FI61209C - Elektrokemisk cell - Google Patents

Description

RSr^l ΓβΊ m^WU«-UTUSJULKAISU A10nQ

$ΒΓφ LBJ <11> UTLÄGCNINGSSKRIFT 61 2U9 C Patentti nyänr.c-tty 10 06 1932 •Αλί? (^Patent meddelat ^^ (51) K».ik?/int.ci.3 C 25 B 15/08 // C 25 C 7/00 SUOM I —FI N LAN D (21) P»Mnttlh.k«™.-Pu*nt»n.öltnlni 2271/7^

(22) Hak«mlspUvt — Anaekfllngatftg 29.07.7U

(23) Alkupltvft — Glltl|h«tadtg 29.0J.7U

(41) Tullut Jutkluiul — Bllvlt offantllg Q2 -jr

Patentti· ja rekisterihallitut .... .. . , . ,..., _ ' (44) NkhtlvUuiptnon ja kuuLfulkaltun pvm. —

Patent· och registerstyrelsan Ansttkin utlajd och utl.ikrifcen publlcarad 26.02.82 (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus— B«|lrd priorltat 03.08.73

Etelä-Afrikan Tasavalta-Sydafrikanska

Republiken(ZA) 73/5311 (71) Parel Societe Anonyme, lU Rue Aldringen, Luxembourg, Luxemburg(LU) (72) George Stephen James, Johannesburg, Bruce Ian Dewar, Randburg,

Walter Rudolf Moergeli, Roodepoort, Etelä-Afrikan Tasavalta-Sydafrikanska Republiken(ZA) (7M Oy Kolster Ab (5U) Sähkökemiallinen kenno - Elektrokemisk cell Tämä keksintö liittyy sähkökemiallisiin prosesseihin ja sähkökemiallisiin kennoihin. Erityisesti keksinnön kohteena on sähkökemiallinen prosessi, joka toteutetaan sähkökemiallisessa kennossa, joka myös on keksinnön kohteena ja joka käsittää ensimmäisen ja toisen elektrodiosaston, joita erottaa ionit läpäisevä seinä ja joissa ensimmäinen ja toinen elektrolyytti virtaavat ylöspäin ensimmäisen ja toisen elektrodiosaston läpi ja m mainittu ensimmäinen elektrodiosasto sisältää hiukkasmaisen elektrodin, joka koostuu kerroksesta erillisiä, sähköä johtavia hiukkasia, jotka saadaan siirtymään ensimmäisen elektrolyytin ylöspäin suuntautuvan virtauksen avulla ja mainittu toinen elektrodiosasto sisältää ei hiukkasmaisen elektrodin.

Joissakin sähkökemiallisissa kennoissa, esim. niissä, joissa yksi elektrodeista on leijukerroselektrodi, on erilliset anodi-ja katodiosastot, joita erottaa yhteinen, ionit läpäisevä seinämä, esim. puoliläpäisevä seinämä. Tämä ionit läpäisevä seinämä on tarkoitettu estämään jähmeitä hiukkasia ja/tai määrätynlaisia„ ioneja kulkemasta osastosta toiseen. Lisäksi on usein suotava, että 2 61209 anodioeaetosea oleva anolyytti ja katodiosastossa oleva katolyyttl pidetään erillään. Näin ollen on usein suotavaa käyttää erillisissä elektro-diosastoissa elektrodeja, jotka ovat hyvin erilaista tyyppiä. Elektrodien luonne voi olla niin erilainen, että huomattava paine-ero kehittyy koko yhteisellä, ionit läpäisevällä seinämällä tai sen osalla; mikäli tämä on tehty herkästä kalvosta, esim. puoliläpäisevästä kalvosta, on paine-ero usein riittävän suuri rikkoakseen kalvon.

Tämä ongelma liittyy esim. suomalaisen patenttijulkaistu! 54 812 kennoon, jossa huokoinen levy ja staattinen tai leijuva hiukkaskerros toimivat elektrolyytin tasaajina. Toisin sanoen näitä erityisiä välineitä käytetään varmistamaan, että elektrolyytti jakautuu tasaisesti yhteen sähkökemiallisen kennon osastoista. Nämä erityiset välineet toimivat virtauksen hidastajina vain toisessa kahdesta kennon osastosta ratkaisematta paine-ero-ongelmia, joita tällainen käyttö aiheuttaa.

Keksinnön mukainen prosessi toteutetaan sähkökemiallisella kennolla, jolle on tunnusomaista,että elektrolyytin ylöspäin suuntautuvaa virtausta toisessa elektrodiosastossa hidastetaan niin, että estetään suuren paine-eron kehittyminen mainitun ioneja läpäisevän seinän yli.

Esillä olevan keksinnön sähkökemiallisen kennon toteutusmuodoissa, joisea virtauksen hidastaja on tehty reiällisten levyjen tai este-levyjen muodostaman sarjan muodossa, voi olla edullista sijoittaa reiälliset levyt tai estelevyt niin, että ne ovat tiukasti yhteensopivassa suhteessa elektrodin kanssa osaston sisällä, ja niin, että ne ulkonevat ionit läpäisevästä seinämästä vinosti ylöspäin. Tämä asento varmistaa sen, että jos kaasu vapautuu elektrodin kohdalla kennossa tapahtuvan sähkökemiallisen prosessin aikana, niin se tulee johdetuksi pois elektrodin ja ionit läpäisevän seinämän luota, mikä vähentää sen häiritsevää vaikutusta sähkökemiallisessa prosessissa.

Keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi ja sen toteutustavan näyttämiseksi selvemmin viitataan seuraavassa esimerkkinä oheisiin piirustuksiin, joissa: kuviot 1, 2 ja 3 esittävät kaaviomaisesti pystysuoria läpileikkaus- 3 61209 kuvantoja sähkökemiallisten kennojen kolmesta toteutusmuodosta ja nämä läpileikkaukset on tehty kohtisuorasti kennojen leveyssuuntaan nähden ja ne näyttävät kennojen paksuuden; kuvio 4 esittää poikkileikkauskuvantoa kuvion 3 kennon osasta pitkin kuvion 3 viivaa C-C; ja kuvio 5 esittää käyttö- eli dynaamisen paineen vaihtelua kuvion 3 mukaisessa sähkökemiallisessa kennossa ja näyttää kuinka paine vaihtelee riippuen välimatkoista elektrodiosastojen pohjista.

Kuvion 1 mukaisesti sähkökemiallinen kenno 1 sisältää ensimmäisen elektrodiosaston 2 ja toisen elektrodlosaston 3» joita erottaa ionit läpäisevä seinämä 4» joka on tehty suodatuskankaasta. Selvyyden vuoksi ei ole näytetty elektrodeja, so. anodia ja katodia, jotka sijaitsevat ensimmäisessä ja toisessa elektrodiosastoeea. Ensimmäinen elektrodiosasto 2, jolla on typistetty, kiilamainen muoto, sisältää erillisten, sähköä johtavien hiukkasten muodostaman kerroksen 3· Elektrodiosaston 2 pohjan kohdalla on tehty tulojohdot 6 ja 7 ja ulosmenojohto Θ on lähellä tämän osaston yläpäätä. Kenno on varustettu toisella tulojohdolla 9, joka on yhteydessä kammion 10 kanssa, jonka yläpää muodostaa virtauksenjakajan 11 toisen elektrodiosaston 3 pohjan kohdalla. Toisen elektrodiosaston 3 sisällä on viisi oleellisesti vaakasuoraa, reiällistä levyä 12, jotka muodostavat näin alaosastoja 13-18 toisen elektrodiosaston 3 sisällä. Paineen tuntoelin 19 ulottuu jokaiseen näistä alaosastoista 13-18. Toisen elektrodiosaston 3 yläpään lähellä on ulosmeno-johto 20.

Kuvio 2 näyttää sähkökemiallisen kennon toisen toteutusmuodon toiminnassa. Sähkökemiallinen kenno 31 sisältää katodiosaston 32 ja anodiosaston 33, joita erottaa ionit läpäisevä seinämä 34» joka on kalteva katodiosastoa kohti. Katodiosastoesa 32 on kerros 33 erillisiä, sähköä johtavia hiukkasia. Tulojohto 36 johtaa virtauksenjakajan 37 kautta tämän katodiosaston 32 pohjaan, joka on lisäksi varustettu ulosmenojohdolla 38*

Anodiosastosea 33 on tulojohto 39, Joka johtaa sen pohjaan, ja neljä reiällistä levyä 42, jotka sijaitsevat osastossa oleellisen kohtisuorasti suhteessa osaston ionit läpäisevään seinämään 34· Beiälliset levyt 42 muodostavat alaosastot 43“47 anodiosaston 33 sisällä. Anodiosaston yläpään lähellä on ulosmenojohto 30. Virtajohtimet 51 ja 52 ulottuvat vastaavasti anodi-osastoon 33 ja katodiosastoon 32.

Kuvio 3 esittää pystysuoraa läpileikkauskuvantoa A-A sähkökemiallisen kennon toisenlaisesta muodosta, joka sisältää ensimmäisen elektrodiosaston 62 ja toisen elektrodiosaston 63, joita erottaa ionit läpäisevä seinämä 64· Ensimmäisessä elektrodiosastoeea 62 on kerros 65 sähköä johtavia hiukkasia, 61209 4 joka kerros muodostaa käytössä hiukkaeelektrodin, tulojohto 66, virtauksen-jakaja 67 ja ulosmenojohto 68. Selvyyden vuoksi on jätetty pois virtajohto, jolla johdetaan virta kerrokseen 65* Sähkökemiallinen kenno 61 sisältää toisen tulojohdon 69, joka on kytketty kammioon 70» joka sijaitsee toisen elektrodioeaston 65 alla. Anodi 71 ja viisi estelevyä 72 sijaitsevat toisen elektrodioeaston sisällä ja es-televyt muodostavat alaosastot 73-78 toisen elektrodioeaston sisällä. Toisen elektrodioeaston yläpäässä on ulosmenojohto 80.

Kuvio 4 näyttää selvemmin yhden estelevyn 72 rakenteen. Bstelevyt 72 sopivat tiukasti toisen elektrodioeaston 63 sisäpuolella» ja yhden pitkän raon 81 lisäksi, jonka läpi anodi 71 ulottuu, kukin estelevy on varustettu raoilla 82, jotka sijaitsevat toisen elektrodioeaston 63 seinämän lähellä vastapäätä ionit läpäisevää seinämää 64.

Piirustuksien näyttämien sähkökemiallisten kennojen toteutusmuotojen toimintaa kuvataan nyt kuvioon 1 viitaten. Kuvioiden 2 ja 3 toteutusmuotojen toiminta on kuitenkin samanlainen.

Kuvion 1 mukaisen kennon toiminnassa syötetään elektrolyytti ensimmäiseen elektrodiosastoon 2 tulojohtojen 6 ja 7 kautta. Elektrolyytti kulkee ylöspäin elektrodiosastosea olevan hiukkaskerroksen 3 läpi, mikä saa kerroksen 3 hiukkaset liikkumaan ja kerroksen 3 tilavuuden suurenemaan. Vakaassa olotilassa elektrodiosastosea 2 olevan elektrolyytin taso pysyy samana elektrolyytin purkautuessa osastosta ulosmenoJohdon 8 kautta samassa määrässä kuin sitä tulee sisään elektrodioeaston pohjaan. Samalla viedään toinen elektrolyytti toisen elektrodioeaston 3 kautta, joskin tämä toinen elektrolyytti voi joissakin tapauksissa olla sama kuin ensimmäisen elektrodioeaston läpi virtaava. Elektrolyytti kulkee toiseen elektrodiosastoon 3 tulojohdon 9, kammion 10 ja virtauksenjakajan 11 kautta. Kun se kulkee ylöspäin toisen elektrodioeaston 3 kautta, sen virtausta hidastavat reiälliset levyt 12, niin että elektrolyytin käyttöpaine alaosastoissa 13-18 on suurempi kuin se olisi, mikäli estelevyJä ei olisi. Elektrolyytti poistuu toisesta elekt-rodiosastosta ulosmenojohdon 20 kautta.

Koska ensimmäisessä elektrodiosastosea oleva hiukkaskerros 3 vastustaa sen läpi virtaavaa, juoksevaa ainetta, on käyttöpaine ensimmäisessä osastossa 2 suurempi kuin se olisi muutoin, varsinkin lähellä osaston pohjaa. Laskemalla tarkasti reiällisten levyjen 12 lukumäärät, välimatkat ja yksilöllinen muoto ja säätämällä elektrolyytin virtausnopeudet on mahdollista tasapainottaa käyttöpaineet kahdessa elektrodiosastosea 2 ja 3» niin että ionit läpäisevällä seinämällä 4 vallitsee vain pieni paine-ero tai ei lainkaan paine-eroa. Paineen tuntoelimet 19, jotka on kytketty toisen elektrodioeaston 3 jokaiseen alaosastoon 13-18, antavat tietoja paineen jakaantumisesta osas- 5 61209 tossa.

Sähkökemiallinen prosessi voidaan toteuttaa sähkökemiallisessa kennossa 1 kytkemällä sopiva jännite-ero sähkökemiallisen kennon elektrodien (ei näytetty) poikki.

Kuvion 3 näyttämä sähkökemiallisen kennon toetutusmuoto toimii samalla tavalla kuin edellä kuvattu. Se on kuitenkin erityisen käyttökelpoinen sähkökemiallisissa prosesseissa, joissa kehittyy kaasua anodin kohdalla. Koska estelevyt 72 ovat kaltevia ja ne sopivat tiukasti suhteessa anodiin 71, tulee kehittyvä kaasu johdetuksi pois anodin luota kohti estelevyjen rakoja 62. Kehittyneen kaasun johtamisesta pois anodin läheisyydestä voi usein olla seurauksena tapahtuvan sähkökemiallisen prosessin parannettu tehokkuus. Sähkökemiallinen kenno on helposti sovellettavissa käyttöön sähkökemiallisten prosessin toteutuksessa, joissa katodin kohdalla kehittyy kaasua, mikäli muutetaan kennon elektrodien poikki kytketyn jännite-eron etumerkki.

Kuvion 5 avulla voidaan vertailla ensimmäisen elektrodlosaston 62 hiukkaskerroksessa 65 vallitsevaa, dynaamista painetta (kuvio 3) Jm dynaamista painetta, joka vallitsee jokaisessa toisen elektrodlosaston 63 alaosastossa 73-77, tämän jälkimmäisen osaston läpi tapahtuvan elektro· lyyttivlrtauksen kolmella eri virtausmäärällä. Piirustuksessa porrastetut-viivat 1, 2 ja 3 edustavat toisen elektrodlosaston läpi tapahtuvan ano-lyytin virtauksen määriä, jotka ovat vastaavasti 21 l/min, 16 l/min ja 14 l/min; Kuten tästä voi nähdä, lähestyy dynaamisen paineen porrasmainen, epäyhtenäinen vaihtelu toisessa elektrodiosastossa 63 läheisesti dynaamisen paineen oleellisen lineaarista, yhtenäistä vaihtelua hiukkasten muodostamassa katodikerroksessa 63.

Claims (8)

1. Sähkökemiallinen prosessi, joka toteutetaan sähkökemiallisessa kennossa (1;31;61), joka käsittää ensimmäisen (2;32;62) ja toisen (3;33;63) elektrodiosaston, joita erottaa ionit läpäisevä seinä (4;34;64) ja joissa ensimmäinen ja toinen elektrolyytti virtaavat ylöspäin ensimmäisen ja toisen elektrodiosaston läpi ja mainittu ensimmäinen elektrodiosasto (2;32;62) sisältää hiukkasmaisen elektrodin (5;35;65), joka koostuu kerroksesta erillisiä, sähköä johtavia hiukkasia, jotka saadaan siirtymään ensimmäisen elektrolyytin ylöspäin suuntautuvan virtauksen avulla ja mainittu toinen elektrodiosasto (3;33;63) sisältää ei hiukkasmaisen elektrodin (51;71), tunnettu siitä, että elektrolyytin ylöspäin suuntautuvaa virtausta toisessa elektrodiosastossa (3;33;63) hidastetaan (12;42;72) niin, että estetään suuren paine-eron kehittyminen mainitun ioneja läpäisevän seinän (4,34,64) yli.

2. Sähkökemiallinen kenno (1;31;61), joka käsittää ensimmäisen (2;32;62) ja toisen {3;33;63) elektrodiosaston, joita erottaa ioneja läpäisevä seinä (4;34;64) ja joista ensimmäinen sisältää hiukkasmaisen elektrodin (5;35;65) , joka koostuu kerroksesta erillisiä sähköä johtavia hiukkasia, jotka käytössä saadaan siirtymään ensimmäisen elektrodiosaston läpäisevän ylöspäin suuntautuvan nestevirran vaikutuksesta, ja toinen elektrodiosasto sisältää ei hiukkasmaisen elektrodin (51;71), tunnettu siitä, että virtausta hidastavat välineet (12;42;72) on sijoitettu toiseen elektrodiosastoon siten, että synnytetään kennon käytön aikana käyttöpaineeseen toisessa elektrodiosastossa gradientti, joka on sellainen, että estetään suuren paine-eron kehittyminen ioneja läpäisevän seinän (4;34;64) yli.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sähkökemiallinen kenno, tunnettu siitä, että virtauksen hidastaja koostuu joukosta hiukkasia.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sähkökemiallinen kenno, tunnettu siitä, että virtauksen hidastajan muodostavat useat reiälliset levyt (12;42), jotka ovat toisen elektrodiosaston (3;33) sisällä.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sähkökemiallinen kenno, tunnettu siitä, että virtauksen hidastajan muodostavat useat suuntauslevyt (72), jotka ovat toisen elektrodiosaston (63) sisällä.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen sähkökemiallinen kenno, tunnet-t u siitä, että virtauksen hidastaja (72) viettää ylöspäin ja pois ionit läpäisevästä seinästä (64).

6 61 209

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen sähkökemiallinen kenno, tunnettu siitä, että virtauksen hidastajalla (72) on suurempi vastus sen kautta tapahtuvaa virtausta vastaan lähellä ionit läpäisevää seinää (64) kuin osassa, joka on kaukana ionit läpäisevästä seinästä (64). 61209 7

8. Jonkin patenttivaatimuksen 4-7 mukainen sähkökemiallinen kenno, tunnettu siitä, että virtauksen hidastaja (72) sopii tiukasti elektrodin (71) ympärille, joka sijaitsee toisessa elektrodiosastossa (63). 8 61209