NL8902713A

NL8902713A - DEVICE FOR PERFORMING AN ELECTROLYSIS AND BIPOLAR ELECTRODE TO BE USED THEREOF.

Info

Publication number: NL8902713A
Application number: NL8902713A
Authority: NL
Original assignee: Zilvold Hydrotechniek B V En G
Priority date: 1989-11-03
Filing date: 1989-11-03
Publication date: 1991-06-03
Also published as: ES2044415T3; DE69002305T2; EP0427340A1; EP0427340B1; DE69002305D1; ATE91731T1

Abstract

A device for electrolysing a chloride, in which several electrolytic cells consisting of electrodes (3, 4) and a diaphragm (22) are electrically connected in series, whereby each cell is provided with a supply line and a discharge line for electrolyte, and a discharge line for the gas developed, said cells being surrounded by an encasing having two plates (1, 2) on end, and whereby a fluid jacket (7a, 7b, 7c), provided with a supply line (14) and a discharge line (15) for fluid, is disposed between the encasing and the outside of the cell frames, said fluid being a liquid and said de-aeration tubes (8) for separating and discharging chlorine gas and hydrogen being disposed in said fluid jacket, said electrodes being combined to form bi-polar electrodes (6).

Description

Korte aanduiding: Inrichting voor het uitvoeren van een electrolyse en daarbij te gebruiken bipolaire electrode.Short designation: Device for carrying out an electrolysis and bipolar electrode to be used therewith.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een electrolyse waarin meerdere eiectrolysecellen bestaande uit electroden en een diafragma electrisch in serie zijn geschakeld, waarbij elke cel is voorzien van een toevoer en afvoer voor electrolyt, eventueel gecombineerd met een afvoer voor het ontwikkelde gas, welke cellen zijn omgeven door een omhulling met twee kopse platen. Een dergelijke inrichting is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7213157 waarin een meervoudige electrolysecel met diafragma is beschreven, welke electrolysecel bipolaire electroden bevat. Met een dergelijke inrichting is het mogelijk diverse electrolysebewerkingen uit te voeren, zoals de ontwikkeling van chloorgas door de electrolyse van een oplossing van een chloride in water. Hoewel de verdere beschrijving betrekking heeft, op een dergelijke bij voorkeur uit te voeren electrolyse ter bereiding van chloorgas zal het duidelijk zijn dat ook andere electrolyses in een dergelijke inrichting kunnen plaatshebben. De ontwikkeling van chloorgas staat met name in de belangstelling voor het zuiveren van zwemwater in zwembaden, omdat door het gebruik van het ontwikkelde chloorgas de toepassing van chloorbleekloog en dergelijke achterwege kan blijven. De inrichting volgens de uitvinding kan echter ook worden toegepast ter vermijding van algengroei bij koeltorens, voor het pasteuriseren van melk of ijs, hetgeen ook met UV-licht kan plaatshebben en in zijn algemeenheid op die plaatsen waar kiemen en dergelijke worden gedood.The invention relates to an apparatus for carrying out an electrolysis in which a plurality of electrolysis cells consisting of electrodes and a diaphragm are electrically connected in series, each cell being provided with an inlet and outlet for electrolyte, optionally combined with an outlet for the generated gas , which cells are surrounded by an envelope with two end plates. Such a device is known from Dutch patent application 7213157, in which a multiple electrolysis cell with diaphragm is described, which electrolysis cell contains bipolar electrodes. With such a device it is possible to carry out various electrolysis operations, such as the development of chlorine gas by the electrolysis of a solution of a chloride in water. Although the further description relates to such a preferred electrolysis for the preparation of chlorine gas, it will be clear that other electrolyses can also take place in such a device. The development of chlorine gas is of particular interest in the purification of bathing water in swimming pools, because the use of the chlorine gas developed can avoid the use of bleaching liquor and the like. However, the device according to the invention can also be used to avoid algae growth in cooling towers, to pasteurize milk or ice, which can also take place with UV light and in general in those places where germs and the like are killed.

Een probleem bij de bestaande electrolyse-apparatuur waarin meerdere bipolaire electroden in serie zijn geschakeld zodat een zogenaamd filterperstypecel ontstaat is dat veel aandacht moet worden besteed aan het goed afdichten van de cellen zodat geen lekkage optreedt van het electrolyt uit de electrolysecel. Hoewel in de genoemde Nederlandse octrooiaanvrage niet veel aandacht is besteed aan dergelijke pakkingen is wel vermeld dat via bekende niet-afgebeelde dichtingsmiddelen tussen de afzonderlijke elementen zoals metaalelectroden, ramen en diafragma's de dichtheid wordt verkregen. In de Europese octrooiaanvragen 55.931 en 280.359 en in het Amerikaanse octrooischrift 4.344.633 is speciale aandacht gericht op dergelijke pakkingen. Deze pakking is met name van belang omdat door de electrolyse chemisch aggressieve stoffen ontstaan die zeer corrosief zijn ten aanzien van de omgeving van de cel. De constructie van dergelijke pakkingen maakt de electrolysecellen duur en ze zijn slechts via arbeidsintensieve werkwijzen te vervaardigen. Verder is gebleken dat de tot nu toe toegepaste pakkingen zeker na een bepaalde tijd toch lekkages vertonen. Verder is het door het gebruik van de verschillende pakkingen problematisch of kostbaar de bipolaire electroden vlak te spannen in de ramen. Een ander nadeel van de te gebruiken pakkingen is dat deze vaak bepalend zijn voor de afstand tussen de electroden en een grotere afstand tussen de electroden geeft een lager stroomrendement.A problem with the existing electrolysis equipment in which several bipolar electrodes are connected in series so that a so-called filter press cell is created, is that much attention must be paid to sealing the cells properly so that the electrolyte does not leak from the electrolysis cell. Although in the said Dutch patent application not much attention has been paid to such gaskets, it has been stated that the density is obtained between known elements, such as metal electrodes, windows and diaphragms, by means of known unshown sealants. European patent applications 55,931 and 280,359 and US patent 4,344,633 pay special attention to such gaskets. This packing is particularly important because electrolysis generates chemically aggressive substances that are highly corrosive to the environment of the cell. The construction of such gaskets makes the electrolysis cells expensive and they can be manufactured only by labor-intensive methods. Furthermore, it has been found that the gaskets used up to now certainly show leaks after a certain time. Furthermore, the use of the different gaskets makes it problematic or expensive to clamp the bipolar electrodes flat in the windows. Another drawback of the gaskets to be used is that they often determine the distance between the electrodes and a larger distance between the electrodes gives a lower current efficiency.

Dit probleem ten aanzien van de te gebruiken pakkingen bij electrolysecellen is thans opgelost door het gebruik van een inrichting volgens de uitvinding zoals in de aanhef vermeld en deze inrichting wordt hierdoor gekenmerkt, dat tussen de omhulling en de buitenkant der celramen een vloeistofmantel is aangebracht voorzien van een vloeistoftoevoer en een vloeistofafvoer. Zodoende wordt binnen de onhulling van de inrichting en rond het stelsel van de celramen met bipolaire electroden een vloeistofmantel aangebracht, welke vloeistof bij voorkeur bestaat uit water, zodat een eventueel lek uit de electrolysecellen kan worden toegestaan omdat de eventueel weglekkende vloeistof wordt opgenomen in de watermantel die periodiek of continue wordt ververst. Daarbij kan een geringe inlek van water worden getolereerd. Verder verdient het de voorkeur boven de electrolysecellen in de watermantel de ontgassingsbuizen op te nemen in welke ontgassingsbuizen een scheiding plaats heeft van electrolyt en het ontwikkelde gas, zodat waterstof en chloorgas uit deze ontgassingsbuizen makkelijk kunnen worden gewonnen. Het zal duidelijk zijn dat dergelijke ontgassingsbuizen ook kunnen worden toegepast op de aangegeven plaats en met de beoogde constructie volgens de uitvinding bij electrolysecellen waarin op zich bekende pakkingen zijn gebruikt, zodat het niet noodzakelijk is de vloeistofmantel binnen de omhulling aan te brengen. De constructie van de ontgassingsbuizen en de toevoer van electrolyt en gas aan deze ontgassingsbuizen zal hierna verder worden toegelicht.This problem with regard to the gaskets to be used in electrolysis cells has now been solved by the use of a device according to the invention as mentioned in the preamble and this device is characterized in that a liquid jacket is provided between the envelope and the outside of the cell windows. a liquid supply and a liquid discharge. Thus, within the envelope of the device and around the system of the cell windows with bipolar electrodes, a liquid jacket is arranged, which liquid preferably consists of water, so that a possible leak from the electrolysis cells can be allowed because the possibly leaking liquid is included in the water jacket. that is refreshed periodically or continuously. In addition, a small leakage of water can be tolerated. Furthermore, it is preferable, above the electrolysis cells in the water jacket, to include the degassing tubes in which degassing tubes are separated from the electrolyte and the evolved gas, so that hydrogen and chlorine gas can easily be obtained from these degassing tubes. It will be clear that such degassing tubes can also be used in the indicated place and with the intended construction according to the invention in electrolysis cells in which gaskets known per se have been used, so that it is not necessary to provide the liquid jacket within the enclosure. The construction of the degassing tubes and the supply of electrolyte and gas to these degassing tubes will be further explained below.

Omdat bij de constructie volgens de uitvinding minder of geen aandacht hoeft te worden besteed aan het pakkingsmateriaal en de daarbij noodzakelijke spanningen die worden uitgeoefend op de celramen waarin de bipolaire electroden zijn geplaatst is het thans mogelijk specifieke bipolaire electroden te gebruiken die tussen celramen zijn gespannen. De bipolaire electroden volgens de uitvinding, bestaande uit een anodeplaat, een kathodeplaat en daartussen een middenwand zijn voorzien van langsrillen, welke rillen aan de onderzijde zijn gelast op de middenwand. Daarbij verdient het de voorkeur dat de las van de anode en de las van de kathode in hetzelfde vlak liggen loodrecht op de middenwand, zodat geen lasspanningen ontstaan waardoor de platen zouden kunnen kromtrekken. In zijn algemeenheid zijn bipolaire electroden bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7808691, waarbij bipolaire electroden zijn beschreven voorzien van afstandhouders tussen de anodeplaat en de kathodeplaat. Uit deze Nederlandse octrooivrage blijkt hoe belangrijk het is dat een constante afstand wordt gehandhaafd tussen de anodeplaat en de kathodeplaat ten opzichte van de middenplaat en dat bij de bekende bipolaire electroden kostbare maatregelen moeten worden genomen om goed werkende bipolaire electroden te verkrijgen. Volgens de uitvinding is het nu mogelijk goedkope constructies voor bipolaire electroden te verkrijgen waarbij zeker is gesteld dat de bipolaire electroden een blijvende vlakheid hebben en de afstand tussen de anodeplaat en de kathodeplaat van de bipolaire electrode zo klein mogelijk is.Since in the construction according to the invention less or no attention needs to be paid to the packing material and the necessary stresses exerted on the cell windows in which the bipolar electrodes are placed, it is now possible to use specific bipolar electrodes which are stretched between cell windows. The bipolar electrodes according to the invention, consisting of an anode plate, a cathode plate and a middle wall between them, are provided with longitudinal grooves, which grooves are welded to the middle wall at the bottom. It is preferred that the weld of the anode and the weld of the cathode lie in the same plane perpendicular to the middle wall, so that no welding stresses arise which could cause the plates to warp. In general, bipolar electrodes are known from Dutch patent application 7808691, bipolar electrodes are described provided with spacers between the anode plate and the cathode plate. This Dutch patent shows how important it is that a constant distance is maintained between the anode plate and the cathode plate with respect to the middle plate and that expensive measures must be taken with the known bipolar electrodes to obtain well-functioning bipolar electrodes. According to the invention it is now possible to obtain inexpensive constructions for bipolar electrodes, whereby it is ensured that the bipolar electrodes have a permanent flatness and the distance between the anode plate and the cathode plate of the bipolar electrode is as small as possible.

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de volgende beschrijving, waarbij is verwezen naar de bijgevoegde tekening waarin: fig. 1 een inrichting volgens de uitvinding weergeeft bestaande uit meerdere electrolysecellen met bipolaire electroden, waarbij de inrichting in doorsnede is weergegeven, fig. 2 perspectivisch de opbouw weergeeft van een dergelijke inrichting en fig. 3 in perspectief de ontgassingsbuis weergeeft met daarin uitmondend de toevoer van electrolyt.The invention is further elucidated with reference to the following description, reference being made to the appended drawing, in which: Fig. 1 shows a device according to the invention consisting of several electrolysis cells with bipolar electrodes, the device being shown in cross-section, Fig. 2 perspective view shows the construction of such a device and FIG. 3 shows in perspective the degassing tube with the feed of electrolyte opening out therein.

In fig. 1 is in doorsnede de inrichting volgens de uitvinding weergegeven bestaande uit een omhulling met twee kopplaten 1 en 2 voorzien van een stroomtoevoer 12 en een stroomafvoer 11, waartussen meerdere elctrolytische cellen zijn aangebracht, waarbij een cel bestaande uit een bipolaire electrode 6 nader is aangegeven. De bipolaire electrode 6 bestaat uit een kathode 4 en een anode 3, beide gelast op een middenplaat 5. De beide electroden 3 en 4 zijn voorzien van rillen zoals aangegeven met 18, welke rillen aan de onderzijde zijn gelast op de middenplaat 5. Daar het lassen, met name door punt lassen zeer nauwkeurig kan plaatshebben, wordt een vlakke bipolaire electrode verkregen met in bedrijf zijnde een constante stroomverdeling over de gehele electroden 3 en 4. De electrolysecellen zijn voorzien van een toevoer van elec.trolyt 9 en een afvoer 10 voor het electrolyt, welke afvoer 10 uitmondt in een stijgbuis 13 die uitmondt in de ontgasser 8. De electrolyt die wordt afgevoerd bij 10 en 13 omvat het. door de electrolyse ontstane gas, hetgeen b.v. waterstof of chloor kan zijn dat in de ontgasser vrijkomt van de meegevoerde vloeistof. In de ontgasser wordt dan ook een schuimvormig produkt gebracht via leiding 13, dat in de ontgasser wordt gescheiden in vloeistof en gas. Dit is nader toegelicht in fig. 3.Fig. 1 shows in cross-section the device according to the invention consisting of an envelope with two end plates 1 and 2 provided with a current supply 12 and a current discharge 11, between which several electrolytic cells are arranged, with a cell consisting of a bipolar electrode 6 is indicated. The bipolar electrode 6 consists of a cathode 4 and an anode 3, both welded on a center plate 5. The two electrodes 3 and 4 are provided with grooves as indicated by 18, which grooves are welded on the bottom plate on the bottom plate 5. Since the welding, in particular by spot welding, can be carried out very accurately, a flat bipolar electrode is obtained with a constant current distribution over the entire electrodes 3 and 4 in operation. The electrolysis cells are provided with an input of electrolyte 9 and an outlet 10 for the electrolyte, which discharges outlet 10 into a riser 13 which opens into the degasser 8. The electrolyte which is discharged at 10 and 13 comprises it. gas generated by the electrolysis, e.g. hydrogen or chlorine can be released in the degasser from the entrained liquid. A foam-like product is therefore introduced into the degasser via line 13, which is separated into liquid and gas in the degasser. This is further explained in fig. 3.

Om de lekkages uit de electrolysecellen te voorkomen in de bekende inrichting zijn de bipolaire electroden gevat in pakkingen. In de uitvoeringsvorm zoals weergegeven in fig. 1 is een grotere tolerantie mogelijk bij de plaatsing van de electroden tussen raamwerken, omdat een eventueel lekkend electrolyt wordt opgevangen in de watermantel 7a, 7b en 7c. De inrichting volgens de uitvinding is aan de bovenzijde voorzien van en waterdoseervoorziening 14 en een waterafvoer 15 die uitmondt in de electrolyt die wordt toegevoerd aan de cel via leiding 16. Zodoende kan het water dat dienst doet om eventueel lekkende electrolyt op te vangen worden gebruikt in de cel als de te electrolyseren vloeistof. Omdat de vloeistof in de watermantel zeer weinig corrosief is door de sterke verdunning van eventueel aanwezige electrolyt of electrolyseprodukt kan de omhulling zijn voorzien van goedkope pakkingen waarbij een aansluiting wordt verkregen tussen de horizontale omhullingsgedeelten en de kopse platen. Hiertoe kan een eenvoudige rubbere pakking worden gebruikt, zoals in de tekening is aangegeven met 17.In order to prevent the leakages from the electrolysis cells in the known device, the bipolar electrodes are contained in gaskets. In the embodiment as shown in Fig. 1, a greater tolerance is possible when the electrodes are placed between frames, because any leaking electrolyte is collected in the water jacket 7a, 7b and 7c. The device according to the invention is provided at the top with a water metering device 14 and a water discharge 15 which empties into the electrolyte which is supplied to the cell via line 16. Thus, the water that serves to collect any leaking electrolyte can be used in the cell as the liquid to be electrolyzed. Because the liquid in the water jacket is very little corrosive due to the strong dilution of any electrolyte or electrolysis product present, the envelope can be provided with inexpensive gaskets, whereby a connection is obtained between the horizontal envelope sections and the end plates. A simple rubber gasket can be used for this, as indicated by 17 in the drawing.

In fig. 2 is schematisch in perspectief de opbouw van de inrichting volgens de uitvinding weergegeven, waarbij de kern van de elctrolysecel wordt gevormd door de bipolaire electrode 6 gevormd uit een middenplaat 5 waarop de kathode 4 en de anode 3 zijn aangebracht. In de kathode 4 zijn de rillen 18 en 18a weergegeven waarbij de onderzijde van de rillen zijn gelast op de middenplaat 5. De bipolaire elertroden zijn gespannen tussen de celramen. In fig. 2 is de bipolaire electrode 6 gespannen tussen celramen 20 en 21. De verschillende bipolaire elertroden zijn van elkaar gescheiden met behulp van de diafragma's 22 en 22a. De kathode en anode zijn bij voorkeur vervaardigd uit een gaas of geperforeerd metaal.Fig. 2 schematically shows in perspective the construction of the device according to the invention, wherein the core of the electrolysis cell is formed by the bipolar electrode 6 formed from a central plate 5 on which the cathode 4 and the anode 3 are arranged. In the cathode 4, the ridges 18 and 18a are shown, with the underside of the ridges being welded to the center plate 5. The bipolar electrodes are stretched between the cell windows. In Fig. 2, the bipolar electrode 6 is strained between cell windows 20 and 21. The different bipolar electrodes are separated from each other by means of the diaphragms 22 and 22a. The cathode and anode are preferably made of a mesh or perforated metal.

De genoemde onderdelen te weten de bipolaire electrode 6, gespannen in de celramen 20 en 21 en de diafragma's 22 en 22a zijn voorzien van gaten 23-26, welke openingen 23-26 de doorvoeren zijn voor de electrolyt. De openingen 24 en 25 monden uit in de afvoerbuis 13 en 13a voor de electrolyt, welke afvoer van de leidingen 13 en 13a op zich weer uitmonden in de ontgassingsbuizen 8 en 8a. In de ontgassingsbuizen heeft een scheiding plaats van vloeistof en gas, zoals weergegeven in fig. 3. Een ontgasser is op zich bekend uit het Europese octrooi 43.945.The said parts, namely the bipolar electrode 6, tensioned in the cell windows 20 and 21 and the diaphragms 22 and 22a are provided with holes 23-26, which openings 23-26 are the passages for the electrolyte. The openings 24 and 25 open into the electrolyte discharge tube 13 and 13a, which discharge of the lines 13 and 13a in themselves lead to the degassing tubes 8 and 8a. In the degassing tubes there is a separation of liquid and gas, as shown in fig. 3. A degasser is known per se from European patent 43,945.

Door de gasontwikkeling in de electrolysecel ontstaat een schuimvormig mengsel dat door de verlaging van het soortelijk gewicht naar boven wordt gestuwd en zodoende uitmondt in de leidingen 13 en 13a. Zodoende wordt met kracht het schuimvormige mengsel bestaande uit vloeistof en gas in de ontgassingsbuis gevoerd, waarin door de plaatsing van de toevoerleiding 13 en 13a in de ontgasser 8, 8a een centrifugale kracht wordt uitgeoefend op het schuimvormige produkt waardoor een scheiding wordt verkregen tussen de vloeistof en het gas, waarbij de vloeistof bij het afvoereinde wordt toegevoerd als electrolyt en het gas uit de ontgasser kan worden gewonnen. „The gas development in the electrolysis cell creates a foam-like mixture, which is pushed upwards by the reduction of the specific weight and thus flows into the pipes 13 and 13a. Thus, the foamed mixture consisting of liquid and gas is forcibly introduced into the degassing tube, in which a centrifugal force is exerted on the foamed product by placing the supply line 13 and 13a in the degasser 8, 8a, whereby a separation is obtained between the liquid and the gas, the liquid being supplied at the discharge end as an electrolyte and the gas being recovered from the degasser. "

Zodoende is het op een efficiënte wijze mogelijk b.v. chloorgas te verkrijgen door electrolyse, waarbij de electrolysecel aanzienlijk is verbeterd ten opzichte van de bekende cellen doordat geen kostbare pakkingen behoeven toegepast en de bipolaire electrode efficiënt kan worden gevormd.Thus, it is efficiently possible e.g. chlorine gas to be obtained by electrolysis, the electrolysis cell being considerably improved over the known cells in that no expensive gaskets have to be used and the bipolar electrode can be efficiently formed.

Claims

An apparatus for carrying out an electrolysis in which a plurality of electrolysis cells consisting of electrodes and a diaphragm are electrically connected in series, each cell having an inlet and outlet for electrolyte, optionally combined with an outlet for the evolved gas, which cells are surrounded by a cover with two end plates, characterized in that a liquid jacket is provided between the cover and the outside of the cell windows, provided with a liquid supply and a liquid discharge.

Device according to claim 1, characterized in that the liquid jacket is filled with water.

3. Device according to claims 1-2, characterized in that degassing tubes for discharging chlorine gas and hydrogen are provided in the water jacket during the electrolysis of chloride.

Device according to claims 1-3, characterized in that bipolar electrodes are stretched between cell windows.

5. Device according to claims 1-4, characterized in that the degassing tubes are clamped between the end plates.

6. Device as claimed in claims 1-5, characterized in that a pipe near or in the end plate provides a connection between the discharge of electrolyte from the last cell and the supply of electrolyte to the degassing tube.

Device according to claim 6, characterized in that the supply of electrolyte into the degassing tube from the cells is such that the electrolyte can be supplied tangentially and axially.

A bipolar electrode for use in a device according to claims 1-7, in particular according to claim 4, which bipolar electrode consists of an anode plate, a cathode plate and in between a central wall which is connected both to the anode and to the cathode, characterized in , that longitudinal grooves are pressed into the cathode and into the anode which are welded to the center wall at the bottom of the groove, the cathode and the anode being welded to the central wall at opposite locations.

Bipolar electrode according to claim 8, characterized in that the anode and the cathode are made of a mesh or perforated metal.