NO167470B - Fremgangsmaate for elektrolyse av flytende elektrolytter. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for elektrolysering av flytende elektrolytter av den art som angitt i innledningen til krav 1.

Det er kjent et stort antall elektrolyseprosesser med ikke-delte elektrolyseceller og elektrolyseceller delt ved hjelp av skillevegger, ved hvilke gassen i elektrolytten blir frigjort. Formålet med foreliggende oppfinnelse er å redusere den negative virkningen av en slik blærestyring. Ved mange av disse prosessene blir det ifølge teknikkens stilling de direkte kontakterende elektrodene dyppet vertikalt ned i elektrolyttvæsken for å tilveiebringe en kompakt enhet. Spesielt ved delte elektrolyseceller, ved hvilke gass utvikles både på anode- og katodesiden anvendes denne oppbygningen. Gassblærene forstyrrer imidlertid elektrolyseprosessen på mange måter. Spesielt skal det her nevnes:

Økning av det ohmske spenningsfallet,

blokkering av elektrodene og skilleveggene,

ujevn strømbelastning mellom den øvre og nedre delen, trykkvariasjoner mellom anolyttkammeret og katolytt-kammeret ved varierende gassinnhold ved delte elektrolyseceller ,

vibrasjon som følge av masseforskyvning av store

blærer i tofasestrømningen,

høyfrekvente trykkvariasjoner forårsaket av tofase-strømningen ved de forsnevrede utløpsåpningene, trykkvariasjoner som følge av endringer i strømbe-lastningen.

Tofasestrømningen påvirker ikke bare de elektrokje-miske betingelsene, men også fastheten og levetiden til komponentene .

Ifølge fransk patentsøknad 2 514 376 er det kjent en elektrolysefremgangsmåte hvor elektrolysecellen er delt ved hjelp av skillevegger og hvor elektrolytten blir ledet som film over overflaten til en elektrode som følge av påvirkningen av tyngdekraften. Eventuelt gass som oppstår kan unn-slippe gjennom hull i de derover anordnede strekkmetall-elektrodene. Her er imidlertid ikke nevnt hvorledes fremgangsmåten skal utføres for gassutviklende tekniske elektrolyseprosesser.

Det er blitt forsøkt en rekke med andre tiltak for

å redusere ovenfor nevnte forstyrrelser. Kjent er følgende tiltak:

Reduksjon av høyden,

anvendelse av elektroder med åpninger,

økning av kammeret bak elektrodene,

resirkulering av elektrolytten i forbindelse med en gassutskiller.

Disse tiltakene øker imidlertid apparatkostnadene og enhetens størrelse og reduserer kun noen av de nevnte forstyrrelser.

Oppgaven til oppfinnelsen er å unngå de hydrostatiske og hydrodynamiske virkningene og å redusere påvirkningen av komponenthøyden på gassblæreinnholdet til elektrolytten og å redusere kammerets størrelse bak elektroden.

For å løse ovenfornevnte oppgave er det tilveiebrakt en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

Ved en utforming av fremgangsmåten får elektrolytten strømme slik at begge elektrodene, den åpne elektroden og en skillevegg eller skilleveggene blir fuktet.

Elektrolytten kan også bevirkes til å strømme delvis gjennom skilleveggen, oppdemmes flere ganger eller strømme ved siden av hverandre i flere kanaler.

Elektrolytten kan også bli delvis meanderformet av-bøyd.

Med en åpen elektrode forstås en elektrode som har åpninger som er større enn diameteren til de gassblærene som dannes, slik at åpningen ikke blir blokkert av de enkelte gassblærene. Egnede elektroder er f.eks. hullblikk, strekk-metall, trådvevninger, elektroder av enkelte staver eller blikkstrimler, såkalte spaghetti-elektroder. Elektroder med innarbeidede fordypninger, i hvilke gassen kan bli trykket ut, er også egnet. Den åpne konstruksjonen av elektrodene kan også være således utformet at den her nedover-strømmende elektrolytten blir oppdemt flere ganger. Elektroden kan også være fremstilt av et porøst materiale.

Som motelektrode kan det bli anvendt elektroder med lukket eller åpen struktur. Også gassdiffusjonselektroder er egnet. Som skillevegg kan det bli anvendt diafragmaer eller ioneutvekslingsmembraner. Skilleveggene kan være opp-bygde av flere lag. Elektrolysecellen kan også være delt i flere kammer ved hjelp av skillevegger.

Ved den delte elektrolysecellen kan begge sidene drives etter den foreslåtte fremgangsmåten eller også bare en side, idet den andre siden blir drevet etter teknikkens stilling.

Elektrodene kan også være plane eller krummede. Elektrodene skal ha en liten avstand i forhold til motelektroden eller til skilleveggen eller mer eller mindre ligge fullstendig mot skilleveggen. De kan også være mekanisk forbundet med denne. For fiksering av avstanden mellom elektroden og motelektroden henholdsvis elektroden og skilleveggen kan bli benyttet i og for seg kjente avstandsholdere. En for stor avstand mellom motelektroden eller skilleveggen vil føre til en unødvendig stor elektrolyttgjennomstrømning, da det må tilveiebringes en ioneledende forbindelse mellom elektrode og motelektrode henholdsvis elektrode og skillevegg. Elektrolytten kan også helt eller delvis strømme på baksiden av elektroden. De oppstående gassblærene avgir ved sin sprekking ved fasegrensen deres gassinnhold til gassrommet tilliggende på siden i forhold til hovedstrømningsretningen. Ved flatt-formede elektroder er rommet bak elektrodene.

Det finner altså sted en faseskiller direkte i den nedfallende væskefilmen. Ved sprekking av blærene kan eventuelt medrevne elektrolyttdråper bli ført tilbake til elektroden ved hjelp av skrå anordnede blikk, som også kan tjene til strømtilførsel. Elektrolytten og gassen kan, da de stort sett er adskilt, bli fjernet enkeltvis. Elektrolytten skal strømme til elektroden over den totale bredden. Innretninger, som f.eks. fordelerrenner for dette formål er i og for seg kjent.

Elektrolytten kan også strømme mellom skilleveggene og i spesielle tilfeller også innenfor skilleveggene. For å få en bedre fukting av elektroden og ioneutvekslingsmembranet ved en lav elektrolyttstrøm kan et diafragma være anordnet mellom begge elektrodene. Ioneutvekslingsmembran, diafragma og elektrode kan ligge tett mot hverandre. Ved store elek-trolyttgjennomganger kan det imidlertid være hensiktsmessig å la det være en spalte mellom ionevekslermembranet og dia-fragmaet, gjennom hvilken elektrolytten kan strømme. Elektrolytten forblir da stort sett blærefri.

Ved elektrolyseceller med flere kammer, som f.eks. ved elektrodialyse av sjøvann, ved hvilken anordnet veksel-vis katione- og anioneutvekslingsmembran kan elektrolytten også strømme mellom disse skilleveggene.

Elektrolytten kan også strømme meanderformet nedover elektrodene. Dette kan tilveiebringes f.eks. ved hjelp av en tilsvarende utforming av avstandsholderne eller elektrodene.

Ved en tilsvarende utforming av avstandsholderne

eller elektrodene kan det også bli tilveiebragt at elektrolytten strømmer nedover i flere kanaler.

For at elektrolytten kan strømme slik som foreslått ifølge foreliggende oppfinnelse må elektrodene og skilleveggene være anordnet slik at det forefinnes et visst fall karakterisert ved vinkelen a i forhold til horisontalplanet. Vinkelen a må være større enn 0 og mindre enn 180°. En a større enn 90° ville bety at elektrolytten ville strømme ved undersiden av den åpne elektroden. Den ioneledende forbin-delsen i forhold til motelektroden henholdsvis skilleveggen må derved bli sikret ved hjelp av kapillarkrefter. Det betyr at det må forefinnes en hydrofil overflate. Dersom det er ønskelig med en spalte mellom elektrode og skillevegg må denne være liten. Også den tillatelige elektrolyttgjennom-strømningen er i dette tilfelle begrenset. Det er derfor fordelaktig å velge en vinkel a mellom 0 og 90°. Som følge av en enkel og oversiktlig apparatoppbygning er det å fore-trekke at vinkelen a er tilnærmet 90°, spesielt da når elektrolysecellen på anode- og katodesiden skal bli drevet i samsvar med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan anvendes på alle elektrolyser ved hvilke det oppstår gassblærer i en flytende elektrolytt, som f.eks.:

Alkaliklorid-elektrolyse,

saltsyre-elektrolyse,

vann-elektrolyse,

- smeltestrøm-elektrolyse,

klorat-elektrolyse.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er anvendbar ved ikke-delte elektrolyseceller.

Den foreslåtte fremgangsmåten er også egnet for sekundær-reaksjoner innenfor elektrolysecellene, f.eks. ved fremstilling av propylenoksyd av propylen over det i og for seg kjente halogenmellomtrinnet.

Ved natronklorid-elektrolyse kan f.eks. vises tyde-lige fordeler i forhold til teknikkens stilling: Ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på begge sider av en elektrolysecelle delt ved hjelp av et ioneutvekslermembran eller diafragma kan liktblivende eller svært små forskjellstrykk bli innstilt mellom katolyttrommet og anolyttrommet, da hydrodynamiske og hydrostatiske vibra-sjoner og trykkforskjeller ikke mer opptrer.

Da det er tale om et gasstrykk er trykket i øvre og nedre del av elektrolysecellen nesten likt. Den ikke-ønskede blandingen av anolytt og katolytt kan derfor ved diafragma-fremgangsmåten reduseres til et minimum. Som følge av den lave mekaniske påvirkningen av elektroden og skilleveggene kan det anvendes en finere elektrodestruktur og et tynnere ioneutvekslingsmembran, noe som betyr en reduksjon av det ohmske spenningsfallet.

Da friksjonen mellom elektroder og skillevegger som følge av vibrasjon bortfaller er en lengre levetid for de følsomme sjiktene til membran og elektrodene mulig. Ved anvendelse av gassdiffusjonselektroder blir en struktur-oppløsning som følge av vibrasjon forhindret. Som følge av den korte transportveien til gassblærene til gassrommet er gassinnholdet til elektrolytten lavt og er nesten likt både oppe og nede i elektrolytten, noe som virker gunstig på strømfordelingen og det ohmske spenningsfallet. Da elektrolytten og gassen strømmer adskilt fra hverandre er det mulig å anvende mye høyere strømningshastighet. Dette fører til et kun par millimeter dypt gassrom bak elektrodene. Det er derfor mulig å fremstille svært høye og flate celleenheter.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvis-ning til tegningene, hvor: fig.. 1, 2, 3, 14, 15 viser ikke-delte anordninger. Fig. 4, 5, 6/7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 16 viser anordninger som er delt av skillevegger, idet fig. 6, 10, 11, 12, 13 viser anordningen uten motelektrode.

På tegningene er anordningene av elektrodene, skilleveggene og avstandsholderne vist. Elektrodeledende forbindel-ser til strømkilden, huset til elektrolysecellen, rørled-ning og lignende er ikke vist da dette er i og for seg ålment kjente trekk. For å forenkle: figurene er anordningen kun vist ved a = 90°.

På fig. 1 er vist to åpne elektroder 3 og 4, som er fastholdt ved hjelp av skiveformede avstandsholdere 5. Som avstandsholdere 5 kan det også anvendes nett eller tråder. Elektrolytten 1 blir tilført ved den øvre kanten til elektrodene og strømmer nedover idet elektrodene blir fuktet. Derved kan også en del av elektrolytten 1 strømme ned ved baksiden av elektrodene 3 og 4.

Anordningen på fig. 2 og 3 tilsvarer stort sett den på fig. 1. På fig. 2 har imidlertid elektroden 4 en lukket struktur. På fig. 3 består elektroden 4 av en gassdiffusjons-elektrode.

Fig. 4 viser en anordning delt av en skillevegg 6. Elektrolytten 1a og 1b strømmer i adskilte rom, idet henholdsvis en elektrode og en skillevegg 6 blir fuktet. Avstanden til komponentene 3, 4 og 6 kan bli fiksert ved hjelp av avstandsholdere som på fig. 1. På fig. 5 ligger elektrodene 3 og 4 direkte på skilleveggen 6. Det er i dette tilfelle således en såkalt nullavstand. Elektroden 3 er her vist som en trådvevnad. Størstedelen av elektrolytten 1a og 1b som strømmer bak elektroden blir følgelig stadig blandet som følge av den åpne strukturen til elektrodene 3 og 4 og transporterer de derved oppstående gassblærene til grensen for gassrommet. På fig. 6 er elektroden 3 forbundet mekanisk direkte med skilleveggen. Elektrolytten 1b strøm-mer her fullstendig på baksiden av elektroden 3.

Fig. 7 viser en anordning med to skillevegger 6 og

2. Elektrolytten 1b strømmer fortrinnsvis mellom skilleveggene 6 og 2, som hensiktsmessig blir fiksert ved hjelp av avstandsholdere som vist på fig. 1. Det skal her nevnes at den fritt tilstrømmende elektrolyttmengden er fastlagt av geometrien og stoffegenskapene. Dette kan føres tilbake til f.eks. dannelsen av overløp ved tilførselsstedet til elektrolytten. Elektrolytten 1b er i kontakt med elektroden 3 som følge av skilleveggen 2 utformet som diafragma. Stoffutveks-lingen foregår stort sett ved diffusjon. Gassblærene oppstår ved berøringsstedet mellom elektroden 3 og det elektrolytt-fylte diafragma 2 og kan avgi deres gassinnhold til det mot siden grensende gassrommet. Fig. 8 viser en anordning med skillevegg 6, som er således utformet at elektrolytten 1 i det minste delvis strømmer gjennom skilleveggen 6. Elektrodene 3 og 4 ligger an mot skilleveggen 6. Anordningen er fortrinnsvis egnet for lavt elektrolyttbehov, f.eks. ved vannelektrolyse. Fig. 9 viser en anordning for en delt elektrolysecelle, ved hvilken elektrolytten 1a og 1b flere ganger blir oppdemmet. Elektroden 3 består av en blikkstrimmel, som er anordnet i et område så tett mot skilleveggen 6 at det oppstår strupninger. Derved blir en del av elektrolytten tvun-get til å strømme over den øvre kanten til blikkstrimmelen. En lignende virkning blir tilveiebragt ved horisontalt anordnede stråder, av hvilke elektroden 4 er oppbygd. Ved

hjelp av avstandsholderne 5 kan virkningen til strupestedene bli innstilt.

På fig. 10 og 11 er vist en elektrode, ved hvilken åpningene ikke er ført gjennom til baksiden. Fig. 10 viser et vertikalsnitt og fig. 11 et horisontalt snitt gjennom samme anordning. Ved hjelp av den spesielle utformingen av elektroden strømmer elektrolytten 1b i kanaler nedover, idet skilleveggen 6 og en del av elektroden 3 blir fuktet. Denne delvise fuktingen kan bli tilveiebragt ved at det til skilleveggen 6 tilliggende område av elektroden 3 er hydrofilt og det fjernest liggende område er hydrofobt utformet. En annen mulighet består i å drive anordningen med en vinkel a < 90°. Gassrommet som grenser på siden mot hovedstrømningsretnin-gen til elektrolytten blir herved selv innelukket av elektroden 3. Denne elektrodearten kan samtidig tjene som bipolar skillevegg. Fig. 12 viser et horisontalsnitt av en anordning ved hvilken elektrolytten 1b også strømmer nedover i kanaler. Elektroden 3 er her utformet av tråder. Elektroden 3 kan sem vist bli delvis fuktet eller helt. Fig. 13 viser også et horisontalsnitt. Elektroden 3 består av et porøst materiale og er anordnet i strimler ved siden av hverandre. De enkelte strimlene frilegger løkker gjennom hvilke gassblærer kan avgi sitt gassinnhold til det på siden angrensende gassrom. En del av den dannede gassen kan derved komme vinn i gassrommet gjennom porene til elektroden 3. Fig. 14 viser en ikke-delt anordning ved hvilken elektrodene 3 og 4 som er oppbygd av mange tråder er kamlignende tredd inn i hverandre. Elektrodene og motelektrodene ligger derved ikke ved siden av hverandre, men under hverandre. Anoden er betegnet med "+"-tegn og katoden med et tegn. Elektrolytten 1 strømmer på tvers av trådene. Elektrolytten 1 kan også strømme parallelt i forhold til trådene. Fig. 15 skiller seg kun fra fig. 14 ved at den viser en annen profil på trådene. Fig. 16 viser en anordning av elektroder 3 og mot-

elektroder 4 som er skilt av en skillevegg 6, ved hvilken enkelte tråder til elektrodene også er tredd kamlignende inn i hverandre. Strømningsretningen til elektrolytten 1a og 1b kan også forløpe parallelt i forhold til trådene.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for elektrolysering av flytende elektrolytter med gassblæredannelse i elektrolytten i ikke-delte eller i det minste av en skillevegg delt elektrolysecelle, ved hvilken i det minste en elektrode er åpen, karakterisert ved at elektrolytten, under utnyttelse av tyngdekraften, bringes til å strømme i tynnsjikt over minst en elektrode og/eller minst en skillevegg.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å strømme i det minste delvis gjennom skilleveggen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å strømme slik at den blir flere ganger oppdemt.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å strømme ved siden av hverandre i flere kanaler.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at elektrolytten bringes til å bli ombøyd delvis meanderformet.