FI73008B - Elektrod till elektrolyscell av membrantyp. - Google Patents

Description

73008

Elektrodi kaIvotyyppiseen elektrolyysikennoon - Elektrod tili elektrolyscell av membrantyp Tämän jakamalla hakemuksesta 802041 erotetun keksinnön kohteena on elektrodi kalvotyyppiseen elektrolyysikennoon kloori-alkali-elektrolyysiä varten, jossa kennossa anodit ja katodit on erotettu toisistaan ioninvaihtokalvolla ja anodeilla ja katodeilla on verkkomainen rakenne, joka on tehty elektrolyyttiä kestävästä mallista ja päällystetty elektrokatalyyttistä materiaalia olevalla kalvolla, verkkomaisen rakenteen ollessa sähköisesti yhdistetty kannatuselimeen sähkövirran syöttämiseksi siihen, jolloin ioninvaihtokalvo on tuettu puristamalla vasten anodi-tai katodielektrodia.

Kloorin valmistamiseksi kennossa, jossa on jähmeätä polymeeri-elektrolyyttiä muodostuvat elektrodit tavallisesti ohuesta, huokoisesta kerroksesta sähköä johtavaa, elektrokatalyyttistä 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 polytetraf luorihiilihiukkasten vesidispersioon, jolloin saadaan taikinamainen seos, joka sisältää 2 - 20 g jauhetta per gramma polytetrafluorietyleeniä. Seos voidaan halutessa laimentaa ja tämän jälkeen se levitetään metalliselle tukilevylle ja kuivataan, jonka jälkeen jauhekerros peitetään alumiinikalvolla ja puristetaan lämpötilassa, joka riittää aikaansaamaan polytetrafluorietyleenihiukkasten sintrautumisen ohuen, koossa-pysyvän kalvon aikaansaamiseksi. Sen jälkeen, kun alumiini-kalvo tai folio on irrotettu emäksisellä uutolla, esimuodos-tettu elektrodi levitetään membraanin pintaan ja puristetaan lämpötilassa, joka riittää aikaansaamaan polytetrafluoriety-leenimatriisin sintrautumisen membraaniin. Nopean karkaisun tai jäähdytyksen jälkeen metallinen tukilevy poistetaan 2 73008 ja elektrodi pysyy sitoutuneena membraaniin.

Koska kennon elektrodit on tiukasti sidottu anodi- ja katodi-kammiot erottavan membraanin vastakkaisiin pintoihin eikä niitä tästä syystä tue erillisesti minkäänlaiset metallirakenteet, on havaittu, että tehokkain tapa siirtää ja jakaa virta elektroideihin on turvautua useisiin koskettimiin, joka on tasaisesti jaettu koko elektrodipintaan virransiirtoraken-teilla, joissa on sarja ulokkeita tai harjanteita, jotka kennon kokoonpanon aikana koskettavat elektrodipintaa monissa tasaisesti jakautuneissa piireissä. Membraanin vastakkaisissa pinnoissa on sidotut elektrodit ja tämän jälkeen kyseinen memb-raani pitää puristaa kahden virransiirtorakenteen tai virran-kokoojan väliin, jotka ovat vastaavassa järjestyksessä anodinen ja katodinen.

Esimerkkinä tekniikan tasosta on myös GB- hakemusjulkaisu 2011950 (General Electric Company), missä on esitetty kenno, jossa on ainakin pari johtavia, kiinteitä takalevyjä, anodi ja katodi vastaavasti, jotka puristavat väliinsä ioninvaihtokalvon, jonka pintoihin anodi ja katodi liittyvät. Johtavat takalevyt on varustettu johtavilla ulkonemilla, sopivimmin ripojen muodossa, jotka koskettavat kalvoa ja muodostavat sähkökontaktin takalevyjen ja kalvoon liittyvien elektrodien välille.

Koska kalvo, jonka molempiin pintoihin elektrodit liittyvät, on hyvin ohut (100-300) mikronia) hyvä sähköinen kontakti syntyy ainoastaan kun kosketusulkonemien kontaktipäät ovat täydellisen tason muodostavassa pinnassa. Tämä vaatimus edellyttää hyvin kallista koneistusta, erityisesti kun kysymyksessä ovat suurikokoiset takalevyt. Näiden kustannusten välttämiseksi mainittu GB-hakemusjulkaisu esittää metalliverkon (lankaverkko tai vedetty metalli) sijoittamista kalvon ja takalevyjen ulkonemien väliin, jotta siten tasataan sen joustavuuden avulla (paksuus 0,01 tuumaa) ei vältettävissä olevat erot ulkonemien korkeudessa ja aikaansaadaan hyvä sähköinen kontakti kalvoon liittyvien elektrodien ja johtavien uiko- 3 73008 neminen päiden välille. Johtuen kalvon ja metalliverkkojen suuresta johtavuudesta viitejulkaisun tapauksessa, on sähköinen kontakti niiden alueiden ulkopuolella, joihin ulkonemien päät kohdistavat paineen, käytännöllisesti katsoen käyttökelvoton tai jopa olematon.

Tekniikan tason osalta viitataan lisäksi esillä olevan hakemuksen kantahakemukselle myönnetyn patentin no. 68.429 selitysosan yleiseen osaan.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan elektrodi kalvokennoja varten, joka soveltuu jäykästi tukemaan ja kannattamaan kalvoa, joka on puristettuna elektrodia vasten, myöskin niiden alueiden ulkopuolella, jossa ulkonemien päät aikaansaavat paineen, jolla elektrodilla on verkkomainen rakenne, jotta se sallii elektrolyytin kierron ja reaktio-tuotteiden poistamisen ja joka elektrodi kykenee samanaikaisesti varmistamaan suuren lukumäärän sähkökontaktipisteitä tasaisesti jakautuneena yli kalvon pinnan (homogeeninen vir-ranjakauma kalvon läpi mahdollistaa pitkän aktiivisen elinajan).

Kaksi vatimusta, jäykkyys kalvon kunnollista tukemista varten ja kontaktipisteiden suuri lukumäärä ovat ilmeisessä ristiriidassa. Jäykkyys vaatii riittävää paksuutta riippuen elektrodin mitoista, mutta on joka tapauksessa suurempi kuin GB-hakemusjulkaisussa esitetty paksuus (0,01 tuumaa). Kontaktipisteiden suuri lukumäärä edellyttää, että elektrodi on tehty metallilankaverkosta tai vedetystä levystä, jolla on suuri lukumäärä silmiä, mikä puolestaan on mahdollista ainoastaan pienillä paksuuksilla, josta seuraa liiallinen joustavuus.

Edellä esitettyjen vaatimusten toteuttaminen ilman mainittua ristiriitaa on saatu aikaan esillä olevan keksinnön avulla teknisesti luotettavalla ja taloudellisella tavalla käyttämällä kahdesta osasta muodostuvaa elektrodirakennetta, jolle on tunnusomaista patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa esitetyt asiat.

4 73008

Keksintöä on esitetty seuraavassa oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa:

Kuvio 1 on osiin hajotettu leikkauskuva keksinnön ensinmäisen sovellu tusmuodon mukaisella elektrodilla varustetusta elektrolyysikennosta;

Kuvio 2 on vaakaleikkaus kuvion 1 mukaisesta kokoonpannusta kennosta;

Kuvio 3 on vaakaleikkauskuva keksinnön toisen sovellutusmuodon mukaisella elektrodilla varustetusta elektrolyysikennosta; ja

Kuvio 4 on kaaviomainen ja katkonainen pystysuuntainen poikkileikkaus kuvion 3 mukaisesta kennosta.

Kuten ammattimiehelle on selvää, on mahdollista lisätä elektrodien ja kalvon välisten kontaktipisteiden tiheyttä monin tavoin. Hienosilmäinen elektrodiverho voidaan esimerkiksi sumuttaa metallihiukkasilla käyttämällä plasmasuihkukerros-tusta tai kalvon kanssa kosketuksessa olevan pinnan metalli-lanka 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 reaktio-paine jakautuu tasaisesti kaikkiin kontaktipisteisiin.

Elektrodien ja kalvon välisessä rajapinnassa olevaa sähkö-kontaktia voidaan parantaa lisäämällä toimivien ioninvaihto-ryhmien tiheyttä tai vähentämällä sillä kalvopinnalla olevan sekapolymeerin ekvivalenttipainoa, joka pinta on kosketuksessa kimmoisaan mattoon tai väliverhoon tai hiukkaselektro-diin. Tällä tavoin kalvomatriisin vaihto-ominaisuudet säilyvät muuttumattomina ja on mahdollista suurentaa elektrodien kontaktipistetiheyttä membraanin tapahtuviin ioninsiirto- 73008 kohtiin. Kalvo tai membraani voidaan esimerkiksi muodostaa laminoimalla yksi tai kaksi paksuudeltaan noin 0,05 - 0,15 mm olevaa ohutta sekapolymeerikalvoa, jolla on alhainen ekvi-valenttipaino paksuudeltaan 0,15 - 0,6 mm olevan paksumman sekspolymeerikalvon pinnalle tai pinnoille, jolloin tällä paksummalla kalvolla on suurempi ekvivalenttipaino tai sen paino sopii optimoimaan kalvon ohminen lasku ja selektivi-teetti. Monia muitakin muutoksia voidaan tehdä keksinnön mukaiseen laitteeseen irtaantumatta keksinnön piiristä, ja tästä syystä voidaankin todeta, että keksintöä rajoittavat ainoastaan oheiset patenttivaatimukset.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista puristuvaa elektrodia johon liittyy pystysuuntainen anodipäätylevy 3, jonka koko kehällä on tiivistepinta 4, joka kohtaa tiiviisti kalvon tai membraa-nin 5 kehäreunat, jolloin valinnaisesti mukaan on järjestetty nestettä läpäisemätön, eristävä kehätiiviste (ei esitetty). Anodikehälevy 3 on varustettu myös keskisyvennyksellä 6, joka on syvennetty mainitun tiivistepinnan suhteen pinnan työntyessä ylöspäin alemmalta alueelta, jolloin suolaliuos syötetään yläosaan, josta käytetty 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 anolyyttisuo-juksen tai päätylevy voi olla grafiittia tai grafiitin ja jonkun kemialliseeti kestävän hartisideaineen tai jonkun muun anodisesti kestävän materiaalin valettavia seoksia.

Anodi muodostuu edullisesti kaasua ja elektrolyyttiä läpäisevästä titaani-, neobium- tai jotakin muuta venttiilimetallia olevasta verhosta tai venytetystä levystä 8, joka on päällystetty ei-passivoitavalla ja elektrolyysin kestävällä materiaalilla, joita ovat esimerkiksi jalometallit ja/tai pla-tinaryhmämetallien oksidit ja oksidisekoitukset tai sitten siinä on joku muu sähkökatalyyttinen pinnoite, joka toimii ano-dipintana sijoitettuna sähköä johtavalle alustalle. Anodi on olennaisesti jäykkä ja verho on riittävän paksu siirtämään 6 73008 elektrolyysivirran harjanteista 9 ilman liiallisia ohmihävi-öitä. 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 2 60 - 100 kontaktipistettä kalvon pinnan cm kohti. Hienosilmäinen verkko päällystetään jalometalleilla tai anolyyttiä kestävillä johtavilla oksideilla.

Pystysuuntaisen katodipäätylevyn 10 sisäsivussa on keskisyven-nys 11 verrattuna kehätiivistepintaan 12, ja mainittu syvennys 11 on olennaisesti tasainen, eli siinä ei ole harjanteita ja se on yhdensuuntainen tiivistepinnan kanssa. Keksinnön mukainen kimmoisa puristuva elektrodielementti 13 on edullisesti valmistettu nikkeliseoksesta ja sijoitettu katodipäätylevyn syvennykseen. Tässä piirustuksessa esitetyssä suoritusmuodossa elektrodi on lankaääni tai kierukka, jossa on useita yhteen-punottuja tai lomitettuja kierteitä, ja nämä kierteet voivat tarttua suoraan kalvoon. Verho 14 sijoitetaan kuitenkin esitetyllä tavalla edullisesti lankakierukan ja kalvon väliin, jolloin kierukka ja verho tarttuvat liukauvasti toisiinsa ja kalvoon.

Kierukan vierekkäisten spiraalien välisten tilojen pitäisi olla riittävän suuria varmistamaan kaasun ja elektrolyytin helppo virtaus tai liikkuminen välistä esim. kierukan ympä-röimiin keskialueisiin ja niiltä pois. Nämä tilat ovat yleensä huomattavan suuria, usein 3-5 kertaa tai enemmänkin langan halkaisija. Puristamattoman 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.

Katodipäätylevy 10 voidaan valmistaa teräksestä tai jostain muusta sähköä johtavasta materiaalista, joka kestää emäksiä ja vetyä. Kalvo 5 on edullisesti nestetiivis ja valinnaisesti 7 73008 kationeja läpäisevä ioninvaihtokalvo, kuten yllä mainittiin. Verho 14 on edullisesti valmistettu nikkelilangasta tai jostain muusta materiaalista, joka kestää korroosiota katodiolo-suhteissa. Vaikka mainittu verho voi olla melko jäykkä, sen pitäisi edullisesti olla joustava ja huomattavan notkea, jotta se voidaan helposti taivuttaa noudattamaan membraanin katodipinnan epäsäännöllisyyksiä. Nämä epäsäännöllisyydet voivat olla itse kalvon pinnassa, mutta tavallisemmin ne johtuvat jäykemmässä anodissa olevista epätasaisuuksista, jota anodia vasten kalvo painautuu. Yleensä verho on tai-puisampi kuin kierukka.

Useimpia käyttötarkoituksia silmälläpitäen verhon tai verkon silmäkoon pitaäisi olla pienempi kuin kierukan spiraalien välisten aukkojen ja sopivia ovat verkot, joiden aukot ovat leveydeltään ja pituudeltaan 0,5 - 3 mm, vaikkakin hienom-pisilmäset ovat keksinnön kannalta erityisen edullisia suoritusmuotoja. Väliverho voi suorittaa useita tehtäviä. Ensinnäkin se on sähköä johtava ja siinä siis on aktiivinen elekt-rodipinta. 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 alkalime-tallihydroksidia 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 spiraalipinnan katodipolarisoituminen. Puristuksen todellinen vaikutus on siis katodin kokonaistehopinnan suurenemiseen.

8 73008

Elektrodin puristamisen on havaittu vähentävän tehokkaasti sitä kokonaisjännitettä, joka tarvitaan 1000 ampeerin tai ylikin virran ylläpitämiseksi aktiivisen kalvopinnan neliömetriä kohti. Samanaikaisesti puristus pitäisi rajoittaa siten, että puristuva elektrodi pysyy auki elektrolyytin ja kaasun virtaukselle. Tällöin kuvion 2 mukaisesti spiraalit pysyvät avoimina muodostaen pystysuuntaiset keskikanavat, joiden läpi elektrolyytti ja kaasu pääsee kohoamaan. Edelleen spiraalien väliset, tilat pysyvät välimatkan päässä toisistaan mahdollistaen katolyytin pääsyn kalvoon ja spiraalin sivuihin. Spiraalien lanka on yleensä ohutta vaihdellen halkaisijaltaan välillä 0,05 - 0,5 mm. Vaikkakin suurempia lankoja voidaan käyttää, nämä pyrkivät olemaan jäykempiä ja huonommin kokoonpuristuvia ja tästä syystä on erittäin harvinaista, että langan koko ylittää 1,5 mm.

Kuviossa 2 on kuvion 1 mukainen kenno esitetty koottuna, ja molemmissa kuvioissa on samoja osia merkitty samoilla viitenumeroilla. Kuvion 2 mukaisesti päätylevyt 3 ja 10 on kiristetty yhteen, jolloin kierrelevy tai matto 13 puristuu elektrodia 14 vasten. Kennon toimiessa esim. tyydytettyä natrium-kloorisuolaliuosta oleva anolyytti kierrätetään anodikammion kautta ja edullisemmin uutta anolyyttiä 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 väkevöitynä liuoksena mainitun katodikammion yläpäässä olevan poisto-putken (ei esitetty) kautta. Katodissa muodostunut vety voidaan ottaa talteen katodikammiosta joko yhdessä väkevöidyn emäsliuoksen kanssa tai kammion yläpäässä olevan toisen poistoputken kautta.

9 73008

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

Kennon kokoonpanon jälkeen virrankokooja 13 on puristuneessa tilassaan, jolloin se on deformoinut edullisesti 10 - 60 % alkuperäisestä paksuudesta eli sen yksittäisten kierteiden tai aaltojen pituudesta, ja tällöin kollektori kohdistaa elastisen reaktiovoiman katodipintaa 14 vasten ja tästä syystä suhteellisesti jäykemmän, olennaisesti muotoa muuttamattoman anodi-tai anodisen virtakollektorin 8 muodostamaa estepintaa vasten. Tämä reaktiovoima säilyttää 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, muodostu mekaanisia esteitä, jotka estäisivät kimmoisan elektrodin vierekkäisten spiraalien tai vierekkäisten aaltojen väliset elastiset deformaatiot, jolloin ne pääsevät lateraalisesti säätämään itsensä ja noudattamaan väistämättömiä vähäisiä poikkeamia tasosta ja yhdensuuntaisuudesta, joita esiintyy anodin ja katodiosaston tukipinnan 11 välisissä tasoissa. Tällaiset vakiovalmistusprosesseissa normaalisti esiintyvät lievät poikkeamat saadaan siten olennaisesti kompensoiduksi.

Keksinnön mukaisen kimmoisen elektrodin etuja voidaan täysin hyödyntää ja käyttää teollisissa suodatinpuristintyyppisissä elektrolysointilaitteissa, joissa on suuri määrä peruskennoja kiristettynä yhteen sarjamaisesti, jolloin ne muodostavat suuren tuotantokapasiteetin omaavia moduleja. Tässä tapauksessa välikennojen päätylevyt muodostavat kaksinapaisten separaattoreiden pinnoista, jotka puristavat anodi- ja katodi- 10 73008 virtakollektorin kumpaankin vastaavaan pintaan. Tästä syystä kaksinapaiset separaattorit muodostavat vastaavien elektro-dikammioiden seinämät ja lisäksi ne kytkevät sähköisesti yhden kennon anodin sarjassa olevan viereisen kennon katodiin.

Johtuen parantuneesta muodonmuutoskyvystään keksinnön mukaiset kimmoisat elektrodit mahdollistavat entistä tasaisemman suodatinpuristinmodulin puristuspaineen jakautumisen kuhunkin yksittäiseen kennoon, ja tämä pitää erityisesti paikkansa silloin, kun kunkin kalvon vastakkaista puolta tukee jäykästi suhteellisen jäykkä anodi 8. Tällaisissa sarjakennoissa auositel-laan kimmoisien tiivisteiden käyttöä yksittäisten kennojen tiivistepinnoilla, jotta puristetun suodatinpuristinmodulin kimmoisuus ei rajoittuisi kalvojen kimmoisuuteen. Tällöin voidaan sarjan kussakin kennossa olevien kimmoisten kollek-toreiden tai kokoojien elastisia deformaatio-ominaisuuksia käyttää vielä paremmin hyväksi. Kuvio 3 esittää kaaviomaisesti erään lisäsuoritusmuodon, jossa elektrodin puristavana elementtinä käytetään loimitetusta tai yhteenpunotuista langoista muodostuvaa kiharrettua kudosta kierukkaspiraalien asemesta, ja lisäksi mukana on lisäelektrolyyttikanava elekt-rolyytin kiertoa varten. Esitetyllä tavalla kennoon kuuluu anodipäätylevy 103 ja katodipäätylevy 110, jotka kumpikin on asennettu pystyasentoon ja kumpikin päätylevy on kanavan muodossa, jossa on sivuseinät, jotka puolestaan ympäröivät ano-ditilaa 106 ja katoditilaa 111. Kummassakin päätylevyssä on myös kehätiivistepinta siinä sivuseinämässä, joka ulkonee vastaavan päätylevyn tasosta, jolloin 104 on anoditiiviste-pinta ja 112 katoditiivistepinta. Nämä pinnat puristuvat memb-raania tai kalvoa 105 vasten, joka on venytetty sivuseinä-mien välissä olevan suljetun tilan poikki.

Anodi 108 on suhteellisen jäykkä puristumaton levy, joka on venytettyä titaanimetallia tai jotakin muuta rei'itettyä anodisesti kestävää substraattia, jolloin siinä on edullisesti ei-passivoituva pinnoite, joka voi olla esim. jonkun pla-tinaryhmämetallin metalli tai oksidi tai oksidisekoitus. Tämä levy mitoitetaan sopimaan anodilevyn sivuseinämien väliin ja 11 73008 sitä tukee melko jäykästi välimatkan päässä toisistaan olevat sähköä johtavat metalli- tai grafiittiharjänteet 109, jotka on kiinnitetty anodipäätylevyn 103 kantaan tai pohjaan ja ulkonevat siitä. Harjanteiden välit mahdollistavat anolyytin helpon virtauksen, jota anolyyttiä syötetään näiden tilojen pohjaan ja poistetaan niiden yläosasta. Koko päätylevy ja harjanteet voivat olla grafiittia ja vaihtoehtoisesti yksikkö voi muodostua titaanisuojateräksestä tai jostakin muusta sopivasta materiaalista. Anodilevyä 108 vasten tulevat harjanteiden päät voidaan päällystää esim. 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 ovat suunnattu poispäin kalvosta (kts. kuvio 4) ohjaamaan nousevat kaasukuplat kohti tilaa 105.

Edullisemmin jäykän rei'itetyn levyn 108 ja kalvon 105 väliin on sijoitettu titaania tai jotakin muuta venttiilimetallia oleva hienosilmäinen, taipuisa verho 108a, joka on päällystetty ei-passivoitavalla kierroksella, joka on edullisesti jalo-metallia tai johtavia oksideja, joilla on alhainen ylijännite anodireaktiota silmälläpitäen (esim. kloorimuodostus). Hienosilmäinen verho 108a muodostaa kalvoon erittäin pienipinta- 2 alaisia kontaktipisteitä, jolloin niitä on ainakin 30 cm kohti. Tämä verho voidaan pistehitsata karkeaan verkkoon 108, mutta tämä ei ole välttämätöntä.

Katodipuolella harjanteet 120 työntyvät ylöspäin katodipääty-levyn 110 pohjasta vain sen osan katoditilan 111 koko syvyydestä. Näitä harjanteita on järjestetty välimatkan päähän toisistaan kennoon muodostamaan yhdensuuntaisia tiloja elektro-lyyttivirtausta varten. Kuten yllä kuvatuissa suoritusmuodoissa, katodipäätylevy 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 12 73008 ja mahdollistaa helposti elektrolyytin kierron toiselta nuolelta toiselle. Yleensä nämä aukot tai raot ovat viistossa yöspäin ja poispäin kalvosta tai puristuvasta elektrodista kohti tilaa 111 (kts. myös kuvaa 4). 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 ohueedestaan johtuen noudattaa kalvon pin- tamuotoa ja tästä syystä anodin 108 muotoa. Tämä verho toimii olennaisesti katodina ja on siis sähköä johtava, esim. nikke- likangasta tai jostain muusta katodisesti kestävästä langasta muodostuva verho ja siinä voi olla vety-ylijännitteeltään alhainen pinta. Verho muodostaa edullisesti pinta-alaltaan erittäin pieniä tiheässä olevia kontaktipisteitä kalvon kanssa, 2 joita on ainakin yli 30 pistettä cm kohti. Katodiverhon 114 ja katodipainelevyn 122 väliin on sovitettu puristuva matto 113.

Kuvion 3 mukaisesti matto on kiharrettu tai aallotettu silmuk-kalankakudos, joka on edullisesti silmukoiltaan avoin neulottu lanka, 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 polveilevia tai kalan-ruotomallisia ja kudoksen silmukkakoko on karkeampi, eli sen huokoskoko on suurempi kuin verhojen 114.

Kuvion 3 mukaisesti tämä poimutettu kudos 113 on sijoitettu hienompisilmukkaisen verhon 114 ja jäykemmän venytettyä metallia olevan painelevyn 122 väliseen tilaan. Poimut ulottuvat tilan poikki ja puristuneen kudoksen huokoisuussuhde on edelleen edeullisesti suurempi kuin 75 %, edullisesti 73008 13 85 - 96 % kudoksen käyttämästä näennäistilavuudesta. Esitetyllä tavalla aallot ulottuvat pystyyn tai viistoon suuntaan siten, että muodostuu kanavat kaasun ja elektrolyytin 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 vapaan virtauksen.

Päätylevyt 110 ja 103 on kiristetty yhteen ja työntyvät vasten kalvoa 105 tai tiivistettä vasten, joka suojaa kalvoa ulkoilmalta ja joka on sijoitettu päätyseinämien väliin. Puristus-paine painaa poimutetun kudoksen 103 hienompaa verhoa 114 vasten, joka puolestaan painaa kalvon vastakkaista anodia 108 vasten, ja tämä puristus näyttää sallivan alemman kokonais-jännitteen. Suoritettiin koe, jossa puristumattoman kudoksen 113 kokonaispaksuus oli 6 mm ja havaittiin, että virrantihey- 2 dellä 3000 ampeeria per projosoidun elektrodipinnan m saatiin aikaan noin 150 millivoltin jännitteen aleminen, 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 säilyi käytännöllisesti katsoen vakiona aina noin 2,0 mm puristukseen asti ja alkoi sen jälkeen lievästi nousta puristuksen edetessä alle 2,0 mm, eli 30 %:iin kudoksen al-kuperäispaksuudesta. Tästä aiheutui huomattava energiansäästö, joka voi olla 5 % tai enemmänkin suolaelektrolyysiprosessissa.

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 pie-nempiinkin lankoihin voidaan turvautua, ja nämä langat neulotaan tai pikemminkin punotaan siten, että muodostuu noin 8-20 aukkolenkkiä tuumaa kohti (2-4 aukkoa cm kohti). Luonnollisesti on selvää, että laajat vaihtelut ovat mahdol- 14 73008 lisiä 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 löysästi tai järjestetään 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 kierukkarakennetta, langan kierukoiden pitäisi olla elastisesti kokonnpuristuvia. Langan halkaisija ja kierukoiden halkaisija on sellainen, että tarvittava kokoonpuristuvuus ja kimmoisuus saadaan aikaan. Kierukan halkaisija on tavallisesti vähintään 10 kertaa langan halkaisija sen ko-koonpuristamattomassa tilassa. Tyydyttävästi on käytetty esim. 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 katodisyövytystä tai elektrolyyttikorroosiota tai vetyhaurastumista, ja näitä voivat olla ruostumaton teräs, kupari, hopea, päällystetty kupari ja vastaavat.

Vaikka yllä kuvatuissa suoritusmuodoissa kokoonpuristuva kokoaja 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 syövytystä ja langat voivat olla venttiilimetallia, kuten esim. titaani tai neobium, joka on edullisesti päällystetty sähköä is 7 3 0 0 8 johtavalla, anodisyövytystä kestävällä, ei-passivoituvalla kerroksella, jollainen voi olla esim. platinaryhmämetalli tai oksidi, bimetallispinelli, perovskiitti jne.

Joissain tapauksissa kokoonpuristuvan osan sijoittaminen anodipuolelle voi muodostaa ongelman, koska halidielektrolyytin syöttö elektrodikalvorajapintaan voi rajoittua. Kun anodia-lueet eivät pääse riittävästi käsiksi kennon läpivirtaavaan anolyyttiin, halidipitoisuus voi pienentyä paikallisilla alueilla johtuen elektrolyysistä ja sen pienentyessä liikaa pyrkii muodostumaan happea halogeenin asemesta vesielektro-lyysin tuloksena. Tämä vältetään pitämällä elektrodikalvo-kontaktipisteiden 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 myös katodissa, kohdataan siellä vähemmän vaikeuksia, koska katodireaktio kehittää vetyä eikä sivureaktioita 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 katodipuo-lelle.

Aiemmin mainitun kantahakemuksen patenttijulkaisun selityosan erityisessä osassa on esitetty useita elektrolyysikennoston suoritusmuotoja, joissa on käytetty keksinnön mukaista elektrodia .

Claims (3)

1. Elektrodi kalvotyyppiseen elektrolyysikennoon kloori-alkali-elektrolyysiä varten, jossa kennossa anodit (8, 108) ja katodit (13, 14; 114, 113, 122) on erotettu toisistaan ioninvaihtokal-volla (5, 105), ja anodeilla ja katodeilla on verkkomainen rakenne, joka on tehty elektrolyyttiä kestävästä metallista ja päällystetty elektrokatalyyttistä materiaalia olevalla kalvolla, mainitun verkkomaisen rakenteen ollessa sähköisesti yhdistetty kannatuselimeen sähkövirran syöttämiseksi siihen, jolloin ionin-vaihtokalvo (5, 105) on tuettu puristamalla vasten anodi- tai ka-todielektrodia, tunnettu siitä, että elektrodi, jota vasten kalvo (5, 105) on puristettu, muodostuu tasomaisesta, karkeasilmäisestä, jäykästä metalliverkosta (13, 113, 122; 108) ja hienosilmäisestä, joustavasta metalliverkosta (14, 114; 108a), joka on olennaisesti ohuempi kuin jäykkä verkko ja jolla 2 hienosilmäisellä verkolla on ainakin 1,5 silmää/cm eli silmä- 2 koko on pienempi kuin 0,65 cm sijoitettuna yli tasomaisen, korkeasilmäisen jäykän metalliverkon ja sähköisessä kosketuksessa sen kanssa, jolloin mainittu hienosilmäinen joustava verkko on asetettu suoraan vasten ioninvaihtokalvoa (5, 105), jota se tukee.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että ainoastaan hienosilmäinen, joustava metalliverkko (14, 114; 108a) on päällystetty elektrokatalyyttisellä kalvolla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrodi, tunnet-t u siitä, että hienosilmäinen, joustava metalliverkko (14, 114; 108a) on pistehitsattu tasomaiseen, karkeasilmäiseen jäykkään metalliverkkoon.