FI63603B - Aendelektrodsamling foer en elektrolyscell - Google Patents

Description

1 63603

Elektrolyysikennon päätyelektrodikokoonpano Tämä keksintö koskee kloorin, alkalimetallihydroksi-dien ja vedyn valmistamiseen tarkoitetun yksinapaisen elektrolyyttisen membraanikennon päätyelektrodikokoon-panoa. Sopiva kennojärjestelmä, jonka yhteydessä keksinnön mukainen päätyelektrodikokoonpano on tarkoin tettu käytettäväksi, on kuvattu suomalaisessa patenttihakemuksessa nro 77 2530. Tarkemmin sanottuna mainittu kennojärjestelmä koostuu keskielektrodikokoon-panosta, jonka molemmille puolille on sisällytetty tämän keksinnön mukainen päätyelektrodikokoonpano suljetun kennon muodostamiseksi siten, että kun useita kennoja on liitetty sarjaan tai rinnan elektrolyysikenno-ryhmän muodostamiseksi, mikä tahansa annettu kenno voidaan poistaa siitä keskeyttämättä tuotantoa muista samanlaisista kennoyksiköistä. Tässä käytetään hyväksi tasomaisia elektrodielementtejä siten, että tasomainen membraani voidaan asettaa erilleen elementtien väliin elektrolyyttisen membraanikennon aikaansaamiseksi, joka sopii erityisesti kloorin, emäksen (natriumhydroksidi) ja vedyn tuottamiseen.

Tunnetuilla kennosysteemeillä on haittapuolena se, että yhden kennon rikkoontuminen tai joutuminen muuten toimintakunnottomaksi aiheuttaa sen, että koko laitos on pysäytettävä vaihdon tai korjauksen ajaksi, mistä seuraa luonnollisesti tuotantotappioita ja huomattavan paljon ylimääräistä työtä laitteiston purkamiseksi ja saattamiseksi taas tuotantokuntoon.

Tämän keksinnön tarkoituksena on tämän vuoksi saada aikaan päätyelektrodikokoonpano käytettäväksi yksina-paisessa elektrolyyttisessä membraanikennossa, joka on erillinen siten, että se voidaan poistaa elektrolyysi- 2 63603 kennojen sarjasta pakottamatta keskeyttämään tuotantoa koko kennosarjasta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on lisäksi saada aikaan päätyelektrodikokoonpano käytettäväksi yksinapaisessa elektrolyyttisessä membraanikennossa, joka voidaan kokonaan sulkea valmistusvaiheessa, niin että tällaisten yksikköjen kuljetus ja käynnistys voidaan toteuttaa kennojen pienemmällä paikalla tapahtuvalla valmistelulla elektrolyysikennosarjän muodostamiseksi.

Vielä tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan päätyelektrodikokoonpano käytettäväksi yksinapaisessa elektrolyyttisessä membraanikennossa, joka voidaan poistaa elektrolyysikennosarjasta ja lähettää keskuskäsit-telylaitokseen jokaisen annetun kennon ylläpitoa ja korjausta varten aiheuttamatta tuotannon keskeytymistä koko elektrolyysikennosarjasta.

Nämä ja muut tämän keksinnön tarkoitukset yhdessä niiden etujen kanssa olemassa oleviin ja alan aikaisempiin muotoihin nähden, jotka käyvät alaan perehtyneelle ilmi tämän keksinnön alla esitetystä yksityiskohtaisesta selostuksesta, toteutetaan parannuksilla, jotka tässä on esitetty, kuvattu ja joille patenttivaatimukset on esitetty.

On todettu, että yksinapainen elektrolyyttinen membraa-nikenno voidaan koota: kahdesta päätyelektrodilaatikos-ta, joilla on identtinen rakenne ja joissa on ympärys-laippa; kahdesta elektrodielementistä, yksi kiinnitettynä molempien sisäsyvennykseen; vähintään yhdestä keskikehyksestä, jonka molemmilla puolilla on ympärys-laippa, joka sopii toisten samanlaisten kehysten tai päätyelektrodilaatikoiden vastaaviin laippoihin; kaksihaaraisesta elektrodielementistä siten, että jokainen osa muodostaa oleellisesti tasomaisen pinnan toisille identtisille elektrodielementeille tai vastaaville 63603 päätyelektrodielementeille; membraanista, joka erottaa elektrodielementit, kun kenno kootaan? virranjakajista napaisuudeltaan vastakkaisen sähköenergian syöttämiseksi peräkkäisiin elektrodielementteihin; ja vähintään yhdestä sisääntuloaukosta jokaisessa keski-elektrodissa ja jokaisessa päätyelektrodilaatikossa materiaalien lisäämiseksi ja tuotteiden poistamiseksi.

On myös havaittu, että elektrolyysikennon päätyelektro-dikokoonpano voi käsittää laatikon, jossa on keskisyven-nys ja ympäryslaippa; elektrodielementin, joka on liitetty sanotun laatikon keskisyvennykseen; vähintään kaksi virranjakajaa sähköenergian syöttämiseksi sanottuun elektrodielementtiin, joka on sähköisesti ja mekaanisesti yhdistetty sanottuun elektrodielementtiin ja ulottuvat sanotun laatikon ulkopuolelle; ja vähintään yhden sisääntuloaukon sanotussa laatikossa materiaalien lisäämiseksi sanotun laatikon sisälle tai poistamiseksi siitä.

Kyseessä olevan polyelektrodikokoonpanon suositeltavat toteutusmuodot esitetään esimerkkinä liitteenä olevissa piirroksissa yrittämättä esittää kaikkia eri muotoja ja muunnoksia, joilla keksintö saatettaisiin toteuttaa; keksinnön ollessa määritelty liitteenä olevilla patenttivaatimuksilla eikä tämän patenttimäärityksen yksityiskohdilla.

Kuvio 1 on perpsektiivinen etukuvanto kolmen yksinapai-sen elektrolyyttisen membraanikennon sarjasta, jossa on käytetty tämän keksinnön mukaista päätyelektrodikokoon-panoa.

Kuvio la on osittainen leikkauskuvanto yhdestä kennosta. Kuvio 2 on sivuleikkauskuvanto päätyelektrodikokoonpa-nosta otettuna oleellisesti pitkin kuvion 1 viivaa 2-2. Kuvio 3 on leikkauskuvanto päätyelektrodikokoonpanosta otettuna oleellisesti pitkin kuvion 2 viivaa 3-3.

6 3 6 O 3

Kuvio 4 on leikkauskuvanto päätyelektrodikokoonpanosta otettuna oleellisesti pitkin kuvion 2 viivaa 4-4.

Kuvio 5 on leikkauskuvanto, joka esittää vaihtoehtoista muotoa päätyelektrodikokoonpanosta, jossa on levitettävä katodi.

Viitaten piirustusten kuvioon 1 numero 12 viittaa yksinapaiseen elektrolyyttiseen membraanikennoon jossa on käytetty keksinnön mukaista päätyelektrodikokoonpa-noa. Kuvio 1 esittää kolmea tällaista elektrolyysiken-noa 12, koska niitä yleisesti käytettäisiin elektrolyy-sikennosarjana kloorin ja emäksen tuotantoon. Näillä kuviossa 1 esitetyillä elektrolyysikennoilla 12 olisi yleensä jokin ympäröivä tukirakenne tai perustus jokaisen elektrolyysikennon 2 pitämiseksi suorassa linjassa elektrolyysikennojen sarjan rakentamiseksi tuotantotar-koituksiin. Tämän ympäröivän rakenteen yksityiskohtia ei ole esitetty tämän keksinnön käsitteiden kuvaamisen helpottamiseksi.

Kuten kuvion la osittaisesta leikkauskuvannosta voidaan havaita, jokaisessa elektrolyysikennossa 12 on kaksi keksinnön mukaista päätyelektrodikokoonpanoa 14, joiden väliin on kerrostettu vähintään yksi keskielektro-dikokoonpano 16. Kun nämä kokoonpanot 14 ja 16T yhdistetään ja suljetaan, ne tuottavat umpirakenteisen elektrolyysikennon 12, joka voidaan yhdistää elektrolyy-sikennojen sarjaan. Tämäntyyppistä kennosarjaa käytettäessä mikä tahansa kuviossa 1 esitetyistä kolmesta elektrolyysikennosta 12 voidaan poistaa samalla, kun ylläpidetään jäljellä olevien elektrolyysikennosarjas-sa olevien kennojen tuotantoa. Tämä saa aikaan selvän taloudellisen edun niihin kennoihin nähden, joissa koko kennosarjan tuotanto on keskeytettävä jonkin annetun 63603 huonon osaston poistamiseksi ylläpitoa tai korjausta varten. On myös todettu, että mikä tahansa lukumäärä elektrolyysikennoja 12 voidaan yhdistää kennosarjaksi annetun tuotantovaatimuksen aikaansaamiseksi halutulla tavalla. On myös todettu, että yksinapainen suotopuris-tintyyppinen elektrolyysikenno 60 voitaisiin koota kerrostamalla napaisuudeltaan vastakkaisia keskielektrodi-kokoonpanoja 16 yhteen päätyelektrodikokoonpanojen 14 kanssa, jotka ovat elektrolyysikennorakenteen molemmissa päissä.

Lähempi katsaus päätyelektrodikokoonpanoon 14 voidaan nähdä kuviossa 2, joka on sivuleikkauskuvanto päätvelektrodi- kokoonpanosta 14 otettuna oleellisesti pitkin kuvion 1 viivaa· 2-2. Kuvio 3 esittää pöhjaosakuvantoa pääty- elektrodi/cokoonpanosta 14 ja kuvio 4 esittää etuosaku-vantoa päätyelektrodikokoonpanosta 14 kuten kuviosta 2 yksityiskohtaisesti selviää. Kuten kuvioista 2, 3 ja 4 voidaan nähdä päätyelektrodikokoonpanossa 14 on pääty-elektrodilaatikko 18, joka voidaan vaivattomasti valmistaa stanssaamalla yhdestä levystä. Päätyelektrodi-laatikossa 18 on ympäryslaippa 20, jonka avulla päätyelektrodikokoonpano 14 kiinnitetään ja yhdistetään tiiviisti keskielektrodikokoonpanoon 16. Ympäryslaipan 20 on tämän vuoksi oltava suhteellisen tasomainen ja tasainen luonteeltaan tehokkaan sulun muodostamiseksi tiivis-temateriaalin kanssa, joka tulee sen päälle. Tiiviste 22 asetetaan ympäryslaipan 20 päälle ennenkuin se yhdistetään keskielektrodikokoonpanoon 16 liitettäväksi siihen, kuten kuviosta 1 voidaan nähdä. Yleensä yhtä tiiviste-kappaletta 22 käytetään kummallakin ympäryslaipalla siten, että kahta kappaletta käytetään jokaisessa annetussa liitoksessa minkä tahansa kahden kokoonpanon 14 ja 16 välillä. Päätyelektrodilaatikoiden 18 paksuus on yleensä välillä 0,794 - 9,525 mm. On todettu, että jos halutaan suurempaa jäykkyyttä päätyelektrodilaatikoille 18, harjanteita voidaan stanssata jokaisen laatikon 18 6 63603 keskisyvennykseen tai lujittavia osia kiinnittää sy-vennysalueen ulkopuolelle.

Kuten kuviosta 2 parhaiten voidaan nähdä, on olemassa useita sisääntuloaukkoja 24 päätyelektrodilaatikon 18 läpi riittävän kierron aikaansaamiseksi elektrolyysi-kennon 12 päätyelektrodikokoonpanossa 14. Sen lisäksi, että nämä sisääntuloportit 24 aikaansaavat kiertoa, niitä käytetään raaka-aineiden syöttöön ja kaikkien tuotteiden poistoon, jotka saattavat olla tarpeen tietylle elektrolyysikennolle 12. Päätyelektrodilaatikon 18 syvennettyyn alueeseen sisältyvät päätyelektrodiele-mentit 26, jotka ovat yleensä luonteeltaan revitettyjä niin, että sen läpi ja ympäri voidaan aikaansaada kiertoa. Yleensä rei'itetyn päätyelektrodielementin 26 materiaali on venytettyä metalliverkkoa, jossa on litistetty reuna toisella puolella ja pyöristetty reuna vastakkaisella puolella. Se voitaisiin aivan yhtä helposti tehdä kudotusta lankaverkosta, valssilankaseu-lasta tai rei'itetyistä levyistä reikäisen aktiivisen pinnan toteuttamiseksi.

Kuten kuvioista 3 ja 4 voidaan nähdä, molempien pääty-elektrodielementtien 26 ympärysreuna on käännetty alas suunnilleen 90°, jotta varmistettaisiin, että pääty-elektrodielementtien 26 terävät reunat eivät puhkaise membraanimateriaalia, joka tulisi niiden päälle. Pyöristetyn reunan puoli asetetaan kohti membraania ja venytetyn metalliverkon litistetyn reunan puoli päätyelektrodilaatikon 18 sisäpuolelle yhdessä päätyelektrodielementin 26 alas käännettyjen reunojen kanssa.

Päätyelektrodielementit 26 on liitetty päätyelektrodi-laatikkoon 18 virranjakajilla 28 ja välitangoilla 30 siten, että päätyelektrodielementti 26 muodostaa taso- 7 63603 maisen pinnan, joka on lähes täysin samantasoinen pää-tyelektrodilaatikon 18 ympäryslaipan 20 pinnan kanssa. Havaitaan, että välitangot 30 eivät ylety päätyelektro-dielementin 26 koko pituudelle kuten kuviosta 4 parhaiten näkyy. Väliketangoissa 30 on myös säännöllisin välimatkoin niiden läpi kulkevat aukot, kuten kuviosta 4 nähdään niin, että elektrolyyttiliuoksen kierrätys voidaan tehokkaasti toteuttaa päätyelektrodikokoonpanossa 14. Päätyelektrodielementti 26 voidaan kiinnittää väli-ketankoihin 30 millä tahansa sopivalla tavalla hitsauksen ollessa eräs sopivimmista. Virranjakajat 28 tukevat kaikki kahta välitankoa 30 niiden molemmin puolin ja ne ulottuvat päätyelektrodilaatikon 18 ulkopuolelle, kuten kuviosta 1 nähdään kennon 12 sähköiseksi liittämiseksi teholähteeseen, jota ei tässä ole esitetty.

Käytettiinpä mitä tahansa lukumäärää päätyelektrodiele-menttejä 26 päätyelektrodilaatikon 18 rajojen sisällä, jokainen on mieluummin tuettu kahdella päätyelektrodin virranjakajalla 28 hyvän virran jakautumisen varmistamiseksi ja stabiilisuuden aikaansaamiseksi pyörimisvoi-mia vastaan. Tämä järjestely helpottaa myös valmistusprosessia. Yleensä päätyelektrodielementtejä 26 on kaksi, mutta jos laatikon kokoa suurennetaan, useammat saattavat olla toivottavia.

Materiaaleja, joita käytetään päätyelektrodielementin 26 väliketankoihin 30, virranjakajiin 28 ja päätyelektro-dilaatikoihin 18, kun niitä on määrä käyttää elektro-lyysikennon 12 katodipuolelle, voivat olla mitkä tahansa tavanomaiset sähköä johtavat materiaalit, jotka kestävät katolyyttiä, kuten: rauta, hiiliteräs, ruostumaton teräs, nikkeli, ruostumattomalla teräksellä päällystetty kupari tai nikkelillä päällystetty kupari. On havaittu esimerkiksi, että jos kaikki komponentit on tehty te- 63603 räksestä kennon kokoonpano ja lopullinen toiminta helpottuvat suuresti. Yhden ainoan materiaalin käyttö kaikkiin näihin komponentteihin helpottaa tavanomaisia hitsauksia pienentäen lopullisia komponenttiosien kokoon-panokustannuksia. Päällystettyjen materiaalien, kuten ruostumattoman teräksen tai nikkelin käyttö kuparin päällä virranjakajiin 28 saa aikaan jonkin verran jännite-säästöjä johtuen kupariytimen suuremmasta johtokyvystä. Päätyelektrodikokoonpanon 14 valmistuksessa välttämättömien hitsausten on myös oltava ilmatiiviitä siten, että asetettaessa päätyelektrodikokoonpano 14 kennoon 11 se muodostaa suljetun systeemin.

On odotettavissa, että jokainen elektrodikokoonpano 14 tai 16 on erotettava jokaisesta muusta napaisuudeltaan vastakkaisesta elektrodikokoonpanosta 14 tai 16 membraa-nilla 44. Membraani 44 voi olla mikä tahansa oleellisesti hydraulisesti läpäisemätön kationinvaihtomembraani, joka on kemiallisesti kennonestettä kestävä, jolla on alhainen resistiivisyys, joka vastustaa kloridi-ionien eteenpäinvaeltamista ja vastustaa hydroksidi-ionien takaisinvaeltamista. Membraaniin 44 käytetyn meteriaali-tyypin on oltava pieniä kationeja läpäisevä vain niin, että natrium- ja kaliumionit vaeltavat sen läpi, mutta että todellisuudessa mikään suurempi kationi, kuten kenno-nesteen metalliepäpuhtaudet eivät läpäise sitä. Näiden materiaalien käyttö membraaniin 44 johtaa alkalimetalli-hydroksidiin, jolla on merkittävästi suurempi puhtaus ja suurempi väkevyys.

Käytettäväksi sopivia membraaneja on kuvattu laajemmin esimerkiksi suomalaisen patenttihakemuksen nro 77 2530 yhteydessä. Samassa patenttihakemuksessa on kuvattu myös tarkemmin, kuinka keksinnön mukaiset päätyelektrodi-kokoonpanot voidaan koota muiden osien kanssa kokonai- 63603 siksi kennosysteemeiksi, joiden käytöstä ja rakenteista on annettu tarkempi kuvaus myös em. julkaisussa.

Kuvio 5 esittää vaihtoehtoista toteutusmuotoa pääty-elektrodikokoonpanosta 14, jossa on laajeneva elektrodi 54 niin, että kun annettu elektrolyysikenno 12 on koottu, membraania 44 pidetään paikallaan keskielektro-dieleraenttiä 38 vastaan. Suurin ero laajenevassa elektrodissa 54 on tukirakenne virranjakolaitteen 28 ja elektro-dielementih 26 välillä. Sen sijaan, että käytettäisiin väliketankoja 30 laajenevassa katodissa 54 käytetään venytyslaitetta 56, kuten yksikappaleista laakajousta, joka on kiinnitetty virranjakajaan 28 yhdestä kohdasta pitkin sen pituutta ja ulottuu liittymään elektrodi-elementtiin 26 kahdesta etäisestä kohdasta, jotka ovat lähellä elektrodielementin 26 ulointa reunaa. Venytys-laitteessa 56 on myös sen läpi kulkevat aukot hyvän kierron sallimiseksi koko päätyelektrodikokoonpanossa 14. Elektrodielementin 26 toisella puolella ja suoraan vastapäätä kohtia, joissa venytyslaite 56 on yhdistetty elektrodielementtiin 26, on väliketangot 58, jotka puristavat membraania elektrodielementtiä 38 vasten, kun kennon komponentit asennetaan elektrolyysikennoon 12. Näiden väliketankojen 58 tulee yleensä olla tehty sähköisesti johtamattomasta aineesta niin, että se aiheuttaa hyvin vähän häiriöitä elektrodielementtien välisen raon kokonaistasaisuudelle. Polyvinyylifluoridi olisi eräs esimerkki sopivasta materiaalista. On ajateltavissa että laajenevaa elektrodia 54 voidaan käyttää aivan yhtä hyvin keskielektrodikokoonpanossa 16.

Claims (4)

10 63603

1. Elektrolyysikennolle tarkoitettu päätyelektrodiko-koonpano, tunnettu siitä, että se käsittää: laatikon (18), jossa on keskisyvennys ja ympäryslaippa (20); elektrodielementin (26), joka on liitetty laatikon keskisyvennykseen; vähintään kaksi virranjakajaa (28) sähköenergian syöttämiseksi elektrodielementtiin, jotka on sähköisesti ja mekaanisesti kiinnitetty elektrodielementtiin ja jotka ulottuvat laatikon ulkopuolelle; ja vähintään yhden sisääntuloaukon (24) laatikossa materiaalien lisäämiseksi ja poistamiseksi laatikon sisältä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen päätyelektrodikokoon-pano, tunnettu siitä, että se käsittää edelleen väliketangot (30), jotka on tangentiaalisesti kiinnitetty sanottujen virranjakajien (28) jommalle kummalle puolelle ja kiinnitetty kohtisuoraan elektrodielementtiin (26).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen päätyelektrodikokoon-pano, tunnettu siitä, että väliketangot (30) eivät ulotu elektrodielementin (26) koko pituudelle.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen päätyelektrodikokoon-pano, tunnettu siitä, että väliketangoissa (30) on niiden läpi kulkevat aukot kierron auttamiseksi pää-tyelektrodikokoonpanossa.