NO151423B

NO151423B - Monopolar elektrolytisk filterpressecelle

Info

Publication number: NO151423B
Application number: NO780708A
Authority: NO
Inventors: Thomas Weley Boulton; Brian John Darwent
Original assignee: Ici Ltd
Priority date: 1977-03-04
Filing date: 1978-03-01
Publication date: 1984-12-27
Also published as: SE449375B; NO780708L; AR214775A1; DD134124A5; DE2809332A1; PT67737A; IT1092983B; NL189679B; RU1773265C; GB1595183A; ES467550A1; NL189679C; IT7820816A0; DE2809332C2; AU3378278A; CH632530A5; FR2382518A1; AT355049B; CA1107682A; SE7802386L

Description

Denne oppfinnelse vedrører en monopolar elektrolytisk filter pressecelle til bruk ved elektrolyse av en vandig oppløsning av alkalimetallhalogenid for fremstilling av en vandig oppløsing av alkalimetallhydroksyd,halogen og hydrogen, hvilken celle omfatter en rekke vertikalt anordnede, fleksible anodeplater og fleksible katodeplater og en kationpermselektiv membran anordnet mellom hver tilstøtende anodeplate og katodeplate.

Det er kjent en lang rekke membranceller som i prinsippet består av en rekke anoder og en rekke katoder som er anordnet parallelt alternerende og adskilt fra hverandre ved hovedsakelig vertikale kationaktive permselektive membraner. Anodene er fortrinnsvis i form av plater av et filmdannende metall (vanligvis titan) og bærer et elektrokatalytisk aktivt belegg (f.eks. metalloksyder av metaller fra platinagruppen). Katodene kan hensiktsmessig være i form av en perforert plate eller metallduk (vanligvis bløtt stål), og membranene som hensiktsmessig er i form av tynne plater, kan være av et syntetisk organisk materiale, f.eks. et fluorpolymermateriale som inneholder kationutvekslingsgrupper, f.eks. sulfonat-eller karboksylatgrupper.

Monopolare elektrolytiske celler av tanklignende utførelse, f.eks. diafragmaceller av tanklignende konstruksjon, innehol-

der vanligvis diafragmaer avsatt på katodene i cellen. Slike celler er hensiktsmessige for bruk med tynnplatemembraner på

grunn av problemene med å feste platene ved "cladding" på de komplekse katodeformer som brukes. Cellekonstruksjoner av filter-presse- eller "sandwich"-typen er følgelig blitt utviklet for å romme membrenplatene. Slike monopolare filterpresseceller er imidlertid uten unntak mer kostbare i anskaffelse enn monopolare celler av tanktypen på grunn av sin forholdsvis komplekse konstruksjon og fordi det er nødvendig å bygge inn strøfordelere for å redusere spenningsfallet ved de anode/katodemoduldimensjo-ner som konvensjonelt kommer i betrakning.

Fra tysk offentliggjørelsesskrift 2 100 214 er en elektrolytisk celle tidligere kjent, hvor metallelektrodene har fire porter som danner kamre i cellens lengderetning og kanaler for matning av væsker til cellens kamre. Cellen er utstyrt med tetninger som bestemmer retningen for innløpet og utløpet av væskene. Det finnes ingen elektrisk isolasjon mellom de for-skjellige åpninger i elektrodeplatene. Den kjente cellen er til-passet for bruk med vekselstrøm.

Østerriksk patent 219 622 omtaler en bipolar celle der hver anode og hver tilstøtende katode er i elektrisk kontakt med hverandre med elektrisk strøm strømmende gjennom cellen fra den ene ende til den andre.

Hensikten med oppfinnelsen er å utvikle en monopolar filterpressecelle av den innledningsvis nevnte art som er hensiktsmessig til bruk med tynnplatemembraner og som er lett å lage, er billig og lett å sette sammen.

Filterpressecellen ifølge oppfinnelsen utmerker seg i det vesentlige at hver anodeplate er delvis fremstilt av et elektrisk ikke-ledende materiale og med en anodedel dannet av et filmdannende metall som har et elektrokatalytisk aktivt belegg på sin overflate, hvor hver katodeplate er laget delvis av et elektrisk ikke-ledende materiale og med en metallisk katodedel, hvor en ikke-ledende, fleksibel skilleplate er anordnet mellom hver membran og tilstøtende anodeplate og mellom hver membran og til-støtende katodeplate, og hvor anodeplatene, katodeplatene og skilleplatene alle har åpninger som avgrenser fire separate kamre på langs av cellen og som henholdsvis utgjør et innløp for alkalimetallhalogenid, et utløp for alkalimetallhalogenid og halogen,

et innløp for vann eller alkalisk vann og et utløp for alkalimetallhydroksyd og hydrogen, hvor skilleplatene er forsynt med passasjer i sine vegger som i cellen forbinder kamrene som ut-gjør et innløp for alkalimetallhalogenid og et utløp for alkalimetallhalogenid og halogen med anolyttkamrene som avgrenses av rommene mellom membranene og tilstøtende anodeplater, og som forbinder kamrene som utgjør et innløp for vann eller alkalisk vann og et utløp for alkalimetallhydroksyd og hydrogen med katolyttkamrene, som avgrenses av rommene mellom membranene og tilstøtende katodeplater, at cellen er forsynt med endeplater som danner endevegger for kamrene, og at de elektrisk ikke-ledende deler av anodeplatene og katodeplatene isolerer elektrisk de fire separate langsgående kamre slik at innløp for alkalimetallhalogenid og utløp for alkalimetallhalogenid og hydrogen er isolert fra innløp for vann eller alkalisk vann og utløp for alkalimetallhydroksyd og hydrogen.

Cellens endeplater omfatter fortrinnsvis en endeanodeplate og en endekatodeplate som kan delvis være av et ikke-ledende materiale. Endeanodeplaten kan således være laget av en filmdannende materiale som bærer et elektrokatalytisk aktivt belegg på en del av sin overflate, og endekatodeplaten kan være metallisk.

Det filmdannende materiale som utgjør en del av anodeplaten, er fortrinnsvis et av metallene titan, zirkonium, niob, tantal eller wolfram eller en legering hovedsakelig bestående av ett el-eller flere av disse metallene og som har anodiske polariseringsegenskaper som kan sammenlignes med egenskapene for det rene metall. Det foretrekkes å bruke titan alene eller en legering basert på titan og med polariseringsegenskaper som kan sammenlignes med titan som filmdannende metall i anodeplaten. Eksempler på slike legeringer er titan-zirkonium som inneholder opp til 14% zirkonium, legeringer av titan med opp til 5% av et metall fra platinagruppen, slik som platina, rhodium eller iridium og legeringer av titan med niob eller tantal som inneholder opp til 10% av legeringsbestanddelen.

Katodeplaten kan f.eks. bestå delvis av bløtt stål eller jern, fortrinnsvis av bløtt stål, men andre metaller, f.eks. nikkel, kan brukes. Anodeplatene omfatter en anodedel og har fortrinnsvis fire åpninger med dimensjoner svarende til tverrsnittene av de fire kammere som er anordnet på langs i cellen. Åpningene kan være avgrenset av rammedeler av anodeplatene, og åpningene i platene er fortrinnsvis anordnet i par, et par på hver side av anodedelen av platene. For at kamrene som utgjør et innløp for alkalimetallhalogenid og et utløp for alkalimetallhalogenid og halogen i cellen kan isoleres elektrisk fra kamrene som utgjør et innløp for for vann eller alkalisk vann og utløp for alkalimetallhydroksyd og hydrogen, er utførelsen fortrinnsvis slik at åpningene i anodeplatene som i cellen utgjør en del av kamrene for innløp av alkalimetallhalogenid og en del av kamrene for utløp av alkalimetallhalogenid og halogen i cellen,

er avgrenset av metallrammedeler av det samme filmdannende metall som det i anodedelen av anodeplaten, og at åpningene i anodeplaten som i cellen utgjør en del av kammeret for innløp av vann eller alkalisk vann og en del av kammeret for utløp av alkalimetallhydroksyd og hydrogen, er avgrenset av rammedeler av et elektrisk ikke-ledende materiale.

Metallremmedelene som avgrenser anodedelen og åpningene

kan være fremstilt av en enkel tynn plate av filmdannende metall.

Ribbene i hver anodeplate ligger fortrinnsvis på linje slik at deres langsgående akser er innbyrdes parallelle, og for-løper vertikalt når platene er montert i cellen. Det elektrokatalytisk aktive belegg på anodedelen av anodeplaten er et ledende belegg som er motstandsdyktig overfor elektrokjemiske angrep, men er aktivt når det gjelder overføring av elektroner mellom elektro-lytten og anoden.

Det elektrokatalytisk aktive belegg kan hensiktsmessig

bestå av ett eller flere metaller fra platinagru<p>pen, dvs. platina, rhodium, iridium, ruthenium, osmiun dg palladium, eller legeringer av disse metaller og/eller oksyder av disse, eller et annet metall eller sammensetning som vil virke som anode og som er bestandig mot elektrokjemisk oppløsning i cellen, f.eks. rhenium, rheniumtri-oksyd, magnetitt, titannitrid og boridene, fosfidene og silicium-forbindelsene av platinametallene. Belegget kan bestå av ett eller flere av de nevnte platinametaller og/eller oksyder av disse i blanding med ett eller flere ikke-edle metalloksyder. Alternativt kan det bestå av ett eller flere uedle metalloksyder alene eller en blanding av ett eller flere uedle metalloksyder og uedle metallkloridutladningskatalytter. Passende uedle metalloksyder omfatter difluorider av mangan, jern, kobolt, nikkel og blandinger av disse. Særlig hensiktsmessig elektrokatalytisk aktive belegg i henhold til oppfinnelsen omfatter platina selv og de er basert på rutheniumdioksyd/titandioksyd og rutheniumdioksyd/tinndioksyd/ titandioksyd.

Andre hensiktsmessige belegg omfatter de som er beskrevet

i britiske patenter 1 402 414 og 1 484 015, i hvilke et ikke-ledende partikkelformet eller fibrøst, ildfast materiale er innbakt i en matrise av elektrokatalytisk aktivt materiale (av den type som er beskrevet ovenfor). Passende ikke-ledende partikkelformede eller fibrøse materialer omfatter oksyder, karbider, fluorider, nitrider og sulfider. Passende oksyder (innbefattet komplekse oksyder) omfatter zirkonium-, aluminium-, silicium-, thoriumoksyd, titandioksyd, ceriumoksyd, hafniumoksyd, ditantalpentoksyd, magne-siumaluminat (f.eks. spinell MgO A^O^) , aluminiumsilikater

(f.eks. mullitt (A1203)3(Si02)2), zirkoniumsilikat, glass, kals<i->umsilikat (f.eks. bellitt (CaO)2Si02), kalsiumaluminat, kalsium-titanat (f.eks. perovskitt CaTi03), attapulgitt, kaolinitt, asbest, glimmer, codieritt og bentonitt. Passende sulfider omfatter diceriumtrisulfid, passende nitrider omfatter bornitrid og sili-ciumnitrid, og passende fluorider omfatter kalsiumfluorid. Et foretrukket ikke-ledende ildfast materiale er en blanding av zirkoniumsilikat og zirkoniumoksyd, f.eks. zirkoniumsilikatpartikler og zirkoniumoksydfibre.

Anodeplatene kan fremstilles ved en påstryknings- og opp-varmingsteknikk, hvor et belegg av metall og/eller metalloksyd blir dannet på anodeflaten ved å påføre overflaten av anodeplaten et lag av en malingkomposisjon omfattende termisk nedbrytbare be-standdeler av hvert av metallene som skal opptre i det ferdige belegg, idet malinglaget tørkes ved fordampning av den flytende bestanddel av malingen, og så brenning av malinglaget ved oppvar-ming av den belagte anodeplate, fortrinnsvis opptil 250°C til 800°C for dekomponering av metallbestanddelene i malingen og dan-nelse av det ønskede belegg. Når ildfaste partikler eller fibre skal innbakes i metallet og/eller metalloksydet i belegget, kan de ildfaste partikler eller fibre blandes i den forannevnte ma-lingkomposis jon før den påføres anoden. Alternativt kan de ildfaste partikler eller fibre påføres et lag av malingkomposisjon, mens dette fremdeles er flytende på overflaten av anoden, idet malinglaget så tørkes ved fordampning av den flytende bestanddel av malingen og oppvarmes på vanlig måte.

Anodebeleggene blir vanligvis bygget opp ved påføring av flere malinglag på anoden, idet hvert lag tørkes og brennes før påføring av neste lag.

Katodedelen av katodeplaten kan omfatte en perforert plate eller duk, men er fortrinnsvis i form av ribber eller spiler. Ribbene kan være fremstilt av en tynn metallplate, f.eks. av

bløtt stål eller jern, ved utstansing med et stanseverktøy som beskrevet ovenfor i forbindelse med anodeplaten.

Katodeplatene omfatter en katodedel og deler med fire åpninger som har dimensjoner svarende til tverrsnittene av de fire kammere som er anordnet på langs i cellen. Åpningene kan være avgrenset av rammedeler av katodeplatene og åpningene i platene er fortrinnsvis anordnet i par, med et par på hver side av platenes katodedeler. Katodeplatene er konstruert delvis av metall, f.eks. stål, bløtt stål, og delvis av et ikke-ledende materiale og kan ha en konstruksjon i likhet med den som tidligere er beskrevet i forbindelse med anodeplatene, slik at de kammere i cellen som utgjør et innløp for lake og utløp for lake og halogen, er elektrisk isolert fra kamrene som utgjør et innløp for vann eller alkalisk vann og et utløp for cellevæske og hydrogen.

Ribbene i katodeplatene er fortrinnsvis skråstilte med en vinkel på mer enn 60° til planet for katodeplaten.

Ribbene i hver katodeplate er fortrinnsvis innrettet slik at deres langsgående akser er parallelle med hverandre og ribbene er anordnet vertikalt når platene er montert i en celle.

I cellen er suksessive anodeplater og katodeplater an-bragt slik at anode- og katodedelene ligger den ene bak den andre og de nevnte åpninger er anordnet den ene bak den andre for å av-grense de forannevnte kammere.

Skilleplatene er fortrinnsvis identiske i form og størrel-se og hver skilleplate har fortrinnsvis ytre dimensjoner som til-svarer dimensjonene av anodeplatene og katodeplatene. Hver skilleplate er forsynt med en sentral åpning hvis dimensjon svarer til dimensjonene av anodedelen av anodeplaten og katodedelen av katodeplaten, og med fire åpninger som i cellen danner en del av kamrene som er anordnet langs cellen. De sistnevnte åpninger er fortrinnsvis anordnet i par, med et par på hver side av den sentrale åpning i skilleplaten, og fortrinnsvis dannet av rammepar-tier i skilleplaten.

Passasjen i veggen av skilleplatene er hensiktsmessig dannet av slisser i veggene, slik at i cellen er anolyttkamrene for-oundet med lakeinnløpskammeret og lake- og halogenutløpskammeret og katolyttkamrene er forbundet med vann- eller det alkaliske vanninnløpskammer og med cellevæske- og hydrogenutløpskammeret. Slissene kan inneholde fleksible, korrugerte bånd som således frembringer en rekke passasjer. Hver skilleramme vil således ha to passasjer i plateveggene.

Skilleplatene kan være fremstilt av et hvilket som helst passende ikke-ledende materiale, men det foretrekkes en syntetisk organisk polymer som er upåvirkelig av de forhold som råder i cellen. Spesielt passende polymerer omfatter polyvinylidenfluorid og polypropylen. Skilleplatene skjæres hensiktsmessig ut av en tynn plate av en polymer eller støpes av en polymer.

Cellen kan med fordel forsynes med tetninger som kan være av et elastomert materiale, f.eks. naturlig eller syntetisk gummi. Tetningene kan skjæres ut av et ark av det elastomere materiale eller støpes, og deres størrelse og form svarer til de forannevnte skilleplaters.

I en alternativ og foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen kan skilleplatenes form og tykkelse være modifisert for å virke både som skilleorganer og som tetninger. I dette tilfelle blir de kombinerte skilleplater og pakningene (heretter kalt skil-lepakninger) med fordel laget av et elastomert materiale, f.eks. naturlig eller syntetisk gummi, og passasjene i veggene til skil-lepakningene er det sørget for ved å sette inn en fjærinnretning som enten er et presstykke laget av anode- eller katodematerialet eller en fleksibel støp i en passende polymer. Fjærinnretningen opptar en åpning i skillepakningen (slike åpninger inntreffer hver gang gass eller væske må passere mellom tilstøtende kammere), og er konstruert for å tillate en strøm av gass eller væske med minst mulig forstyrrelse og for å ha en ettergivenhet og dybde som er sammenlignbar med elastomeren, slik at sammenføyningstryk-ket blir overført.

Tetningene eller skjøtene (eller kombinerte skillerammer og tetninger) er tilstrekkelig tynne og fleksible til å besørge gode sammenføyningsforhold i cellen i kombinasjon med de fleksible anodeplater, katodeplatene og skillerammene (om slike finnes).

Som membran kan brukes ethvert passende kationutvekslings-materiale. Slike materialer er vanligvis laget av syntetisk organisk polymermateriale som inneholder kationutvekslingsgrupper, f.eks. sulfonat- eller karboksylatgrupper. Spesielt syntetiske fluorpolymerer som vil motstå celleforholdene i lange tidsperioder, er brukbare, f.eks. en membran av perfluorsulfonsyre som fremstilles og selges av E.I. du Pont de Nemours and Company under varemerket "Nafion" og som er basert på en hydrolysert kopolymer av tetrafluoretylen og en fluorsulfonert perfluorvinyleter. Slike membraner er f.eks. beskrevet i U.S. patenter 2 636 851, 3 017 338, 3 496 077, 3 560 568, 2 967 807, 3 282 875 og britisk patent 1 184 321.

Anodeplatene, katodeplatene og skilleplatene kan lett fremstilles i jevn tykkelse og kan lages tilstrekkelig tynne til å bli fleksible. Denne fleksibilitet muliggjør opprettholdelse av et jevnt, passende trykk i sammenføyningsområdene i cellen,

noe som forhindrer lekkasje.'

I en utførelse av cellen alternerer enkeltanodeplater

med enkeltkatodeplater med membraner innsatt mellom tilstøtende anode- og katodeplater. I en alternativ utførelse alternerer par av anodeplater med par av katodeplater med membraner innsatt mellom tilstøtende par av anodeplater og par av katodeplater. Bruken av par av anode- og katodeplater istedenfor enkeltplater til-veiebringer øket gassfrigjøringsrom i nærheten av anodene og katodene .

Anodedelen av hver anodeplate og katodedelen av hver katodeplate har fortrinnsvis en dimensjon i strømmens retning omtrent på 15 til 60 cm, spesielt 15 til 25 cm når det brukes alternerende enkle anode- og katodeplater, og 30 til 50 cm når det brukes alternerende par av anode- og katodeplater. De forannevnte fore-trukne dimensjoner av anode- og katodeplatene frembringer korte strømbaner som igjen sikrer små spenningsfall i anode- og katodeplatene uten bruk av innviklede strømføringsinnretninger.

Avstanden mellom suksessive membraner i cellen er fortrinnsvis 5 til 20 mm, f.eks. 5 til 8 mm når det brukes alternerende enkle anode- og katodeplater, og 10 til 20 mm når det brukes alternerende par av anode- og katodeplater.

Under drift av cellen passerer en lake, f.eks.NaCl-opp-løsning, fra et kammer som strekker seg på langs av cellen gjennom passasjer i skilleplatenes vegger og inn i cellens anolytt-kammere. Klorgass som frembringes i anolyttkamrene,og laken passerer gjennom andre passasjer i skilleplatenes vegger og renner inn i et annet langsgående kammer av cellen.

Innløpsvannet eller det alkaliske vann passerer fra et kammer gjennom passasjer i skilleplatenes vegger inn i katolyttkamrene og cellevæske og hydrogen produsert i katolyttkamrene passerer gjennom andre passasjer i skilleplatenes vegger og strøm-mer inn i et annet langsgående kammer i cellen. Utskilling av klor- og hydrogengass fra de angjeldende væsker finner hensiktsmessig sted utenfor cellen, f.eks. i samletanker konstruert til formålet.

Cellen i henhold til den foreliggende oppfinnelse er bygget opp av formede eller pressede anode- og katodeplater med samme form og adskilt av formede, støpte eller utskårne skilleplater av et passende ikke-ledende materiale, fortrinnsvis sammen med tetningene eller pakningene.

Cellen er hensiktsmessig forsynt med endeplater, henholdsvis ved siden av sluttanode- og sluttkatodeplatene. Endeplatene er av bløtt stål, hensiktsmessig beskyttet mot cellemiljøet ved hjelp av f.eks. plastskillestykker, og hele anordningen kan spennes sammen f.eks. ved sammenbolting av endeplatene. Denne enkle utførelse er fordelaktig ved sin forholdsvis lave pris sammenlig-net med konvensjonelle monopolare celler av tanktypen eller bi-polare filterpresseceller.

Bruken av tynne, fleksible anodeplater og katodeplater gjør det unødvendig å lage platene helt plane under fremstillin-gen siden platene utflates under sammensetningen på grunn av tryk-ket som utøves av endeplatene som kan ha en forholdsvis massiv konstruksjon. Dessuten resulterer bruken av tynne anode- og katodeplater (f.eks. 1 mm tykke) i at ribbene som utformes i de aktive deler av anodene og katodene, har liten styrke og vil lett bøyes av membranen hvis de kommer i kontakt med denne under monte-ringen, slik at ødeleggelse av membranen unngås. På denne måte kan det på en enkel og lettvint måte oppnås et forholdsvis lite anode/katodegap, f.eks. 2 mm.

Den totale lengde av cellen må bli større enn tykkelsen

av de enkelte moduler. Det blir regnet med f.eks. at strømfor-bindelsen til modulene i en celle vil skje ved hjelp av en rekke fleksible strømkoblingsstykker som i antall er likt antallet av cellemoduler i cellen.

Et anlegg for produksjon av halogen og alkalimetallhydrok-sydoppløsning kan omfatte en rekke celler i henhold til oppfinnelsen forbundet med hverandre ved hjelp av strekkstenger eller spennbakker som er ført gjennom eller rundt anordningen av fleksible koblingsstykker og anode og katodeplatene.. Når det brukes flere celler på denne måte og en spesiell celle må tas ut av drift, dvs. må isoleres elektrisk, kan en ledningsbryter bli anordnet rett over den celle som skal tas ut av drift, og forbindel-ser kan istandbringes til passende punkter langs hele lengden av cellekoblingsstykkene ved hjelp av en lignende strekkstang eller klemanordning. Cellen kan så fjernes enten nedenfra eller fra siden. Alternativt kan ledningsbryteren plasseres under cellen og cellen fjernes ovenfra.

Oppfinnelsen er spesielt anvendelig ved membranceller som brukes ved fremstilling av klor- og natriumhydroksyd ved elektrolyse av vandige natriumkloridoppløsninger.

Som et eksempel vil en utførelse av oppfinnelsen nå bli beskrevet under henvisning til vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er et utspilt riss i perspektiv av en del av en membrancelle i henhold til oppfinnelsen, fig. 2 er et skjematisk enderiss av den del av cellen som er vist på fig. 1, sett i retning A, idet deler er skåret vekk for å avdekke suksessive komponenter i cellen, fig. 3 er en skjematisk skisse av en celle i henhold til oppfinnelsen omfattende enkelte anodeplater som alternerer med enkelte katodeplater, og fig. 4 er en skjematisk skisse av en celle i henhold til oppfinnelsen som omfatter par av anodeplater som alternerer med par av katodeplater.

Den på fig. 1 og 2 viste del av cellen omfatter en anodeplate 1, en katodeplate 2, en membran 3 og skilletetninger 4 og 5. Cellen omfatter videre endeplater (ikke vist), fortrinnsvis av bløtt stål, og tetninger (ikke vist) fortrinnsvis av et elastomert materiale, f.eks. gummi, som er innsatt mellom hver endepla-te og tilstøtende sluttanodeplater og sluttkatodeplater.

Membranen 3 separerer en anolyttmodul som omfatter anodeplaten 1 og skilletetningen 4 fra en katolyttmodul som omfatter katodeplaten 2 og skilletetningen 5. Cellen på fig. 1 inneholder en anolyttmodul og en katolyttmodul, men man vil forstå at en kommersiell celle kan inneholde mange slike moduler, vanligvis 200 til 500 moduler.

Hele anordningen av moduler kan spennes sammen (under hen-syntagen til varmeutvidelse) ved hjelp av bolter og fjærer eller hydrauliske innretninger for å danne den elektrolytiske filter-pressemembrancelle.

De enkelte komponenter i cellen som det er nevnt ovenfor (og omtales i detalj nedenfor) danner sammen i cellen(som vist på fig. 2) avgrensede kammere 10,11,12 og 13 som henholdsvis utgjør et innløp for matelake, et utløp for forbrukt lake og halogen, et utløp for cellevæske og hydrogen, og et innløp for vann eller alkalisk vann. Dimensjonene av anolytt- (eller katolytt-) kamrene bestemmes av avstanden mellom membranen 3 og anodeplaten 1 (eller katodeplaten 2) og av tverrsnittene av den aktive anode (eller katode) av anode- (eller katode-) platearealene som omtalt nedenfor.

Anodeplaten 1 er fremstilt delvis av et filmdannende materiale, fortrinnsvis titan. Den er forsynt med et aktivt anodeom-råde i form av en rekke ribber 14 som bærer et elektrokatalytisk aktivt belegg, f.eks. en blanding av rutheniumoksyd og titandioksyd. Anodeplaten 1 har en utstikkende del 15 for forbindelse til en kilde (ikke vist) for elektrisk strøm. Anodeplaten 1 har en nedre rammedel 16, som avgrenser en åpning 17 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 10 for innløpsmatelake, og en øvre rammedel 18 som avgrenser en åpning 19 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 11 for forbrukt lake og halogen. Anodeplaten 1 har også en rammedel 6 av ikke-ledende materiale som avgrenser en åpning 20 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 13 for innløpsvann eller alkalisk vann, og en rammedel 7 av et ikke-ledende materiale som avgrenser en åpning 21 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 12 for cellevæske og hydrogen. Rammedelene 6 og 7 er fortrinnsvis fremstilt av et plastmateriale, f.eks. polypropylen.

Katodeplaten 2 er helst delvis fremstilt av bløtt stål eller jern, og fortrinnsvis av bløtt stål. Den er forsynt med et aktivt katodeområde i form av en rekke ribber 22, og en utstikkende del 23 for bortledning av den elektriske strøm. Katodeplaten 2 har en nedre rammedel 24 som avgrenser en åpning 25 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 13 for innløpsvann eller alkalisk vann, og en øvre rammedel 26 som avgrenser en åpning 27 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 12 for cellevæske og hydrogen.

Katodeplaten 2 har også en rammedel 8 av et ikke-ledende materialé som avgrenser eh åpning 28 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 11 for forbrukt lake- og halogen, og en rammedel -9 som avgrenser en åpning 29 hvis dimensjoner svarer til tverrsnittet av kammeret 10 for innløpslake. Rammedelene 8 bg 9 blir hensiktsmessig fremstilt av et plastmateriale, f.eks. polypropylen . '••

Skillepakningené 4,5 er laget av et elastomert materiale, f. eks. naturlig eller syntetisk, gummi. Hver skillepakning -4, 5--er. forsynt med fem åpninger, hvis 'dimensjoner hovedsakelig er lik henholdsvis dimensjonene av ribbeområdene til anode-- og katodepla^ tene og dimensjonene av åpningene i anode- og katodeplatene som avgrenser kamrene 10 ,11,'12 og 13;

Skilletetningen'4 er ■ forsynt med slisser'30; og 31 i overflaten 'av platen som rommer- fleksible, korrugerte bånd 32 og 33. Båndene 32 og 33 er passende av et filmdannende materiale, f.eks. titan, eller en polymer, såsom polyvinylidenfluorid. Båndene 32 og 33 avgrenser passasjer mellcm anolyttkammeret og henholdsvis kamrene 11 og 10.

Skilletetningen 5 er forsynt med slisser 34 og 35 som rommer fleksible, korrugerte bånd, hhv. 36 og 37. Båndene 36 og 37 er passende av bløtt stål eller en polymer, f.eks. polyvinylidenfluorid. Båndene 36 og 37 avgrenser passasjer mellom katolytt-k amme ret. og hhv. kamrene 13 og 12.

Tetningene (ikke vist) som ligger inntil endeplatene kan være laget av et elastomert materiale, f.eks. naturlig eller syntetisk gummi, og kan ha ytre dimensjoner maken til skilletetningene 4 og 5 bortsett fra at tetningene ikke er forsynt med åpninger.

Cellen er hensiktsmessig forsynt med innløpskanaler (ikke vist) for lake (forbundet med kammeret 10) og for vann eller alkalisk vann (forbundet med kammeret 13), og utløpskanaler (ikke vist) for forbrukt lake og halogen (forbundet med kammeret 11) og for cellevæske og hydrogen (forbundet med kammeret 12).

Under drift passerer lake fra kammeret 10 gjennom passasjene som er dannet av det korrugerte bånd 33 i skilletetningen 4 inn i anolyttkammeret og forbrukt lake og halogen passerer gjennom passasjene som er dannet av korrugerte bånd 32 i skilletetningen 4 inn i kammeret 11. Innløpsvann eller alkalisk vann passerer fra kammeret 13 gjennom passasjene som er dannet av det korrugerte bånd 36 i skilletetningen 5 til katolyttkammeret, og cellevæske og hydrogen passerer gjennom åpningene som er dannet av det korrugerte bånd 37 i skilletetningen 5 til kammeret 12. Kamrene 11 og 12 er forbundet med samletanker (ikke vist), fra hvilke halogen og hydrogen frigjøres.

Celle av den type som er vist på fig. 1 og 2, er vist skjematisk på fig. 3 for å illustrere en anordning av anodeplater 38 (svarende til anodeplatene 1 på fig. 1 og 2) som alternerer med tatodeplater 39 (svarende til katodeplatene 2 på fig. 1 og 2), med membraner 40 anordnet mellom anodeplatene 38 og katodeplatene 39. Fig. 3 viser også tetningene 41 (svarende til skilleplatene 4,5 på fig. 1 og 2).

På fig. 4 er vist skjematisk en celle for å illustrere et alternativt arrangement av alternerende par av anodeplater 42 og par av katodeplater 43 i kombinasjon med membraner 44 og tetninger 45.

Bruken av cellen i henhold til oppfinnelsen skal forkla-res nærmere ved det følgende eksempel:

EKSEMPEL

En membrancelle i henhold til oppfinnelsen ble forsynt med en anodeplate 1 med titanribber (hver 0,75 mm tykk) belagt med en blanding av rutheniumoksyd og titandioksyd, en katodeplate 2 med ribber av bløtt stål (hver 0,75 mm tykk), og en "Nafion"-membran (en membran av perfluorsulfonsyre fremstilt og solgt av du Pont under varemerket "Nafion", med tykkelse 0,3 mm). Lengden av ribbene 14,22 i anode- og katodeplatene, som følger retningen av strømmen, var 15 cm. Anode/katodegapet (mellom yttergrensene for de ribbede overflater) var 2 mm. Avstanden mellom membran-overflatene i en celle av denne type som inneholder mer enn en membran, vil være 6 mm. Skilletetningene 4,5 ble fremstilt av syntetisk gummi.

Cellen ble matet med natriumkloridoppløsning (300 g/liter NaCl) med en hastighet på 5 liter/time, og en strøm på 500 A (svarende til en strømtetthet på 3,5 kA/m 2) ble ledet gjennom cellen. Cellens arbeidsspenning var 4,0 volt. Det fremstilte klor inneholdt 91-9 3 vekt% Cl2 og 6-8 vekt% 02. Det fremstilte natriumhydroksyd inneholdt 20 vekt% NaOH. Cellen arbeidet med en strømeffektivitet på 83%.

Claims

<1>. Monopolar elektrolytisk f il terpressecelle til bruk ved elektrolyse av en vandig oppløsning av alkalimetallhalogenid for fremstilling av en vandig oppløsning av alkalimetallhydroksyd, halogen og hydrogen, hvilken celle omfatter en rekke vertikalt anordnede, fleksible anodeplater (1) og fleksible katodeplater (2) og en kationpermselektiv membran (3) anordnet mellom hver tilstø-tende anodeplate (1) og katodeplate (2), karakterisert ved at hver anodeplate (1) er delvis fremstilt av et elektrisk ikke- ledende materiale (6,7) og med en anodedel (14) dannet av et filmdannende metall som har et elektrokatalytisk aktivt belegg på sin overflate, hvor hver katodeplate er laget delvis av et elektrisk ikke-ledende materiale (8,9) og med en metallisk katodedel (22), hvor en ikke-ledende, fleksibel skilleplate (4,5) er anordnet mellom hver membran (3) og tilstøtende anodeplate (1) og mellom hver membran (3) og tilstøtende katodeplate (2), og hvor anodeplatene, katodeplatene og skilleplatene alle har åpninger (17,19, 20,21,25,27,28,29) som avgrenser fire separate kamre (10,11,12,13) på langs av cellen og som henholdsvis utgjør et innløp for alkalimetallhalogenid, et utløp for alkalimetallhalogenid og halogen, et innløp for vann eller alkalisk vann og et utløp for alkalimetallhydroksyd og hydrogen, hvor skilleplatene (4,5) er forsynt med passasjer (32,33,36,37) i sine vegger som i cellen forbinder kamrene som utgjør et innløp (10) for alkalimetallhalogenid og et ut-løp (11), for alkalimetallhalogenid og halogen med anolyttkamrene som avgrenses av rommene mellom membranene (3) og tilstøtende anodeplater (1), og som forbinder kamrene som utgjør et innløp (13) for vann eller alkalisk vann og et utløp (12) for alkalimetallhydroksyd og hydrogen med katolyttkamrene, som avgrenses av rommene mellom membranene (3) og tilstøtende katodeplater (2), at cellen er forsynt med endeplater som danner endevegger for kamrene (10,11,12,13), og at de elektrisk ikke-ledende deler (6,7;8,9) av anodeplatene (1) og katodeplatene (2) isolerer elektrisk de fire separate langsgående kamre (10,11,12,13) slik at innløp (10) for alkalimetallhalogenid og utløp (11) for alkalimetallhalogenid og hydrogen, er isolert fra innløp (13) for vann eller alkalisk vann og utløp (12) for alkalimetallhydroksyd og hydrogen.
2. Celle ifølge krav 1, karakterisert ved at endeplatene omfatter en endeanodeplate og en endekatodeplate.
3. Celle ifølge krav 1 eller 2, med anodeplater som har en anodedel og åpninger i platen, karakterisert ved at fire åpninger (17,19,20,21) er avgrenset av anodeplatenes (1) rammedeler (6,16) og at åpningene er anordnet i par (17,21,19,20), et par på hver side av platenes anodedel (14) .
4. Celle ifølge krav 3, karakterisert ved at åpningene (17,19) i anodeplatene (1) som i cellen utgjør en del av kamrene (10) for innløp av alkalimetallhalogenid og en del av kamrene (11) for utløp av alkalimetallhalogenid og halogen i cellen, er avgrenset av metallrammedeler (16,18) av det samme filmdannende metall som det i anodedelen (14) av anodeplaten (1), og at åpningene (20,21) i anodeplaten (1) som i cellen utgjør en del av kammeret (13) for innløp av vann eller alkalisk vann og en del av kammeret (12) for utløp av alkalimetallhydroksyd og hydrogen, er avgrenset av rammedeler (6,7) av et elektrisk ikke-ledende materiale.
5. Celle ifølge krav 4,karakterisert ved at anodedelen og åpningene (17,19) er avgrenset av metallrammedelene (16,18), som er fremstilt av en enkel tynn plate av filmdannende metall.
6. Celle ifølge krav 5, karakterisert ved at det filmdannende metall er titan.
7. Celle ifølge et eller flere av de foregående krav, karakterisert ved at anodeplatens anodedel (14) er i form av sjalusiribber.
8. Celle ifølge krav 7, karakterisert ved at ribbene (14) er innrettet slik at deres langsgående akser er parallelle med hverandre og anordnet vertikalt.
9. Celle ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det elektrokatalytisk aktive belegg omfatter en blanding av et platinametalloksyd og et filmdannende metalloksyd.
10. Celle ifølge krav 9, karakterisert ved at belegget omfatter en blanding av rutheniumoksyd og titandioksyd.
11. Celle ifølge et av kravene 1-10 med rammedel og åpninger i katodeplaten, karakterisert ved at åpningene (25,27) i katodeplaten (2) som i cellen utgjør en del av kammeret (13) for innløp av vann eller alkalisk vann og en del av kammeret (12) for utløp av alkalimetallhydroksyd og hydrogen, er avgrenset av metallrammedeler (24,26) av samme metall som i katodeplatens katodedel (22), og at åpningene (28,29) i katodeplaten som i cellen utgjør en del av kammeret (13) for innløp av alkalimetallhalogenid og en del av kammeret (12) for utløp av alkalimetallhalogenid og halogen, er avgrenset av rammedeler (8,9) av et elektrisk ikke-ledende materiale .
12. Celle ifølge krav 11, karakterisert ved at katodedelen (22) og åpningene (25,2 7) avgrenses av metallrammedelene (24,26) som er fremstilt av en enkelt tynn metallplate.
13. Celle ifølge krav 12, karakterisert ved at metallet er bløtt stål.
14. Celle ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at katodeplatens katodedel 22 er i form av sjalusiribber.
15. Celle ifølge krav 14, karakterisert ved at ribbene (22) er innrettet slik at deres langsgående akser er parallelle med hverandre og vertikalt anordnet.
16. Celle ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at hver skilleplate (4,5) er identisk r form og stør-relse med hverandre og har ytre dimensjoner som svarer til anodeplatenes og katodeplatenes dimensjoner.
17. Celle ifølge krav 16, karakterisert ved at hver skilleplate (4,5) er forsynt med en sentral åpning som har dimensjoner svarende til anodeplatens (1) anodedel (14) og katodeplatens (2) katodedel, hvor de fire åpninger som danner en del av-kamrene (10,11,12,13) som er anordnet på langs av cellen, er avgrenset av skilleplatens rammedeler og er anordnet i par, et par på hver side av den sentrale åpning i skilleplaten.
18. Celle ifølge krav 17, karakterisert ved at passasjene (32,33,36,37) i skilleplatenes (4,5) vegg utgjøres av slisser i veggene, slik at anolyttkamrene er. forbundet med inn-løpskammeret (10) for alkalimetallhalogenid og kammeret (11) for utløp av alkalimetallhalogenid og halogen, og katolyttkamrene er forbundet med innløpskammeret (13) for vann eller alkalisk vann og kammeret (12) for utløp av alkalimetallhydroksyd og hydrogen.
19. Celle ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at skilleplaten (4,5). er fremstilt av polyvinylidenfluorid eller polypropylen.
20. Celle ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at cellen er utstyrt med tetninger eller pakninger av elastomert materiale med størrelse og form som svarer til skilleplatenes (4,5), og som er anordnet mellom platene og/eller mellom platene og membranene.
21. Celle ifølge krav 20, karakterisert ved at hver skilleplate (4,5) er laget av et elastomert materiale og tjener som kombinert skilleplate og tetning eller pakning, og at passasjene (32,33,36,37) i platen er i form av en fjærinnretning inkorporert i skilleplaten og omfattende et pressestykke laget av anode- eller katodemateriale eller et støpestykke av fleksibelt polymermateriale.
22. Celle ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at membranen (3) omfatter en perfluorsulfonsyre basert på en hydrolysert kopolymer av polytetrafluoretylen og en fluorsulfonert perfluorvinyleter.
23. Celle ifølge et av de foregående krav, hvor enkle anoder (1) alternerer med enkle katoder (2)med membraner (3) anordnet mellom suksessive anoder og katoder,karakterisert ved at hver anodes (1) og hver katodes (2) lengde i den retning som følger den elektriske strøm, er fra 15 til 60 cm.
24. Celle ifølge et av de foregående krav, hvor par med anoder (1,l)alternerer med par med katoder (2,2) med membraner (3)anordnet mellom sukssive anodepar og katodepar, karakterisert ved at hvert anodepars (1,1) og hvert katodepars (2,2) lengde i den retning som følger den elektriske strøm er fra 30 til 50 cm.
25. Celle ifølge et av kravene 1-22, karakterisert ved at hver anodes og hver katodes lengde i den retning som følger den elektriske strøm, er fra 15 til 25 cm.