PL177633B1 - Układ płaski elektrod do elektrolitycznego procesu wytwarzania gazu w ogniwie z membraną lub z diafragmą - Google Patents

Abstract

1. Uklad plaski elektrod do elektrolitycznego procesu wytwarzania gazu w ogniwie z membrana lub z diafragma, zawierajacy elementy o postaci plytkowej, zamocowane na dwóch koncach do dwóch pasków krawedziowych i oddalone od siebie dla utworzenia pomie- dzy nimi szczeliny do odprowadzania gazu z tylu tych elementów, znam ienny tym, ze ele- menty (2) o postaci plytkowej maja otwory. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ płaski elektrod do elektrolitycznego procesu wytwarzania gazu w ogniwie z membraną lub z diafragmą, z co najmniej dwiema elektrodami przewodzącymi prąd i połączonymi trwale mechanicznie, pomiędzy którymi znajduje się szczelina odprowadzająca gaz. Elektrody mająwzdłużtej szczeliny powierzchnie wsporcze dla membrany lub diafragmy, a obszary krawędziowe ograniczające szczelinę odprowadzają gaz.

Znane jest z niemieckiego opisu patentowego nr 32 19 704 membranowe ogniwo elektrolityczne typu prasy filtracyjnej z parami elektrod o płaskiej strukturze, w którym każda elektroda zawiera co najmniej jedną dziurkowaną, środkową część aktywną, a pomiędzy parami elektrod jest umieszczona membrana. Pomiędzy krawędzią elektrody i krawędziąmembrany jest umieszczona uszczelka. Dziurkowana część środkowa elektrody ma strukturę podobną do kraty, przy czym pręty kraty sąprzesunięte względem siebie maksymalnie o połowę szerokości pręta. Pręty kraty jednej elektrody są umieszczone tak, że ich wzajemna odległość jest mniejsza niż rzut ich szerokości. Pręty kraty mają przynajmniej po stronie aktywnej krzywiznę wypukłą, a giubość uszczelki pomiędzy krawędzią elektrody i krawędziąmembrany jest równa lub mniejsza od wysokości części pręta kraty, wystającej ponad krawędź elektrody. Problemem jest, że w konfiguracj i tego typu należy liczyć się z wyczerpaniem, a także z pęcherzami gazu w pobliżu powierzchni wsporczej, co ma ujemny wpływ na membranę i powłokę elektrody.

Ogniwo elektrolityczne jest przeznaczone do elektrolizy elektrolitu uwodnionego chlorku, na przykład solanki, w celu wytwarzania wodnego roztworu wodorotlenku metali alkalicznych oraz chlorowca i wodoru. W ogniwach o powyższej budowie należy liczyć się z wyczerpywaniem się chlorku w pobliżu styku pomiędzy elektrodą i membraną, co powoduje pogorszenie się stabilności i trwałości.

Znany jest z europejskiego opisu patentowego nr 0 102 099 układ elektrod dla elektrolizera wytwarzającego gaz, zawłaszcza elektrolizera membranowego z elektrodami płytowymi umieszczonymi pionowo oraz przeciwelektrodą i membraną pomiędzy obydwiema elektrodami. Elektroda płytowa jest podzielona tutaj na poziome paski, których całkowita aktywna powierzchnia elektrody jest umieszczona równolegle i w minimalnym odstępie od przeciwelektrody, przy czym pomiędzy membranąi elektrodąjest usytuowana szczelina do odprowadzania gazu wytwarzanego w procesie przemiany elektrochemicznej. Do odprowadzania gazu unoszącego się ze

177 633 szczeliny pomiędzy membraną i elektrodą są zastosowane poziome paski w pobliżu ich górnych krawędzi, zaopatrzone w ustawiony pod kątem element odprowadzający gaz, na którym noszący się gaz rozszerza się i jest częściowo odprowadzany za elektrodę. Problemem jest tutaj szczelina pomiędzy membraną i dwiema elektrodami, wymagana zawsze do odprowadzania gazu, ponieważ ten stosunkowo duży odstęp powoduje wzrost napięcia ogniwa.

Znany jest z niemieckiego opisu patentowego nr 36 40 584 układ elektrod dla elektrolizera wytwarzającego gaz, zwłaszcza dla jednobiegunowego elektrolizera membranowego z umieszczonymi pionowo elektrodami płytowymi i przeciwelektrodami oraz membraną pomiędzy elektrodąpłytową i przeciwelektrodą. Na zwróconych w stronę membrany powierzchniach elektrod płytowych są utworzone płaskie struktury przewodzące i połączone elektrycznie z elektrodami płytowymi jako przedelektrody, które sąusytuowane w płaszczyznach równoległych do elektrod płytowych. Płaska struktura zastosowana jako elektroda jest wykonana w postaci dziurkowanych płyt, siatek metalowych rozciąganych, tkanin drucianych lub siatek drucianych, przy czym odstęp pomiędzy strukturami płaskimi wynosi od 1 do 5 mm. Elektrody płytowe są podzielone poziomo na całej długości na kilka oddzielnych elementów, w celu poprawy rozdziału prądu w membranie i zmniejszenia spadku napięcia na powierzchniach zwróconych do membrany. Problemem przy zastosowaniu takich elektrod jest wyczerpywanie się chlorku, szczególnie w pobliżu styku pomiędzy elektrodą i membraną wymiennika jonów, co powoduje pogorszenie się stabilności i trwałości.

Znany jest ponadto z europejskiego opisu patentowego nr 0 150 018 proces elektrolizy płynnych elektrolitów przy pomocy dziurkowanych elektrod w ogniwach elektrolitycznych podzielonych przez membranę wymiennika jonów, w którym jest wytwarzany obszar gazu w wyniku tworzenia się pęcherzy gazowych poprzecznie do głównego kierunku przepływu elektrolitu. Po rozerwaniu się na granicy fazowej, powstające pęcherze gazu przekazują zawartość gazową do sąsiedniego obszaru gazowego poprzecznego do głównego kierunku przepływu, przy czym ten obszar jest tworzony przez tylną przestrzeń za elektrodą w przypadku elektrod płytowych. Dziurkowane elektrody mogą być wykonane z siatek metalowych rozciąganych lub pasków z cienkiej blachy, a także innych materiałów. Problemem jest tutaj układ składający się z pojedynczych pasków z cienkiej blachy, jako stosunkowo mało ekonomiczny.

Znany jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5 480 515 elektrolizer do elektrolitycznego procesu wytwarzania gazu lub rozpraszania gazu przy użyciu co najmniej jednej elektrody mającej strukturę kapilarnąw jej obszarze krawędziowym po stronie reakcyjnej, tak, że gaz i elektrolit sątam przenoszone poprzecznie do elektrody, a szczelina kapilarna przylega do tego obszaru krawędziowego, który stwarza mniejszy opór dla przenoszenia gazu i elektrolitu wzdłuż prostopadłej płaszczyzny elektrody niż obszar krawędziowy. Elektrolizer zawiera co najmniej jedną elektrodę, która ma w obszarze krawędziowym po stronie reakcyjnej elementy elektrodowe z odstępem pomiędzy nimi wystarczająco małym dla utworzenia struktury kapilarnej, która prowadzi do wytworzenia jednowymiarowych lub dwuwymiarowych sił kapilarnych, tak że ruch gazu i elektrolitu w procesie elektrolitycznym zachodzi zasadniczo na płaszczyźnie elektrodowej w zapewnionej przestrzeni. Do obszaru krawędziowego przylega co najmniej jedna szczelina kapilarna.

Znana jest z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 608 114 konstrukcja elektrody, która składa się z płyty bez otworów, przy zastosowaniu układu poziomych kanałów dołączonych do pionowych kanałów o większej szerokości na stronie płyty skierowanej do membrany. Wydzielany gaz jest przenoszony przez poziome kanały do pionowych kanałów, które działają jak kominy, umożliwiając szybkie usuwanie gazu. Przyleganie gazu do membrany jest zmniejszone do minimum, nawet jeżeli gaz zawsze występuje pomiędzy elektrodą i membraną. Nie ma tu połączenia części przedniej płyty z jej tyłem na grubości samej płyty, która nie jest przepuszczalna dla gazu lub cieczy. Kanały są tutaj po prostu typu uzyskanego w obróbce powierzchniowej płyty.

W układzie według wynalazku elementy o postaci płytkowej mają otwory.

177 633

Korzystnie elementy o postaci płytkowej mająpowierzchnie wsporcze, usytuowane w jednej płaszczyźnie.

Korzystnie element o postaci płytkowej jest wykonany z siatki metalowej rozciąganej.

Korzystnie element o postaci płytkowej ma stosunek powierzchni czynnej elektrokatalitycznie do powierzchni geometrycznej, zawarty w zakresie od 0,9:1 do 2,0:1.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie układu płaskiego elektrod o strukturze otwartej, w razie potrzeby o budowie typu siatki, umożliwiającej szybkie odprowadzenie pęcherzy gazu o dużej wydajności przy zwiększonej wymianie elektrolitu w obszarze pomiędzy elektrodą i membraną. Poza tym układ elektrod jest łatwy do wykonania, jego stabilność i trwałość są poprawione i jest osiągnięte powiększenie powierzchni czynnej elektrokatalitycznie.

Układ elektrod według wynalazku jest łatwy do produkcji. Zaletą jest różna możliwość jego zastosowania, na przykład jako oparty bezpośrednio na membranie, a także jako katoda w pewnym odstępie od membrany. Poza tym jest możliwe szybkie odprowadzenie gazu dzięki elektrodom wykonanym z otworami w siatce metalowej. W ogniwach elektrochemicznych z elektrodą według wynalazku można uzyskać stosunkowo małe napięcie ogniwa w porównaniu ze zwykłymi ogniwami membranowymi, dzięki czemu zapewnia się znaczne oszczędności energii.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1a przedstawia układ płaski elektrod w widoku z góry, fig. 1b-fragment układu z fig. 1awwidoku bardziej szczegółowym, fig. 1c - profil układu elektrod w przekroju poprzecznym, fig. 2 układ elektrod w częściowym przekroju perspektywicznym i fig. 3 - wprowadzenie układu elektrod według wynalazku do elektrolizera membranowego, w postaci schematu w częściowym widoku.

Figura 1 a przedstawia układ elektrod 1 wykonany z płyty elektrodowej o płaskiej konstrukcji, który ma dużą liczbę elementów 2 o postaci płytkowej, oddzielonych od siebie przez szczelinę 3. Górne krawędzie 4 elementów 2 o postaci płytkowej są ustawione pod kątem po stronie zwróconej w kierunku od membrany wzdłuż linii 5 pokazanej na schemacie, w celu uzyskania szybkiego odprowadzania pęcherzy gazu, wytwarzanych w obszarze elektrod.

Figura 1b pokazuje zasadniczo równoległoboczne otwory 8 siatki metalowej, przy czym pomimo wybrań osiągniętejest powiększenie powierzchni aktywnej w zakresie od 1,1, do 1,3, co oznacza, że powierzchnia elektrodowa skuteczna elektrochemicznie zwiększa się dzięki otworom siatki metalowej, w porównaniu z powierzchnią zamkniętą, na przykład z 1 cm² do 1,15 cm².

Zastosowano siatkę metalową rozciąganą, o grubości pasków w zakresie od 1,5 do 4 mm. Długość otworu jest zawarta w zakresie od 2 do 4,5 mm, a szerokość otworu w zakresie od 1,2 do 3 mm.

Dzięki otworom w obszarze powierzchni elektrodowej aktywnej katalitycznie można uzyskać lepsze mieszanie się mieszanki pęcherzy gazu elektrolitu, przy lepszym odprowadzaniu pęcherzy gazu, przy czym osiąga się poprawę stabilności i trwałości w obszarze membrany i elektrody połączonej anodowo. Elektroda połączona anodowo jest przy tym w bezpośrednim kontakcie z membraną.

Figura 1 c przedstawia kąt pomiędzy górnymi krawędziami 4 i płaszczyzna ukiadu elektrod 1, wynoszący około 30°. Korzystny okazuje się kąt nachylenia w zakresie od 25° do 35°.

Materiałami właściwymi na układ elektrod są szczególnie blacha tytanowa, z aktywacją metalem szlachetnym i metalem nieszlachetnym, względnie blacha niklowa z aktywacją metalem szlachetnym.

Układ elektrod sprawdził się szczególnie przy zastosowaniujako anoda i katoda w elektrolizerze membranowym do elektrolizy roztworów chlorku sodowego lub potasowego albo do wytwarzania wodoru/tlenu.

Paski krawędziowe 6 i 7 są wykonane albo z siatki metalowej rozciąganej albo ze złożonej blachy.

Figura 2 pokazuje otwory 8 wymagane do odprowadzenia gazu wewnątrz elementów 2 o postaci płytkowej oraz szczelinę 3 i nachylone górne krawędzie 4, umożliwiające rozdzielenie mieszaniny gazu i elektrolitu na część elektrolitu i część odprowadzanego gazu. Jeżeli elektroda

177 633 jest połączona anodowo, membrana przylega bezpośrednio do obszaru 10 powierzchni, podczas gdy tylny obszar dochodzący do elektrolitu jest otwarty dla odprowadzenia gazu.

W przypadku połączenia katodowego elektrody, pomiędzy obszarem 10 powierzchni układu elektrod 1 i nie przedstawioną membraną wymiennika jonów są zastosowane elementy odległościowe, które zawierają materiał odporny na elektrolit, a które tutaj także nie zostały przedstawione.

Figura 3 przedstawia w schematycznym przekroju poprzecznym pojedyncze ogniwo membranowe, przy czym pokazana jest w przekrojujedynie membrana wymiennika jonów z katodą i anodą, a dla lepszej jasności zrezygnowano z przedstawienia dodatkowych elementów, takich jak elementy mocujące, kable prądowe, elementy odprowadzające gaz.

Jak widać z fig. 3, połączona anodowa elektroda ljest w bezpośrednim kontakcie stroną czołową 10 z powierzchnią przedstawionej schematycznie membrany 11, przy czym wymaganie szybkiego odprowadzania gazujest łatwo realizowane dzięki otworom 8 w obszarze elementów 2 o postaci płytkowej. Pęcherze gazu unoszą się do góry w kierunku pionowym w wyniku ich mniejszego ciężaru właściwego niż elektrolit 12, są tam gromadzone i prowadzone przez układ zbierający, tutaj nie pokazany. Podobny proces przebiega także na przeciwległej stronie membrany 11 przy pomocy połączonej katodowo elektrody 1 ', jednak katoda jest umieszczona w pewnym odstępie od membrany, w celu uzyskania wymiany substancji i stabilności membrany przy pomocy elementów odległościowych 13 naprzeciwko membrany 11 wymiennika jonów, w celu uzyskania odstępu w zakresie od 1do 3 mm. Jest jednak możliwe uzyskanie odstępu pomiędzy membranąi katodą, przy pomocy różnicy ciśnień. Tutaj także następuje odprowadzenie pęcherzy gazu w kierunku pionowym z katolitu 14, przy czym jest także zastosowany układ zbierający gaz, tutaj nie pokazany.

Przedstawiony częściowo pojemnik akumulatora 15 zawiera katolit i anolit.

Układ ogniwa membranowego znajduje zastosowanie szczególnie w elektrolizerach do wytwarzania chloru, jednak może on także służyć do wytwarzania wodoru/tlenu.

m 633

177 633

177 633 η

Η^- Ο

Fig. 1a

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ płaski elektrod do elektrolitycznego procesu wytwarzania gazu w ogniwie z membraną lub z diafragmą, zawierający elementy o postaci płytkowej, zamocowane na dwóch końcach do dwóch pasków krawędziowych i oddalone od siebie dla utworzenia pomiędzy nimi szczeliny do odprowadzania gazu z tyłu tych elementów, znamienny tym, że elementy (2) o postaci płytkowej mają otwory.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy (2) o postaci płytkowej mająpowierzchnie wsporcze, usytuowane w jednej płaszczyźnie.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że element (2) o postaci płytkowej jest wykonany z siarki metalowej rozciąganej.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że element (2) o postaci płytkowej ma stosunek powierzchni czynnej elektrokatalitycznie do powierzchni geometrycznej, zawarty w zakresie od 0,9:1 do 2,0:1.