NO172946B - Fremgangsmaate og apparat for aa foere elektrolytt til og fra en bipolart koblet elektrolysecelle - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å føre elektrolytt til og fra en bipolart koblet elektrolysecelle, hvor de enkelte elektrolysecellene innbyrdes, og i forhold til de elektrolyttførende samleledningene, er galvanisk adskilt ved hjelp av dråpestrekninger. Oppfinnelsen vedrører videre et elektrokjemisk apparat til gjennomføring av denne f remgangsmåten.

Fremgangsmåten egner seg for alle elektrokjemiske prosesser, hvori en elektrolytt må tilføres eller bortføres i flytende form. Anvendelsesområder er elektrolyse, elektrodialyse og drift av brennstoffceller og batterier. Fremgangsmåten er anvendbar på delte og udelte celler. Cellene kan være koblet bipolart eller monopolart. Den er såvel anvendbar på cellekonstruksjoner med oppadgjennomstrømmende elektrolyttrom som på såkalte fallfilmceller, hvor elektrolytten under utnyttelse av tyngdekraften i tynt sjikt renner på elektrodene .

Tilknyttes elektrokjemiske celler som arbeider på forskjellige spenningsnivåer til en elektrolyttførende samleledning, oppstår elektriske tapsstrømmer som nedsetter lønnsomheten og forårsaker korrosjonsskade på celler og perifere anleggsdeler. For å holde tapsstrømmene ved bipolart koblede celler minst mulig, tilslutter man enkeltcellene til samleledninger over lange, tynne kunststoffledninger. Disse forholdsregler er ikke helt tilfredsstillende for store industrielle anlegg med flere hundre volts spenning for en bipolar cellepakke. De lange tynne tilslutningsledninger hindrer dessuten innstillingen av et konstant trykk i cellen og fører, spesielt ved tofasestrømmer, til trykksvingninger.

Ifølge US-patent nr. 4032424 er det kjent en innretning til å avbryte den elektriske strømmen gjennom en blandingsstrøm av gass og væske, som spesielt innebygges i utløpsledningen av membranceller. Anordningen består i det vesentlige av en innretning med hvis hjelp væskestrømmen kan omdannes i en dråpestrekning. Uheldig er ekstra arbeid for en ytterligere innretning i membranelektrolysecellens til— og bortføringer.

Oppfinnelsens oppgave består i å fjerne de elektriske tapsstrømmer ved til— og bortføring av elektrolytter ved en enkel fremgangsmåte, respektivt ved hjelp av en enkel plassbesparende anordning.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer følgelig en fremgangsmåte for å føre elektrolytt til og fra bipolart koblede elektrolyseceller, hvor de enkelte elektrolysecellene innbyrdes, og i forhold til de elektrolyttførende samleledningene, er galvanisk adskilt ved hjelp av dråpestrekninger, kjennetegnet ved at elektrolytten på inngangssiden av et elektrolyttrom dekomponeres til dråper, som fortrinnsvis tilføres over det samlede tverrsnittet av en cellepakke til de enkelte elektrolyttrommene og at elektrolytten på utgangssiden av elektrolyttrommene, over det samlede tverrsnittet av cellepakken, for andre gang dekomponeres til dråper som føres bort.

Oppfinnelsen tilveiebringer videre et bipolart koblet elektrokjemisk apparat med tilførselsrør og avløpsrør, hvor de enkelte elektrolysecellene innbyrdes, og i forhold til de elektrolyttførende samleledningene, er galvanisk adskilt ved hjelp av dråpestrekninger, kjennetegnet ved at apparatet på inngangsside av et elektrolyttrom oppviser innretninger som under drift dekomponerer elektrolytten til dråper således at det mellom denne innretning og cellepakken dannes en dråpestrekning, og innretningen er fortrinnsvis anordnet over det samlede tverrsnittet av en cellepakke, og at det på utgangssiden av elektrolyttrommene, fortrinnsvis over hele tverrsnittet av cellepakken, er anordnet innretninger som dekomponerer elektrolytten til dråper for andre gang, og dråpene passerer en ny dråpestrekning og fjernes fra apparatet over en utløpssamleledning.

Elektrolytten tilføres altså til cellen over en dråpestrekning og forlater cellen likeledes over en dråpestrekning. Dråpestrekningene kan være innrettet inne i eller utenfor cellepakken. Den romlige anordning av elektroden er vilkårlig, fortrinnsvis er den imidlertid vertikal.

Ifølge oppfinnelsen muliggjøres en fullstendig galvanisk adskillelse av elektrolyttrommene fra de til— og bortførende samleledninger, og man unngår på enkel måte energitap og korrosjon. Oppfinnelsens gjenstand kan også anvendes ved meget tynne celler, som eksempelvis fallfilmceller. Ved realisering av dråpestrekningen innenfor en trykkbeholder fremkommer dessuten ytterligere økonomiske fordeler.

Oppfinnelsen skal eksempelvis beskrives under henvisning til tegningens fig. 1-7. Det vises bare bipolare anordninger. Innretninger til innspenning og avstøtting av cellepakkene er ikke vist. Beholdere hvori cellepakkene er anordnet er bare vist skjematisk. Figur 3 viser en anordning med oppadgjen-nomstrømmet indre rom, alle andre figurer viser såkalte fallfilmceller.

Figur 1 viser en udelt cellepakke med gjennombrutte elektroder i en beholder,

fig. 2 viser en cellepakke i en beholder med delte elektrolyttrom med blikk i anoderommet av en membranelektrolytt-celle,

fig. 3 viser en cellepakke som fig. 2, imidlertid med oppadgjennomstrømmet indre rom,

fig. 4 viser et lengdesnitt av en cellepakke med innvendig liggende dråpestrekning med blikk mot anoden,

fig. 5 viser snittet V-V på fig. 4,

fig. 6 viser en cellepakke med flere ganger oppdelte elektrolyttrom for forskjellige elektrolyttyper,

fig. 7 viser snittet VII-VII på fig. 6.

Figur 1 viser en udelt elektrolysecelle med gjennombrutte elektroder 8, 9 som er egnet for kloratproduksjon. Cellepakken i bipolar kobling er anordnet i en beholder 7. Saltoppløsningen fra samleledningen 2 oppdeles ved hjelp av innretninger 6 i dråper, således at det mellom denne innretning 6 og cellepakken dannes en dråpestrekning 1. Ved en takaktig oppbygging sørges det for at elektrolytten kommer på elektroden 8 og 9. Elektrolytten strømmer nedover under fuktning av begge elektroder. Den fra den tynne elektrolytt-film på baksiden av elektroden uttredende gass kan unnvike nedad, men også sideveis. Den fjernes fra beholderen 7 ved hjelp av ledning 10. Elektrolytten danner ved avdrypning fra elektroden en dråpestekning 1' og forlater beholderen 7, eventuelt sammen med den dannede gass, over samleledningen 3. Elektrodene fikseres ved hjelp av her ikke viste avstands-holdere. Den viste anordning lar seg også anvende for prosesser hvor det ikke dannes gass. Anordningen etter det såkalte fallfilmprinsipp er meget kompakt og lar seg derfor lett integrere i beholderen 7.

Ved anordningen ifølge fig. 2 skaffes to ved hjelp av veggene 20, 20' fra hverandre adskilte gassrom 27 og 28. Herved kan det fremstilles spesielt enkle brennstoffceller og elektrolyseceller. Det gjelder også for elektrolyseceller med gassdiffusjonselektroder, som eksempelvis en oksygenfor-tærende elektrode ved alkalikloridelektrolysen. For sist-nevnte tilføres anolytten - saltoppløsningen - gjennom samleledning 2 til innretningen 6 til frembringelse av dråper. Derifra kommer saltoppløsningen i form av dråper på den venstre cellehalvdel. Saltoppløsningen føres gjennom boringer 23 i en fordelerrenne som består av en gjennombrutt list 26 med et derover befinnende rom 24 til fordeling av saltoppløsningen over cellebredden. Saltoppløsningen strømmer gjennom et flertall av åpninger av listen 26 på anoden 9. Der renner den under fuktning av membranen og anoden 9 som fallfilm. Gjennom boringen 25 kommer saltoppløsningen dannende en dråpestrekning 1' inn i beholderen 7 og kan fjernes gjennom samleledning 3. Den dannede klorgass kommer over gjennombrudd 22 ved anoderommet 21 Inn i gassrommet 27 og bortføres over ledning 10. Katolytten, som over samleledning 4 og innretning 6' når cellepakken, strømmer analogt fra anolytten under fuktning av membranen og katoden tilbake i beholderen 7 og bortføres over ledning 5. Hydrogen uttas over ledning 11 fra gassrommet 28. Katoderommet er utformet på samme måte som det tidligere omtalte anoderom. De der omtalte åpninger 23, respektivt 25, er imidlertid anbragt speilbildeformet.

Figur 3 viser en modifikasjon av anordningen ifølge fig. 2 for celler med oppad gjennomstrømmede elektrolyttrom. Anordningen forklares likeledes ved alkalikloridelektrolysen som et eksempel. Anolytten fra samleledning 2 kommer over innretninger 6, f.eks. dyser, dråpestrekningen 1 og åpningene 23 inn i rommet 24. Derifra strømmer den nedad i et rør 30. Den gassholdige anolytt stiger opp og strømmer over rommene 31, 32 nedad i rommet 33. Anolytt og gass trer gjennom boringene 25 inn i gassrommet 27. Ved mindre produksjoner kan rommene 31, 32 og 33 utelates. Gass og elektrolytt kan da gjennom åpninger i rammen 21 og egnede innretninger til frembringelse av dråper komme direkte inn i rommet 27 (ikke vist). Anolytten fjernes over samleledningen 3, gass over ledning 10. Veggene 20, 20' adskiller de to rom 27 og 28 fra hverandre. Katoderommet er utformet på samme måte som det ovenfor omtalte anoderom. De der omtalte åpninger 23 og 25 er da anordnet speilbildemessig.

Ved cellepakken ifølge fig. 4 og 5 er de isolerende dråpestrekninger 1, 1' anordnet inne i cellepakken. Samleledningene 2, 3, 4 og 5 innen denne cellepakke er oppbygget av ringformede deler 40 tilsvarende som ved en platevarme-veksler. Anolytten har bare forbindelse til anoderommet. Dette er isolerende avtettet overfor katoderommet. Utad er anoderommet avtettet ved hjelp av den omløpende ramme 21. Det kan anordnes flere samleledninger 2 for tilførsel av anolytt innen cellepakken. Anolytten strømmer gjennom åpninger 34 inn i rommet 39 og stuer seg på listen 26. Rommet 39 kan være bestanddel av samleledningen 2 og fullstendig være gjennom-strømmet oppad. Åpningene 35 og undersiden av listen 26 er utformet således at anolytten danner en dråpestrekning 1.

Listen 26 har altså den oppgave å fordele elektrolytten jevnt over elektrodebredden og samtidig virke som innretning til frembringelse av dråper. Dråpene faller i gassrommet 37 som begrenses av membranen 12 og den bipolare skillevegg 19 på elektrodene 8, 9. Elektrolytten renner da under fuktning av membranen 12 og elektroden 8, 9 nedad, hvor det treffer på en list 26'. Denne list 26' har en tilsvarende funksjon som den øvre list 26. Den nedre list 26' har ved gassutviklende elektroder imidlertid større åpninger 35' for at gass og elektrolytt sammen kan renne gjennom. Elektrolytten danner i gassrommet 37' igjen en dråpestrekning 1'. Gassrommet kan gjelde som bestanddel av samleledningen 3. Gass og elektrolytt kommer gjennom åpninger 15 inn i samleledningen 3, hvori de sammen fjernes. Den nedre del av rommet 37' er fylt med elektrolytt 38. Samleledningene 4 og 5 for katolytt er avtettet isolerende overfor anolyttrommene. Katolytten føres på samme måte som anolytten gjennom cellepakken. Gjennombrutte elektroder 9 og 8 er tilknyttet strømtilføringer 13 i bipolar kobling. Figur 6 og 7 viser en cellepakke med flere ganger oppdelte rom, for forskjellige elektrolyttyper. Figur 6 er et oppriss som består av et flertall elektrokjemiske enkeltceller 16. Figur 7 er snitt VII-VII på fig. 6 gjennom anoderommet 21 mot anoden 9. Anolytt og katolytt kan innen en cellepakke 16 føres kaskadeaktig i sam— eller motstrøm. Anolytten trer over til samleledning inn i cellepakken og blir ved hjelp av innretningen 6, som er utformet som rørstykke med hull, sprøytet på listen 18 på første tredjedel av cellepakken. Derved oppstår en dråpestrekning 1 i gassrommet 27. Anolytten kommer deretter over åpninger 23 i listen 18 inn i fordeler-rennen, som dannes ved hjelp av rom 24 og den med boringer utstyrte list 26. Derifra strømmer anolytten under fuktning av anoden 9 og membranen nedad, og uttas gjennom åpninger 25 i den nedre list 18' sammen med eventuelt dannet gass i dråpeform i gassrommet 27'. For unngåelse av trykksvingninger er det hensiktsmessig å forbinde øvre og nedre gassrom 27, 27' over en her ikke vist trykkutligningsledning. Rommene 27, 27' er oppdelt ved hjelp av mellomvegger 41, respektivt i tre likeartede kammere. For trykkutligning er mellomveggene 41 utrustet med gjennombrudd 42, 42'. Disse gjennombrudd 42, 42' muliggjør også den adskilte bortføring av gasser fra anolytt— og katolyttrom gjennom rørledningene 10, 11. Den gjennom ledning 2 inntredende anolytt fjernes over ledning 3 og befordres og sprøytes ved hjelp av pumpe 17. Ved enden av kaskaden forlater anolytten cellepakken over ledning 3. Ved kaskadeføring endres konsentrasjonen og temperaturen stadig, således at det oppstår forskjellige anolyttsorter. Katolytten føres analogt til anolytten gjennom ledningene 4 og 5 likeledes kaskadeaktig. Rommene 27 og 27' for dråpestrekningene 1, 1' er gasstett adskilt ved hjelp av skillevegger 20, 20'. Åpningene i listen 18, 18' er for katolytten anordnet speilbildemessig.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for å føre elektrolytt til og fra bipolart koblede elektrolyseceller, hvor de enkelte elektrolysecellene innbyrdes, og i forhold til de elektrolyttførende samleledningene, er galvanisk adskilt ved hjelp av dråpestrekninger, karakterisert ved at elektrolytten på inngangssiden av et elektrolyttrom dekomponeres til dråper, som fortrinnsvis tilføres over det samlede tverrsnittet av en cellepakke til de enkelte elektrolyttrommene og at elektrolytten på utgangssiden av elektrolyttrommene, over det samlede tverrsnittet av cellepakken, for andre gang dekomponeres til dråper som føres bort.

2. Bipolart koblet elektrokjemisk apparat med tilførselsrør (2,4) og avløpsrør (3,5), hvor de enkelte elektrolysecellene innbyrdes, og i forhold til de elektrolyttførende samleledningene (2), er galvanisk adskilt ved hjelp av dråpestrekninger, karakterisert ved at apparatet (7) på inngangsside av et elektrolyttrom oppviser innretninger (6,6',26) som under drift dekomponerer elektrolytten til dråper således at det mellom denne innretning (6) og cellepakken dannes en dråpestrekning (1), og innretningen er fortrinnsvis anordnet over det samlede tverrsnittet av en cellepakke, og at det på utgangssiden av elektrolyttrommene, fortrinnsvis over hele tverrsnittet av cellepakken, er anordnet innretninger (25,26') som dekomponerer elektrolytten til dråper for andre gang, og dråpene passerer en ny dråpestrekning (1') og fjernes fra apparatet (7) over en utløps-samleledning (3).