NO177393B - Elektrolysecelle for reduksjon av oksygen til hydrogenperoksyd, middel for konstruksjon av cellen og fremgangsmåte for fremstilling av en gassdiffusjonskatode for cellen - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrolysecelle for reduksjon av oksygen til hydrogenperoksyd ved en katode i nærvær av en vandig, alkalisk elektrolytt i en celle med et elektrolyttinnløp, et elektrolyttutløp, anordninger for å tvinge elektrolytten fra elektrolyttinnløpet til elektro-lyttutløpet, separasjonsanordninger som deler cellen i et anoderom inneholdende en anode og et katoderom med en porøs, gassgjennomtrengelig katode, og et middel som er anvendelig ved konstruksjon av nevnte elektrolysecelle, og en fremgangsmåte for fremstilling av en gassdiffusjonskatode for nevnte elektrolysecelle med en første katodeflate i kontakt med en elektrolytt i cellen, og en andre katodeflate som danner en øvre flate av cellen.

I over hundrede år har det vært kjent at oksygen kan reduseres ved en katode under dannelse av hydrogenperoksyd. Til tross for den meget lave spenning ved halvcellereaksjonen er fremgangsmåten aldri blitt kommersialisert.

U.S. patenter 4.406.758 og 4.511.441 beskriver en fremgangsmåte for drift av en elektrokjemisk celle hvor det anvendes en gasskatode. Elektrolytten innføres i cellen i anodekammeret hvor det dannes en gass såsom oksygen eller klor. Elektrolytten går så gjennom en skilleanordning inn i en "drypp-sjikts"- eller selv-drenerende katode. Oksygengass innføres også i katoden og reduseres under dannelse av hydrogenperoksyd. Hydrogenperoksydet kan eventuelt spaltes eller oppsamles og anvendes som blekeoppløsning. ■

Begge disse patenter beskriver at den ønskede elektrolytiske reaksjon med gass vil finne sted bare der hvor det er en trefase-kontakt mellom en gass, en elektrolyttoppløsning og en fast elektrisk leder. Patentene lærer at det er nødvendig å utjevne det hydrauliske trykk av elektrolytten på anodesiden av skilleanordningen og på katodesiden av skilleanordningen for opprettholdelse av en regulert strømning av elektrolytt inn i katoden og å holde vedlike okygengass gjennom hele katoden. Porer med tilstrekkelig størrelse og i et tilstrekkelig antall er tilveiebrakt i katoden for at både gass og væske samtidig skal kunne strømme gjennom katoden.

Tilstedeværelsen av oksygen er nødvendig ved en oksygen-katode ikke bare for opprettholdelse av høy effektivitet, men også for å unngå en katastrofal eksplosjon. I nærvær av et alkalimetallhydroksyd er den totale oksygenkatodereaksjon reaksjonen mellom oksygen og vann under dannelse av hydroksyl-ioner og perhydroksyl-ioner (anioner av hydrogenperoksyd, en meget svak syre). Katodereaksjonen er

(1) 202 + 2HzO + 4e~ 2H02" + 20H", og anodereaksjonen er

(2) 40H" 02 + 2H20 + 4e" med den totale reaksjon

(3) 02 + 20H" -> 2H02". I fravær av oksygen ved katoden er denne halvcelle-reaksjonen (4) 2H20 + 4e'-» H2 + 20H".

Uønskede bireaksjoner kan også finne sted ved katoden

(5) H02~ + H20 + 2e~ -<■ 30H" og ved anoden

(6) H02" + OH" - > 02 + H20 + 2e~.

Følgelig er det viktig å unngå at det opphopes lokal høy konsentrasjon av perhydroksyl-ionet (H02_) i katolytten.

Ligning (4) kan dominere hvis katoden ikke inneholder oksygengass eller hydrogenperoksyd (ligning 5) enten fordi cellen overflømmes med elektrolytt eller fordi tilførselen av oksygen er utilstrekkelig. I fravær av oksygen ved katoden vil det dannes hydrogengass. Hydrogengassen kan danne en eksplosiv blanding med oksygengass i oksygentilførsels-manifolden. Alternativt, hvis det ble innført utilstrekkelig oksygen i katoden, ville hydrogen dannes i den oksygen-fattige del som ville blandes med oksygen i den oksygenrike sone under dannelse av en eksplosiv blanding.

I U.S. patenter nr. 3.454.477, 3.459.652, 3.462.351, 3.506.560, 3.507.769, 3.591.470 og 3.592.749 tilhørende Grangaard er katoden en porøs plate med elektrolytten og oksygenet levert fra motsatte sider for reaksjon på katoden. Den porøse gassdiffusjonselektrode fordrer et voksbelegg for fiksering av reaksjonssonen og omhyggelig utjevning av oksygen- og elektrolytt-trykk for å holde reaksjonssonen på overflaten av den porøse plate.

Elektrolysecellene ifølge U.S. patenter 4.406.758 og 4.511.441 har et problem ved at vertikal dimensjon av cellen ikke kan varieres over et stort område p.g.a. behovet for utjevning av de hydrauliske trykkforskjeller over skilleanorndingen og behovet for å unngå overflømming av katoden med elektrolytt; en uregulert strømning av væske gjennom skilleanordningen anses for å være uønsket.

U.S. patent nr. 4.118.305 tilhørende Oloman forsøker å overvinne problemene med utjevning av de hydrostatiske krefter for opprettholdelse av et tre-fase-system av en fast elektrode (katode), en væskeformig elektrolytt og oksygengass ved at en blanding av oksygengass og en væskeformig elektrolytt konti-nuerlig strømmer igjennom en fluid-gjennomtrengelig katode, såsom et porøst sjikt av grafittpartikler. En porøs skilleanordning skiller pakket-sjikt-elektroden fra naboelektroden og understøttes av pakket-sjikt-elektroden. Porene i skilleanordningen er tilstrekkelig store til at en regulert strømning av elektrolytt inn i åpningene i pakket-sjikt-elektroden blir mulig. Elektrokjemiske reaksjoner skjer inne i elektroden ved en gass-elektrolytt-elektrode-grenseflate.

De væskeformige produkter og uomsatt elektrolytt strømmer ved hjelp av tyngdekraften til bunnen av pakket-sjikt-elektroden. Masseoverføring er et problem i slike celler fordi elektroden er nesten overflømmet av elektrolytt. Reaksjonene er lang-somme og resirkulering av produkt er nødvendig for tilfreds-stillende produktstyrke, og resirkulering av overskuddet av oksygengass er nødvendig for økonomisk drift, og et over-atmosfærisk oksygentrykk er vanligvis nødvendig.

Hver av disse elektrolyseceller ifølge teknikkens.stand har den ulempe at det fordres en spenning som er hovedsakelig større enn summen av de teoretiske halvcelle-spenninger p.g.a. den høye ohmske motstand hos cellene. En ytterligere ulempe ved disse celler er at de mangler anordninger for variering av cellens kapasitet under drift og vanskeligheten ved opp-rettelse av jevne elektrolyttstrømningshastigheter i cellen.

Egenskapene hos en ideell skilleanordning er velkjent for fagfolk på området. Den bør være billig, ha en viss mekanisk styrke og stivhet, være bestandig overfor cellereaktanter, produkter og driftsbetingelser. Dessuten er den ideelle skilleanordning beskrevet som gjennomtrengelig for ioner, men ikke for molekyler, med høy hulromsfraksjon for minimalisering av elektrisk motstand, med liten middel-porestørrelse for forhindring av passasje av gassbobler og minimalisering av diffusjon, homogen for å sikre god strømytelse og jevn strømfordeling, og ikke-ledende for forhindring av funksjon som elektrode.

Den foreliggende oppfinnelse overvinner manglene ved de tidligere celler. Oppfinnelsen er en elektrolysecelle for reduksjon av oksygen til hydrogenperoksyd ved en katode i nærvær av en vandig, alkalisk elektrolytt av den innledningsvis nevnte art, særpreget ved at katoden har en første flate i kontakt med elektrolytten i katoderommet og en andre flate som danner en utvendig flate av cellen i kontakt med en oksygenholdig gass, idet cellen inneholder anordninger for å lede oksygengass vekk fra separasjonsanordningen, idet separasjonsanordningen er i det vesentlige gjennomtrengelig for et ion i elektrolytten, og anoderommet er utstyrt med anordninger for å tvinge elektrolytten til å strømme fra elektrolyttinnløpet gjennom katodens første overflate til elektrolyttutløpet med en hastighet lik hastigheten til elektrolyttstrømmen i katoderommet. Anvendelse av cellen til fremstilling av hydrogenperoksyd anses for å være innenfor oppfinnelsens ramme.

Ved den første foretrukne utførelsesform er skilleanordningen gjennomtrengelig for elektrolytt så vel som for et ion i elektrolytten, idet denne utførelsesform omfatter en celle med et elektrolyttinntak, en porøs, selvdrenerende katode med en første overflate i kontakt med elektrolytten og en andre overflate som utgjør en ytre overflate hos cellen, et elektrolyttuttak anordnet for å motta elektrolytt som tappes fra katoden, en anode, separasjonsanordning mellom katoden og anoden. Skilleanordningen er hovedsakelig gjennomtrengelig for elektrolytten og avgrenser et anodekammer som inneholder elektrolyttinntaket og et katodekammer. Den annen overflate på katoden er i kontakt med en oksygenholdig gass, og anordninger er tilveiebrakt for regulerbar fremdriving av elektrolytten fra elektrolyttinntaktet gjennom separasjonsanordningen og inn i den selv-drenerende katode med en hastighet som er hovedsakelig lik dreneringshastigheten for elektrolytten fra katoden og i en mengde som er tilstrekkelig til å fylle bare en del av porene i katoden og med anordninger for å blåse en gass i anodekammeret ut av elektrolysecellen, ordningen for å lede oksygengass dannet ved anoden i anode-kammerelektrolytten bort fra anoden er nødvendig for å for-hindre økning av cellens ohmske motstand.

Ved en spesielt ønskelig utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er cellen anbrakt slik at katoden holdes i en generelt horisontal stilling. Hvis anoden er anbrakt i cellen i en stilling over katoden, kan det være ønskelig at anoden tilveiebringer huller eller porer som anordninger for å lede den oppflytende oksygengass i elektrolytten i anodekammeret bort fra skilleanordningen. Ønskelige anordninger for å lede bort oksygengass kan innbefatte ikke bare sjalusiventiler i anoden, men også kanaler i anoden som leder boblene opp og til én av sidene eller begge sider, f.eks. i et 11 sildebens"-mønster. Like effektive er mekaniske viskere eller "skovlhjul" som kan drives ved de oppstigende bobler både til å skyve de andre bobler fra området og skyve frisk oppløsning inn i mellomrommet mellom anoden og separasjonsanordningen.

Ved en annen spesielt ønskelig utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er katoden anordnet i en generelt horisontal stilling med en vinkel på 5 - 25°. Katoden er over (høyere enn) anoden og et porøst filtmateriale er anordnet mellom anoden og katoden, idet det tilveiebringer en anordning for å lede oksygengass bort fra anoden. Katoden består av granulære partikler understøttet av den porøse filt. Hjelpemidlet til å drive elektrolytten fra elektrolyttinntaket og inn i den selvdrenerende katode er den statiske trykkforskjell som fås ved at elektrolyttinntaket er over elektrolyttuttaket, og vekevirkningen av den porøse filt, idet den porøse filt også tjener som skilleanordning og anordning til å lede oksygengass bort fra anoden.

Katoden er en elektrisk ledende porøs masse gjennom hvilken det går et stort antall porer og kanaler. Den kan være et sjikt av elektrisk ledende partikler sintret under dannelse av en enhetlig masse eller et agglomerat av løse partikler. Den må ha porer med tilstrekkelig størrelse og antall til at gass kan strømme gjennom den. Kanalene må være av en størrelse som er tilstrekkelig til at ikke-flyktige produkter ved hjelp av tyngdekraften vil strømme fra katoden, d.v.s. at katoden bør være "selv-drenerende". En annen måte til å uttrykke dette er å beskrive kanalene som store nok til at tyngdekraften har større virkning på væsken i elektroden enn kapillartrykket.

Anordningene til å drive elektrolytten fra elektrolyttinntaket gjennom skilleanordningen og inn i den selvdrenerende katode og til regulerbart å drive elektrolytten gjennom skilleanordningen kan kombineres ved at cellen skråstilles slik at elektrolyttinntaket heves over elektrolyttutaket. Alternativt kan elektrolytten drives ved hjelp av en pumpe eller annen anordning for tilveiebringelse av et større trykk ved elektrolyttinntaket, og hjelpemidlet til regulerbar fremdriving av elektrolytten gjennom skilleanordningen og inn i den selvdrenerende katode kan være jevn reduksjon av cellens tverrsnittsareal fra dens inntaksende til dens uttaksende.

Hvilken som helst passende skilleanordning kan anvendes i cellen; f.eks. et keramisk diafragma, en ioneselektiv membran såsom en kationmembran som også er porøs overfor den vandige elektrolytt. Andre skilleanordninger såsom mikroporøs plast, en matte av asbest, vevde eller filtede fibre eller porøs plast kan også være egnet. En understøttelse kan fordres som en del av skilleanordningen.

Det innledningsvis nevnte middel består av sjikt i rekke-følgen: en første ikke-ledende, porøs anordning som er inert mot en alkalisk væske, en separasjonsanordning, en andre, ikke-ledende, porøs anordning inert mot en alkalisk væske inneholdende hydrogenperoksyd, og en porøs katode, hvilken seprasjonsanordning er hovedsakelig gjennomtrengelig både for ioner og for gasser, men er hovedsakelig ugjennomtrengelig for væsker, idet de første og andre porøse anordninger er gjennomtrengelige for væsker, og festeanordninger for å holde hver av sjiktene i kontakt med en flate av det tilstøtende sj ikt.

Fremgangsmåten for fremstilling av gassdiffusjonskatoden er særpreget ved at katoden fremstilles ved å impregnere en grafittduk med tilstrekkelig polytetra-fluoretylenharpiks til å gi 40-70 vekt% av harpiksen på grafittduken, belegge den impregnerte grafittduk med en vandig oppslemming av omtrent like deler kjønnrøk og polytetrafluor-etylen, og sintring av den belagte impregnerte duk, idet kjønnrøken påføres i en tilstrekkelig mengde til å gi 5-15 vektdeler kjønnrøk pr. 100 deler grafittduk det ble gått ut fra, igjen påføring av tilstrekkelig mengde av et andre belegg av en oppslemming av en mengde suspensjon på ca. 9 vektdeler kjønnrøk til 1 del polytetrafluoretylenharpiks som en oppslemming i ca. 105 vektdeler vann og 15 vektdeler av et ikke-ionisk overflateaktivt middel, hvilket gir 5-15 vektprosent av grafittduken etter sintring, og sintring av duken i luft ved 360-370°C.

De følgende figurer illustrerer detaljert tre av de foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen. Fig. 1 er et tverrsnitt av en celle hvor katoden, skilleanordningen og anoden er anordnet i en generelt vertikal stilling. Fig. 2 er et tverrsnitt av en celle hvor katoden, skilleanordningen og anoden er anordnet i en generelt horisontal stilling med anoden øverst. Fig. 3 er et tverrsnitt av en celle hvor katoden, skilleanordningen og anoden er anordnet i en generelt horisontal stilling med katoden øverst. Fig. 1 illustrerer en elektrolysecelle. Cellen har en sjalusiventilert anode 120 som er anbrakt i et anolyttkammer 127. En elektrolytt-inntaksåpning 116 åpner seg inn i anolyttkammeret. En gassprodukt-uttaksåpning 122 er anbrakt i anolyttkammeret 127. Den første overflate på katode 106 er i kontakt med elektrolytten i katodekammeret, og den andre

overflate utgjør en ytre overflate hos cellen og er i kontakt med en oksygenholdig gass såsom luft. En elektrolytt-uttaksåpning 108 oppsamler væskeformig elektrolytt fra katoden. Skilleanordning 112 deler cellen i et anodekammer og et

katodekammer.

Skilleanordningen 112 kan være et stort antall lag eller et enkelt lag. Imidlertid, bør materialet være hovedsakelig inert overfor kjemikaliene som det vil komme i kontakt med under alminnelige driftsbetingelser. Skilleanordningen er oppbygd slik at den gir en noe begrenset mulighet for væske å strømme gjennom den. Anoden 120 er fortrinnsvis forsynt med sjalusiventiler og er ved leder 101 forbunet med en positiv spenningskilde (ikke vist). På lignende måte er katoden 106 ved leder 102 forbundet med en negativ spenningskilde.

Ved drift innføres elektrolytt i cellen gjennom inntaksåpning 116 og drives gjennom skilleanordningen 112 inn i katodekammeret og inn i katoden 106. Væsken drypper ned gjennom kanalene i katoden ved hjelp av tyngdekraften og oppsamles og fjernes fra cellen gjennom elektrolytt-uttaksåpning 108. Et elektrisk potensial eller spenning påføres mellom anode 120 og katode 106; ved anoden dannes det oksygengass, som stiger som bobler i elektrolytten mellom anode 120 og skilleanordning 112. Boblene ledes ved hjelp av sjalusiventilene til den andre side av anoden 120 og blåses så ut gjennom åpning 122. Ved katode 106 reduseres oksygen som diffunderer fra luften inn i katoden 106, under dannelse av hydrogenperoksyd når det kommer i kontakt med elektrolytten i denne. Den hydrogenperoksyd-rike elektrolytt drypper ned inne i kanalene i katoden 106 og oppsamles ved elektrolytt-uttaksåpning 108.

For denne oppfinnelses formål er forskjellen mellom kanalene og porene at i en kanal er virkningen av tyngdekraften større på elektrolytten enn virkningen av kapillarkreftene, og i en pore er virkningen av tyngdekraften mindre på elektrolytten enn virkningen av kapillarkreftene.

I cellen bør væskestrømmen gjennom skilleanordningen 112 være regulert på et nivå som er tilstrekkelig til å fylle bare en del av porene i katoden 106. Hvis for mye væske passerer gjennom skilleanordningen og hovedsakelig alle porene i katoden 106 fylles, forskyves oksygengassen. Dette kan resultere i dannelse av eksplosiv hydrogengass. Hvis på den annen side for lite elektrolytt passerer gjennom skilleanordningen 112, vil de elektrokjemiske reaksjoner bli mini-malisert. Den foreliggende oppfinnelse forhindrer den nesten totale fylling av katodeporene mens på samme tid det nesten totale fravær av elektrolytt fra katoden forhindres.

Fig. 2 er lik fig. l, bortsett fra den generelt horisontale i stedet for vertikal orientering av cellen. Hvert av elementene som omfatter cellen er nummerert likt med det tilsvarende element på fig. 1, bortsett fra at det brukes "200" i stedet for "100". Ett unntak er at uttaksåpningen 108 er erstattet med et stort antall uttaksåpninger med liten diameter, representert ved 238A, 238B - 238Z, som fungerer som kanaler. Tyngdevirkningen på elektrolytten i uttaksåpningene tilveiebringer en svak sugning inne i katoden 206, som trekker elektrolytten inn i uttaksåpningene og derved forhindrer at elektrolytten fyller porene som inneholder oksygengass.

For denne oppfinnelses formål kan betegnelsen "generelt horisontal" innbefatte vinkler på opptil ca. 45°.

Det er klart at uttaksåpningene 238A, 238B - 238Z ikke behøver å være vinkelrett på katode 206. F.eks. kan uttaksåpningene være skråstilt i en vinkel slik at de er i det vesentlige vertikale selv om katoden 206 er skråstilt fra den absolutt horisontale stilling.

En tegning av en annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen, celle 300, er vist på fig. 3.

Fig. 3. Anode 3 01, en nikkel- eller rustfri stålplate, er anordnet i en generelt horisontal stilling mellom elektrolytt-reservoar 302 og elektrolytt-utjevningstank ("surge tank") 303. Et stykke av en polyesterfiltduk 304 er understøttet på anode 301, idet en første ende i reservoar 302 utgjør et elektrolyttinntak og den annen ende i utjevningstank 3 03 utgjør et elektrolyttuttak. Elektrolytt drives gjennom cellen ved vekevirkningen av polyesterfilt 304 og ved den statiske trykkforskjell mellom nivået for elektrolytt i reservoar 302 og elektrolytt-utjevningstank 303. Reservoar 3 02 inneholder tilstrekkelig elektrolytt 306 til at den øvre overflate av elektrolytt 306 er høyere enn den annen ende av polyesterfilt 304 ved elektrolytt-utjevningstank 303. En elektrisk ledende katode 307 som består av kjønrøk bundet til grafittspon er anordnet slik at den tilveiebringer en første overflate som er i kontakt med og over polyesterfilt 304. Den annen overflate av katoden utgjør en ytre overflate hos cellen 3 00. Cellen 300 består av anode 301, polyesterfilt-delen 304 som ligger inntil anoden, og katoden 307. Polyesterfilten 304 avgrenser mellomrommet mellom anoden 301 og katoden 307 i et anodekammer (ikke vist) og et katodekammer (ikke vist, men innbefattende en del av katode 307). Ledningsrør-anordning 308 forsyner elektrolyttreservoaret 302 med elektrolytt fra en kilde (ikke vist). Ledere 310 og 311 tilveiebringer spenning til henholdsvis anode 301 og katode 307 fra en kilde (ikke vist) .

Ved drift trekkes elektrolytt fra reservoar 302 ved vekevirkningen av filten 3 04 inn i cellen 300 hvor det dannes oksygengass. Oksygenet ledes fra anodekammeret ved filten 304 inn i katodekammeret og til katode 307 hvor det reduseres til hydrogenperoksyd. Ytterligere oksygen diffunderer fra den oksygen-holdige gass ved elektrolytt-grenseflaten i overflaten på katoden 3 07 hvor den også reduseres til hydrogenperoksyd. Elektrolytten drives fra elektrolyttinntaket til elektrolyttuttaket ved den statiske trykkforskjell mellom nivået for elektrolytt i reservoar 302 og elektrolytt-utjevningstank 303 i kombinasjon med vekevirkningen av skilleanordningen 304.

En fagmann på området vil forstå at ved den foreliggende oppfinnelse kan oksygen alltid diffundere inn i katoden fordi katoden utgjør en ytre overflate hos cellen og er alltid i kontakt med atmosfæren.

Cellene som er eksemplifisert på fig. 2 og 3, har en ytterligere fordel i forhold til en hovedsakelig vertikal celle ved at de hydrostatiske trykk er jevne over skilleanordningen og katoden slik at hastigheten av oksygendiffusjon inn i katoden og strømningshastigheten for elektrolytt gjennom skilleanordningen og inn i katoden også er jevn gjennom hele cellen.

Det er to passende fremgangsmåter for regulering av strømmen gjennom skilleanordningen inn i elektroden. Én fremgangsmåte er at man varierer området av skilleanordningen som er i kontakt med væsken, og en andre fremgangsmåte er å justere trykkfallet over skilleanordningen.

I en vertikal celle er en passende måte til regulering av området av skilleanordningen som er i kontakt med væsken, at man øker eller minsker høyden av væskereservoaret for anodekammeret som grenser til skilleanordningen. Etter hvert som høyden økes, øker strømningen gjennom skilleanordningen. På den annen side minsker strømningen etter hvert som høyden minskes. Imidlertid, varierer dette området av katode og anode i kontakt med elektrolytten og følgelig cellekapasi-r teten.

En annen fremgangsmåte til regulering av strømmen gjennom skilleanordningen i en vertikal celle er ved regulering av trykkfallet over skilleanordningen. Trykkfallet kan reguleres på flere måter.

Én fremgangsmåte til regulering av trykkfallet over skilleanordningen i cellen på fig. l er ved at anodekammeret drives under gass- eller væsketrykk. Ved denne fremgangsmåte forsegles det motstående kammer mot atmosfæren, og gasstrykk eller væsketrykk utøves på elektrolytten. Pumper kan anvendes for å tvinge en væske under trykk inn i det motstående kammer, eller trykket kan opprettholdes ved hjelp av en ventil som er knyttet til åpninger 122 eller 222.

Ved en særlig foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er skilleanordningen gjennomtrengelig for gass, men ikke for væske. Denne utførelsesform omfatter en celle med et elektrolyttinntak, et elektrolyttuttak, en porøs katode gjennomtrengelig for gass, idet katoden har en første overflate som er i kontakt med elektrolytten og en andre overflate som utgjør en ytre overflate hos cellen i kontakt med en oksygenholdig gass, en anode, skilleanordning mellom katoden og anoden, og anordning til å drive elektrolytten fra elektrolyttinntaket til elektrolyttuttaket. Skilleanordningen avgrenser et anodekammer og et katodekammer i cellen, idet skilleanordningen er hovedsakelig gjennomtrengelig for et ion i elektrolytten og for en gass, men hovedsakelig ugjennomtrengelig for strømmen av elektrolytten fra katodekammeret til anodekammeret. Cellen er anordnet med katoden og anoden i en generelt horisontal stilling med katoden over anoden, anodekammeret er forsynt med anordninger for å lede oksygengass dannet ved anoden til skilleanordningen og for å drive elektrolytt til å strømme over anodens overflate, og katodekammeret er forsynt med anordninger for å drive elektrolytten fra elektrolyttinntaket over den første overflate på katoden.

Anordningen for å lede oksygengassen til skilleanordningen og å drive elektrolytten til å strømme jevnt over anoden kan kombineres og kan være hvilket som helst gassgjennomtrengelig porøst materiale såsom filt, vevd tøy eller et forbindelsesskummateriale. Andre egnede anordninger innbefatter strømningsskovler i anodekammeret som leder oksygenboblene til skilleanordningen og som leder elektrolytten over anodens overflate. En gassgjennomtrengelig porøs anordning er spesielt ønskelig p.g.a. sin vekevirkning som understøtter fremdrivingen av elektrolytt fra elektrolyttinntaket til elektrolyttuttaket.

Hjelpemidlet til å få elektrolytten til å strømme jevnt over katodens overflate kan være lik hjelpemidlet i anodekammeret. I begge tilfeller kan hjelpemidlet tilveiebringes ved meget liten avstand mellom katoden og skilleanordningen slik at kapillareffekten av katodens første overflate og den tilstøtende overflate hos skilleanordningen på elektrolytten nærmer seg virkningen av tyngdekraften.

For den foreliggende oppfinnelses formål skal uttrykket "hovedsakelig gjennomtrengelig både for et ion i elektrolytten og for en gass, men hovedsakelig ugjennomtrengelig for strømmen av elektrolytt fra katodekammeret til anodekammeret" forstås slik at under normale driftsbetingelser kan bobler av oksygengass dannet ved anoden passere fritt gjennom skilleanordningen fra anodekammeret til katodekammeret, men meget lite elektrolytt overføres fra katodekammeret til anodekammeret .

Én kommersielt tilgjengelig skilleanordning egnet ved den foreliggende oppfinnelse er et hydrofilt laminat av polyesterfilt og et ekspandert polytetrafluoretylen bestående av knuter og sammenbindende fibriller markedsført av W. L. Gore and

Associates. Skilleanordningen er klassifisert i en standard-ASTM-test F778 som 3,8 m<3>/S ved 125 Pa. Polyesterfiltdelen av laminatet er egnet både som anordning til å lede oksygengass fra anoden til skilleanordningen og til å drive anolytten til å strømme jevnt over anoden, eller som anordning til å lede elektrolytten til å strømme jevnt over katoden.

En annen egnet skilleanordning er en mikroporøs polypropylenfilm med en tykkelse på 2,5 x IO"<2> mm og med 38% porøsitet med en effektiv porestørrelse på 0,02 mikrometer, som markeds-føres av Celanese Corporation. Porene tilveiebringer den ønskede elektriske ledningsevne, men vanskeliggjør elektro-lyttstrømningen. Filmen var perforert med åpninger uten at noe materiale var fjernet. Åpningene fungerer som tilbake-slagsventiler og har en avstand mellom hverandre på omkring én centimeter i en rekke og kolonne matriks. Åpningene, f.eks. 0,5 - 1 mm spalter, fungerer som små bunsenventiler som åpnes slik at oksygengass kan strømme fra anodekammeret inn i katodekammeret og som lukkes slik at strømmen av elektrolytt fra katodekammeret til anodekammeret utelukkes.

En ioneledende membran, gjennomhullet på samme måte, er også egnet for anvendelse som skilleanordning. En typisk kommersiell membran markedsføres av RIA Research Corporation under handelsnavnet Raipore BDM-10-membran. Den omfatter en podet lav-densitets-polyetylen-basisfilm med en kationisk svak-base-monomer som podning.

Det er klart at den skilleanordning som anvendes ved denne utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er forskjellig fra den vel anerkjente "ideelle skilleanordning" ved at den ikke bare har en liten middel porestørrelse som gjør den gjennomtrengelig for ioner og ikke for molekyler, men også ha åpninger med tilstrekkelig størrelse til at gassbobler kan passere (gassåpninger) uten at noen vesentlig diffusjon eller tilbakeblanding av hydrogenperoksyd fra katodekammeret til anodekammeret er mulig. Gassåpningenes optimale størr-else, form og fordeling kan bestemmes uten unødvendige forsøk. Åpningenes form kan være rette spalter, kors, v'er, eller bare punktgjennomhullinger. Det er ønskelig at åpningene dannes ved gjennomhulling av skilleanordningen uten at noe materiale fjernes fra skilleanordningen. Skilleanordningen er vanligvis anbrakt slik at oksygenboblene passerer gjennom i den retning hullene ble dannet. På denne måte fungerer oksygengassboblene som en del av "ventilen".

En spesielt egnet produktartikkel for denne utførelses-form av cellen omfatter lag i sekvens; en første ikke-ledende porøs anordning som er inert overfor alkalisk væske, en skilleanordning, en andre ikke-ledende porøs anordning som er inert overfor alkalisk væske inneholdende hydrogenperoksyd, og en porøs katode, idet skilleanordningen er hovedsakelig gjennomtrengelig både for ioner og for gasser, men er hovedsakelig ugjennomtrengelig for væsker, den første og annen porøse anornding er gjennomtrengelig for fluider, og festeanordninger holder hvert av lagene i kontakt med en overflate av det tilstøtende lag. Den fullstendige produktartikkel omtales i det foreliggende som en cellematte.

En elektrolysecelle hvor cellematten anvendes er montert ved at cellematten er anbrakt på en generelt horisontal ledende anode. Cellematten er anordnet på toppen av den generelt horisontale anode med den første porøse anordning i kontakt med anoden. En strømledende anordning er anbrakt på toppen av cellematten i elektrisk kontakt med katoden på den øvre overflate av cellematten, og den elektrisk ledende anordning er forsynt med kanaler slik at det er mulig at en gass kan komme i kontakt med anoden.

Fortrinnsvis er den første og annen porøse anordning dannet av filtede inerte fibrer, vevde inerte fibrer, strikkede inerte fibrer eller et inert skummateriale med innbyrdes forbundne porer.

Hvilket som helst egnet porøst inert ledende materiale som er kjent for å være egnet som oksygenelektrode kan anvendes som katode, såsom et ark av kommersielt tilgjengelig nettformet glass-karbon anvendt i U.S. patent nr. 4.430.176, porøs grafitt eller en komposittelektrode som består av karbonpartikler bundet til et elektrisk ledende, porøst underlag som beskrevet i U.S. patent nr. 3.459.652 hvor bindemidlet er paraffin. En elektrode av aktivert karbon bundet med PTFE og naturgummi på en nikkelnetting beskrevet i U.S. patent nr. 4.142.949 er også egnet. Andre elektroder som er kjent for å være egnet, er beskrevet i U.S. patent nr. 3.856.640 hvor det anvendes karbonpartikler bundet med polytetrafluoretylen og porøse karbonelektroder egnet for brenselsceller. Det er ønskelig at katoden er bøyelig såsom én hvor det anvendes grafittfilt eller vevd eller strikket grafittduk som underlag for karbonpartikler såsom hvilken som helst som er beskrevet i publisert fransk patent nr. 2.493.878. En katode hvor det anvendes grafittunderlag og anvendes karbonpartikler bundet med polytetrafluoretylen er spesielt ønskelig.

Festeanordningen som holder hvert av lagene i cellematten i kontakt med en overflate hos det tilstøtende lag, kan være hvilken som helst ikke-ledende festeanordning, såsom et klebe-middel, eller sveising såsom punktsveising eller linje-sveising. Andre egnede festeanordninger innbefatter ikke-ledende fibrer, nagler, nåler, spenner, kroker o.l.; festeanordninger som anvendes for festing av tøy såsom hempe og ende ("loop and pile") som griper inn i hverandre, o.l.. En spesielt ønskelig festeanordning er at man syr lagene sammen med en inert tråd eller garn. Fortrinnsvis bør synålen gjennomhulle lagene fra den første porøse anordning, gjennom skilleanordningen og den annen porøse anordning og inn i katoden. Alle lagene kan festes ved samme festeanordning, eller lagene av cellematten kan festes individuelt til et tilstøtende lag.

Cellematten anvendes for dannelse av en elektrolysecelle ved at produktartikkelen anbringes på en anode såsom et plant nikkelark, og strømledningsanordningen anbringes over katoden. Katoden og anoden ledes til en elektrisk strømkilde og en elektrolytt innføres i og gjennom cellen ved "veke,,-virkningen av den porøse anordning.

Mange forskjellige karbontypers velegnethet ved anvendelse i oksygen- eller luftceller som negativ elektrode ble godt dokumentert ved brenselscellebatteri-undersøkelsene.

Ved brenselscelleelektrodene ble det anvendt paraffin, polyetylen, polypropylen og andre bindematerialer for at kon-struksjonene skulle få den nødvendige hydrofobisitet, idet det ble frembrakt en trefase-reaksjonssone hvor gass, elektrolytt og ledende overflate møtes. Polytetrafluoretylen (PTFE), tilgjengelig som vandig suspensjon under handelsnavnet "Teflon" ble markedsført i slutten av 1950-årene og er egnet til å binde partiklene sammen. Det er imidlertid vel kjent at yteevnen hos slike hydrofobe elektroder kan variere i betydelig grad avhengig av hvordan de fremstilles. Slike elektroder utelukker problemene ved en pakket-sjikt-elektrode anvendt i U.S. patent nr. 4.118.305.

Brenselscelleteknologien er egnet som en generell rett-ledning ved oppbygningen og driften av oksygenelektroder. Det er imidlertid flere viktige forskjeller mellom elektroder for brenselsceller og elektroder for fremstilling av hydrogenperoksyd ved reduksjon av oksygen i en alkalisk elektrolytt. Én viktig forskjell er at brenselscelle-elektroder anvender en katalysator for spaltning av hydrogenperoksyd etter hvert som det dannes. Denne spaltning tilveiebringer en del av oksygenet, slik at oksygen som trengs å tilføres til trefase-reaksjonssonen, minskes. En annen betydelig forskjell er at en brenselscelle er påtenkt å omdanne kjemiske forbindelser til elektrisk energi, mens den foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for fremstilling av hydrogenperoksyd i en elektrolysecelle.

Ifølge Maru et al., "Proceedings of the Symposium on Porous Electrodes: Theory and Practice", volum 84,8, The Electrochemical Society, Pennington, N.J. (1984) er den teknologiske fremgangsmåte for optimalisering av en brenselscelle vel kjent, og hver del må utføre det arbeid den er utformet for. Når det gjelder en elektrodekonstruksjon betyr det at bare en flerlags komposittelektrode kan være vellykket. Idet man starter fra elektrolyttsiden, er det i rekkefølge tre hovedlag som må tas i betraktning. Først fordres det et platina katalysert karbonlag som ikke bør være for hydrofobt; ellers vil det ikke oppnå noen god grense-flatekontakt med elektrolytten. Det annet lag, diffusjons-laget, har det formål å transportere gassen med et minimalt gass-trykkfall (absolutt eller partialtrykkfall) til det fuktige katalyserte karbonlag. Denne del av elektroden må være meget væskeavstøtende, en barriere mot elektrolyttens gjennomtrengningstendens. Den tredje komponent er strøm-avtakeren. I tynne komposittelektroder for alkaliske celler kan det være et porøst nikkelark impregnert med PTFE, eller en nikkelnetting.

Rusinko et al., Fuel Cell Materials, Proceedings I5th Annual Power Sources Conference side 9 beskriver at med hensyn til elektrode-porestørrelseskrav, fylles sannsynligvis elektrodeporer større enn 1,0 /xm i diameter med elektrolytt og bidrar derfor ikke til cellereaksjonen. Dessuten gjør tilstedeværelsen av noen få store porer det umulig å drive en elektrode uten gasstap. Referansen beskriver også at det er også vist at gass-strømningsdrift-karakteregenskaper best kan optimaliseres med elektroder hvor porene er fullstendig homogene.

U.S. patent nr. 4.118.305 tilhørende Oloman beskriver at gassdiffusjonselektroder kan tilveiebringe tilstrekkelig elek-trodeareal til utførelse av reaksjoner som fordrer lave strøm-tettheter såsom reduksjon av oksygen under dannelse av hydrogenperoksyd. Andre ulemper ved gassdiffusjonselektrodene er at de er ømfintlige overfor forurensning, deaktivering ved tilstopping og deaktivering ved overflømming av porene med væske.

En spesielt ønskelig fremgangsmåte for fremstilling av en gassdiffusjonskatode omfatter gjennomhulling av katoden med et stort antall gjennomhullinger, idet hver gjennomhulling har et tilstrekkelig åpent areal til at tyngdekraften på elektrolytten er større enn kapillarkreftene på elektrolytten.

Skjønt utførelsen av denne oppfinnelse ikke avhenger av noen spesiell teori, er det passende å forklare virkningen av oppfinnelsen som en serie små åpninger som forhindrer en lokalisert ujevn strømning av elektrolytt i cellen fra å resultere i kanalisering i cellen.

Det er klart at den optimale størrelse, form og fordeling av gjennomhullingene vil avhenge av de spesifikke variable driftsbetingelser for elektrolysecellen. Variabler kan innbefatte elektrolyttens egenvekt, hastigheten av elektro-lyttstrømningen i cellen, katodekammerets dimensjon, over-flatespenningen og andre fysiske og elektriske betingelser hos elektrolysecellen. En fagmann på området kan imidlertid lett bestemme de optimale dimensjoner for en gjennomhulling for en bestemt celle uten unødvendige forsøk.

Det er ønskelig at størrelsen av gjennomhullingen har et areal som er likt arealet hos en sirkel med diameter ca. 0,2 mm eller større, f.eks. 0,1-1 mm, fordelt over katodens overflate hver 1-2 cm. Skjønt det ikke er noen øvre grense for arealet av en gjennomhulling, reduserer en økning i det kumulative areal av gjennomhullingene i katoden det totale areal av elektroden som er tilgjengelig for den elektrolytiske virkning.

Den foreliggende oppfinnelse utføres fortrinnsvis når katoden er en gassdiffusjonskatode hvor det som underlag anvendes et bøyelig ledende materiale såsom grafitt-duk som er gjort hydrofob ved at den bøyelige grafittduk er impregnert med ca. 40-70%, ønskelig ca. 45-65%, av en polytetrafluoretylenharpiks , idet man påfører en tilstrekkelig mengde av et første belegg som inneholder omtrent like vektdeler av kjønrøk og polytetrafluoretylenharpiks, og deretter sintrer duken i luft ved 360°-370°C under tilveiebringelse av ca. 5-15 vektdeler kjønrøk pr. 100 vektdeler grafittduk, og påfører en tilstrekkelig mengde av et andre belegg av en oppslemming med en mengde i en suspensjon på ca. 9 deler kjønrøk til 1 del polytetrafluoretylenharpiks på vektbasis som oppslemming i ca.

105 vektdeler vann og ca. 15 vektdeler ikke-ionisk overflateaktivt middel, og tilsetter ca. 5-15 vekt-% kjønrøk til grafittduken etter sintring og sintrer duken i luft ved ca. 360-370°C.

Grafittduken kan være filtede grafittfibrer, en duk av vevde grafittfibrer eller en duk av strikkede grafittfibrer. Bærere kan også fremstilles av et metallunderlag såsom en nikkelduk impregnert med sintret nikkelpulver.

Den beste måte til utførelse av den foreliggende oppfinnelse vil fremgå av de følgende, ikke-begrensende eksempler.

Hastigheten av elektrolyttstrømningen gjennom cellen kan varieres under drift ved at cellens vinkel økes eller minskes fra horisontal stilling og ved at den hydrostatiske trykkforskjell ved celleinntaket eller -uttaket varieres. Den generelt horisontale cellestilling tilveiebringer en fordel ved den foreliggende celle fremfor alle tidligere celler ved at det ikke er nødvendig å tilveiebringe en bærer for noen del av cellen eller å fremstille noen del av cellen av et stivt materiale. Dette muliggjør anvendelse av en meget tynn skilleanordning og muliggjør meget lite mellomrom mellom tilstøtende elementer i cellen. Som et resultat av dette kan den ohmske motstand i cellen reduseres langt under motstanden hos tidligere celler.

Denne særlig foretrukkede utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse forklares bedre når man ser på fig. 4 og 5. Fig. 4 er et tverrsnitt av en celle hvor det anvendes en kommersiell PTFE-filtduk bundet til en mikroporøs polyfluor-etylenmembran som kan "puste" i luft. Fig. 5 er en utspilt tegning som viser en alternativ utførelsesform av cellen 400 ifølge fig. 4. Fig. 4. Anode 401, en nikkel- eller rustfri stålplate, er anordnet i en generelt horisontal stilling mellom elektrolyttreservoar 402 som inneholder elektrolytt 406, og elektrolytt- utjevningstank 403. Et stykke av en polyesterfiltduk 4 05 bundet til en mikroporøs PTFE-membran 404 er understøttet av anode 401 med en første ende i reservoar 402 som utgjør et elektrolyttinntak, og den annen ende i utjevningstank 403 utgjør et elektrolyttuttak. Elektrolytt drives til å strømme inn i og gjennom polyesterfilt 405 inn i utjevningstank 403 ved hjelp av den statiske trykkforskjell mellom nivået for elektrolytt 406 i reservoar 402 og elektrolytt 413 i utjevningstank 403. Reservoar 402 inneholder tilstrekkelig elektrolytt 406 til at den øvre overflate av elektrolytten 406 er høyere enn elektrolytt 413 eller den annen ende av polyesterfilt 405. En porøs, elektrisk ledende katode 407 er anordnet for tilveiebringelse av en første overflate høyere enn eller over og tett inntil polyesterfilt 405 og den annen overflate på katoden utgjør en ytre overflate hos cellen 400 som består av anode 401, delen av polyesterfilteh 405 som ligger inntil katoden, PTFE-membran 404 og katode 407. PTFE-membranen 404 avgrenser rommet mellom anoden 401 og katoden 407 i et anodekammer, væskefilmen mellom anoden 401 og skilleanordningen 404 (ikke vist) og et katodekammer som er fylt av polyesterfilt 405. Ledningsrøranordning 408 tilfører elektrolytt til elektrolyttreservoar 402 fra en kilde (ikke vist). Eventuelt tilfører ledningsrøranordning 409 ytterligere elektrolytt til katodekammeret. Ledere 410 og 411 tilveiebringer en spenning til hhv. anode 401 og katode 407 fra en kilde (ikke vist).

Ved drift trekkes elektrolytt fra reservoar 402 ved vekevirkningen av polyesterfilt 405 inn i katodekammeret i cellen 400. Tilstrekkelig elektrolytt fukter den nedre overflate av PTFE-membran 404 før dens kontakt med anode 401 for tilførsel av elektrolytt til anodekammeret. I nærvær av elektrisk energi dannes det oksygengass i anodekammeret. Oksygenet ledes til skilleanordning 4 04 og inn i katodekammeret til katode 407 hvor det reduseres til hydrogenperoksyd. Ytterligere oksygen diffunderer fra den oksygen-holdige gass ved den annen overflate av katode 407 til den første overflate hvor det også reduseres til hydrogenperoksyd. Elektrolytten i anodekammeret og katodekammeret kan enten drives fra elektrolyttinntaket til elektrolyttuttaket ved vekevirkningen av polyesterfilten 405 eller ved den statiske trykkforskjell mellom nivået for elektrolytt i reservoar 402 og elektrolytt-utjevningstank 403.

Fig. 5 er en utspilt tegning av elementene i en annen foretrukket andre utførelsesform av en celle. Elementene, som normalt er i kontakt med hverandre, omfatter en nikkel- eller rustfri stålanode 501 som utgjør bunnen av cellen hvor det i rekkefølge er anbrakt oppå hverandre en første porøs anordning 502, skilleanordning 503, en andre porøs anordning 504 og en porøs katode 505 som utgjør den øvre overflate hos cellen og som utsettes for en gass som inneholder oksygen. Nikkelnetting 506 og anode 501 er forbundet med en negativ og en positiv spenningskilde (ikke vist).

Under drift kommer elektrolytt 511 inn i cellen fra elektrolyttreservoar 510 gjennom forlengelsen av de porøse anordninger 502 og 504, hvilke forlengelser utgjør elektrolyttinntak 520. Porøse anordninger 502 og 504 funksjonerer hver som en veke og fordeler elektrolytten jevnt over overflaten av katode 505 og anode 501. Anode 501 og nikkelnetting 506 er forbundet med en elektrisitetskilde (ikke vist). Ved anode 501 dannes oksygengass som stiger opp gjennom den porøse anodekammeranordning 502 og ledes til under-overflaten på skilleanordning 503.

Bobler av oksygengass passerer gjennom gassåpninger i skilleanordning 503 inn i den porøse katodekammeranordning 504 og kommer i kontakt med katode 505. Ytterligere oksygengass diffunderer dessuten gjennom katode 505 til overflaten av elektrolytten i den porøse katodekammeranordning 504. Der reduseres oksygen fra begge kilder under dannelse av en oppløsning av hydrogenperoksyd i elektrolytten i den porøse katodekammeranordning 504. Elektrolytten drives fra elektrolyttinntaket 520 over overflaten på katode 505 og anode 501 ved forskjellen i statisk trykk mellom overflaten av elektrolytt 511 i elektrolyttreservoar 510 og de lavere nivåer av anolytt-utjevningstank 512 og katolytt-utjevningstank 513. Elektrolytten strømmer fra den porøse katolyttanordning 504 og den porøse anolyttanordning 502 inn i hhv. elektrolytt-

utjevningstanker 512 og 513.

Det er ikke nødvendig at inntaks- eller uttaksenden av de porøse anordninger 502 og 504 er nedsenket i elektrolytten som illustrert på figurene. F.eks. kan det anvendes en trakt for oppsamling av elektrolytt fra porøse anordninger 502 og 504 ved celleuttaket. På lignende måte kan elektrolytt ved celleinntaket påføres direkte på den porøse anordning.

De porøse anordninger 502 og 504 kan innbefatte hvilke som helst inerte porøse anordninger, fortrinnsvis filtede inerte fibrer, vevde inerte fibrer, strikkede inerte fibrer eller et inert materiale med innbyrdes forbundne porer. Den inerte porøse anordning kan omfatte polyester, ull, glass-skum eller -fiber, mineralull, asbest, polyvinyliden o.l..

Elementer 502, 503, 504 og 505 på fig. 5 kan kombineres under dannelse av matte 530, en spesielt egnet produktartikkel for den særlig foretrukne utførelsesform av denne oppfinnelse som illustrert på fig. 5.

De følgende eksempler anskueliggjør oppfinnelsen:

Eksempel 1

En elektrolysecelle ble oppbygd i henhold til fig. 3. Katodene ble fremstilt på en måte i likhet med U.S. patenter 4.457.953 og 4.481.303 og bestod av kjønrøk bundet til grafittspon (-10 og +20 mesh) med kolloidalt polytetrafluor-etylen (PTFE). Skilleanorndingen var en kommersielt tilgjengelig 38 cm x 17 cm polyesterfilt med en tykkelse på 1,15 mm, og anoden var en 27 cm x 19 cm nikkelplate. En 12 x 12 mesh nikkelnetting ble anvendt som strømavtaker. En 3,7% oppløsning av natriumhydroksyd som inneholdt 0,05% dinatrium-EDTA ble anvendt som elektrolytt. Cellen var skråstilt i en vinkel på ca. 12°, og oksygengass var i kontakt med den andre overflate på katoden. Den gjennomsnittlige elektrolytt-strømningshastighet var 8,3 g/min.. Elektrolytten inneholdt 0,7% H202 og strømutbyttet etter 5 timer ble beregnet til 72,3%. Strømtettheten var 0,02 A/cm<2> ved en spenning på 1,3V.

Eksempler 2- 5

En celle ble oppført med en utformning som på fig. 4. Katoden var en 24 cm x 15 cm x 0,6 cm nettformet skumglass-karbon (RVC)-katode anvendt for brenselscelleelektroder med et porevolum på 97%. Oksygengass var i kontakt med den annen overflate på katoden ved atmosfæretrykk. En 38 cm x 17 cm x 1,3 mm duk av varemerket "Gortex" som tilveiebrakte skilleanordningen og den porøse anordning, hvilte på en 27 cm x 19 cm plate 316 ss. Kombinasjonen av vekevirkningen av filten og det statiske trykk drev 4% NaOH-elektrolytt gjennom cellen. Det statiske trykk er angitt ved cellens skråstilling i forhold til horisontal stilling. Resultatene er sammenlignet i tabell I. Cellen ble drevet i 6 timer.

Eksempel 2

Katoden er kommersielt tilgjengelig ubehandlet RVC anvendt i U.S. patent nr. 4.430.176 og elektrolytten inneholdt ingen stabilisator.

Eksempel 3

Eksempel 2 ble gjentatt, bortsett fra at anoden var av nikkel og RVC-katoden var impregnert kjønrøk bundet til RVC med kolloidalt polytetrafluoretylen (PTFE) for å gjøre den hydrofob. Elektrolytten var 4% NaOH som inneholdt 0,05% dinatriumetylendiamintetraeddiksyre (EDTA) som stabilisator.

Eksempel 4

Eksempel 3 ble gjentatt, bortsett fra at katoden var av kjønrøk understøttet på en porøs grafittduk. Duken var impregnert med kolloidalt PTFE og kjønrøk påført på den annen overflate.

Eksempel 5

Eksempel 4 ble gjentatt under anvendelse av kjønrøk - en grafittfiltkatode ifølge eksempel 4.

De ovenstående eksempler har et forholdsvis dårlig strøm-utbytte. Anodekammeret ble forsynt med elektrolytt ved siving av elektrolytt fra katolyttkammeret før kontakt med anoden. I cellen funksjonerte oksygenbobler som en del av ventilen for forhindring av at elektrolytten i katodekammeret diffunderte inn i anodekammeret. Imidlertid er eksemplene egnet til å vise at en skilleanordning kan være effektiv selv om den gjør det mulig for elektrolytt å overføres fra anodekammeret til katodekammeret.

Eksempler 6- 8

Cellen fra eksempler 2-5 ble oppført på en måte i likhet med fig. 5, bortsett fra at elektrolyttene både fra anodekammeret og katodekammeret ble oppsamlet i en enkelt elektrolytt-utjevningstank. Det ble anvendt en 51 cm x 15 cm katode i cellen. En 0/025 mm tykk vann-fuktbar mikroporøs polypropylenfilm ble anvendt som skilleanordning med en porøsitet på 38% og med en effektiv porestørrelse på 0,02 /imeter. Spalter ble gjennomhullet gjennom filmen med en lengde på omtrent 0,7 mm i en 1 cm x 1 cm matriks. Den første porøse anordning for anodekammeret var en 64 cm x 17 cm poly-esterf ilt med en tykkelse på 0,1 mm, mens den annen porøse anordning for katodekammeret var en 64 cm x 17 cm polyesterfilt med en tykkelse på ca. 1 mm. Dersom intet annet er angitt, var elektrolytten i reservoaret 4% NaOH som inneholdt 0,05% EDTA. Cellene ble drevet i 5 timer med oksygengass ved atmosfæretrykk i kontakt med den annen overflate på katoden. Resultatene er vist i tabell II.

Eksempel 6

Katoden var av kjønrøk avsatt på en 1,25 mm tykk grafitt-duk impregnert med PTFE og en blanding av kjønrøk og PTFE.

Eksempel 7

Eksempel 7 var likt eksempel 6, bortsett fra at luft ble anvendt som gassen som inneholdt oksygen i stedet for rent oksygen.

Eksempel 8

Eksempel 6 ble gjentatt under anvendelse av en kationisk membran gjennomhullet med spalter som ovenfor, og luft ble anvendt som gassen som inneholdt oksygen. Karbondioksydet ble fjernet fra luften ved at den ble brakt i kontakt med natriumhydroksyd.

Ved sammenligning av eksempler 2 - 5 og 6 - 8 er det klart at eksempler 6 - 8 er overlegne når det gjelder strøm-utbytte og hydrogenperoksyd-konsentrasjon, skjønt eksempler 2 - 5 er virksomme eksempler. Overlegenheten hos eksempler 6-8 ser ut til å være at bunsen-ventilspaltene som går gjennom skilleanordningen, var mer effektive enn luftventilene i det ekspanderte PTFE, som var avhengig av gassbobler for driften av dem.

Sammenligninqseksempel 9

En celle ble oppført i likhet med fig. 5 under anvendelse av adskilte, ikke-festede lag, elektrolytten var 3,6% natriumhydroksyd, og luft renset for karbondioksyd ble ledet over den ytre overflate av katoden. Cellen ble drevet i 5 timer ved en strømtetthet på 0,025 A/cm<2.> Strømutbyttet for et gjennomsnitt på to kjøringer av 96%, hvilket frembrakte en elektrolytt som inneholdt gjennomsnittlig 0,93% H202.

Eksempel 9 ifølge oppfinnelsen Sammenligningseksempel 9 ble gjentatt, men sammenstill-ingen ble sydd med nylontråd. Mellom hvert sting var det en avstand på ca. 10 cm. Cellen ble drevet i 5 timer med et strømutbytte på 96,4% og frembrakte en elektrolytt som inneholdt 0,95% H202.

Eksempel 10

En katode ble fremstilt av kjønrøk understøttet på en polytetrafluoretylen-(PTFE)-impregnert grafittduk av typen duPont Teflon 30B (25 cm x 15 cm x 0,12 cm). Duken som veide 11,14 g, ble først renset under fjerning av H202-spaltnings-katalysatorer ved hjelp av 4% NaOH, 10% salpetersyre, og skylt

grundig.

Grafittduken ble gjort hydrofob eller vannavstøtende ved impregnering med en vandig suspensjon av duPont varmerke Teflon 30B PTFE under tilveiebringelse av 7,1 mg PTFE per cm<2 >på grafittduken. Et første belegg av like vektdeler kjønrøk og PTFE (3,6 mg/cm<2> hver) ble påført på én overflate, og den belagte grafittduk ble tørket og sintret ved 360°C - 3 70°C i omkring en time. Vektøkningen var 2,75 g.

Et andre belegg ble påført som bestod av en suspensjon av 9 vektdeler kjønrøk og 1 vektdel PTFE. Suspensjonen ble fremstilt ved blanding av 150 g vann, 22 g ikke-ionisk overflateaktivt middel av varemerket "Triton X-100", 0,13 g av en 1 M NaOH-oppløsning, 2,1 g Teflon 30B og 12,8 g kjønrøk ("Vulcan XC-72R"). Blandingen ble påført på duken med en' børste. Den resulterende duk ble så tørket og sintret ved 360°C - 370°C i én time i luft. Mengden av kjønrøk tilsatt på duken i laget ble beregnet til ca. 3,4 mg/cm<2>. Vektøkningen var 1,48 g.

En celle ble montert under anvendelse av en nikkelplate-anode på 27 cm x 19 cm som underlag, og i suksessive lag en 38 cm x 16 cm x 0,1 mm polyesterfilt, en akryl/polyester-membran 25 cm x 15 cm x 0,1 mm med en gjennomsnittlig porestørrelse på 0,45 mikrometer med 0,75 mm spalter gjennomhullet deri for hver centimeter. En andre polyesterfilt 38 cm x 15 cm x 1,1 mm ble anbrakt på membranen og deretter katoden. En nikkelnetting var i kontakt med den øvre overflate av katoden som strømavtaker. De to polyesterfiltstykker hang utover de to ender av anoden med den ene enden nedsenket i en 3,6% NaOH-oppløsning og funksjonerte som elektrolyttinntak for cellen. Cellen var skråstilt nedover fra elektrolyttinntaket med en vinkel på 12° og oppløsningen ble trukket gjennom cellen ved vekevirkningen av polyesterfiltstykkene. Cellen ble drevet ved en strømtetthet på 0,025 A/cm<2> og luftrenset med 4% NaOH som ble blåst over katoden. Etter to kjøringer på 5 timer ble katoden gjennomhullet med 0,5 mm utluftningshuller med en avstand på 1 cm, og elektrolysen ble fortsatt med to ytterligere kjøringer på 5 timer. Resultatene er oppført i tabell III. Det er tydelig at celleytelsen øket vesentlig med utluftningshullene ved kjøringer 3 og 4 ifølge oppfinnelsen.

Claims (12)

1. Elektrolysecelle for reduksjon av oksygen til hydrogenperoksyd ved en katode i nærvær av en vandig, alkalisk elektrolytt i en celle med et elektrolyttinnløp (116), et elektrolyttutløp (108), anordninger for å tvinge elektrolytten fra elektrolyttinnløpet til elektrolyttutløpet, separasjonsanordninger (112) som deler cellen i et anoderom (127) inneholdende en anode (101) og et katoderom (128) med en porøs, gassgjennomtrengelig katode (106), karakterisert ved at katoden (106) har en første flate i kontakt med elektrolytten i katoderommet (128) og en andre flate som danner en utvendig flate av cellen i kontakt med en oksygenholdig gass, idet cellen inneholder anordninger for å lede oksygengass vekk fra separasjonsanordningen (112), idet separasjonsanordningen (112) er i det vesentlige gjennomtrengelig for et ion i elektrolytten, og anoderommet (128) er utstyrt med anordninger for å tvinge elektrolytten til å strømme fra elektrolyttinnløpet (116) gjennom katodens (106) første overflate til elektrolyttutløpet (108) med en hastighet lik hastigheten til elektrolyttstrømmen i katoderommet (128).

2. Elektrolysecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at katoden (106) er en porøs, selvtømmende katode (106.) med en første overflate i kontakt med elektrolytt og en andre overflate inneholdende et elektrolyttutløp (108) plassert til å ta imot elektrolytt som tømmes fra katoden(106), idet separasjonsanordningen (112) er hovedsakelig gjennomtrengelig for elektrolytten, for å tvinge elektrolytten fra elektrolyttinnløpet (116), gjennom separasjonsanordningen (112) og inn i den selvtømmende katode (106) med en hastighet omtrent lik tømmnings-hastigheten til elektrolytten fra katoden (106), og i en tilstrekkelig mengde til å fylle bare en del av porene til katoden (106) og cellen har anordninger for å føre oksygengass vekk fra separasjonsanordningen (112) og tømme gassen i anoderommet (127) ut av elektrolysecellen.

3. Elektrolysecelle ifølge krav 2, karakterisert ved at katoden (106) er hovedsakelig loddrett og cellen inneholder anordninger for å føre oksygengass i anoderomselektrolytten vekk fra separasjonsanordningen (112) omfattende sjalusiventiler i anoden.

4. Elektrolysecelle ifølge krav 2, karakterisert ved at katoden (106) og anoden (120) er plassert i hovedsakelig vannrett stilling med katoden (106) over anoden (120), og separasjonsanordningen (112) er hovedsakelig gjennomtrengelig for elektrolytten og for oksygen-gass for å tvinge oksygengass ut av anoderommet (127) til katoderommet (128).

5. Elektrolysecelle ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at katoden (106) omfatter kjønrøk bundet til grafittfliser med polytetrafluoretylen.

6. Elektrolysecelle ifølge krav 1, karakterisert ved at separasjonsanordningen (503) er hovedsakelig gjennomtrengelig både for et ion i elektrolytten og for bobler av oksygengass som dannes ved anoden (501), men er hovedsakelig ugjennomtrengelig for strømmen av elektrolytt fra katoderommet (504) til anoderommet (502), katoden (505), og anoden (501) i cellen er plassert i hovedsakelig horisontal stilling med katoden (505) over anoden (501), idet anoderommet (502) er utstyrt med anordninger for å fordele bobler av oksygengass dannet ved anoden (501) til separasjonsanordningen (503) og å tvinge elektrolytt til å strømme gjennom anodens (501) overflate, og katoderommet (504) er forsynt med anordninger for å tvinge elektrolytten fra elektrolyttinnløpet (116) gjennom katodens (505) første overflate.

7. Elektrolysecelle ifølge krav 6, karakterisert ved at separasjonsanordningen (503) er en mikroporøs film gjennomstukket med åpninger for å muliggjøre strøm av oksygengass fra anoderommet til katoderommet .

8. Elektrolysecelle ifølge krav 6, karakterisert ved at separasjonsanordningen (503) er en ioneledende membran gjennomstukket med åpninger som tillater strøm av oksygengass fra anoderommet til katoderommet .

9. Elektrolysecelle ifølge krav 6, 7 eller 8, karakterisert ved at de første og andre porøse anordninger (502) og (504) er valgt fra gruppen bestående av en filt av inerte fibre, et vevet stoff av inerte fibre, et tett strikket stoff av inerte fibre og et inert materiale med porer imellom.

10. Elektrolysecelle ifølge krav 6, 7, 8 eller 9, karakterisert ved at katoden er skråstilt med en-vinkel fra 5° til 25°, idet elektrolyttinnløpet er over elektrolyttutløpet for å gi en statisk søyle, og den porøse separasjonsanordning (503) og katoden (505) gir anordninger for å føre oksygengass ut av elektrolysecellen.

11. Middel (530) anvendelig ved konstruksjon av elektrolyse-r cellen ifølge krav 6, 7, 8, 9 eller 10 egnet for fremstilling av hydrogenperoksyd ved reduksjon av oksygen ved en katode, hvilket middel (530) er karakterisert ved sjikt i rekkefølge: en første ikke-ledende, porøs anordning (502) som er inert mot en alkalisk væske, en separasjonsanordning (503) , en andre, ikke-ledende, porøs anordning (504) inert mot en alkalisk væske inneholdende hydrogenperoksyd, og en porøs katode (505), hvilken seprasjonsanordning er hovedsakelig gjennomtrengelig både for ioner og for gasser, men er hovedsakelig ugjennomtrengelig for væsker, idet de første og andre porøse anordninger er gjennomtrengelige for væsker, og festeanordninger for å holde hver av sjiktene i kontakt med en flate av det tilstøtende sjikt.

12. Fremgangsmåte for fremstilling av en gassdiffusjonskatode for en elektrolysecelle ifølge krav 6, 7, 8, 9 eller 10 med en første katodeflate i kontakt med en elektrolytt i cellen, og en andre katodeflate som danner en øvre flate av cellen, karakterisert ved at katoden fremstilles ved å impregnere en grafittduk med tilstrekkelig polytetrafluoretylenharpiks til å gi 40-70 vekt% av harpiksen på grafittduken, belegge den impregnerte grafittduk med en vandig oppslemming av omtrent like deler kjønnrøk og polytetrafluor-etylen, og sintring av den belagte impregnerte duk, idet kjønnrøken påføres i en tilstrekkelig mengde til å gi 5-15 vektdeler kjønnrøk pr. 100 deler grafittduk det ble gått ut fra, igjen påføring av tilstrekkelig mengde av et andre belegg av en oppslemming av en mengde suspensjon på ca. 9 vektdeler kjønnrøk til 1 del polytetrafluoretylenharpiks som en oppslemming i ca. 105 vektdeler vann og 15 vektdeler av et ikke-ionisk overflateaktivt middel, hvilket gir 5-15 vektprosent av grafittduken etter sintring, og sintring av duken i luft ved 360-370°C.