SE447583B - Bipoler elektrolysor - Google Patents

Description

ZS 30 35 447 583 på den motsatta sidan, speciellt när elektroderna skjuter ut vinkelrätt därifrån och är interfolierade eller anordnade mel- lan elektroder med motsatt polaritet.

Stödplattan måste vidare ha låg resistans mot flödet av elektrisk ström från katoderna i en elektrolytisk cell, vilka är anordnade på dess katodiska yta, till anoderna i nästa in- tilliggande elektrolytiska cell, vilka är anordnade på dess ano- Q diska yta.

Det har nu befunnits, att ovanstående kan åstadkommas med- elst ett bipolärt element, där stödplattan har ett bundet lami- nat av en oxidfilmbildande metall och en övergångsmetall, varvid den anodiskt oxidfilmbildande metallen är vänd mot anoderna och är i kontakt med anolytvätskan och övergångsmetallen på den mot- satta sidan av laminatet samt avgränsad från anolytvätskan med- elst laminatets element av oxidfilmbildande metall. Föreliggande stödplatta har en första övergångsmetallplatta, vilken är bunden till laminatets övergångsmetallorgan och är anordnad mellan lami- natet och katoderna och katolytvätskan. Den första plattan är bunden till laminatet som tillåter uppsamling av väte mellan den första plattan och laminatet samt avgång av vätet därifrån. En sådan bindning kan åstadkommas genom intermittenta bindningar, såsom hâlsvetsar. Föreliggande bipolära element har vidare en andra övergångsmetallplatta, vilken är bunden till den första övergångsmetallplattan och belägen ovanför bindningarna mellan den första plattan och laminatet. Den andra plattan skyddar bindningarna från kontakt med katolytvätska.

Mera specifikt avser uppfinningen en bipolär elektrolysör uppvisande ett flertal enskilda elektriskt och mekaniskt serie- kopplade elektrolytiska celler med ett bipolärt element mellan ett par intill varandra liggande enskilda celler, där det bipo- lära elementet har en anodisk sida med anoderna i den första elektrolytiska cellen i nämnda par av elektrolytiska celler an- slutna därtill samt en katodisk sida med katoderna i den andra elektrolytiska cellen i nämnda par av elektrolytiska celler an- slutna därtill, och där den anodiska sidan av det bipolära ele- mentet innefattar en yta av anodiskt oxidfilmbildande metall, vilken är resistent mot surgjord alkalimetallklorid, och den katodiska sidan av det bipolära elementet innefattar en yta av övergângsmetall, vilken är resistent mot alkalisk alkalimetall- 10 15 20 25 30 447 583 (JJ hydroxid, varvid det bipolära elementet innefattar: ett laminat av ett ark av anodiskt oxidfilmbildande me- tall och en platta av övergångsmetall; och en första täckplatta av övergångsmetall bunden till ytter- ytan av plattan av övergàngsmetall i laminatet» Det utmärkande för elektrolysören är härvid att den första täckplattan är fläckvis bunden till plattan av övergångsmetall i laminatet vid första sammanfogningsställen, och att det bipolära elementet även innefattar en andra täckplatta av övergångsmetall över de första sammanfogningsställena samt bunden till den första täck- plattan av övergångsmetall på den sida därav som är vänd bort från laminatet vid andra sammanfogningsställen, varigenom de första sammanfogningsställena skyddas från kontakt med katolyt- vätska.

Eventuellt kan föreliggande bipolära element innehålla första väteavgångsledningar. De första väteavgångsledningarna exemplifieras medelst ledningar genom den första övergàngsme- tallplattan, mellan laminatets övergångsmetallyta och den andra plattan. De första väteavgångsledningarna står i förbindelse med de andra väteavgångsledníngarna. De andra väteavgångsledningarna transporterar vätet till utsidan av cellen och kan vara ett spår eller en kanal längs laminatets övergångsmetallyta eller längs den bakre ytan av den första plattan, dvs. den yta av den första plattan som står i kontakt med laminatet, eller par av spår el- ler kanaler mellan laminatet och den första plattan.

En föredragen utföringsform av uppfinningen innebär så- lunda att det bipolära elementet innefattar första väteut- tagsledningar för uppsamling av monoatomärt väte bildat vid gränsytan mellan den första täckplattan och katolyt och vid gränsytan mellan den andra täckplattan och katolyt, vilka väte- uttagsledningar passerar genom den första täckplattan och mel- lan övergångsmetallplattan i laminatet och den andra täckplattan.

Enligt en annan föredragen utföringsform innefattar det bipolära elementet andra väteuttagsledningar mellan plattan av övergångsmetall i laminatet och den första täckplattan bunden till laminatet, varigenom uppsamlat väte avledes från volymen mellan laminatet och den första täckplattan och utanför cellen.

I föreliggande fall kan det bipolära elementet med den häri beskrivna uppbyggnaden användas i en cell med interfolierade 10 15 20 25 30 35 4-47 583 fingerliknande elektroder. Alternativt kan det bipolära ele- mentet användas i en bipolär elektrolysör, vari de enskilda elektrolyscellerna har plana elektroder, vilka är parallella med varandra och med stödplattan samt är åtskilda från varandra och åtskilda från stödplattan, dvs. såsom i en filterpresscell.

Alternativt kan det häri beskrivna bipolära elementet användas i en elektrolyscell med plana elektroder, vilka är parallella med varandra samt panfllellanæd mfliåtádlda från stödplattan, var- vid den ena av eller båda elektroderna uppvisar aktiva elektro- katalytiska ytor vilka avlägsningsbart och kompressivt ligger an mot det permjoniska membranet men vilka inte är bundna till det- ta, t.ex. såsom beskrivs i den amerikanska patentansökningen 76 898 inlämnad den 19 september 1979 i namnet Donald W. DuBois och William B. Darlíngton smmzmed titeln "Solid Polymer Electro- lyte Chlor Alkalí Process and Electrolytic Cell".

FIGURER Fig. 1 är en isometrisk vy av en bipolär elektrolysör med det nya bipolära elementet enligt uppfinningen.

Pig. 2 är en sidovy i genomskärning av en bipolär elektro- lysör med det bipolära elementet enligt föreliggande uppfinning.

Pig. 3 är en planvy i genomskärning av en bipolär elektro- lysör med föreliggande bipolära element.

Fíg. 4 är en isometrisk vy i genomskärning av en bipolär enhet med föreliggande stödplatta.

Fig. 5 är en isometrisk vy i genomskärning av en stöd- platta enligt uppfinningen.

DBTALJERAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande bipolära element illustreras i samband med en bipolär elektrolysör av den typ som visas i de amerikanska patentskrifterna 3 759 813, 3 819 280, 3 928 165, 3 910 827, 3 876 517, 3 855 091, 3 928 150, 3 968 021, 4 174 266, och med fíngerlíknande, interfolierade elektroder, vilka skjuter ut i huvudsak vinkelrätt från stödplattan.

Det torde dock observeras, att den häri beskrivna stöd- plattan också kan användas i elektrolysceller med elektroder vilka är parallella med stödplattan, dvs. såsom i pannkaksceller samt i celler vari den aktiva elektrokatalysatorn hos anoden 10 15 20 25 30 447 583 eller katoden eller hos båda är avlägsningsbart och kompressivt anlagrad mot det permjoniska membranet.

En bipolär elektrolysör l visas generellt i fig. 1. Såsom visas utgöres den bipolära elektrolysören av enskilda elektro- lysceller lla, llb, llc, lld och lle. De enskilda elektrolyscel- lerna lla, llb, llc, lld och lle är uppbyggda av bipolära element Zla, Zlb, Zlc, Zld och ändhalvcellenheter 22a och 2Zb. Cellen lla utgöres av ändenheten 22a och den bipolära enheten Zla, medan cellen lle bildas av ändenheten 22b och den bipolära enheten 2ld.

De mellanliggande cellerna llb, c och d bildas av tvâ bipolära enheter, såsom Zla och Zlb, 2lb och Zlc samt Zlc och Zld.

Den í fig. l visade bipolära elektrolysören är försedd med organ för separation av väte från natronlut, dvs. organ för sepa- ration av den vid katoderna utvecklade vätgasen från den vätske- formiga elektrolyten. Väte-natriumhydroxidseparationsorganet in- nefattar en horisontell gaskanal 113 och en separatortank lll med en väteledning 117 till ett icke visat vätesamlingsrör. Väte- avgívningskonstruktionen samt sättet för att använda densamma be- skrivs i de amerikanska patentskrifterna 3 968 021 och 3 928 150, vars innehåll härmed upptages i föreliggande ansökan.

Katolytvätskan, dvs. natriumhydroxidlösningen, kalium- hydroxidlösníngen, natríumhydroxid-saltlösningen eller kalium- hydroxid-kaliumklorídlösningen, utvinnes från elektrolyscellens katolytavdelning via lututloppet 129, som leder till ett icke visat lutsamlingsrör.

Tillförseln av saltlösning och utvinningen av klor åstad- kommes i en saltlösningstank 131, vilken är försedd med saltlös- ningsinlopp 133 till tanken 131 från ett saltlösningssamlings- rör, som ej är visat, och en saltlösningsledning 135 från tan- ken 131 till en enskild elektrolyscell ll. Systemet för tillför- sel av saltlösning och utvinning av klor innefattar vidare klor- utlopp 139 från cellen ll till saltlösningstanken 131 samt klor- utlopp 137 från tanken 131 till ett icke visat klorsamlingsrör.

Tanken för tillförsel av saltlösning och utvinning av klor är av den typ som generellt beskrivs i den amerikanska patentskriften 3 928 165 i namnet Piester och med titeln "Electrolytic Cell lncluding Means For Separating Chlorine From The Chlorine- -Electrolyte Froth Formed in the Cell" och fungerar såsom be- skrivs i den amerikanska patentskriften 3 855 091 i namnet 10 15 20 ZS 30 35 447 583 Piester och med titeln "Method of Separating Chlorine From the Chlorine-Anolyte Liquor Froth of an Electrolytic Cell", varvid gäller att innehållet i dessa båda patentskrifter här- med upptas i föreliggande ansökan.

Saltlösningsbehållaren 131, saltlösningsinloppet 135 till cellen och saltlösningsutloppet 139 från cellen ll till saltlösningsbehållaren 131 bibringar anolytvätskan, saltlös- níngen och kloren cirkulerande rörelse såsom beskrivs i ameri- kanska patentskriftcn 4 174 266 i namnet Jeffery och med titeln "Method of Operating An Electrolytic Cell Having An Asbestos Diaphragm", vars innehåll härmed upptages i föreliggande ansö- kan. Ett saltlösningsutjämningssystem upprätthåller en jämn nivå av anolyt i varje cell i elektrolysören.

Den bipolära elektrolysören med fingerliknande, interfoli- erade elektroder samt innehållande det bipolära elementet enligt föreliggande uppfinning visas i genomskärning i fig. 2, 3 och 4.

Pig. 2 år en sidovy. Pig. 3 skiljer sig från fig. 2 därigenom att det är en planvy, som visar ett alternativt sätt för anod- infästning. Pig. 4 är en isometrisk vy av det enda bipolära ele- ment som visas i fig. Z. Såsom visas i fig. 2 och 3 innefattar elektnflysörall enskilda celler lla, llc och lle, vilka bildas av bipolära element Zla och Zlc, den katodiska ändenheten 2Za och den anodiska ändenheten 22b. Varje enskilt bipolärt element Zla, Zlc har en stödplatta 23, såsom kommer att beskrivas nedan, anoder S1 utskjutande från ena ytan 27 av stödplattan 23 samt katoder 71 utskjutande från den motsatta ytan 31 av stödplat- tan 23.

Det bipolära elementet innefattar en stödplatta 23. Stöd- plattan 23 utgöres av ett laminat 25 med ett ark 27 av anodiskt oxidfilmbildande metall samt en platta 29 av övergångsmetall.

Såsom uttrycket anodiskt oxidfilmbildande metall användes häri, avser det sådana metaller som bildar en korrosionsbestän- dig oxid när det exponeras för sura media, t.ex. titan, volfram, zirkonium, niob och hafnium. Såsom uttrycket övergångsmetall användes i föreliggande fall, innefattar det sådana metaller som normalt användes som konstruktionsmaterial och som år resistenta mot de vattenbaserade alkalimetallhydroxidlösningarna, t.ex. järn, kobolt, nickel, molybden samt legeringar därav, t.ex. mjukt kolstål och rostfritt stål. 10 15 20 25 30 35 447 583 Arket eller plattan 27 av anodiskt oxidfílmbildande me- tall i laminatet 25 är vänd mot och i kontakt med anolytvätskan och har anoderna 51 utskjutande därifrån. Lamínatets 25 över- gàngsmetallplatta 29 är avgränsad från anolytvätskan medelst laminatets 25 skiva 27 av anodiskt oxidfilmbíldande metall.

I föreliggande bipolära element 21 är en första platta 31 bunden till plattan 29 av övergångsmetall i laminatet 25, och en andra platta 33 är bunden till den första plattan 31. Den andra plattan 33 är belägen över bindningarna mellan den första plattan 31 och laminatet 25.

Exempelvis kan den första plattan 31 vara diskontinuerligt bunden till laminatet 25 såsom vid hålsvetsar 35. Detta möjliggör elektrisk ledning mellan den första plattan 31 och laminatet 25 i huvudsak genom svetsarna 35 men tillåter även att vätemolekyler H2 bildas av väteatomer, H01, däremellan och att de avlägsnas därifrån, dvs. att de avtappas ("blöder") därifrån.

Den andra plattan 33 är bunden till den första plattan 31, såsom vid svetsarna 37. De andra plattorna 33 är belägna över bindningarna 35, varigenom de skyddar bindníngarna 35. Alterna- tivt kan nämnda flertal av andra plattorna 33 ersättas med en enda andra platta 33. Denna enda andra platta 33 kan elektron- strålesvetsas till den första plattan.

Avståndet mellan svetsen 35, dvs. svetsen mellan lamina- tet 25 och den första plattan 31, och svetsen 37, dvs. svetsen mellan den första plattan 31 och den andra plattan 33, är till- räckligt stort, i förhållande till tjockleken av den första plat- tan 31, för att atomiskt väte alstrat på exponerade ytor av den första plattan 31 företrädesvis skall diffundera till kanaler, dvs. 39 och 141, och den yttre periferin av cellen snarare än till svetsen 35. Detta uppnås genom att man gör så att gränserna för den andra plattan 33, t.ex. placeringen av svetsen 37, är på tillräckligt avstånd från svetsen 35, i förhållande till tjockleken av den andra plattan 33, för att befrämja väte- diffusion mot kanalerna 39 och 141 framför vätediffusion mot svetsen 35. Avståndet från gränsen för den andra plattan 33, dvs. från svetsen 37, till svetsen 35 bör vara åtminstone två till tio gånger tjockleken av den andra plattan 33 och företrä- desvis tre till åtta gånger tjockleken av den andra plattan 33.

Den första plattan 31 uppvisar väteutloppsöppningar 39 10 15 20 25 30 35 447 583 CI) därigenom för uppsamling av monoatomiskt väte, H01, bildat vid gränsytan mellan plattan 31 och katolyten samt vid gräns- ytan mellan den andra plattan 33 och katolyten samt infört i och genom plattorna 31 och 33. Väteutloppen 39 leder till att volymer avsiktligt âstadkommes mellan den första plattan 31 och laminatet ZS. Dessa volymer avtappas utanför cellen, såsom genom avtappningsledning 141 och avtappningsventil.

Lamínatet 23, dvs. lamínatet av den anodiskt Oxidfilmbil- dande metallen 25 och övergångsmetallen 27 kan vara "Detaclad (TM)" eller "Dynaclad (TM)", dvs. explosionssammanfogade eller detonationssammanfogade material. Typiskt är skivan av den ano- diskt oxidfilmbildande metallen, dvs. titan-, tantal- eller volframskivan, från ca 1,3 mm tjock till ca 2,5 mm tjock, och skivan av övergångsmetall, dvs. järn- eller stâlskivan, är van- ligen från ca 9,4 mm tjock till ca 25 mm tjock. Den första plat- tan 31 är vanligen från ca 6,3 mm tjock till ca 25 mm tjock, och den andra plattan 33 är vanligen från ca 6,3 mm tjock till ca 25 mm tjock.

Anoderna 51 innefattar anodfingrar 53, vilka skjuter ut vinkelrätt mot stödplattan 23. Enligt en utföringsform innefat- tar anoderna 51 en anodbas 55, som visas i fig. 2, 4 och 5. Anod- basen 55 är förenad med en anodskena 57, som är sammanfogad med en tapp S9, vilken i sin tur är förenad med stödplattans 23 yta 27 av anodiskt oxidfílmbildande metall.

Enligt en alternativ utföringsform visad i fig. 3 är anod- basen 55 direkt förenad med tappen 59 eller med en vertikal upp- sättning av tappar 59, vilka är sammanfogade med stödplattans 23 yta 27 av anodiskt oxídfilmbíldande metall.

Den motsatta sidan av stödplattan 23 har katodelement 71.

Ett katodelement 71 inkluderar ihåliga katodfingrar 73, vilka skjuter ut från stödplattans 23 katodyta 31. Katodfingrarna 73 är bildade i ett slutet hölje av perforerad plåt, perforerad film, galler, nät eller liknande med två i huvudsak parallella ytor 75 som huvudsaklig katodyta samt ett permjoniskt membran eller diafragma 83 avsatt på katodfingrarna 73.

Ytorna 75 uppbäres av katodstödskenan 77, som sträcker sig utåt med en ledande platta 79 från den bipolära stödplattan 23. Andra konstruktioner kan dock användas, varvid t.ex. katod- stödskenan 77 kan utelämnas när membranet eller separatorn 83 10 15 20 ZS 30 35 447 585 icke är vakuumavsatt utan är förformat eller avsatt på annat sätt än genom dragning av ett vakuum inuti katodfingrarna 73.

Katodstödgallret 81 med det permjoniska membranet lig- gande därpå är i huvudsak parallellt med och âtskilt från stöd- plattan 23. Volymen inuti de ihåliga katodfingrarna 73 och mel- lan stödgallret 81 och stödplattan 23 är katolytvolymen.

Anodavdelningen innefattar ett titanfoder 101, som an- tingen kan ligga på eller vara åtskilt från cellkroppen av stål.

Anodavdelningen innefattar vidare en titanfläns 103, vilken lig- ger an mot fodret l01. En tätning 115 är anordnad mellan titan- flänsen 103 och flänsen 107 av övergångsmetall, varvid det kato- diska stödgallret 81 utbreder sig mellan flänsen 107 av över- gångsmetall och tätningen 115, såsom beskrivs i amerikanska pa- tentskriften 3 876 517 i namnet Carl W. Raetzsch et al och med titeln "Reduction of Crevice Corrosion in Bipolar Chlorine Diaphragm Cells By Locating the Cathode Screen at the Crevice and Maintaining the Titanium Within the Crevice Anodic", vars innehåll härmed upptas i föreliggande ansökan.

I figuren visas dessutom ett klorutlopp 139 till klor- och saltlösningstanken 131 samt vätesystemet lll, vilket inklu- derar dess horisontella ledning 113. Även om uppfinningen har illustrerats och beskrivits i samband med bipolära elektrolysörer vari de enskilda elektrolys- cellerna utmärkes av att de har interfolierade, fingerliknande elektroder, är det underförstått att den härí beskrivna utform- ningen av stödplattan liksom själva idén bakom stödplattan kan utnyttjas i elektrolysceller vari elektrodytorna är i huvudsak parallella med snarare än vinkelräta mot det bipolära elemen- tet 23. Sådana celler innefattar celler vari anoderna och kato- derna är åtskilda från och parallella med varandra samt med stöd- plattan 23 liksom även sådana celler vari antingen anoden eller katoden eller båda ligger an kompressivt och avlägsningsbart mot det permjoniska membranet för att därvid fungera som en fast po- lymerelektrolyt. Även om uppfinningen har beskrivits i samband med vissa exemplifieringar och utföringsformer, är den icke avsedd att be- gränsas av dessa i annan omfattning än vad som framgår av de bi- lagda patentkraven. , ._ _ ......._............. ._ _

Claims (5)

447 sss 10 PATENTKRAV

1. Bipolär elektrolysör (1) uppvisande ett flertal enskilda elektriskt och mekaniskt seriekopplade elektrolytiska celler (11a-11e) med ett bipolärt element (lla-Zld) mellan ett par intill varandra liggande enskilda celler, där det bipolära elementet har en anodisk sida med anoderna i den första elektrolytiska cellen i nämnda par av elektrolytis- ka celler anslutna därtill samt en katodisk sida med katoderna i den andra elektrolytiska cellen i nämnda par av elektrolytiska celler anslutna därtill, och där den anodiska sidan av det bipolära elementet innefattar en yta av anodiskt oxidfilmbildande metall, vilken är resistent mot surgjord alkalimetallklorid, och den katodíska sidan av det bipolära elementet innefattar en yta av övergångsmetall, vilken är resistent mot alkalisk alkalimetallhydroxid, var- vid det bipolära elementet innefattar: ett laminat (25) av ett ark (27) av anodiskt oxidfilm- bildande metall och en platta (29) av övergângsmetall; och en första täckplatta (31) av övergângsmetall bunden till ytterytan av plattan (29) av övergångsmetall i lamina- tet, k ä n n e t e c k n a d av att den första täckplattan (31) är fläckvís bunden till plattan (29) av övergângsmetall i laminatet vid första sammanfogningsställen (35), och att det bipolära elementet även innefattar en andra täckplatta (33) av övergângsmetall över de första sammanfogningsställena (35) samt bunden till den första täckplattan (31) av övergångsmetall på den sida därav som är vänd bort från laminatet vid andra sammanfogníngs- ställen (37), varigenom de första sammanfogningsställena skyd- das från kontakt med katolytvätska.

2. Bipolär elektrolysör enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att det bipolära elementet innefattar första väteuttagsledningar (39) för uppsamling av monoatomärt väte bildat vid gränsytan mellan den första täckplattan (31) och katolyt och vid gränsytan mellan den andra täckplattan (33) och katolyt, vilka väteuttagsledningar passerar genom den första täckplattan (31) och mellan övergångsmetall- plattan (29) i laminatet och den andra täckplattan (33). 11 447 533

3. Bipolär elektrolysör enligt krav 2, k ä n n e - t e c k n a d av att det bipolära elementet innefattar andra väteuttagsledníngar mellan plattan (29) av över- gangsmetall i lamínatet och den första täckplattan (31) bunden till laminatet, varígenøm uppsamlat väte avledes från volymen mellan laminatet och den första täckplattan och utanför cellen.

4. Bipolär elektrolysör enligt någøt av de före- gående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att den första täckplattan (31) är hålsvetsad till lamínatet.

5. Bipolär elektrolysör enligt något av de före- gående kraven, k ä n n e t e c k n a d av att avståndet från det andra sammanføgningsstället till närmaste första sammanfogníngsställe är åtminstone två gånger tjockleken av den andra täckplattan. . .. ...mn ..._ l. __» w-.m-.m- . - ............._ . .,_,~,_,,____