NO863292L - Monopolar elektrokjemisk celle, celle-enhet og fremgangsmaate ved utfoerelse av elektrolyse i en monopolar celleserie. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret monopolar elektrokjemisk cellekonstruksjon og nærmere bestemt en mono-

polar celle-enhet med et billig, enkelt, effektivt elektrisk strømtransmisjonselement for å føre elektrisk strøm til celle-enhetens elektrodekomponenter.

Klor og kaustisk soda er viktige varer med stort volum som er grunn-kjemikalier som kreves for fremstilling av mange kjemiske produkter. De fremstilles nesten utelukkende elektrolytisk fra vandige løsninger av et alkalimetallklorid, idet en hoveddel av en slik produksjon kommer fra elektrolytiske celler av diafragma-typen. i elektrolytiske diafragmacelle-prosesser føres saltvann (natriumkloridløsning) kontinuerlig til anoderommet og strømmer gjennom et diafragma som normalt er laget av asbest støttet av en katode. For å minimalisere tilbake-

vandring av hydroksydioner holdes strømningshastigheten alltid over omsetningshastigheten slik at den resulterende katolytt-løsning alltid inneholder uforbrukt alkalimetallklorid. Hydrogenioner tømmes fra løsningen ved katoden i. form av hydro-gengass. Katolytt-løsningen som inneholder kaustisk soda (natriumhydroksyd), ikke-omsatt natriumklorid og andre forurens-ninger, må så konsentreres og renses for å oppnå en salgbar natriumhydroksyd-vare og natriumklorid som kan brukes på nytt i klor- og kaustisk-elektrolyseceller for videre produksjon av natri umhydroksyd.

Ved forløpet av teknologiske fremskritt såsom den dimensjonsstabile anode og forskjellige beleggblandinger for denne som tillater enda snevrere rom mellom elektrodene, er elektrolysecellen blitt mer effektiv ved at strømvirkningsgraden økes sterkt ved bruk av disse elektroder. Den hydraulisk ugjennomtrengelige membran har også bidratt en stor del til bruk av elektrolyseceller med hensyn til den selektive migrering av forskjellige ioner gjennom membranen, slik at man utelukker konta-minanter fra de resulterende produkter og derved unngår noen kostbare rense- og konsentrerings-trinn i behandlingen.

Den dimensjonsstabile anode brukes i.dag av et stort antall klor- og kaustisk soda-fremstillere, men den utstrakte tekniske anvendelse av hydraulisk ugjennomtrengelige membraner venter fortsatt. Dette skyldes i. det minste delvis at en god, økonomisk elektrolytisk celle-enhet for bruk med den plane membran mot det tredimensjonale diafragma ennå må tilveiebringes. Geometrien av en elektrolytisk celle-enhet som benytter et diafragma gjør det vanskelig å anvende en plan membran mellom elektrodene. Følgelig er en filterpresse-elektrolysecelle-enhet foreslått som en alternativ celle-enhet for bruk av membraner i fremstilling av klor, alkalimetall-hydroksyder og hydrogen.

Det finnes to grunnleggende typer elektrokjemiske celler

i vanlig bruk for elektrolyse av saltvannsløsninger for å fremstille klor og kaustisk soda, d.v.s. monopolare og bipolare celler. Selv om bipolare celler ikke er gjenstand for foreliggende oppfinnelse, er det nyttig å forstå driften av bipolare celler for fullstendig å forstå teknikkens stand.

En bipolar filterpressetype-elektrolysecelle er en celle bestående av flere elektrokjemiske enheter i serier som i. en filterpresse hvori hver enhet, unntatt de to ende-enheter,

virker som en anode på én side og en katode på den annen side, idet rommet mellom disse bipolare enheter deles i et anoderom og et katoderom av en membran. I en typisk drift føres alkalimetall-halogenidløsning inn i anoderommet hvor halogengass dannes ved elektroden. Alkalimetall-ioner transporteres selektivt gjennom membranen inn i katoderommet og forbinder seg med hydroksyd-ioner ved katoden og danner alkalimetallhydroksyder mens hydrogen frigjøres. I denne celle-typen er det resulterende alkalimetallhydroksyd betydelig renere og kan være mer konsen-trert, hvilket minimaliserer etterfølgende kostbar fordampning og saltseparasjonstrinn. Celler hvor de bipolare elektroder og membraner er sandwich-oppbygget i. en filterpressetype-konstruksjon er elektrisk forbundet i serie med en celles anode forbundet med katoden til en tilstøtende celle gjennom et felles strukturelement av en eller annen sort.

Monopolare filterpressetype-elektrolysecelle-enheter er generelt kjent fra US-patent nr. 4.341.604 og omfatter terminale eller endecelle-enheter og flere mellomcelle-enheter plassert mellom endecelle-enhetene.

En separator som kan være et diafragma eller en ionebyttermembran er plassert mellom hver tilstøtende anode og katode for å dele cellene i flere anode- og katodecelle-enheter. Hver av anodecelle-enhetene er utstyrt med et innløp hvor gjennom elektrolytt kan føres til enheten og et utløp hvor gjennom væsker og gasser kan fjernes fra enheten. Hver katodecelle-enhet er lignende utstyrt med et utløp eller flere utløp og om nødvendig med et innløp hvor gjennom væske, f.eks. vann, kan føres til enheten. Hver av anodene i en celle-enhet er også utstyrt med forbindelser hvor gjennom elektrisk strøm kan føres til celle-enheten og hver av katodene er utstyrt med forbindelser hvor gjennom elektrisk strøm kan strømme vekk fra en celle-enhet.

I monopolare celler føres elektrisk strøm til én celle-enhet og fjernes fra en tilstøtende motsatt ladet celle-enhet. Strøm går ikke gjennom en serie elektroder fra én ende av serien av celler til den annen ende av serien som i en bipolar celleserie.

For å sikre effektiv utnyttelse av i det vesentlige hele overflaten av elektrodene i en monopolar celle, er det ønskelig å frembringe elektrisk strøm til elektroden relativt jevnt og uten for store motstandstap. For å oppnå dette har tidligere fagmenn anvist en rekke mekanismer og konstruksjoner ved hvilke elektrisk strøm effektivt kan leveres til elektroden.

Den første og mest åpenbare anordning for å bringe elektrisk strøm til en monopolar celle er ved direkte å forbinde energi-kilden med elektroden ved bruk av en wire, kabel, stang o.s.v. Selv om denne konstruksjon minimaliserer motstandstapene i det elektriske fordelingssystem, virker det ikke godt fordi noen elektroder ikke er tilstrekkelig elektrisk ledende til å fordele den elektriske strøm relativt jevnt gjennom hele elektrode-legemet. Dette gjelder spesielt titan-elektroder som ofte brukes i klor-alkaliceller. Således er det ofte nødvendig å anordne flere forbindelser til elektroden for å sikre riktig strømfordeling. Forskjellige elektriske forbindelser er blitt beskrevet i US-patenter nr. 4.464.242, 4.464.243 og 4.056.458

for eksempel.

Et spesielt mål for oppfinnelsen er å tilveiebringe en elektrisk fordelingsanordning for monopolare elektrokjemiske celler med et minimalt antall deler, et minimalt antall elektriske forbindelser ved anvendelse av billige lett-tilgjengelige materialer og muliggjøre bruk av elektroder med praktisk talt alle fornuftige lenger og bredder.

Oppfinnelsen ligger spesifikt i en monopolar celle av

typen med to endecelle-enheter og minst én mellomcelle-enhet plassert mellom ende-enhetene, idet celle-enhetene er skilt med

en separator valgt fra en i. det vesentlige hydraulisk ugjennomtrengelig ionebyttermembran og et hydraulisk gjennomtrengelig diafragma, hvilken mellomcelle-enhet omfatter: to i det vesentlige parallelle, hovedsakelig plane elektrodekomponenter adskilt fra hverandre;

et hovedsakelig stivt, elektrisk strømtransmisjons-

element plassert i rommet mellom elektrodekomponentene;

hvor transmisjonselementet har et par motstående generelle plane overflater og flere knaster fordelt over begge overflatene og som stikker en forutbestemt avstand utover fra transmisjonselementet i elektrolytt-kammeret nær transmisjonselementet, idet i det minste en del av knastene er mekanisk og elektrisk forbundet enten direkte eller indirekte med elektrodekomponentene, og i det minste ved ett elektrisk forbindelseselement knyttet til transmis jonselementet for å lede elektrisk strøm inn i. eller ut av transmisjonselementet for å fordele elektrisk energi til hver av elektrodekomponentene.

Oppfinnelsen ligger også i en monopolar enhet for en elektrolysecelle omfattende: et elektrisk strømtransmisjonselement i form av et hovedsakelig plant legeme med flere knaster som stikker ut fra motstående overflater, sideforinger med flere hevede partier og en profil som i det vesentlige stemmer overens med legemet,

hvor sideforingene er laget av et korrosjonsbestandig metall og anbragt over de motstående overflatene til legemet; hullede elektrodekomponenter plassert mot sideforingene i kontakt med de oppstående deler, idet elektrodekomponentene, sideforingene og det elektriske strømtransmisjonselement er elektrisk forbundet med hverandre på stedet til i det minste noen av knastene; og et elektrisk forbindelseselement for forbindelse av en positiv eller negativ pol av en elektrisk strømenergiforsyning med minst én av kantene til legemet for å fordele elektrisk energi til hver av elektrodekomponentene.

Oppfinnelsen ligger videre i en fremgangsmåte for å utføre elektrolyse i en monopolar elektrokjemisk celleserie av typen med to endecelle-enheter og i det minste én mellomcelle-enhet plassert mellom ende-enhetene, idet mellomenheten har i det minste to vesentlig parallelle, i det vesentlige plane elektrodekomponenter adskilt fra hverandre, og anordninger for å fordele elektrisk strøm til hver av elektrodekomponentene, idet fordel-ingsanordningene omfatter: et elektrisk ledende i. det vesentlige stivt og plant elektrisk strømtransmisjonselement plassert i rommet mellom elektrodekomponentene, hvor transmisjonselementet har en elektrisk forbindelsesanordning festet til seg for å

lede elektrisk strøm inn i eller ut av transmisjonselementet,

og transmisjonselementet er elektrisk og mekanisk forbundet med hver av elektrodekomponentene ved flere punkter plassert over hele overflaten til hver av elektrodekomponentene, idet transmis jonselementet har flere i det vesentlige kompakte knaster fordelt over begge sine motstående overflater og som stikker en forutbestemt avstand utover fra transmisjonselementet i elektrolytt-kammeret på motstående sider av transmisjonselementet,karakterisert vedat man:

(a) sender en elektrisk strøm fra en energikilde til transmisjonselementet i en mellomcelle-enhet; (b) sender en elektrisk strøm fra transmisjonselementet til elektrodekomponentene som er elektrisk forbundet med transmis jonselementet på motsatte sider derav; (c) sender en elektrisk strøm fra hver av elektrodekomponentene gjennom en elektrolytt og en separator til en endecelle-enhet, hvilken elektrisk strøm har en tilstrekkelig spenning til å gi. elektrolyse av elektrolytten; (d) fjerner elektrolyseproduktene fra celleserien; og (e) fjerner brukt elektrolytt fra cellen.

Oppfinnelsen forstås bedre når man viser til tegningene

som illustrerer oppfinnelsen, og hvor like henvisningstall på tegningene viser til like deler på tegningene, og hvor: Fig. 1 er en delvis vekk-brukket perspektivisk fremstilling av et elektrisk strømtransmisjonselement (ECTE) slik den anvendes i en monopolar celle-enhet ifølge oppfinnelsen tatt fra hverandre.

Fig. 2 er et sidesnitt av en monopolar celle-enhet tatt

fra hverandre.

Fig. 3 er et tverrsnitt av en monopolar celle-enhet uten sideforinger og en monopolar celle-enhet som anvender sideforinger, og de monopolare enheter er vist slik de ville se ut i en celleserie.

Foreliggende oppfinnelse er en monopolar elektrokjemisk cellesammensetning eller celleserie med et elektrisk strøm- transmisjonselement (heretter kalt ECTE) som effektivt og jevnt bringer elektrisk strøm til elektrodekomponentene i en monopolar celle. Oppfinnelsen er særlig egnet for bruk som en elektrokjemisk klor-alkalicelle. Som sådan en billig, enkel og lett å fremstille.

For å forstå resistivitetskonseptet og hvordan resistivitet påvirker materialets evne til å transportere elektrisk energi-er det nyttig å vite at uttrykket "resistivitet" er likestrøms

(d.c.) motstanden mellom motsatte parallelle sider av et stykke metall med en enhetslengde og et tverrsnitt.Resistiviteten til et metall bestemmer den elektriske motstand metallet gir.

Motstand beregnes ifølge formelen:

hvor R = motstand, mikro-ohm

p = resistivitet, mikro-ohm-cm

L = lengde, cm

A = tverrsnittflate, cm<2>

Mark' s Standard Handbook for Mechanical

Engi neers, Seventh Edition, utgitt av Theodore Baumeister, McGraw-Hill Book Company, New York (196 7) oppfører den spesifikke motstanden for en rekke metaller:

John H. Perry's Chemical Engineers' Handbook,

Fourth Edition, utgitt av R.H. Perry, C.H. Chilton og S.D. Kirkpatrick, McGraw-Hill Book Company, New York, 1974, angir de spesifikke motstander for en rekke materialer:

Videre kan forskjellige støpejernslegeringer ha høyere eller lavere spesifikke motstander enn området som er oppført ovenfor. Andre jern(II)-metaller eller legeringer viser et stort område av spesifikke motstander.

Spenningsfallet i. det elektriske strømtransmis jons-element kan beregnes ved å bruke den følende formel:

hvor i. = strømtetthet, amp/cm<2>

L = lengde, cm

t = tykkelse, cm

p = spesifikk motstand, mikro-ohm/cm V = spenningsfall i millivolt

Antas at støpejern har en spesifikk motstand på ca. 15 mikro-ohm-cm, en strømtetthet på 0,31 amp pr. cm , en lengde på 1 meter (100 cm) og en tykkelse på 2,22 cm og en tykkelse på 1,27 cm beregnes de følgende tall:

Den spesifikke motstand for spesielle materialer varierer litt avhengig av den spesielle oppslagsbok som brukes. Imidlertid er tallene temmelig like.

Som man kan se varierer spenningsfallet i. det elektriske strømtransmisjonselement sterkt avhengig av det valgte materiale.

Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å bruke metaller

med en høy spesifikk motstand for ECTE1 er som har et meget lavt spenningsfall og uten å kreve bruk av metaller som har en lav spesifikk motstand, men er forholdsvis dyre.

Metaller med høy spesifikk motstand gir en større elektrisk motstand enn metaller med lav spesifikk motstand. For eksempel har kobber en spesifikk motstand på 1,673 mikro/ohm-cm og støpejern har en gjennomsnittlig spesifikk motstand på ca. 86 mikro/ohm-cm. Således gir støpejern ca. 50 ganger mer elektrisk motstand enn et tilsvarende stykke kobber vil gi. Man kan lett se hvorfor man tidligere anvendte metaller med lav spesifikk motstand såsom kobber for å levere elektrisk strøm til elektrodene.

I slike tilfeller hvor det tidligere ble foreskrevet bruk

av metaller med høy spesifikk motstand for å fordele elektrisk strøm i elektrolytiske celler, f.eks. i US-patent 4.464.242, ble cellene begrenset i størrelse på grunn av de høye motstandstapene som skyldtes den høye spesifikke motstand i de strøm-fordelende metaller. US-Patent 4.464.242 angir begrenset størrelse på 15 til 60 cm i lengde for å unngå nødvendigheten av å bruke kompliserte strømføringsanordninger.

Som man vil se kan et legemes elektriske motstand mini-maliseres ved: (1) å øke lengden av strømbanen; eller (2) å øke tverrsnittsflaten hvor gjennom strømmen går. Foreliggende oppfinnelse benytter sistnevnte metode, mens man tidligere konsentrerte seg på førstnevnte metode.

Med ECTE'et ifølge foreliggende oppfinnelse kan billige metaller med høy spesifikk motstand være helt tilfredsstillende å bruke til å fordele elektrisk strøm uten å være begrenset av små celler og uten å måtte ty til kompliserte strømførings-anordninger.

"Celle", slik uttrykket her brukes, betyr en kombinasjon av elementer omfattende i det minste to motsatt ladede elektroder og en separator, f.eks. en membran.

"Monopolar celle-enhet" slik uttrykket her brukes, betyr en kombinasjon av elementer omfattende minst to elektroder med samme ladning, d.v.s. positiv eller negativ, og en ECTE.

"Elektrodekomponent" betyr en elektrode eller et element

i forbindelse med en elektrode såsom et strømfordelingsgitter eller strømsamler. Komponenten kan foreligge i form av tråd-nett, vevet wire, stanset plate, metallsvamp, ekspandert metall, perforert eller ikke-perforert metallplate, flatt eller korrugert gitterverk, adskilte metallstrimler eller stenger, eller andre former som fagmannen vil kjenne til.

ECTE1 et i. foreliggende oppfinnelse tjener som både:

(1) et middel til å lede elektrisk strøm til elektrodekomponentene i celle-enheten; og (2) en bæreranordning for å holde elektrodekomponentene i en ønsket stilling.

ECTE'et kan brukes i en rekke cellekonstruksjoner og former. Som illustrasjon vil imidlertid noen få foretrukne konstruksjoner og former bli omtalt.

Oppfinnelsen anvender en ECTE laget av et metall som leder elektrisk strøm gjennom ECTE'et til elektrodekomponentene i den monopolare celle-enhet. ECTE'et ifølge oppfinnelsen har en stor masse sammenlignet med tidligere kjente elektrodekomponenter og har en lav motstand og gir en bane for fordeling av elektrisk energi som i det vesentlige er jevn til alle deler av elektrodekomponentene. På grunn av sin store masse og lave motstand er dimensjonene til en monopolar celle-enhet som anvender ECTE'et ifølge foreliggende oppfinnelse ikke begrenset i størrelse slik det tidligere kjente var. Tidligere var selve elektroden som regel den primære elektriske ledeanordning, mens i foreliggende oppfinnelse er ECTE'et den primære elektriske ledeanordning. Derfor oppnås primær elektrisk strømledning og fordeling gjennom hele overflateområdet av elektrodekomponentene ved et ECTE-legeme med lav motstand som har samme utstrekning som elektrodekomponentene og som lett kan lages av et annet materiale enn materialet i elektrodekomponentene.

ECTE'et er hovedsakelig stivt. Uttrykket "i det vesentlige stivt" betyr her at det er selvbærende og at det ikke bøyer seg under sin egen vekt under normale omstendigheter. Videre er det i det vesentlige stivere og mer massivt enn elektrodekomponentene i forbindelse med dette.

Fortrinnsvis velges metallet i ECTE'et fra jern(II)-metaller såsom jern, stål, rustfritt stål og andre metaller såsom nikkel, aluminium, kobber, magnesium, bly, legeringer av hver og legeringer derav. Fortrinnsvis er metallet i ECTE'et valgt fra jern(II)-metaller hvis primære bestanddel er jern, spesielt smijern.

ECTE'et ifølge oppfinnelsen omfatter en elektrisk ledende, plan bærerdel og en vi.ndusramme-lignende flensdel som går langs ytterkanten av bærerdelen. Flensdelen danner en kant-tetningsflate for hver celle som omslutter elektroden når flere monopolare celle-enheter er satt sammen mot hverandre. Flensdelen minimaliserer antallet potensielle lekkasjesteder fra cellens innvendige del. Eventuelt virker flensdelen mer som en pakning enn en flens i seg selv.

Flensdelen kan være et enhetslegeme dannet samtidig med den plane bærerdel av ECTE'et. Eventuelt kan en del av flensdelen være et enhetslegeme dannet samtidig med bærerdelen av ECTE'et og en separat del av det kan senere tilknyttes for å fullstendiggjøre flensdelen. Eventuelt kan flensdelen være satt sammen av flere stykker og festes til bærerdelen. Flensdelen kan være laget av et metall eller et plastmateriale.

For eksempel kan adskilte flensdeler laget av et spenstig kompri-merbart materiale eller av et i det vesentlige ukomprimerbart materiale lett plasseres over ytterkantdelen av bærerdelen til ECTE'et. Rammedelen kan festes til bærerdelen eller kan være enkelt klemt i stilling etter lukking av filterpress-enheten. Ved bruk av et i det vesentlige ukomprimerbart materiale for flensdelen, kan tilsvarende spenstige pakninger brukes for å sikre hydraulisk tetning ifølge vanlig praksis. Fortrinnsvis er flensdelen en integrert del av bærerdelen, d.v.s. den er laget av det samme materiale som den tynnere bærerdel derav, og den danner et eneste elektrisk ledende legeme uten avbrudd i metallet som danner ECTE'et.

Selv om flensdelen er fullstendig formet som en integral del av flensdelen, kan mindre deler av flensdelen utelates eller fjernes og gjøre det mulig å foreta fluid, elektrisk eller andre forbindelser mellom innvendige og utvendige områder av celle-enheten. Avhengig av størrelsen til de utelatte deler kan det foreligge erstatningsstøtte for pakningen eller romforing.

I tillegg gir flensdelen en stor masse av materiale hvor gjennom elektrisk strøm kan overføres om ønsket. Fortrinnsvis er flensdelens tykkelse minst ca. 2-3 ganger større enn bærerdelens tykkelse. Fortrinnsvis har flensdelen en tykkelse på fra 60 til 70 mm, mens bærerdelen har en tykkelse fra 20 til 25 mm.

ECTE'et har fortrinnsvis en tilstrekkelig stor tverrsnittsflate til å minimalisere dens elektriske motstand. Det faktum at ECTE'et har en stor tverrsnittsflate muliggjør bruk av metaller med en høyere spesifikk motstand enn som kunne brukes i. tidligere kjente former. Således er metaller såsom jern, stål, smijern og støpejern perfekt egnet for bruk i foreliggende oppfinnelse. Nærmere bestemt kan metaller med en spesifikk motstand så høy eller større enn kobber brukes økonomisk til å danne ECTE'et. Mer økonomisk anvendes metaller med en større spesifikk motstand enn ca. 10 mikro-ohm/cm. Mest økonomisk brukes metaller med spesifikke motstander så høye som eller høyere enn 50 mikro-ohm/cm.

Totaldimensjonene til ECTE'et kan være større enn i tidligere kjente monopolare celler på grunn av den enestående elektriske fordelingsanordning som oppnås ved ECTE'et i foreliggende oppfinnelse. I tillegg hvor det tidligere krevdes bruk av dyre materialer såsom titan-belagte kobberstaver, kan foreliggende oppfinnelse anvende billige materialer såsom jern eller stål. Således er cellens totaldimensjoner i foreliggende oppfinnelse praktisk talt ubegrenset. Av praktiske grunner anvendes imidlertid fortrinnsvis dimensjoner i området fra 0,25 til 4 m o.

ECTE1 et ifølge foreliggende oppfinnelse kan ha én eller flere passasjer som forbinder motsatte sider derav. Passasjene lar elektrolytt eller gasser passere fra én side av ECTE1 et til den annen side derav. Passasjene kan oppta opp til ca. 60 vol.% av totalt overflateområde av ECTE'et og tillate bruk av mindre metall og således gjøre cellen mer økonomisk. I tillegg kan passasjene adskilles på en forutbestemt måte for å dirigere strøm til bestemte deler av cellen.

ECTE'et gir fortrinnsvis den nødvendige strukturelle helhet for fysisk å støtte de tilstøtende elektrolyttrom ved belastning med elektrolytt samt bære elektrodekomponentene."

ECTE'et har flere knaster som stikker ut en forutbestemt vei fra bærerdelen inn i elektrolyttrommet tilstøtende ECTE'et. Disse knaster kan forbindes mekanisk og elektrisk enten direkte til elektrodekomponenten eller indirekte til elektrodekomponenten gjennom minst ett forenelig metallmellomstykke såsom en kupong eller oblat som befinner seg mellom elektrodekomponenten og hver av knastene. Fortrinnsvis ligger knastene i det samme geometriske plan og er i det vesentlige kompakte. De kan imidlertid inne-holde innvendige hulrom som følge av støping. Elektrodekomponentene er fortrinnsvis sveiset til knastene.

I begge tilfeller er lengden av de flere elektriske strøm-baner mellom elektrodekomponenten og de kompakte knaster som stikker frem fra bærerdelen praktisk talt ubetydelig. Således er motstanden lav selv om elektrodekomponenten er indirekte forbundet med knastene.

Knastene er integralt formet med bærerdelen og formes når ECTE'et støpes. Således består de av det samme materiale som bærerdelen. Da noen metaller er vanskelig å sveise, kan knastene bestå av et annet metall enn bærerdelen. For å danne et ECTE kan staver plasseres i en form hvor knastene skal an-ringes og et støpbart materiale kan støpes rundt stavene.

Knastene er fortrinnsvis adskilt på en måte som bærer elektrodekomponentene stivt. Frekvensen eller avstanden mellom knastene, enten de har rundt tverrsnitt eller langstrakt eller ribbe-type tverrsnitt pr. flate-enhet av de flate elektrodekomponenter i forbindelse med disse kan variere innenfor vide grenser. Separasjonen mellom tilstøtende knaster vil generelt avhenge av den spesifikke planmotstand av de spesielle elektrode komponenter som brukes. For tynnere og/eller elektrodekomponenter med høy spesifikk motstand, vil avstanden mellom knastene være mindre, og således gi en tettere punkt-multiplisitet eller elektrisk kontakt, mens for tykkere og/eller elektrodekomponenter med mindre spesifikk motstand, kan avstanden til knastene være større. Normalt ligger avstanden mellom knastene innenfor et område på fra 5 til 30 cm, men mindre eller større avstander kan anvendes avhengig av totalkonstruksjons-betraktninger.

Et videre element som denne oppfinnelse eventuelt omfatter er en sideforing laget av en metallplate og som er tilpasset over slike overflater av ECTE'et som ellers ville utsettes for elektrolyttens korroderende miljø i. elektrolyttrommet.

Fortrinnsvis er foringen et elektrisk ledende metall som er i det vesentlige bestandig mot elektrolyttens korrosjon og er slik formet at den passer over og forbindes til knastene, og fortrinnsvis med de flate ender av knastene som stikker opp fra bærerdelen.

Fortrinnsvis er foringen tilstrekkelig trykket ned rundt de adskilte knaster mot bærerdelen i rommene mellom knastene slik at man får fri. sirkulasjon av elektrolytten mellom foringen og membranen eller det tilstøtende elektrolyttrom. I tillegg kan foringen hainnpreginger for f lui d-diri.geri.ngsformål. Disse ytterligere innpreginger kan eventuelt være forbundet med bærerdelen.

Det er ikke nødvendig at foringen er trykket ned rundt

de adskilte knaster slik at den får kontakt med bærerdelens plane overflate. Fortrinnsvis vil foringen bare hvile på topp-flaten av knastene og på overflaten av flensdelen til ECTE'et.

I tilfeller hvor sideforing ikke er sveisbar forenelig

med metallet i ECTE'et, kan metall-mellomlegget for at man skal kunne sveise foringen til ECTE'et befinne seg på tilstøtende vis mellom knastene og foringen. Metallet i mellomstykket som støter mot hver knast er sveisbart forenelig med metallet som knastene er laget av og er følgelig sveiset til knastene. Metallet i den side av mellomstykket som støter mot foringen er sveisbart forenelig med metallet hvorav foringen er laget og er følgelig sveiset til foringen slik at foringen er sveiset til knastene gjennom mellomstykket. I de fleste tilfeller tjener mellom-stykker laget av et eneste metall eller metall-legering temmelig

godt som mellomkuponger eller oblater. I noen tilfeller kan en kupong måtte være bi-sjiktet for å oppnå en forenelig sveis mellom en knast og foringen.

I det tilfelle hvor foringen er laget av titan og knastene er laget av et jern-metall, foretrekkes det å ha vanadiumkuponger som tjener som det sveisbart forenelige metall plassert mellom knastene og den tilstøtende foring, slik at titanforingen kan sveises til jernmetall-knastene gjennom vanadiumkupongene. Vanadium og nikkel er eksempler på metaller som er sveisbart forenelige med både titan og jernmetall.

En andre metode for å forbinde foringen med ECTE'et kan oppnås ved å bruke to enkelt-metallkuponger. For eksempel kan en vanadiumkupong være plassert nærmest en metallknast med en andre kupong såsom titan mellom vanadium-oblaten og en titanforing.

En annen måte å forbinde foringen med ECTE'et når disse metaller er sveisbart uforenelige er ved bruk av eksplosjons-binding. Slike metoder er tidligere kjent. Se f.eks. US-patent nr. 4.111.779.

I mange tilfeller er det meget ønskelig at foringen strekker seg over sideflaten av ECTE'et og danner en tettende side derav for separatoren når enhetene klemmes sammen til å danne en eller flere elektrokjemiske celler.

I klor-alkaliceller brukes mest en foring i anode-monopolare enheter og mindre ofte til å fore katode-enheter. Imidlertid kan slike prosesser når den elektrokjemiske celle brukes til å fremstille høyere kaustiske konsentrasjoner enn ca. 22 vekt% kaustisk løsning, en katolytt-foring med fordel brukes. Katolytt-foringen er laget av et elektrisk ledende materiale som er i det vesentlige korrosjonsbestandig overfor katolyttrom-miljøet. Plastforinger kan brukes i noen tilfeller hvor det foreligger elektrisk forbindelse av katoden til katodeknastene gjennom plasten. Også kombinasjoner av plast- og metall-foringer kan brukes. Det samme gjelder anolytt-foringer.

Foringene for katolytt-enheten velges fortrinnsvis fra jernmetaller, nikkel, rustfritt stål, krom, monell og legeringer derav.

Foringene for ahode-enheten velges fortrinnsvis fra titan, vanadium, tantal, columbium, hafnium, zirkonium og legeringer derav.

I tilfeller hvor foreliggende oppfinnelse brukes til å fremstille klor og kaustisk middel ved elektrolyse av en vandig saltløsning, foretrekkes det at de monopolare anolytt-enheter er foret med titan eller en titanlegering og ECTE'et er av et jern-metall.

Oppfinnelsen omfatter også bruken av ende-elementer. Ende-elementene kan enten være en katode-halv-celle eller en anode-halv-celle. "Halv-celle" betyr et celle-element med en ECTE og bare én elektrode. Elektroden kan enten være en katode eller en anode avhengig av konstruksjonen til hele cellekonfigurasjonen. - Endeceller som enten er anoder eller katoder vil bestå av ett aktivt område (d.v.s. hvor produkt blir laget) og ett inaktivt område (d.v.s. hvor produkt ikke blir laget). Definisjonen av det aktive område enten det er anode eller katode, er den samme som forut omtalt. Det inaktive område fullstendiggjør avgrens-ningen av en monopolar eller elektrolytisk celle-enhet. Dette avsnitt av cellen kan brukes til å holde enheten sammen som i en hydraulisk presse.

Imidlertid er ende-elementer fortrinnsvis katoder. Ende-elementene kan ha en lignende ECTE som den som brukes for mellom-elektrode-enheter, men den utvendige flate derav kan være flat eller utstyrt med avstivningsribber. Hvis foringer brukes på katolyttsiden, vil ende-elementene også ha en lignende foring plassert over sin innvendige overflate og som går rundt knastene.

Hvert ende-element og hver monopolar enhet har et elektrisk forbindende element som forbinder en utvendig energikilde med ECTE'et. Forbindelseselementene kan være i ett stykke med eller festet til flensdelen eller de kan gå gjennom en åpning i flensdelen og forbindes med bærerdelen. Den elektriske forbindelse kan også være anordnet på flere steder rundt flensdelen for å forbedre strømtransmisjonen til ECTE'et. Det elektriske forbindelseselement kan være en åpning i rammedelen eller i ECTE'et hvortil en energiforsyningskabel er festet.

Mer å foretrekke er det elektriske forbindelseselement en integrert del av ECTE'et. D.v.s. det elektriske forbindelseselement er laget av det samme materiale av ECTE'et og utgjør et eneste legeme uten avbrudd i materialet som danner ECTE'et. Fra et praktisk synspunkt er forbindelseselementet en forlengelse av bærerdelen av ECTE'et, som stikker utenfor flensdelkanten langs i det minste én side derav i tilstrekkelig lengde til å gi en lett forbindelse til en samleskinne.

I det tilfelle at flensdelen er en integrert del av selve ECTE'et, kan det elektriske forbindelseselement utgjøres av kanten til selve flensdelen. D.v.s. en bøyelig kobberkabel eller samleskinne kan være boltet direkte på kantflaten av flensdelen. Den elektriske kontaktflate kan være belagt med et spesielt egnet materiale for elektrisk kontakt såsom kobber eller sølv.

Idet det spesielt vises til fig. 1 og 2, inneholder en monopolar enhet 10 et elektrisk strømtransmisjonselement (ECTE) 14 med en bærerdel 17 og flere knaster 18 som stikker ut fra bærerdelen derav. Bærerdelen 19 er omgitt på sine ytterkanter av en flensdel 16 med en større tykkelse enn bærerdelen.

Åpninger 50, 52, 56 og 58 går gjennom flensdelen 16 for å gi passasjer for innføring av reaktanter inn i. enheten og for fjerning av produkter og brukt elektrolytt fra enheten. Elektrode 36 er plassert mot knastene 18 slik at den er i det vesentlige koplanar med en flate 16B av flensdelen 16. En elektrode 36A

er på lignende måte plassert mot den motsatte side av ECTE 14.

Et elektrisk forbindelseselement 21 er plassert utenfor

og danner en integrert del med flensdelen 16. Forbindelseselementet 21 er på passende måte forbindet med en strømkilde (ikke vist) gjennom borehuller 20 anordnet i forbindelseselementet 21. Elektrisk strøm går fra forbindelseselementet 21 gjennom flensdelen 16, gjennom bærerdelen 17 og til knaster 18. Deretter går strømmen gjennom knastene 18, gjennom en foring

(om slik foreligger) og til elektroden 36 eller 36A.

Fig. 2 illustrerer klarere en monopolar enhet 11 med ECTE 14 og flere integrerte knaster 18 og 18A som stikker ut fra motsatte sider av bærerdelen. Bærerdelen er omgitt på ytterkantene sine av flensdelen 16 som er tykkere enn bærerdelen 17 og således gir elektrolyttkammere ved 22 og 22A, når flere monopolare enheter er stablet mot hverandre.

Foringer 26 og 26A er anordnet for å dekke ECTE 14. Foringene kan f.eks. være laget for anodecellen av enkle plater av titan og kan være varm-formet med en presse på en slik måte at de passer over og er nær eller i det vesentlige støter mot overflatene av ECTE 14 på dets motsatte sider. Foringene 26 og 26A kan eventuelt dekke tetningsflater 16A og 16C. Dette beskytter ECTE 14 mot cellens korroderende miljø. ECTE 14 er fortrinnsvis konstruert på slik måte at dens flensdel 16 ikke bare tjener som kantavgrensning for et elektrolyttrom, men også tetter mot tilstøtende enheter og danner elektrolyttkammere 22 og 22A.

Fortrinnsvis er foringene 26 og 26A dannet med et minimum spenninger i seg for å minimalisere varping. Unngåelse av disse spenninger i foringene oppnås ved varm-forming av en foring i en presse ved en høyere temperatur fra 480 til 700°C. Både foringsmetallet og pressen oppvarmes til denne høyere temperatur før pressing av foringen til den ønskede form. Foringen holdes i den oppvarmede presse og kjøles under et programmert kretsløp for å hindre dannelse av spenninger i den når den avkjøles til romtemparatur.

Hvis foringer 26 og 26A er av titan og ECTE 14 er av et jernmetall, kan de forbindes ved motstandssveising eller kondensator-utladni ngssvei.sing . Motstandssveising eller kondensator-utladningssveising utføres indirekte ved å sveise foringene 26 og 26A til flate ender 28 og 28A av knastene 18 og 18A gjennom vanadiumkuponger 30 og 30A. Titan og jernmetaller er ikke normalt sveisbart forenelig med hverandre, men begge er sveisbart forenelige med vanadium. Følgelig brukes vanadiumkuponger 30 og 30A som et mellomstykkemetall mellom jernmetall-knastene 18 og 18A og titanforingene 26 og 26A for å utføre sveisingen av dem sammen under dannelse av en elektrisk forbindelse mellom foringer 26 og 26A og ECTE 14 samt å danne en mekanisk støtte for ECTE 14 for å støtte foringer 26 og 26A.

Den generelle pasning av foringene 26 og 2 6A mot ECTE 14 kan sees fra fig. 2. Foring 26 og 26A er anordnet med innskårne hule deksler 32 og 32A med en innvendig kontur som lett passer til den utvendige kontur av knastene 18 og 18A. Dekslene 32 og 32A er dimensjonert og med avstand slik at de passer over og rundt knaster 18 og 18A. Deksler 32 og 32A er dimensjonert i fordypningsdybde slik at deres innvendige ender støter mot vanadiumkupongene 30 og 30A når kupongene butter mot de flate ender 28 og 28A av knastene 18 og 18A og når elementene er sveiset sammen. Formen av disse knaster og deksler er ikke kritiske. De kan være kvadratiske, rektangulære, koniske, sylindriske eller ha enhver annen passende form sett i snitt tatt enten parallelt eller loddrett på midtpartiet. Knastene kan ha en langstrakt form og danne en rekke adskilte ribber fordelt over overflaten av bærerdelen. Videre kan knastene ha én form og dekslene en annen. Imidlertid er endene 28 og 28A

av knastene fortrinnsvis flate og ligger alle i det samme imaginære geometriske plan. Faktisk kan knastene og dekslene formes og plasseres slik at de leder elektrolytt og gass-sirkulasjon om ønsket.

Foringene 26 og 26A kan være motstandssveiset ved de innvendige ender 34 og 34A av dekslene 32 og 32A til endene 28 og 28A av knastene 18 og 18A gjennom de imellom plasserte sveisbart forenelige vanadiumkuponger 30 og 30A.

Kantflater 42 og 42A foreligger på foringene for å passe til tetningsflater 16A og 16C. De kan eventuelt være sveiset på disse punkter.

En tetningslist 44 kan eventuelt plasseres mellom foringen 26A og en ionebyttermembran 27A for å minimalisere lekkasjer når flere monopolare enheter plasseres tilstøtende hverandre. Tetningslisten 44 kan eventuelt plasseres på hver side av

ECTE 14 som ønsket.

En elektrisk forbindelse 19 er forbundet med flensdelen

16 for å lede elektrisk strøm til ECTE 14. Forbindelsen 19 kan ha forskjellige former og kan plasseres på forskjellige steder av enheten. Mer enn én forbindelse kan anvendes.

Elektrodekomponenter (36 og 36A på fig. 1 og 46 og 46A på fig. 2) er fortrinnsvis hullete strukturer som er hovedsakelig flate og kan være tilvirket av en plate ekspandert metall, perforert plate, stanset plate eller vevet metalltråd. Eventuelt kan elektrodekomponentene være strømsamlere som kontakter en elektrode jeller de kan være elektroder. Elektroder kan eventuelt ha et katalytisk aktivt belegg på sin overflate. På fig. 2 kan elektrodekomponenter 46 og 46A sveises direkte til utsiden av de flate ender 38 og 38A av innskårne deksler 32 og 32A på foringer 26 og 26A. Disse sveiser danner en elektrisk forbindelse og gir en mekanisk støtte for elektrodekomponenter 46 og 46A.

I tillegg kan andre elementer brukes i forbindelse med elektrodekomponenter 46 og 46A, såsom spesielle elementer eller sammensetninger for null-gap-celleformer eller faste polymer-elektrolytt-(SPE)-membraner. Også en monopolar enhet ifølge foreliggende oppfinnelse kan tilpasses for et gasskammer for bruk i forbindelse med en gass-forbrukende elektrode, noen ganger kalt en depolarisert elektrode. Gasskammeret kreves i tillegg til væske-elektrolyttrommene.

Selvfølgelig ligger det innenfor rammen av denne oppfinnelse for elektrolysecellen dannet mellom de to monopolare enheter å være en fler-roms elektrolysecelle som anvender mer enn én membran, f.eks. en treroms-celle med to membraner adskilt fra hverandre slik at de danner et rom mellom seg samt rommet som dannes på den motsatte side av hver membran mellom hver membran og dens respektive tilstøtende monopolare filterpress-enhet.

Fig. 3 illustrerer en sammenstilling av monopolare enheter 10 og 11 ifølge foreliggende oppfinnelse. Disse enheter er plassert i operabel kombinasjon med hverandre. Monopolare enheter 10 har ikke en foring, mens en monopolar enhet 11 har en foring 26 og 26A på sidene sine. Hver enhet er konstruert for å føre en motsatt elektrisk ladning av den tilstøtende enhet. For eksempel kunne enheter 10 forbindes med den negative pol av en strømkilde gjennom elektriske forbindelser 21 og derved bli negativt ladet og virke som en katode. Lignende kan en enhet 11 forbindes med den positive pol av en strømtilførsel gjennom en elektrisk forbindelse 19 og bli positivt ladet og virke som en anode. Hver enhet er skilt fra en tilstøtende enhet med en ionebyttermembran 27.

Sammensetning av monopolare enheter som støter til hverandre danner flere hulrom som virker som elektrolyttkammere. Katolytt-kammeret 24 og anolytt-kammeret 22 dannes. Katolytt-kammerene 22 er illustrert med to passasjer som forbinder kammeret med cellens utside. Disse passasjer kan brukes for å innføre reaktanter i cellen, f.eks. gjennom passasjer 56, og til å

fjerne produkter fra cellen gjennom passasjer 50. Likeledes har anolytt-kammeret 22 innløpspassasjer 58 og utløpspassasjer 52.

Hver enhet er utstyrt med to elektrodekomponenter. I den illustrerte 'utførelsesform har anode-enheten 11 to anoder 46 og 46A og hver anode-enhet 10 har to katoder 36 og 36A.

Plasseringen av elektrodene 46 og 46A i anolytt-rommet 22

i forhold til membranen 27 og den forede ECTE bestemmes av forholdene mellom sideutstrekningen til flensdelen 16 fra bærerdelen 17, knastenes 18 utstrekning fra bærerdelen, tykkelsen av kupongene 30 og 30A, tykkelsen av foringene 26 og 26A, tetningslistene, elektrolytt-differensialtrykk og lignende.

Man kan lett se at elektroder 46 og 46A kan fjernes fra en stilling som butter mot membranen 27 til en stilling med en betydelig åpning mellom membranen 27 og elektrodene 46 og 46A ved å forandre disse forholdene, f.eks. ved å forandre utstrek-ningen av knastene 18 fra bærerdelen 17. Det foretrekkes imidlertid at flensdelen 16 strekker seg samme avstand som knastene 18 fra bærerdelen. Dette bidrar til konstruksjonsforenkling av ECTE 14 fordi en maskinell metallplaner kan plane både endeflatene 28 av knastene 18 og tetningsflater 16 og 16C samtidig, slik at disse flater alle ligger i det samme geometriske plan.

For fluidtetningsformål mellom membranen 27 og en tetningsflate 16A, foretrekkes det at foringen 26 dannes i form av en panne med en forskjøvet leppe 42 som går rundt dens kant.

Leppen 42 ligger i flukt mot tetningsflaten 16C av flensdelen 16. Membranens 27 kant ligger i flukt mot foringsleppen 42, og en kant-tetningslist 44 ligger i flukt mot den annen side av membranens 27 kant. I en cellerekke, som vist på fig. 3, ligger tetningen 44 i. flukt mot tetningsf laten 16C av flensdelen 16 og i flukt mot membranen 27 når det ikke er noen foring.

Selv om bare én tetningslist 44 er vist, er denne oppfinnelse ment å omfatte bruken av tetningslister på begge sider av membranen 27. Den omfatter også den situasjon hvor ingen leppe 42 anvendes.

I en elektrolysecelleserie hvor vandige løsninger av natriumklorid elektrolyseres og danner kaustisk og/eller hydro-gengass i. et katolyttrom, er jernmetaller såsom stål helt egnet for katolyttrom-metallkomponentene ved de fleste celledriftstemperaturer og kaustiske konsentrasjoner, f.eks. under ca. 22% kaustisk middel - konsentrasjon og ved celledriftstemperaturer under ca. 85°C. Følgelig er ECTE 14 laget av et jernmetall såsom stål, og hvis kaustisk middel produseres i lavere konsentrasjoner enn ca. 22% og cellen skal drives under ca. 85°C, kreves ikke noe beskyttende foring, men kan om ønsket brukes ved katolyttenheten for å beskytte ECTE 14 mot korrosjon.

Man vil se at de flate elektroder 36, 36A, 46 og 46A har sine ytterkanter rullet innover mot ECTE 14 og vekk fra membranene 27. Dette er gjort for å forhindre de noen ganger hakkede kanter av elektrodene i. å kontakte membranen 27 og rive den opp.

Ved drift av den foreliggende elektrokjemiske celle som

en klor-alkalicelle, føres natriumklorid-saltløsning inn i anolyttrommene 22 og vann føres eventuelt til katolyttrommene 24. Elektrisk strøm fra en strømkilde (ikke vist) føres mellom anodene 46 og 46A og katodene 36 og 36A. Strømmen har en tilstrekkelig spenning til å bevirke elektrolytiske reaksjoner i saltløsningen. Klor produseres ved anoden 46 og 46A, mens kaustisk middel og hydrogen produseres ved katoden 36 og 36A.

Eventuelt kan en oksygenholdig gass føres til én side av katoden og katoden drives som en oksygen-depolarisert katode. Likeledes kan hydrogen føres til én side av anoden og anoden drives som en depolarisert anode. Typene av elektroder og fremgangsmåter for drift av dem er velkjente. Vanlige anordninger for separat håndtering av gassformig flytende reaktanter til en depolarisert katode kan anvendes.

Ved drift av celleseriene for elektrolysen av NaCl-saltvann for å produsere klor og kaustisk middel anvendes generelt bestemte driftsbetingelser. I anolytt-rommet er det ønskelig å opprettholde en pH fra 0,5 til 5,0. Det tilførte saltvann inneholder fortrinnsvis bare små mengder flerverdige kationer (mindre enn ca. 0,05 mg/liter uttrykt som kalsium). Mer fler-verdig kationkonsentrasjon tolereres med de samme fordelaktige resultater hvis tilførsels-saltløsningen inneholder karbon-dioksyd i lavere konsentrasjoner enn ca. 70 ppm når pH i til-førsels-saltvannet er lavere enn ca. 3,5. Driftstemperaturene kan variere fra 0 til 250°C, men er fortrinnsvis over ca. 60°C. Saltvann renset for flerverdige kationer med ionebytter-harpikser etter vanlig saltvannsbehandling har vist seg spesielt anvendelig for å forlenge membranens levetid. Et lavt jerninnhold i til-førsels-saltvannet er ønsket for å forlenge membranens levetid. Fortrinnsvis holdes pH i det tilførte saltvann på en pH under 4,0 ved tilsetning av saltsyre.

Dyser (ikke vist) brukes med fordel i cellen ifølge oppfinnelsen og kan ha en rekke former. Slike dyser minimaliserer trykkfallet man finner hos gasser og væsker når de går inn i eller ut fra cellen.

En spesielt anvendelig konstruksjon og fremgangsmåte for installering av en dyse er som følger: flere nikkel- eller titan-dyser dannes, f.eks. ved omringingsstøping. Dysestøpen bearbeides så til den ønskede størrelse. En kort lengde (ca. 7 cm) av metallrør sveises til dysen. Dette rør vil tjene som en utvendig forbindelse for å innføre eller fjerne elektrolytt eller gasser til eller fra cellen. En rekke slisser lages i hver ECTE på flere ønskede steder for å romme dysene. Slissene har en størrelse som tilsvarer tykkelsen til dysen som skal inn-settes i slissen for å sikre en tetning når cellens elementer settes sammen til slutt. Hvis det brukes en foring, skjæres den til å passe rundt dysen. Hvis en dyse brukes, blir den fortrinnsvis heftesveiset til foringen. Forings-dyse-enheten plasseres så i cellen. Foringsdekslene sveises så til celle-knastene.

Fortrinnsvis holdes trykket i katolyttrommet på et litt høyere trykk enn i anolyttrommet, men fortrinnsvis ved en trykk-forskjell som ikke er større enn et hodetrykk på ca. 30 cm vann.

Fortrinnsvis holdes driftstemperaturen i cellen på mindre enn 7 atmosfærer.

Rom-innløpsrør 56 og 58 og rom-utløpsrør 50 og 52 er eventuelt anordnet i den del av flensdelen 16 som har kontakt med deres respektive rom 22 og rom 24. Når der er foringer 26 og 26A i disse rom, anordnes tilsvarende åpninger i foringene. Eksempler på disse åpninger kan sees på fig. 1 hvor et rom-utløp 50 er vist.

Det bør bemerkes her at selv om knaster 18 er vist i et rygg mot rygg-forhold som går gjennom bærerdelen 17, behøver det ikke være slik. De kan også være forskjøvet fra hverandre. De kan ha mer enn én tverrsnittsform. Foringen kan ha deksler som ikke har noen tilsvarende knaster.

ECTE'et i foreliggende oppfinnelse kan brukes i forbindelse med en kompakt polymer elektrolyttcelle hvor elektroden er inn-støpt i eller bundet til eller presset mot en ionebyttermembran. I dette tilfelle er det ønskelig å bruke en strømsamler mellom knastene og elektroden. Strømsamleren fordeler elektrisk strøm til elektroden. Faste polymer-elektroder er beskrevet i US-patent nr. 4.343.690, 4.468.311, 4.340.452, 4.224.121 og 4.191.618.

Trykket i katolyttkammeret kan gjerne holdes på et litt mindre trykk enn trykket i anolyttrommet slik at den gjennom-trengelighets-selektive ionebyttermembran som skiller de to rom tvinges forsiktig mot en "flatplatet" hulet anode plassert parallelt med den plant anordnede membran, hvilken anode er elektrisk og mekanisk forbundet med anodeknastene til ECTE'et.

Katolytten eller anolytten kan sirkuleres gjennom deres respektive rom som tidligere kjent. Sirkuleringen kan være en tvunget sirkulasjon eller gassløft-sirkulasjon bevirket av gasser som stiger fra elektrodene hvor de produseres.

Foreliggende oppfinnelse er egnet for bruk med de nylig utviklede fast-polymer-elektrolyttelektroder, hvilke ionebytter-membraner har et elektrisk ledende materiale innstøpt i. eller bundet til seg. Slike elektroder er velkjente og beskrevet i f.eks. US-patenter nr. 4.457.815 og 4.457.823.

I tillegg er foreliggende oppfinnelse egnet for bruk som

en null-avstandscelle hvor minst én elektrode står i fysisk kontakt med ionebyttermembranen. Eventuelt kan begge elektrodene være i fysisk kontakt med ionebyttermembranen. Slike celler er beskrevet i. US-patenter nr. 4.444.639, 4.457.822 og 4.448.662.

I tillegg kan andre cellekomponenter brukes i cellen i foreliggende oppfinnelse. For eksempel kan madrass-strukturen som er beskrevet i US-patent nr. 4.444.632 brukes til å holde ionebyttermembranen i fysisk kontakt med én av elektrodene i cellen. Forskjellige madrassformer er illustrert i US-patent nr. 4.340.452. Madrassene som er illustrert i US-patent nr. 4.340.452 kan brukes ved faste polymer-elektrolyttceller og null-avstandsceller.

Eksempel 1

Fire (4) elektriske strømtransmisjonselementer ble støpt for en nominell 61 cm x 61 cm monopolar elektrolysator.

Alle elektriske strømtransmisjonselementer ble støpt fra ASTM A536, GRD65-45-12 smijern og var identiske med hensyn til som-støpt dimensjoner. Ferdige støp ble inspisert og funnet å være strukturelt hele og fri for alle overflatedefekter. Primærdimensjoner var: nominell 61 cm x 61 cm utvendige dimensjoner; en 2 cm tykk bærerdel 17; 16 knaster hver med en diameter på 2,5 cm på hver side av bærerdelen og direkte motstående til hverandre; en flensdel som gikk rundt kanten av bærerdelen med en 2,5 cm bred flens-tetningsflate og en tykkelse på 6,4 cm. Behandlede områder inneholdt flens-tetningsflåtene på begge sider av flensdelen og toppen av hver knast (hver side behandlet i. et enkelt plan og parallell med den motstående side) .

Katodecellen inneholdt 0,9 mm tykke beskyttende nikkel-foringer på hver side av ECTE'et. Innløps- og utløps-dyser også konstruert av nikkel ble for-sveiset til foringene før punktsveisingen av foringene til ECTE'et. Ferdig sammensetning inn-befattet punktsveising av katalytisk belagte nikkelelektroder til foringene ved hvert knaststed.

Den endestående katodecelle var lignende katodecellen med unntagelse av at en beskyttende nikkelforing ble krevet på én side samt mangelen på en medfølgende nikkelelektrode.

En anodecelle inneholdt 0,9 mm tykke beskyttende titan-foringer på hver side av ECTE'et. Innløps- og utløpsdyser,

også konstruert av titan, ble for-sveiset til foringene før punktsveisingen av foringene til ECTE'et. Sluttsammensetning omfattet punktsveising av titanelektroder ved foringene ved hvert knastpunkt gjennom mellomliggende vanadium-og titan-kuponger. Anodene ble belagt med et katalytisk sjikt av blandede oksyder av ruthenium og titan.

Den endestående anodecelle var lignende anodecellen med unntagelse av at en beskyttende titanforing ikke var nødvendig på én side, samt mangelen på en medfølgende titanelektrode.

Eksempel 2

To (2) monopolare enheter og to (2) endeceller som fremstilt i eks. 1 ble brukt til å forme en elektrolytisk celle-

sammensetning.

Tre (3) elektrolyseceller formes ved å sette sammen et anodeende-element, en monopolar katode-enhet, en monopolar anode-enhet og et katodeende-element med tre plater av "NAFION" 901-membran fra E.I. DuPont de Nemours&Co., Inc. Membranene pakkes bare på katodesiden, slik at elektrode-til-elektrode-åpningen er 1,8 mm og katode-til-membran-åpningen er 1.2 mm. Driftstrykket i katolytten er 140 mm vann høyere enn anolytt-trykket for å holde membranen hydraulisk mot anoden.

Den monopolare elektrokjemiske cellesammensetning med åpning som er beskrevet ovenfor drives med tvungen sirkulasjon av elektrolyttene. Total strøm til de tre anoderom som drives parallelt er ca. 4,9 liter/min. Oppfyllingssaltvann til den resirkulerende anolytt er ca. 800 ml/min. friskt saltvann og 25,2 vekt% NaCl og pH 11. Resirkuleringsanolytten inneholder ca. 19,2 vekt% NaCl og har en pH på ca. 4,5. Trykket til anolytt-kretsen er ca. 1,05 kg/cm 2. Parallell tilførsel til de tre katoderom utgjør tilsammen ca. 5,7 liter/min. kondensatoppfylling til denne strøm er ca. 75 ml/min. Celledriftstemperaturen er ca. 90°C. Elektrolyse utføres ved ca. 0,3 amp/cm^.

Under disse betingelser produserer den elektrokjemiske cellesammensetning ca. 33 vekt% NaOH og klorgass med en renhet på ca. 98,1 volum%. Den gjennomsnittlige cellespenning er ca. 3,30 volt og strømvirkningsgraden er ca. 95%.

Cellespenningene er stabile og ingen elektrolytt-lekkasje observeres under drift.

Eksempel 3

Seks (6) ECTE'er støpes for en nominell 61 cm x 122 cm monopolar elektrolysator. Disse elementer brukes senere til å konstruere tre (3) monopolare katode-elektrolyseceller og tre (3) monopolare anode-elektrolyseceller.

Alle cellekonstruksjoner støpes fra ASTM A536, GRD65-45-12 smijern og er identiske med hensyn til som-støpt dimensjoner. Ferdige støp inspiseres og finnes å være strukturelt hele og fri for alle overflatedefekter. Primære dimensjoner er: nominell 58 cm x 128 cm utvendige dimensjoner; en 2,2 cm tykk bærerdel;

en 2,5 cm bred flensdel-tetningsflate. Flensdelen hadde en tykkelse på 6,4 cm og gikk rundt kanten av bærerdelen. 28 knaster,

hver med en diameter på 2,5 cm på én side av bærerdelen. 30 knaster med en diameter på 2,5 cm hver ble plassert på motsatt side av bærerdelen. Disse knaster er forskjøvet fra hverandre med hensyn til bærerdelen, men kan også være støpt direkte motstående hverandre og ønskelig.

Behandlede områder er flenstetningsflåtene (begge sider) og toppen av hver knast (hver side behandlet i et enkelt plan og parellelt med den motsatte side). Dysehakk (innløp og utløp på hver side) bearbeides også til ferdige dimensjoner.

Katodecellen inneholder 0,9 mm tykke beskyttende nikkel-foringer på hver side av ECTE'et. Innløps- og utløps-dyser, også konstruert av nikkel, for-sveises til foringene før punkt-sveiseing av foringene til ECTE'et. Ferdig sammensetning innbefatter punktsveising av nikkelelektroder til foringene (begge sider) ved hvert knastpunkt.

Anodecellen inneholder 0,9 mm tykke beskyttende titan-foringer på hver side av ECTE'et. Innløps- og utløps-dyser også konstruert av ti tan for-svei ses til foringene ved punkt-sveising av foringene til ECTE'et. Ferdig sammensetning innbefatter punkt-sveising av titanelektroder til foringene (begge sider) ved hvert knastpunkt.

De huiede titanelektroder omfatter en 1,5 mm tykk titanplate ekspandert til en forlengelse på ca. 155% som danner diamant-formede åpninger på 8 x 4 mm i platen og er belagt med et katalytisk sjikt av et blandet oksyd av ruthenium og titan. Som beskrevet ovenfor er det belagte titanark punkt-sveiset til foringen ved hvert knastpunkt.

En tynnere 0,5 mm tykk titanplate ekspandert til en forlengelse på ca. 140% som danner diamant-formede åpninger på 4x2 mm og også er belagt med et katalytisk sjikt av et blandet oksyd av ruthenium og titan punkt-sveises over den tykkere plate.

De huiede nikkelkatoder omfatter en grov 2 mm tykk nikkelplate ekspandert til å danne åpninger på 8 x 4 mm punkt-

sveiset til nikkelfori ngen ved hvert knastpunkt. Tre sjikt av korrugert strikket duk av nikkeltråd med 0,15 mm diameter.som danner en spenstig komprimerbar matte plasseres over den grove nikkelplate.

Et fluenetting-type gitter av nikkel fremstilt av 0,15 mm diameter nikkeltråd belagt med katalytisk avsetning av en blandi ng av nikkel- og ruthenium-oksyder plasseres over den spenstige komprimerbare matte.

Hele filterpresse-sammensetningen ble lukket ved å plassere "NAFION" 901-membran fra E.I. DuPont de Nemours & Co., Inc. mellom tilstøtende huiede katoder og huiede anode-elementer.

Membranene er elastisk sammenpresset mellom de motstående flater av den belagte titanplate (anode) og det fluenetting-type-belagte nikkelgitter (katode).

Elektrolyse av natriumkloridløsning utføres i cellen ved de følgende driftsbetingelser:

Den observerte gjennomsnittlige cellespenning er mindre enn ca. 3,6 og 3,23 volt. Katodevirkningsgraden er ca. 95% og klorgassrenheten er ca. 98,6%.

Claims (19)

1. Monopolar celle av den art som har to endecelle-enheter og minst én mellomliggende celle-enhet plassert mellom ende-enhetene, hvilke celle-enheter er adskilt ved en separator valgt fra en i. det vesentlige hydraulisk ugjennomtrengelig ionebyttermembran og et hydraulisk gjennomtrengelig diafragma, karakterisert ved at den mellomliggende celle-enhet omfatter: to i det vesentlige parallelle, i det vesentlige plane elektrodekomponenter adskilt fra hverandre; et i. det vesentlige stivt, elektrisk strømtransmis jons-element plassert i. rommet mellom elektrodekomponentene; idet transmisjonselementet har et par motstående generelt plane flater og flere knaster fordelt over begge flatene og som stikker en forutbestemt avstand utover fra transmisjonselementet 1. elektrolyttkammerene tilstøtende transmis jonselementet, idet i det minste en del av knastene er mekanisk og elektrisk forbundet enten direkte eller indirekte til elektrodekomponentene, og i det minste ett elektrisk forbindelseselement er knyttet til transmisjonselementet for å lede elektrisk strøm inn i eller ut av transmisjonselementet for å fordele elektrisk energi til hver av elektrodekomponentene.

2. Monopolar celle ifølge krav 1, karakterisert ved at det elektriske strømtransmisjonselement i den mellomliggende celle-enhet omfatter en generelt plan bærerdel og en flensdel som går rundt kanten av bærerdelen, hvilken flensdel har en tykkelse som er minst ca. to ganger større enn tykkelsen til bærerdelen.

3. Monopolar celle ifølge krav 2, karakterisert ved at flensdelen i. den mellomliggende celle-enhet har en tykkelse mindre enn ca. 10 cm og bærerdelen har en tykkelse på minst ca. 0,5 cm.

4. Monopolar celle ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at transmisjonselementet i den mellomliggende celle-enhet har åpninger som forbinder motstående sider av transmisjonselementet.

5. Monopolar celle ifølge krav 4, karakterisert ved at åpningene ikke opptar mer enn ca. 60% av det totale overflateområde av bærerdelen til transmisjonselementet.

6. Monopolar celle ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at transmisjonselementet av den mellomliggende celle-enhet er hydraulisk ugjennomtrengelig.

7. Monopolar celle ifølge hvert av kravene 1 til 6, karakterisert ved at transmisjonselementet i den mellomliggende celle-enhet er konstruert av et støpbart metall valgt fra jern(II)-metaller, nikkel, aluminium, kobber, magnesium, bly, legeringer av hver og legeringer derav.

8. Monopolar celle ifølge hvert av kravene 1 til 7, karakterisert ved at de mellomliggende celle-enheter inneholder et par av sideforinger i kontakt med i det minste endeflatene av i det minste én del av knastene på motsatte sider av bærerdelen, og at foringene er dannet av et elektrisk ledende og korrosjonsbestandig materiale.

9. Monopolar celle ifølge krav 8, karakterisert ved at foringene i de mellomliggende celle-enheter er dannet slik at de passer over og rundt knastene, og er tilstrekkelig nedtrykket rundt de adskilte knaster mot transmisjonselementet i rommene mellom knastene til å tillate sirkulasjon av elektrolytt mellom det forede transmisjonselement og elektrodekomponenten .

10. Monopolar celle ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at foringen av den mellomliggende celle-enhet er forbundet med knastene ved sveising gjennom et metall-mellomstykke plassert mellom knastene og foringen, idet metallet i mellomstykket er sveisbart forenelig med både knastene og foringen.

11. Monopolar celle ifølge krav 8, 9 eller 10, karakterisert ved at foringen av den mellomliggende celle-enhet er laget av et metall valgt fra nikkel, rustfritt stål, krom, monell, titan, vanadium, tantal, columbium, hafnium, zirkonium og legeringer derav.

12. Monopolar celle ifølge krav 1, karakterisert ved at foringen på celle-enheten har samme utstrekning som flensdelen.

13. Monopolar celle ifølge krav 1, karakterisert ved at flensdelen til enheten er en tetningslist.

14. Monopolar enhet for en elektrolysecelle, karakterisert ved at den omfatter: et elektrisk strømtransmisjonselement i form av et hovedsakelig plant legeme med flere knaster som strekker seg fra motsatte flater derav, sideforinger med flere hevede deler og en profil som i det vesentlige stemmer overens med legemet, hvor si.deforingene er laget av et korrosjonsbestandig metall og plassert over de motsatte flater av legemet; hullede elektrodekomponenter plassert mot si.deforingene i kontaktforhold med de hevede deler, idet elektrodekomponentene, si.deforingene og legemet er elektrisk forbundet med hverandre på stedet for i det minste noen av knastene, og et elektrisk forbindelseselement for forbindelse av en positiv eller negativ pol av en elektrisk strømenergikilde til minst én av legemets kanter for å fordele elektrisk energi, til hver av elektrodekomponentene.

15. Monopolar enhet ifølge krav 14, karakterisert ved at det elektriske strømtransmisjonselement omfatter en generelt plan bærerdel og en flensdel som går rundt kanten av bærerdelen.

16. Monopolar enhet ifølge krav 15, karakterisert ved at et avsnitt av flensdelen danner en enhet med bærerdelen, og et avsnitt av flensdelen er et separat element.

17. Monopolar enhet ifølge krav 15, karakterisert ved at flensdelen omfatter flere sammensatte deler.

18. Fremgangsmåte ved utførelse av elektrolyse i en monopolar elektrokjemisk celleserie av den art som har to endecelle-enheter og minst én mellomliggende celle-enhet plassert mellom ende-enhetene, hvor mellomenheten har minst to i det vesentlige parallelle, i. det vesentlige plane elektrodekomponenter adskilt fra hverandre, og anordninger til å fordele elektrisk energi til hver av elektrodekomponentene, hvilke fordelingsanordninger omfatter: et elektrisk ledende i det vesentlige stivt og plant elektrisk strømtransmisjonselement plassert i rommet mellom elektrodekomponentene, idet transmisjonselementet har en elektrisk forbindelsesanordning knyttet til seg for føring av elektrisk strøm inn i eller ut av transmisjonselementet, og transmisjonselementet er elektrisk og mekanisk forbundet til hver av elektrodekomponentene ved flere punkter fordelt over hele overflaten av hver av elektrodekomponentene, og transmis jonselementet har flere i. det vesentlige kompakte knaster fordelt over begge sine motstående flater og som stikker en forutbestemt avstand ut fra transmisjonselementet i elektrolyttkammerene på motsatte sider av transmisjonselementet, karakterisert ved at man (a) sender en elektrisk strøm fra en strømkilde til transmisjonselementet av en mellomliggende celle-enhet; (b) sender elektrisk strøm fra transmisjonselementet til elektrodekomponentene som er elektrisk forbundet til transmis jonselementet på motsatte sider derav; (c) sender en elektrisk strøm fra hver av elektrodekomponentene gjennom en elektrolytt og en separator til en endecelle-enhet, hvilken elektrisk strøm har en tilstrekkelig spenning til å bevirke elektrolyse av elektrolytten; (d) fjerner elektrolyseproduktene fra celleserien; og (e) fjerner brukt elektrolytt fra cellen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert ved at det anvendes flere mellomliggende celle-enheter plassert mellom hver celle-enhet, og man sender elektrisk strøm fra hver av elektrodekomponentene gjennom en elektrolytt og en separator til en tilstøtende celle-enhet.