FI68429C - Foerfarande foer foerdelning av elstroem i en elektrolysanordning och elektrolysanordning - Google Patents

Description

\l^T\ rm kuulutusjulkaisu 68429

LJ UTLÄGGN,NGSSKR,FT

• C (45) Patentti oyonnetty 10 09 1935

Patent noddelat (51) Kv.ik.4/int.a.* c 25 B 1/46, 9/00 SUOMI —FINLAND (21) Patenttihakemus — Pttentansiknlng 802041 (22) Hakemispäivä — Ansökningsdag 26 06 80 <H> (23) Alkupäivä — Glltlghetsdag 26.06.80 (41) Tullut julkiseksi — Bllvlt offentlig g ^

Patentti- ja rekisterihallitus (44) Nähtäväksipanon ja kuul.julkalsun pvm. — ,. ης Qc

Patent· och registerstyrelsen ' 7 Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad ^ .up .0^ (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus — Begird prloritet 03*08.79 28.01.80 Itai ia-1ta 1 ien(IT) 2^919 A/79, 19502 A/8O Toteennäytetty-Styrkt (71) Oronzio de Nora Impianti Elettrochimici S.p.A., Via Bistolfi 35, 2013^*

Mi 1 an o, I talia-Itä 1 ien (IT) (72) Oronzio de Nora, Milano, Italia-ltalien(lT) (Jk) Leitzinger Oy (54) Menetelmä sähkövirran jakamiseksi elektrolysoimislaitteessa ja elektro-lysoimi s laite - Förfarande för fördelning av elström i en elektrolys-anordning och elektrolysanordning

Keksinnön avulla on saatu aikaan elektrolyysikenno, jossa anodin ja katodin erottaa ioneja läpäisevä membraani tai kalvo, jossa huokoiset elektrodit puristetaan suoraan kosketukseen membraanin tai kalvon toisen tai molempien pintojen kanssa, joka elektrodi muodostuu itse tai on yhteydessä poimutettuun kimmoisasti puristuvaan kankaaseen tai kudokseen, joka puristaa elektrodin membraania tai kalvoa kohti. Mainittu kangas ulottuu olennaisesti samalle alueelle kuin kalvon tai membraanin vastakkainen elektrodi ja/tai elektrodin toimiva alue, ja kangas on rakenteeltaan sellainen, että puristettuna se saa aikaan olennaisesti yhtenäisen elastisen reak-tiopaineen membraania vasten suurimmalta osalta tai kautta koko sen alueen, joka on vastapäätä vastaelektrodia. Membraanin ja kimmoisasti puristuvan kankaan välissä voi edullisesti olla taipuisa, rei'itetty, sähköä johtava hienosilmäinen levy eli verkko, jolloin kimmoisasti puristuva kangas kykenee myös siirtämään painetta sivuttaisesti siten, että käytetty paine voi jakautua membraanin tai kalvon koko toimivalle alueelle ja tällöin liian pienen tai liian suuren paineen omaavien paikal1isalueiden muodostuminen saadaan minimoiduksi tai ainakin vähenemään.

2 68429

Klooria tai muita halogeeneja voidaan valmistaa syöttämällä vesipitoinen alkalimetallihalidi tai vesipitoinen vetyhalidi anodikammioon ja alkalia muodostuu katodikammiossa ja poistuu siitä. Elektrolvytti-tila on järjestetty kaasun ja muiden reaktiotuotteiden nopean ja tehokkaan poistumisen varmistamiseksi elektrodin pinnasta, joka tila ulottuu elektrodin koko pituudeltan (korkeudelta), ja elektrolyytti saatetaan virtaamaan mainitun tilan läpi reaktiotuotteiden pyvhkimi-seksi pois. Tämä tila voi olla puristuvassa kankaassa tai matossa tai se voidaan sijoittaa maton taakse, mutta se on suorassa vhteydessä kalvon-elektrodin rajapintaan.

Esillä olevan keksinnön kohteena on uusi menetelmä kloorin ja muiden halogeenien kehittämiseksi elektrolysoimalla vesipitoinen halidi-ionin sisältävä liuos, kuten kloorivetyhappo ja/tai alkalimetalli-kloridi tai joku muu vastaava elektrolysoitavissa oleva halidi.

Klooria on valmistettu jo kauan aikaa tällaisella elektrolvvsillä kennossa, jossa anodin ja katodin erottaa ionin läpäisevä membraani tai kalvo sekä kennoista, joissa on nestettä läpäisevä kalvo, jolloin alkalimetallikloridiitai joku muu halidi kierrätetään anolvyttikam-mion läpi ja osa siitä virtaa kalvon läpi katolvvttiin.

Kun alkalimetallikloridiliuos on elektrolysoitu, klooria kehittvy anodilla ja katodilla muodostuu alkalia, joka voi olla alkalimetalli-karbonaatti tai bikarbonaatti, mutta tavallisemmin se on alkalimetal-lihydroksidiliuos. Tämä alkaliliuos sisältää myös alkalimetalliklo-ridia, joka pitää erottaa alkalista seuraavaksi ja mainittu liuos on suhteellisen laimea, harvoin siinä on yli 12 - 15 painoprosenttia alkalia. Koska natriumhydroksidin tavallinen väkevyys on normaalisti noin 50 painoprosenttia tai ylikin, laimeassa liuoksessa oleva vesi pitää haihduttaa tämän väkevyyden aikaansaamiseksi.

Viime aikoina on tutkittu huomattavasti ioninvaihtohartsien tai polymeerien käyttöä ioneja läpäisevänä kalvona, jolloin polymeerit ovat ohuiden arkkien tai membraanien muodossa. Yleensä ne ovat rei'ittä-mättömiä eivätkä päästä anolyvttiä virtaamaan katodikammioon, mutta on myös esitetty sitä, että tällaiset membraanit voitaisiin varustaa pienillä perforoinneilla vähäisen anolyyttivirran päästämiseksi läpi, vaikkakin suurin osa tästä työstä on suoritettu perforoimatto-milla kalvoilla.

3 68429

Tyypillisiä tähän tarkoitukseen käyttökelpoisia polymeerejä ovat fluorihiilipolymeerit, kuten tyydyttämättömän fluorihiilen polymeerit. Tähän tarkoitukseen käytetään esimerkiksi trifluorietvleenin tai tetrafluorietyleenin polymeerejä tai niiden sekapolvmeerejä, jotka sisältävät ioninvaihtoryhmiä. Ioninvaihtorvhmät ovat normaalisti kationisia ryhmiä, joihin kuuluu esimerkiksi sulfonihappo, sulfoni-amidi, karboksyylihappo, fosforihappo ja vastaavat, jotka kiinnitetään fluorihiilipolymeeriketjuun hiilen kautta ja jotka vaihtavat kationeja. Ne voivat kuitenkin sisältää myös anioninvaihtorvhmiä. Tällöin niiden yleiskaava on seuraava:

I i i I

-c-c-c-c- I I I I tai c 1 so2h

' 1 I

- c - c - c -

I I I

C - OH

ii 0

Tyypillisiä tällaisia membraaneja valmistaa Du Pont-vhtiö kaupoani-mellä "Nation" ja japanilainen Asahi Glass Co. kauppanimellä "Flemion", ja tällaisia membraaneja on käsitelty esimerkiksi englantilaisessa patentissa 1,184,321 ja USA-patenteissä 3,282,875 ja 4,075,405.

Koska nämä kalvot ovat ionin läpäiseviä, mutta eivät päästä anolyvtti-virtaa läpi, pääsee tällaista materiaalia olevan kalvon läpi vain hyvin vähän tai ei lainkaan halidi-ionia alkalikloridikennoon ja tästä syystä tällä tavoin valmistettu alkali sisältää hyvin vähän tai ei lainkaan kloridi-ionia. Edelleen on mahdollista valmistaa väkevämpää alkalimetallihydroksidia, jossa muodostunut katolvytti voi sisältää 15 - 45 painoprosenttia NaOH tai vieläkin enemmän. Tällainen menetelmä on esitetty esimerkiksi USA-patenteissa 4,111,779 ja 4,100,050 ja monissa muissakin. Ioninvaihtokalvon käyttöä ionia läpäisevänä kalvona on esitetty muihinkin käyttötarkoituksiin, jollainen on esimerkiksi vesielektrolyysi.

4 68429

Samoin on ehdotettu, että tällainen elektrolyysi voitaisiin suorittaa anodin ja katodin välillä, joita erottaa kalvo, joka on erityisesti ioninvaihtomembraani, jolloin anodi ja katodi muodostuvat molemmat ohuesta huokoisesta kerroksesta sähköä johtavaa materiaalia, joka kestää sähkökemiallista svöpvmistä ja on sidottu tai muulla tavoin kiinnitetty kalvon pintaan. Samanlaisia elektrodi-membraani-yksiköitä on jo kauan ehdotettu käytettäväksi polttoainekennoissa, joita kennoja on kutsuttu "jähmeä polymeerielektrolvyttikennoiksi". Näitä kennoja on käytetty jo kauan kaasupolttoainekennoina ja vasta viime aikoina niitä on menestyksellisesti käytetty kloorin elektrolyyttiseksi valmistamiseksi kloorivetyhaposta tai alkalimetalli-kloridisuolaliuoksista.

Kloorin valmistamiseksi kennossa, jossa on jähmeätä polymeerielektro-lyyttiä muodostuvat elektrodit tavallisesti ohuesta, huokoisesta kerroksesta sähköä johtavaa, ölektrokatalvyttistä materiaalia, joka on pysyvästi sidottu ioninvaihtomembraanin pintaan sideaineella, joka on tavallisesti fluorisoitu polymeeri, kuten esimerkiksi polytetrafluorietyleeni (PTFE).

USA-patentissa 3,297,484 kuvatussa edullisessa menetelmässä kaasua läpäisevien elektrodien muodostamiseksi sekoitetaan sähköä johtavan ja sähkökatalyyttisen materiaalin jauhe polytetrafluorihiilihiukkasten vesidispersioon, jolloin saadaan taikinamainen seos, joka sisältää 2 - 20 g jauhetta per gramma polytetrafluorietyleeniä. Seos voidaan haluttaessa laimentaa ja tämän jälkeen se levitetään metalliselle tukilevylle ja kuivataan, jonka jälkeen jauhekerros peitetään alumiinikalvolla ja puristetaan lämpötilassa, joka riittää aikaansaamaan polytetrafluorietyleenihiukkästen sintrautumisen ohuen, koossapvsyvän kalvon aikaansaamiseksi. Sen jälkeen, kun alumiinikalvo tai folio on irroitettu emäksisellä uutolla, esimuodostettu elektrodi levitetään membraanin pintaan ja puristetaan lämpötilassa, joka riittää aikaansaamaan polytetrafluorietyleenimatriisin sintrautumisen membraa-niin. Nopean karkaisun tai jäähdytyksen jälkeen metallinen tukilevy poistetaan ja elektrodi pysyy sitoutuneena membraaniin.

Koska kennon elektrodit on tiukasti sidottu anodi- ja katodikammiot erottavan membraanin vastakkaisiin pintoihin eikä niitä tästä syystä tue erillisesti minkäänlaiset metallirakenteet, on havaittu, että 5 68429 tehokkain tapa siirtää ja jakaa virta elektrodeihin on turvautua useisiin koskettimiin, joka on tasaisesti jaettu koko elektrodipin-taan virransiirtorakentei11a, joissa on sarja ulokkeita tai harjanteita, jotka kennon kokoonpanon aikana koskettavat elektrodipintaa monissa tasaisesti jakautuneissa pisteissä. Membraanin vastakkaisissa pinnoissa on sidotut elektrodit ja tämän jälkeen kyseinen membraani pitää puristaa kahden virransiirtorakenteen tai virrankokoojan väliin, jotka ovat vastaavassa järjestyksessä anodinen ja katodinen.

Polttoainekennoissa, joissa reagoivat aineet ovat kaasumaisia, ovat virrantiheydet vähäiset eikä käytännöllisesti katsoen lainkaan elektrodisia sivureaktioita pääse tapahtumaan, mutta käytettäessä liuosten, erityisesti natriumkloridisuolaliuosten elektrolyysiin käytettyjä jähmeitä elektrolyyttikennoja muodostuu vaikeasti ratkaistavia ongelmia. Natriumkloridisuolaliuoksen elektrolvysikennossa tapahtuu seuraavia reaktioita kennon eri osissa: - pääasiallinen anodireaktio: 2 Cl~ ** Cl + 2e~ - siirtymä membraanin poikki: 2 Na + 1^0 - katodireaktio: 2 H20 + 2e~ ·>» 20H- + H2 - anodisivureaktio: 2 OH- 02 + 2H20 + 4e~

- pääasiallinen kokonaisreaktio: 2 NaCl + 2H2°2NaOH+Cl +H

2 2 Tästä syystä halutun klooripurkauspääreaktion lisäksi anodissa tapahtuu myös tiettyä veden hapettumista, josta seuraa hapen kehittymistä, vaikkakin sen määrä pidetään mahdollisimman vähäisenä. Tätä hapen-kehittymispyrkimystä lisää erityisesti alkalinen ympäristö anodin aktiivisilla alueilla, jotka muodostuvat membraaniin koskettavista katalyyttihiukkasista. Itse asiassa alkalimetallihalidien elektrolyv-siin sopivilla kationinvaihtomembraaneilla on yksikköön nähden erillinen siirtoluku, ja silloin, kun katolyvtissä on suuri alkalisuus, jotkin tällais.et membraanit päästävät jonkin verran hydroksyylianione-ja katolyytistä anolyyttiin membraanin poikki. Edelleen olosuhteet neste-elektrolvyttien siirtämiseksi tehokkaasti elektrodien aktiivisiin pintoihin ja kaasun kehittämiseksi niissä vaativat anodi- ja katodikammioita, joiden tunnusmerkkejä ovat elektrolyyttien ja kaasujen virtausosat, jotka ovat huomattavasti suurempia verrattuna polttoainekennoissa käytettyihin.

6 68429 Päinvastoin elektrodien paksuuden pitää olla mahdollisimman pieni, tavallisesti alueella 40 - 150 jum tehokkaan massavaihdon mahdollistamiseksi nestemäisen elektrolyytin massan kanssa. Johtuen tästä vaatimuksesta samoinkuin siitä, että elektrodit, erityisesti anodin muodostavat sähkökatalyyttiset ja sähköä johtavat materiaalit muodostuvat usein oksidisekoituksesta, johon kuuluu platinarvhmämetallioksidi tai jauhemainen metalli, joka on sidottu sideaineella, jossa on hyvin vähän tai ei lainkaan sähkönjohtokykyä, ovat elektrodit hyvin niukkasti sähköä johtavia suurimman mittansa suuntaan. Tästä svystä tarvitaan suuri kontaktitiheys kollektorin kanssa ja samoin yhtenäinen kontaktipaine kennon kautta tapahtuvan ohmisen putoamisen rajoittamiseksi ja yhtenäisen virtatiheyden aikaansaamiseksi kennon koko aktiivipintaan.

Näitä vaatimuksia on toistaiseksi ollut äärimmäisen vaikea täyttää erityisesti sellaisissa kennoissa, joiden tunnusmerkkejä ovat suuret pinnat ja jollaisia käytetään teollisesti laitoksissa kloorin valmistamiseksi, jolloin tällaisten laitosten kapasiteetit yleensä ovat yli 100 tonnia klooria päivässä. Taloudellisista syistä teollisten elektrolyysikennojen elektrodipintojen pitää olla ainakin 0,5, 2 edullisesti 1 - 3 m tai sitäkin enemmän ja usein ne on sähköisesti kytketty sarjaan siten, että muodostuu elektrolvsoimislaitteita, joissa on jopa useita kymmeniä kaksinapaisia kennoja, jotka on muodostettu yksiköksi *sidetangoilla tai suodatin-puristintyyppisessä järjestelyssä hydraulisilla tai paineilmalla toimivilla nostolaitteilla .

Tämän kokoisista kennoista aiheutuu suuria teknisiä ongelmia, esimerkiksi valmistettaessa virransiirtorakenteita, eli virrankokoojia, joiden toleranssit kontaktien tasaisuuteen nähden ovat äärimmäisen vähäiset ja jotta aikaansaataisiin yhtenäinen kontaktipaine koko elektrodipinnalle kennon kokoamisen jälkeen. Edelleen näissä kennoissa käytetyn membraanin pitää olla erittäin ohut kennossa olevan jähmeän elektrolyytin poikki tapahtuvan ohmisen laskun rajoittamiseksi, jolloin paksuus on usein alle 0,2 mm ja harvoin yli 2 mm ja membtaani voi helposti revetä tai muodostua liian ohueksi niistä pisteistä, joissa siihen kohdistuu ylimääräistä ja liiallista painetta kennon sulkemisen aikana. Tästä syystä paitsi, että sekä anodisen että katodisen kollektorin pitää olla lähes täysin oikeassa tasossa, niiden pitää olla myös lähes täysin yhdensuuntaiset.

7 68429

Pienissä kennoissa voidaan säilyttää erittäin hyvä tasomaisuus ja yhdensuuntaisuus Samalla kun virrankokoojät tai kollektorit muodostetaan tietyssä määrin joustaviksi pienten tasomaisuus- ja yhdensuun-taisuuspoikkeamien korjaamiseksi. Saman hakijan USA-hakemuksessa 57,255, jätetty 12.7.1979, on esitetty jähmeäelektrolyyttinen vksi-napaista tyyppiä oleva kenno natriumkloridin elektrolyysiä varten, jolloin sekä anodinen että katodinen virrankokooja muodostuu verkoista tai levitetyistä arkeista, jotka on hitsattu pystysuuntaisten metallitankojen sarjaan, jotka tangot on porrastettu toisistaan siten, että verkot pääsevät tietyssä määrin taipumaan kennoa rakennettaessa entistä yhtenäisemmän paineen kohdistamiseksi membraanin pintoihin.

Hakijan USA-patenttihakemuksessa 951,984, jätetty 16.10.1978, on esitetty kiinteäelektrolyyttinen kaksinapaista tyyppiä oleva kenno natriumkloridin elektrolyysiä varten, jolloin kennon molemmille puolille on järjestetty kaksinapaiset separaattorit ja elektrodeja vastaava alue on varustettu sarjalla harjanteita tai ulokkeita. Vähäisten taso- ja yhdensuuntaisuuspoikkeamien korjaamiseksi on mukaan järjestetty kimmoisa osa, joka muodostuu kahdesta tai useammasta venttiilimetalliverkosta tai levitetystä arkista, jotka on päällystetty ei-passivoitavasta materiaalista, jolloin mainittu kimmoisa osa puristetaan anodipuolen harjanteiden ja membraanin anodipuoleen sidotun anodin väliin.

On kuitenkin todettu, että molemmat näissä kahdessa patenttihakemuksessa esitetyt ratkaisut ovat erittäin rajoittavia ja epäedullisia kennoissa, joissa on suuret elektrodipinnat. Ensinnäkin kontaktipai-neen haluttu yhtenäisvvs usein puuttuu, jolloin virtakonsentraatiot nousevat niissä pisteissä, joissa kontaktipaine on suurempi, josta on seurauksena polarointi-ilmiöitä ja siihen liittyvä membraanin sekä katalyyttisten elektrodien deaktivoituminen ja edelleen membraanin paikallisia repeämiä ja katalyyttisen materiaalin paikallisia mekaanisia häviöitä, joita kaikkia esiintyy kennoa koottaessa. Toisaalta kaksipolaarisen separaattorin pinnat pitää saattaa erittäin tarkasti samaan tasoon ja yhdensuuntaisiksi, mutta tämä vaatii tarkkaa ja kallista harjanteiden työstöä ja samoin kaksinapaisen separaattorin tiivistepintojen työstöä. Edelleen elementtien suuri jäykkyys saa aikaan painekonsentraatioita, jotka pyrkivät akkumuloitu- 8 68429 maan pitkin sarja a rajoittaen sitä elementtimäärää, joka voidaan sovittaa yhteen suodatin-puristinjärjestelyyn.

Näiden vaikeuksien seurauksena voi nykyinen jakoverkkc puristettuna elektrodia vasten jättää jopa joitakin elektrodialueita koskemattomaksi tai koskettaa niitä niin kevyesti, että ne ovat itse asiassa tehottomia. Vertailukokeita on suoritettu puristamalla jakoverkko paineherkkää paperia vasten, jossa näkyy verkkoa vastaava jälki, ja nämä kokeet ovat osoittaneet, että huomattava verkkoalue, joka saattoi olla jopa noin 10 - 30 tai 40 % verkon alueesta, ei aiheuttanut lainkaan jälkeä paperiin, ja tämä osoittaa sen, että nämä aivan liian suuret alueet jäivät koskemattomiksi. Soveltamalla tätä havaintoa elektrodeihin vaikuttaa siltä, että huomattavat elektrodi-pinta-alueet ovat joko täysin tai olennaisesti toimimattomia.

Keksinnön mukaisessa uudessa elektrolyysikennossa on kennorunko, joka sisältää ainakin yhden sarjan anodin ja katodin elektrodeja, joita erottaa toisistaan ionin läpäisevä kalvo tai membraani, elimet elektrolysoitavan elektrolyytin syöttämiseksi, elimet elektrolyysi-tuotteiden poistamiseksi sekä elimet elektrolyysivirran painamiseksi niihin, jolloin ainakin yksi elektrodi puristetaan kalvoa tai membraa-nia vasten kimmoisan puristuvan kerroksen avulla, joka ulottuu yhtä laajalle alueelle kuin elektrodin pinta ja joka voidaan painaa kalvoa vasten kohdistaen samalla elastinen reaktiovoima kalvon tai membraa-nin kanssa kosketuksessa olevaan elektrodiin useissa tasaisesti jakautuneissa kontaktipisteissä, jolloin kyseinen kerros kykenee siirtämään yksittäisiin kontaktipisteisiin vaikuttavan liian paineen heikommin varautuneisiin viereisiin pisteisiin lateraalisesti mitä tahansa akselia pitkin, joka sijaitsee tämän kimmoisan kerroksen tasossa, jolloin mainittu kimmoisa kerros jakaa paineen koko elektro-dipinnalle ja mainitun kimmoisan kerroksen rakenne on avoin kaasuja elektrolyyttivirran päästämiseksi läpi.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä halogeenin kehittämiseksi elektro-lysoidaan vesihalidin sisältävä elektrolyytti anodissa, joka on erotettu vesielektrolyytin kanssa kosketuksessa olevasta katodista ionin läpäisevällä kalvolla tai membraanilla ja vesielektrolyytti elektrolysoidaan katodista, jolloin ainakin toisessa anodissa ja katodissa on kaasua ja elektrolyyttiä läpipäästävä pinta, joka on 9 68429 useasta pisteestä suorassa kosketuksessa kalvoon tai membraaniin sähköäjohtavalla, kimmoisasti puristuvalla sekä elektrolyytti- ja kaasuvirralle avoimella kerroksella, joka kykenee kohdistamaan painetta mainittuun pintaan ja jakamaan painetta lateraalisesti, jolloin kalvon tai membraanin pihtaan kohdistuva paine on yhtenäinen. Keksinnön mukaisesti huokoisen elektrodipinnan ja membraanin tai kalvon välinen tehokas sähkökontakti saavutetaan ja sille annetaan polariteetti helposti ja indusoimatta liikaa painetta paikallisalueille puristamalla virranjäko tai sähköisesti varaava pinta elektrodiker-rosta vasten helposti puristuvalla kimmoisalla arkilla tai kerroksella tai matolla, joka ulottuu suurimmalta osalta huokoisen elektrodiker-roksen pintaa ja olennaisesti koko tämän pinnan kattaen ollen suorassa kosketuksessa membraaniin.

Tämä puristuva kerros on luonteeltaan jousimainen ja samalla kun se voidaan puristaa siten, että se pienenee jopa 60 % tai ylikin puristumattomasta paksuudeltaan siten, että se painetaan elektrodi-kerrosta tukevaa membraania vasten kohdistamalla painetta takaseinästä tai paine-elimestä, kykenee mainittu kerros myös ponnahtamaan takaisin olennaisesti alkuperäiseen paksuuteensa hellitettäessä kiristys-paine. Elastisen muistinsa tai elastisuutensa avulla se kohdistaa olennaisesti yhtenäisen paineen elektrodikerrosta tukevaa membraania vasten, koska se kykenee jakamaan puristusrasituksen ja kompensoimaan pinnassa olevat epätasaisuudet, joihin se on kosketuksessa. Puristuvan arkin pitäisi myös mahdollistaa elektrolyytin helppo pääsv elektrodiin ja elektrolyysituotteiden, olivatpa ne kaasu- tai nestemäisiä, helppo poistuminen elektrodista.

Kimmoisa puristuva arkki tai levy on siis rakenteeltaan avoin ja kattaa suuren vapaan'tilan ja on edelleen sähköisesti johtava, se on yleensä valmistettu metallista, joka kestää sen kanssa kosketuksessa olevan elektrolyytin sähkökemiallisen syövytvksen ja jakaa polariteetin ja virran koko elektrodikerrokseen. Se saattaa tulla elektrodi-kerroksen kanssa suoraan kosketukseen, mutta vaihtoehtoisesti ja edullisesti tämä sähköä johtava kimmoisa, puristuva levy voi olla tai siinä voi olla taipuisa sähköä johtava verkko, joka voi olla esimerkiksi nikkeliä, titaania, neobiumia tai jotakin muuta kestävää metallia sijoitettuna arkin tai maton ja membraanin väliin.

Verkko on ohut, rei'itetty levy, joka taipuu helposti ja kompensoi elektrodipinnassa olevat pintaenätasaisuudet. Se voi olla hyvin hie- 10 68429 nosta verkosta tai perforoidusta kalvosta muodostuva verkko. Tavallisesti sen silmäkoko tai huokoskoko on hienompi kuin puristuvan kerroksen ja se on vähemmän puristuva tai olennaisesti puristumaton. Joka tapauksessa avoin silmukkakerros tukeutuu ja puristuu vastakkaisella tai vastaelektrodilla varustettua membraania vasten tai ainakin sen kaasua ja elektrolyyttiä läpäisevä pinta puristuu kalvon vastakkaista puolta vasten. Koska puristuva kerros ja mahdollisesti läsnäoleva hienompi verkko ei ole sidottuna membraaniin, se pääsee liikkumaan (liukumaan) membraanin pintaa ja tästä svystä voi helposti noudattaa membraanin ja vastaelektrodin muotoa.

Tästä syystä esillä olevan keksinnön tarkoituksena on suorittaa aikailitte tallikloridin elektrolyysi elektrolyysikennolla, jossa elektrodi on suorassa kosketuksessa membraaniin tai kalvoon, joka elektrodi tai sen osa on helposti puristettavissa ja on erittäin kimmoisa ja kykenee tehokkaasti jakamaan kennoon kohdistuvan puristuspaineen olennaisesti yhtenäisellä tavalla koko elektrodipintaan.

Keksinnön mukaisen kimmoisan virrankokoojän tai elektrodin eräs edullinen suoritusmuoto on tunnettu siitä, että se muodostuu olennaisesti avoimesta ja verkkomaisesta, tasaisesta sähköä johtavasta metallilan-katuotteesta tai seulasta, jossa on avoin verkko ja joka muodostuu vanunkikudoksesta, joka kestää elektrolyytin ja elektrolvysituotteet ja että jotkut tai kaikki vanungit muodostavat sarjan kierukoita, aaltoja tai kiharruksia tai jonkun muun aaltomaisen muodon, jonka halkaisija ja amplitudi ovat olennaisesti yli vanungin paksuuden ja vastaavat edullisesti tuotteen paksuutta pitkin ainakin yhtä yhdensuuntaista artikkelin tason johtosuoraa. Luonnollisesti tällaiset kiharrukset tai poimut on sijoitettu verkon tai seulan paksuuteen nähden poikittaiseen suuntaan.

Nämä poimut ovat kiharrusten, kierukoiden, aaltojen tai vastaavien muodossa ja niissä on sivuosat, jotka ovat viistot tai kaarevat sen akselin suhteen, joka on normaali poimutetun kudoksen paksuuteen nähden siten, että puristettaessa kollektori tapahtuu tiettyä siirtymistä ja paineen ohjautumista lateraalisesti siten, että painejakauma muodostuu tasaisemmaksi elektrodialueella. Johtuen kudosta puristavan pinnan tasomaisuudessa tai yhdensuuntaisuudessa olevista epäsäännöllisyyksistä voivat jotkut kierukat tai lankasilmukat joutua vastaanottamaan puristusvoiman, joka on suurempi kuin viereisiin alueisiin 11 68429 vaikuttava, jolloin nämä lankasilmukat antavat enemmän periksi ja purkavat ylimääräisen voiman siirtämällä se viereisiin kierukoihin tai lankasiImukoihin.

Tästä syystä kudos kykenee toimimaan huomattavassa määrin paineen-tasaajana ja estää yhteen kontaktipisteeseen vaikuttavaa elastista reaktiovoimaa ylittämästä sitä rajaa, jossa membraani pusertuu liikaa tai puhkeaa. Luonnollisesti kimmoisan kollektorin tällainen itsesäätökykv vaikuttaa osaltaan siihen, että saadaan aikaan hyvä ja tasainen kontaktijakauma koko elektrodipintaan.

Eräs erittäin tehokas suoritusmuoto muodostuu edullisesti sarjasta kierukkamaisia, sylinterimäisiä lankakierteitä, joiden kierteet on kelattu yhdessä viereisen spiraalin kierteiden kanssa loimimai-sesti, limittäisesti tai keskenään silmukoidusti. Spiraalien pituus vastaa olennaisesti elektrodikammion korkeutta tai leveyttä tai niiden pituus on ainakin 10 cm tai yli ja loimitettujen spiraalien määrä riittää kattamaan sen koko leveyden, jolloin spiraalien halkaisija on ainakin 5-10 kertaa spiraalien langan halkaisija.

Tämän! edullisen suoritusmuodon mukaisesti lankakierre itsessään muodostaa hyvin pienen osan elfektrodikammion siitä osasta, jota kierre ympäröi ja tästä syystä kierre on avoin kaikille sivuille muodostaen siten sisäkanavan elektrolyytin kiertämisen ja kaasukuplien kammiossa tapahtuvan nousun sallimiseksi.

Ei kuitenkaan ole tarpeellista kelata kierukkamaisia sylinterimäisiä spiraaleja limittämällä ne viereisiin spiraaleihin yllä kuvatulla tavalla, ja tällaiset spiraalit voivat myös muodostua yksittäisistä vierekkäisistä metallilankasoiraaleista. Tässä tapauksessa spiraalit on järjestettv vierekkäin siten, että vastaavat kierteet on vain kiinnitetty toisiinsa vuorottelevassa järjestyksessä. Tällä tavoin voidaan saada älkaan suurempi kontaktipistetihevs, jolloin yhteistoiminnassa olevia tasoja ovat vastaelektrodi tai vastavirtakollek-tori ja kennon päätylevy.

Edelleen erään lisäsuoritusmuodon mukaisesti virtakollektori tai jakaja muodostuu kiharretusta neulotusta verkosta tai metallilanka-kudoksesta, jolloin jokainen yksittäinen lanka muodostaa sarjan aaltoja, joiden amplitudi vastaa neulotun verkon tai kudoksen kiharruksen maksimikorkeutta. Tällöin kukin metallilanka koskettaa vuoronperäin- 12 68429 järjestyksessä kennon päälevyä, joka toimii levynä paineen kohdistamiseksi ja membraanin pintaan sidottuna huokoisena elektrodikerrok-sena tai joustavana väliverkkona, joka on sijoitettu elektrodikerrok-sen tai membraanin ja puristuvan kerroksen väliin. Ainakin osa verkosta ulottuu kudoksen paksuuden läpi ja on avoin elektrolyvttivir-ralle reunan suuntaan.

Vaihtoehtona voidaan järjestää päällekkäin kaksi tai useampia neulottuja verkkoja tai kudoksia sen jälkeen, kun ne on yksittäisesti kiharrettu ja muokattu, jolloin saadaan halutun paksuinen kollektori.

Metalliverkon tai kudoksen kihartaminen antaa kollektorille hyvän puristuvuuden ja erinomaisen puristuskimmoisuuden kuormituksessa, joka voi olla ainakin noin 50 - 2000 g per cm (g/cm ) kuorman kohdistavasta pinnasta, eli taka- tai päätylevystä.

Kennon kokoaminen jälkeen keksinnön mukaisen elektrodin paksuus vastaa edullisesti elektrodikammion syvyyttä, mutta kammion syvyys voidaan sopivasti suurentaa. Tässä tapauksessa rei'itettv ja olennaisesti jäykkä verkko tai levy, joka on järjestetty välimatkan päähän kammion takaseinämän pinnasta, voi toimia puristavana pintana puristuvaa kimmoisaa kollektorimattoa vasten. Tässä tapauksessa tila ainakin suhteellisen jäykän veirkon takana on avoin ja muodostaa elektrolvytti-kanavan, jonka läpi kehittynyt kaasu ja elektrolyytti pääsevät virtaamaan. Matto voidaan puristaa huomattavasti vähäisempään paksuuteen ja tilavuuteen. Se voidaan esimerkiksi puristaa noin 50 - 90 %:iin tai jopa vähäisempään prosenttimäärään alkuperäistilavuudeStaan ja/tai paksuudestaan ja tästä syystä se puristetaan tai painetaan membraanin ja kennon toimivan takalevyn väliin kiristämällä nämä osat yhteen. Puristuva levy pääsee liikkumaan, eli sitä ei ole hitsattu tai sidottu kennon päätylevyyn tai väliverkkoon ja se siirtää virran siten, että se on olennaisesti mekaanisesti liitetty sähkölähteeseen ja elektrodiin .

Matto pääsee liikkumaan tai liukumaan sen kanssa kosketuksessa olevien elementtien vierekkäisten pintojen suhteen. Kun kiristvspaine kehitetään, kimmoisan maton muodostavat lankasilmukat tai kierteet voivat taipua ja liukua lateraalisesti ja jakaa paineen yhtenäisesti koko sen kanssa kosketuksessa olevaan pintaan. Tällä tavoin se toimii huomattavasti paremmin kuin elektrodipintaan jaetut yksittäiset jouset, 13 68429 koska jouset ovat kiinteät eikä painopisteiden välillä ole vuorovaikutusta tukipintojen pintaepäsäännöllisvyksien kompensoimiseksi.

Viftakollektorin muodostamien metallilankojen kukin yksittäinen kierre tai aalto muistaa elastisesta suuren osan kennon kiristys-paineesta. Koska olennaisesti kovia mekaanisia rasituksia ei muodostu tuotteen yhden tai useamman yksittäisen kierukan tai kiharruksen erilaisesta elastisesta deformaatiosta vierekkäisten suhteen, keksinnön mukainen kimmoisa kollektori kykenee tehokkasti estämään tai välttämään membraanin puhkeamisen tai liiallisen ohenemisen rasittu-neimmissa pisteissä tai alueilla kennojen kokoonpanon aikana. Varsin suuria poikkeamia vastakkaisen elektrodin virrankantorakenteen tasomaisuudesta voidaan tällöin sietää samoinkuin poikkeamia mainitun rakenteen ja kennon takalevyn tai takapainelevyn välisestä yhdensuuntaisuudesta .

Keksinnön mukainen kimmoisa elektrodi on edullisesti katodi ja se liittyy tai sitä vastassa on anodi, joka voi olla jäykempää tvvppiä, mikä tarkoittaa sitä, että anodipuolella oleva elektrodi voidaan tukea enemmän tai vähemmän jäykästi. Natriumkloridisuolaliuosten elektrolyysiä varten tarkoitetuissa kennoissa katodimatto tai puristuva levy muodostuu edullisesti nikkeli- tai nikkeliseoslangasta tai ruostumattomasta teräksestä johtuen siitä, että nämä materiaalit kestävät hyvin emäksistä ja vetyhaurastumista. Matto voidaan oäällys-tää jollakin platinaryhmän metallilla tai metalliöksidilla, koboltilla tai sen oksidilla tai joillakin muilla elektrokatalyyteillä vety-yli-jännitteen vähentämiseksi.

On myös mahdollista käyttää mitä tahansa muutakin metallia, joka kykenee säilyttämään kimmoisuutensa käytön aikana, mukaanluettuna titaani, joka voidaan valinnaisesti päällystää passivoimattomalla pinnoitteella, jollainen on esimerkiksi joku platinaryhmän metalli tai sen oksidi. Viimeksi mainittu on erityisen hyödyllinen käytettäessä happamien anolyyttien yhteydessä.

Kuten edellä mainittiin, platinaryhmämetallin tai sen oksidin tai jonkun muun kestävän elektrodisen materiaalin elektrodihiukkasista muodostuva elektrodikerros voidaan sitoa membraaniin. Tämä kerros on tavallisesti ainakin noin 40 - 150 mikronia paksu ja se voidaan valmistaa olennaisesti USA-patentissa 3,297,484 ktivattolla tavalla, 14 68429 ja haluttaessa kerros voidaan levittää kalvon tai membraanin molemmil-le puolille. Koska kerros on olennaisesti jatkuva, vaikkakin kaasua ja elektrolyyttiä läpäisevä, se suojaa puristuvan maton ja tästä syystä suurin osa ja mahdollisesti kaikki elektrolyysi tapahtuu kerroksessa siten, että hyvin vähän tai ei lainkaan elektrolyyttiä, eli kaasun kehittymistä, tapahtuu kompressoidulla matolla, joka on kiinni kerroksen takapuolessa. Tämä pitää eritvisesti paikkansa silloin, kun kerroksen hiukkasilla on alhaisempi vety (tai kloori) ylijännite kuin maton pinnalla. Tässä tapauksessa matto toimii suuressa määrin virranjakajana tai kollektorina jakaen virran sähköisesti vähemmän johtavaan kerrokseen.

Tähän verrattuna voidaan todeta, että kun puristettava matto tarttuu suoraan kalvoon tai membraaniin tai jopa silloin, kun mukana on rei'itetty sähköä johtava väliverho tai jokin muu rei'itetty johdin maton ja kalvon välissä, avoin silmukkarakenne varmistaa sen, että elektrolyytti pääsee taka-alueille esteettömiä ratoja pitkin, jotka taka-alueet ovat välimatkan päässä membraanista ja joihin kuuluu alueet, jbtka voivat olla puristettavan kudoksen etu-, sisä- ja takaosassa. Tällöin, koska puristunut matto on avoin eikä tävsin suojattu, se voi itse muodostaa aktiivisen elektrodipinnan, joka voi olla 2 tai 4 tai useampia kertoja kalvon kanssa suorassa kosketuksessa oleva esiintyöntyvä kokonaispinta.

Englantilaisessa patentisssa 1,268,182 on jonkin verran tutkittu monikerroselektrodin pinta-alan kasvua, jolloin on kuvattu monikerros-katodi, jossa on laajentuneessa metallissa olevat ulkokerrokset ja ohuemmasta ja pienemmästä verkosta olevat sisäkerrokset, joka verkko voi olla neulottu verho, ja jolloin katodi koskettaa kationinvaihto-membraania elektrodin virratessa reunasuuntaan katodin läpi.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti on havaittu, että alhaisempi jännite saavutetaan palaamalla puristuvaan mattoon, jossa kiharrus-, poimutus-, kierre- tai jonkun muun rakenteen ansiosta on huomattava osa lankoja tai johtimia, jotka ulottuvat maton noikki ainakin osalta sen paksuutta. Tavallisesti nämä langat ovat sillä tavalla kaarevia, että puristettaessa matto ne taipuvat kimmoisasti jakaen paineen ja nämä poikkilangat antavat olennaisesti saman jännitteen perällä oleviin lankoihin kuin mitä on membraania koskettavissa langoissa.

68429

Kun tällainen matto painetaan vasten väliverholla varustettua tai varustamatonta kalvoa, voidaan saada aikaan 5 - 150 millivoltilla alhaisempi jännite samassa virtauksessa kuin mitä saadaan aikaan silloin, kun matto tai sen väliverho yksinkertaisesti koskettaa kalvoa. Tämä edustaa huomattavaa vähenemistä kilowattituntikulutuksessa per valmistettu klooritonni. Kun matto puristetaan, sen membraanista välimatkan päässä olevat osat lähestyvät membraania, mutta pysyvät irti siitä, ja tällöin elektrolyysin todennäköisyys ja jopa sen laajuus suurenee ja tämä pinta-alan kasvu mahdollistaa suuremman elektro-lyysimäärän ilman liiallista jännitteennousua.

Edelleen on olemassa lisäetu jopa silloin, kun vain vähän varsinaista elektrolyysiä tapahtuu maton takaosissa, koska matto on paremmin polarisoitu korroosiota vastaan. Kun esimerkiksi puristettava nikkeli-matto liitetään vasten jatkuvaa kerrosta erittäin sähköä johtavia elektrodihiukkasia, jotka on sidottu kalvoon, sähköinen suojaus voi olla niin voimakas, että vain vähän tai ei lainkaan elektrolyysiä tapahtuu matossa. Tässä tapauksessa on havaittu, että nikkelimatto pyrki syöpymään erityisesti silloin, kun alkalimetallihydroksidi ylitti 15 painoprosenttia ja jonkin verran klorideja oli läsnä.

Kun avoin rei'itetty rakenne on suoraan kosketuksessa kalvoon, muodostuu riittävän avoin rata maton kaukana oleviin osiin ja jopa sen takaosaan siten, että sen paljaat pinnat polarisoituvat ainakin negatiivisesti tai ne saadaan katodisesti suojatuksi korroosiota vastaan. Tämä koskee myös niitä pintoja, joissa kaasun kehittymistä tai muuta elektrolyysiä ei tapahdu. Tällaiset edut ovat erityisen huomattavia virtatihevksillä yli 1000 ampeeria per neliömetri elektro-dipintaa mitattuna elektrodin rajojen ympäröimästä kokonaisalasta.

Edullisesti kimmomatto puristetaan noin 80 - 30 %:iin alkuperäisestä puristamattomaSta paksuudestaan puristuspaineessa 50 - 2000 g proji- 2 soidun alueen cm kohti. Jopa tässä puristetussa tilassa kimmomaton pitää olla erittäin huokoinen, koska puristetun maton huokoisuustila-vuuden ja näenhäistilavuuden välinen suhde prosentteina on edullisesti ainakin 75 % (harvoin alle 50 %) ja edullisesti 85 - 96 %. Tämä voidaan laskea mittaamalla haluttuun asteeseen puristetun maton viemä tilavuus ja punnitsemalla matto. Punnittaessa maton metallin tiheys, 1 sen kiintomitta tai kiintotilavuus voidaan laskea jakamalla tilavuus 16 68429 tiheydellä, mikä antaa kiinteän mattorakenteen tilavuuden ja tämän jälkeen huokoisuustilavuus saadaan vähentämällä tämä lukema kokonaistilavuudesta .

On havaittu, että kun tämä suhde pienenee liikaa puristamalla esimerkiksi k'immomatto alle 30 %:iin puristamattomasta paksuudestaa, kennon jännite alkaa nousta luultavasti osittain siitä svvstä, että massan siirtvmisnopeus elektrodin aktiivipintoihin vähenee ja/tai elektrodi-järjestelmän kyky päästää pois riittävästi muodostuneita kaasuja vähenee. Kennojännitteiden tyypillinen ominaisuus puristettavan maton puristusasteiden ja huokoisuussuhteen funktiona on esitettv jäljempänä esimerkeissä.

Käytetyn langan halkaisija voi vaihdella suurella alueella riippuen muodostus- tai teksturointityypistä, mutta jokä tapauksessa se on riittävän pieni aikaansaamaan halutut kimmoisuus- ja deformaatio- ominaisuudet kennoyksikön paineessa. Normaalisti tarvitaan yksikkö- paine, joka vastaa elektrodipinnan kuormitusta 50 - 500 g/cm hyvän sähkökontaktin aikaansaamiseksi membraaniin sidottujen elektrodien ja vastaavien virransiirtorakenteiden tai kollektoreiden välille, vaikkakin suurempiakin paineita voidaan käyttää, tavallisesti vlä- 2 rajana noin 2000 g/cm .

On havaittu, että järjestämällä keksinnön mukaisen kimmoisan elektrodin noin 1,5-3 mm suuruinen deformaatio, joka vastaa ouristamatto- man tuotteen korkeintaan 60 % paksuuspuristusta esiintvöntyvän pinnan 2 paineessa noin 400 g/m , voidaan elektrodeihin tuleva kontaktipaine saada kennoissa yllä mainittuihin rajoihin sekä hvvä pintakehitvs tasopoikkeamien ollessa korkeintaan 2 mm per m (mm/m).

Metallilangan halkaisija on edullisesti välillä 0,1 tai jopa sen alle ja 0,7 mm ja puristamattoman tuotteen paksuus, eli joko käämien halkaisija tai kiharruksen amplitudi, on vähintään viisi kertaa langan halkaisija, edullisesti alueella 4-20 mm. Tällöin on selvää, että puristuva osa sulkee suuren vapaan tilan, eli sen osan kävtetvstä tilavuudesta, joka on vapaa ja avoin elektrolyytti- ja kaasuvirralle. Yllä kuvatuissa poimutetuissa kudoksissa, jotka käsittävät nämä puristavat lankakierukat, tämä vapaan tilan prosenttiluku on yli 75 % kudoksen viemästä kokonaistilavuudesta. Tämän vapaan tilan prosenttiluvun pitäisi harvoin olla alle 25 % ja edullisesti sen pitäisi olla 68429 vähintään 50 %, koska tällaisen kudoksen läpi menevässä kaasu- ja elektrolyvttivirrassa tapahtuva paineen putoaminen on merkityksetön.

Silloin, kun ei käytetä tiettyjä elektrodeja tai muita huokoisia elektrodikerroksia, jotka sidotaan suoraan membraanin pintaan, kimmoisa matto tai kudos tarttuu suoraan membraaniin ja toimii elektrodina. Kuten nvt on yllättäen havaittu, saadaan aikaan vain suhteellisen merkityksetön kennojänniterangaistus verrattuna sidottujen huokoisten elektrodikerrosten käyttöön muodostamalla kimmoisten kontaktipisteiden riittävä tiheys elektrodipinnan ja membraanin väliin. Kontakipisteiden tiheyden pitäisi olla ainakin noin 30 pistettä 2 per cm membraanin pintaa ja edullisemmin noin 50 pistettä tai enem-2 mänkin per cm . Toisaalta yksittäisten kontaktipisteiden kontakti-alueen pitäisi olla mahdollisimman pieni ja kokonaiskontaktialan suhde verrattuna vastaavaan siihen kiinnitarttuneeseen membraani-alueeseen pitäisi olla alle 0,6 ja edullisesti pienempi kuin 0,4.

Käytännössä on havaittu edulliseksi kävttää joustavaa metalliverkkoa, jonka meshlliku on ainakin lO, edullisesti vli 20 ja tavallisesti välillä 20 - 200 tai voidaan myös käyttää ominaisuuksiltaan vastaavaa venytettyä metalliverkkoa, joka sijoitetaan kimmoisasti puristetun maton ja membraanin väliin. Silmäkokoluku on tarkoitettu osoittamaan lankojen tai vanunkien määrää tuumaa kohti.

On todistettu, että näissä olosuhteissa, kun kontaktit ovat tarkat ja niitä on tiheässä ja ne on kimmoisasti järjestetty elektrodiverhon ja membraanin pinnan väliin, suurin osa elektrodireaktiosta tapahtuu elektrodin ja membraanimateriaalissa olevien ioninvaihtorvhmien välisessä kontaktirajapinnassa siten, että suurin osa ionijohtavuudesta tapahtuu membraanissa tai membraanin läpi ja hyvin vähän tai ei lainkaan tapahtuu nestemäisessä elektrolyytissä, joka on kosketuksessa elektrodiin. Esimerkiksi ominaisvastukseltaan yli 2.000.000 Ω cm olevan puhtaan, kahdesti tislatun veden elektrolyysi on suoritettu menestyksellisesti tämän tyyppisessä, kationinvaihtomembraanilla varustetussa kennossa yllättävän vähäisellä kennojännitteellä.

Edelleen suoritettaessa samassa kennossa alkalimetallisuolaliuoksen elektrolyysi ei mitään huomattavaa kennojännitteen muutosta havaita muuttamalla kennon suuntaus vaakasuuntaisesta pystysuuntaiseksi, mikä osoittaa, että nk. "kuplavaikutuksen" aikaansaama kennon jän-niteen putoamisen lisäys on merkityksetön. Tämä käyttäytyminen sopii 18 68429 hyvin jähmeän elektrolyyttikennon käyttäytymiseen, jossa hiukkas-elektrodit on sidottu membraaniin, mikä taas ei ole asianlaita traditionaalisissa membraanikennoissa, jotka on varustettu karkeilla rei'itetyillä elektrodeilla, jotka ovat joko kosketuksessa membraaniin tai hieman erillään siitä, jolloin kunlavaikutus vaikuttaa suuresti kennon jännitteeseen, joka on normaalisti alhaisemoi pidettäessä kaasua kehittävä rei'itettv elektrodi vaakasuuntaisena tietyn elektrolvvttipaineen alapuolella ja on maksimi silloin, kun elektrodi on pystysuunnassa johtuen kaasun irtautumisnoneuden vähenemisestä ja koko elektrodin korkeusmitaita tanahtuvasta kasvavasta kaasukupla-määrästä akkumulaation johdosta.

Tämän yllättävän käyttäytymisen selittää varmasti osaltaan se, että kenno käyttäytyy olennaisesti, kuten jähmeän elektrolyytin kenno, koska suurin osa ionijohtavuudesta tapahtuu membraanissa ja mvös, koska äärimmäisen pienet yksittäiset kontaktialueet omaavat kimmoisat kontaktit hienosilmäisen verhoelektrodikerroksen ja membraanin välissä kykenevät helposti vapauttamaan infinitesimaalisen eli äärettömän pienen määrn kaasua, joka muodostuu kontaktirajapinnassa ja välittömästi muodostamaan kontaktin uudelleen heti, kun kaasunpaine helpottuu. Kimmoisasti puristettu elektrodimatto varmistaa olennaisesti yhtenäisen kontaktipaineen ja peittää tasaisesti ja olennaisesti kokonaan elektrodipinnan ja membraanin väliset erittäin tiheät ja tarkat kontaktipisteet ja edelleen mainittu matto toimii tehokkaasti kaasunvapautusjousena olennaisesti vakion kontaktin säilyttämiseksi elektrodipinnan ja toimivien ioninvaihtorvhmien välillä membraanin pintaan, joka toimii kennon elektrolyyttinä.

Kennon molemniin elektrodeihin voi kuulua kimmoisasti puristettava matto ja hienosilmäinen verho, joka muodostaa useita kontakteja 2 vähintään 30 kontaktipisteeseen cm kohti, jotka on valmistettu anolyyttiä ja katolyvttiä kestävistä materiaaleista. Edullisemmin vain toinen kennon elektrodi käsittää keksinnön mukaisen kimmoisasti puristettavan maton, johon liittyy hienosilmäinen elektrodiverho, jolloin kennon toinen elektrodi on olennaisesti jäykkä, ja rakenteeltaan rei'itetty ja myös siinä on edullisesti hienosilmäinen verho, joka on sijoitettu karkean jäykän rakenteen ja membraanin väliin.

Keksinnön eri ominaisuuksia ja sen käytännön suoritusmuotoja on valaistu edelleen seuraavassa yksityiskohtaisessa keksinnön selityksessä ja oheisissa piirustuksissa, joissa: 19 68429

Kuvio 1 on valokuvajäijennös tässä keksinnössä kävtettävän tyypillisen kimmoisasti puristettavan maton eräästä suoritusmuodosta.

Kuvio 2 on valokuvajäijennös keksinnön mukaisesti kävtettävän kimmoisasti puristettavan maton eräästä toisesta suoritusmuodosta .

Kuvio 3 on valokuvajäijennös keksinnön mukaisesti käytettävän kimmoisasti puristettavan maton eräästä lisäsuoritusmuodosta.

Kuvio 4 on osiin jaettu vaakaleikkaus keksinnön mukaisesta jähmeän elektrolyytin kennosta, jossa on patenttivaatimusten tyyppinen tyypillinen puristettava elektrodijärjestelmä, jossa puristettava osa käsittää kierteiset spiraali langat.

Kuvio 5 on vaakaleikkaus kuvion 4 mukaisesta yhteenkootusta kennosta.

Kuvio 6 on osiin hajotettu perspektiivikuva kuvion 4 mukaisen kennon virrankokoojan eräästä toisesta edullisesta suoritusmuodosta.

Kuvio 7 on osiin hajotettu perspektiivikuva kuvion 4 mukaisen kennon virrankokoojan eräästä toisesta edullisesta suoritusmuodosta.

Kuvio 8 on osiin hajotettu leikkauskuva keksinnön mukaisen elektro-lyyttikennon eräästä toisesta edullisesta suoritusmuodosta.

Kuvio 9 on vaakaleikkäus kuvion 8 mukaisesta kokoonpannusta kennosta.

Kuvio 10 on vaakaleikkauskuva keksinnön mukaisen kennon eräästä edullisesta lisäsuoritusmuodosta.

Kuvio 11 on kaaviomainen ja katkonainen pystysuuntainen poikkileikkaus kuvion 10 mukaisesta kennosta.

Kuvio 12 on kaavio, joka esittää keksinnön mukaisen kennon yhteydessä käytettyä elektrolyytin kierrätysjärjestelmää.

Kuvio 13 on kaavio, joka esittää saavutettua jännitteen vähenemistä korotettaessa elektrodiin ja kalvoon kohdistuvaa painetta.

68429 20

Kuviossa 1 esitetty puristettava elektrodi tai sen osa muodostuu sarjasta yhteenpunottuja, kierteisiä svlmterimäisiä spiraaleja, jotka muodostuvat halkaisijaltaan 0,6 mm (tai vähemmän) nikkelilan-gasta, joiden lenkit on keskenään kelattu siten, että edellinen tulee aina viereisen sisään ja lenkin halkaisija on 15 mm.

Kuvion 2 mukaisen rakenteen tvvpilliseen suoritusmuotoon kuuluu olennaisesti kierukkamaisia spiraaleja 2, joissa on litistetty tai elliptinen osa, joka on valmistettu halkaisijaltaan 0,5 mm nikkeli-langasta, jolloin kierukat on kelattu aina viereisen sisään ja kierteen lyhempi akseli on 8 mm.

Kuvion 3 mukaisen rakenteen tyypillinen suoritusmuoto muodostuu halkaisijaltaan 0,15 mm nikkelilangasta neulotusta verkosta, joka on kiharrettu muokkaamalla ja kiharruksen amplitudi tai korkeus tai syvyys on 5 mm ja aaltojen välinen nousu on 5 mm. Kiharrus tai aallo-tus voi olla toisensa leikkaavien yhdensuuntaisten noimujonojen muodossa muodostaen kuviossa 3 esitetvllä tavalla sillinruotokuvion.

Kuviossa 4 on esitetty kiinteän elektrolyytin kenno, joka on erityisen käyttökelpoinen natriumkloriihisuolaliuoselektrolvysissä ja jossa on yksi keksinnön mukaisista virrankokoojista, jolloin kenno muodostuu olennaisesti pystysuuntaisesta anodipäätvlevystä 3, jonka koko kehällä on tiivistepinta 4, joka tarttuu tiiviisti membraanin 5 kehäreunaan, jolloin haluttaessa on mukaan työnnetty nestettä läpäisemätön eristys-tiiviste (ei esitetty). Anodipäätylevy 3 on myös varustettu keskellä olevalla syvennyksellä 6 mainitun tiivistepinnan suhteen, jolloin pinta vastaa membraanipintaan sidotun anodin 7 alaa. Päätylevy voi olla terästä sen sivun koskettaessa titaania tai jotain muuta passivoitavaa venttiilimetallia olevaa anolvytin suojusta tai se voi olla valmistettu grafiitista tai grafiitin ja jonkun kemiallisesti kestävän hartsisideaineen valettavista seoksista.

Anodikollektori on edullisesti titaani, niobium tai joku muu venttii-limetalliverho tai levitetty arkki 8, joka on päällystetty ei-passi-voituvalla ja elektrolyysin kestävällä materiaalilla, jollaisia ovat esimerkiksi jalometallit ja/tai oksidit sekä nlatinarvhmämetallien seosoksidit. Verho tai levitetty arkki 8 hitsataan kiinni tai ainoastaan yksinkertaisesti asetetaan lepäämään harjanteiden tai ulokkeiden 9 sarjalle, jotka ulokkeet on valmistettu titaanista tai jostain muus- 21 68429 ta venttiilimetallista ja hitsattu kennon päätylevvn keskisvvennykseen 6 siten, että verhon taso on yhdensuuntainen ja edullisesti samassa tasossa kuin päätylevyn tiivistyspinta 4.

Pystysuuntaisen katodipäätvlevyn 10 sisäsivulla on keskisyvennvs-alue 11 verrattuna kehätiivistepintoihin 12, ja mainittu syvennys-alue 11 on olennaisesti tasainen, eli siinä ei ole esiintyöntyviä osia ja se on yhdensuuntainen tiivistepintojen tason kanssa. Katodi-päätvlevyn syvennysalueella on keksinnön mukainen kimmoisa puristettava virrankokooja 13, joka on edullisesti valmistettu nikkeliseok-sesta.

PuriStamattoman joustavan kokoojan paksuus on edullisesti 10 - 60 % suurempi kuin keskeisen syvennvsalueen 11 syvvvs verrattuna tiivistepintojen tasoon, ja kennoa kokoonpantaessa kokooja puristetaan 10 - 60 % alkuperäisestä paksuudestaan, jolloin muodostuu elastinen reaktiovoima, joka on edullisesti alueella 80 - 600 g/cm projisoidusta pinnasta. Katodipäätvlevy 10 voi olla terästä tai jotain muuta materiaalia, joka kestää emästä ja vetyä.

Membraani 5 on edullisesti nestettä läpäisemätön kationiselektiivinen ioninvaihtomembraani, kuten esimerkiksi membraani, joka muodostuu 0,3 mm paksusta tetrafluorietyleenin ja perfluorisulfonyylietoksi-vinyvlieetterin sekapolymeerin polymeerikalvosta, jossa on ionin-vaihtoryhmiä, kuten sulfonir, karboksyyli- tai sulfoniamidirvhmiä. Ohuudestaan johtuen membraani on suhteellisen taipuisa ja pyrkii vajoamaan, virumaan tai muulla tavoin ohjautumaan ellei sitä tueta. Tällaisia membraaneja valmistaa E.I. DuPont de Nemours kauppanimellä Nation.

Membraanin anodipuoleen on sidottu anodi 7, joka muodostuu 20 - 150 pm paksusta huokoisesta kerroksesta sähköä johtavan ja sähkökatalvyttisen materiaalin hiukkasia, jolloin materiaali muodostuu edullisesti platinaryhmämetallien ainakin yhden metallin oksideista tai oksidi-sekoituksista. Membraanin katodipuoleen on sidottu katodi 14, jbka muodostuu 20 - 150 pm paksusta huokoisesta kerroksesta johtavan materiaalin hiukkasia, jolloin vety-ylijännite on alhainen, ja kerros on edullisesti grafiittia ja platinamustaa painosuhteessa 1:1 - 5:1.

22 68429

Hiukkasten sitomiseksi membraanin pintaan käytetty sideaine on edullisesti polytetrafluorietvleeniä (PTFE) ja elektrodit on muodostettu sintraamalla PTFE:n ja sähköä johtavien katalvyttimateriaalihiukkas-ten seos seoksen muodostamiseksi huokoiseksi kalvoksi ja puristamalla kalvo membraanin riittävän korkeassa lämpötilassa sitoutumisen tapahtumiseksi. Tämä sitoutuminen suoritetaan muodostamalla kaksikerros-voileipä elektrodi levyistä membraanin ollessa niiden välissä ja puristamalla tämä yksikkö yhteen elektrodihiukkasten upottamiseksi membraaniin.

Tavallisesti membraani on hydratoitu keittämällä vesipitoisessa elektrolyytissä, esimerkiksi suolaliuoksessa, hapossa tai alkalime-tallihydroksidiliuoksessa ja tästä syystä se on erittäin hydratoitu ja sisältää huomattavan määrän, 10 - 20 painoprosenttia tai ylikin vettä joko yhdistyneenä, kuten hvdraatti tai yksinkertaisesti absorboituneena. Tässä tapauksessa pitää huolehtia siitä, että vettä ei päästetä liikaa hukkaan laminointiprosessin aikana.

Koska laminointi suoritetaan kohdistamalla laminaattiin lämpöä sekä painetta, vesi voi pyrkiä haihtumaan ja tämä voidaan pitää minimissä jollakin seuraavista menetelmistä: (1) Suljetaan laminaatti läpäisemättömään kuoreen, eli reunoistaan puristettujen tai tiiviisti suljettujen metallifolioiden väliin vesikyllästetvn ilmapiirin säilyttämiseksi laminaatin ympärillä; (2) Suunnittelemalla muotti oikealla tavalla veden palauttamiseksi nopeasti laminaattiin; ja (3) Suorittamalla valu höyrypiirissä.

Membraanin tai kalvon pintoihin sidotuissa elektrodeissa on projisoitu alue, joka vastaa kahden päätylevyn keskisyvennysosia 6 ja 11.

Kuvio 5 esittää kuvion 4 mukaista kennoa kokoonpantuna, jolloin molemmissa kuvioissa esiintyvät osat on merkitty samoilla viitenumeroilla. Tässä kuviossa päätylevyt 3 ja lO on kiinnitetty yhteen, jolloin kierukkakäämi tai matto 13 puristuu elektrodia 14 vasten. Kennon toimiessa esimerkiksi tyydytettyä natriumkloridiliuosta oleva ano-lyytti kiertää anodikammion läpi siten, että uutta anolvyttiä syötetään tuloputken (ei esitetty) kautta kammion pohjaan ja käytetty 23 68429 anolyytti purkautuu kammion yläpäähän sijoitetun poistoputken (ei esitetty) kautta yhdessä muodostuneen kloorin kanssa.

Katodikammioon syötetään vettä tai laimeaa emästä kammion pohjassa olevan tuloputken (ei esitetty) kautta samalla, kun muodostunut emäs otetaan talteen väkevänä liuoksena katodikammion yläpäähän järjestetyn poistoputken (ei esitetty) kautta. Katodissa muodostunut vetv voidaan ottaa talteen katodikammiosta joko yhdessä väkevöidyn emäsliuoksen kanssa tai kammion yläpäässä olevan toisen poistoputken kautta.

Koska kimmoisan kokoojan verkko on avoin, kaasu- tai elektrolvytti-virta puristetun kokoojan läpi kohtaa vain vähän tai ei lainkaan vastusta. Anodi- ja katodipäätylevyt on molemmat sopivasti yhdistetty ulkopuoliseen virranlähteeseen ja virta kulkee ulokesarjan 9 kautta anodivirran kokoojaan 8, josta se tämän jälkeen jakautuu anodiin 7 levitetyn levyn 8 ja anodin 7 välissä olevien useiden kontaktipisteiden kautta. lonijohtavuutta esiintyy olennaisesti ioninvaihto-kalvon 5 läpi samalla kun virtaa kuljettavat olennaisesti natrium-ionit, jotka kulkevat anodista 7 kationikalvon 5 läpi kennon katodiin 14. Virrankokooja 13 kokoaa virran katodista 14 nikkelilangan ja katodin välissä olevien useiden kontaktipisteiden kautta ja siirtää sen tämän jälkeen katodipäätylevyyn 10 useiden kontaktipisteiden kautta.

Sen jälkeen, kun kenno on koottu, on virrankokooja 13 puristuneessa tilassaan, eli se on muuttanut muotoaan edullisesti 10 - 60 % tuotteen alkuperäisestä paksuudesta, eli yksittäisten kierteiden tai aaltojen paksuudesta, jolloin elastinen reaktiovoima suuntautuu vasten katodin 14 pintaa ja tästä syystä olennaisesti muotoaan muuttamattoman anodivirran kokoojan 8 muodostamaa estepintaa vastse. Tämä reaktiovoima pitää halutun paineen katodissa 14 ja anodissa 7 olevien katodikollektorin ja anodikollektorin välisiä kontaktipisteitä vasten.

Koska kimmoisan virrankokoojän vierekkäisten spiraalien tai vierekkäisten aaltojen väliseen elastiseen di fferentiaalideformaatioon ei kohdistu mekaanisia vastuksia, ne kykenevät sopeutumaan tai säätämään itsensä niihin väistämättömiin pieniin poikkeamiin tasosta tai yhdensuuntaisuudesta, joita esiintyy anodikollektorin 8 ja katodiosaston 11 pinnan yhteistoiminnassa olevien tasojen välillä. Tällaiset vähäiset poikkeamat, joita normaalisti tapahtuu tavanomaisissa valmistus- 68429 24 prosesseissa, voidaan tästä syystä kompensoida huomattavasti.

Kuvioissa 6 ja 7 on osiin hajotetuilla perspektiivisillä osakuvilla kaaviomaisesti esitetty kuvioissa 4 ja 5 esitötvn kennon kimmoisan puristuvan virtakollektorimaton 13 kaksi edullista suoritusmuotoa. Yksinkertaisuuden vuoksi on esitetty ainoastaan asiaan liittyvät osat ja niitä on merkitty samoilla viitenumeroilla kuin kuvioissa 4 ja 5. Kuvion 6 mukainen kimmoisasti puristuva matto on sarja halkaisijaltaan 0,6 mm nikkdlilangan 13 kierukkamaisia sylinterimäisiä spiraaleja, joiden kierukat on edullisesti kelattu keskenään toistensa sisään, kuten tarkemmin nähdään kuvion 1 mukaisesta valokuvajäljen-nöksestä, ja kierukoiden halkaisija on 10 mm. Kimmoisan kudoksen tai arkin 13a ja pinnoillaan katodikerrosta 14 tukevan kalvon 5 väliin on sovitettu ohut rei'itetty levy 13b, joka voi olla edullisesti venytetty 0,3 mm paksu nikkelilevy. Rei'itetty levy 13 on helposti joustava tai taipuva ja vastustaa vain merkityksettömässä määrin taipumista tai joustamista niiden elastisten reaktiovoimien vaikutuksesta, joita arkin 13a lankasilmukat puristettaessa kohdistavat kalvoa 5 vasten. Kuvio 7 esittää samanlaisen suoritusmuodon kuin kuvio 6,,mutta tässä kimmoisasti puristuva kudos tai kerros 13a on kiharrettu neulottu kudos, joka on halkaisijaltaan 0,15 mm nikkö-lilankaa, ja tällainen on esitetty kuvion 3 mukaisessa valokuva-jäljennöksessä .

Kuvio 8 esittää keksinnön erästä toista suoritusmuotoa, jossa erityisesti natriumkloorisuolaliuosdiektrolyvsissä käyttökelpoiseen kennoon kuuluu keksinnön mukainen puristuva elektrodi- tai virrankokooja, johon liittyy pystysuuntainen anodipäätylevy 3, jonka koko kehällä on tiivistepinta 4, joka kohtaa tiiviisti kalvon tai membraanin 5 kehäreunat, jolloin valinnaisesti mukaan on järjestettv nestettä läpäisemätön, eristävä kehätiiviste (ei esitetty). Anodikehälevv 3 on varustettu myös keskisyvennyksellä 6, joka on syvennetty mainitun tiivistepinnan suhteen pinnan työntyessä ylöspäin alemmalta alueelta, jolloin suolaliuos syötetään yläosaan, josta kävtetty tai osittain käytetty suolaliuos ja muodostunut kloori purkautuu, jolloin nämä alueet ovat tavallisesti yhteydessä ylhäältä ja alhaalta. Päätylevy voidaan valmistaa teräksestä, jolloin sen sivu kohtaa titaania tai jotain muuta venttiilimetallia olevan anolvyttisuojuk-sen tai päätylevy voi olla grafiittia tai grafiitin ja jonkun kemiallisesti kestävän hartsisideaineen tai jonkun muun anodisesti 25 v · ·· , 68429 kestävän materiaalin valettavia seoksia.

Anodi muodostuu edullisesti kaasua ja elektrolvvttiä läpäisevästä titaani-/ neobium- tai jotakin muuta venttiilimetallia olevasta verhosta tai venytetystä levystä 8, joka on päällystetty ei-passi- voitavalla ja elektrolyysin kestävällä materiaalilla, joita ovat esimerkiksi jalometallit ja/tai platinaryhmämetallien oksidit ja oksidisekoitukset tai sitten siinä on joku muu sähkökatalvyttinen pinnoite, joka toimii anodipintana sijoitettuna sähköä johtavalle alustalle. Anodi on olennaisesti jäykkä ja verho on riittävän paksu siirtämään elektrolyysivirran harjanteista 9 ilman liiallisia ohmihäviöitä. Edullisemmin karkean verhon 8 pintaan on sijoitettu hienosilmäinen taipuisa verkko, joka voi olla samaa materiaalia kuin?karkea verho 8, jolloin tarkoituksena on muodostaa hienoja kontakteja kalvoon tiheyden ollessa 30, edullisesti 60 - 100 kontakti- 2 pistettä kalvon pinnan cm kohti. Hienosilmäinen verkko päällystetään jalometalleilla tai anolvvttiä kestävillä johtavilla oksideilla.

Pystysuuntaisen katodipäätylevyn 10 sisäsivussa on keskisyvennvs 11 verrattuna kehätiivistepintaan 12, ja mainittu syvennys 11 on olennaisesti tasainen, eli siinä ei ole harjanteita ja se on yhdensuuntainen tiivistepinnan tason kanssa. Keksinnön mukainen kimmoisa puristuva elektrodielementti 13 on edullisesti valmistettu nikkeliseoksesta ja sijoitettu katodipäätylevyn syvennykseen. Tässä piirustuksessa esitetyssä suoritusmuodossa Elektrodi on lankakäämi tai kierukka, jossa on useita yhteenpunottuja tai loimitettuja kierteitä, ja nämä kierteet voivat tarttua suoraan kalvoon. Verho 15 sijoitetaan kuitenkin esitetyllä tavalla edullisesti lankakierukan ja kalvon väliin, jolloin kierukka ja verho tarttuvat liukuvasti toisiinsa ja kalvoon.

Kierukan vierekkäisten spiraalien välisten tilojen pitäisi olla riittävän suuria varmistamaan kaasun ja elektrolyytin helppo virtaus tai liikkuminen välistä esimerkiksi kierukan ympäröimiin keskialueisiin ja niiltä pois. Nämä tilat ovat yleensä huomattavan suuria, usein 3-5 kertaa tai enemmänkin langan halkaisija. Puristamatto-man kierrelankakäämin paksuus on edullisesti 10 - 60 % suurempi kuin keskisyvennyksen 11 verrattuna tiivistepintojen tasoon. Kennoa koottaessa kierukkaa tai käämiä puristetaan 10 - 60 % sen alkuperäisestä paksuudesta, jolloin muodostuu elastinen reaktiovoima, joka on edullisesti alueella 80 - 100 g/cm projisoidusta pinnasta.

68429 26

Katodipäätylevy 10 voidaan valmistaa teräksestä tai jostain muusta sähköä johtavasta materiaalista, jokä kestää emäksiä ja vetyä.

Kalvo 5 on edullisesti nestetiivis ja valinnaisesti kätioneja läpäisevä ioninvaihtokalvo, kuten yllä mainittiin. Verho 15 on edullisesti valmistettu nikkelilangasta tai jostain muusta materiaalista, joka kestää korroosiota katodiolosuhteissa. Vaikka mainittu verho voi olla melko jäykkä, sen pitäisi edullisesti olla joustava ja huomattavan notkea, jotta se voidaan helposti taivuttaa noudattamaan membraa-nin katodipinnan epäsäännöllisvyksiä. Nämä epäsäännöllisyydet voivat olla itse kalvon pinnassa, mutta tavallisemmin ne johtuvat jäykemmässä anodissa olevista epätasaisuuksista, jota anodia vasten kalvo painautuu. Yleensä verho on taipuisampi kuin kierukka.

Useimpia käyttötarkoituksia silmälläpitäen verhon tai verkon silmä-koon pitäisi olla pienempi kuin 'kierukan spiraalien välisten aukkojen ja sopivia ovat verkot, joiden aukot ovat leveydeltään ja pituudeltaan 0,5 - 3 mm, vaikkakin hienompisilmäiset verkot ovat keksinnön kannalta erityisen edullisia suoritusmuotoja. Väliverho voi suorittaa useita tehtäviä. Ensinnäkin se on sähkö johtava ja siinä siis on aktiivinen elektrodipinta. Toiseksi se estää kierukan tai jonkun muun kokoonpuristuvan elektrodielementin hiomasta tai ohentamasta kalvoa ja painumasta siihen sisään, ja kun kokoonpuristettu elektrodi painuu vasten verhoa paikallisalueella, verho auttaa jakamaan paineen kalvon pintaan vierekkäisten painepisteiden välille ja estää edelleen vääntyneen spiraaliosan työntymästä kalvoon tai hiomasta sitä.

Elektrolyysin kestäessä verholle muodostuu vetyä ja alkalimetalli-hydroksidia ja yleensä niitä muodostuu myös johonkin kierukanosaan tai jopa koko kierukkaan. Kun kierukkaspiraalit puristetaan yhteen, niiden takapinnat eli kalvon pinnasta kaukana olevat pinnat lähestyvät verhoa ja kalvoa ja luonnollisesti, mitä suurempi on puristusaste, sitä pienempi on spiraalien keskimääräinen etäisyys kalvosta ja sitä suurempi on elektrolyysi spiraalipinnalla tai ainakin spiraali-pinnan katodipolarisoituminen. Puristuksen todellinen vaikutus on siis katodin kokonaistehopinnan suureneminen.

Elektrodin puristamisen on havaittu vähentävän tehokkaasti sitä kokonais jännitettä, joka tarvitaan 1000 ampeerin tai ylikin virran ylläpitämiseksi aktiivisen kälvopinnan neliömetriä kohti. Samanaikaisesti puristus pitäisi rajoittaa siten, että puristuva elektrodi pysyy 27 68429 auki elektrolyytin ja kaasun virtaukselle. Tällöin kuvion 9 mukaisesti spiraalit pysyvät avoimina muodostaen pystysuuntaiset keski-kanavat/ joiden läpi elektrolyytti ja kaasu pääsee kohoamaan. Edelleen spiraalien väliset tilat pvsvvät välimatkan päässä toisistaan mahdollistaen katalyytin pääsyn kalvoon ja spiraalien sivuihin. Spiraalien lanka on yleensä pientä vaihdellen halkaisijaltaan välillä 0,05 - 0,5 mm. Vaikkakin suurempiakin lankoja voidaan käyttää, nämä pyrkivät olemaan jäykempiä ja huonommin kokoonpuristuvia ja tästä syystä on erittäin harvinaista, että langan koko ylittää 1,5 mm.

Kuviossa 9 on kuvion 4 mukainen kenno esitetty koottuna, ja molemmissa kuvioissa on samoja osia merkitty samoilla viitenumeroilla. Kuvion 9 mukaisesti päätylevyt 3 ja lO on kiristetty yhteen, jolloin kierre-levy tai matto 13 puristuu elektrodia 15 vasten. Kennon toimiessa esimerkiksi tyydytettyä natriumkloorisuolaliuosta oleva anolvytti kierrätetään anodikammion kautta ja edullisemmin uutta anolyvttiä syötetään kammion pohjan läheisyyteen sijoitetun tuloputken (ei esitetty) kautta ja käytetty anolyytti purkautuu mainitun kammion yläosaan sijoitetun poistoputken (ei esitetty) kautta yhdessä muodostuneen kloorin kanssa.

Katodikammiota syötetään vedellä tai laimealla vesipitoisella alkalilla kammion pohjassa olevan tuloputken (ei esitetty) kautta, ja valmistunut alkali otetaan talteen väkevöitvnä liuoksena mainitun katodikammion yläpäässä olevan poistoputken (ei esitetty) kautta. Katodissa muodostunut vety voidaan ottaa talteen katodikammiosta joko yhdessä väkevöidyn emäsliuoksen kanssa tai kammion yläpäässä olevan toisen poistoputken kautta.

Anodi-ja katodipäätylevyt on molemmat asiaankuuluvalla tavalla liitetty ulkopuolella olevaan virranlähteeseen ja virta kulkee harjanteiden 9 sarjan kautta anodiin 8. Ionijohtavuus esiintyy olennaisesti ioninvaihtokalvon 5 läpi ja virtaa kuljettavat olennaisesti natrium-ionit, jotka kulkevat kationikalvon 5 läpi kennon anodista 8 katodiin 14. Elektrodit muodostavat kalvoon useita kontaktipisteitä, jolloin virta lopuksi virtaa katodipäätylevyyn 10 useiden kontaktipisteiden kautta.

Kennon kokoonpanon jälkeen virrankokooja 13 on puristuneessa tilassaan, jolloin se on deformoitunut edullisesti 10 - 60 % alkuperäisestä

Ο R

68429 paksuudesta eli sen yksittäisten kierteiden tai aaltojen paksuudesta, ja tällöin kollektori kohdistaa elastisen reaktiovoiman katodipintaa 14 vasten ja tästä syystä suhteellisesti jävkemmän, olennaisesti muotoa muuttamattoman anodi- tai anodisen virtakollektorin 8 muodostamaa estepintaa vasten. Tämä reaktiovoima säilvttää halutun paineen katodin ja kalvon sekä verho-osan ja katodin 14 kierukkaosan välisiä kontaktipisteitä vasten.

Koska kierukkaspiraalit ja verho pääsevät liukumaan toistensa, kalvon sekä takimmaisen tukiseinämän suhteen, ei muodostu mekaanisia esteitä, jotka estäisivät kimmoisan elektrodin vierekkäisten spiraalien tai virekkäisten aaltojen väliset elastiset deformaatiot, jolloin ne pääsevät lateraalisesti säätämään itsensä ja noudattamaan väistämättömiä vähäisiä poikkeamia tasosta ja yhdensuuntaisuudesta, joita esiintyy anodin 8 ja katodiosaston tukipinnan 11 välisissä tasoissa. Tällaiset vakiovalmistusprosesseissa normaalisti esiintyvät lievät poikkeamat saadaan siten olennaisesti kompensoiduksi.

Keksinnön mukaisen kimmoisan elektrodin etuja voidaan täysin hyödyntää ja käyttää teollisissa suodatinpuristintvyppisissiä elktrolysointi-laitteissa, joissa on suuri määrä peruskennoja kiristettynä yhteen sarjamaisesti, jolloin ne muodostavat suuren tuotahtokanasiteetin omaavia moduleja. Tässä tapauksessa välikennojen päätvlevyt muodostuvat kaksinapaisten separaattoreiden pinnoista, jotka nuristavat anodi- ja katodivirtakollektorin kumpaankin vastaavaan pintaan.

Tästä syystä kaksinapaiset separaattorit muodostavat vastaavien elektrodikammioiden seinämät ja lisäksi ne kvtkevät sähköisesti yhden kennon anodin sarjassa olevan viereisen kennon katodiin.

Johtuen parantuneesta muodonmutitoskyvystään keksinnön mukaiset kimmoisat puristuvat elektrodit mahdollistajat entistä tasaisemman suodatinpuristinmodulin puristuspaineen jakautumisen kuhunkin yksittäiseen kennoon, ja tämä pitää erityisesti paikkansa silloin, kun kunkin kalvon vastakkaista puolta tukee jäykästi suhteellisen jävkkä anodi 8. Tällaisissa sarjakennoissa suositellaan kimmoisien tiivisteiden käyttöä yksittäisten kennojen tiivistepinnoilla, jotta puristetun suodatinpuristinmodulin kimmoisuus ei rajoittuisi kalvojen kimmoisuuteen. Tällöin voidaan sarjan kussakin kennossa olevien kimmoisten kollektoreiden tai kokoojien elastisia deformaatio-ominaisuuksia käyttää vielä paremmin hyväksi.

68429 29

Kuvio 10 esittää kaaviomaisesti erään lisäsuoritusmuodon, jossa elektrodin puristusvana elementtinä käytetään toimitetuista tai yhteenpunotuista langoista muodostuvaa kiharrettua kudosta kierukka-spiraalien asemesta ja lisäksi mukana on lisäelektrolyvttikanava elektrolyytin kiertoa varten. Esitetyllä tavalla kennoon kuuluu anodipäätylevy 103 ja katodipäätvlevy 110, jotka kumpikin on asennettu pystytasoon ja kumpikin päätylevy on kanavan muodossa, jossa on sivuseinät, jotka puolestaan ympäröivät anoditilaa 106 ja katodi-tilaa 111. Kummassakin päätvlevyssä on myös kehätiivistepinta siinä sivuseinämässä, joka ulkonee vastaavan päätylevyn tasosta, jolloin 104 on anoditiivistepinta ja 112 katoditiivistepinta. Nämä pinnat puristuvat membraania tai kalvoa 105 vasten, joka on venvtötty sivuseinämien välissä olevan suljetun tilan poikki.

Anodi 108 on suhteellisen jäykkä puristumaton lew, joka on venytettyä titaanimetallia tai jotakin muuta rei'itettyä anodisesti kestävää substraattia, jolloin siinä on edullisesti ei-passivoituva pinnoite, jöha voi olla esimerkiksi jonkun platinarvhmämetallin metalli tai oksidi tai oksidisekoitus. Tämä levy mitoitetaan sopimaan anodilevyn sivuseinämien väliin ja sitä tukee melko jäykästi välimatkan päässä toistaan olevat sähköä johtavat metalli- tai grafiittiharjänteet 109, jotka on kiinnitetty anodipäätylevyn 103 kantaan tai pohjaan ja ulkonevat siitä. Harjanteiden välit mahdollistavat anolyvtin helpon virtauksen, jota anolvvttiä syötetään näiden tilojen pohjaan ja poistetaan niiden yläosasta. Koko päätylevy ja harjanteet voivat olla grafiittia ja vaihtoehtoisesti yksikkö voi muodostua titaani-suojateräksestä tai jostakin muusta sopivasta materiaalista.. Anodi-levyä 108 vasten tulevat harjanteiden päät voidaan päällystää esimerkiksi platinalla sähkökontaktin parantamiseksi, mutta tämä ei ole välttämätöntä ja lisäksi anodilevy 108 voidaan hitsata harjanteisiin 109. Jäykkä rei'itetty anodilevy 108 pysyy tiukasti pystyasennossa. Tämä levy voi olla venytettyä metallia, jossa on ylöspäin viistot aukot, jotka on suunnattu poispäin kalvosta (kts. kuvio 11) ohjaamaan nousevat kaasukuplat kohti tilaa 105.

Edullisemmin jäykän rei'itetvn levyn 108 ja kalvon 105 väliin on sijoitettu titaania tai jotakin muuta venttiilimetallia oleva hieno-silmäinen, taipuisa verho 108a, joka on päällystetty ei-passivoita-valla kerroksella, joka on edullisesti jalometallia tai johtavia oksideja, joilla on alhainen ylijännite anodireaktiota silmälläpitäen (esim. kloorimuodostus). Hienosilmäinen verho 108a muodöstaa 30 68429 kalvoon erittäin pienipinta-alaisia kontaktipisteitä, jolloin niitä 2 on ainakin 30 cm kohti. Tämä verho voidaan pistehitsata karkeaan verkkoon 108, mutta tämä ei ole välttämätöntä.

Katodipuolella harjanteet 120 työtyvät ylöspäin katodipäätvlevyn 110 pohjasta vain osan katoditilan 111 koko syvyydestä. Näitä harjanteita on järjestetty välimatkan päähän toisistaan kennoon muodostamaan yhdensuuntaisia tiloja elektrolyyttivirtausta varten. Kuten yllä kuvatuissa suoritusmuodoissa, katodipäätvlevy ja harjanteet voidaan valmistaa teräksestä tai nikkelirautaseoksesta tai jostakin muusta katodisesti kestävästä materiaalista. Johtaviin harjanteisiin 120 on hitsattu suhteellisen jäykkä painelevy 122, joka on rei'itetty ja mahdollistaa helposti elektrolyytin kierron toiselta puolelta toiselle. Yleensä nämä aukot tai raot ovat viistossa ylöspäin ja poispäin kalvosta tai puristuvasta elektrodista kohti tilaa 111 (kts. myös kuvio 11). Painelevy on sähköä johtava ja antaa polariteetin elektrodiin ja kohdistaa siihen painetta, ja tämä levy voi olla venytettyä metallia tai raskas verkko, joka muodostuu teräksestä, nikkelistä, kuparista tai niiden seoksista.

Suhteellisen hieno taipuisa verho 114 puristuu vasten kalvon 105 aktiivipinnan katodipuolta, jolloin verho taipuisuudestaan ja suhteellisesta ohuudestaan johtuen noudattaa kalvon pintamuotoa ja tästä syystä anodin 108 muotoa. Tämä verho toimii olennaisesti katodina ja on siis sähköä johtava, esimerkiksi nikkelilangasta tai jostain muusta katodisesti kestävästä langasta muodostuva verho ja siinä voi olla vety-ylijännitteeltään alhainen pinta. Verho muodostaa edullisesti pinta-alaltaan erittäin pieniä ja tiheässä olevia kontak- 2 tipisteitä kalvon kanssa, joita on ainakin yli 30 pistettä cm kohti. Katodiverhon 114 ja katodipainelevyn 122 väliin on sovitettu puristuva matto 113.

Kuvion 10 mukaisesti matto on kiharrettu tai aallotettu silmukkalanka-kudos, joka on edullisesti silmukoiltaan avoin neulottu lanka, joka on samaa tyyppiä kuin kuviossa 3 esitetty, jolloin lankasäikeet on neulottu suhteellisen litteään kudokseen keskenään lukittuvin silmukoin. Tämän jälkeen tämä kudos kiharretaan tai poimutetaan aaltomaiseen tai poimutettuun muotoon, jossa aallot ovat lähellä toisiaan, esimerkiksi 0,3 - 2 cm toisistaan, ja puristuvan kudoksen kokonaispaksuus on 5 - 10 mm. Kiharrukset voivat olla kuviossa 3 esitettyyn tapaan polveilevia tai kalanruotomallisia ja kudoksen 31 68429 silmukkakoko on karkeampi, eli sen huokoskoko on suurempi kuin verhojen 114.

Kuvion 10 mukaisesti tämä poimutettu kudos 113 on sijoitettu hienompi-silmukkaisen verhon 114 ja jäykemmän venvtettyä metallia olevan painelevyn 122 väliseen tilaan. Poimut ulottuvat tilan poikki ja puristuneen kudoksen hubkoisuussuhde on edelleen edullisesti suurempi kuin 75 %, edullisesti 85 - 96 % kudoksen käyttämästä näennäistila-vuudesta. Esitetyllä tavalla aallot ulottuvat pystvvn tai viistoon suuntaan siten, että muodostuu kanavat kaasun ja elektrolyvtin virtaamiseksi vapaasti ylöspäin, jolloin kudoksen lanka ei olennaisesti tuki näitä kanavia. Tämä pitää paikkansa jopa silloin, kun aallot ulottuvat kennossa puolelta toiselle, koska aaltojen sivuissa olevat silmukka-aukot mahdollistavat nesteiden vapaan virtauksen.

Kuten muiden suoritusmuotojen yhteydessä selvitettiin, päätylevyt 110 ja 103 on kiristetty vhteen ja työntyvät vasten kalvoa 105 tai tiivistettä vasten, joka suojaa kalvoa ulkoilmalta ja joka on sijoitettu päätyseinämien väliin. Puristuspaine painaa poimutetun kudoksen 103 hienompaa verhoa 114 vasten, joka puolestaan painaa kalvon vastakkaista anodia 108 vasten, ja tämä puristus näyttää sallivan alemman kokonaisjännitteen. Suoritettiin koe, jossa puristumattoman kudoksen 113 kokonaispaksuus oli 6 mm ja havaittiin, että virrantiheydellä 2 3000 ampeeria per projisoidun elektrodipinnan m saatiin aikaan noin 150 millivoltin jännitteen aleneminen, kun puristuva levy puristettiin 4 mm paksuuteen ja myös 2,0 mm:iin yli sen, mikä havaittiin nollapuristuksessa samalle virtatiheydelle.

Nollan ja 4 mm:iin tapahtuvan puristuksen välillä havaittiin vertaileva jännitteen putoaminen 5 - 150 millivolttia. Kennon jännite säilvi käytännöllisesti katsoen vakiona aina noin 2,0 mm puristukseen asti ja alkoi sen jälkeen lievästi nousta puristuksen edetessä alle 2,0 mm, eli noin 30 %:iin kudoksen alkuperäispaksuudesta. Tästä aiheutui huomattava energiansäästö, joka voi olla 5 % tai enemmänkin suola-elektrolvysiprosessissa.

Käytettäessä tätä suoritusmuotoa kennon pohjaan syötetään olennaisesti tyydytettyä natriumkloridivesiliuosta, joka virtaa ylöspäin harjanteiden 109 välisten kanavien tai tilojen 105 kautta, ja laihennettu 32 68429 suolavesi ja muodostunut kloori poistuvat kennon vläosasta. Katodi-kammioiden pohjaan syötetään vettä tai laimeaa natriumhvdroksidia, joka nousee kanavien 111 sekä puristuneen verkkolevyn 113 huokosten kautta, ja muodostunut vety ja alkali poistetaan kennon yläosasta. Elektrolyysi aiheutetaan saattamalla anodi- ja katodioäätvlevvjen väliin tasavirtajännite.

Kuvio 11 esittää kaaviomaisesti pystyleikkauksen, joka esittää tämän kennon virtausmuotoja, jolloin ainakin vläaukot Painelevyssä 122 on rei1itetty viiston poistokanavan aikaansaamiseksi, joka känava on suunnattu ylöspäin poispäin puristuneesta kudoksesta 113, jolloin osa muodostunutta vetyä ja/tai elektrolyvttiä poistuu takana olevaan elektrolyyttikammioon 111 (kuvio 10). Tästä svvstä nainelevyn 122 takana olevat tilat ja puristuneen verhon 113 käyttämä tila on järjestetty ylöspäin suuntautuvaa katolyvtti- ja kaasuvirtausta varten.

Palaamalla näihin kahteen kammioon on mahdollista pienentää nainelevyn 122 ja kalvon välissä olevaa rakoa ja suurentaa levvn 113 puristusta samalla kun levy tai verho pidetään edelleen avoimena nestevirtaukselle, jolloin tämä parantaa tai suurentaa katodin aktiivisten osien kokonaistehopinta-alaa.

Kuvio 12 esittää kaaviomaisesti esillä olevan kennon toimintatavan. Kuvion mukaisesti pystysuuntainen kenno 20 on samaa tvvpoiä kuin poikkileikkauskuvissa 5, 9 tai 10 on esitetty, ja se on varustettu anolyvtin tuloputkella 22, joka työntyy kennon anolvyttikammion (anodialue) pohjaan sekä anolvytin ooistooutkella 24, joka poistuu anodialueen yläpäästä. Samalla tavoin katolvvtin tuloputki 26 purkautuu kennon 20 katolyyttikammion pohjaan ja katodialueessa on pois-toputki 28, joka on sijoitettu katodialueen yläpäähän. Anodialue on erotettu katodialueesta kalvolla 5, jolloin anodi 8 on puristunut anodipuoleen ja katodi 14 katodipuoleen. Kalvo-elektrodi ulottuu ylöspäin ja yleensä sen korkeus on noin 0,4 - lm tai enemmän.

Anodikammiota tai aluetta rajoittaa vhtäältä kalvo ja anodi ja toisaalta anoditakaseinämä 6 (kts. kuviot 5, 9 tai 10), kun taas katodi-aluetta rajoittaa yhtäältä kalvo ja katodi ja toisaalta pysty katodi-päätyseinä. Järjestelmän toimiessa syötetään vesipitoista suolaliuosta ö 8 4 2 9 syöttösäiliöstä 30 putkeen 22 venttiilillä varustetun putken 32 kautta, joka viimeksi mainittu putki kulkee säiliöstä 30 putkeen 22, ja mukaan on järjestetty paluukiertosäiliö 34 suolaliuoksen ooista-miseksi sen alaosasta putken 5 kautta. Anodialueen pohjaan tulevan liuoksen suolapitoisuutta ohjataan siten, että se on ainakin lähellä kyllästymisastetta suhteuttamalla putken 32 kautta tulevat virtaukset, ja anodialueen pohjaan tuleva suolaliuos virtaa ylöspäin kosketuksessa anodiin. Tästä syystä muodostuu klooria, joka nousee anolyvtin mukana ja molemmat poistuvat putken 24 kautta säiliöön 34. Tämän jälkeen kloori erotetaan ja se poistuu esitetyllä tavalla poistokanavasta 36 ja suolaliuos kerätään säiliöön 34 ja kierrätetään uudelleen.

Osa tätä suolaliuosta poistetaan laihennettuna suolaliuoksena vli-virtausputkesta 40 ja lähetetään kiinteän alkalimetallihalidin lähteeseen uudelleenkyllästämistä ja puhdistusta varten. Halidin tai muiden yhdisteiden muodossa oleva alkalinen maametalli pidetään alhaisena, selvästi alle 1 miljoonasosan alkalimetallihalidia ja usein jona niin alhaisena kuin 50 - lOO osaa alkalista maametallia alkalihali-din miljardia paino-osaa kohti.

Toisaalta putkeen 26 syötetään vettä säiliöstä tai muusta lähteestä 42 putken 44 kautta, joka purkautuu paluukiertoputkeen 26, jossa vesi sekoittuu uudelleenkiertävään alkalimetallihydroksidiin (NaOH), joka tulee paluukiertosäiliöstä outken 26 kautta. Vesi-alkalimetalli-hydroksidiseos tulee katodialueen pohjalle ja nousee ylöspäin puristuneen kaasun *läpipäästävän maton 13 (kuviot 5, 9 tai 10) tai virran-kokoojan kautta. Virtauksen aikana se kohtaa katodin ja vetykaasun ja samalla muodostuu alkalimetallihydroksidia. Katolvvttiliuos poistuu putken 28 kautta säiliöön 46, jossa vetv erkanee kanavan 48 kautta. Alkalimetallihydroksidiliuos poistuu putken 50 kautta ja putken 44 kautta syötettyä vettä ohjataan NaOH:n tai muun alkalin väkevyyden pitämiseksi halutulla tasolla. Tämä väkevyys· voi olla jopa niin alhainen kuin 5-10 painoprosenttia alkalimetallihvdroksi-dia, mutta normaalisti tämä väkevvvs on yli noin 15 painoprosenttia, edullisesti alueella 15 - 40 painoprosenttia.

Koska kaasua kehittyy molemmissa elektrodeissa, on mahdollista ja itse asiassa edullista hyödyntää kehittyneiden kaasujen kaasunosto-ominaisuuksia, joka suoritetaan käyttämällä kennoa vlivuototilassa ja pitämällä anodi- ja katodielektrolyvttikammiot suhteellisen kapeina, esimerkiksi leveydeltään 0,5 - 8 cm:nä. Näissä olosuhteissa 68429 34 kehittynyt kaasu nousee nopeasti kuljettaen mukanaan elektrolyytin, ja elektrolyytti ja kaasu purkautuvat poistoputkien kautta paluu-kiertosäiliöihin ja tätä kiertoa voidaan parantaa haluttaessa num-puilla.

Keksinnön mukaisena virrankokoojana käytettäväksi sopivaa neulottua metallikudosta valmistaa Knitmesh Limited, joka on englantilainen yhtiö, jonka toimipaikka on South Croydon, Surrey, ja neulotun kudoksen koko ja hienousaste voi vaihdella- Sopiva lanka on kooltaan 0,1 - 0,7 mm, mutta suurempiin ja pienempiinkin lankoihin voidaan turvautua, ja nämä langat neulotaan tai pikemminkin punotaan siten, että muodostuu noin 2,5 - 20 lenkkiä tuumaa kohti (1-4 lenkkiä cm kohti), edullisesti noin 8-20 aukkolenkkiä tuumaa kohti (2-4 aukkoa cm kohti). Luonnollisesti on selvää, että laajat vaihtelut ovat mahdollisia ja tällöin voidaan käyttää poimutettua lankaverkkoa, jonka hienous on alueella 5 - 100 mesh.

Yhteenkudotut, loimitetut tai punotut metalliarkit aallotetaan toistuvan aaltomaisen rakenteen aikaansaamiseksi tai ne punotaan lövsästi tai järjestetään muuten siten, että kudoksen paksuus on 5 - 100 kertaa langan halkaisija, jolloin arkki on kokoonpuristuva. Kuitenkin, koska rakenne on yhteenpunottu ja se rajoittaa liikettä, säilytetään kudoksen elastisuus. Tämä pitää erityisesti paikkansa silloin, kun se aallotetaan tai poimutetaan säännöllisin välein oleviin aaltoihin, kuten esimerkiksi kalanruotorakenne. Haluttaessa voidaan useita kerroksia tällaista punottua kudosta järjestää päällekkäin.

Kun käytetään kuviossa 3 esitettyä kierukkarakennetta, langan kierukoiden pitäisi olla elastisesti kokoonpuristuvia. Langan halkaisija ja kierukoiden halkaisija on sellainen, että tarvittava kokoonpuristuvuus ja kimmoisuus saadaan aikaan. Kierukan halkaisija on tavallisesti vähintään 10 kertaa langan halkaisija sen kokoonpuristamatto-massa tilassa. Tyydyttävästi on käytetty esimerkiksi halkaisijaltaan 0,6 mm nikkelilankaa, joka on väännetty halkaisijaltaan noin 10 mm kierukoiksi.

Nikkelilanka on sopiva langan ollessa yllä kuvatulla ja piirustuksissa esitetyllä tavalla katodinen. Kuitenkin voidaan käyttää mitä tahansa metallia, joka kestää katodisyövytvstä tai elektrolvyttikorroosiota tai vetyhaurastumista, ja näitä voivat olla ruostumaton teräs, kupari, 35 68429 hopea, päällystetty kupari ja vastaavat.

Vaikka yllä kuvatuissa suoritusmuodoissa kokoonpuristuva kokooja tai kollektori on esitetty katodisena, on selvää, että kennojen napaisuus voidaan vaihtaa päinvastaiseksi siten, että puristuva kollektori on anodinen. Tässä tapauksessa elektrodilangan pitää luonnollisesti kestää kloorin ja anodin syövytvstä ja langat voivat olla venttiili-metallia, kuten esimerkiksi titaani tai neobium, joka on edullisesti päällystetty sähköä johtavalla, anodisyövytystä kestävällä, ei-passi-voituvalla kerroksella, jollainen voi olla esimerkiksi paltinaryhitiä-metalli tai oksidi, bimetallispinelli, perovskiitti jne.

Joissain tapauksissa kokoonpuristuvan osan sijoittaminen anodipuolel-le voi muodostaa ongelman, koska halidielektrolyvtin svöttö elektrodi-kalvorajapintaan voi rajoittua. Kun anodialueet eivät pääse riittävästi käsiksi kennon läpivirtaavaan anolvyttiin, halidipitoisuus voi pienentyä paikallisilla alueilla johtuen elektrolyysistä ja sen pienentyessä liikaa pyrkii muodostumaan happea halogeenin asemesta vesielektrolyysin tuloksena. Tämä vältetään pitämällä elektrodi-kalvo-kontaktinisteiden pinta-alat pieninä, eli harvoin leveydeltään yli 1,0 mm:nä ja usein alle 0,5 mm ja sama ilmiö voidaan myös tehokkaasti välttää pitämällä puristuvan maton ja kalvon pinnan välissä suhteellisen hienosilmäinen verkko tai verho, jonka silmäkoko on 10 mesh tai enemmän.

Vaikka nämä ongelmat ovat huomattavat mvös katodissa, kohdataan siellä vähemmän vaikeuksia, koska katodireaktio kehittää vetyä eikä sivu-reaktiota esiinny tuotteiden kehittyessä, vaikka kontaktipisteet olisivat suhteellisen suuriakin, koska vesi ja alkalimetalli-ioni kulkevat kalvon läpi siten, että jopa silloin, kun katodi jonkin verran rajoittaa, on hyvin vähän mahdollista, että sivutuotetta muodostuisi. Tästä syystä on edullista sijoittaa kokoonpuristuva matto katodipuolelle.

Seuraavissa esimerkeissä on esitetty useita edullisia suoritusmuotoja keksinnön selventämiseksi. On kuitenkin luonnollista, että keksinnön tarkoituksena ei ole rajoittua esitettyihin suoritusmuotoihin.

36

Esimerkki 1 68429

Ensimmäinen koekenno (A) rakennettiin kuvioiden 10 ja 11 mukaiseksi. Elektrodien mitat olivat leveys 500 mm ja korkeus 500 mm, ja katodi-päätylevv 110, katodiharjänteet 120 ja rei'itetty katodinainelevv 122 valmistettiin teräksestä, joka päällystettiin galvaanisesti nik-kelikerroksella. Rei'itetty painelevy saatiin rei'ittämällä 1,5 mm paksu teräslevy muodostaen vinoneliömäisiä reikiä, joiden pitkät mitat olivat 12 ja 6 mm. Anodioäätylevy 103 valmistettiin titaanilla suojatusta teräksestä ja anodiharjanteet 109 titaanista.

Anodi muodostui karkeasta, olennaisesti jäykästä venytetystä titaani- metalliverkosta 108, joka saatiin rei'ittämällä 1,5 mm paksu titaani- levy muodostaen vinoneliömäisiä aukkoja, joiden pität mitat eli lävistäjät olivat 10 ja 5 mm ja lisäksi anodiin kuului hienosilmäinen titaaniverho 108a, joka saatiin rei'ittämällä 0,20 mm paksu titaani- levy muodostaen vinoneliömäisiä aukkoja, joiden mitat olivat 1,75 ja 3,00 mm, joka verho pistehitsattiin karkean verkon sisäpintaan.

Molemmat verkot tai verhot päällystettiin kerroksella ruteeni- ja titaanioksidisekoituksia, jotka vastasivat 12 ruteenigramman 2 (metallina) kuormitusta per m projisoitua pintaa.

Katodi muodostui kolmesta kerroksesta poimutettua ja loimitettua nikkelikudosta, joka muodosti kimmoisan maton 113 ja kudos kudottiin nikkelilangalla, jonka halkaisija oli 0,15 mm. Poimutus oli kalan-ruotorakenne, jonka aaltoamplitudi oli 4,5 mm ja vierekkäisten aallonharjojen välinen nousu oli 5 mm. Sen jälkeen kun näiden kolmen poimutetun kudoskerroksen esipakkaus oli suoritettu järjestämällä kerrokset päällekkäin ja kohdistamalla niihin kohtuullinen paine, 2 joka oli noin 100 - 200 g/cm , matto sai puristumattomassa tilassa olevan paksuuden noin 5,6 mm. Tämä tarkoittaa sitä, että paineen helittämisen jälkeen matto palautui elastisesti noin 5,6 mm paksuuteen. Katodi sisälsi myös 20 mesh'in nikkeliverkon 114, joka muodostettiin halkaisijaltaan 0,15 mm nikkelilangasta, jolloin verkko 2 muodosti noin 64 kontaktipistettä cm kohti kalvon 105 pintaan, mikä todettiin ottamalla jälkiä paineherkälle paperiarkille. Kalvo oli 0,6 mm paksua hydratoitua kalvoa, ja tässä tapauksessa se oli Nation 315 kationinvaihtokalvo, jollaisia valmistaa yhtiö Du Pont de Nemours, eli kysymyksessä oli perfluorihiilisulfonihappotyyppinen kalvo.

37 68429

Samoilla mitoilla varustettu vertailukoekenno (B) rakennettiin ja elektrodit muodostettiin normaalilla käytössä olevalla tavalla siten, että yllä kuvatut kaksi karkeata ja jäykkää verkkoa 108 ja 122 tulivat suoraan vasten kalvon 105 vastakkaisia pintoja käyttämättä kumpaakaan hienosilmäistä verhoa 108a ja 114 ja puristamatta niitä yhtenäisesti ja kimmoisasti kalvoa vasten (eli kokoonpuristuva matto 113). Koekäytöt olivat kuviossa 8 esitetyn kaltaiset.

Käyttöolosuhteet olivat seuraavat: syötetty suolapitoisuus 300 g/1 NaCl - poistuva suolapitoisuus 180 g/1 NaCl

- anolyytin lämpötila 80°C

- anolyytin pH 4

- emäspitoisuus katolyytissä 18 painoprosenttia NaOH

2 - virtatiheys 300 A/m

Koekenno A käynnistettiin ja kimmoisa matto puristettiin yhä voimakkaammin paikalleen siten, että kennon toimintaolosuhteet, eli kennojännite ja virran tehokkuus korreloivat puristusasteeseen. Kuviossa 13 käyrä 1 esittää kennojännitteen suhteen puristusasteeseen tai vastaavaan paineeseen. Voidaan havaita, että kennojännite pieneni kimmoisan maton puristuessa paksuuteen, joka vastasi noin 30 % maton alkuperäisestä puristamattomasta paksuudesta. Mentäessä yli tämän puristusasteen kennojännite pyrki lievästi nousemaan.

Vähentämällä puristusastetta 3 mm mattopaksuuteen kennon A käyttö verrattuna samalla tavoin käytettvyn vertailukennoon B antoi seuraavat tulokset:

Kennojännite Katodivirran 0„ Cl_:ssa, ti- V tehokkuus, % , . . ._ -________lavuusprosenttia

Koekenno A 3,3 85 4,5

Koekenno B 3,7 85 4,5

Jotta voitaisiin arvioida kuplavaikutuksen osuus kennojännitteeseen, kennoja käännettiin ensin 45° ja lopuksi 90° pvstysuunnasta siten, että anodi pysyi vaakasuuntaisesta kalvon päällä. Kennojen käyttö- 68429 38 ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa:

Viistous Kennojännite Katodivirran 0Cl2:ssa, _____^_____V___tehokuus, % tilavuus-% _

Koekenno A 45 3,3 85 4,4

Vertailukenno B 45 3,65 85 4,4

Koekenno A vaakasuora 3,3 (x) 86 4,3

Vertailukenno B " 3,6 (xx) 85 4,5 (x) Kennojännite alkoi nousta hitaasti ja vakiintui noin 3,6 voltiksi.

(xx) Kennojännite nousi äkillisesti selvästi vli 12 voltin ja elektrolyysi keskeytyi tästä syystä.

Nämä tulokset tulkitaan seuraavasti: a) kääntämällä kennoja pystysuorasta kohti vaaksuoraa tilaa kuplavaikutuksen merkitys kennojännittee-seen pienenee kennossa B samalla, kun kennon A suhteellinen epäherk-kyys tai tunnottomuus ilmeisesti johtuu erittäin merkitvksettömästä ja vähäisestä kuplavaikutuksesta, mikä osittain selittäisi kennon A huomattavasti alemman kennojännitteen verrattuna kennoon B. b) Saavuttaessa vaaka-asentoon vetvkaasu alkaa perääntyä kalvon alle ja pyrkii yhä enemmän eristämään katodiverkon aktiivisen pinnan ionivirran johtavuudesta katolyytin läpi vertailukennossa B, kun taas sama vaikutus on huomattavasti vähäisempi koekennossa A.

Tämä voidaan selittää ainoastaan sillä, että suurin osa ionijohtavuutta rajoittuu kalvon sisään ja katodi muodostaa riittävät kontaktipisteet kalvon pinnalla oleviin ioninvaihtoryhmiin el&ktrolvvsivirran tukemiseksi tehokkaasti.

On havaittu, että vähentämällä jatkuvasti elektrodien ja kalvon välisten kontaktipisteiden tiheyttä ja hienoutta vaihtamalla hienosil-mäiset verhot 108a ja 114 yhä karkeampiin verhoihin, koekennon A käyttäytvminen yhä voimakkaammin lähestyy vertailukennon B käyttäytymistä. Edelleen kimmoisasti kokoonpuristuva;katodikerros 13 varmistaa sen, että tiheästi jakautuneet hienot kontaktipisteet peittävät kalvon pinnan tasaisesti yli 90-prosenttisesti ja usein vli 98-pro- 39 68429 senttisesti köko pinnasta jopa silloin, kun esiintyy huomattavia poikkeamia puristuslevyjen 108 ja 122 yhteistasosta ja yhdensuuntaisuudesta .

Esimerkki 2

Vertailun vuoksi koekenno A avattiin ja kalvo 105 korvattiin samanlaisella kalvolla, jossa oli sidottu anodi ja sidottu katodi. Anodi oli huokoinen, 80 |im paksu kerros ruteenin ja titaanin oksidisekoi-tuksien hiukkasia, jolloin kalvon pintaan sidottiin Ru/Ti-suhde 45/55 polytetrafluorietyleenillä. Katodi oli huokoinen, 50 μιη paksu hiukkaskerros platinamustaa ja grafiittia painosuhteessa 1/1, joka sidottiin polytetrafluorietvleenillä kalvon vastakkaiseen pintaan.

Kennoa käytettiin täsmälleen samoissa olosuhteissa kuin esimerkissä 1, ja kennojännitteen ja kimmoisan katodivirtakollektorikerroksen 113 puristusasteen välinen suhde on esitetty kävrällä 2 kuvion 13 kaaviossa. On merkityksellistä, että tämän täysin jähmeän elektrolyytin kennon kennojännite on vain noin 100 - 200 mv alhaisempi kuin koekennon A samoissa kävttöolosuhteissa.

Esimerkki 3

Yllättävien tulosten toteamiseksi tai todistamiseksi koekenno A modifioitiin korvaamalla kaikki titaanista valmistetut anodirakenteet vastaavilla rakenteilla, jotka oli valmistettu nikkelipintaisesta teräksestä (anodipäätylevy 103 ja anodiharjänteet 109) ja puhtaasta nikkelistä (karkea verkko 108 ja hienosilmäinen verho 108a) . Käv-tettv kalvo oli 0,3 mm paksu kationinvaihtokalvo Nafion 120, jota valmistaa Du Pont de Nemours.

Ominaisvastukseltaan yli 200.000 Ωαη olevaa puhdasta kahdesti tislattua vettä kierrätettiin sekä anodi- että katodikammioissa. Suureneva potentiaaliero kohdistettiin näihin kahteen kennon Päätvlevyvn ja elektrolyysivirta alkoi kulkea hapen kehittyessä nikkeliverhoanodissa 108a ja vedyn kehittyessä nikkeliverhokatodissa 114. Muutaman tunnin käytön jälkeen havaittiin seuraavat jännite-virtaominaisuudet: 40 68429

Virtatiheys Kennojännite Käyttölämpötila

A/mZ V °C

3000 2,7 65 5000 3,5 65 10000_ 5_jJL_65_______

Elektrolyyttien johtavuuden ollessa merkitvksetön kenno osoitti toimivansa täysin jähmeän Elektrolyyttijärjestelmän tapaan.

Vaihtamalla hienosilmäiset elektrodiverhot 108a ja 114 karkeampiin verkkoihin pienentäen siten kontaktitiheyttä elektrodien ja kalvon 2 2 pinnan välillä 100 pisteestä/cm 16 pisteeseen/cm havaittiin kenno-jännitteen dramaattinen nousu, kuten seuraavassa taulukossa on esitetty :

Virtatiheys Kennojännite Kävttölämpötila

A/mZ V ‘ °C

3000 8,8 65 5000 1 12,2 6 5 10000

Kuten ammattimiehelle on selvää, on mahdollista lisätä elektrodien ja kalvon välisten kontaktipisteiden tiheyttä monin tavoin. Hienosil-mäinen elektrodiverho voidaan esimerkiksi sumuttaa metallihiukkasilla käyttämällä plasmasuihkukerrostusta tai kalvon kanssa kosketuksessa olevan pinnan metallilanka voidaan karkeuttaa ohjatulla kemiallisella hyökkäyksellä kontaktipisteiden tiheyden lisäämiseksi. Rakenteen pitää kuitenkin olla riittävän joustava mahdollistamaan kontaktien tasainen jakauma kalvon koko pintaan siten, että kimmoisan maton elektrodeihin kohdistama elastinen reaktiopaine jakautuu tasaisesti kaikkiin kontaktipisteisiin.

Elektrodien ja kalvon välisessä rajapinnassa olevaa sähkökontaktia voidaan parantaa lisäämällä toimivien ioninvaihtoryhmien tiheyttä tai vähentämällä sillä kalvopinnalla olevan sekapolvmeerin ekvivalent- 41 68429 tipainoa, joka pinta on kosketuksessa kimmoisaan mattoon tai väliverhoon tai hiukkaselektrodiin. Tällä tavoin kalvoinatriisin vaihto-ominaisuudet säilyvät muuttumattomina ja on mahdollista suurentaa elektrodien kontaktipistetiheyttä membraaniin tapahtuviin ioninsiirto-kohtiin. Kalvo tai membraani voidaan esimerkiksi muodostaa laminoi-malla yksi tai kaksi paksuudeltaan noin 0,05 - 0,15 mm olevaa ohutta sekapolymeerikalvoa, joilla on alhainen ekvivalenttipaino paksuudeltaan 0,15 - 0,6 mm olevan paksumman sekanolymeerikalvon pinnalle tai pinnoille, jolloin tällä paksummalla kalvolla on suurempi ekvivalenttipaino tai sen paino sopii optimoimaan kalvon ohminen lasku ja selektiviteetti. Monia muitakin muutoksia voidaan tehdä keksinnön mukaiseen menetelmään ja laitteeseen irtaantumatta keksinnön piiristä, ja tästä syystä voidaankin todeta, että keksintöä rajoittavat ainoastaan oheiset patenttivaatimukset.

Claims (21)

1. 42 68429
2. 1. Menetelmä sähkövirran jakamiseksi elektrolysoimislaitteessa joustavan, huokoisen ja läpäisevän elektrodin pinnalla elektrodin ollessa suorassa kosketuksessa elektrolyysikennon ioneja läpäisevän kalvon kanssa, tunnettu siitä, että joustava, huokoinen ja läpäisevä elektrodi on puristettu ioneja läpäisevän kalvon pintaan sähköisesti johtavan, kimmoisesti kokoonpuristuvan ja elektrolyyttiä ja kaasuja läpäisevän kerroksen avulla, joka kerros toimii elektrodin päällä kimmoisen voiman avulla lukuisissa tasaisesti jakautuneissa kosketuspisteissä ja siirtää yksittäisissä kosketuspisteissä vaikuttavat voimat poikittaisesti viereisiin kosketuspisteisiin kimmoisen pinnan tasossa olevan suoran suunnassa,
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kimmoisesti kokoonpuristuva kerros on avoin metalli-kudos, joka on liukuva sekä elektrodin että kerroksen takana olevan puristavan elimen suhteen.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että elektrodi on muodostettu täytekerroksesta, joka on valmistettu sähköä johtavista ja korroosiota kestävistä hiukkasista, jotka on sidottu tai muulla tavoin kiinnitetty kalvoon.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 ja 3 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että kalvon pinnan kanssa kosketuksessa oleva elektro-dipinta on ohut, taipuisa verho, joka on valmistettu sähköä johtavasta ja korroosiota kestävästä materiaalista, jolloin verho pääsee liikkumaan kalvon pinnan suhteen ja kimmoisesti kokoonpu-rustuvan kerroksen suhteen ja on vähemmän kokoonpuristuva kuin mainittu kerros. 1 Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 ja 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kimmoisesti kalvoa vasten kokoonpuristuvasta elektrodi muodostaa elektrolyysikennon katodin. 43 68429
6. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyysikennon molemmilla elektrodeilla on samanlainen rakenne ja niissä on pinta, joka on kimmoisessa suorassa kosketuksessa useista pisteistä kalvoon ja joka on puristettu tasaisesti kalvon pintaa vasten.
7. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kennon vastaelektrodi on jäykkä ja sen pinta on suorassa kosketuksessa useista pisteistä kalvoon.
8. 8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että useista pisteistä kalvoon suorassa kosketuksessa olevassa pinnassa on pisteitä sellaisella tiheydellä, että niitä on ainakin 30 pistettä cm^ kohti ja että kokonaiskontakti-alueen ja kalvon alan välinen suhde on alle 75 %.
9. 9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kokonaiskontaktialan ja kalvon alan välinen suhde on 25 - 40 %.
10. 10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että elektrolyytille avoimen kimmoisasti puristuvan kerroksen suhde tyhjien tilojen ja puristuneen kimmoisen kerroksen näennäisesti viemän tilan välille on ainakin 50 %.
11. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu suhde on 85 - 96 %.
12. 12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kimmoiseen kerrokseen kohdistettu paine on 5 kPa - 0,2 MPa.
13. 13. Elektrolysoimislaite, johon kuuluu kotelo, joka sisältää ainakin yhden sarjan elektrodeja käsittäen anodin (7, 8, 108a) ja ioneja läpäisevällä kalvolla (5, 105) erotetun katodin (14, 114. sekä elimet elektrolysoitavan elektrolyytin syöttämiseksi, elimet elektrolyysituotteiden poistamiseksi ja elimet elektro- 44 6 8 4 2 9 lyysivirran johtamiseksi, tunnettu siitä, että ainakin yksi elektrodeista (7, 8, 108a, 14, 114) on liukuvan, kimmoisesti kokoonpuristuvan ja dimensioiltaan elektrodin (7, 8, 108a, 14, 114. pinta-alaa vastaavan kerroksen (13, 113) avulla puristettuna vasten kalvoa (5, 105), jolloin kimmoisesti kokoonpuristuva kerros (13, 113) on kosketuksissa elektrodin (7, 8, 108, 14, 114) kanssa lukuisissa tasaisesti jakautuneissa jakopinnan pisteissä ja on rakenteeltaan kaasua ja elektrolyyttiä läpäisevä.
14. 14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kimmoisesti kokoonpuristuva kerros (13, 113) on metallia.
15. 15. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kimmoisesti kokoonpuristuva kerros (13, 113) on pujotettua metallilankaa oleva kudos, joka on muokkaamalla poimutettu.
16. 16. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kokoonpuristuva kerros (13, 113) muodostuu sarjasta metalli-langasta tehtyjä kierukkaspiraaleja.
17. 17. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin yhdellä kennon elektrodilla (7, 8, 108a, 14, 114) on huokoinen rakenne, joka on elektrolyyttiä ja kaasua läpäisevää, ja siinä on sähköisesti johtava pinta, joka on useista pisteistä kosketuksessa kalvon (5, 105) pintaan.
18. 18. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kalvon (5, 105) pintaan useista pisteistä kosketuksessa oleva elektrodi (7, 14) on muodostettu sähköä johtavan ja korroosiota kestävän materiaalin hiukkasten huokoisesta ja läpäisevästä kerroksesta, jotka hiukkaset on sijoitettu kalvon (5, 105) pintaan.
19. 19. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kalvon (5, 105) pintaan useista pisteistä kosketuksessa olevaa elektrodipintaa (8, 108a, 14, 114) vasten on taipuisa verho (132), joka on valmistettu sähköä johtavasta materiaalista ja joka on sovitettu elektrodipinnalla (8, 108a, 14, 114) siten, että se pääsee liukumaan. 45 684 2 9
20. 20. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että molemmat elektrodit (8, 108a, 14, 114) vastaavat rakenteeltaan ja muodoltaan pintoja, jotka ovat kosketuksessa useista pisteistä kalvon (5, 105) pintaan, jota vasten niitä puristetaan kimmoisesti ja tasaisesti.
21. 21. Patenttivaatimuksen 13 mukainen laite, tunnettu siitä, että kennon vastaelektrodi (8, 108a) on jäykkä ja sen pinta on kosketuksesta kalvon (5, 105) pintaan useista pisteistä. 46 68429