque la pieza de apoyo (1) en el intersticio para el católito (14) está formada por varias barras (1) dispuestas verticalmente de manera superpuesta, que, en caso dado, están fijadas en su extremo superior con un medio de unión desprendible (13), por ejemplo un dispositivo de unión a presión (13) sobre las vigas transversales (12), que portan los electrodos (4).

3. Célula electroquímica según la reivindicación 2, caracterizada porque los extremos de las piezas de apoyo (1a, 1b), respectivamente limítrofes, se han configurado como combinación de ranura-lengüeta, estando configurado, el extremo superior de la pieza de apoyo inferior (1a), respectiva, especialmente como lengüeta.

4. Célula electroquímica según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque los elementos de apoyo (3, 2, 1) se extienden a lo largo de toda la altura de las semicápsulas (10), frente a los cuales se encuentra un elemento de apoyo (7), continuo, en la segunda semicápsula (8).

5. Célula electroquímica según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la segunda pieza de apoyo (2) se ha configurado bien a modo de barras macizas (2a), eléctricamente conductoras o en forma de perfil en forma de U (2b).

6. Célula electroquímica según la reivindicación 5, caracterizada porque el perfil en forma de U (2b) se ha estampado en relieve a partir de la pared posterior de la bolsa de gas y el elemento de apoyo (3) penetra en la base del perfil en forma de U estampado (2b) y, de este modo, provoca directamente la transmisión de las fuerzas.

7. Célula electroquímica según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque los elementos de apoyo (7, 3 y 2) están fabricados con metales o con aleaciones resistentes a los álcalis, especialmente con níquel o con metales o aleaciones resistentes a los ácidos, especialmente con titanio o con aleaciones de titanio y de paladio.

8. Célula electroquímica según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque los elementos de apoyo (1, 1a o bien 1b) están constituidos por un material sintético resistente a la temperatura y a los electrolitos.

9. Célula electroquímica según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque los elementos de apoyo (1, 1a, 1b) se han realizado de manera metálicamente conductora sobre el ánodo dirigido hacia el cátodo de consumo de oxígeno (4).