FI77270B - Monopolaer, bipolaer och/eller hybrid membrancell. - Google Patents

Description

1 77270

Monopolaarinen, bipolaarinen ja/tai hybridimembraani-kenno

Monet tärkeät nykyaikaisessa yhteiskunnassa käytetyt peruskemikaalit valmistetaan elektrolyysin avulla. Lähes kaikki nykyisin maailmassa käytetty kloori ja emäs valmistetaan natriumkloridin (suolan) vesiliuosten elektro-lysoinnilla. Veden elektrolysointiin on olemassa lisääntyvää mielenkiintoa hapen ja erikoisesti vedyn, jonka käyttö on kasvamassa yhteiskunnassa, tuottamiseksi. Muita elektrolyysin käyttöjä ovat elektro-orgaaninen synteesi, paristot ja vastaavat ja myös tavallisemmat sovellutukset kuten vedenpuhdistusjärjestelmät ja uima-altaiden kloorauslaitteet.

Kloorin ja emäksen elektrolyyttisestä tuotannosta on pääosa aikaansaatu virtaavilla elohopeakatodikennoilla ja diafragmakennoilla. Viimeaikoina membraanityyppinen kenno on tullut suosituksi sen käytön helppoudesta johtuen ja erityisesti koska siitä ei aiheudu saastuttavia jätteitä kuten elohopeasta ja koska siinä ei käytetä karsinogeenisia aineita, kuten asbestia. Membraanityyp-piset elektrolyyttiset kennot muodostuvat tavallisesti anodikammiosta ja katodikammiosta, joita rajoittaa niiden yhteisellä sivulla hydraulisesti läpäisemätön ioninvaihto-membraani, jollaisia on nykyisin kaupallisesti saatavilla monen tyyppisinä mutta jotka tavallisesti ovat fluo-rattuja polymeerimateriaaleja.

Membraanityyppiset elektrolyysikennot ovat tavallisesti jompaa kumpaa kahdesta tyypistä, ts. joko monopolaarista 2 77270 tyyppiä, jossa jokaisen kennon elektrodit on kytketty suoraan teholähteeseen, tai bipolaarista tyyppiä, jossa kennoston vierekkäisten kennojen välissä on yhteinen elektrodiyksikkö, joka on toiselta puolelta katodinen ja toiselta puolela anodi-nen.

Nämä kaksi rakennetta ovat kuitenkin tähän asti olleet niin erilaisia, että vain harvat näiden elektrolyysikennojen osat ovat olleet keskenään vaihdettavia. Siten kumpikin kennotyyppi on edellyttänyt oleellisesti kokonaan erilaisia komponentteja kumpaakin tapausta varten. Lisäksi jopa silloin kun komponentit ovat olleet samanlaisia, ne ovat yleensä edellyttäneet täysin erillisiä valmistustyökaluja ja prosesseja.

Useisiin sekä monopolaarisiin että bipolaarisiin membraaniken-norakenteisiin sisältyy metallilaatikkorakenteiden pari, jotka muodostavat anodi- ja katodiosastot, kun samanlaisia laatikoita yhdistetään vastakkain toistensa suhteen siten, että membraa-ni sijoitetaan niiden välille. Tämän tyyppisiä kennoja on kuvattu esimerkiksi US-patenteissa 4 017 375 ja 4 108 752.

Sekä anodi- että katodikammioiden elektrolyyteissä esiintyvistä vaikeista syövyttävistä olosuhteista johtuen anodi- ja katodilaatikot on ollut muodostettava elektrolyyttiä sietävästä materiaalista. Useimmissa tapauksissa anodilaatikot on muodostettu levymuotoisesta titaanista tai muista venttiilime-talleista tai niiden lejeeringeistä. Vastaavasti katodilaatikot on muodostettu rautametalleista kuten teräksestä, ruostumattomasta teräksestä sekä sellaisista metalleista kuten nikkeli. Eräs esimerkki tällaisista monopolaarisen kennon laatikoista on kuvattu US-patentissa 4 244 802. Haittana on kuitenkin, että tässä patentissa tarvitaan kallista hyvin johtavan metallisen ulkokerroksen laminointia laatikkoon, mikä on tarpeetonta, kun laatikoita käytetään esillä olevassa keksinnössä.

3 77270

Bipolaarisessa kennossa bipolaarisen elementin anodi/katodi-osien väliset sähköiset kytkennät ovat aiheuttaneet vakavia suunnitteluongelmia. Anodi- ja katodiosien erilaisista korroo-rioympäristöistä johtuen osat on tehty erilaisista materiaaleista. Näiden materiaalien sähköinen kytkentä on toteutettu erilaisilla tavoilla, joihin jokaiseen liittyy joitakin sille ominaisia epäkohtia. Esimerkiksi titaani/tappiliitos-levyjen käytön ongelmana on, että vety diffusoituu tappilevyn läpi ja hybridisoi titaanin tuhoten siten liitoksen. Kolmi-metallilevyt (titaani/kupari/teräs) ovat poistaneet hybridisoi-tumisongelman, mutta kustannukset ovat erittäin suuret.

Muut mekaanisten kytkentöjen muodot ovat olleet vaikeita johtuen siitä, että ne edellyttävät sisäisiä pultteja tai kiin-nittimiä aikaansaamaan liitospaineen, joka vaaditaan näiden mekaanisten kytkentöjen saamiseksi toimintakelpoisiksi.

Monopolaarisessa kennossa on tarvittavan korroosion keston lisäksi suoritettava virran johtaminen ulkoisesta teholähteestä monopolaarisiin elementteihin ja niistä pois ja virta on jaettava tasaisesti aktiivisille elektrodipinnoille. Tämän virran kuljettamiseksi ja jakamiseksi pienillä ohmisilla häviöillä (erikoisesti suuripintaisissa elektrodeissa) on käytettävä pieniresistanssista johdinta. Tämä johdin voi olla tehty poikkileikkaukseltaan suurena korroosiota kestävästä metallista tai poikkileikkaukseltaan pienempänä sellaisesta metallista kuten kupari tai alumiini, jonka ominaisresistanssi on 5-50 kertaa pienempi kuin korroosiota kestävillä metalleilla. Nämä pieniresistanssiset metallit on tietenkin suojattava elektrolyyttien aiheuttamalta korroosiolta niiden saamiseksi käyttökelpoisiksi materiaaleiksi elektrolyysikennoihin.

Eräänä aikaisemmin käytettynä menetelmänä, joka on auttanut helpottamaan ongelmia, jotka liittyvät sähkövirran tuomiseen elektrodin aktiiviselle pinnalle siten, että rakenteelliset jännitehäviöt pysyvät alhaisina ja membraanin virranjakautuma pysyy tasaisena monopolaarisissa membraanielektrolyysilait- ^ 77270 teissä, on ollut käyttää kuparijohdinkiskoa, jossa kupariin on liitetty tai se on päällystetty sopivalla korroosiota kestävällä materiaalilla. Tämän lähestymistavan haittoina ovat korkeat valmistuskustannukset, käytettävissä olevien muotojen ja kokojen rajoittuneisuus, hitsausvaikeudet, kammio, jonka leveyttä rajoittaa johdinkiskon leveys, elektrolyyttivirtauksen häiriytyminen, pidemmät virtatiet, jotka tarvitaan johtimien väleistä johtuen, mikä aiheuttaa virran epätasaista jakautumista membraaniin, kennojen tiivistysongelmat kohdissa, joissa johdinkiskot kulkevat kennorakenteen läpi, korkeat kustannukset, jotka edellyttävät suurempaa virtatiheyttä ja siten suuria IR-häviöitä ja johdinkiskojen poistamisen välttämättömyys ennen kuin elektrodit voidaan päällystää uudelleen. (IR on lyhennys Ohmin lain yhtälöstä V = IR, joka tarkoittaa, että jännite on virta kerrottuna resistanssilla. Siten merkinnällä IR tarkoitetaan jännitettä).

Toisena aikaisemmin käytettynä lähestymistapana on luopua kuparista ja johtaa virta korroosiota kestävää metallia olevassa elektrodirakenteessa. Koska korroosiota kestävän metallin (esim. titaanin, nikkelin, ruostumattoman teräksen) sähköinen resistanssi on kupariin ja alumiiniin verrattuna suuri, jännitehäviö kasvaa ja virtatien pituus on pidettävä niin lyhyenä kuin mahdollista (ts. elektrodien mittojen virtatien suunnassa on oltava pieniä). Tämä rajoittaa tällöin elektrodin aktiivista pintaa, suurentaa tiivistettävän kehäpituuden ja aktiivisen pinnan suhdetta ja edellyttää useita pienempiä komponentteja saman aktiivisen kokonaispinta-alan aikaansaamiseksi. Suuremmalla aktiivisen pinnan ja tiivistettävän kehän suhteella saavutettaisiin siten myös lisäetuna tehokkaampi membraanipinta-alan käyttö (so. aktiivisen pinta-alan ja ostetun pinta-alan suhde on suurempi). Virranjakelu ulkoisen kiskoston yhteydessä on myös vaikea tässä lähestymistavassa.

Tämän keksinnön etuna ovat siten ohmisten häviöiden pienentyminen monopolaarisissa tai bipolaarisissa elektrolyysiraken- 5 77270 teissä rakenteellisten komponenttien ja mekaanisten kytkentä-ongelmien aiheuttaman sähköisen vastuksen pienentämisen ansiosta, virran jakautumisen parantuminen, elektrodien suurempien aktiivisten pintojen aikaansaaminen ja tiivistyspituuden ja aktiivisen pinnan suhteen pienentyminen.

Erään piirteen mukaan näitä etuja tehostetaan bipolaarisessa membraanityyppisessä kennossa käyttämällä uusia pienipaineisia, suurikosketuspintaisia, pienivirtatiheyksisiä mekaanisia kytkentöjä bipolaarisen elektrodiyksikön anodi- ja katodielementtien takalevyjen välillä. Esillä olevan keksinnön toisen piirteen mukaan vastaavia uusia pienipaineisia, suuripintaisia kontakteja käytetään kennojen takalevyjen välissä monopolaaristen ja/tai bipolaaristen kennojen hybridielektrolyysilaiteyhdistel-mien yksiköissä.

Keksinnön avulla saadaan myös membraanikennorakenne, jossa tarvitaan vähän tai ei ollenkaan jälkiasennusta. Uusia ja parempia elektrodielementtejä kehitettäessä niiden jälkiasennus voi tapahtua uudesta virranjakeluelimestä ja/tai uudesta monopolaaristen, bipolaaristen tai hybridikennojen välisestä pienipaineisesta kosketusominaisuudesta luopumatta.

Tämän keksinnön tavoitteena on myös katodirakenne, anodirakenne ja virranjakeluelimen rakenne, joita voidaan käyttää muutoksitta sekä bipolaarisissa että monopolaarisissa membraani-kennojärjestelyissä, mikä mahdollistaa yhdenlaisten kappaleiden valmistamisen, joita voidaan käyttää kummankin tyyppisissä elektrolyysilaitteissa yksinkertaisesti asennusjärjestystä muuttamalla. Tästä ainutlaatuisesta ominaisuudesta johtuen tavoitteena on toisenlainen elektrolyysilaitekokoonpano, joka on hybridinen eli monopolaaristen ja/tai bipolaaristen kenno-järjestelyjen yhdistelmä yhdessä elektrolyysilaitteessa. Hybridielektrolyysilaite voi tällöin muodostua joukosta mono-polaarisia osia, jotka on järjestetty sähköisesti sarja- (ts. bipolaariseen) muotoon tai joukosta bipolaarisia osia, jotka 6 77270 on järjestetty sähköisesti rinnakkais- (ts. monopolaariseen) muotoon tai mistä tahansa bipolaarisen ja monopolaarisen muodon yhdistelmästä. Etuina ovat mahdollisuus valita elektro-lyysilaitteen virta sopivan tai olemassa olevan tasasuuntaaja-kapasiteetin mukaiseksi, välttää bipolaarisen rakenteen heikkoudet (kuten vuotovirrat, yksi ainoa virtatie elektrolyysi-laitteen läpi, suurjännitteiset piirit), välttää monopolaarisen rakenteen heikkoudet (vaadittavan kiskoston määrän pieneneminen, pienempivirtaiset piirit). Hybridirakenteen muut edut ja muodot ovat alan ammattimiehelle ilmeisiä.

Keksinnön muihin etuihin sisältyy mahdollisuus virranjakelu-elinten vaihtamiseen muita komponentteja vaihtamatta, mahdollisuus kennoelementtien vaihtamiseen muita komponentteja vaihtamatta, mahdollisuus erilaisten virtatiheyksien käyttämiseen energiakustannusten ja pääomakustannusten suhteen optimoimiseksi ja mahdollisuus välttää johdinkiskojen tarve.

Esillä olevan keksinnön kohteena on siten suodatinpuristin-elektrolyysilaite, jossa on ainakin yksi elektrolyysikenno elektrolyyttisiä prosesseja varten, joka elektrolyysilaite on varustettu päätylevyillä, jotka muodostavat päätyseinämät mainitulle elektrolyysilaitteelle, jolloin mainittuun kennoon on sijoitettu pystysuuntaisiksi asetetut elektrodiyksiköt ja ainakin yksi membraani mainitun kennon sisältäessä välineet nesteiden, kaasujen ja sähköenergian syöttämistä ja poistamista varten, jolloin mainituissa elektrodiyksiköissä on takalevyt, jotka ovat sähköäjohtavaa materiaalia, joka on kennon sisäisissä olosuhteissa korroosiota kestävää, ja joiden kautta virta syötetään elektrodeille ja johdetaan pois elektrodeilta, johon sisältyy parannuksena sähköinen kytkentä vastakkain olevien elektrodiyksikön takalevyn ja virransyöttövälineiden välillä kosketusliitoksen välityksellä, jossa sähköisen kosketuksen mitat ovat oleellisesti yhtäsuuria kuin mainitun kennon mainittujen elektrodiyksiköiden mitat ja mainittu kosketus-liitos muodostuu pienipaineisesta, suurikosketuspintaisesta, 7 77270 pienvirtatiheyksisestä mekaanisesta kytkennästä ilman metallurgista liitosta ja jossa mainitut virransyöttövälineet on valittu joukosta anoditakalevy, katoditakalevy, virranjakelu-elin tai näiden yhdistelmät, jolloin mainittu sähköinen koske-tusliitos on kennon ulkopuolella vastassa olevan takalevyn elektrolyytistä erottamana.

Esillä oleva keksintö kohdistuu myös edellä olevan kappaleen mukaisen elektrolyysilaitteen käyttöön emäksen ja halogeenin tuottamiseen suolaliuoksesta.

Esillä oleva keksintö kohdistuu myös prosessiin emäksen ja halogeenin tuottamiseksi suolaliuoksesta, johon sisältyy vaiheina (1) suolaliuoksen asettaminen läheiseen kosketukseen suodatinpuristinelektrolyysilaitteen kanssa, johon sisältyy ainakin yksi elektrolyysikenno elektrolyyttisiä prosesseja varten,, joka elektrolyysilaite on varustettu päätylevyillä, jotka muodostavat päätyseinämät mainitulle elektrolyysilait-teelle, jolloin mainittuun kennoon on sijoitettu pystysuuntaisiksi asetetut elektrodiyksiköt ja ainakin yksi membraani mainitun kennon sisältäessä välineet nesteiden, kaasujen ja sähköenergian syöttämistä ja poistamista varten, jolloin mainituissa elektrodiyksiköissä on takalevyt, jotka ovat sähköä-johtavaa materiaalia, joka on kennon sisäisissä olosuhteissa korroosiota kestävää ja joiden kautta virta syötetään elektrodeille ja johdetaan pois elektrodeilta, ja (2) sähköenergian syöttäminen mainittuun kennoon emäksen ja halogeenin tuottamiseksi tämän avulla, johon menetelmään sisältyy parannuksena sähköinen kytkentä vastakkain olevien elektrodiyksikön takalevyn ja virransyöttövälineiden välillä kosketusliitoksen välityksellä, jossa sähköisen kosketuspinnan mitat ovat oleellisesti samat kuin mainitun kennon elektrodiyksiköiden mitat ja jossa mainittu kosketusliitos muodostuu pienipaineisesta, suurikosketuspintaisesta, pienivirtatiheyksisestä mekaanisesta kytkennästä, jossa ei ole metallurgista liitosta ja jossa mainitut virransyöttövälineet on valittu joukosta, johon sisäl- 8 77270 tyvät anoditakalevy, katoditakalevy, virranjakeluelin tai näiden yhdistelmät, jolloin mainittu sähköinen kosketusliitos on kennon ulkopuolella vastakkaisen takalevyn elektrolyytistä erottamana.

Edellä olevissa kappaleissa mainitut virransyöttövälineet voivat olla anoditakalevy, katoditakalevy tai virranjakeluelin.

Kuvio 1 on osiin hajotettu kuvanto keksinnön mukaisesta mono-polaarisesta suodatinpuristinelektrolyysikennosta, kuvio 2 on osiin hajotettu kuvanto kennosta, kuvio 3 on osittainen sivuleikkauskuvanto keksinnön monopolaa-risesta suodatinpuristinelektrolyysikennosta, kuvio 4 on leikkauskuvanto yhteenrakennetusta jakoputkistosta, kuvio 5 on graafinen kuvanto monopolaarisesta katodiyksiköstä, kuvio 6 on graafinen kuvanto monopolaarisesta anodiyksiköstä, kuvio 7 on osiin hajotettu osittainen leikkauskuvanto keksinnön eräästä yhteenrakennetusta jakoputkistojärjestelystä, kuvio 8 on osiin hajotettu kuvanto keksinnön bipolaarisesta suodatinpuristinelektrolyysikennosta, kuvio 9 on osiin hajotettu kuvanto keksinnön hybridipolaarisen suodatinpuristinelektrolyysikennon eräästä muodosta, kuvio 10 on osittainen sivuleikkauskuvanto keksinnön suodatin-puristinelektrolyysikennosta, kuvio 11 on osittainen sivuleikkauskuvanto keksinnön hybridipolaarisen suodatinpuristinelektrolyysikennon monopolaarisesta osasta, kuvio 12 on osittainen sivuleikkauskuvanto keksinnön suodatin-puristinelektrolyysikennon hybridipolaarisen osan eräästä muodosta, kuvio 13 on graafinen kuvanto katodilaatikosta, kuvio 14 on graafinen kuvanto anodilaatikosta.

Esillä oleva keksintö liittyy elektrolyysilaitteeseen, jossa on elektrolyyttisissä prosesseissa käytettäväksi tarkoitettu monopolaarinen suodatinpuristinelektrolyysikenno. Tämän

II

9 77270 tyyppisiin kennoihin sisältyy tavallisesti anodit, katodit, membraanit ja kennot ovat seinämien välissä, jotka on yhdistetty sidetangoilla, jotka joko ovat tai eivät ole jousikuor-mitteisia. Esillä olevan keksinnön monopolaarisessa suoritusmuodossa virranjakeluelimet on ajateltu sijoitetuiksi vierekkäisten katodien ja vierekkäisten anodien välille, mikä mahdollistaa virran tuomisen ja pois johtamisen mainittujen kennojen mainituista anodeista ja katodeista esillä olevan keksinnön uuden pienipaineisen, pienivirtatiheyksisisen suuri-pintaisen kytkennän kautta.

Esillä oleva keksintö liittyy myös elektrolyysilaitteeseen, jossa on elektrolyyttisissä prosesseissa käytettäväksi tarkoitettu bipolaarinen suodatinpuristinelektrolyysikenno. Tämän tyyppisiin kennoihin sisältyy yleensä bipolaariset elektrodi-yksiköt ja membraanit ja kennot sijaitsevat seinämien välissä, jotka joko ovat tai eivät ole jousikuormitteisia. Erään suoritusmuodon mukaan esillä olevan keksinnön bipolaarisessa suoritusmuodossa esillä oleva uusi virranjakeluelin on ajateltu sijoitetuksi jokaisen päätylevyn ja bipolaarisen elektrodi-yksikön välille siten, että toista päätylevyä vastassa on ano-dipuoli ja toista päätylevyä vastassa on katodipuoli, mikä mahdollistaa virran tuomisen ja pois johtamisen mainituista kennoista esillä olevan keksinnön uuden pienipaineisen, pieni-virtatiheyksisen suuripintaisen kytkennän välityksellä. Lisäksi sähkövirran johtaminen kennosta toiseen on toteutettu bipolaa-risten elektrodiyksiköiden anodi- ja katodielementtien takalevyjen välisten uusien pienipaineisten, suurikosketuspln-taisten, pienivirtatiheyksisten mekaanisten kytkentöjen välityksellä.

Esillä oleva keksintö kohdistuu myös elektrolyysilaitteeseen, johon sisältyy yhdessä elektrolyysilaitteessa hybridikombinaatio elektrolyyttisissä prosesseissa käytettäväksi järjestettyjä monopolaarisia ja/tai bipolaarisia kennoja. Tämän tyyppiset elektrolyysilaitteet voidaan muodostaa joukosta bipolaarisia osia, jotka on järjestetty monopolaarisella tavalla eli kukin 10 77270 bipolaarinen osa on kytketty sähköisesti rinnan yhden elektro-lyysilaitteen päätyseinämien välillä tai se voi muodostua joukosta monopolaarisia osia, jotka on järjestetty bipolaa-risella tavalla eli kukin monopolaarinen osa on kytketty sähköisesti sarjaan yhden elektrolyysilaitteen päätyseinämien välillä, jolloin sähköiset kytkennät elektrodeille tehdään käyttämällä uutta pienipaineista, suuripintaista kytkentää joko virranjakeluelimen ja takalevyn tai toisen elektrodin takalevyn välillä. Esillä olevan keksinnön hybridisuoritus-muodossa on myös ajateltu monopolaaristen ja/tai bipolaaris-ten yksiköiden järjestämistä mielivaltaisella tavalla yhdessä elektrolyysilaitteessa. Hybridisuoritusmuodossa on ajateltu uuden pienipaineisen, suuripintaisen, pienivirtatiheyksisen kytkennän käyttämistä siten, että mainitun kytkennän kosketuspinta on mitoiltaan oleellisesti yhtä suuri kuin mainittujen elektrodien aktiiviset pinnat.

Monopolaarisille, bipolaarisille ja hybridisuoritusmuodoille on myös esitetty menetelmä järjestelmän tiivistämiseksi syöttö-aineiden ja mainitussa kennossa tuotettujen tuotteiden vuotojen estämiseksi sekä välineet, joko ulkoiset tai yhteenrakenne-tut, raaka-aineiden vastaanottamiseksi ja tuloksena olevien tuotteiden poistamiseksi. Lisäksi on esitetty menetelmä sähköenergian tuomiseksi kennoihin ja johtamiseksi pois kennoista. Tätä sähköjärjestelmää kutsutaan yleisesti kiskojärjestelmäksi ja esillä olevassa keksinnössä se on kennojen ulkopuolinen järjestelmä.

Esillä olevassa keksinnössä käytettävät anodit käsittävät anoditakalevyn ja aktiivisen anodipinnan.

Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa aktiivinen anodipinta muodostuu sen tyyppisestä alalla yleisesti tunnetusta huokoisesta anodista, joka muodostuu venttiilimetallialustasta, jolle on päällystetty elektrokatalyyttinen päällyste jalometalleja ja/tai niiden oksideja, siirtymämetallien oksideja tai joidenkin näiden materiaalien seoksia. Anodielin on yleensä n 77270 muodoltaan tasomainen ja se voi olla konstruoitu mistä tahansa huokoisesta materiaalista, kuten metalliverkosta, revitetystä levystä tai lankaristikosta. On myös selvää, että tällä huokoisella materiaalilla on suuri pinnan ala ja suuri joukko kosketuspisteitä membraaniin, jotka on aikaansaatu muodostamalla suuri joukko pieniä reikiä, esimerkiksi: käyttämällä metalliverkkoa, joka tunnetaan yleisesti verkkona, jossa on "mikrosilmukkakokoa" olevat reiät. Sopiva on myös verkkomainen titaanimetallinen anodi, jonka päällysteenä on DSAR™ (elektro-katalyyttinen päällyste) jollainen on esitetty US-patenttihake-muksessa 396 747, jonka hakemispäivä on 9.7.1982 ja hakijat Harney et ai ja joka sisällytetään tähän viitteenä. Tämä aktiivinen anodipinta on liitetty mekaanisesti ja sähköisesti anoditakalevyyn edullisimmin hitsaamalla. Lisäksi aktiivinen anodipinta on edullisimmin liitetty takalevyyn jousilla.

Anodi voi siten olla jousikuormitettu membraania vastaan auttamaan monien kosketuspisteiden aikaansaamisessa. Nämä jouset voivat olla monen muotoisia ja tehty erilaisista metalleista, edullisimmin samasta metallista kuin mitä on käytetty aktiivisen anodipinnan muodostamiseen. Hitsausmuotona voi olla esimerkiksi vastushitsaus, TIG-hitsaus (wolframi-suojakaasu-hitsaus), elektronisädehitsaus, diffuusiohitsaus (diffuusio-liitos) ja laserhitsaus. Tällä hetkellä parhaana pidetty tekniikka on vastushitsaus.

On kuitenkin selvää, että verkkomaista anodia käytettäessä verkkomainen materiaali voidaan valaa paikalleen ja yhdistää laatikkoon diffuusioliitoksella tai hitsaamalla jollakin sopivalla edellä olevista hitsausmenetelmistä.

Esillä olevassa keksinnössä käytettäväksi sopivat katodit voidaan yleisesti kuvata katoditakalevyn ja aktiivisen katodi-pinnan käsittäviksi. Esillä olevan keksinnön parhaana pidetyssä suoritusmuodossa katodilaatikko on ajateltu edullisimmin meistettäväksi tasomaisesta nikkelin, raudan, teräksen, ruostumattoman teräksen tai muun vastaavan seosmetallin tasomaisesta ____ΊΓΖ i2 77270 levystä. Aktiivinen katodipinta on myös tehty sellaisesta materiaalista kuten raudasta, teräksestä, ruostumattomasta teräksestä tai muusta vastaavasta seosmateriaalista. Katodin aktiivinen pinta on luonteeltaan huokoinen ja edullisimmin verkkomainen metallielin, joka on muodostettu siten kuin on esitetty FI-hakemuksessa 832063, Stewart et ai. On kuitenkin selvää, että edellä anodeihin liittyen selitetyn kaltaiset nikkeliverkko, teräsverkko ym. sekä jousikuormitteiset järjestelmät ovat myös sopivia. Myös muun tyyppiset nollavälin ja/tai äärellisen välin kennot sopivat käytettäväksi esillä olevassa keksinnössä. Katodin aktiivinen pinta on liitetty sähköisesti ja mekaanisesti katodilaatikkoihin. Tapauksessa, jossa katodit on valmistettu edellä selitettyjen verkkoanodien kaltaisesta metalliverkosta, parhaana pidettynä liitosmenetelmänä on hitsaus. Verkkomaisten katodien valmistuksen tapauksessa parhaana pidettynä liitosmenetelmänä on metallointi, edullisimmin galvaaninen metallointi. Tämä kontakti voidaan haluttaessa aikaansaada pelkästään mekaanisella puristuksella.

Lopuksi vaikka anodeja ja katodeja on selitetty esillä olevan keksinnön parhaana pidettyyn suoritusmuotoon eli membraanivä-likennoon (nollavälikennoon) liittyen, on pidettävä selvänä, että esillä olevan keksinnön kannalta ei ole olennaisen tärkeää merkitystä sillä onko membraanin ja elektrodin välillä äärellistä väliä vai ei. Esillä oleva keksintö on siten täysin käyttökelpoinen nollasta eroavaa väliä käyttävissä kennoissa, jotka ovat alalla yleisesti tunnettuja ja ymmärrettyjä eikä niitä tämän vuoksi selitetä tässä lähemmin.

Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa esillä olevan keksinnön elektrodeissa käytetään laatikoita, joissa on vain yhdenmuo-toisia takalevyjä. Siten anodien ja katodien laatikot on molemmat muodostettu samanlaisilla meisteillä ja ovat kooltaan ja muodoltaan oleellisesti samanlaisia. Eroina niissä ovat: 13 77270 käytetty jakoputkistojärjestely, joka mahdollistaa asianomaisten virtaavien aineiden syöttämisen ja poistamisen määrätyltä alueelta, ts. katodialueelta tai anodialueelta, ja laatikoiden materiaalit anodilaatikon ollessa yleensä tehty venttiili-metallista edullisimmin titaanista tai titaaniseoksesta tai muusta anodikammion syövyttäviä olosuhteita kestävästä metallista ja katodilaatikon ollessa tehty nikkelistä, teräksestä, ruostumattomasta teräksestä tai niiden seoksista tai muusta katodikammion syövyttäviä olosuhteita kestävästä metallista, ja tiivistyselinten tai tiivistyselimet sisältävän uran sijainti.

Laatikot on muodostettu aikaansaamaan rakenteeltaan yhtenäisen takalevyyn kiinnitetyn kehyksen, joka muodostaa kammion elektrolyyttejä ja elektrodien aktiivisia alueita varten. Takalevy on yleensä tasomainen ja edullisimmin taipuisa siten, että se voi mukautua virranjakeluelimeen tai toisen elektrodin takalevyyn hyvän sähköisen kytkennän aikaansaamiseksi. Laatikon kehys voi sisältää alueen, joka on jäykistetty lisäämällä valumassa- tai täytemateriaalia, ja lisäksi päätypinnan, joka voi olla tiivistetty litteillä tiivisteillä, O-renkailla tai muunmuotoisilla tiivisteillä, kun laatikot on järjestetty vastakkain siten, että membraani on niiden välissä.

Laatikoiden valumassa- tai täytemateriaalilla jäykistämisen eräänä tarkoituksena on vahvistaa laatikoiden metallia siten että se kestää kokoonpainumatta puristavan tiivistysvoiman ja mahdollistaa siten kalliiden korroosiota kestävien metallien taloudellisen käytön ohuiden materiaalien ts. suuruusluokkaa 0,038-0,254 cm paksun metallilevyn käytön ansiosta. Muita tarkoituksia ovat elektrodien käsittelyn helpottaminen ja sisäisen paineen kestävyyden suuren telminen.

Valumassa- tai täytemateriaaleina käytettäväksi sopivat esimerkiksi termoplastiset aineet, elastomeerit, hartsit, uretaa-nit, muotoillut metallikappaleet ja erilaiset polyfluoratut materiaalit. Tällä hetkellä edullisimpina pidetyt ovat epoksi-ryhmä ja lasikuituvahvisteinen polyesteri tai vinyyliesterit.

77270 14

Valumassa- tai täytemateriaalit voidaan "valaa paikalleen" tai valmistaa ennakolta ja tämän jälkeen asettaa ja/tai kiinnittää paikalleen. Kummassakin tapauksessa on edullista voida poistaa nämä materiaalit suhteellisen helposti elektrodien uudelleenpäällystysprosesseja varten.

Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa esillä olevassa keksinnössä on ajateltu anodilaatikoita, jotka ovat pääasiassa venttii-limetallilevyä, joka on puristettu laatikon muotoon. Parhaana pidetty anodimateriaali on titaanimetalli tai sen seos.

Anodin aktiivinen pinta on liitetty sähköisesti ja fysikaalisesti anodilaatikkoon.

Esillä olevassa keksinnössä on myös ajateltu, että elektrodi-kotelo voi olla kehys, joka muodostaa elektrolyytit ja elektrodit sisältävän kammion ja kehys voi olla takalevystä irrotettava sen sijaan, että se olisi kiinnitetty pysyvästi takalevyyn. Kehys voi olla tehty erilaisista materiaaleista, kuten muoveista, metalleista jne. Reunakehys on erillinen elin, joka on tiivistetty tiivisteillä elektrodirakenteeseen laatikon sijasta. Sekä anodi- että katodielementit on täydennetty kehyksellä suljetun tilan muodostamiseksi elektrodeja ympäröiville elektrolyyteille ja syöttö- ja poistoelimien aikaansaamiseksi kehyksessä olevien kanavien kautta. Kehys on tiivistetty sen kehää ympäröivään korroosiota kestävään levyyn ja kehys on tiivistetty myös vastakkaisella puolella, joka suorittaa tiivistyksen membraaniin muodostaen siten suljetun elektro-ditilan. Anodi- ja katodielementtejä pinotaan vuorotellen membraanien erottamina ja ne puristetaan yhteen päätylevyillä (seinämillä) ja sidetangoilla. Kehykset voi olla (1) valettu jostain sopivasta korroosiota kestävästä muovista (anodi: kynar, CPCV, teflonit, elastomeerit, ABS jne. katodi: CPVC, polypropeeni, ABS, elastomeerit, teflonit jne.) tai (2) valmistettu hitsaamalla, liimaamalla jne. näistä muovimateriaaleista tai (3) valmistettu umpinaisista tai putkimuotoisista - ontoista - korroosiota kestävistä metalleista (anodi: titaanista 77270 15 tai sen seoksista, katodi: teräksestä, nikkelistä, ruostumattomasta teräksestä jne.) valmistuksen tapahtuessa puristamalla, vetämällä, valssaamalla, hitsaamalla, pursottamalla, takomalla jne. tai näiden yhdistelmillä. Tiivistyksenä voivat olla 0-renkaat, litteät tiivisteet, pursotetut tiivisteet tai muut yleisesti tunnetut elimet (US-patentti 4 344 633).

Esillä olevassa keksinnössä voidaan käyttää monen tyyppisiä tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla olevia membraanityyp-pejä, jotka ovat yleensä fluorattuja polymeerimateriaaleja, joissa on ioninvaihtotoiminnan suorittamiseksi tarpeelliset pintamodifikaatiot. Eräs tällä hetkellä edullisena pidetty materiaali on polyfluorattu kopolymeeri, jossa on riippuvia kationinvaihtokykyisiä ryhmiä. Nämä perfluorikarbonit ovat ainakin kahden monomeerin kopolymeerejä toisen monomeerin ollessa valittu ryhmästä, johon sisältyvät vinyylifluoridi, heksafluoripropeeni, vinylideenifluoridi, trifluorieteeni, klooritrifluorieteeni, perfluori(alkyylivinyylieetteri), tetra-fluorieteeni ja niiden seokset. Toinen monomeeri on usein valittu monomeeriryhmästä, johon tavallisesti sisältyy S02F tai sulfonyylifluoridiryhmä. Esimerkki tällaisesta toisesta monomeerista voidaan esittää yleisessä muodossa kaavalla CF2 = CFR^S02F. Yleisen kaavan on kaksitoiminen perfluo rattu radikaali, jossa on tavallisesti 1-8 mutta joissakin tapauksissa jopa 25 hiiliatomia. Yleisen kaavan eräänä rajoituksena on yleinen vaatimus ainakin yhden fluoriatomin läsnäolosta hiiliatomissa -S02F-ryhmän vieressä, erikoisesti, kun reaktiokykyinen ryhmä esiintyy -(-S02NH)mQ-muodossa. Tässä muodossa Q voi olla vety tai alkalinen maametallikationi ja m on Q:n valenssi. Yleisen kaavan osa voi olla minkä tahansa sopivan tai tavanomaisen muotoinen, mutta on havaittu edulliseksi, että vinyyliradikaalin komonomeeri liittyy R^-ryhmään eetterisidoksen kautta.

Tällaisia perfluorikarboneja on yleisesti saatavilla kaupallisesti toimittajana esim. E.I. duPont, jonka tuotteet tunnetaan ie 77270

RTM

yleisesti tavaramerkillä NAFION . Perfluorikarbonikopoly-meerit, jotka sisältävät perfluori(3,6-dioksi-4-metyyli-7-okteenisulfonyylifluoridi)-komonomeeria ovat osoittautuneet erityisen edullisiksi CI2-kennoissa. Käytettäessä natrium-kloridiliuosta kloorialkalituotteiden valmistamiseen sähkökemiallisessa kennossa on havaittu edulliseksi käyttää membraa-neja, joiden pääosa muodostuu perfluorikarbonikopolymeerista, jossa on riippuvia sulfonyylifluoridijohdannaisia reaktiokykyi-sinä ryhminä ja suhteellisen ohut kerros perfluorikarboni-kopolymeeria, jossa on karbonyylifluoridijohdannaisia reaktio-kykyisinä ryhminä membraanin toisen pinnan lähellä. Tällä hetkellä pidetään edullisena näiden membraanien modifiointia edelleen epäorgaanisilla pintakäsittelyillä/ jotka kyllästävät mainittujen membraanien pinnan metallisilla aineilla esim.

ZrC>2 ja Ti02· Tämän modifikaation uskotaan auttavan membraanin ja elektrodin rajapinnalle kerääntyvien kaasukuplien ongelman estämisessä. Kun tämä ongelma poistetaan, kenno voi toimia tehokkaammin. Yksityiskohtaisempi selostus tämän tyyppisestä membraanin modifioinnista on löydettävissä US-patenttihakemuk-sesta 277 918, jonka hakemispäivä on 22.10.1982 ja hakijat Covitch et ai ja joka sisällytetään tähän viitteenä.

Esillä olevassa keksinnössä käytetään uutta virranjakeluelintä virran syöttämiseksi kennoihin tai johtamiseksi pois kennoista. Sitä käytetään monopolaarisissa kennoissa tai bipolaarisissa kennoissa ulkoisen teholähteen kytkennöissä tai hybridikennois-sa kytkennöissä ulkoisiin teholähteisiin tai elektrolyysilait-teen muihin osiin. Sen avulla saadaan mahdollisuus virran syöttämiseksi ja jakelemiseksi kennoon ja kennosta pois tasaisesti ja pienillä IR-häviöillä, ilman että anodien ja katodien IR-häiriöt rajoittaisivat kennokokoa. Tämä on mahdollista käyttämällä virranjakeluelimiä, joiden sähköisen kosketuksen mitat ovat oleellisesti samansuuruisia kuin elektrodiyksiköiden mitat. Luonnollisesti on mahdollista käyttää virranjakelu-elimiä, jotka ovat mitoiltaan elektrodiyksiköitä pienempiä, tällöin on kuitenkin pidettävä mielessä, että virranjakelueli-men koon pienentyessä IR-häviöt kasvavat. Ilmeisestikin on 17 77270 olemassa piste, jossa IR-häviöt tulevat liian suuriksi ollakseen hyväksyttäviä. Samaten on selvää, että virranjakelu-elimet voivat olla mitoiltaan elektrodiyksiköitä suurempia.

Koska tämä ei kuitenkaan lisäisi kosketuspintaa, siitä ei olisi hyötyä. Ilmaisulla "mitoiltaan" tarkoitetaan pituus-ja leveysmittoja, jotka määräävät pinnan alan, joka on käytettävissä mekaaniseen ja sähköiseen kosketukseen elektrodiyksiköi-den kanssa. Koska kupari ja alumiini ovat paljon parempia sähkövirran johteita kuin venttiilimetallit, tietyt ruostumatonta terässeosta olevat kennot voivat olla kooltaan suurempia säilytettäessä hyväksyttävän alhainen IR-häiriötaso. On kuitenkin selvää, että vaikka kupari ja alumiini ovat edullisimpia painon ja kustannusten säästöistä ja tarvittavasta pienemmästä metallitilavuudesta johtuen, mikä tahansa johtava metalli toimii, mikäli käytetään riittävää tilavuutta tarvittavan virran kuljettamiseksi hyväksyttävillä IR-häiriöillä. Lisäksi tämä uusi virranjakeluelin mahdollistaa suurempien virtatiheyksien käyttämisen kennoissa ja siten suuremman alkalin ja kloorin tuotannon verrattuna kennoon, jonka on toimit-, tava pienemmällä virtatiheydellä, pinta-alayksikköä kohden.

Virranjakeluelin on yleensä umpinainen tasomainen kuparilevy mutta se voi myös muodostua mistä tahansa sopivasta johtimesta, jolla on riittävä poikkileikkauspinta-ala vaaditun virran johtamiseksi pienillä IR-häiriöillä ja hyvällä virtajakautumalla. Sopivia esimerkkejä näistä muista johtavista metalleista ovat esimerkiksi nikkeli, rauta, teräs sekä näiden metallien ja kuparin ja alumiinin seokset.

Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa monopolaarisissa kennoissa ja hybridikennojärjestelmien monopolaarisissa kennoyhdistel-missä virranjakeluelimet on sijoitettu anodilaatikoiden välille kunkin laatikon takasivun ollessa virranjakeluelimeen päin, jolloin muodostuu yksi monopolaarinen anodielementti. Vastaavasti katodilaatikoiden välille on sijoitettu virranjakelu-elimet kummankin laatikon takasivun ollessa virranjakeluelimeen päin, jolloin muodostuu yksi monopolaarinen katodielement-ti.

18 77270

Parhaana pidetyssä suoritusmuodossa bipolaarisissa kennoissa ja hybridikennojen virranjakelujärjestelmän bipolaarisissa osissa on virranjakeluelin jokaisen kennon takalevyn ja bi-polaarisen elektrodiyksikön välissä anodipuolen ollessa toiseen takalevyyn päin ja katodipuolen ollessa toiseen takale-vyyn päin. Virranjakeluelimet ulkonevat kennon reunan ohi vain yhdellä puolella. Vierekkäisten anodien väliset elimet ulkonevat toiselle puolelle ja vierekkäisten katodien väliset elimet ulkonevat vastakkaiselle puolelle. Tätä ulkonemaa käytetään tällöin kytkennän suorittamiseksi kiskojärjestelmän välityksellä teholähteeseen tai elektrolyysilaitteen muihin osiin. Tapa, jolla kiskosto kytketään virranjakeluelimiin ei ole kriittinen ja menetelmät ovat alalla yleisesti tunnettuja eikä niitä tämän vuoksi käsitellä tässä lähemmin.

Edullisimpina pidettyjen tasomaisten levyjen lisäksi mainitut virranjakeluelimet voivat myös olla levyjä, joissa on kalante-roidut, syvennyksillä varustetut, aallotetut tai uurretut pinnat tai joihin on kiinnitetty tai joiden pintojen väliin on sijoitettu liitäntämateriaalia tai joiden pinnoilla on johtavia koostumuksia eli rasvoja, jotka sisältävät johtavia metallihiukkasia siihen jakautuneina. Näiden pinnan modifikaatioiden tarkoituksena on, mikäli niitä käytetään, auttaa parantamaan sähköistä kosketusta virranjakeluelinten ja anodien ja/tai katodien välillä varmistamalla mahdollisimman suuren mekaanisen pintakosketuksen säilyminen ja kosketusresistanssin minimointi mainittujen virranjakeluelinten ja mainittujen anodien tai katodien välillä. Lisäksi on ajateltu, että virranjakeluelinten paksuus voi vaihdella elimen pituudella virta- ja jännitevaatimuksista riippuen kustannusten pienentämiseksi tietyn kokoisen kennon tapauksessa. On kuitenkin selvää, että mikäli tällaisia kapenevia elimiä käytetään, anodien kapenevuus ja katodien välisten katodielinten kapenevuus tehdään vastakkaisissa yhdensuuntaisen kennopakan saamiseksi puristettavaksi päätyseinämien väliin. Lopuksi virranjakelu-elintä voidaan myös käyttää antamaan rakenteellista tukea kennolle.

11 19 77270

Monopolaarisen, bipolaarisen tai hybridikennon tapauksessa virranjakeluelin tai elektrodin takalevy pysyy mekaanisessa kosketuksessa elektrodin takalevyyn oleellisella osalla koko pinta-alasta laatikoissa olevien elektrolyyttien hydraulisen tai staattisen paineen vaikutuksesta, anodi- ja/tai katodi-rakenteiden jousipaineen vaikutuksesta ja päätysidetanko-yhdistelmien suodatinpuristinjärjestelmissä aiheuttaman tukien puristuksen vaikutuksesta. Uusi sähköinen kytkentä suoritetaan kennon ulkopuolella, niin että takalevy erottaa sen elektrolyytistä. Takalevy rajaa elektrolyytin siten, että elektrolyytti ei ole kosketuksessa uuteen sähköiseen kytkentään.

2 Käytetty puristus on alueella noin 0,035-7,03 kg/cm edullisim- 2 min alueella noin 0,0703-1,403 kg/cm . Puristuksen suurentaminen pienentää kosketusresistanssia. Normaalisti yleisesti tunnetuissa sähköisten kytkentöjen (ts. kiskoston) mekaanisissa liitoksissa alalla käytetään pienipintaista, suuripaineista (ts. 35,15-351,5 kg/cm ) liitosta alhaisen ominaiskosketus- resistanssin saamiseksi ja liitoksen virtatiheydet ovat suuria 2 (ts. 31-310 A/cm ) liitoksen kosketusjännitehäviön ollessa ominaisresistanssin ja virtatiheyden tulo. Myös muut tekijät, kuten "virranahtautumisilmiöt" vaikuttavat tämän tyyppisen mekaanisen liitoksen kokonaisjännitehäviöön. Esillä olevan keksinnön virranjakeluelimen ja takalevyn tai kahden takalevyn välisen kosketuksen tapauksessa liitospaine on alhaisempi 2 (0,0703-1,403 kg/cm ), mikä antaa korkeamman ominaisresistanssin, mutta liitoksen pinta-ala on erittäin suuri, millä saa- 2 daan pieni virtatiheys (ts. 0,0775-1,55 A/cm ) ja siten pienet ohmiset häviöt liitoksen yli. Esimerkiksi kupari-titaani- liitoksella, jollaista voitaisiin käyttää anodissa ja joka toi- 2 2 mii virtatiheydellä 0,465 A/cm ja paineella 0,3515 kg/cm -3 2 (ominaisresistanssi 22,58 x 10 Ω/cm ) olisi jännitehäviö -2 1,05 x 10 V, kupari-nikkeliliitoksella, jollaista voitaisiin käyttää katodilla ja joka toimii virtatiheydellä 0,465 A/cm^ 2 -5 ja paineella 0,3515 kg/cm (ominaisresistanssi 49,68 x 10 2 i Ω/cm ) olisi jännitehäviö 2,33 x 10 V. Kupari-titaaniliitok-sen ja kupari-nikkeliliitoksen välinen ero johtuu kosketus- 20 77270 resistanssien eroista, jotka johtuvat erilaisista materiaaleista ja erilaisista pintakäsittelyistä, oksideista jne. Metallipintojen modifikaatiota tai liitäntämateriaalien käyttöä eri metallien alhaisemman kosketusresistanssin hyödyntämiseksi käsitellään enemmän seuraavassa.

Ohut laatikko on edullisempi, koska se on taipuisa ja mukautuu virranjakeluelimeen tai vastakkaisen laatikon takalevyyn suuren kosketuspinnan muodostavaksi kytkennäksi. Lisäksi sellaisia materiaaleja kuten johtavia verkkomaisia aineita (metallisieni, Multilam, johtavia villoja ja vastaavia voidaan käyttää virranjakeluelimeen tai takalevyihin kosketuksessa olevana liitäntänä kosketuspinta-alan suurentamiseksi. Koska kosketusresistanssi riippuu myös kosketuksessa olevista materiaaleista, virranjakeluelin ja/tai laatikko voidaan päällystää liitäntänä toimivalla materiaalilla kosketusresistanssin tekemiseksi pienemmäksi. Sopivia esimerkkejä ovat mm. päällystäminen ja metallointi sellaisilla metalleilla kuten hopea, kulta, platina, nikkeli ja kupari sellaisilla menetelmillä kuten plasmaruiskutus, maalaus, liekkiruiskutus, metalliruis-kutus, höyrystys ja edellä mainittujen yhdistelmät.

Edellä mainittujen materiaalien lisäksi tiivistyselin, kuten tiiviste, voidaan sijoittaa jakeluelimen ja laatikon tai kehyksen välille tai bipolaaristen elektrodiyksiköiden anodi-ja katodielementtien välille. Tämä tiivistyselin sijoitetaan siten, että se tulee virranjakeluelimen ja/tai anodielementin ja katodielementin kehän ympärille estämään korroosiota aiheuttavien elementtien pääsyn, jotka voivat hapettaa kontaktin ja siten lisätä resistanssia, ja siinä voidaan myös käyttää johtavaa ja/tai hapettumista estävää materiaalia.

Avain näiden liitosten menestyksekkääseen käyttöön on se tosiasia, että vaadituista pienistä virtatiheyksistä ts. noin 2 0,0775-1,55 A/cm liitoksen puristuksen ollessa likimain alle 2 0,0703-7,03 kg/cm on tuloksena pienet IR-häviöt suuriohmi-sessa kytkennässä (Liitoksessa) .

11 21 77270 Päätyseinämät, sidetangot ja niihin liittyvät laitteet, joita käytetään kennojen paikallaan pitämiseen ja kennojen tiivistämiseen, ovat alalla yleisesti tunnettuja. Ne on mitoitettu pääasiassa samankokoisiksi kuin seinämien välille puristettavat kennot ja yleensä konstruoitu paksusta teräksestä. Seinämät ja sidetangot voivat olla kennoista sähköisesti eristettyjä tai eristämättömiä, riippuen siitä, mikä kussakin määrätyssä käyttötapauksessa on edullista. Koska tämän tyyppiset materiaalit ovat alalla yleisesti tunnettuja ja ymmärrettyjä, niitä ei selitetä tässä tarkemmin.

Suolaliuoksen, alkalin ja veden syöttö ja vedyn, kloorin, alkalin, anolyytin ja katolyytin poisto voidaan suorittaa joko sisäisellä, yhteenrakennetulla tai ulkoisella jakoputkistolla. Mikäli ulkoista jakoputkistoa käytetään, erilaisten virtaavien aineiden ja kaasujen johtamiseen sopivat materiaalit ovat alalla yleisesti tunnettuja eikä niitä käsitellä tässä lähemmin. Sisäisen tai yhteenrakennetun jakoputkiston tapauksessa tulo- ja poistokanavat voidaan rakentaa sellaisista materiaaleista, joihin kemikaalit normaalisti käytön aikana vaikuttaisivat, mutta jotka on vuorattu muoveilla tai orgaanisilla polymeerimateriaaleilla, jotka ovat käyttöolosuhteissa inerttejä. Yhteenraken-nettu jakoputkisto on kuitenkin edullisimmin konstruoitu titaa-nimetallista tai nikkelimetallista, siten kuin tilanne vaatii, määrätyissä tulo- ja poistokohdissa tulo- ja poistokanavia varten ja mainittu yhteenrakennettu ja/tai sisäinen jakoputkisto on sähköisesti eristetty yksityisistä kennoista edullisimmin siten, että se on sijoitettu välimatkan päähän, niin että se ei tule kosketukseen kyseisen jakoputkiston kannalta ei-halutun kennon polariteetin kanssa.

Esimerkiksi esillä olevan keksinnön mukaiset bipolaariset nolla-väliä käyttävät suodatinpuristinelektrolyysikennot on edullisimmin kokoonpantu siten, että anodielementin laatikon taka-seinämä on katodielementin laatikon takaseinämää vastassa ja mainittujen anodielementtien ja katodielementtien kummallakin 77270 22 suojaamattomalla aktiivisen pinnan puolella on membraani, joka on fysikaalisessa kosketuksessa mainittuihin suojaamattomiin aktiivisiin pintoihin, jolloin mainittujen membraanien suojaamattomilla pinnoilla on molemmilla puolilla vastakkaisnapaiset aktiiviset pinnat. Tätä pakkakokoonpanoa toistetaan kunnes haluttu kennomäärä on saavutettu ja tällöin kumpaankin päähän asetetaan yksi virranjakeluelin.

Esillä olevan keksinnön nollavälin monopolaariset suodatin-puristinkennot on edullisimmin toteutettu siten, että kaksi anodilaatikon takasivua on sijoitettu vastakkain virranjakelu-elimen erottamiseksi. Mainittujen anodien kummallakin suojaamattomalla aktiivisella pinnalla on membraani, joka on fysikaalisessa kosketuksessa mainittuihin anodeihin ja mainittujen membraanien suojaamattomien pintojen kummallakin puolella on puolestaan katodiparit seläkkäin, jolloin kunkin parin välissä on virranjakeluelimet. Tätä pakkakokoonpanoa toistetaan kunnes haluttu kennolukumäärä saavutetaan. Sekä monopolaariset että bipolaariset kennot varustetaan molemmissa päissä pääty-seinämillä ja sidetangoilla ja asianomaisilla lisälaitteilla siten muodostettujen kennojen koossapitämiseksi. On selvää, että mainitun pakan tiivistys aikaansaadaan joko tiivisteillä tai O-renkailla, jotka molemmat ovat alalla tunnettuja ja tavanomaisia. Lisäksi on selvää, että asianomaiset anodi- ja katodi-laatikot on varustettu sopivilla pinnoilla tai urilla tiivisteitä ja/tai O-renkaita varten.

Esillä olevaa keksintöä selitetään täydellisemmin oheisiin piirustuksiin viitaten ja seuraavan esityksen avulla.

Kuviot 1 ja 3-7 liittyvät esillä olevan keksinnön monopolaari-seen suoritusmuotoon. Kuvio 1 esittää esillä olevan keksinnön monopolaariseen kennototeutukseen liittyvää edullista suoritusmuotoa. Kuviossa 1 on esitetty yksikkö 1, joka muodostuu joukosta pystysuuntaisesti sijoitettuja anodiyksiköitä 4, ja katodiyksiköitä 5, jotka ovat fysikaalisessa kosketuksessa selektiivisesti läpäiseviin membraaneihin 6 (nollaväli).

„ 77270 23

Lisäksi on esitetty yhteenrakennetut tulo- ja poistoaukot 100. Myös päädyt 2 ja sidetangot 3 on esitetty. Kuvio 2 esittää osiin hajotettuna kuvantona suodatinpuristinkennoa, jollaista on käytetty esimerkissä 1 ja esimerkissä 2. Samoin kuin kuviossa 1 kenno 1 sisältää seinämät 2, sidetangot 3, anodiyksikön 4, katodiyksikön 5 ja membraanin 6. Kuvio 3 esittää osittaista sivuleikkausta kuviosta 1. Tässä kuvannossa näkyvät virranjakeluelimen 30 molemmilla puolilla olevat anodi-laatikot 10. Katodilaatikot 20 ovat vastaavasti virranjakelu-elinten 30 eri puolilla. Anodilaatikoiden aktiiviset pinnat 11 on kiinnitetty mainittuihin laatikoihin jousilla 12 ja anodi-laatikot on myös varustettu tiivistyselimillä 13. Vastaavasti katodilaatikoihin 20 on kiinnitetty aktiiviset katodipinnat 21, jotka ovat tässä erikoistapauksessa jousettomia verkkomaisia rakenteita, ja myös katodilaatikot on varustettu tiivistys-elimillä 23. Nämä anodi- ja katodiyksiköt vuorottelevat ja ovat kosketuksessa membraaneihin 6 ja niiden erottamia. Välikkeitä 40 käytetään tarpeen mukaan kennon oikeiden mittojen säilyttämiseksi. Lisäksi piirustuksessa on esitetty valu-massamateriaali 50 laatikoiden jäykistämiseksi. Kuvio 4 on leikkauskuvanto yhdestä yhteenrakennetun jakoputkiston suoritusmuodosta, jossa on esitetty yhteenrakennetun jatkoputkiston 100 asema membraanien 6, välikkeiden 40, katodiyksiköiden 5 ja anodiyksiköiden 4 suhteen. Yhteenrakennettu jakoputkisto 100 muodostuu välikkeestä loi, tiivistyselimestä 103, jakoputken tiivistyselimistä 106 ja jakoputkiston osista 107. Kuvio 5 esittää yksityiskohtaisemmin monopolaarista katodiyksikköä 5. Kuviossa on esitetty kaksi katodilaatikkoa 20, aktiivinen katodipinta 21, tiivistyselin 23, virranjakeluelin 30 ja yhr teenrakennetut jakoputkistot 100. Kuvio 6 esittää vastaavasti monopolaarista anodiyksikköä 4, joka muodostuu kahdesta anodi-laatikosta 10, aktiivisesta anodipinnasta 11, tiivistyselimistä 13, virranjakeluelimestä 30 ja yhteenrakennetuista jako-putkistoista 100. Kuvio 7 esittää yksityiskohtakuvantoa eräästä yhteenrakennetusta jakoputkistototeutuksesta, jossa on esitetty anodiyksikkö 4, katodiyksikkö 5 ja yhteenrakennettu ___ -· 1... __ 24 77270 jakoputkisto 100. Erikoisesti yhteenrakennetun jakoputkiston 100 on esitetty sisältävän välikeosan 101, tiivistyselimet 103, liitinkappaleen 104 ja jakoputkisto-osat 107. Kuviossa on lisäksi esitetty virranjakeluelin 30 ja välike 40. Kuten on ilmeistä, katodin jakoputkiston jakoputkisto-osat 102 ja välikeosat 101 ovat anodijakoputkistoon verrattuna käänteisiä.

Kuvio 8 esittää esillä olevan keksinnön bipolaarisen elektro-lyysilaitteen parhaana pidettyä suoritusmuotoa kennokokoonpa-non osalta. Kuviossa 8 on esitetty bipolaarinen kennoyksikkö 32, joka käsittää useita pystysuuntaisesti sijoitettuja anodi-laatikkoyksiköitä 35 ja katodilaatikkoyksiköitä 36, jotka ovat fysikaalisessa kosketuksessa selektiivisesti läpäiseviin membraaneihin 37 (nollaväli). Elektrolyysilaitteen kummassakin päässä on yksi virranjakeluelin 61 ja liitäntämateriaa-li 38 on sijoitettu vierekkäisten anodi- ja katodilaatikkoyk-siköiden takapintojen kanssa kosketukseen ja niiden väliin.

Kuviossa on myös esitetty yhteenrakennetut poisto- ja tulo-aukot 131. Lisäksi on esitetty päätyseinämät 33 ja sidetan-got 34.

Kuvio 9 esittää esillä olevan keksinnön hybridipolaarisen elektrolyysilaitteen erään version parhaana pidettyä suoritusmuotoa.

Samoin kuin kuviossa 8 kenno 32 sisältää päätyseinämät 33, sidetangot 34, anodiyksiköt 35, katodiyksiköt 36, membraanit 37, liitäntämateriaalin 38, virranjakeluelimet 61 ja yhteenrakennetut poisto- ja tuloaukot 131. Kuvio 10 esittää osittaista leikkauskuvantoa kuviosta 8. Tässä kuvannossa on esitetty anodilaatikot 35 ja katodilaatikot 36. Elektrolyysi-laitteen kummassakin päässä on yksi virranjakeluelin 61. Anodilaatikoissa on aktiiviset anodipinnat 42, jotka on kiinnitetty laatikoihin jousilla 43, ja laatikot on myös varustettu tiivistyselimillä 44. Vastaavasti katodilaatikoihin 36 on kiinnitetty aktiiviset katodipinnat 52, jotka ovat tässä erikoistapauksessa jousettomia verkkomaisia kappaleita, ja laatikot on myös varustettu tiivistyselimillä 54. Nämä anodi- 25 77270 ja katodiyksiköt vuorottelevat ja ovat kosketuksessa membraa-neihin 37 ja niiden erottamia. Liitäntämateriaaleja 38 käytetään tarpeen mukaan auttamaan hyvän sähköisen kosketuksen säilyttämisessä. Lisäksi on esitetty valumassamateriaali 81 laatikoiden tekemiseksi jäykemmiksi. On selvää, että pääty-seinämien välille voidaan sijoittaa niin monta kennoa kuin halutaan erilaisina monopolaarisina ja/tai bipolaarisina lohkoina, jotka on järjestetty ja kytketty yhteen elektrolyysi-laitteen sisällä. Kuvio 11 esittää osittaista sivuleikkausku-vantoa monopolaarisesta elektrolyysilaitteesta tai hybridi-polaarisen elektrolyysilaitteen monopolaarisesta osasta. Tämä kuvanto esittää virranjakeluelimen 61 molemmilla puolilla sijaitsevat anodilaatikot 35. Katodilaatikot sijaitsevat vastaavasti virranjakeluelinten 61 eri puolilla. Anodilaatikois-sa on aktiiviset anodipinnat 42, jotka on kiinnitetty mainittuihin laatikoihin jousien 43 avulla, ja laatikot on myös varustettu tiivistyselimillä 44. Samalla tavalla katodilaatikoissa 36 on niihin kiinnitetyt aktiiviset katodipinnat 52, jotka tässä erikoistapauksessa ovat jousettomia verkkomaisia kappaleita, ja laatikoissa on myös käytetty tiivistyselimiä 54.

Nämä anodi- ja katodiyksiköt vuorottelevat ja ovat kosketuksessa membraaneihin 37 ja niiden erottamia. Välikkeitä 71 käytetään tarpeen mukaan kennojen oikeiden mittojen säilyttämiseksi. Lisäksi on esitetty valumassamateriaali 81 laatikoiden jäykistämiseksi. Lisäksi on esitetty eristimet 91. Kuvio 12 esittää kuvion 9 osittaista sivuleikkauskuvantoa. Tässä kuvannossa on esitetty anodilaatikot 35 ja katodilaatikot 36 sekä membraanit 35, liitäntämateriaalit 38, virranjakelueli-met 61, eristimet 91, valumassamateriaali 81, katodin aktiivinen pinta 52, katodin tiivistyselimet 54, anodin tiivistyseli-met 44, anodin aktiivinen pinta 42 ja anodijouset 43. Kuvio 13 esittää yksityiskohtaista kuvantoa katodilaatikkoyksiköstä 36, jossa on katodilaatikko 51, katodin aktiivinen pinta 52, tiivistyselimet 54 ja yhteenrakennetut poisto- ja tuloaukot 131. Kuvio 14 esittää yksityiskohtaista kuvantoa anodilaatik-koyksiköstä 35, jossa on anodilaatikko 41, anodin aktiivinen 26 77270 pinta 42, tiivistyselimet 44 ja yhteenrakennetut poisto- ja tuloaukot 131.

Esillä olevaa keksintöä havainnollistetaan lisäksi seuraa-villa esimerkeillä, joihin keksintöä ei ole millään tavoin tarkoitus rajoittaa.

Esimerkki 1 Tämä esimerkki havainnollistaa alhaista kosketusresistanssia ja siten alhaista jännitehäviötä virranjakeluelimen ja anodin sekä virranjakeluelimen ja katodin välillä.

Elektrolyysikenno, jonka aktiivinen pinta-ala oli 25,4 cm x 76,2 cm, kokoonpantiin käyttämällä kokoonpuristuvaa jousikuor-

RTM

mitteista titaani-DSA -anodia ja verkkomaista nikkelikato- dia, joka oli tehty US-patenttihakemuksen 396 747, hakemispäivä

9.7.1982, esityksen mukaisesti. Kennossa käytettiin lisäksi RTM

NAFION -membraanierotinta anodin ja katodin välillä. Kennoa käytettiin nollavälillä. Anodin takapinnalle oli sijoitettu verkkomainen kuparielin ja verkkomaista kupaerielintä vastaan kuparinen virranjakeluelin. Katodin takapintaa vastaan oli myös sijoitettu kuparinen virranjakeluelin. Johtavaa Electrolube-rasvaa käytettiin anodin takalevyn ja kuparisen virranjakelu-elimen välillä sekä katodin takalevyn ja kuparisen virran-jakeluelimen välillä.

2

Virtatiheydellä 0,31 A/cm kosketusresistanssi virranjakeluelimen ja anodin välillä oli likimain 10 mV ja likimain 3 mV virranjakelue1imen ja katodin välillä. Nämä kosketusresistans-sit mitattiin käyttämällä millivolttimittaria laatikon takalevyn ja virranjakeluelimen välillä.

Esimerkki 2 Tämä esimerkki osoittaa verkkomaisen liitäntämateriaalin hyödyllisyyden.

Il 2 27 77270

1935 cm monopolaarista kennoa käytettiin NaCl-elektrolyytti-syötöllä kokoonpuristuvan DSA-päällysteisen ristikkoanodin ja verkkomaisen katodin kanssa, joka oli valmistettu siten kuin on esitetty US-patenttihakemuksessa 386 934, jonka hakemispäivä on 10.6.1982 ja hakijat Stewart et ai. Membraani oli RTM

NAFION -ioninvaihdinmembraani. Kennoa käytettiin sekä verkkomaisen kuparimateriaalin kanssa että ilman sitä, jonka verkkomaisen materiaalin pinta-ala oli oleellisesti yhtä suuri kuin membraanin aktiivinen pinta-ala ja joka oli sijoitettu anodin titaanilevyn takapinnan ja kuparimetallia olevan virranjakelu-elimen välille, jonka pinta-ala myös oli oleellisesti yhtäsuuri kuin membraanin aktiivinen pinta-ala. Virtatiheydellä 0,31 A/cm anodilevyn takapinnan ja virranjakeluelimen välinen kosketusresistanssi oli 64 mV ilman verkkomaista kupariliitän-tämateriaalia ja 12 mV verkkomaista kuparista liitäntämateriaa-lia käytettäessä. Keksinnön tätä suoritusmuotoa käyttäen saavutettava etu on siten selvästi havaittavissa.

Vaikka keksintöä on selitetty edellä esitetyissä esimerkeissä ja edellä mainittujen piirustuksien avulla, myös muita suoritusmuotoja on ajateltu, ja alan ammattimies voi edellä olevan selityksen luettuaan ja ymmärrettyään löytää näistä suoritusmuodoista poikkeavia vaihtoehtoja ja muunnoksia. Kaikki tällaiset suoritusmuodot on tarkoitettu sisällytettäväksi keksinnön piiriin, joka on vain oheisten patenttivaatimusten määrittelemä.

Claims (19)

77270 Patentti vaatimukset

1. Suodatinpuristinelekrolyysi 1 ai te, jossa on ainakin yksi elektrolyysikenno (1) elektrolyyttisiä prosesseja varten, joka elektrolyysilaite on varustettu päätylevyillä (2), jotka muodostavat päätyseinämät mainitulle elektrolyysi1 aitteel1 e, jolloin mainittuun kennoon (1) on sijoitettu pystysuuntaisiksi asetetut elektrodiyksiköt (4, 5) ja ainakin yksi membraani (6) mainitun kennon (1) sisältäessä välineet nesteiden ja sähköenergian syöttämistä ja poistamista varten, jolloin mainituissa elektrodiyksiköissä on takalevyt (10), jotka ovat sähköäjohtavaa materiaalia, joka on kennon sisäisissä olosuhteissa korroosiota kestävää ja joiden kautta virta syötetään elektrodeille ja johdetaan pois elektrodeilta, tunnet- t u takalevyihin (10) yhteenrakennetusta jakoputkistosta (100) nesteiden tulo- ja poistovälineineen ja ainakin yhdestä elektrolyysi1 aitteen sisäpuolella olevan elektrodiyksikön (4) sähköisestä kytkennästä vastakkain olevien elektrodiyksikön takalevyn (10) ja elektrolyysi1 aitteen sisällä ja tasolevy-muodossa olevien kiinteiden virransyöttövälineiden (30) välillä ainakin yhden sähköisen kosketusliitoksen välityksellä, jossa sähköisen kosketuksen mitat ovat ainakin oleellisesti yhtä suuria kuin kennon (1) elektrodiyksiköiden (4, 5) elektrodien aktiivisen pinnan mitat ja mainittu kosketusliitos muodostuu pieni paineisesta, suurikosketuspintaisesta, pieni-virtatiheyksisestä mekaanisessa kytkennästä ilman metallurgista liitosta ja jossa mainittuihin virransyöttövälineisiin (30) kuuluu kiinteän tasolevyn muodossa oleva virranjakelue-lin, jolloin sähköisen kosketusliitoksen erottaa kennon elektrolyytistä kennon ulkopuolella vastakkainen elektrodiyk-sikön (4) takalevy (10).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että mainittu elektrolyysi1 aitteen sisäinen virranjakeluelin (30) muodostaa kennon tukirakenteen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysilaite, tunnettu siitä, että virranjakeluelimissä (30) on päällyste johtavasta materiaalista takalevyjen kanssa kosketuksessa olevilla puolilla. Il 29 77270

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että virranjakeluelimet ovat metalli-päällysteisiä tasomaisia levyjä (30) joko johtavasta tai ei-johtavasta materiaalista.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että ainakin yhdessä elektrodiyksi-kössä on jousi puristinelimiä (12).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te , tunnettu siitä, että elektrodiyksiköissä on kooltaan ja muodoltaan ainakin oleellisesti identtiset anodi- ja kato-ditakalaatikot.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että elektrodiyksiköissä on laatikko sen takaosaan yhdistettyine kiinteytettyine osineen, ja mainittu takaosa muodostaa ainakin osan elektrodin nestettä sisältävästä alueesta, jolloin kiinteytetty osa on kiinteytetty laastilla, täyteaineella tai molemmilla.

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te , tunnettu siitä, että anodien (4) ja/tai katodien (5) ja membraanien (6) välinen kytkentä käsittää kytkennän, jossa anodit (4) ja/tai katodit (5) on joustavasti kytketty memb-raaneja (6) vasten nollaraolla, tai kytkennän, jossa membraanien (6) ja anodien (4) ja/tai katodien (5) välillä on äärel-1inen rako.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen elektrolyysi1 ai te, tunnettu siitä, että äärellinen rako saadaan aikaan käyttämällä välikkeitä (40) ja anodit ja/tai katodit on joustavasti kytketty membraaneja vasten anodeissa ja/tai katodeissa olevilla jousi el imi 11ä. 30 77270

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että anodeissa (4) ja/tai katodeissa (5) on niiden takapintaan kiinnitetty johtava metalli.

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että mainittujen virranjakeluelinten (30) ja takalevyjen (10) välissä on käytetty hapetuksenes-toai netta.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että virranjakel uel imeen kuuluu tiivis tyse1imet (13, 23), jotka on aikaansaatu mainitun elimen kehän ympäri sellaisten syövyttävien elementtien sisääntulon estämiseksi, jotka voisivat huonontaa sähkökosketuksen laatua.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että virranjakeluelin ja jokainen takalevy pidetään kosketuksessa paineen avulla, joka on 3,45 -noin 689,5 kPa.

14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi 1 ai te, tunnettu siitä, että jokainen virranjakeluelin ja jokainen takalevy pidetään kosketuksessa paineen avulla, joka on 6,895 - noin 138 kPa.

15. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi1 ai te, tunnettu siitä, että ainakin yksi kosketusliitos yhdistää elektrodiyksikön takalevyn virranjakajaelimeen, joka sijaitsee mainitun takalevyn ja elektrolyysi 1 aitteen päätylevyn välissä.

16. Virranjakeluelimen käyttö vaatimuksen 1 ilmoittamassa elektrolyysi 1 aitteessa, tunnettu siitä, että virran-jakeluelin (30) on kiinteä tasolevy, jonka sähkökosketuksessa olevan osan pituus- ja 1eveysdimensiot ovat ainakin oleelli- li 3i 772 7 0 sesti samat kuin mainittujen elektrodiyksikköjen (4, 5) vastaavat dimensiot.

17. Anodiyksikkö (4), joka sopii käytettäväksi patenttivaatimuksen 1 mukaisessa suodatinpuristinelektrolyysi1 ait-teessa, tunnettu anodi 1aatikosta (10), jonka takaosa muodostaa ainakin osan nestettä sisältävästä alueesta, aktiivisesta anodipinnasta (11), joustavista jousi puristuselimi stä (12), jotka ulottuvat sanotun takaosan ja sanotun aktiivisen anodipinnan (11) välissä sanotun nestettä sisältävän alueen sisällä, takaosaan kiinteästi liitetystä, kiinteytetystä metalliosasta ja etupinnasta edestäpäin tapahtuvaa yhteyttä varten membraanin (6) kanssa.

18. Katodiyksikkö, joka sopii käytettäväksi patenttivaatimuksen 1 mukaisessa suodatinpuristinelektrolyysi1 aitteessa, tunnettu katodi 1aatikosta, jonka takaosa muodostaa ainakin osan nestettä sisältävästä alueesta, aktiivisesta katodi pi nnasta , joustavista jousi puristuselimistä, jotka ulottuvat sanotun takaosan ja sanotun aktiivisen katodipinnan välissä sanotun nestettä sisältävän alueen sisällä, takaosaan kiinteästi liitetystä metalliosasta ja etupinnasta edestäpäin tapahtuvaa yhteyttä varten membraanin kanssa.

19. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysi1 ai te, jossa on päätyseinät ja jotka sisältävät elektrolyysikennoja niiden välissä, tunnettu yhdistelmästä, jossa monopo-laarisia ja bipolaarisia kennoja on järjestetty elektrolyysi-laitteen sisällä ja mainittujen päätyseinien välissä. 32 77270