NO178115B - Elektrodesammenstilling og elektrolysecelle - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en elektrodesammenstilling omfattende en porøs, selvtømmende elektrode, en egnet ramme for å holde elektroden, en elektrode med en strømfordelerdel og en elektrodedel, hvor strømfordelerdelen er i kontakt med en flate av den porøse, selvtømmende elektrode, og et diafragma, og en elektrolysecelle omfattende en anode, en katodesammenstilling, hvilken sammenstilling omfatter et diafragma, en porøs, selvtømmende katode, en katodestrøm-fordeler i kontakt med én side av katoden, en egnet ramme for å holdé katoden på plass, og en elektrisk, ikke-ledende avstandsanordning som skiller diafragmaet fra en anode.

Pakket-sjikt-kloralkali-elektrolyseceller er kjent fra Oloman et al.'s US-patent 3 969 201 og US-patent 4 118 305. Forbedringer når det gjelder disse celler er beskrevet av Mclntyre et al. i US-patent 4 406 758, US-patent 4 431 494, US-patent 4 44 5 986, US-patent 4 511 441 og US-patent 4 457 953. Disse pakket-sjikt-elektrolyseceller er spesielt egnet ved fremstilling av alkaliske oppløsninger av hydrogenperoksyd.

I Grangaards US-patent 3 607 687, US-patent 3 462 351, US-patent 3 507 769 og US-patent 3 592 749 er det beskrevet elektrolyseceller for fremstilling av hydrogenperoksyd hvor peroksydet dannes i katodekammeret i cellen som inneholder en depolarisert katode hvor det benyttes en oksygenholdig gass. De elektrokjemiske celler ifølge Oloman et al. og Mclntyre et al. beskrevet i de patenter som er angitt ovenfor, er forbedringer i forhold til cellene ifølge Grangaard delvis som et resultat av anvendelse av det nye elektrodemateriale som er beskrevet i US-patent 4 457 953 hvor det er beskrevet en fremgangsmåte for fremstilling av belagte partikler for anvendelse i en pakket-sjikt-elektrode i en elektrokjemisk celle.

Det er blitt funnet at en selvdrenerende pakket-sjikt-katode for maksimal produktivitet i en elektrokjemisk celle for fremstilling av en alkalisk hydrogenperoksydoppløsning må tilføres en væskeformig anolytt gjennom et porøst diafragma ved en hovedsakelig ensartet strømningshastighet tvers over det porøse diafragma uten vesentlig variasjon i strømnings-hastigheten som en funksjon av elektrolyttens trykkhøyde. Porøse diafragmaer ifølge teknikkens stand for pakket-sjikt-elektrolyseceller har tillatt en betydelig variasjon i strømningshastighet, idet strømningshastigheten i bunnen av cellen (utsatt for hele elektrolyttens trykkhøyde) er vesentlig hurtigere enn strømningshastigheten i sentrum av cellen eller på toppen av cellen, hvor et redusert høydetrykk utøves på diafragmaet. Denne variasjon i strømningshastighet har resultert i celle-ineffektivitet. Der hvor det er gjort forsøk på å redusere strømningshastigheten gjennom diafragmaet, er det funnet at for lite elektrolytt går gjennom diafragmaet inn i katoden hvor diafragmaet er utsatt for en minimal elektrolytt-trykkhøyde. Når en utilstrekkelig mengde elektrolytt passerer gjennom diafragmaet inn i katoden, resulterer dette også i en økning i cellespenningen. En usedvanlig stor mengde elektrolytt som passerer gjennom diafragmaet, forårsaker overflømming av katoden og derav følgende reduksjon i den depolariserende virkning av den oksygenholdige gass som tilføres til den side av katoden som er motsatt den som vender mot elektrolytten.

Den foreliggende oppfinnelse angår generelt en elektrokjemisk celle med en porøs, selvdrenerende gassdiffusjons-elektrode. Cellen kan anordnes i en filtrérpresse-utformningstype og med en monopolar eller bipolar driftsmåte. En mer ensartet elektrolyttstrømningshastighet inn i elektroden oppnås ved anvendelse av en mangfoldighet av individuelle celle-enheter som er uavhengig av hverandre og anordnet vertikalt såvel som horisontalt. Høyden av hver celle-enhet kan være for-bestemt for tilveiebringelse av en mer ensartet elektrolyttstrømningshastighet i en utstrekning fra topp til bunn, tvers over et diafragma og inn i elektroden. Den hovedsakelig ensartede elektrolyttstrømning som er vesentlig for effektiv drift av en selvdrenerende elektrode, sikres derfor ganske enkelt ved at høyden av de individuelle celle-enheter ifølge oppfinnelsen reguleres.

Elektrodesammenstillingen av den innledningsvis nevnte art er særpreget ved at diafragmaet er plassert i kontakt med en plan flate av den porøse, selvtømmende elektrode på

motsatt side av strømfordeleren.

Elektroden er fortrinnsvis en anode, og diafragmaet er fortrinnsvis væskegjennomtrengelig. Avstandsinnretningene sørger for at sirkulasjon av elektrolytten mellom diafragmaet og anoden kan skje.

Strømfordeleren og anoden kan være utformet av et enhets-arkelement under dannelse av en anode/strømkollektor-eller fordeler-kombinasjon hvor anodedelen har en motsatt polaritet i forhold til strømkollektoren. Det er også klart at den porøse katode og strømkollektoren kan kombineres.

Diafragmaet er i kontakt med, eller understøtter, den porøse katode. Bedre elektrolyttstrømning gjennom den porøse katode oppnås, med en uventet lav spennings-"straff11, ved kontakt mellom strømfordeleren og katoden på dens gass-diffusj onsflate.

Rammen i elektrodesammenstillingen vil omfatte et rektangulært element bestående av parallelle topp- og bunnelementer med en for-bestemt lengde og delt ved hjelp av minst ett element parallelt med nevnte topp- og bunnelementer for avgrensning av flere åpninger egnet for tilbakeholdelse av nevnte elektrodesammenstilling i hver av åpningene under dannelse av flere celle-enheter.

Elektrolysecellen, av den innledningsvis nevnte art for omsetting av elektrolytt med en gass, omfatter ifølge oppfinnelsen at diafragmaet er plassert i kontakt med en flat side av katoden på motsatt side av strømfordeleren. Avstandsinnretningene har. en dimensjon som er tilstrekkelig til at effektiv sirkulasjon av elektrolytten mellom diafragmaet og anoden er mulig. Fortrinnsvis omfatter diafragmaet (A) multiple lag av en mikroporøs polyolefinfilm, (B) en kompositt omfattende den mikroporøse polyolefinfilm og en bærerduk som er bestandig overfor forringelse ved utsettelse for elektrolytt og elektrolyseprodukter derav, og

(C) flere lag av den mikroporøse film eller kompositt.

Fig. 1 er en tegning av en skjematisk fremstilling av én

utførelsesform av den elektrokjemiske celle ifølge oppfinnelsen tatt fra herandre, hvor et par rammer er vist, idet

hver har to åpninger som er tilpasset for plassering av komponentene i et par celle-enheter.

Fig. 2 er en skjematisk fremstilling av et tverrsnitts-sideriss av én utførelsesform av en elektrokjemisk celle ifølge oppfinnelsen, hvor hver av ramme-komponentene har to åpninger tilpasset for plassering av komponentene i paret av celle-enheter.

Ved én utførelsesform av oppfinnelsen illustrert på

Fig. 1 er det vist skjematisk en elektrolysecelle 5 ifølge oppfinnelsen. Hver celle inneholder en ramme 10, et multippel-laglagt, væskegjennomtrengelig diafragma 16, ikke-ledende avstandsinnretninger 18, en elektrode 22 bestående av en anode-del 20 og en strømfordeler-del 12, og en porøs, selvdrenerende katode 14. Skjønt tegningene viser anodedelen 20 og strømfordeler-delen 12 som atsksilte elementer, er det foretrukket at disse deler dannes som en enkelt enhetskomponent. De elektriske forbindelser for celle-elektrodene og innretningene for fordeling av elektrolytt og fjerning av elektrolyseprodukter er ikke vist.

På Fig. 2 er det vist skjematisk og delvis utspilt et sidesnitt av en serie elektrolyseceller, idet hver inneholder flere celle-enheter svarende til den to-celle-utførelsesform som er vist på Fig. 1. Tilsvarende komponenter e. r nummerert som på Fig. 1. Hver celle har en ramme 10 som kan tilpasses to elektrolyseceller eller celle-enheter anordnet vertikalt. Det vil forstås av fagfolk på området at ytterligere celler kan anordnes vertikalt ganske enkelt ved anvendelse av en ramme med det fordrede antall åpninger egnet til å tilpasses komponentene i hver celle. Alternativt kan den bipolare celle ifølge oppfinnelsen anvendes i en stablet anordning av enkeltcellerammer med individuelle celler snarere enn cellerammer som inneholder flere celler eller celle-enheter.

Ved drift går væske-elektrolytten, d.v.s. anolytten, med tilførsel ved hjelp av tyngdekraften fra anolyttkammeret 24 i cellen gjennom det væskegjennomtrengelige diafragma til den porøse, selvdrenerende katode. Anolyttstrømningen gjennom diafragmaet er forholdsvis ensartet som et resultat av anvendelse av flerdobbelte lag av diafragmaet såvel som cellens utformning for begrensning av høyden av hver individuell celle til mindre enn ca. 60 cm, fortrinnsvis

ca. 30 cm. Katoden er i kontakt med strømfordeler-delen 12. Under drift av cellen ledes en gass til den aktive ikke-elektrolytt-del av katoden 14 og et vandig produkt uttas fra katode 14. Anodedelen 20 av den bipolare elektrode 22 er atskilt fra diafragmaet 16 ved hjelp av avstandsinnretninger 18 hvorved det dannes et anolyttkammer 24. Avstandsinnretningene er vist som flere skiver eller staver med for-bestemt tykkelse eller lengde tilstrekkelig for tilveiebringelse av et mellomrom mellom diafragmaet og den bipolare elektrode 22, idet sirkulasjon av elektrolytten muliggjøres, d.v.s. en blanding av oksygen og etsalkali, d.v.s. et alkalimetallhydroksyd. Fortrinnsvis er avstandsinnretningene flate skiver som er anbrakt i lik avstand fra hverandre. Skivene kan være løst anbrakt på diafragmaet siden celle-elementene er montert i horisontal stilling. Når cellen er montert og anbrakt i rammen, utøves det tilstrekkelig trykk på celle-elementene til at avstandsinnretningene holdes i stilling mellom diafragmaet og anoden. Alternativt kan avstandsinnretningene være festet på hvilken som helst passende måte, såsom ved hjelp av et klebemiddel, til diafragma-overflaten eller elektrodeoverflaten.

Avstandsinnretningene er fremstilt av et materiale som er bestandig overfor elektrolytten og elektrolyseproduktene. Avstandsinnretningene kan således være fremstilt av et metall eller en metall-legering, eller av et syntetisk harpiksmateriale. Avstandsinnretningene er fortrinnsvis fremstilt av et syntetisk harpiksmateriale og har en diameter på

ca. 6 mm og en lengde eller tykkelse på ca. 3 mm. Avstandsinnretningene kan selvfølgelig ha sirkulær form eller hvilken som helst annen passende geometrisk form, d.v.s. kvadratisk, rektangulær, triangulær, stjerneformet eller liknende. Det eneste avgjørende trekk ved avstandsinnretningene er at dimensjonene er valgt slik at det tilveiebringes tilstrekkelig avstand for sirkulasjon av elektrolytten mellom

diafragmaet og elektroden. Det er også en utførelsesfora av den foreliggende oppfinnelse at den innbefatter avstandsinnretninger fremstilt av et arkmateriale såsom en perforert sikt, en vevet eller ikke-vevet matte av et fibrøst materiale, et riflet ark, en dråpefanger eller liknende.

Anbringelsen av multiple celler i en vertikalt anordnet stilling og med de individuelle celler isolert fra hverandre vertikalt, minimaliserer ujevnheten ved elektrolytt-strømningen inne i hver celle fra toppen til bunnen og gjennom diafragmaet inn i den porøse katode. Ved at høyden av den individuelle celle begrenses, minimaliseres ujevn elektrolyttstrømning og strømfordeling bevirket ved slik elektrolyttstrømnings-ujevnhet. Det er således mulig å drive cellen med øket effektivitet og å forlenge elektrodens levetid som et resultat av økning av strømningen av elektrolytt inn i katoden ved dens øvre del og reduksjon av over-flømmingen av katoden ved dens nedre del.

Det er flere problemer forbundet med anvendelse av porøse, selvdrenerende katoder, som har tendens til å forhindre utnyttelse av dem ved kommersielle prosesser. Ett av disse problemer er vanskeligheten ved tilveiebringelse av en hovedsakelig ensartet strømning av elektrolytt fra ett cellekamraer gjennom diafragmaet til den porøse katode over hele området med elektrolytt-trykkhøydenivåer som kan fore-komme i praksis. I elektrolyseceller for fremstilling av en alkalisk hydrogenperoksyd-oppløsning med selvdrenerende pakket-sjikt-katoder, drift ved atmosfæretrykk og en anolytt-trykkhøyde på 60-180 cm eller mer er strømningsujevnheten for anolytt gjennom diafragmaet til katoden meget tydelig. Ved den nedre del av katoden, som er utsatt for den fulle anolyttvæske-trykkhøyde, kan overflømming av en del av katoden skje, hvilket resulterer i inaktivering av den overflømmede del av katoden. Ved den øvre del av katoden, som bare er utsatt for en liten del av anolyttvæsketrykk-høyden, er katoden på samme tid underkastet en utilstrekkelig strømning av anolytt, hvilket resulterer i en utilstrekkelig fukting av katoden, som bevirker en økning i cellespenningen.

For unngåelse av overflømming av den porøse katode har teknikkens stand foreslått anvendelse av spesielle katoder som er gjort vanntette og/eller det er forsøkt å utlikne anolytt-trykket med gasstrykket tvers over katoden. Én fremgangsmåte for regulering av strømningen gjennom diafragmaet, er å drive anolyttkammeret under enten gass-eller væsketrykk. Ved denne fremgangsmåte er anolyttkammeret i cellen forseglet mot atmosfæren, og gasstrykk eller væsketrykk utøves på anolytten. Høytrykkspumper kan anvendes for å tvinge en væskeanolytt under trykk inn i det motsvarende katolyttkammer, eller en gass under trykk kan innføres i anolyttkammeret. Alternativt kan trykkfallet tvers over diafragmaet reguleres ved at det dannes et vakuum på diafragmaets katodeside. Dette vil trekke elektrolytten mot og gjennom diafragmaet inn i katoden. Disse fremgangsmåter har ikke vist seg å være kommersielt tilfredsstillende.

En elektrolysecelle hvor det anvendes minst én selvdrenerende katode kan anvendes ved fremstilling av klor og alkalimetallhydroksyd, men er spesielt egnet ved fremstilling av hydrogenperoksyd. Når det anvendes en selvdrenerende katode for eksempel for elektrolyse av natrium-klorid, dannes klor i cellens anolyttkammer og vandig natriumhydroksyd dannes i cellens katolyttkammer. Hydrogen, som normalt ville dannes ved katoden, dannes ikke når en oksygenholdig depolariserende gass ledes til en porøs, selvdrenerende gassdiffusjonskatode, idet det således fås en besparelse i cellespenning. Innenfor teknikkens stand er én type katode utviklet for anvendelse av oksygen som en depola-risende gass, karakterisert ved en oppbygning som består av en "sandwich" av et mikroporøst lag av plastfilm kombinert med et katalysert lag som er gjort tett mot fuktighet med en fluorkarbonpolymer. Slike gass-depolariserte katoder er vanligvis, på sin elektrolyttaktive flate, i kontakt med en trådduk betegnet en "strømfordeler". Strøm blir derved fordelt til katodens katalyserte lag, og en oksygenholdig gass kan ledes inn i katodens katalyserte lag gjennom et mikroporøst baksidelag på katoden. Slike katoder har hatt forskjellige mangler innbefattende delaminering av de forskjellige lag under drift av cellen og den endelige overflømming av elektrolytt over det katalyserte lag som fører til inaktivering av katoden og stansing av cellen. Den selvdrenerende katode beskrevet ovenfor er en forbedret form for gassdepolarisert katode for anvendelse ved fremstilling av en alkalisk hydrogenperoksydoppløsning eller et halogen såsom klor og en alkalimetallhydroksydoppløsning.

Elektrolyseceller for reduksjon av oksygen til peroksyd er også blitt beskrevet innenfor teknikkens stand som utnyttelse av én side av en porøs karbonplate i kontakt med elektrolytten og en oksygenholdig gass levert til den motsatte side av platen for reaksjon inne i platen. Disse porøse gassdiffusjonselektroder fordrer omhyggelig balan-sering av oksygen- og elektrolytt-trykk for å holde reaksjonssonen jevnt avgrenset akkurat under eller på den porøse plates overflate. Den selvdrenerende pakket-sjikt-katode beskrevet i US-patent 4 118 305 er en forbedret elektrodeform sammenlignet med den ovenfor beskrevne porøse karbonplate.

Ved én utførelsesform av den elektrokjemiske celle ifølge oppfinnelsen anvendes et diafragma som består av eitt eller flere lag av et væskegjennomtrengelig materiale. Dessuten tilveiebringer celleutformningen kontroll over høyden av de individuelle celler ved anvendelse av en ramme som kan tilpasses flere vertikalt anordnede celler som utgjør en integral enhet og hvor rammen også kan tilpasses flere celler som er anordnet i den vanlige horisontale retning, karakteristisk for bipolare elektrokjemiske celleir av filtrérpresse-typen. Alternativt kan individuelle ramme-innfattede celler anordnes vertikalt under oppnåelse av liknende formål. Ved fremstilling av klor og etsalkali eller ved fremstilling av en alkalisk vandig oppløsning av hydrogenperoksyd ved elektrolyse blir den porøse, selvdrenerende katode tilført en oksygenholdig gass på den side av katoden som er inaktiv når det gjelder reaksjon med elektrolytt.

I den følgende beskrivelse er det beskrevet en elektrokjemisk reaksjon for fremstilling av en alkalisk hydrogenperoksydoppløsning som en representativ elektrokjemisk prosess hvor den elektrokjemiske celle ifølge oppfinnelsen anvendes. Fremgangsmåten utføres ved elektrolysering av en vandig oppløsning omfattende et alkalimetallhydroksyd som elektrolytt. Cellen er avdelt ved hjelp av et væskegjennomtrengelig diafragma i katolytt- og anolyttkamre som henholdsvis inneholder en katode og en anode. En vandig oppløsning av hydrogenperoksyd og et alkalimetallhydroksyd utvinnes som hydrolyseprodukt fra katolyttkammeret. En oksygenholdig gass såsom luft får samtidig strømme inn i i det minste en del av den porøse, selvdrenerende elektrode som fungerer som katode. Elektrolytt får samtidig på en kontrollert måte strømme fra cellens anolyttkammer inn i katoden gjennom det gjennomtrengelige diafragma ved en strøm-ningshastighet omtrent lik dreneringshastigheten for katoden. Strømningshastigheten gjennom diafragmaet bestemmes ved differensialtrykket på diafragmaet. På diafragmaets katodeside kan trykket være atmosfæretrykk eller høyere som et resultat av at en gass får strømme under trykk inn i den porøse katode. Trykket på anodesiden av diafragmaet kan justeres ved at elektrolyttens trykkhøyde i anolyttkammeret forandres. Anolyttens trykkhøyde er i det foreliggende spesifisert som den totale trykkhøyde, målt fra bunnen av diafragmaet til anolyttens toppoverflate. Det effektive trykk som bevirker strømning av anolytt gjennom diafragmaet, er således anolyttens trykkhøyde minus det trykk som utøves på katolyttsiden av diafragmaet ved den gass som ledes inn i cellens katode.

Den porøse katode har vanligvis en tykkelse på 0,1-

2,0 cm i strømbanens retning og kan omfatte en porøs (sintret) stasjonærsjikt-matriks såvel som et sjikt av løse partikler, med porer med tilstrekkelig størrelse og antall til at både gass og væske kan strømme gjennom den. Katoden inneholder vanligvis et ledende materiale som også kan være en god elektrokatalysator for utførelse av reaksjonen. Ved

reduksjon av oksygen til hydrogenperoksyd er grafittpartikler belagt med karbon og polytetrafluoretylen som bindemiddel funnet å være egnet for dannelse av katodemassen fordi grafittunderlaget er billig, ledende og ikke fordrer noen spesiell behandling. For andre reaksjoner kan det anvendes ubelagt grafitt eller andre former av karbon- eller wolframkarbid-underlag såvel som visse metaller såsom platina og iridium, eller metalloksyder såsom blydioksyd eller mangandioksyd belagt på et ledende eller ikke-ledende underlag. Grafittpartiklene har typisk diametrer i området 0,005-0,5 cm og har en minimums-diameter på 30-50 mikron.

Det er partikkelsjiktet som fungerer som katode.

Vanligvis forsynes den porøse katode med strøm gjennom en strømfordeler som kan være en metalltrådduk eller et metallark, vanligvis fremstilt av hvilket som helst elektrisk ledende metall, men fortrinnsvis nikkel. Strømfordeleren er i kontakt med katoden på den flate som er motsatt den flate som er i kontakt med diafragmaet. Katoden forsynes også med en oksygenholdig gass for depolarisering av katoden under drift av cellen og for forhindring av dannelse av hydrogen ved katoden under elektrolysen. Det ble funnet at det er betydelig mindre spennings-"straff<11> ved anbringelse av strømfordeleren på katodens bakflate og at forbedret strømning inn i katoden oppnås. En hver kanneleringstendens langs den plane flate på strømfordeleren og diafragmaet unngås. Slik kannelering forhindrer skikkelig kontakt mellom elektrolyttoppløsningen og partiklene i sj iktet når strømfordeleren er anbrakt på den elektrolyttaktive flate på katoden. Følgelig oppnås bedre elektrolyttstrørnning inn i katoden når strømfordeleren er anbrakt på den side av keitoden som er motsatt diafragmaet, i stedet for mellom diafragmaet og katoden. I tillegg oppnås en økning i gass/væske-kon-takten.

Vanligvis er diafragmaet anbrakt for å understøtte katodens elektrolyttaktive flate. Diafragmaet kan også være indirekte såvel som direkte understøttet på én side ved hjep av katoden. Diafragmaet omfatter fortrinnsvis en sammenstilling av flerdobbelte lag av en mikroporøs polyolefinfilm eller en kompositt omfattende en elektrolyttbestandig bærerduk og den mikroporøse polyolefinfilm. Bærerduken kan være laminert til filmen og kan være av et vevet eller ikke-vevet materiale, for eksempel valgt blant asbest eller et syntetisk harpiksmateriale. Det er ikke noen nødvendighet å holde sammen diafragmaets flerdobbelte lag. Ved sine perifere deler er diafragmaet, som konvensjonelt, festet til cellens rammeelementer. Flerdobbelte diafragmalag med fra to til fem lag av film- eller komposittdiafragma er blitt funnet egnet til reduksjon av usedvanlig stor variasjon i strømning av elektrolytt gjennom diafragmaet over det vanlige og praktiske elektrolytt-trykkhøyde-område. Et ettlags-diafragma kan passende anvendes under visse betingelser. Sammenlignet med deler av diafragmaet som er utsatt for liten eller ingen elektrolytt-trykkhøyde, avleverer deler av det flerdobbelt laglagte diafragma som er utsatt for hele elektrolytt-trykkhøyden, hovedsakelig den samme elektrolytt-mengde til katoden.

Som en alternativ måte til fremstilling av et egnet flerlags-diafragma er det funnet ønskelig å fremstille et diafragma med variable lag av det porøse film- eller kompositt-diafragma. Det er således passende å anvende fra ett til to lag av det porøse film- eller kompositt-diafragma i områder av cellen som er utsatt for forholdsvis lavt trykk som et resultat av at de befinner seg nær elektrolyttens toppoverflate, mens man anvender fra to til seks lag av film-eller kompositt-diafragmaet i områder av diafragmaet som er utsatt for moderat eller høyt elektrolytt-trykk. En foretrukket oppbygning er en tolags-film eller -kompositt i diafragmaets toppdel og en trelags-film eller -kompositt i diafragmaets bunndel.

Film- eller kompositt-diafragmaet er karakterisert som hydrofilt. Med en tykkelse på 2 5 mikron har komposittens filmdel en porøsitet på 38-45% og en effektiv porestørrelse på 0,02-0,04 mikrometer. Et typisk kompositt-diafragma består av en 25 mikron tykk mikroporøs polyolefinfilm laminert til en ikke-vevd polypropylenduk med en total tykkelse på ca. 125 mikron. Slike kompositter av porøst materiale er tilgjengelige under varebetegnelsen "CELGARD" fra Celanese Corporation.

Selvdrenerende pakket-sjikt-katoder beskrevet innenfor teknikkens stand består typisk av grafittpartikler, men andre karbonformer kan anvendes såvel som visse metaller. Katoden har typisk flere forbindelsesganger med gjennomsnittlige diametrer som er tilstrekkelig store til at katodene blir selvdrenerende, det vil si at virkningene av tyngdekraften er større enn virkningene av kapillærtrykket på en elektrolytt som befinner seg inne i gangene. Den diameter som i virkeligheten fordres, avhenger av overflatespenningen, viskositeten og andre fysiske karakteregenskaper hos den elektrolytt som er tilstede inne i pakket-sjikt-katoden. Vanligvis har gangene en minimumsdiameter på 3 0-50 mikron, men den maksimale diameter er ikke avgjørende. Katoden bør ikke være så tykk at cellens motstandsfall økes i en urimelig grad. En passende tykkelse for en katode er funnet å være 0,075-2,5 cm, fortrinnsvis 0,15-1,25 cm. Katoden er vanligvis fremstilt av slike materialer som grafitt, stål, jern og nikkel. Glass, forskjellige plasttyper og for-skjellig keramikk kan anvendes i blanding med ledende materialer. De individuelle partikler kan være understøttet av en trådduk som ikke er elektrisk ledende eller annen egnet bærer, eller partiklene kan være sintret eller bundet sammen på annen måte. Et forbedret materiale som er egnet ved dannelsen av en pakket-sjikt-katode, er beskrevet for eksempel i US-patent 4 457 953.

Anoden i den elektrokjemiske celle ifølge oppfinnelsen kan være en dimensjonelt stabil anode såsom slike som konvensjonelt anvendes i elektrolyseceller for fremstilling av klor og etsalkali. I en elektrolysecelle for fremstilling av hydrogenperoksyd kan anoden være av rustfritt stål men er fortrinnsvis en uoppløselig elektrode fremstilt ved belegging av et elektrisk ledende metallunderlag såsom nikkel eller et nikkelplettert underlag med en effektiv elektrokatalytisk mengde av kobolt- og wolframforbindelser, såsom nitratene og kloridene.

Rammekomponenten i cellen ifølge oppfinnelsen kan være oppbygd av metall, et syntetisk harpiksmateriale eller en kombinasjon av slike materialer. Rammen kan for eksempel være støpt av hard gummi, fylt polypropylen, polyester-fiberglass, polyester eller hvilket som helst annet materiale som er kjemisk bestandig overfor cellemiljøet. Vanligvis er anoderammen dannet av disse plastmaterialer mens katoderammen er dannet av stål.

I elektrolyseceller på søknadstidspunktet anvendtes det også metallrammer som ga fordeler ved høy styrke, lite tverr-snittsareal i strukturelementene, korrosjons-bestandighet, bestandighet overfor varping og forlikelighet med metall-elektrodeoverflater når det gjelder ekspansjonskoeffisient.

Rammen i elektrolysecellen ifølge oppfinnelsen kan bestå av massive, i motsetning til hule eller U-formede eller kanalformede, rammeelementer av metall eller plast. U-formede eller kanalformede elementer kan passende være utformet for tilpasning av innføring av et forsterkende kjernemateriale inne i åpningen i rammeelementene. Rammen omfatter ved én utførelsesform av oppfinnelsen en mangfoldighet av rektangulært formede rammeelementer bestående av parallelle topp- og bunnelementer med for-bestemt lengde innbyrdes forbundne ved motstående, parallelt vertikalt anbrakte første og andre sideelementer med for-bestemt lengde og delt ved i det minste ett element parallelt med nevnte topp- og bunnelementer for avgrensning av minst to rektangulært formede åpninger egnet for å være i kontakt med elektrodens omkrets for dannelse av multiple celler som er i en vertikal, opprettstående stilling under drift av cellen. Kjernematerialet i rammen kan være dannet av en blanding av et elektrolytt-bestandig fyllstoff og en elektrolytt-bestandig varmherdende harpiks såsom polyester, en polyeter, en fenol- eller en epoksyharpiks. Kjernematerialet må også være bestandig overfor elektrolyseproduktene. Egnede fyllmaterialer kan være partikkelformige eller fibrøse og er illustrert ved slike kjemisk inerte materialer som sand, talk, titandioksyd, oppkappede glassfibrer eller en oppkappet fibret polyolefin- eller halogenkarbonpolymer såsom polytetrafluoretylenfibrer. Den andel av fyllstoff som anvendes i blanding med den varmherdende harpiks for dannelse av kjernematerialet, kan være 50-95 vekt%, fortrinnsvis 60-85 vekt% og mest foretrukket 70-80 vekt%.

Oppbygningsmaterialene for rammen i en kloralkali-elektrolysecelle er vanligvis fremstilt av et enkeltmetall eller en metallkompositt såsom titan, nikkel, titandekket kopper eller stål eller annet slikt metall eller egnet materiale, og den del av rammen som er i kontakt med katolytten, vil ofte være av stål, nikkel, rustfritt stål (høyt innhold av krom eller nikkel), nikkeldekket stål, nikkeldekket kopper, rustfritt stål på kopper eller rustfritt stål på stål.

Når rammen er åpen på én side, d.v.s. U-formet eller kanalformet, kan rammematerialet eller foringen også være fremstilt av forskjellige syntetiske organiske polymerer. Foringen kan for eksempel være fremstilt av en hydrofob polymer, for eksempel et polyolefin eller en termoplastisk hydrokarbonpolymer. Polytetrafluoretylen eller polypropylen er de mest foretrukkede polymerer for anvendelse ved fremstilling av foringen, men hvis ønskelig kan andre hydrofobe polymerer anvendes i stedet, såsom en polymer av fluorert etylenpropylen, polyvinylidenklorid, polyvinyl-diklorid og polyvinyldifluorid. Anvendelse av termoplastiske polymerer for dannelse av foringsdelen av rammen muliggjør anvendelse av ekstruderte deler av foringen som lett kan monteres til den rektangulært formede ramme og deretter fylles med en blanding av en varmherdende polymer og fyllstoff.

Rammens tykkelse må beregnes for den spesifikke utformning av en filtrérpresse-elektrolysecelle. Når det. gjelder dette er det pakningstrykk som fordres, muligens en mer betydelig utformningsfaktor enn hydraulisk trykk. Vanligvis er foringens tykkelse i området 0,12-0,62 cm og fortrinnsvis 0,2-0,38 cm. Vanligvis er rammens totale tykkelse, innbefattende kjernematerialet, i området 2-10 cm, fortrinnsvis 2,5-6 cm og mest foretrukket 3-5 cm.

De åpninger, som fordres i rammen for inntak, uttak og ledere (ikke vist), medvirker til å redusere rammens styrke ved passasjepunktene. Uten anvendelse av en metall- eller plast-kanal fylt med et kjernemateriale som en komponent i rammen,^kan det fordres elektrode-seksjoner som er betydelig tykkere enn størrelsen av rammen spesifisert ovenfor, ganske enkelt for tilveiebringelse av passende rammestyrke.

Foringer dannet som kanaler ut fra arkmaterialer har fordeler fremfor massive oppbygninger på den måte at flensene på den foring som danner kanalen, er tynne i seg selv, og således reduseres ikke foringens styrke i noen vesentlig grad ved gjennomtrengning av kanalen for inntak, uttak og ledere. Dessuten tilveiebringer det kjernemateriale som kan dannes på stedet i kanalene, øket styrke. Nettoresultatet kan være anvendelse av en tynnere elektrode og derfor en mindre kostbar celle på enhetsbasis.

De relative dimensjoner av de forskjellige deler av

rammen kan forandres for tilpasning av forskjellige elektro-lyseprosesser. For eksempel kan det anvendes forskjellige former av rammekanalene, og modifikasjoner kan gjøres ved fremgangsmåtene for forsegling av rammene under anvendelse av tettende materialer uten at hovedfordelene ved en slik ramme tapes, nemlig en sterk filtrérpresse-cellerammetype laget av enten en elektrisk ledende metallforing og et kjernemateriale av varmherdende polymer og fyllstoff eller en celleramme laget av et foringsmateriale av en organisk polymer hver med et kjernemateriale av en varmherdende polymer og et fyllstoff.

De følgende eksempler illustrerer de forskjellige

aspekter ved oppfinnelsen.

EKSEMPEL I

En elektrolysecelle ble oppbygget ifølge den skjematiske fremstilling vist på Fig. 2, bortsett fra at cellen var bare én celle-enhet høy og bare inneholdt en enkelt celle-enhet. Cellediafragmaet besto av tre lag av en kompositt av porøst materiale, tilgjengelig under handelsbetegnelsen "CE LG ARD'" fra Celanese Corporation. Hvert lag av cellediafragmaet besto av en 25 mikron tykk mikroporøs polyolefinfilm laminert til en ikke-vevd polypropylenduk for tilveiebringelse av en total laminert tykkelse på 125 mikron. Således var resul-tatet en total cellediafragmatykkelse på 375 mikron ved anvendelse av tre lag av komposittmaterialet. Anoden ble fremstilt ved belegning av et nikkelplettert stålunderlag med en elektrokatalytisk mengde av kobolt- og wolframforbindelser. Katoden var av pakket-sjikt-typen og besto av et partikkelformet underlag, nemlig grafitt belagt med en blanding av kjønrøk og polytetrafluoretylen. Tykkelsen av pakket-sjikt-katoden var ca. 3,75 cm. Cellen ble brukt til elektrolysering av en oppløsnsing av natriumhydroksyd som var stabilisert, under anvendelse av 0,6 vekt% basert på konsentrasjonen av natriumhydroksyd i elektrolytten.

En nikkelark-strømkollektor ble anbrakt på baksiden av pakket-sjikt-katoden, idet baksiden av katoden er den side som vender bort fra celle-diafragmaet. En vandig konsentrasjon på 38,5 gram pr. liter natriumhydroksyd ble anvendt som elektrolytt, og cellen ble forbundet med en elektrisk strømkilde for tilveiebringelse av en strømtetthet på

46,5 mA/cm<2> og en cellespenning på 1,78 volt. Hydrogenperoksyd ble dannet i en konsentrasjon på 30,5 gram pr. liter i en vandig oppløsning med en natriumhydroksyd-konsentrasjon på 60,3 gram pr. liter. Hydrogenperoksyd ble dannet ved en strømeffektivitet på 92,2%.

EKSEMPEL II

En liknende "kontroll"-elektrolysecelle ble satt opp og kjørt for vurdering av spenningen, produktkonsentrasjonen og strømeffektiviteten. Imidlertid var strømkollektoren, i stedet for å være anbrakt på baksiden av katoden, som i Eksempel .1, anbrakt på forsiden, idet den vendte mot celle-diafragmaet. Under liknende driftsbetingelser ble det ved en elektrolytt-tilførselskonsentrasjon på 41,4 mA/cm<2> oppnådd en cellespenning på 1,74 volt ved en strømeffektivitet på 94,6%. Den oppnådde produktkonsentrasjon var 32,7 gram pr. liter hydrogenperoksyd i en vandig oppløsning som inneholdt 61 gram pr. liter natriumhydroksyd.

Sammenlikning av Eksempel I ifølge oppfinnelsen med Kontroll-eksempel II viser at det ikke er noen spennings-"straff" i cellen hvor strømkollektorens posisjon flyttes fra den konvensjonelle stilling på katodens frontside til katodens bakside. En fagmann på området ville vente at det skulle bli en spennings-"straff" siden det ved 62 mA/cm<2> og under et trykk på 0,145 kg/cm fås et spenningsfall gjennom en pakket-sjikt-katode lik den som anvendes i de elektrolyseceller som er beskrevet i Eksempler I og II. Når katoden målte 2,5 cm i tykkelse, var spenningsfallet 0,22 3 volt pr. cm. Siden katodene anvendt i elektrolysecellene ifølge Eksempler I og II målte 1,25 cm i tykkelse, vil derfor en fagmann på området vente en spennings"straff11 på 0,283 volt, eller halvparten av det spenningsfall som måles gjennom en 2,5 cm tykkelse for en pakket-sjikt-katode lik den som anvendes i elektrolysecellene ifølge Eksempler I og II.

Claims (15)

1.. Elektrodesammenstilling omfattende en porøs, selv-tømmende elektrode (14), en egnet ramme (10) for å holde elektroden, en elektrode (22) med en strømfordelerdel (12) og en elektrodedel (20), hvor strømfordelerdelen (12) er i kontakt med en flate av den porøse, selvtømmende elektrode, og et diafragma (16), karakterisert ved at diafragmaet (16) er plassert i kontakt med en plan flate av den porøse, selv-tømmende elektrode på motsatt side av strømfordeleren (12).

2. Elektrodesammenstilling ifølge krav 1, karakterisert ved at elektroden er en katode(14).

3. Elektrodesammenstilling ifølge krav 1, karakterisert ved diafragmaet (16) er væskegj ennomtrengelig.

4. Elektrodesammenstilling ifølge krav 2, karakterisert ved at den porøse, katode (14) omfatter et sjikt av elektrisk ledende, sintrede. partikler eller en agglomerering av løse partikler.

5. Elektrodesammenstilling ifølge krav 2 til 4, karakterisert ved at elektroden (22) danner en enhetlig bestanddel med en anodedel (20)og en strøm-fordelerdel (12), og nevnte enhetsbestanddel er konstruert av en integral plate eller separate plater av et ledende metall, og hvori anoden (20) har motsatt polaritet av strømfordeler-delen (12).

6. Elektrodesammenstilling ifølge krav 1 til 5, karakterisert ved at det væskegjennomtrengelige diafragma omfatter (A) en mikroporøs polyolefinfilm eller (B) en kompositt omfattende den mikroporøse polyolefinfilm og en bærerduk som er nedbrytningsbestandig ved utsettelse for en elektrolytt eller elektrolyseprodukter derav, eller (C) det væskegjennomtrengelige diafragma omfatter 2-5 lag av den mikroporøse polyolefinfilm eller komposittfilm.

7. Elektrodesammenstilling ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den innbefatter en ramme (10) omfattende et rektangulært formet rammeelement bestående av parallelle topp- og bunnelementer av forutbestemt lengde og delt med minst ett element parallelt med nevnte topp- og bunnelementer under dannelse av flere åpninger.

8. Elektrodesammenstilling ifølge krav 2, karakterisert ved at en anodedel (20) og strømfordelerdelen (12) er konstruert av en rustfri stålplate eller en komposittplate av et elektrisk ledende metallsubstrat belagt med et elektrokatalytisk virksomt belegg.

9. Elektrodesammenstilling ifølge krav 7, karakterisert ved at nevnte ramme (10) inneholder flere elektrodesammenstillinger som strekker seg både i horisontal retning og i vertikal retning.

10. Elektrodesammenstilling ifølge krav 7, karakterisert ved at rammen (10) er oppbygget av et materiale valgt blant et syntetisk harpiksmateriale, et metall og en kompositt av et metall og syntetisk harpiksmateriale, og flere lag av den mikroporøse film eller kompositt.

11. Elektrolysecelle omfattende en anode, en katodesammenstilling, hvilken sammenstilling omfatter et diafragma (16), en porøs, selvtømmende katode (14), en katodestrømfordeler i kontakt med én side av katoden, en egnet ramme (10) for å holde katoden på plass, og en elektrisk, ikke-ledende avstands-anordning som skiller diafragmaet (16) fra en anode (22) , karakterisert ved at diafragmaet (16) er plassert i kontakt med en flat side av katoden (14) på motsatt side av strømfordeleren.

12. Elektrolysecelle ifølge krav 11, karakterisert ved at diafragmaet (16) omfatter en mikroporøs polyolefinfilm.

13. Elektrolysecelle ifølge krav 12, karakterisert ved at diafragmaet (16) omfatter en kompositt med den mikroporøse polyolefinfilm i seg og en bærerduk som er nedbrytningsbestandig overfor en elektrolytt og elektrolyseprodukter derav.

14. Elektrolysecelle ifølge krav 12 og 13, karakterisert ved at diafragmaet (16) omfatter flere lag av den mikroporøse polyolefinfilm eller kompositt.

15. Elektrolysecelle ifølge krav 11, karakterisert ved at den innbefatter et rammeelement (10) omfattende parallelle topp- og bunnelementer med forutbestemt lengde avdelt ved minst ett element parallelt med topp- og bunnelementene for avgrensning av flere åpninger egnet for tilbakeholdelse av celleenhet-sammenstillingen i hver av åpningene og tilveiebringelse av flere celleenheter i en generelt vertikal stilling.