ESTRUCTURA DE ELECTRODO
La presente invención se refiere a estructuras de electrodo para el uso en, por ejemplo, electrolizadores bipolares, particularmente un electrolizador bipolar, modular, y también en celdas de combustible . Los electrolizadores de membrana, tipo filtro prensa, monopolares son bien conocidos, por ejemplo como se describe en la GB 1,595,183. Estos electrolizadores se elaboran fácilmente, son baratos y se ensamblan fácilmente. Los electrolizadores bipolares se conocen en la técnica, por ejemplo como se describe en la GB 1,581,348. En los electrolizadores bipolares de diseño convencional para el uso en la electrólisis de soluciones acuosas de cloruro de metal alcalino, la unidad bipolar comprende un ánodo que está de manera adecuada en la forma de una placa de un metal de formación de película, usualmente titanio, la placa que porta un revestimiento electrocatalíticamente activo, por ejemplo, un óxido de metal del grupo de platino, y un cátodo que está adecuadamente en la forma de una placa perforada, por ejemplo, foraminosa, de metal,
Lr* -.-¿.átOid . .. ...-... -_-M*l*¿____a? ---------•«il__i?lk_ usualmente níquel o acero suave, el ánodo y cátodo que se unen de una manera eléctricamente conductiva entre sí para formar una unidad bipolar. Se colocan separadores entre unidades bipolares sucesivas arregladas en serie en el electrolizador, de modo que el ánodo de la unidad bipolar da hacia el cátodo de la unidad bipolar adyacente con un separador colocado entre éstos. El electrolizador también comprende unidades terminales de ánodo y cátodo . En la operación, una celda electrolítica del tipo bipolar, es ventajosa de operar con una distancia tan pequeña como sea posible entre el ánodo y el cátodo (la separación ánodo/cátodo) a fin de mantener a un mínimo las pérdidas ohmicas, y por lo tanto, el voltaje de la celda. Los separadores en general están adyacentes o aún en contacto con el cátodo y a fin de lograr una separación pequeña entre el ánodo y el cátodo sin que al mismo tiempo se dañe el separador, es necesario ejercer considerable cuidado a fin de elaborar electrodos que tienen un grado adecuado de llanura y también es necesario mantener esta llanura durante el tratamiento térmico comprendido en el revestimiento del electrodo con un revestimiento electrocatalí ticamente activo. Adicionalmente, se debe ejercer gran cuidado
en el ensamble de las unidades en un electrolizador bipolar, si se va a evitar el daño a los separadores. La US 4,557,816 describe que la distribución de concentración uniforme del electrolito a través de los electrodos en el electrolizador bipolar descrito en el mismo se puede mejorar por la provisión de ciertos conductos verticales del electrodo lejos del separador para el flujo descendente del líquido. La US 4,643,818 describe que la resistencia eléctrica del electrolizador bipolar descrito en la misma se puede disminuir y la densidad de corriente uniforme obtenida por el uso de ciertos medios conductores, eléctricos, de multicontacto, rígidos, entre celdas individuales en un electrolizador bipolar. La US 4,734,180 describe un electrolizador tipo bipolar que comprende unidades bipolares que se arreglan de una manera de parte posterior a parte posterior con una placa de titanio-hierro, unida por explosión, colocada entre las mismas y en la cual se sueldan costillas conductoras al electrodo y al cuerpo en forma de cacerola. La US 5,225,060 describe que la formación de zonas de gas en las porciones superiores de las estructuras de ánodo y cátodo del electrolizador bipolar descrito en la misma se pueden prevenir por el
-.Js - _______ uso de los espacios de no flujo de corriente en la porción superior de las estructuras. La EP 0,704,556 describe que la provisión de separadores gas-líquido en la parte superior de las estructuras de ánodo y cátodo del electrolizador bipolar descrito en la misma reduce al mínimo las fluctuaciones de presión, el deterioro de la membrana y la variación de voltaje. La WO 98/55670 describe un elemento para un electrolizador bipolar, los dos lados de los cuales se forman con pestañas y salientes opuestas . Las salientes están de manera preferente en la forma de conos truncados y se arreglan de manera preferente en la forma de hexágonos centrados para mejorar el mezclado lateral del electrolito. Sin embargo, se logra el mezclado vertical por conductos verticales de bajada que disminuyen el área activa del electrodo, amplificando de este modo la variación de la densidad de corriente a través del electrodo que es un problema particular cuando se opera a una alta densidad de corriente con una configuración de ánodo/membrana/cátodo con una separación estrecha o con ninguna separación, con membranas de intercambio iónico, sensibles a las impurezas. La EP 0,521,386 describe un electrolizador
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bipolar que comprende unidades de celda electrolíticas que comprenden particiones de electrodos con depresiones de acoplamiento y salientes, con engranes de electrodo unidos directamente, o a través de un muelle, a las salientes. Una pila de estas unidades de celda electrolítica, verticales, se une en serie con una membrana de intercambio iónico entre las unidades de celda electrolítica, adyacentes para formar un montaje de celda electrolítica. Sin embargo, en tanto que las depresiones y las salientes aseguran buen mezclado lateral del electrolito, es pobre el mezclado vertical. Por consiguiente, para mantener la concentración y la variación de temperatura en las unidades de celda dentro de los límites aceptables, es necesario la recirculación externa, bombeada, de intensa energía, con tubería y tanques costosos, adicionales . En las celdas electrolíticas en las cuales la separación ánodo-cátodo es cero, existe una tendencia de la presión aplicada al separador a través del ánodo y el cátodo con el cual está en contacto, a conducir a desviaciones de la uniformidad, abrasión o aún ruptura, del separador. Esto es particularmente el caso donde el separador es una membrana de intercambio iónico donde es deseable aplicar una presión uniforme a la membrana a través del ánodo y el cátodo. Ahora, se ha contemplado una estructura de electrodo para un electrolizador bipolar que permite separaciones ánodo/cátodo muy pequeñas o aún de cero, que se van a usar en estos electrolizadores sin el daño al separador, que reduce al mínimo la resistencia eléctrica al usar una longitud corta de ruta, portadora de corriente, perpendicular, entre los electrodos y materiales de baja resistencia para casi la longitud completa de la ruta portadora de corriente, perpendicular y que da excelente distribución de corriente a través del área del electrodo. La estructura de electrodo permite tanto el flujo horizontal como vertical de los licores en la misma adicionando circulación y mezclado de la misma y tiene rigidez mejorada y resistencia que permite que se logre una tolerancia más cercana en la construcción de celda. La estructura de electrodo es de construcción simple y fácil de fabricar. De acuerdo con al primer aspecto de la presente invención, se proporciona una estructura de electrodo para el uso, por ejemplo, en un electrolizador bipolar, que comprende: (i) una batea con una depresión cóncava y una pestaña alrededor de la periferia de la misma para
.. . . . . ?^J. ? í.. _, , _«.».<» «rtfe .ir-aiM-*-*...- .. . ^ , . . .. .. _.,.. - ., , -u«_.„.. . .... _.. . . ) soportar un medio de empaque para sellar un separador entre las pestañas en las estructuras de electrodo, adyacentes, separador que se coloca entre la superficie del ánodo de una primera estructura de electrodo y la superficie del cátodo de una segunda estructura de electrodo tal que la superficie de ánodo esté substancialmente paralela a, y dé hacia, pero esté aislada y separada de, la superficie de cátodo por el separador y se selle herméticamente al separador; (ii) una placa eléctricamente conductora separada de la batea; (iii) una entrada para el licor; y (iv) una salida para fluidos; en donde la placa se conecta eléctricamente a la batea por una pluralidad de miembros eléctricamente conductores a los cuales se une electroconductivamente la placa eléctricamente conductora y que proporciona rutas eléctricamente conductoras entre la batea y la placa eléctricamente conductora con la condición que, cuando la placa está en la placa de ánodo, se puede conectar opcionalmente, de una manera directamente eléctrica a la batea; y en donde, donde la estructura de electrodo es una estructura de ánodo, la depresión cóncava se proporciona con una pluralidad de salientes que sobresalen hacia adentro y, donde la estructura de
-. ___¿ -.^J . t -. - ? ... ^j^^ j^ electrodo es una estructura de cátodo, la depresión cóncava se proporciona con una pluralidad de salientes que sobresalen hacia fuera tal que las salientes que sobresalen hacia dentro en la depresión cóncava de la batea de estructura de ánodo correspondan con las salientes que sobresalen hacia fuera en la depresión cóncava de la batea de una estructura de cátodo, adyacente en un montaje que comprende una pluralidad de estructuras de electrodo. La placa eléctricamente conductora es deseablemente un metal o aleación como se describe posteriormente de manera más completa. En general, será del mismo material como aquel de la batea. De esta manera, donde la estructura de electrodo que se va a usar como un ánodo en la electrólisis de un haluro de metal alcalino, la placa eléctricamente conductora se puede elaborar de un metal de válvula o una aleación del mismo que consiste principalmente de un metal de válvula. Donde la estructura de electrodo se va a usar como un cátodo en la electrólisis de un haluro de metal alcalino, la placa eléctricamente conductora puede ser, por ejemplo, acero inoxidable, acero suave, níquel o cobre . Se apreciará que donde la placa eléctricamente conductora es un ánodo para el uso en la electrólisis de salmuera, tendrá un revestimiento electrocatalí ticamente activo. La placa eléctricamente conductora puede tener cualquier estructura adecuada como se describe 5 más completamente de manera posteriormente en la presente. La estructura precisa no es crítica. A fin de que la presión aplicada al separador colocado entre las placas eléctricamente conductoras de estructuras de electrodo adyacentes en un módulo de 10 acuerdo a la presente invención se aplique uniformemente, la placa eléctricamente conductora es de manera preferente flexible. De manera preferente, cada saliente en la depresión cóncava se conecta electroconductivamente a 15 un miembro eléctricamente conductor tal que las salientes proporcionan muchos puntos de alimentación de corriente, mejorando por lo tanto la distribución de corriente a través de la batea, lo que conduce a un menor voltaje, menor consumo de potencia y mayores 20 vidas del revestimiento de electrodo y del separador. Las salientes en la depresión cóncava se separan de manera preferente entre sí en una primera dirección y en una dirección transversal a la primera dirección. De manera más preferente, las salientes se 25 separan de manera asimétrica. Por ejemplo, se pueden
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separar por una distancia igual en una primera dirección, se separan por una distancia igual, que puede ser la misma, en una dirección transversal, por ejemplo substancialmente en ángulos rectos, a la primera dirección. De manera preferente, el espaciado de las salientes es el mismo en ambas direcciones. Las salientes en la depresión cóncava pueden tener una variedad de formas, por ejemplo, de domo, tazón, cónicas o de manera preferente frusto-cónicas . Como ejemplos de los métodos para formas las salientes se pueden mencionar inter alia, formación al vacío, formación por explosión, prensado o de manera preferente por la aplicación de una herramienta adecuadamente formada a la superficie opuesta de la depresión. Típicamente, existen alrededor de 20-200, de manera preferente 40-100 salientes/m2 en la depresión cóncava de la batea de la estructura de electrodo. La altura de las salientes desde el plano de la depresión cóncava puede estar, por ejemplo en el intervalo de 0.5-8 cm, de manera preferente 1-4 cm, dependiendo de la profundidad de la batea. La distancia entre las salientes adyacentes en el plato con depresión, puede ser por ejemplo de 1-30 cm de centro a centro, de manera preferente 5-20 cm. Las
.......4,J dimensiones de la estructura de electrodo en la dirección de flujo de corriente están de manera preferente en el intervalo de 1-6 cm como se mide desde la placa eléctricamente conductora a la base de la batea a fin de mejorar las rutas cortas de corriente que aseguran bajas caídas de voltaje en la estructura de electrodo sin el uso de dispositivos elaborados de transporte de corriente. Los miembros eléctricamente conductores a los cuales se une electroconductivamente la placa eléctricamente conductora, en la estructura de electrodo, comprende de manera preferente postes. Donde el miembro eléctricamente conductor al cual se une la placa eléctricamente conductora está en la forma de un poste y se conecta eléctricamente a una saliente que sobresale hacia dentro en la depresión cóncava de la batea, se puede reducir al mínimo la longitud de la ruta de corriente entre la placa eléctricamente conductora y la batea. Donde el ánodo-poste se elabora de titanio o una aleación del mismo y el cátodo-poste se elabora de níquel o una aleación del mismo, la longitud de la ruta eléctricamente conductora a través del cátodo-poste es de manera preferente mayor que la longitud de la ruta eléctricamente conductora a través del poste de ánodo.
De manera preferente, la relación de la longitud de la ruta eléctricamente conductora a través del poste de cátodo a la longitud de la ruta eléctricamente conductora a través del poste de ánodo es al menos 2:1, de manera preferente al menos 4:1 y de manera más preferente al menos 7:1. Típicamente, la relación es al menos 10:1. La longitud de los postes depende del diseño del electrolizador y si el poste se asocia con una placa de ánodo o una placa de cátodo. Típicamente, la longitud del pote puede estar en el intervalo de 0 a 10 cm, de manera preferente de 0 a 4 cm. Donde la longitud es cero, se entenderá que la invención contempla un arreglo modificado en el cual la placa eléctricamente conductora, cuando se propone para funcionar como una placa de ánodo, se puede conectar directamente de forma eléctrica a la batea asociada o conectar alternativamente a la misma a través de un portador de corriente como se define posteriormente. Donde los miembros eléctricamente conductores a los cuales se unen las placas eléctricamente conductoras, están en la forma de postes, cada poste se proporciona de manera preferente con un portador de corriente, por ejemplo un anillo, malla o lana de alambre, adyacente a la placa eléctricamente conductora
aa?a , ... . ... Ü?t.i ... .r.^ . -- •'•* * ' para hacer un contacto eléctrico de multipunto, con éstos. De manera preferente, el portador de corriente es un portador de corriente de varias patas, referido posteriormente por conveniencia como una "araña". En algunas circunstancias, se contempla que las conexiones eléctricas se puedan elaborar sin el uso de un poste; por ejemplo, en el caso de una estructura de ánodo, el ápice de cada saliente dirigida hacia dentro se puede conectar eléctricamente a la placa de ánodo por medio de un portador de corriente como se menciona anteriormente, por ejemplo, una araña. La provisión de arañas incrementa el número y distribución de puntos de alimentación de corriente a la placa eléctricamente conductora, mejorando de esta manera la distribución de corriente que conduce a un consumo menor de voltaje y potencia, y una vida más prolongada de los separadores y revestimientos de electrodo . La longitud de las patas y el número de las mismas en la araña, donde está presente una araña, puede variar dentro de amplios límites. Típicamente, la araña contiene entre 2 y 100 patas, de manera preferente entre 2 y 8 patas. Típicamente, cada pata está entre 1 mm y 200 mm de largo, de manera preferente entre 5 mm y 100 mm de largo. La persona experta por experimento simple será capaz de determinar las longitudes y números adecuados de las patas de araña para cualquier aplicación particular. Una araña puede ser rígida o flexible. La 5 forma y propiedades mecánicas de las arañas en la estructura de ánodo pueden ser las mismas o diferentes de la forma y propiedades mecánicas de las arañas en la estructura de cátodo. Por ejemplo, las arañas relativamente no elásticas con patas cortas se
10 prefieren frecuentemente en la estructura de ánodo y las arañas relativamente elásticas con patas largas se prefieren en la estructura de cátodo. El uso de arañas cargadas con muelle, al menos en la placa de cátodo, permite que las
15 estructuras de electrodo se cargan con muelle para lograr una operación de separación cero con una presión óptima para reducir al mínimo el riesgo de daño de separador/electrodo. Por "separación cero" se quiere decir que no existe substancialmente separación entre
20 la placa electroconductora de cada estructura de electrodo y el separador adyacente, es decir, de modo que las placas electroconductoras , adyacentes se separen únicamente en el uso por el espesor del separador . 25 Donde el separador es una membrana, las
arañas cargadas con muelle proporcionan un soporte más uniforme para la membrana a través de una mayor área, reduciendo por lo tanto el movimiento que puede conducir al daño de la membrana por ejemplo, por plegado, abrasión o el comienzo de arrugas. Una araña se elabora de manera preferente a partir del mismo metal como la placa eléctricamente conductora con la cual está en contacto eléctrico. Típicamente, se suelda una araña a la placa eléctricamente conductora con la cual está en contacto eléctrico . Se puede unir una araña al poste por métodos conocidos en la técnica, por ejemplo por soldadura, fijación con tornillo o conectadores de ajuste a presión. Las patas de cada araña pueden radiar desde una porción central para el uso en la unión de la araña a un poste o, en algunas circunstancias, directamente a un ápice de la saliente asociada. Las patas de la araña se pueden separar de manera equiangular. De acuerdo a un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona una araña para el uso de una estructura de electrodo, araña que se une electroconductivamente a una membrana eléctricamente conductora y a una placa eléctricamente conductora tal
-«.. -_-^.... _.._. r. . . . ^ ^ . ^ ^J^^^^ que se mejore la distribución de corriente a la placa eléctricamente conductora. De acuerdo aún a otro aspecto de la invención, se proporciona un montaje de ánodo o cátodo 5 que comprende una placa eléctricamente conductora que tiene unida a una superficie de la misma una pluralidad de arañas de distribución de corriente, cada una que comprende una porción para la unión, en el uso, a una batea y un número de patas que radian desde la porción
10 de unión, por lo que el suministro de corriente eléctrica a la placa toma lugar a través de estas patas. Este arreglo permite que el montaje de ánodo o cátodo se suelden fácilmente o se aseguren de otro modo dentro de un compartimiento o módulo de celda y se
15 remueven por ejemplo para la reparación de la placa eléctricamente conductora o el reemplazo de cualquier revestimiento electrocatalítico en el mismo. Donde el poste se proporciona con un portador de corriente, se puede proporcionar adicionalmente con
20 una tapa aislante en el extremo del mismo adyacente al separador . Donde la estructura de electrodo es una estructura de ánodo, la batea de la misma se puede unir parte posterior a parte posterior a la batea de una
25 estructura de electrodo que es una estructura de cátodo
-,- -. ?,.:,r?t-i»Tm?fT^ ^-?íírµ.... ^rf.¿, ,.,iM i, , .. lMll¡. ,.t l¡ l t^m ¿^Mm?^ ta t^^? ?¡^^^^^ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^¿ tal que las salientes que dan hacia dentro en la batea de la estructura de ánodo correspondan con las salientes que sobresalen hacia fuera en la batea de la estructura de cátodo para formar una unidad bipolar. De acuerdo a un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona una unidad bipolar, en donde la batea de una estructura de electrodo de acuerdo a la presente invención, que es una estructura de ánodo se una a la batea de una estructura de electrodo de acuerdo a la presente invención, que es una estructura de cátodo, tal que las salientes que sobresalen hacia dentro en la batea de la estructura de ánodo corresponden con las salientes que sobresalen hacia fuera en la batea de la estructura de cátodo para formar una unidad bipolar. En la unidad bipolar de acuerdo a la presente invención, las estructuras de electrodo se prensan o unen conjuntamente, de manera preferente por soldadura, en forma más preferente mediante una unión por explosión, tal que se haga contacto eléctrico entre las depresiones cóncavas en las bateas de la misma. Una pluralidad de unidades bipolares entremezcladas con separadores apropiados, empaques y medios de prensado se pueden montar para formar un electrolizador bipolar tipo filtro prensa.
- . . J . « ».. ...i • . ...)_-_, : . . . ._...., . . ¡ m | ni | ,| | || | | | | | ||,| | | , «. | || —__Í—i l | || |f 1 |||| |« <j | ||j | j 11 | | j| | De acuerdo con un aspecto aún adicional de la presente invención, se proporciona un electrolizador bipolar del tipo de filtro prensa que comprende: a) un medio de distribución de corriente; y b) al menos una unidad bipolar montada en un armazón de montaje y ensamblada en serie tanto de manera mecánica como eléctrica, caracterizado en que las unidades bipolares son unidades bipolares de acuerdo al aspecto adicional de la presente invención. Por "medio de distribución de corriente" se quiere decir sistemas, normalmente unidos al interior de los armazones terminales del armazón de montaje del electrolizador, diseñados para transportar corriente desde una fuente de potencia tal como cables alimentadores de potencia del cuarto de celda o barras comunes a las bateas de los electrodos terminales del electrolizador de filtro prensa o las bateas exteriores de los módulos terminales del electrolizador modular, tal que la alimentación de corriente se distribuya uniformemente sobre todos los puntos de contacto eléctrico en estas bateas. Típicamente, los medios de distribución de corriente pueden ser placas individuales o sistemas de placas, cables o alambres elaborados de metales conductores. Opcionalmente, se
............,' ; > • , .Mtmm*^*..*^*... , , . . .. ..... . . .^«¡=-s-t^m pueden adaptar con revestimientos de mejoramiento de conductividad, uniones o dispositivos para mejorar la conexión eléctrica entre los medios de distribución de corriente y el electrodo terminal. Alternativamente, especialmente en un electrolizador de filtro prensa, los electrodos terminales se pueden unir de manera permanente a los medios de distribución de corriente, por ejemplo por soldadura. Una forma preferida de los medios de distribución de corriente, que es particularmente útil en el electrolizador de esta invención, comprende una serie de placas de cobre que corren de manera vertical desde el fondo a la parte superior del armazón terminal del electrolizador, las placas de cobre que se enlazan eléctricamente por completo siendo conectadas en el fondo a una barra común, de cobre, horizontal, individual . En un extremo del armazón del electrolizador, donde las placas de cobre se proponen para conectarse a una batea que es parte de una estructura de ánodo, se pueden adecuar con salientes que sobresalen hacia fuera, conductoras, o postes conductores que corresponden con las salientes que sobresalen hacia dentro del ánodo. En el otro extremo del electrolizador, donde las placas de cobre se proponen para conectarse a una batea que parte de una
t ,í .. .... *. ±*A i. ..**,».< ^^?fe^^ ^ estructura de cátodo, pueden ser planas o se pueden adecuar con salientes que sobresalen hacia dentro, que corresponden con las salientes que sobresalen hacia fuera, del cátodo. Opcionalmente, las placas de cobre de los medios de distribución de corriente se pueden adecuar con revestimientos de mejoramiento de conductividad o dispositivos para mejorar el contacto eléctrico con la batea de la estructura de electrodo. Los electrodos terminales en el electrolizador bipolar de filtro prensa de acuerdo a la presente invención, comprenden de manera preferente estructuras de electrodo de acuerdo a la presente invención . Donde la estructura de electrodo de acuerdo a la presente invención proporciona los extremos de un electrolizador bipolar, se puede proporcionar con medios para alimentar energía eléctrica a la misma. Por ejemplo, este medio puede comprender una saliente que se forme de manera adecuada para la unión a una barra común cuando la estructura de electrodo se ensamble en un electrolizador. Típicamente, el electrolizador bipolar de filtro prensa de acuerdo a la presente invención comprende hasta 300 unidades bipolares. Medios para proporcionar una carga para
^^^^^^^^^^^^ "- ' *» sellar herméticamente los electrolizadores bipolares de filtro prensa de acuerdo a la presente invención, se conocen por el experto en la técnica. Los electrolizadores bipolares, modulares se conocen, por ejemplo, como se describe en US 4,108,752 y US 4, 664, 770. Los electrolizadores bipolares, modulares tienen las ventajas que una carga compresiva, inferior se aplica a los mismos que a los electrolizadores bipolares, convencionales, puesto que la carga se necesita para producir únicamente contacto eléctrico entre los módulos adyacentes, no el sellado de cada celda en el electrolizador. El uso de una carga compresiva, inferior elimina la necesidad de placas terminales masivas y sistemas de compresión asociados. Adicionalmente, el uso de módulos facilita tanto la fabricación/montaje y el mantenimiento de un electrolizador bipolar. La US 4,108,752 describe un electrolizador bipolar, modular que comprende una pluralidad de módulos removibles. Cada módulo comprende un par de bateas de acoplamiento, cada batea que tiene una depresión cóncava y una pestaña periférica que circunda la depresión, las bateas que se conectan conjuntamente de forma periférica a las pestañas tal que la depresión
..!<•'•&-J -» -» . -_n-.a. . «** '- ------------------ --------------------. . .... .,..,...i _H_ de cada batea da hacia aquella de la batea conectada. Se coloca un separador en general plano entre las bateas. La depresión de una batea y el lado planar correspondiente del separador definen una primera estructura y la depresión de la otra batea y el lado opuesto del separador definen una segunda estructura. Se coloca un electrodo plano dentro de cada estructura paralela al plano del separador y se conecta eléctrica y estructuralmente a la batea correspondiente, por ejemplo, por postes. El electrolizador bipolar de filtro prensa se ensambla al alinear una pluralidad de los módulos tal que las superficies exteriores, planas de las bateas están paralelas. Al menos una tira conductora de multicontactos se interpone entre las superficies de afrontamiento de la batea de los módulos adyacentes tal que las superficies exteriores, planas de las bateas están paralelas y cuando los módulos se comprimen conjuntamente, las tiras conductoras se intercalan entre los mismos para establecer un contacto eléctrico positivo entre las celdas de unión en una pluralidad de puntos. La US 4,664,770 describe un módulo para un electrolizador bipolar, modular que comprende un alojamiento formado de dos estructuras que tienen cada una un lado del fondo que se extiende en un plano
Í? ?.*.Aá~*?*. ,^^MAMMrfM||M fe^WJ |MMM^i lÉ^ paralelo a los planos que incluyen un ánodo y un cátodo. El ánodo y el cátodo se separan por una membrana y tanto el ánodo como el cátodo tienen una pluralidad de secciones perforadas y no perforadas arregladas en paralelo. Se coloca un refuerzo de patrón de armazón metálico entre el ánodo y la superficie interior adyacente del lado del fondo de una estructura y entre el cátodo y una superficie interior adyacente del lado del fondo de la otra estructura. Se une una tira de contacto a una superficie exterior de cada uno de los lados del fondo, las tiras de contacto de celdas adyacentes que se conectan eléctricamente. También se proporcionan medios para conectar cada una de las tiras de contacto al refuerzo metálico y las secciones no perforadas en el electrodo y en la estructura unida. Una membrana de división se extiende entre el ánodo y el cátodo en cada uno de los módulos y medios de empaque sellan las estructuras a la membrana. Donde el electrolizador se ensambla al forrar una pluralidad de estos módulos con la ayuda de dispositivos de tensado conocidos, se asegura el contacto eléctrico entre los módulos adyacentes por las tiras de contacto eléctricamente conductoras. Ahora se ha encontrado que donde los miembros eléctricamente conductores en los cuales se montan las
.! ,« .> á. x s, .... : . _ a».,.«, . aMUMitiB. .fliiiHÍtHMilil placas eléctricamente conductoras en las estructuras de electrodo de acuerdo a la presente invención están en la forma de postes de soporte de carga, un módulo para un electrolizador bipolar, modular se puede preparar de estas estructuras de electrodo. Este módulo es fácil de ensamblar y es particularmente fácil de montar y de colocar con los otros módulos en un armazón de electrolizador. Se logra de manera particularmente fácil una buena conexión eléctrica entre un módulo y el siguiente. El porcentaje de área de membrana que se somete a la electrólisis también se mejora significativamente, en comparación a los diseños modulares conocidos. De acuerdo con un aspecto preferido de la presente invención, se proporciona un módulo para el uso en un electrolizador bipolar, modular, que comprende : a) una estructura de ánodo que comprende (i) una batea con una depresión cóncava y una pestaña alrededor de la periferia de la misma, (ii) una placa de ánodo que, opcionalmente tiene una superficie electrocatalí ticamente activa, (iii) medios, que comprenden opcionalmente una pluralidad de miembros de soporte de carga, eléctricamente conductores a los cuales se une electroconductivamente el ánodo,
t-JLJ-._.,s i.t.--ü,.l ,. *..... ------------------ proporcionando rutas eléctricamente conductoras entre la batea y la placa de ánodo, (iv) una entrada para el licor y (v) una salida para fluidos; b) una estructura de cátodo que comprende (i) una batea con una depresión cóncava y una pestaña alrededor de la periferia de la misma, (ii) una placa de cátodo que, tiene opcionalmente una superficie electrocatalí ticamente activa, (iii) una pluralidad de miembros de soporte de carga, eléctricamente conductores a los cuales se une electroconductivamente el cátodo y que proporcionan rutas eléctricamente conductoras entre la batea y la placa de cátodo, (iv) entrada para licor y (v) salida para fluidos; c) un separador colocado entre la placa de ánodo y la placa de cátodo tal que la superficie de ánodo esté substancialmente paralela a y dé hacia, pero esté aislada y separada de, la superficie de cátodo por el separador, que de este modo divide el módulo en compartimientos separados de ánodo y cátodo; d) medios de empaque que sellan el separador entre las pestañas en la periferia de las bateas; y e) medios para aplicar presión a los medios de empaque para sellar herméticamente el separador a los mismos caracterizado en que: i) la depresión cóncava de la batea de la
estructura de ánodo se proporciona con una pluralidad de salientes que sobresalen hacia dentro y la depresión cóncava de la batea de la estructura de cátodo se proporciona con una pluralidad de salientes que sobresalen hacia fuera tal que las salientes que sobresalen hacia dentro de la estructura de ánodo de un módulo corresponden con las salientes que sobresalen hacia fuera, de la estructura de cátodo, de un módulo adyacente en un electrolizador bipolar, modular que comprende una pluralidad de los módulos; y ii) opcionalmente una o más unidades bipolares de acuerdo a la presente invención, de manera preferente con postes de soporte de carga, eléctricamente conductores, y separadores asociados entremezclados entre las estructuras de ánodo y cátodo. Se apreciará que mediante la inclusión de una o más unidades bipolares de esta invención, junto con juntas y separadores asociados, entre la estructura de ánodo y la estructura de cátodo de un módulo de esta invención, y usando medios similares para aplicar presión para sellar herméticamente los separadores a los empaques y los empaques a las estructuras de electrodo, es posible crear un "módulo híbrido" que contiene dos o más estructuras de ánodo y dos o más estructuras de cátodo con dos o más separadores. Se
debe entender que la creación de módulos híbridos está dentro del alcance de la presente invención. Un beneficio del módulo híbrido es que se requieren módulos reducidos de operaciones de levantamiento dentro del ambiente de operación del cuarto de celda que conducen a riesgos de seguridad reducidos y menos retardos del electrolizador para la estructura de electrodo o reemplazo de módulos durante el mantenimiento o revisiones. Los medios para aplicar presión a los empaques para sellar herméticamente el separador a los mismos en el módulo se proporcionan de manera preferente por pernos a través de agujeros en las pestañas. Sin embargo, no se excluye la posibilidad que se pueden usar medios alternativos para aplicar presión . Donde los postes de soporte de carga, eléctricamente conductores en el módulo se proporcionan con portadores de corriente, cada poste se proporciona de manera preferente con una tapa aislante y de manera más preferente un agujero de acoplamiento se forma en la placa eléctricamente conductora, particularmente donde la placa eléctricamente conductora está en la forma de una malla. Donde se forma un agujero de acoplamiento en la placa eléctricamente conductora, la
¡it.AflV.il. ¿ ttáíl-i-i if ?, i M*mm *^* i**?* í M^ iÉ ?a^ ?^ i^ ^^^ i* ^uL placa aislante está de manera preferente en la forma de un cojín. De acuerdo a un aspecto preferido, adicional de la presente invención, se proporciona un electrolizador bipolar, modular que comprende: uno o más módulos ensamblados en una estructura de montaje en serie tanto mecánica como eléctricamente; y placas de distribución de corriente en cada extremo del electrolizador, caracterizado en que los módulos son módulos de acuerdo al aspecto preferido de la presente invención . Los cojines de transferencia de carga, eléctricamente aislantes se colocan de manera preferente en los extremos de los postes de soporte de carga, eléctricamente conductores, adyacentes a la placa eléctricamente conductora en el electrolizador bipolar, modular de acuerdo a la presente invención y, donde los postes son de soporte de carga, en los extremos de los postes adyacentes a la placa eléctricamente conductora en el electrolizador bipolar de filtro prensa de acuerdo a la presente invención.
Estos cojines aislantes impiden el daño mecánico a la membrana y puesto que la electrólisis no se presenta en
-*' ' ' J estos puntos, la membrana no sufre de ningún daño de electrólisis . Estos cojines aislantes se pueden elaborar a partir de un material no conductor que es resistente al ambiente químico dentro de la celda, por ejemplo, fluoropolímeros tal como PTFE, FEP, PFA, polipropileno, CPVC y cauchos fluoroelastoméricos . Los cojines se pueden proporcionar en pernos metálicos que se localizan entre los postes y la placa eléctricamente conductora con el cojín presentado hacia el separador o membrana . En el electrolizador bipolar, modular de acuerdo a la presente invención que comprende una pluralidad de módulos, el plato con depresión de la batea de ánodo de un módulo y el plato con depresión de la batea de cátodo de un módulo adyacente se unen eléctricamente, de manera preferente en los ápices de las salientes . La conductividad eléctrica ente los módulos adyacentes en el electrolizador bipolar, modular, se puede lograr mediante el uso de interconectadores o de manera preferente mediante al menos un contacto cercano entre los módulos adyacentes. Se puede mejorar la conductividad eléctrica entre los módulos adyacentes por la provisión de
j& ^* -* ^ - ---- -- i--* -*H* a*-¡ materiales de mejoramiento de conductividad o dispositivos de mejoramiento de conductividad en la superficie exterior de las bateas. Como ejemplos de materiales de mejoramiento de conductividad se pueden mencionar in ter al ia espumas de carbono conductoras, grasas conductoras y revestimientos de un metal de alta conductividad, por ejemplo, plata u oro. De manera preferente, se usan dispositivos de mejoramiento de electroconductividad para mejorar la conductividad eléctrica entre los módulos adyacentes. Como ejemplos de dispositivos de mejoramiento de electroconductividad se pueden mencionar in ter al ia placas eléctricamente conductoras, bimetálicas, soldadas al ánodo, placa bimetálicas, eléctricamente conductoras, unidas por explosión, dispositivos de metales electroconductores , por ejemplo, arandelas, o de manera preferente dispositivos metálicos electroconductores adaptados para (a) erosionar o perforar la superficie de las bateas al cortar o picar a través de cualquier revestimiento eléctricamente aislante en la misma, por ejemplo una capa de óxido, y (b) al menos inhibir la formación de una capa aislante entre el dispositivo y la superficie de la batea. De acuerdo a un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona un dispositivo de
.lAHi.t t»fa-.t . ^4.........^»!-^».- -, & - --.. .- ,- -.i^-_- ,_^&^^ .v^^ ^_í i_ metal electroconductor adaptado para (a) erosionar o perforar la superficie de las bateas al cortar o picar a través de cualquier revestimiento eléctricamente aislante en la misma, por ejemplo, una capa de óxido, y (b) inhibir al menos la formación de una capa aislante entre el dispositivo y la superficie de la batea (referida posteriormente en la presente por conveniencia como "dispositivo de abrasión") El dispositivo de abrasión se proporciona con una o más salientes. Como un ejemplo del dispositivo de abrasión se puede mencionar una arandela de estrella, por ejemplo, proporcionada con 18 salientes. De manera preferente, sin embargo, el dispositivo de abrasión se proporciona con no más de seis salientes. Frecuentemente se prefiere, por estabilidad mecánica durante el montaje de un electrolizador, que el dispositivo de abrasión se proporcione con al menos tres salientes. De manera preferente, estas salientes se proporcionan en ambos lados del dispositivo de abrasión. Un dispositivo de abrasión se coloca de manera preferente en una saliente que sobresale hacia dentro en la depresión cóncava en la bandeja de una estructura de ánodo para proporcionar contacto eléctrico entre la bandeja y la saliente que sobresale
hacia dentro, de acoplamiento en la depresión cóncava en la bandeja de una estructura de cátodo. De manera preferente, se proporcionan dispositivos de abrasión en cada saliente que sobresalga hacia dentro en el ánodo. El dispositivo de abrasión se puede elaborar de un material eléctricamente conductor que es suficientemente duro para cortarse en al menos una de las bandejas de la estructura de electrodo, particularmente un ánodo de titanio, para perforar cualquier revestimiento de óxido en el mismo. Como ejemplos de metales adecuados de los cuales se pueden preparar estos dispositivos de abrasión se pueden mencionar in ter al ia acero al carbón, níquel, aleación de níquel o de manera preferente una aleación de berilio/cobre. El dispositivo de abrasión se puede unir al ánodo, por ejemplo, por atornillamiento, soldadura o apuntalamiento usando una lengüeta metálica, por ejemplo de Ti. De manera preferente, este dispositivo se une tal que esté libre para girar al menos en un grado limitado. El dispositivo de abrasión es de manera preferente reutilizable, es decir, se puede usar para elaborar conexiones repetidas sin reemplazo. La presente invención posteriormente se
i* ..-tii. -i rltélj -i f rtr falámiíi i- ^^^^t M^ ^tt ^ á^ t? ?t ?at i ^^mMi^ ?Má^ ^^ U i?aiíÁitíái describirá de manera más completa con referencia al uso de varios aspectos de la misma en aplicadores de clor/alcalinos , por ejemplo electrólisis de salmuera. El número de módulos y unidades bipolares en los electrolizadores bipolares de acuerdo a la presente invención, se elegirá por el experto en la técnica en vista in ter al ia del volumen de producción requerido, potencia disponible y voltaje y ciertas limitaciones conocidas por el experto en la técnica. Típicamente, un electrolizador bipolar, modular de acuerdo a la presente invención comprende 1-300 módulos. Los electrolizadores bipolares modulares y de filtro o prensa de acuerdo a la presente invención se pueden operar a presiones entre 50 y 600 kPa (0.5 a 6 bar), de manera preferente entre 50 y 150 kPa (500 y
1500 mbar) . Se proporciona un tubo de entrada del fondo de la estructura de electrodo, que se extiende de manera preferente desde un lado de la misma al otro, para permitir que se cargue a la misma el licor. Por ejemplo, donde el electrolizador bipolar, modular se va a usar para la electrólisis de salmuera, los tubos de entrada permiten que se cargue la solución cáustica a la estructura de cátodo y que la salmuera se cargue a
i- _* -t -l. * i ... . . . ----l-t----------- aMMaal aM|Éri-- la estructura de ánodo. De manera preferente, el licor se alimenta al tubo de entrada desde solo un extremo. Los orificios se separan a lo largo del tubo de entrada, de manera preferente de forma equidistante 5 para mejorar la distribución de alimentación de licor a través de la estructura de electrodo, de manera preferente, los orificios se forman tal que donde se proporcione un deflector, como se describe más completamente de forma posterior, en la estructura de
10 electrodo, el licor descargado desde los orificios se dirige hacia la corriente de recirculación generada por el deflector. Las dimensiones de los orificios son tal que la caída de presión hacia abajo del tubo de entrada, se reduce al mínimo. 15 El número de orificios en el tubo de entrada para cualquier aplicación particular se puede calcular fácilmente por el experto en la técnica. Típicamente, hay aproximadamente 2-10, de manera preferente cerca de 6, orificios por metro de tubo de entrada.
20 Típicamente, cada orificio es de aproximadamente 1-3 mm de diámetro, de manera preferente cerca de 2 mm de diámetro . El tubo de suministro a través del cual se suministra el licor al tubo de entrada, se elabora de
25 un material no conductor y se puede insertar en un tubo
de entrada a cualquier profundidad, por ejemplo hasta que casi alcance el extremo muerto del tubo de entrada. En los electrolizadores bipolares, la longitud incrementada del tubo de suministro no conductor incrementa la longitud de la ruta de licor entre las celdas en el electrolizador, reduciendo de este modo la oportunidad de daño al electrolizador por la corrosión de la corriente de fuga. Los tubos de entrada se elaboran convenientemente del mismo material como las estructuras de electrodo que alimentan. Por ejemplo, donde el ánodo se elabora de titanio o una aleación del mismo, el tubo de entrada al ánodo se elabora de manera preferente de titanio o una aleación del mismo y donde el cátodo se elabora de níquel o una aleación del mismo, el tubo de entrada al cátodo se elabora de manera preferente de níquel o una aleación del mismo. Como ejemplos de materiales no conductores, adecuados de los cuales se puede preparar el tubo de suministro, se pueden mencionar fluoropolímeros tal como PTFE, FEP y PFA. La presencia de la(s) placa(s) eléctricamente conductora ( s ) separadas entre sí por el separador forma un área de electrólisis en los electrodos bipolares, modulares y de filtro prensa.
l-l _._.._ El licor gastado y el gas de producto se descargan de la estructura de electrodo a través de un sistema de salida de gas/líquido que comprende una ranura de salida, un cabezal de salida en el cual se presenta la separación gas/líquido y un orificio de salida. El daño al separador, provocado por la formación de un espacio de gas adyacente al separador en la región superior del área de electrólisis se reduce al menos, y frecuentemente se elimina, por la provisión del cabezal de salida en el área de no electrólisis por arriba del área de electrólisis en la estructura de electrodo. En el sistema de salida, la mezcla de gas/líquido fluye hacia arriba desde el área de electrólisis a través de una ranura de salida por arriba de los compartimientos del electrolizador en el cabezal de salida. La profundidad de la ranura de salida, que corre a lo largo de substancialmente al ancho completo de la estructura de electrodo, se elegirá en vista, in ter al ia , de la densidad de corriente, del área de electrodo y la temperatura tal que la fase de gas se disperse como burbujas en una fase líquida, continua. La profundidad de la ranura de salida es típicamente de aproximadamente 5-50%, de manera preferente cerca de 10-30%, la profundidad de la
• I riNJlÉifi. i'. MÉSitl ?V Tu ? ^t¡¡^ ii lí?^ amß??aí? gmá ? ?^t^^ estructura de electrodo, es decir, la distancia entre la depresión cóncava y la placa de electrodo. La mezcla de gas/líquido se separa rápidamente en el cabezal de salida, que corre a lo largo de substancialmente el ancho completo de la estructura de electrodo. El área de la sección transversal del cabezal de salida se elegirá en vista in ter al ia de la densidad de corriente, del área de electrodo y de la temperatura, tal que el flujo estratificado, horizontal de gas/líquido a lo largo del cabezal, de manera preferente con una interfaz suave, se mantenga. Las corrientes de gas y líquido dejan el cabezal de salida a través de uno o más orificios de salida, de manera preferente un orificio de salida, colocado de manera más preferente en un extremo del mismo. El área en sección transversal del orificio de salida se elegirá en vista in ter al i a de la densidad de corriente, del área de electrodo y de la temperatura tal que el flujo descendente de gas/líquido, de película anular, a través del orificio de salida con una película líquida en la pared y un núcleo de gas central se obtenga de manera preferente. El sistema de gas/líquido descrito anteriormente tiene la ventaja que la baja caída de
Ullil. t.táti.l.i »*.. ,-»*_*..._.- . . .... - ......,.,...-_.__-..»-.,-. ______¿^_^_a__^,_^,_^._A&___t_ Í presión evita abatir la interfaz gas/líquido en el área de electrólisis del sistema de electrodo, eliminando en consecuencia el daño del separador, provocado por la formación de un espacio de gas adyacente al separador 5 en la región superior del área de electrólisis. Una ventaja adicional del sistema de salida de gas/líquido es la reducción al mínimo de las fluctuaciones de presión que provocan daño físico al separador por la abrasión del contacto con la placa de electrodo. La
10 película líquida en la pared del tubo de salida proporciona una ventaja aún adicional al incrementar la resistencia de la ruta de licor entre las celdas en el electrolizador, reduciendo de este modo la posibilidad de daño al electrolizador por la corrosión de la
15 corriente de fuga. En una modalidad preferida de la presente invención, el cabezal de salida de gas/líquido está en la forma de una estructura rectangular provista substancialmente a lo largo del ancho completo de la
20 estructura de electrodo. La placa posterior del cabezal de salida es una extensión hacia arriba de la parte posterior de la batea en la dirección vertical de la estructura de electrodo. La placa posterior se dobla a través de 90 grados perpendicular a la parte
25 posterior de la batea en la dirección del electrodo,
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para formar la placa superior del cabezal de salida y a través de 90 grados adicionales hacia abajo para formar la placa frontal del cabezal, tal que el frente del cabezal esté substancialmente paralelo a la parte posterior del cabezal . La placa se puede doblar opcionalmente a través de 90 grados hacia la placa posterior, para formar el fondo del cabezal y hacia abajo a través de 90 grados para formar la placa frontal de la ranura de salida. Alternativamente, la placa frontal de la ranura de salida puede ser una continuación de la placa frontal del cabezal de salida. En el fondo de la ranura de salida, la placa frontal se dobla a través de 90 grados adicionales perpendicular y lejos de la placa posterior, para formar la placa superior de la batea. Esta placa superior entonces se dobla a través de 90 grados adicionales hacia arriba, para formar la pestaña de la batea . En la altura de la pestaña define de forma efectiva la ruta vertical de flujo de gas/líquido a través de la ranura de salida y el cuadro rectangular por arriba de la pestaña forma el cabezal de salida. Típicamente, la altura de la pestaña es de aproximadamente 20-80% de la altura del cabezal de salida.
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Los empaques para el sellado del separador entre las pestañas en las bateas en los electrolizadores bipolares de acuerdo a la presente invención, que pueden ser diferentes en las estructuras de ánodo y cátodo, se elaboran de un material adecuado con resistencia química apropiada y propiedades físicas apropiadas, por ejemplo, una resina plastificada de EPDM. Donde un material no tenga una combinación adecuada de propiedades físicas y de resistencia química, un empaque elaborado de un material que tenga propiedades físicas adecuadas se puede proporcionar con un forro químicamente resistente, por ejemplo, elaborado de PTFE, en su borde interior. El empaque puede estar en la forma de un armazón, de manera preferente continuo, tal que cuando se coloquen dos empaques, en cada lado del separador y se aplique una carga al mismo vía las bateas, se efectúa el sellado hermético del módulo. Se coloca un empaque entre el ánodo y el separador y entre el cátodo y el separador. El armazón puede ser en plan de cualquier configuración capaz de sellar herméticamente el separador en el módulo o compartimiento. Típicamente, el armazón es de configuración cuadrada o rectangular. La sección transversal del armazón puede ser de
t-l - ,- ,-^i..6.--¿,t> cualquier configuración capaz de efectuar el sellado con el separador; por ejemplo, puede tener una sección transversal circular, triangular o cuadrada, pero de manera preferente es de sección transversal rectangular con la dimensión perpendicular al plano del empaque que es más pequeña que la dimensión en el plano del empaque . Convenientemente, la sección transversal del armazón de empaque incluye una saliente o nariz alrededor de substancialmente la longitud perimetral completa del armazón para el acoplamiento con el separador, la saliente o nariz que se proporciona usualmente en la periferia interior y/o exterior del armazón . La saliente o nariz puede ser de cualquier forma adecuada capaz de efectuar un sello de apriete con el separador, pero de manera preferente es de configuración bulbosa, por ejemplo, en general con una sección transversal en forma circular. En el uso, el separador se acoplará en cada lado del mismo por un empaque respectivo, de modo que las salientes de los empaques estén en alineación entre sí y cuando se comprime, efectúen el apriete localizado del empaque alrededor del perímetro completo de los empaques para prevenir la infiltración o "mechas" de
t. i.- - los licores de la celda a través o a lo largo de la estructura del separador desde el interior del compartimiento de electrólisis a ubicaciones externas al compartimiento. Este diseño de empaque se ha encontrado que es particularmente efectivo en la prevención de la "mecha" de los licores de la celda, especialmente cuando el separador está corrugado o tiene una superficie no uniforme (por ejemplo, provocada por la presencia de una malla de refuerzo) o contiene canales dejados por la disolución de componentes de sacrificio en el mismo; o cuando los compartimientos de la electrólisis están corriendo a una alta presión mayor que la atmósfera exterior. En una modificación, cada empaque se puede proporcionar con una nariz o saliente en el lado opuesto de la misma para el acoplamiento con una pestaña respectiva de una estructura de electrodo. El empaque o armazón pueden contener agujeros para ajustar pernos de sellado, especialmente donde el empaque se use en un módulo. Donde el empaque se proporcione con un forro resistente a los químicos como se describe anteriormente, el forro puede extenderse sobre la saliente o nariz que efectúan el apriete. Los electrolizadores de acuerdo a la presente
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invención se pueden operar a una alta densidad de corriente, es decir, > 4.5 kA/m2. El separador de manera preferente es una membrana de intercambio iónico, substancialmente impermeable a electrolitos. Sin embargo, no se excluye la posibilidad que pueda ser un diafragma poroso permeable a electrolitos. Cuando el separador es una membrana de intercambio iónico se puede formar de cualquier material de membrana de intercambio iónico, adecuado. Las membranas perm-selectivas a los iones para la producción de clor/alcalinos son bien conocidas en la técnica. La membrana es de manera preferente un material polimérico que contiene flúor, que contiene grupos aniónicos. De manera preferente, es un polímero que contiene un grupo aniónico que contiene todos los enlaces C-F y ningún C-H. Como ejemplos de grupos aniónicos adecuados se pueden mencionar -P032", -PO28-, o de manera preferente -S03~ o -COO . La membrana puede estar presente como una película mono- o multi-capa. Se puede reforzar al ser laminada con o revestida sobre una tela tejida o una hoja microporosa. Adicionalmente, se puede revestir en uno o ambos lados con un revestimiento en forma de partículas, químicamente resistente para mejorar la
tt- ifi ?. és? liberación de humedad y gas. Donde se emplee una membrana que tenga un revestimiento superficial en aplicaciones cloroalcalinas , el revestimiento superficial se forma
5 típicamente de un óxido metálico inerte al ambiente químico, por ejemplo, Zirconia. Las membranas adecuadas para las aplicaciones cloroalcalinas se venden, por ejemplo, bajo los nombres comerciales "Nafion por E I Du Pont de Nemeurs and Co .
10 Inc., "Flemion por la Asahi Glass Co . Ltd. y "Aciplex" por la Asahi Chemical Co . Ltd. El separador se coloca entre las placas de ánodo y las placas de cátodo adyacentes y de esta manera separa la estructura de ánodo de la estructura 15 de cátodo. La separación ánodo/cátodo está de manera adecuada en el intervalo de 3 mm a cero, de manera preferente de 1 mm a cero. De esta manera, donde la separación de ánodo/cátodo es cero, los ánodos y
20 cátodos del módulo están en contacto con el separador. En los electrolizadores bipolares equipados con una membrana de intercambio iónico, substancialmente impermeable, la solución de cloruro de metal alcalino, acuosa se carga a las estructuras de
25 ánodo del electrolizador bipolar y el cloro y la
solución de cloruro de metal alcalino, acuosa, agotada, se descargan en las estructuras de ánodo del electrolizador bipolar y el hidrógeno y el hidróxido de metal alcalino se descargan en las estructuras de cátodo del electrolizador bipolar. La placa de ánodo en la estructura de electrodo puede ser metálica y la naturaleza del metal dependerá de la naturaleza del electrolito que se electrolice en el electrolizador. Un metal preferido es un metal de formación de película, particularmente donde se va a electrolizar en el electrolizador una solución acuosa de un cloruro de metal alcalino. El metal de formación de película puede ser uno de los metales, titanio, zirconio, niobio, tántalo, o tungsteno o una aleación que consista principalmente de uno o más de estos metales y que tenga propiedades de polarización anódica comparables con aquellas del titanio. Se prefiere usar titanio solo o una aleación en base a titanio y que tenga propiedades de polarización anódica comparables con aquellas del titanio . La placa de ánodo tiene un revestimiento de un material electrocatalí ticamente activo, electroconductor. De manera particular, en el caso donde una solución acuosa de un cloruro de metal
Í«A_lat .i.. riij í ... ...-Á.. . Í. :. ,*-_-... ... - jMÉí-ili-M alcalino se va a electrolizar, este revestimiento puede comprender por ejemplo uno o más metales del grupo de platino, esto es platino, rodio, iridio, rutenio, osmio y paladio. Los materiales electrocatalí ticamente activos, electroconductores para el uso como revestimientos de ánodo en un electrolizador son bien conocidos en la técnica, por ejemplo, como se describe en las EP 0,052,986, EP 0,107,934 y EP 0,129,374. Se puede usar cualquier metal adecuado que sea diferente del metal de formación de película del ánodo, para la placa de cátodo en la estructura de electrodo con la condición, por supuesto, de que el metal usado para la placa de cátodo sea conductor y sea resistente al electrolito usado en la celda electrolítica. De manera preferente, la placa de cátodo se elabora de níquel o una aleación de níquel o de otro material que tenga una superficie exterior de níquel o aleación de níquel. Por ejemplo, la placa de cátodo puede comprender un núcleo de otro metal, por ejemplo acero o cobre, y una superficie exterior de níquel o aleación de níquel. El níquel o aleación de níquel se prefiere en cuanto a la resistencia a la corrosión de estos materiales en una celda electrolítica en la cual se electroliza una solución de
cloruro de metal alcalino, acuoso y de acuerdo al bajo sobre voltaje de hidrógeno a bajo plazo de níquel o aleación de níquel . La placa de cátodo se puede tratar para incrementar su área superficial, por ejemplo, por limpieza por chorros de arena. La placa de cátodo se puede proporcionar con un revestimiento electrocatalí ticamente activo, electroconductor. Los materiales electrocatalíticamente activos, electroconductores para el uso como revestimientos de cátodo en un electrolizador son bien conocidos en la técnica, por ejemplo, como se describe en las EP 0,479,423, WO 95/05499, WO 95/05498, EP 0,546,714, WO 96/24705, EP 0,052,986 y EP 0,107,934. La descripción de las especificaciones de patente anteriores se incorpora en la presente a manera de referencia. La placa de electrodo puede tener cualquier estructura deseada. Por ejemplo, puede comprender una pluralidad de capas. Sin embargo, de manera preferente, cada placa de electrodo es una placa foraminada, es decir, puede estar perforada, o puede estar en la forma de un metal expandido, o puede estar tejida o no tejida o una cuchilla louvred o de linterna. De manera más preferente, las placas de ánodo y cátodo están en la forma de mallas. Como se menciona posteriormente en la presente, la batea en una estructura de electrodo será en general del mismo material como la placa eléctricamente conductora. El material de la batea es típicamente de un espesor tal que la batea sea flexible y de manera preferente, resiliente. Se proporcionan de manera preferente uno o más deflectores en las estructuras de ánodo y cátodo para formar un primer canal entre un primer lado del deflector y la placa de electrodo y un segundo canal entre el segundo lado del deflector y el plato con depresión de la batea, el primero y segundo canales que están en comunicación entre sí, de manera preferente al menos en o adyacentes a la parte superior y del fondo de la estructura de electrodo. El primer canal proporciona un tubo de subida para la salmuera rellena de gas para ascender al cabezal de salida en la parte superior de la estructura de electrodo. El segundo canal proporciona un tubo vertical de bajada para la salmuera desgasificada para que caiga al fondo de la estructura de electrodo. Los deflectores se colocan de manera preferente en forma vertical. Los deflectores utilizan el efecto de levantamiento del gas generado
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para mejorar la circulación y mezclado de licor que produce ciertas ventajas. El mezclado mejorado en las estructuras de ánodo y cátodo reduce al mínimo los gradientes de concentración y temperatura dentro de las estructuras, incrementando de esta manera el tiempo de vida de la membrana y del revestimiento de ánodo. En particular, en la estructura de ánodo, el mezclado mejorado permite el uso de una salmuera altamente acida, para obtener bajos niveles de oxígeno en cloro sin el riesgo de daño a la membrana vía la protonación. La mejora en el mezclado en la estructura de cátodo permite la adición directa de agua desionizada para mantener la concentración de nivel acústico constante después de que se remueve el producto cáustico concentrado. La provisión de una placa deflectora inclinada en la región superior de la estructura de electrodo incrementa adicionalmente la separación gas/líquido al acelerar el flujo ascendente de la mezcla de gas/líquido desde el área de electrólisis, mejorando de esta manera la coalescencia de las burbujas de gas. Los deflectores se elaboran de material que es resistente al ambiente químico en la celda. Los deflectores en la estructura de ánodo se pueden
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elaborar de un fluoropolímero o un metal adecuado, por ejemplo, titanio o una aleación del mismo. Los deflectores en la estructura de cátodo se pueden elaborar de un fluoropolímero o un metal adecuado, por ejemplo, níquel. En la estructura de ánodo, los deflectores, cuando están presentes, se unen de manera preferente a las salientes que sobresalen hacia dentro en la batea de ánodo. En la estructura de cátodo, los deflectores, donde están presentes, se unen de manera preferente a los postes. Un deflector puede ser una estructura de una pieza que se extiende completamente a través de la estructura de electrodo en la dirección horizontal o comprende de manera preferente una pluralidad de piezas, por ejemplo dos, cada una de las cuales se extiende a través de la estructura de electrodo con una separación horizontal entre las mismas. Donde se usa un deflector de dos piezas, la pieza inferior promueve la recirculación de licor y la pieza superior ayuda en el mantenimiento de una región en la parte superior de la estructura para el colapso de la espuma cuando se opera a altas densidades de corriente. En la operación, una pluralidad de electrolizadores bipolares de acuerdo a la presente
-..«..* « - invención se pueden arreglar, tal que se alimenten eléctricamente desde el mismo rectificador. El licor se alimenta de manera preferente en paralelo a todos los módulos en el electrolizador 5 bipolar, modular de acuerdo a la presente invención desde la misma salmuera y cabezales cáusticos. La salmuera de salida y los licores cáusticos de salida dejan de manera preferente en forma paralela todos los módulos en el electrolizador bipolar, modular
10 de acuerdo a la presente invención, a cabezales cáusticos y de salmuera, comunes. Los módulos en el electrolizador bipolar, modular de acuerdo a la presente invención, se montan en un armazón de transporte de corriente y se mantienen 15 conjuntamente con cualquier medio conveniente, por ejemplo, tornillo, enchufe, medios hidráulicos y neumáticos . Los electrolizadores bipolares modulares y de filtro prensa de acuerdo a la presente invención son
20 especialmente útiles en la elaboración de cloro por la electrólisis de soluciones acuosas de cloruro de metal alcalino, especialmente cloruro de sodio. La estructura de electrodo de acuerdo a la presente invención se puede usar como un dispositivo de
25 distribución de corriente en una celda electrolítica
equipada con una membrana de intercambio iónico que es un llamado electrolito de polímero sólido. La presente invención se ha descrito con referencia a una estructura de electrodo adecuada para 5 el uso en un electrolizador para la electrólisis de una solución acuosa de haluro de metal alcalino. Sin embargo, se va a entender que la estructura de electrodo se puede usar en electrolizadores en los cuales se pueden electrolizar otras soluciones, o en
10 otros tipos de celdas electrolíticas, por ejemplo, en celdas de combustible. De acuerdo a un aspecto adicional de la presente invención, se proporciona una estructura de electrodo que comprende: 15 (i) una batea con una depresión cóncava y una pestaña alrededor de la periferia de la misma para soportar medios de empaque para sellar un separador entre las pestañas en estructuras de electrodo, adyacentes , 20 (ii) una placa eléctricamente conductora separada de la batea; (iii) medios, que comprenden opcionalmente una pluralidad de miembros eléctricamente conductores a los cuales la placa eléctricamente conductora se une
25 electroconductivamente, proporcionando rutas
eléctricamente conductoras entre la batea y la placa eléctricamente conductora; caracterizado en que (a) los miembros eléctricamente conductores, cuando están presentes, están en la forma de postes; y (b) donde la estructura de electrodo es una estructura de ánodo, la depresión cóncava se proporciona con una pluralidad de salientes que sobresalen hacia dentro y donde la estructura de electrodo es una estructura de cátodo la depresión cóncava se proporciona con una pluralidad de salientes que sobresalen hacia fuera. La presente invención se ilustra adicionalmente con referencia a, pero sin una manera limitante, los siguientes dibujos, en los cuales: La Figura 1 es una vista transversal de la parte superior de la estructura de electrodo de acuerdo a la presente invención en la forma de una estructura de ánodo ; La Figura 2 es una sección transversal de la parte superior de la estructura de electrodo de acuerdo a la presente invención en la forma de una estructura de cátodo; La Figura 3 es una sección transversal de la parte superior de la unidad bipolar de acuerdo a la
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presente invención; La Figura 4 es una sección transversal de la parte superior del módulo de acuerdo a la presente invención; La Figura 5 es una vista isométrica que se dirige a la estructura de ánodo del módulo de acuerdo a la presente invención; La Figura 6 es una sección transversal de la parte del fondo del módulo de acuerdo a la presente invención; y Las Figuras 7 y 8 son respectivamente una vista isométrica y una vista terminal de un dispositivo de abrasión; La Figura 9 es una vista en una modalidad del empaque para el uso con estructuras de electrodo de la invención; La Figura 10 es una vista en detalle agrandada de parte del empaque de la Figura 9; y La Figura 11 es una vista transversal del empaque. En las Figuras 1 y 2, se forma una batea (1) con una pestaña (2) y depresiones cóncavas (3) en las cuales se forman salientes (4) frusto-cónicas , que sobresalen hacia dentro (en la Figura 1) o salientes (5) frusto-cónicas , que sobresalen hacia fuera (en la
'-' - -a-h-a...».,.. ....«*.««».. ,. -ninni ,.,„- - - -- «-*-»«.•. ...,.**..-..>.,... ..A.. Í ?. Í Figura 2) . Un poste (6) eléctricamente conductor en el cual se monta una araña (no mostrada), se conecta eléctricamente a cada saliente (4) o (5) . Se observará que los postes asociados con la estructura de cátodo son considerablemente más largos que aquellos asociados con la estructura de ánodo. En el caso de la estructura de ánodo, los postes se pueden omitir conjuntamente, caso en el cual la placa de ánodo se puede conectar ya sea directamente a la batea asociada o se puede conectar a la misma directamente a través de las arañas. Una placa de electrodo (8), típicamente en la forma de una malla, se conecta a las arañas. Un cojín (9) eléctricamente aislante se proporciona entre el extremo del poste (6) y la placa (8) de electrodo. En la ubicación de cada poste, las placas (8) se abren y los cojines (9) se reciben dentro de cada agujero. Las pestañas (2) se proporcionan con pestañas de respaldo (2B, ver Figura 4) y agujeros (10, 10B) diseñados para aceptar pernos (no mostrados) para sujetar con perno una estructura de ánodo y una estructura de cátodo con dos empaques y una membrana para formar un módulo de acuerdo a la presente invención. (11) es un cabezal de salida. El flujo de licor en el cabezal (11) toma lugar a través de una ranura (35) de salida en el extremo superior de cada estructura de electrodo, la ranura (35) de salida que se forma localizada inmediatamente por arriba de la placa (8) de electrodo y justo por debajo de tubos de pernos cilindricos, separados (36) que se alinean con 5 agujeros en la base (3) de la batea y la pestaña (2) y extienden las paredes que se extienden verticalmente, principales, del cabezal (11) . De esta manera, el flujo de líquido entra a la ranura de salida y fluye alrededor de los tubos de perno (36) en el cabezal
10 (11) . Las estructuras de electrodo de la presente invención se pueden usar en electrolizadores de filtro prensa, celdas modulares y celdas de combustible. La Figura 3 ilustra una unidad en la cual se acoplan dos
15 estructuras de electrodo para formar un montaje de electrodo bipolar para el uso en un electrolizador de filtro o prensa o una celda de combustible, las estructuras de electrodo en este caso que se ensamblan con las salientes de ánodo y cátodo (4, 5) en reposo.
20 La Figura 4 ilustra una unidad en la cual las estructuras de electrodo se acoplan conjuntamente con un separador entre éstas para el uso en un electrolizador modular o en una celda de combustible. En ambos casos, se entenderá que una vez que se han
25 ensamblado un número o unidades, el efecto neto será
,* m ^A» ? > ....... ¡^^ ^ ^^^ ,».,.,.-....___ .,_. ... ... ,, .,,_ „.,. „J,,^,„ ... t *> .& ¿¿¿¿.A» que los ánodos y cátodos adyacentes, ya sea parte de la misma unidad o partes de unidades separadas, tendrán sus salientes (4) anidadas entre sí. Con referencia al montaje de electrodo bipolar de la Figura 3, una estructura de ánodo como se ilustra en la Figura 1 y una estructura de cátodo como se ilustra en la Figura 2 se unen eléctricamente de forma conductora, parte posterior con parte posterior por un dispositivo de abrasión (12) colocado entre la saliente (4) frusto-cónica que sobresale hacia dentro en la estructura de ánodo y la saliente (5) frustocónica que sobresale hacia fuera en la estructura de cátodo, el arreglo que es tal que cuando las dos estructuras se empujan conjuntamente, los dispositivos de abrasión dan una buena conductividad eléctrica entre los picos de las salientes (5) de cátodo y las bases de las salientes (4) de ánodo y por lo tanto entre los postes (6) que se extienden a las placas (8) de electrodo . Con referencia al montaje de electrodo modular de la Figura 4, una estructura de ánodo como se ilustra en la Figura 1 y una estructura de cátodo como se ilustra en la Figura 2 se unen por pernos (no mostrados) a través de los agujeros (10) en las pestañas (2) . Se sella una membrana (13) entre dos
empaques o juntas (14) colocados entre las pestañas (2) . Las arañas (7) , no mostradas en las Figuras 1 a 3, proporcionan rutas electroconductoras entre los postes (6) y las placas de electrodo (8) . Las arañas comprenden secciones centrales (40) en forma de disco que se conectan a los extremos de los postes (6) , por ejemplo por soldadura, fijación con tornillo o conectadores de ajuste a presión, y un número de patas (38) que radian desde la sección central (40) y se conectan en sus extremos libres, por ejemplo, por soldadura a la placa (8) de electrodo, asociada. Usualmente, las patas (38) se separan de manera equiangular de modo que el suministro de corriente vía los postes (6) se distribuye a varios puntos equiseparados que circundan el poste. Especialmente cuando se propone para el uso en la electrólisis de haluros de metales alcalinos, las arañas de cátodo se pueden fabricar de materiales tal como acero inoxidable, níquel o cobre en tanto que las arañas de ánodo se fabrican de un metal de válvula o aleación del mismo. Las patas (38) de las arañas (7) asociadas con la estructura de ánodo son algo más cortas que aquellas asociadas con la estructura de cátodo. En la práctica, durante la producción de las estructuras de cátodo, las arañas (7) se pueden soldar
IÁ?? ? ?. t ,» A.l ..t ....A*>>. --»»-—>. .... .. , ._. , ....,, ..,^.«,_^..., ..„.J M,...._^,;a,a> ?., . l i i o conectar de otro modo a las placas (8) y las arañas entonces se pueden soldar subsecuentemente o asegurar de otro modo a los postes (6) . Este arreglo facilita el reemplazo o reparación de las placas de ánodo/cátodo o renovación/reemplazo de cualquier revestimiento electrocatalíticamente activo en el mismo. Como se muestra en la Figura 5, la estructura de ánodo, con sus salientes (4) frusto-cónicas , que sobresalen hacia dentro en la batea (3), se proporciona con un tubo (15) de suministro y conduce al tubo de entrada (no mostrado) para la salmuera y un tubo de salida (16) para el cloro y la mezcla de salmuera agotada. La estructura de cátodo se proporciona con un tubo (17) de suministro que conduce al tubo de entrada (no mostrado) para el producto cáustico y un tubo de salida para el hidrógeno y la mezcla cáustica (18) . Como se muestra en la Figura 6, la estructura de ánodo se proporciona con (a) un tubo (15) de suministro de ánodo concéntrico con el tubo de entrada (19) formado con orificios (24) y (b) deflectores (21) montados de las salientes (4) que sobre salen hacia dentro. La estructura de cátodo se proporciona con (a) tubo (17) de suministro de cátodo concéntrico con el tubo (20) de entrada formado con orificios (23) y (b) deflectores (22) montados en los postes (6) . Los
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orificios 24, 23 en los tubos de entrada (19) y (20) se forman tal que el licor descargado de los mismos se dirige hacia la parte posterior de las bateas detrás de los deflectores (21) y (22) para ayudar en el mezclado. Los deflectores 21,22 sirven para la división de los compartimientos de ánodo y cátodo en dos zonas de comunicación para proporcionar recirculación de licor como se describe previamente. Los deflectores 21, 22 (no mostrados en las Figuras 1 a 3) se extienden verticalmente dentro de los compartimientos de ánodo y cátodo desde el extremo inferior de la estructura de electrodo a los extremos superiores de los mismos y forman dos canales dentro de cada estructura de electrodo que se comunican al menos adyacentes a la parte superior y del fondo de la estructura. Como se muestra en las Figuras 7 y 8, se proporciona un dispositivo de abrasión (12) con cuatro salientes agudas (34) en una superficie de la arandela (35), y cuatro salientes agudas (36) en la otra superficie de la arandela (35) de modo que cuando se cargan las estructuras de ánodo y cátodo adyacentes en compresión, las salientes perforan en el material de las bateas de cátodo y ánodo. Con referencia ahora a las Figuras 9 a 11, cada empaque (14) puede ser de configuración en general
_?íl ittuLa.Ai-i.tbt.i-t.. -.¿a*. .._»,,,... i... ..,_,..*.... * ^.,.., ._...,..... « rectangular con agujeros (algunos de los cuales se representan por el número de referencia 2A) para la alineación con los agujeros en las pestañas (2) de modo que los empaques se comprimen conforme las estructuras de electrodo se jalan conjuntamente para sujetar el separador/membrana (13) entre los mismos. Cada empaque se agranda de forma local en su periferia interior para formar una nariz (30) que sobresale más allá del plano del empaque en un lado del mismo. Los empaques se ensamblan a las estructuras de electrodo (8) con sus narices (30) en contacto con la superficie adyacente de la membrana (13) . En la región de contacto con la membrana (13), cada nariz (30) puede ser de configuración en general de parte circular en su sección transversal. En virtud de este agrandamiento localizado de los empaques, así como al ser comprimidos entre y sellados por las superficies planas adyacentes de los empaques, la membrana (13) se aprieta adicionalmente entre las narices (30) produciendo de esta manera un sello de apriete que es particularmente efectivo a la prevención de la infiltración o "mecha" de los licores de celda a través o a lo largo de la estructura de la membrana (13) . Los empaques (14) también se proporcionan en sus periferias interiores con un forro (32) de material
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químicamente resistente tal como PTFE. En una modificación, cada empaque se puede proporcionar con una nariz o saliente en el lado opuesto del mismo para el acoplamiento con una pestaña respectiva (2) . Cuando una placa de ánodo o cátodo de la estructura de electrodo es en realidad de renovación o reemplazo, se puede remover de la estructura al remover los cojines (9) para exponer las secciones centrales (40) de las arañas (7) y permitir de este modo su desunión de los postes, o, donde no están presentes los postes, de la batea de electrodo o placa bipolar. Por ejemplo, donde las porciones centrales de las arañas se sueldan, por ejemplo, se sueldan por punto, la desunión se puede efectuar al enredar a través de la soldadura de punto usando una herramienta de perforación o molienda. Donde las porciones centrales de la araña se acoplan con los postes (o batea) vía un tornillo de fijación o conectador de ajuste a presión, se efectúa la desunión al remover el tornillo u otro conectador. En algunos casos, el sistema de soldadura empleado para unir las porciones centrales de la araña se puede iniciar para dar solo uniones de soldadura débiles de modo que las arañas se puedan desunir de los postes, batea o placa bipolar simplemente al romper los puntos soldados asando la fuerza física. Una vez que se han
desunido las arañas, el ánodo o cátodo entonces se puede remover para la renovación o reemplazo con un montaje de electrodo fresco que comprende un ánodo o cátodo con una arreglo de arañas arregladas para corresponder con las ubicaciones de los postes o salientes (si no están presentes los postes). El nuevo o renovado montaje de electrodo entonces se re-une físicamente o de manera eléctrica, por ejemplo por soldadura de punto, sujetadores roscados o conectadores de ajuste a presión. Donde el método de unión no comprenda uniones soldadas, por ejemplo, sujetadores roscados o conectadores de ajuste o presión, los medios de mejoramiento de conducción tal como arandelas de estrella, discos de abrasión o revestimientos conductores, se pueden insertar entre o aplicar a la porción central de la araña y/o la superficie del poste, batea o placa bipolar. Opcionalmente, donde sea necesario asegurar una buena unión física y eléctrica al ánodo o cátodo de reemplazo, las superficies rugosas del poste, batea o placa bipolar expuestas por remoción de una estructura de electrodo se pueden adaptar usando por ejemplo una herramienta abrasiva, herramienta de limpieza con arena, lima o similar.