SE455508B - Elektrolyscell - Google Patents

Description

4555 10 15 20 25 30 5(]8 1 | 1 -c-c-c- 1 1 C-OH u o Dylika membraner är i typfallet de som tillverkas av Du Pont under varumärkesbenämningen Nafion® och av Asahi Glass Co. i Japan under varumärkesbenämningen Flemion® och patent, som beskriver dylika membraner, utgöres av det engelska patentet 1 184 321 och de amerikanska paten- ten 3 282 875 och 4 075 405.

Eftersom dessa membraner är jonpermeabla men icke medgiver anolytströmning genom desamma, vandrar föga eller ingen halogenidjon genom membranet hos ett sådant material i en alkalikloridcell och därför innehåller det sålunda alstra- de alkalit föga eller ingen kloridjon. Vidare är det möj- ligt att alstra en mer koncentrerad alkalimetallhydroxid, vid vilken katolyten, som alstras, kan innehålla 15-45 viktsprocent NaOH eller t.o.m. högre. Patent, som beskri- ver en sådan process, är de amerikanska patenten 4 111 779 och 4 100 050 och många andra. Användningen av ett jon- bytarmembran såsom ett jonpermeabelt membran har föresla- gits för andra ändamål, t.ex. vid vattenelektrolys.

Det har också föreslagits att genomföra sådan elektrolys mellan en anod och katod åtskilda av ett membran, speci- ellt ett jonbytarmembran, där anoden, katoden eller båda- dera är i form av ett tunt poröst skikt av elektrokonduk- tivt material, som är motstàndskraftigt mot elektrokemis- ka angrepp och fäst eller på annat vis införlivat över ytan av membranet. Liknande elektrod-membranenheter har länge föreslagits för användning i bränsleceller, vilka celler kallats "solida polymerelektrolytceller". Dylika celler har lång tid använts såsom gas-bränsleceller och först på senare tid med framgång anpassats för elektro- lytisk framställning av klor från klorvätesyra eller al- kalimetallkloridsaltlösningar. 10 15 -~2O 25 30 35 455 508 För framställningen av klorid i en solid polymerelektro- lytcell består elektroderna vanligen av ett tunt poröst skikt av elektrokonduktivt, elektrokatalytiskt material, som permanent är fäst på ytan av ett jonbytarmembran med ett bindemedel, vanligen sammansatt av en fluoriderad po- lymer, t.ex. polytetrafluoreten (PTFE).

Enligt en av de föredragna procedurerna för att bilda de gaspermeabla elektroderna, såsom beskrives i det ameri- kanska patentet 3 297 484, blandas ett pulver av elektro- konduktivt och elektrokatalytiskt material med en vatten- dispersion av polytetrafluor-karbon-partiklar för att er- hålla en degig blandning innehållande 2-20 g pulver per g polytetrafluoretan. Blandningen, som kan spädas ut om så önskas, sprides sedan pá en bärmetallplàt och torkas, var- efter pulverskiktet täckes med aluminiumfolie och pressas vid en temperatur tillräcklig för att åstadkomma sintring av polytetrafluoretenpartiklarna för att erhålla en tunn koherent film. Efter avlägsnande av aluminiumfolie genom kaustik upplösning påföres den förformade elektroden på membranets yta och pressas vid en temperatur som är till- räcklig för att bringa polytetrafluoretenmatrisen att sintra på membranet. Efter snabb kylning avlägsnas bär- metallplàten och elektroden förblir fäst på membranet.

Då elektroderna i cellen är intimt bundna vid de motstå- ende ytorna av membranet, som átskiljer anod- och katod- kamrarna, och därför icke separat uppbäres av metallstruk- turer, har det visat sig att det mest effektiva sättet att föra och fördela strömmen till elektroderna består i att tillgripa multipelkontakter likformigt fördelade över hela elektrodytan med hjälp av strömbärande strukturer, försedda med en serie utspràng eller ribbor, som under hopmonteringen av cellen kommer i kontakt med elektrod- ytan i ett flertal jämnt fördelade punkter. Membranet, som på sina motstáende ytor uppbär de vidfästa elektro- derna, måste sedan pressas mellan de två strömförande 455 508 10 15 20 25 30 strukturerna eller kollektorerna på anod- resp. katodsidan.

I motsats till vad som händer i bränsleceller, där reak- tionsmedlen är gasformiga, strömtätheterna är små och där praktiskt taget inga elektrodiska sidreaktioner kan upp- komma, ger solida elektrolytceller, som användes för elek- trolys av lösningar, såsom i det speciella fallet natrium- kloridsaltlösningar, upphov till problem, som är svåra att lösa. I en cell för elektrolys av natriumkloridsalt- lösning äger följande reaktioner rum vid de olika delarna av cellen: huvuaanoareaktion 2 cl' + c1 + 20' transport genom membranet: 2 Na+ + +H2O _ katoareaktion 2 H20 + 2o'+ 2 on' + n, anodsidoreaktion 2 0H'- 02 + 2 H20 + 4e' 2 totalhuvudreaktion NaCl + 2 H20 + 2 NaOH + Cl2+H2.

Därför sker vid anoden vid sidan av den önskade huvudreak- tionen med kloravgivning en viss vattenoxidation ävenledes med efterföljande syreutveckling, ehuru i en utsträckning, som hálles så låg som möjligt. Denna tendens för syreut- V veckling ökas särskilt genom de alkaliska omgivningen på de aktiva ställena hos anoden, som utgöres av katalytpar- tiklar i kontakt med membranet. I själva verket har kat- jonbytarmembraner lämpliga för elektrolys av alkalimetall- halogenider ett överföringstal, som är skilt från ett, och under förhållanden med hög alkalitet, som föreligger i katolyten, medgiver en del av dessa membranet någon vand- ring av hydroxylanjoner från katolyten till anolyten tvärs genom membranet. Förhàllandena, som erfordras för en effek- tiv överföring av vätskeformiga elektrolyter till de akti- va ytorna av elektroderna och för gasutveckling där, krä- ver vidare anod- och katodkammare med strömningssektioner för elektrolyterna och gaserna, som är mycket större jäm- fört med dem som användes vid bränsleceller. 10 15 20 25 30 455 508 Elektroderna måste omvänt ha en minimitjocklek, vanligen i området 40-150 um, för att medgiva ett effektivt massaut- byte med huvudmassan av den vätskeformiga elektrolyten.

Pâ grund av denna fordran liksom genom att de elektrokata~ lytiska och elektrokonduktiva materialen, som bildar elek- troderna, speciellt anoden, ofta är en blandad oxid inne- fattande en platinagruppens metalloxid eller en pulverar- tad metall fäst genom ett bindemedel, som har föga eller ingen elektrokonduktivitet, är elektroderna nätt och jämnt konduktiva i riktningen för sin huvuddimension. Därför kräves en hög täthet av kontakter med kollektorn likaväl som ett likformigt kontakttryck för att begränsa det ohm- ska spänningsfallet genom cellen och medgiva en likformig strömtäthet över hela den aktiva ytan hos cellen.

Dessa fordringar har hittills varit ytterst svåra att upp- fylla speciellt i celler med stora ytor såsom de, vilka industriellt användes i anläggningar för framställning av klor och vilka har kapaciteter, som generellt är större än 100 ton per dag.

Industriella elektrolysceller kräver av ekonomiska skäl elektrodytor inom storleksomrâdet minst 0,5, företrädes- vis l-3 m2 eller större och är ofta elektriskt anslutna i serie för att bilda elektrolysanordningar innefattande upp till flera tiotals bipolära celler hopmonterade med hjälp av förbindningsstavar eller hydrauliska eller pneu- matiska tryckdon i ett filterpresstypens arrangemang.

Celler av denna storlek medför stora tekniska problem med avseende på framställningen av strömbärande strukturer, d.v.s. strömkollektorer, med extremt làga toleranser, med avseende pá planheten hos kontakterna och för att åstad- komma ett likformigt kontakttryck över elektrodytan efter cellens hopmontering. Membranet, som användes i dylika celler, måste vidare vara mycket tunt för att begränsa det ohmska spänningsfallet genom den solida elektrolyten 455 508 10 15 20 25 30 i cellen, varvid tjockleken ofta är mindre än 0,2 mm och sällan mer än 2 mm, och membranet kan lätt brista eller på olämpligt sätt uttunnas i de punkter, där ett kraftigt tryck pàföres detsamma under tillslutningen av cellen.

Därför måste anod- och katodkollektorn, utöver att de är nästan perfekt plana, även vara nästan exakt parallella.

I celler av liten storlek kan den höga graden av planhet och parallellitet upprätthâllas under àstadkommandet av en viss flexibilitet hos kollektorerna för att taga upp små avvikelser från exakt planhet och parallellitet. En solid elektrolyt-enpolär-typens cell för elektrolys av natriumklorid är känd, där både anod- och katodströmkol- lektorn består av skärmar eller av sträckmetallplátar svetsade vid resp. serier av vertikala metallribbor, som är förskjutna från varandra, varigenom en viss böjning av skärmarna under hopmonteringen av cellen medgives för att utöva ett mer likformigt tryck på membranytorna.

En solid elektrolyttypens bipolär cell för elektrolys av natriumklorid är också känd, där de bipolära separatorer- na på båda sina sidor och inom omrâdet, som motsvarar elektroderna, är försedda med en serie ribbor eller ut- språng. För att taga upp smà avvikelser från planhet och parallellitet införes'ett elastiskt medel bestående av två eller flera skärmar eller sträckmetallskärmar av ano- disk oxidfílmbildande metall belagda med ett icke passi- verbart material, varvid nämnda elastiska medel hoppres- sas mellan anodsidans ribbor och anoden, som är fäst vid anodsidan av membranet.

Det har dock observerats att båda dessa lösningar, som föreslås i de sistnämnda patenten, medför allvarliga be- gränsningar och olägenheter i celler, som har stora elek- trodytor. I det första fallet tenderar den önskade lik- heten i kontakttryck att saknas, vilket ger upphov till strömkoncentrationer i punkter för större kontakttryck 10 15 20 25 30 35 455 508 med åtföljande polarisationsfenomen och den tillhörande avaktiveringen av membranet och av de katalytiska elektro- derna och lokaliserade bristningar hos membranet och loka- liserade mekaniska förluster av katalytiskt material upp- kommer ofta under hopmonteringen av cellen. I det andra fallet måste en mycket höggradig planhet och parallellitet hos de bipolära separatorytorna åstadkommas, men detta kräver exakt och dyrbar maskinbearbetning av ribborna och av tätningsytan hos den bipolära separatorn. Den stora styvheten hos elementen medför vidare tryckkoncentratio- ner, som tenderar att ackumuleras utmed serien, varigenom antalet hopmonterbara element i ett enda filterpressarran- gemang begränsas.

Som ett resultat av dessa svårigheter kommer en strömför- delarskärm, då den pressas mot elektroden, t.o.m. att lämna en del elektrodytor oberörda eller med så liten kon- takt, att de väsentligen blir ineffektiva. Jämförelsepro- ver, som har gjorts genom att pressa fördelarskärmen mot tryckkänsligt papper, som kan visa ett synligt intryck svarande mot skärmen, har gett vid handen, att väsentlig area, mellan 10 procent och ända upp till 30-40 procent av skärmarean, icke åstadkommer någon markering pà pappe- ret och detta indikerar att dessa olämpligt stora areor förblir oberörda. Vid tillämpning av denna observation på elektroderna vill det synas som väsentliga elektrod- areor är overksamma eller väsentligen overksamma.

Den nya elektrolyscellen enligt uppfinningen innefattar åtminstone ett cellhus innehållande ett par gas- och elek- trolytpermeabla elektroder, åtskilda av ett jonselektivt gas- och elektrolytimpermeabelt membran, varvid var och en av elektroderna är i kontakt med och sträcker sig längs en yta hos nämnda membran, samt medel för att införa en elektrolyt som elektrolyseras och medel för att avlägsna elektrolysprodukter och kännetecknas av att en elektro- konduktiv, elastisk till 10-60% av dess ursprungliga 10 15 20 25 30 455 508 tjocklek, kompressibel matta av vävda metalltrådar är pla- cerad bakom åtminstone en av nämnda elektroder, varvid mattan är väsentligen koextensiv med större delen av nämnda elektrod och kan fördela tryck i sidled och ligger detta väsentligen lika fördelade trycket i storleksomrâdet 50-2000 g/cmz, varvid nämnda komprimerade matta har tom- volym i förhållande till skenbart upptaget volyminnehåll av åtminstone 50%.

Detta kompressibla skikt är fjädringsartat till sin karak- tär och medan det är i stånd att komprimeras till en re- duktion av ända till 60% eller mera av sin okomprimerade tjocklek mot membranet, som uppbär elektrodskiktet, genom påförande av tryck från en bakvägg eller en tryckdel, kan det även fjädra tillbaka väsentligen till sin ursprungli- ga tjocklek vid hoppressningstryckets upphörande. Genom elasticiteten skapas sålunda ett väsentligen likformigt tryck möt membranet, som uppbär elektrodskiktet, eftersom det är i stånd att fördela tryckpákänning och kompensera oregelbundenheter i ytorna, med vilka det står i kontakt.

Det kompressibla arket skall även åstadkomma lätt tillgäng- lighet för elektrolyten till elektroden och lätt avgång av elektrolysprodukter, vare sig de är gasformiga eller vätskeformiga, från elektroden.

Det är sålunda öppet i strukturen och innesluter en stor fri volym och det elastiskt kompressibla arket är elekt- riskt ledande och är generellt gjort av en metall, som är motståndskraftig mot det elektrokemiska angreppet av den elektrolyt, som är i kontakt med detsamma och förde- lar sålunda polaritet och ström över hela elektrodskiktet.

Det kan ingripa med elektrodskikten direkt men alterna- tivt och företrädesvis kan detta konduktiva elastiska kompressibla ark ha en vikbar elektrokonduktiv skärm av nickel, titan, niob eller annan resistent metall införd mellan arket eller mattan och membranet. 10 15 20 25 30 455 508 Skärmen är ett tunt, med små hål försett ark, som lätt böjes och anpassar sig till varje ytoregelbundenhet i elektrodytan. Den kan vara ett nät med fin nätstruktur eller en perforerad film. Vanligen är den finare i mask- - eller porstorleken än det kompressibla skiktet och mind- re kompressibel eller väsentligen icke kompressibel. I vartdera fallet vilar ett öppet nätskikt och tryckes mot membranet med den motsatta eller motelektroden eller pres- sas àtminstone en gas- och elektrolytpermeabel yta av det- samma mot den motsatta sidan av membranet. Eftersom det kompressibla skiktet och den finare skärmen, om den är närvarande, icke är fästa vid membranet, är de rörliga (glidbara) utmed membranytan och kan därför lätt anpassa sig till konturerna hos membranet och motelektroden.

Det är därför ett ändamål med föreliggande uppfinning att genomföra en elektrolys av en alkalimetallklorid med en elektrolyscell, som har en elektrod i direkt kontakt med ett membran, vilken elektrod eller en sektion av densamma lätt komprimeras och har hög elasticitet och kan effektivt fördela ett klämtryck på cellen på ett väsentligen likfor- migt sätt över hela elektrodytan.

En föredragen utföringsform av den elastiska strömkollek- torn eller elektroden enligt uppfinningen innefattar att den består av ett väsentligen öppet nät, plant elektro- konduktivt metalltrådföremål eller en skärm, som har ett öppet nätverk och är sammansatt av trådtyg, som är mot- ståndskraftigt mot elektrolyten och elektrolysprodukterna och att en del eller alla trådarna bildar en serie slin- gor, vågor eller krusningar eller annan vågartad kontur, vars diameter eller amplitud ligger väsentligt över träd- tjockleken och företrädesvis motsvarar föremålets tjock- lek, utmed åtminstone en direktris parallell med föremå- lets plan. Naturligtvis är sådana krusningar eller veck anordnade i riktningen tvärs genom skärmens tjocklek. 10 15 20 25 30 35 455 508 10 Dessa vågbildningar i form av krusningar, slingor, vågor eller liknande har sidpartier, som lutar eller är krökta i förhållande till axeln vinkelrätt mot det veckade före- målets tjocklek, sà att, då kollektorn komprimeras, viss förskjutning och tryck överföres i sidled för att göra fördelningen av trycket mer likformig över elektrodarean.

En del slingor eller varv, som på grund av oregelbunden- heter i planheten eller parallellitet hos ytorna, som trycker mot tyget, kan utsättas för en kompressionskraft, som är större än den som verkar på angränsande areor och är i stånd att ge efter mera och sålunda avgiva överskotte- kraften genom att överföra densamma till angränsande slin- gor eller trådvarv.

Tyget är därför verksamt genom att fungera såsom en tryck- utjämnare i väsentlig utsträckning och förhindra att den elastiska reaktionskraften, som verkar i en enda kontakt- punkt, överskrider gränsen, varigenom membranet skulle kraftigt klämmas eller genomborras. En sådan självjuste- rande möjlighet hos den elastiska kollektorn är naturligt- vis ett medel att erhålla en god och likformig kontakt- fördelning över hela elektrodytan.

En mycket effektiv utföringsform består på önskvärt vis av en serie skruvartadè, cylindriska trådspiraler, vilkas varv är omväxlande lindade med dem för angränsande spiral med ett interfolierat eller slinghopkopplat relationsför- hållande. Spiralerna har en längd väsentligen svarande mot höjden eller bredden av elektrodkammaren eller är åt- minstone 10 eller fler centimeter i längd och antalet interfolierade spiraler är tillräckligt för att spänna över hela dess bredd och diametern hos spiralerna är 5-10 eller mer gånger diametern hos tråden i spiralerna; Enligt detta föredragna arrangemang representerar själva tråd- skruven en mycket liten del av sektionen hos elektrodkam- maren, som inneslutes av skruven, och därför är skruven öppen på alla sidor, varigenom man får en inre kanal för 10 15 20 25 30 455 508 ll att medgiva cirkulation av elektrolyten och uppstigandet av gasbubblor utmed kammaren.

Det är emellertid icke nödvändigt att de skruvartade cy- lindriska spiralerna lindas i ett interfolierat relations- förhållande med angränsande spiraler såsom ovan beskrivits och de kan därför också bestå av enkla närliggande metall- tràdspiraler. I detta fall är spiralerna belägna intill varandra vid sidan av varandra med resp. slingor blott in- gripande i alternerande följd. På detta sätt kan en högre kontaktpunktstäthet uppnås med motsvarande plan, som re- presenteras av motelektroden eller motströmkollektorn och celländplattan.

Enligt ett ytterligare utförande består strömkollektorn eller fördelaren av ett krusat, stickat nät eller en väv- nad av metalltrád, varvid varje enkel träd bildar en se- rie vågor med en amplitud svarande mot maximihöjden för krusningen hos det stickade tràdnätet eller vävnaden. Var- je metalltrâd kommer sålunda i en alternerande följd i kontakt med celländplattan, som tjänar såsom platta för att pàföra trycket, och det porösa elektrodskiktet, som är fäst på membranytan_eller den mellanliggande flexibla skärmen, som är införd mellan elektrodskiktet eller mem- branet och det kompressibla skiktet. Åtminstone en del av nätet sträcker sig över vävnadens tjocklek och är öppen för elektrolytflöde i kantvis riktning.

Såsom ett alternativ kan tvà eller flera stickade nätverk eller vävnader, efter det att de individuellt krusats ge- nom formning, överlagras på varandra för att erhålla en kollektor av den önskade tjockleken.

Krusningen hos metallnätet eller -vävnaden bibringar kol- lektorn en stor kompressionsförmága och en utmärkt elasti- citet för kompression under en belastning, som kan vara åtminstone cirka 50-2000 g/cmz, som páför belastningen, t.ex. bak- eller ändplattan. 455 508 10 15 20 25 30 35 12 Elektroden enligt uppfinningen har efter hopmontering av cellen en tjocklek, som företrädesvis svarar mot djupet av elektrodkammaren men djupet av kammaren kan lämpligen göras större. I detta fall kan en med små hål försedd och väsentligen styv skärm eller platta med mellanrum fràn bakväggens i kammarens yta verka såsom en kompres- sionsyta mot den kompressibla elastiska kollektormattan.

I detta fall är utrymmet bakom den åtminstone relativt styva skärmen öppet och bildar en elektrolytkanal, genom vilken utvecklad gas och elektrolyt kan flyta. Mattan kan komprimeras till en mycket mindre tjocklek och volym. Den kan t.ex. komprimeras till cirka 50-90% eller t.o.m. mind- re av sin ursprungsvolym och/eller tjocklek och pressas eller komprimeras därför mellan membranet och den ledande bakplattan i cellen genom sammanklämning av dessa båda de- lar. Det kompressibla arket är rörligt, d.v.s. det är icke svetsat eller fäst vid celländplattan eller vid'den in- satta skärmen och överför strömmen väsentligen genom me- kanisk kontakt med detsamma lämpligt anslutet till den elektriska strömkällan och till elektroden.

Mattan är rörlig eller glidbar i förhållande till angrän- sande ytor av de element, med vilka den står i kontakt.

Då klämtrycket pàföres, kan tràdslingorna eller -varven, som utgör den elastiska mattan, avlänkas och glida i sid- led och fördela tryck likformigt över hela ytan, med vil- ken den kommer i kontakt. Pà detta sätt fungerar den pà ett sätt, som är överlägset individuella fjädrar fördela- de över en elektrodyta, eftersom fjädrarna är fixerade och det icke föreligger någon inbördes verkan mellan tryck- punkterna för att kompensera ytoregelbundenheter hos bär- ytorna.

En stor del av klämtrycket i cellen föreligger i elastici- teten hos varje enskild slinga eller våg i metalltrådarna, som bildar strömkollektorn. Eftersom väsentligen inga be- svärliga mekaniska pàkänningar skapas genom de differen- 10 20 25 30 455 508 13 tiella elastiska deformationen av en eller flera slingor eller krusningar hos föremålet i förhållande till angrän- sande, kan den elastiska kollektorn enligt uppfinningen effektivt hindra eller undvika genomstickning eller allt- för kraftig förtunning av membranet på de mer belastade punkterna eller ytorna under hopmonteringen av cellerna.

I stället kan höga avvikelser från planheten hos den ström- förande strukturen hos den motsatta elektroden sålunda tolereras likaväl som avvikelser från parallellitet mel- lan nämnda struktur och cellbakplattan eller den bakre tryckplattan.

Den elastiska elektroden enligt uppfinningen är företrä- desvis katoden och samverkar med eller står mittemot en anod, som kan vara av den mer stela typen, vilket betyder att elektroden på anodsidan kan uppbäras mer eller mindre stelt. I cellerna för elektrolys av natriumkloridsaltlös- iïningar består katodmattan eller det kompressibla arket företrädesvis av en nickel- eller nickellegeringstràd eller av rostfritt stål på grund av den höga motstånds- kraften hos dessa material mot kaustikt material och vä- tesprödhet. Mattan kan beläggas med en platinagruppens metall eller metalloxider, kobolt eller oxid av denna el- ler andra elektrokatalysatorer för att reducera väteöver- spänning.

Varje annan metall, som kan bibehålla sin elasticitet under användningen, inkluderande titan, valfritt belagd med en icke passiverande beläggning, såsom exempelvis en platinagruppens metall eller oxid därav, kan användas.

Det sistnämnda är särskilt lämpligt vid användning i kon- takt med sura anolyter.

Såsom nämnts kan ett elektrodskikt av elektrodpartiklar av en platinagruppens metall eller oxid därav eller annat motstándskraftigt elektrodmaterial fästas vid membranet.

Detta skikt är vanligen cirka 40-150 mikron i tjocklek 10 15 20 25 30 455 508 14 och kan alstras väsentligen såsom beskrivits i det ameri- kanska patentet 3 297 484 och, om så önskas, kan skiktet påföras på båda sidor av membranet. Eftersom skiktet är väsentligen kontinuerligt, fastän gas- och elektrolyt- permeabelt, skärmar det den kompressibla mattan och följ- aktligen föreligger den mest om icke all elektrolys på skiktet med föga om ens någon elektrolys, t.ex. gasutveck- ling, på den komprimerade mattan, som kommer i ingrepp med baksidan av skiktet. Detta gäller särskilt då partik- larna i skiktet har en lägre väte-(eller klor-)överspän- ning än mattytan. I detta fall tjänar mattan i stort sett som en strömfördelare eller kollektor, som fördelar ström över det mindre elektriskt ledande skiktet.

I kontrast härtill och då den kompressibla mattan direkt ingriper med membranet eller t.o.m. då det finns en mel- lanliggande, med små hål försedd elektrokonduktiv skärm eller annan perforerad ledare mellan mattan och membränetrr säkerställer den öppna maskstrukturen existensen av otill- täppta vägar för elektrolyten till de bakre areorna, som har mellanrum från membranet, inkluderande de areor, som kan föreligga på framsidan, det inre och baksidan av den kompressibla vävnaden._Den sammanpressade mattan, som så- lunda är öppen och icke fullständigt skärmad, kan själv ge en aktiv elektrodyta, som kan vara 2 eller 4 eller fler gånger den totala fria ytan i direkt kontakt med membra- net.

Nàgon antydan om ökningen i ytarea hos den flerskiktelekt- rod har gjorts i det engelska patentet 1 268 182, som be- skriver en av flera skikt bestående katod innefattande ytterskikt av expanderad metall och innerskikt av tunnare och mindre maskvidd, som kan vara stickad vävnad med ka- toden vidrörande ett katjonbytarmembran och med elektro- lyten flytande i kantvis riktning genom katoden.

Enligt föreliggande uppfinning har det visat sig ett läg- ,_.-/> 10 15 20 25 30 35 455 508 l5 re spänning uppnås genom tillgripande av en kompressibel matta, som på grund av krusningen, skrynklingen, vågbild- ningen eller annan konstruktion har en väsentlig del av trådarna eller ledarna, som sträcker sig genom tjockleken av mattan på ett avstånd av åtminstone en del av denna tjocklek. Vanligen kröks dessa trådar, då mattan kompri- meras, de böjer sig elastiskt för att fördela trycket och dessa tvärtrådar bibringar väsentligen samma potential åt trådarna vid baksidan som föreligger på trådarna i kontakt med membranet.

Då en sådan matta komprimeras mot membranet, inkluderan- de eller exkluderande införd skärm, kan en spänning, som är 5-150 millivolt mindre uppnås vid samma strömflöde än som kan uppnås, då mattan eller dess införda skärm helt enkelt vidrör membranet. Detta representerar en väsentlig reduktion i kilowatt-timmeförbrukningen per ton alstrad klor. Då mattan komprimeras, närmar sig dess delar, som har mellanrum till membranet, varandra men förblir på visst avstånd från membranet, och sannolikheten och i själva verket graden av elektrolys på desamma ökar och denna ökning i ytarea medgiver en större grad av elektro- lys utan alltför kraftig spänningsökning.

Det finns också en annan fördel, t.o.m. då föga aktuell elektrolys äger rum på bakdelarna av mattan, eftersom mat- tan är bättre polariserad mot korrosion. Då en kompressi- bel matta av nickel exempelvis anligger mot ett kontinuer- ligt skikt av höggradigt ledande elektrodpartiklar fästa vid membranet, kan exempelvis den elektriska skärmningen vara så stor, att föga eller ingen elektrolys äger rum på mattan. I ett dylikt fall har det observerats, att nickel,attan tenderar att korrodera, särskilt då alkali- metallhydroxiden övreskred 15 viktsprocent och några klo- rider var närvarande. Med en öppen, med små hål försedd struktur direkt i kontakt med membranet ástadkommes till- räckligt med öppen väg till de med mellanrum fördelade 455 508 10 15 20 25 30 16 partierna och även baksidan av mattan, så att de fria ytor- na av densamma åtminstone blir negativt polariserade eller katodskyddade mot korrosion. Detta gäller även ytor, där ingen gasutveckling eller annan elektrolys äger rum. Dessa fördelar är speciellt anmärkningsvärda vid strömtätheter över 1000 ampere per kvadratmeter elektrodyta mätt som totalarean, som omslutes av elektrodytterändarna.

Företrädesvis komprimeras den elastiska mattan till cirka 80-30% av sin ursprungliga, icke komprimerade tjocklek under ett kompressionstryck mellan SO och 2000 g/cmz fri area. T.o.m. i sitt komprimerade tillstånd måste den elas- tiska mattan vara i hög grad porös, eftersom förhållandet mellan hálighetsvolym och skenbar volym hos den komprime- rade mattan uttryckt i procenttal med fördel är minst 75% (sällan under 50%) och företrädesvis mellan 85 och 96%.

Detta kan beräknas genom uppmätning av den volym, som upptages av mattan komprimerad i önskad utsträckning och Vägning av mattan. Då man känner densiteten för metallen i mattan, kan dess fastvolym beräknas genom att dividera volymen med densiteten, vilket ger volymen för den solida mattstrukturen och volymen för håligheterna erhålles se- dan genom att subtrahera denna siffra från totalvolymen.

Det har visat sig att,'då detta förhållande blir mycket lågt exempelvis genom att mycket kraftigt komprimera den elastiska mattan under 30% av dess okomprimerade tjocklek, cellspänningen börjar att öka förmodligen delvis på grund av en minskning i förhållandet mellan massatransport och aktiva ytor hos elektroden och/eller förmågan hos elekt- rodsystemet att medgiva lämplig avgång av utvecklad gas.

Ett typiskt kännetecken för cellspänningarna som funktion av kompressionsgraden och hâlighetsförhållandet hos den kompressibla mattan framgår senare av exemplen.

Diametern för den tråd som användes kan variera inom ett stort omrâde beroende på typen av formningen eller tex- 10 15 20 25 30 455 508 17 turen men är tillräckligt liten för att i varje fall er- hålla de önskade egenskaperna med elastícitet och defor- mation vid cellhopmonteringstrycket. Ett hopmonterings- tryck svarande mot en belastning av 50-500 g/cmzav elekt- rodytan kräves normalt för att erhålla en god elektrisk kontakt mellan de vid membranet fästa elektroderna och resp. strömbärande strukturer eller kollektorer, ehuru högre tryck kan användas, vanligen upp till 2000 g/cmz.

Det har visat sig att genom att åstadkomma en deformation av den elastiska elektroden enligt uppfinningen om cirka 1,5-3 mm, vilket svarar mot en kompression, som icke är större än 60% av tjockleken hos den icke komprimerade artikeln vid ett tryck av cirka 400 g/m2 fri yta ett kon- takttryck med elektroderna även kan erhållas inom ovan angivna gränser i celler med en hög ytutbredning och med avvikelser från planheten upp till 2 mm/m.

Metalltráddiametern ligger företrädesvis mellan 0,1 eller t.o.m. mindre och 0,7 mm, medan tjockleken för den icke komprimerade artikeln, d.v.s. antingen slingornas diameter eller amplituden för krusningen, är 5 eller fler gånger tràddiametern, företrädesvis inom området 4-20 mm. Det är sålunda uppenbart att den kompressibla sektionen inneslu- ter en stor fri volym, d.v.s. proportionen upptagen volym, som är fri och öppen för elektrolys- och gasströmning.

Vid de ovan beskrivna skrynklade vävnaderna, som innefat- tar dessa komprimerande tràdspiraler, är procenten fri volym över 75% av den totala volymen, som upptages av vävnaden. Detta procenttal fri volym bör knappast vara mindre än 25% och skall företrädesvis icke vara mindre än 50%, eftersom tryckfallet i strömmen av gas och elekt- rolyt genom en sådan vävnad är försumbart.

Dà användningen av partikelartade elektroder eller andra porösa elektrodskikt, som är direkt bundna vid membran- ytan icke avses, ingriper den elastiska mattan eller väv- 5 10 15 20 25 30 455 508 18 naden direkt med membranet och verkar såsom elektrod. Så- som det nu överraskande visat sig, uppnås endast en vä- sentligen försumbar cellspänningsförlust i förhållande till användningen av bundna porösa elektrodskikt genom att ha en tillräcklig täthet hos de elastiskt upprättade kontaktpunkterna mellan elektrodytan och membranet. Tät- heten för kontaktpunkterna skall vara åtminstone cirka 30 punkter per kvadratcentimeter av membranytan och före- trädesvis cirka 50 punkter eller mer per kvadratcentime- ter. Omvänt skall kontaktytan för de enskilda kontakt- punkterna vara så liten som möjligt och förhållandet mel- lan total kontaktarea och motsvarande verkande membran- area skall vara mindre än 0,6 och företrädesvis mindre än 0,4.

I praktiken har det visat sig lämpligt att använda en vikbar metallskärm, som har ett maskantal av minst 10, företrädesvis över 20, och vanligen mellan 20 och 200 eller ett fint nät av expanderad metall med liknande egenskaper infört mellan den elastiskt komprimerade mat- tan och membranet. Maskantalet är avsett att angiva anta- let varv eller trådar per 25 mm.

Det har visat sig att under dessa förhållanden med små och täta kontakter elastiskt upprättade mellan elektrod- skärmen och membranytan en huvuddel av elektrodreaktio~ nen äger rum vid gränsytan mellan elektroden och jonbytar- grupperna, som innehàlles i membranmaterialet, med det mesta av jonledningen skeende i eller tvärs genom membra- net och föga eller ingen äger rum i vätskeelektrolyten i kontakt med elektroden. Elektrolys av rent, tvâ gånger 'destillerat vatten med en resistivitet av över 2000000 Q cm har exempelvis visat sig framgångsrikt kunnat genom- föras i en cell av denna typ utrustad med ett katjonbytar- membran med en förvànansvärd låg cellspänning.

Då elektrolys av alkalimetallsaltlösning genomföres i sam- 10 15 20 25 30 35 455 508 19 ma cell, uppträder vidare ingen avsevärd ändring av cell- spänningen genom variation av orienteringen av cellen från horisontellt till vertikalt läge, vilket indikerar att bidraget till cellspänningsfallet, som kan tillskri- vas den s.k. "bubbeleffekten", är försumbart. Detta för- hållande står i god överensstämmelse med det för en solid elektrolytcell med partikelartade elektroder bundna vid membranet, vilket kontrasterar mot den för traditionella membranceller utrustade med grova, med små hål försedda elektroder, antingen i kontakt med eller med ett litet avstånd från membranet, där bubbeleffekten ger ett stort bidrag till cellspänningen, som normalt är lägre, då den gasutvecklande, med små hål försedda elektroden hàlles horisontellt under en viss nivå av elektrolyten, och är maximal, då elektroden är vertikal på grund av en reduk- tion av gasfrigöringshastigheten och på grund av ökande gasbubbelpopulation utmed elektrodens höjd på grund av ackumulering.

En förklaring till detta oväntade resultat är säkerligen delvis det faktum, att cellen uppför sig väsentligen som en solid elektrolytcell, eftersom huvuddelen av jonled- ningen sker i membranet och även emedan de elastiskt etab- lerade kontakterna med mycket små individuella kontakt- områden mellan den finmaskiga skärmelektrodens skikt och membranet lätt kan frigöra den mycket lilla mängd gas som bildas vid kontaktgränsytan och att omedelbart återupp- rätta denna kontakt, sedan gastrycket en gång frigivits.

Den elastiskt komprimerade elektrodmattan säkerställer ett väsentligen likformigt kontakttryck och en likformig och väsentligen fullständig täckning med hög täthet av mycket små kontaktpunkter mellan elektrodytan och membra- net och den verkar effektivt såsom en gasfrigöringsfjäder för att hålla en väsentligen konstant kontakt mellan elektrodytan och de funktionella jonbytargrupperna på ytan av membranet, som verkar såsom elektrolyt i cellen. 10 15 20 25 30 35 455 508 20 Båda elektroderna i cellen kan utgöras av en elastiskt kompressibel matta och en finmaskig skärm, som ger ett antal kontakter, över minst 30 kontaktpunkter per kvadrat- centimeter, resp. gjorda av material, som är motstånds- kraftiga mot anolyten och katolyten. Mer föredraget är att endast en elektrod i cellen innefattar den elastiskt kompressibla mattan enligt uppfinningen samverkande med den finmaskiga elektrodskärmen, medan den andra elektro- den i cellen är en väsentligen styv, med små hål försedd struktur och företrädesvis även har en finmaskig skärm införd mellan den grova styva strukturen och membranet.

Uppfinningen skall nedan närmare beskrivas i samband med bifogade ritningar, som visar praktiska utföranden: fig. l visar en fotografisk reproduktion av en utförings- form av en typisk elastiskt kompressibel matta, som användes vid utövandet av uppfinningen; fig. 2 visar en fotografisk reproduktion av en annan ut- föringsform av den elastiskt kompressibla mattan, som kan användas vid uppfinningen; fig. 3 visar en fotografisk reproduktion av en ytterliga- re utföringsform av den elastiskt kompressibla mat- tan, som användes vid uppfinningen; fig. 4 visar en horisontell sprängsektion av en solid elektrolytcell enligt uppfinningen med ett typiskt kompressibelt elektrodsystem enligt uppfinningen, där den kompressibla delen innefattar skruvspiral- trådar; fig. 5 är en horisontalsektionsvy av den hopmonterade cel- len i fig.4; fig. 6 är en sprängperspektivvy av en annan föredragen utföringsform av strömkollektorn i cellen enligt fig.4; fig. 7 är en sprängperspektivvy av en annan föredragen utföringsform av strömkollektorn i cellen enligt fig.4; 10 15 20 25 30 455 508 21 fig. 8 är en sprängsektionsvy av en annan föredragen ut- föringsform av elektrolytcellen enligt uppfinnin- gen; fig. 9 är en horisontalsektionsvy av den hopmonterade cel- len i fig.8; fig.l0 är en horisontalsektionsvy av en annan föredragen utföringsform av cellen enligt uppfinningen; fig.ll är en schematisk partiell vertikalsektionsvy av cellen i fig.10; fig.l2 är ett schematiskt diagram, som illustrerar det elektrolytcirkulationssystem, som användes i sam- band med den här betraktade cellen; fig.l3 är ett diagram visande den spänningsreduktion, som uppnås, då trycket på elektroden och membranet ökas.

Den kompressibla elektroden eller sektionen av denna, som visas i fig.1, är sammansatt av en serie inbördes hoplän- kade skruvartade cylindriska spiraler bestående av en nickeltråd med 0,6 mm (eller mindre) diameter med sina varv inbördes lindade det ena innanför det andra och med en varvdiameter av 15 mm.

En typisk utföringsform av strukturen i fig.2 innefattar väsentligen skruvartade spiraler 2 med en avplattad eller elliptísk sektion gjord av nickeltràd med 0,5 mm diameter med sina varv inbördes lindade det ena innanför det andra och lillaxeln för skruven 8 mm lång.

En typisk utföringsform av strukturen enligt fig.3 består av ett av nickeltràd med 0,15 mm diameter stickat nät kru- sat genom formning och amplituden eller höjden eller dju- pet hos krusningen är 5 mm med en delning mellan vågorna om 5 mm. Krusningen kan vara i form av inbördes varandra skärande parallella krusningsserier i form av ett fisk- benmönster såsom visas i fig.3. 10 15 20 25 30 35 455 508 22 Enligt fig.4 sammansättes den solida elektrolytcellen, som är särskilt användbar vid natriumkloridsaltlösningselektro- lys innefattande en av strömkollektorerna enligt uppfinnin- gen, väsentligen av en vertikal anodändplatta 3 försedd med en tätningsyta 4 utmed hela sin perimeter för tätnings- kontakt med periferikanterna av membranet 5 med införande, om så önskas, av en vätskeimpermeabel isolationspackning (icke visad). Anodändplattan 3 är även försedd med ett centralt urtagsområde 6 nedsänkt i förhållande till tät- ningsytan med en yta svarande mot ytan av anoden 7, som är fäst vid membranytan. Ändplattan kan vara utförd av stål med sin sida i kontakt med anolytbeläggningen med titan eller annan passiverbar metall av den anodiskt oxid- filmbildande typen eller den kan vara av grafit eller gjutbara blandningar av grafit eller den kan vara av gjut- bara blandningar av grafit och ett kemiskt resistent harts- n bindemedel.

Anodkollektorn består företrädesvis av en titan-, niob- - eller annan skärm av en anodiskt oxidfilmbildande metall eller ett sträckmetallark 8 belagt med ett icke passiver- bart och elektrolysresistent material, såsom ädelmetaller och/eller oxider och blandade oxider av platinagruppens metaller. Skärmen eller sträckmetallarket 8 är svetsat vid eller vilar helt enkelt på serien ribbor eller ut- spráng 9 av titan eller annan anodiskt oxidfilmbildande metall svetsade pà den centrala urtagszonen 6 hos cell- ändplattan, sá att skärmplanet är parallellt och före- trädesvis koplanart med planet för tätningsytan 4 hos ändplattan.

Den vertikala katodändplattan 10 har pà sin innersida en central urtagszon ll relativt periferitätningsytorna 12 och nämnda urtagszon ll är väsentligen plan, d.v.s. ribb- fri, och parallell med tätningsytornas plan. Inuti urtags- zonen hos katodändplattan är förlagd en elastiskt kompres- sibel strömkollektor 13 enligt uppfinningen, företrädes- 10 15 20 25 30 455 508 23 vis gjord av en nickellegering.

Tjockleken hos den icke komprimerade elastiska kollektorn är företrädesvis från 10 till 60% större än djupet hos den centrala urtagszonen 11 relativt planet hos tätnings- ytorna och under hopmonteringen av cellen komprimeras kollektorn från 10 till 60% av sin ursprungstjocklek, varigenom en elastisk reaktionskraft, företrädesvis i om- rådet 80-600 g/cmz, utövas av den fria ytan. Katodänd- plattan 10 kan vara tillverkad av stål eller annat elekt~ riskt material, som är resistent mot kaustika ämnen och väte.

Membranet 5 är företrädesvis ett fluidumogenomträngligt och katjonpermselektivt jonbytarmembran såsom exempelvis ett membran bestående av en 0,3 mm tjock polymerfilm av en sampolymer av tetrafluoreten och perfluorsulfoniletoxi- vinyleter med jonbytargrupper såsom sulfon-, karboxyl- eller sulfonamidgrupper. Pà grund av sin tunnhet är mem- branet relativt flexibelt och tenderar att falla ner, krypa eller på annat sätt avlänkas, om det icke uppbäres.

Sådana membrane: tillverkas av E.I.DuPont de Nemours under u n _ _ ® varumarkesbenamningen Nafion .

Anodsidan av membranet har vidhäftad vid sig anoden 7 be- stående av ett 20-150 um tjockt poröst skikt av partiklar av elektrokonduktivt och elektrokatalytiskt material, företrädesvis bestående av oxider eller blandade oxider av åtminstone en av platinagruppens metaller. Katodsidan av membranet har vidhäftad vid sig katoden 14 bestående av ett 20-150 um tjockt poröst skikt av partiklar av ett konduktivt material med en lag väteöverspänning, före- trädesvis bestående av grafit och platinasvart i ett Vikts- förhàllande 1:1 till 5:1.

Bindemedlet, som användes för att binda partiklarna vid membranytan, är företrädesvis polytetrafluoreten (PTFE) 5 10 15 20 25 30 455 508 24 och elektroderna bildas genom sintring av en blandning av .PTFE och de konduktiva katalytmaterialpartiklarna för att forma blandningen till en porös film och pressa filmen mot membranet vid en tillräckligt hög temperatur för att åstadkomma vidhäftning. Denna vidhäftning àstadkommes ge- nom att montera samman en sandwich av elektrodarken med membranet mellan dem och sammanpressning av enheten för att inbädda elektrodpartiklarna i membranet.

Vanligen har membranet hydrerats genom kokning i en vat- tenhaltig elektrolyt, såsom en saltlösning, en syra eller alkalimetallhydroxidlösning, och är därför i hög grad hyd- rerat och innehåller en avsevärd mängd, 10-20 eller mer viktsprocent, vatten antingen kombinerat såsom hydrat el- ler helt enkelt absorberat. I detta fall måste man vara försiktig för att hindra alltför kraftig vattenförlust under lamineringsprocessen.

Eftersom denna laminering uppnås genom att páföra värme likaväl som tryck pà laminatet, kan vatten tendera att föràngas och detta hálles vid ett minimum genom ett eller flera av följande: (1) inneslutning av laminatet i ett impermeabelt hölje, d.v.s. mellan metallfolier pressade eller tätade vid sina kanter, för att bibehålla en vattenmättad atmos- fär kring laminatet; (2) lämplig konstruktion av formen för att snabbt åter- föra vattnet till laminatet; och (3) gjutning i en àngatmosfär. Elektroderna, som är bund- na vid membranytorna har en fri area, som praktiskt taget svarar mot de centrala urtagsareorna 6 och ll hos de båda ändplattorna.

Fig.5 visar cellen i fig.4 i dess hopmonterade tillstànd, varvid de delar som finns i bägge figurerna har samma hän- visningsbeteckningar. Såsom visas i denna vy har ändplat- torna 3 och 10 klämts samman, varigenom skruvspiralarket 10 15 20 25 30 455 508 25 eller mattan 13 pressas mot elektroden 14. Under cellfunk- tionen kommer anolyten, som exempelvis består av en mät- tad natriumkloridsaltlösning, att cirkuleras genom anod- kammaren och mer önskvärt sker matning av färsk anolyt genom ett inloppsrör (icke visat) i närheten av kammarens botten och avgivning av den förbrukade anolyten genom ett utloppsrör (icke visat) i närheten av kammarens överdel tillsammans med den utvecklade kloren.

Katodkammaren matas med vatten eller utspädd kaustikt ma- terial genom ett inloppsrör (icke visat) vid bottnen av kammaren, medan det alstrade kaustika materialet återvin- nes såsom en koncentrerad lösning genom ett utloppsrör (icke visat) i överänden av katodkammaren. Utvecklad vät- gas på katoden kan återvinnas från katodkammaren antingen tillsammans med den koncentrerade kaustika lösningen el- ler genom ett annat utloppsrör vid överdelen av kammaren.

Eftersom den elastiska kollektormaskskärmen är öppen, föreligger föga eller inget motstånd mot gas- eller elek- trolytströmning genom den komprimerade kollektorn. Anod- och katodändplattorna är båda på lämpligt sätt anslutna till en yttre strömkälla och strömmen passerar genom se- rien ribbor 9 till anodströmkollektorn 8, varifrån den fördelas till anoden 7'genom ett stort antal kontaktpunk- ter mellan det expanderade arket 8 och anoden 7. Jonled- ningen sker väsentligen tvärs genom jonbytarmembranet 5, varvid strömmen väsentligen föres av natriumjoner, som vandrar tvärs genom katjonmembranet 5 från anoden 7 till katoden 14 i cellen. Strömkollektorn 13 uppsamlar ström från katoden 14 genom de många kontaktpunkterna mellan nickeltråden och katoden och överför den sedan till ka- todändplattan 10 genom ett flertal kontaktpunkter.

Efter hopmontering av cellen kommer strömkollektorn 13 i sitt komprimerade tillstånd, vilket ger en deformation företrädesvis mellan l0 och 60% av ursprungstjockleken r 455 508 10 15 20 25 30 26 av artikeln, d.v.s. av de enskilda varven eller krusnin- garna hos densamma, att utöva en elastisk reaktionskraft mot katodens 14 yta och därför mot den kvarhållande ytan, som representeras av den väsentligen odeformerbara anod- strömkollektorn 8. Dylik reaktionskraft bibehåller det önskade trycket på kontaktpunkterna mellan katodkollek- torn och anodkollektorn relativt katoden 14 resp. anoden 7.

Frånvaron av mekaniska begränsningar mot differentiell elastisk deformation mellan angränsande spiraler eller angränsande krusningar hos den elastiska strömkollektorn medgiver att densamma justeras för oundvikliga små avvi- kelser från planhet eller parallellism mellan de samver- kande planen, som representeras av anodkollektorn 8 resp. ytan ll hos katodrummet. Sådana små avvikelser, som nor- malt uppkommer vid standardtillverkningsprocesser, kan därför kompenseras i avsevärd utsträckning.

I fig.6 och 7 visas schematiskt i partiella sprängvyer två föredragna utföranden av den elastiskt kompressibla strömkollektormattan 13 hos cellen i fig.4 och 5. För en- kelhets skull âtergives endast relevanta partiet och des- sa betecknas med samma_hänvisningsbeteckningar som i fig. 4 och 5.

Den elastiskt kompressibla mattan i fig.6 är en serie skruvcylinderspiraler av nickeltràd 13 med 0,6 mm dia- meter, vars varv företrädesvis är inbördes lindade inuti varandra såsom tydligare framgår av den fotografiska re- produktionen i fig.l och diametern för varven är 10 mm.

Mellan den elastiska vävnaden eller arket l3a och membra- net 5, som på sin yta uppbär katodskiktet 14, är förlagt ett tunt, med små hål försett ark l3b, som med fördel kan vara ett expanderat 0,3 mm tjockt nickelark. Det med små hål försedda arket 13 är lätt flexibelt eller vikbart och erbjuder försumbart motstånd mot böjning och avlänkning under de elastiska reaktionskrafter som utövas av tråd- 10 15 20 25 30 35 455 508 27 slingorna hos arket l3a vid kompression av membranet 5.

Fig.7 visar en liknande utföringsform, som beskrivits i fig.6 men varvid den elastiskt kompressibla vävnaden el- ler skiktet l3a är en krusad, stickad vävnad av 0,15 mm diameter nickeltràd sådan som visas i den fotografiska reproduktionen i fig.3.

Fig.8 visar en annan utföringsform av uppfinningen, där cellen, som är särskilt lämplig vid natriumkloridsaltlös- ningselektrolys, innefattar en kompressibel elektrod el- ler strömkollektor enligt uppfinningen samverkande med en vertikal anodändplatta 3 försedd med en tätningsyta 4 utmed hela sin perimeter för att komma i tätningskontakt med periferikanterna av membranet 5 med valbart införande av en vätskeimpermeabel isolerande periferiell packning (icke visad). Anodändplattan 3 är även försedd med en central urtagsarea 6 relativt nämnda tätningsyta med en yta, som går från en undre area, där saltlösningen infö- res, till en övre area, där förbrukad eller delvis för- brukad saltlösning och utvecklad klor avgives, vilka are- or är användbara för lätt kommunikation vid överänden och bottnen. Ändplattan kan vara tillverkad av stål med sina sidor, som kommer i kontakt med anolytbeläggningen, med titan eller annan passiverbar metall av den anodiskt oxidfilmbildande typen eller kan vara av grafit eller gjutbara blandningar av grafit och ett kemiskt resistent hartsbindemedel eller av annat anodiskt resistent material.

Anoden består företrädesvis av en gas- och elektrolytper- meabel skärm eller ett sträckmetallark 8 av titan, niob eller annan anodiskt oxidfilmbildande metall belagd med ett icke passiverbart elektrolysresistent material såsom ädelmetaller och/eller oxider och blandade oxider av pla- tinagruppens metaller eller andra elektrokatalytiska be- läggningar, som tjänar såsom en anodyta, då de förlägges på ett elektriskt ledande substrat. Anoden är väsentli- gen styv och skärmen är tillräckligt tjock för att föra 455 508 10 15 20 25 30 35 28 elektrolysströmmen från ribborna 9 utan för stora ohmska förluster. Mer föredraget är en finmaskig vikbar skärm, som kan vara av samma material som den grova skärmen 8, -förlagd på ytan av den grova skärmen 8 för att åstadkom- ma fina kontakter med membranet med en täthet om 30 eller mer, företrädesvis 60-100, kontaktpunkter per kvadrat- centimeter av membranytan. Den finmaskiga skärmen kan punktsvetsas vid den grova skärmen eller kan blott på sandwichvis förläggas mellan skärmen 8 och membranet.

Den finmaskiga skärmen är belagd med ädelmetaller eller ledande oxider, som är resistenta mot anolyten.

Den vertikala katodändplattan 10 har på sin innersida en central urtagszon ll relativt periferitätningsytan 12 och nämnda urtagszon ll är väsentligen plan, d.v.s. ribbfri, och är parallell med tätningsytplanet. Det elastiskt kom- pressibla elektrodelementet 13 enligt uppfinningen, före- trädesvis tillverkat av nickellegering, är förlagt inuti nämnda urtagszon hos katodändplattan. Vid den visaöe ut- föringsformen är elektroden en tràdskruv eller ett fler- tal inbördes sammanlänkade skruvar och dessa skruvar kan direkt ingripa med membranet. En skärm l5 är emellertid med fördel, såsom visas, förlagd mellan tràdskruven och membranet, så att skruven och skärmen glidbart ingriper med varandra och membranet.

Utrymmena mellan angränsande spiraler hos skruven skall vara tillräckligt stora för att säkerställa lätt ström- ning eller rörelse av gas och elektrolyt mellan exempel- vis spiralerna in i och ut från de centrala omràdena, som omslutes av skruven. Dessa områden är generellt avsevärt stora, ofta 3-5 gånger eller större än tráddiametern.

Tjockleken hos den icke komprimerade skruvtrådspiralen är företrädesvis från 10 till 60% större än djupet hos den centrala urtagszonen ll i förhållande till planet för tätningsytorna. Under hopmonteringen av cellen komp- rimeras spiralen från 10 till 60% av sin ursprungstjock- 10 l5 20 25 30 455 508 29 lek, varigenom en elastisk reaktionskraft, företrädesvis i området 80-100 g/cmz, utövas av den fria ytan.

Katodändplattan 10 kan vara tillvrekad av stål eller var- je annat elektriskt ledande material, som är resistéht mot kaustikt material och väte. Membranet 5 är företrädes- vis ett fluidumgenomträngligt och katjonpermselektivt jon- bytarmembran såsom ovan nämnts. Skärmen 15 är lämpligen tillverkad av nickeltràd eller annat material, som kan motstå korrosion under katodförhållanden. Fastän nämnda skärm kan ha stelhet, är den företrädesvis flexibel och väsentligen icke styv, så att den lätt kan böjas för att anpassas till oregelbundenheterna hos membrankatodytan.

Dessa oregelbundenheter kan föreligga i själva membran- ytan men vanligare beror de på oregelbundenheter i den mer styva anoden, mot vilken membranet vilar. Generellt är skärmen mer flexibel än skruven.

För de flesta ändamål skall maskstorleken hos skärmen va- ra mindre än storleken hos öppningarna mellan spiralerna i skruven och skärmar med öppningar om 0,5-3 mm i bredd och längd är lämpliga, ehuru de finmaskigare skärmarna är speciellt föredragna utföranden av uppfinningen. Den ingripande skärmen kan tjäna ett flertal funktioner. För det första eftersom den är elektrokonduktiv och sålunda har en aktiv elektrodyta och för det andra tjänar den att hindra skruven eller annat kompressibelt elektrod- element frán att lokalt nötas, intränga i eller tunna ut membranet och då den komprimerade elektroden trycker mot skärmen på ett lokalt område hjälper skärmen till att fördela trycket utmed membranytan mellan angränsande tryckpunkter och förhindrar även en deformerad spiral- sektion från att tränga in i eller nöta pá membranet.

Under förloppet av elektrolysen utvecklas väte och alkali- metallhydroxid pà skärmen och generellt pà en del av eller t.o.m. hela skruven. Då skruvspiralerna är komprimerade, 10 15 20 25 30 455 508 30 närmar sig deras bakytor, d.v.s. de som har avstånd eller mellanrum från membranytan, skärmen och membranet och na- turligtvis ju större graden av kompression är desto mind- re är genomsnittsmellanrummet för spiralerna från membra- net och ju större är elektrolysen på eller åtminstone ka- todpolarisationen av spiralytan. Verkan av kompressionen är sålunda att öka den totala effektiva ytarean av katoden.

Kompression av elektroden befinnes effektivt reducera den totalspänning som kräves för att upprätthålla ett ström- flöde om 1000 ampere per kvadratmeter aktiv membranyta eller mer. Samtidigt skall kompressionen så begränsas, att den kompressibla elektroden förblir öppen mot elektro- lyt- och gasströmning. Såsom visas i fig.9 förblir spira- lerna sålunda öppna för att åstadkomma centrala vertikala kanaler, genom vilka elektrolyt och gas kan stiga. Vidare förblir utrymmena mellan spiralerna med mellanrum för att medgiva tillträde för katolyten till membranet och sidor- na av spiralerna. Träden i spiralerna ligger generellt inom området 0,05-0,5 mm i diameter. Ehuru grövre trådar är tillàtliga, tenderar de att bli stelare och mindre kompressibla och det är sålunda sällsynt att tråden över- skrider 1,5 mm.

Fig.9 representerar cellen i fig.l0 i det hopmonterade tillståndet, där motsvarande delar i de båda figurerna har samma hänvisningsbeteckningar. Såsom visas i denna vy har ändplattorna 3 och 10 sammanklämts, varigenom spi- ralfjäderarket eller mattan 13 komprimeras mot elektro- den 5. Under cellfunktionen kommer anolyten, som exempel- vis består av en mättad natriumkloridsaltlösning, att cirkuleras genom anodkammaren och mer önskvärt matas färsk anolyt genom ett inloppsrör (icke visat) i närheten av kammarbottnen och avgives den förbrukade anolyten ge- nom att utloppsrör (icke visat) i närheten av överdelen av kammaren tillsammans med den utvecklade kloren. 10 15 20 25 30 455 508 31 Katodkammaren matas med vatten eller utspädd vattenhaltig metallhydroxid genom ett inloppsrör (icke visat) vid bott- nen av kammaren, medan alkali, som alstras, återvinnes såsom en koncentrerad lösning genom ett utloppsrör (icke visat) i överänden av katodkammaren. Vätgas utvecklad pà katoden kan återvinnas från katodkammaren antingen tillsammans med den koncentrerade kaustika lösningen el- ler genom ett annat utloppsrör vid överdelen av kammaren.

Anod- och katodändplattorna är båda på lämpligt sätt an- slutna till en yttre strömkälla och strömmen gàr genom serien av ribbor 9 till anoden 8. Jonledningen sker vä- sentligen genom jonbytarmembranet 5, varvid strömmen vä- sentligen föres av natriumjoner, som gär igenom katjon- membranet S från anoden 8 till katoden 14 i cellen. Elek- troderna ger ett flertal kontaktpunkter pà membranet med strömmen slutligen flytande till katodändplattan 10 ge- nom ett flertal kontaktpunkter.

Efter hopmontering av cellen kommer strömkollektorn 13 i sitt komprimerade tillstànd, vilket medför en deforma- tion företrädesvis mellan 10 och 60% av ursprungstjockle- ken för föremålet, d.vfls. av enkla varv elelr krusningar hos densamma, att utöva en elastisk reaktionskraft mot katodytan 14 och därför mot den kvarhàllande ytan, som representeras av den relativt mer styva, väsentligen ode- formerbara anoden eller anodströmkollektorn 8. Dylika reaktionskrafter bibehåller det önskade trycket i kon- taktpunkterna mellan katoden och membranet likaväl som skärmpartiet och skruvdelen av katoden 14.

Emedan skruvspiralerna och skärmen är glidbara i förhål- lande till varandra och i förhållande till membranet lika- väl som den bakre bärande väggen, kommer fránvaron av mekaniska begränsningar för den differentiella elastiska deformationen mellan angränsande spiraler eller angrän- sande krusningar hos den elastiska elektroden att med- 10 15 20 25 30 455 508 32 giva att densamma i sidled justeras för oundvikliga små avvikelser från planhet eller parallellism mellan de sam- verkande planen, som representeras av anoden 8 resp. bär- ytan ll hos katodrummet. Dylika små avvikelser föreligger normalt vid standardtillverkningsprocesser och kompense- ras därför i väsentlig utsträckning.

Fördelarna med den elastiska elektroden enligt uppfinnin- gen inses till fullo vid den industriella filterpressty- pens elektrolysanordningar, som innefattar ett stort an- tal elementarceller sammanklämda i seriearrangemang för att bilda moduler med hög produktionskapacitet. I detta fall representeras ändplattorna hos mellancellerna av ytorna hos de bipolära separatorerna, som vilar mot ano- den och katodströmkollektorn på respektive yta. De bipo- lära separatorerna förbinder därför, vid sidan av att de verkar såsom begränsningsväggar för resp. elektrod- kammare, elektriskt anoden i en cell med katoden hos an- gränsande cell i serien.

Pà grund av deras höga deformationsförmàga ger de elas- tiska kompressibla elektroderna enligt uppfinningen en mer likformig fördelning av klämtrycket hos filterpress- modulen pà varje enskild cell och detta gäller särskilt då motsatta sidan av varje membran är stelt uppburen av en relativt styv anod 8. I en sådan serie celler rekom- menderas användningen av elastiska packningar pá tät- ningsytorna hos de enskilda cellerna för att undvika be- gränsning av elasticiteten hos den komprimerade filter- pressmodulen till membranernas elasticítet. En större för- del kan sålunda erhållas av de elastiska deformations- egenskaperna hos de elastiska kollektorerna inom varje cell i serien.

Fig.l0 visar schematiskt en ytterligare utföringsform, där en krusad vävnad av inbördes interfolierade trådar användes såsom det kompressibla elementet hos elektroden 10 15 20 25 30 35 455 508 33 i stället för skruvspiraler och en ytterligare elektrolyt- kanal är anordnad för elektrolytcirkulation. Såsom visas innefattar cellen en anodändplatta 103 och en katodänd- platta 110 båda monterade i ett vertikalt plan med varje ändplatta i form av en kanal, som har sidväggar omslutan- de ett av anodutrymmena 106 och ett katodutrymme lll. Var- je ändplatta har även en periferiell tätningsyta pá en sidvägg, som skjuter ut från planet hos resp. ändplatta 104, som är anodtätningsytan, och 112, som är katodtät- ningsytan. Dessa ytor vilar mot ett membran 105, som sträcker sig tvärs över det inneslutna utrymmet mellan sidväggarna.

Anoden 108 innefattar ett relativt styvt, icke kompressi- belt ark av sträckmetall av titan eller annat hálförsett anodiskt resistent substrat, företrädesvis med en icke passiverbar beläggning på detsamma, t.ex. en metall el- ler en oxid eller en blandad oxid av en platinagruppens metall. Detta ark är dimensionerat för att passa inom sidväggarna av anodplattan och uppbäres snarare styvt av fördelad elektrokonduktiv metall eller grafitribbor 106, som är fästa vid och utskjuter från bottnen eller basen av anodändplattan 103, Utrymmena mellan ribborna möjlig- gör lätt flöde av anolyt, som matas in i vid bottnen och undanskaffas från överdelen av dessa utrymmen. Hela änd- plattan och ribborna kan vara av grafit och alternativt kan de vara av titanbeklätt stàl eller annat lämpligt material. Ribbändarna, som vilar på anodarket 108, kan vara belagda eller obelagda, t.ex. med platina, för att förbättra elektrisk kontakt och anodarket 108 kan även vara svetsat vid ribborna 109. Det styva, med små häl försedda anodarket 108 hàlles fast i ett upprätt läge.

Detta ark kan vara en sträckmetall, som har uppàtlutande öppningar riktade bort från membranet (se fig.11) för att avlänka stigande gasbubblor mot utrymmet 105.

Mera att föredraga är att ha en finmaskig skärm l08a av 10 15 20 25 30 35 455 508 34 titan eller annan metall av den anodiskt oxidfilmbildande typen belagd med ett icke passiverbart skikt, som med för- del är en ädelmetall eller ledande oxider med en làg över- spänning för anodreaktionen (t.ex. klorutveckling), för- lagt mellan det styva med små hål försedda arket 108 och membranet 105. Den finmaskiga skärmen 108 åstadkommer en kontakttäthet med extremt liten kontaktarea mot membranet, över minst 30 kontakter per kvadratcentimeter. Den kan vara punktsvetsad vid den grova skärmen 108 eller icke.

Pà katodsidan sträcker sig ribbor 120 ut från underdelen av katodändplattan 110 en sträcka, som är en del av hela djupet av katodutrymmet lll. Dessa ribbor är fördelade över cellen för att åstadkomma parallella utrymmen för elektrolytflödet. Liksom vid de ovan diskuterade utförings- formerna kan katodändplattan och ribborna vara utförda av stål eller av nickeljärnlegering eller annat katodiskt resistent material. På de konduktiva ribborna 120 är svetsad en relativt styv tryckplatta 122, som är hålför- sedd och lätt medgiver cirkulation av elektrolyten från den ena sidan till den andra av densamma. Generellt lutar dessa öppningar eller springor uppåt och bort från mem- branet eller den kompressibla elektroden mot utrymmet 111 (se även fig.ll). Tryckplattan är elektrokonduktiv och tjänar att bibringa polaritet åt elektroden och påföra tryck på densamma och den kan vara tillverkad av sträck- metall eller en kraftig skärm av stål, nickel, koppar eller legeringar därav.

En relativt fin flexibel skärm 114 vilar mot katodsidan av den aktiva arean av membranet 105, som på grund av sin flexibilitet och relativa tunnhet antager konturerna för membranet och därför för anoden 108. Denna skärm tjänar väsentligen såsom katod och är sålunda elektrokonduktiv, t.ex. en skärm av nickeltràd eller annan katodiskt resis- tent tråd, och kan ha en yta med låg väteöverspänning.

Skärmen ger företrädesvis en täthet för kontakter med ex- 10 15 20 25 30 455 508 35 tremt liten area mot membranet, över minst 30 kontakter per kvadratcentimeter. En kompressibel matta 113 är för- lagd mellan katodskärmen 114 och katodtryckplattan 122.

Såsom framgår av fig.l0 är mattan krusad eller skrynklad av trådmaskvävnad, vilken vävnad med fördel har en öppen- maskig stickad tràdmaska av den typ, som visas i fig.3, där trådarna är stickade in i en relativt flat vävnad med bindeslingor. Denna vävnad krusas eller skrynklas sedan till en vágig eller varierande form med vågorna tätt till- sammans exempelvis 0,3-2 cm från varandra och totaltjock- leken för den komprimerade vävnaden är 5-10 mm. Krusnin- garna kan vara i sick-sack eller fiskbensmönster såsom visas i fig.3 och maskvidden för vävnaden är grövre, d.v.s. har en större porstorlek än den för skärmarna 114.

Såsom visas i fig.l0 är denna vágformiga vävnad 113 för- lagd i utrymmet mellan den finmaskigare skärmen 114 och den mer styva expanderade metalltryckplattan 122. Våg- bildningarna sträcker sig tvärs över utrymmet och hålig- hetsförhállandet hos den komprimerade vävnaden ligger fortfarande med fördel högre än 75%, lämpligen mellan 80 och 96% av den skenhara volym, som upptages av vävna- den. Såsom visas, sträcker sig vågorna i en vertikal el- ler lutande riktning så, att kanaler för uppåtgående fri strömning av gas och elektrolyt bildas, vilka kanaler icke väsentligt täppes till av tråden i vävnaden. Detta gäller även då vågorna sträcker sig tvärs över cellen från ena sidan till den andra på grund av att masköppnin- garna i sidorna av vågorna medgiver fri fluidumströmning.

Såsom beskrives i samband med de andra utföringsformerna sammanpressas ändplattorna 110 och 103 och vilar mot mem- branet 105 eller en packning, som avskärmar membranet fràn ytteratmosfären och är förlagd mellan ändväggarna.

Klämtrycket komprimerar den vàgformiga vävnaden 113 mot den finare skärmen 114, som i sin tur pressar membranet 455 508 10 15 20 25 30 36 mot motstàende anod 108 och denna kompression synes med- giva en lägre totalspänning. Ett prov har genomförts med den okomprimerade vävnaden 113, med en totaltjocklek av 6 mm, och det visade sig att en strömtäthet om 3000 ampe- re per kvadratmeter för elektroderna och en spännings- minskning av cirka 150 millivolt uppnàddes, då det komp- ressibla arket komprimerades till en tjocklek av 4 mm och även till 2,0 mm relativt vad som observerats för samma strömtäthet vid kompressionen noll.

Mellan noll och kompression till 4 mm observerades ett jämförbart spänningsfall av 5-150 millivolt. Cellspännin- gen förblev praktiskt taget konstant ned till en kompres- sion av cirka 2,0 mm och började sedan öka sakta, då kom- pressionen gick under 2,0 mm, d.v.s. till cirka 30% av ursprungstjockleken för vävnaden. Detta representerar en avsevärd energibesparing, som kan vara 5 eller fler pro- cent för saltlösningselektrolysprocessen.

Vid drift av denna utföringsform matas väsentligen mättad natriumkloridvattenlösning in i bottnen av cellen och strömmar uppåt genom kanalerna eller utrymmena 105 mellan ribborna 109 och utarmad saltlösning och utvecklad klor undanskaffas från överdelen av cellen. Vatten eller ut- spädd natriumhydroxid'matas in i bottnen av katodkamrar- na och stiger genom kanalerna lll likaväl som genom hå- ligheterna i det komprimerade maskarket 113 och utveck- lat väte och alkali undanskaffas från cellens överdel.

Elektrolys àstadkommes genom att pàföra en elektrisk likströmspotential mellan anoden och katodändplattorna.

Fig.l1 visar en schematisk vertikal sektionsdel, som an- ger strömningsmönstren för denna cell, där åtminstone de övre öppningarna i tryckplattan 122 är springartade för att åstadkomma ett lutande utlopp riktat uppåt bort från den komprimerade vävnaden 113, varigenom en del av den utvecklade vätgasen och/eller elektrolyten undkommer 10 15 20 25 30 455 508 37 till den bakre elektrolytkammaren lll (fig.l0). Därför är de vertikala utrymmena vid bakdelen av tryckplattan 122 och utrymmet, som upptages av den komprimerade maskan 113, anordnade för strömning uppåt av katolyt och gas.

Med hjälp av två dylika kammare är det möjligt att redu- cera mellanrummet mellan tryckplattan 122 och membranet och öka kompressionen av arket 113, under det att arket fortfarande lämnas öppet för fluidumströmning och detta tjänar till att öka den totala effektiva ytarean av de aktiva delarna av katoden.

Fig.l2 visar schematiskt sättet för funktion av den här betraktade cellen. Såsom där framgår är en vertikal cell 20 av den typ, som visas i tvärsektionsvyerna i fig.5, 9 eller 10 försedd med en anolytinloppsledning 22, som in- tränger i bottnen av anolytkammaren (anodomrádet) hos cellen och anolytavloppsledningen 24 utgår från överdelen av anodomràdet. Pà liknande sätt mynnar katolytinloppsled- ningen 26 i bottendelen av katolytkammaren i cellen 20 och katodomrádet har en utloppsledning 28 belägen vid överdelen av detta omrâde. Anodarean är skild från katod- arean genom membranet 5, som har anoden 8 pressad på anod- sidan och katoden 14 pressad pà katodsidan. Membranelek- troden sträcker sig i riktning uppåt och generellt går dess höjd från cirka 0,4 till 1 meter eller högre.

Anodkammaren eller -omrâdet avgränsas av membranet och anoden pà ena sidan och anodändväggen 6 (se fig.5,9 eller 10) pà den andra, medan katodomràdet avgränsas av membra- net och katoden pá ena sidan och den upprättstàende ka- todändväggen pá den andra. Vid drift av systemet matas saltvattenlösning frán en matningstank 30 till ledningen 22 genom en ventilförsedd ledning 32, som går från tan- ken 30 till ledningen 22, och en àtercirkulationstank 34 är anordnad för att avgiva saltlösning frán en undre del av densamma genom ledningen 5. Saltlösningskoncentratio- 455 508 10 15 20 25 30 35 38 nen för lösningen, som inkommer i bottnen av anodomràdet, regleras, så att den blir åtminstone nära mättning genom proportionering av de relativa flödena genom ledningen 32 och saltlösningen, som intränger i bottnen av anodområdet, strömmar uppåt och i kontakt med anoden. Följaktligen ut- vecklas klor och stiger tillsammans med anolyten och båda avgives genom ledningen 24 till tanken 34. Kloren separe- ras och avgives såsom angives genom utloppsporten 36 och saltlösningen uppsamlas i tanken 34 och återgår till cy- kelförloppet. En del av denna saltlösning undanskaffas såsom utarmad saltlösning genom överströmningsledningen 40 och vidareföres till en källa för fast alkalimetall- halogenid för átermättning och rening. Alkalisk jordarts- metall i form av halogenid eller andra föreningar hålles liten och gott och väl under en del per million delar alkalimetallhalogenid och oftast ända ner till 50-100 de- lar alkalijordartsmetall per miljard viktsdelar av alka- lihalogenid.

På katodsidan matas vatten till ledningen 26 från en tank eller annan källa 42 genom ledningen 44, som utmynnar i àtercirkulationsledningen 26, där den blandas med åter- cirkulerande alkalimetallhydroxid (NaOH), som kommer ge- nom ledningen 26 och från återcirkulationstanken. Vatten- alkalimetallhydroxidblandningen intränger i bottnen av katodomràdet och stiger mot överdelen av detsamma genom den komprimerade gaspermeabla mattan 13 (fig.5,9 eller 10) eller strömkollektorn. Under strömningen kommer den i kon- takt med katoden och vätgas likaväl som alkalimetallhydro- xid bildas. Katolytvätskan avgives genom ledningen 28 till tanken 46, där väte separeras genom porten 48. Alka- limetallhydroxidlösningen undanskaffas genom ledningen 50 och vattenmatningen genom ledningen 44 kontrolleras för att hålla koncentrationen NaOH eller annat alkali vid den önskade nivån. Denna koncentration kan vara så liten som 5 eller 10 viktsprocent alkalimetallhydroxid men normalt är denna koncentration över 15 och företrädesvis inom området 15-40 viktsprocent. 10 15 20 25 30 455 508 39 Eftersom gas utvecklas vid båda elektroderna, är det möj- ligt och i själva verket fördelaktigt att utnyttja gas- lyftegenskaperna hos de utvecklade gaserna, vilket åstad- kommes genom att driva cellen i ett överflödesförhållan- de och hàlla naod- och katodelektrolytkamrarna relativt smala, exempelvis 0,5-8 cm i bredd. Under sådana förhål- landen stiger utvecklad gas snabbt medförande elektrolyt och partier av elektrolyt och gas avgives genom avlopps- rören till àtercirkulationstankarna och denna cirkula- tion kan understödjas av pumpar, om så önskas.

Stickad mellanväv, som är lämplig för användning såsom strömkollektor enligt uppfinningen, tillverkas av Knit- mesh Limited, ett engelskt bolag med huvudkontor i South Croydon, Surrey, och den stickade vävnaden kan variera i storlek och finhetsgrad. Lämpligt använd tråd ligger från 0,1 till 0,7 mm, ehuru större eller mindre trådar kan tillgripas och dessa trådar stickas för att giva ca 1-4 stygn per centimeter, företrädesvis inom området ca 2-4 öppningar per centimeter. Naturligtvis inses att vida variationer är möjliga och sålunda kan våttrádskärmar med en finhet av 5-lO0 maskor per 25 mm användas.

De sammanvävda, interfolierade eller stickade metallarken krusas för att giva en upprepad váglik kontur eller väves löst eller anordnas pá annat sätt för att åstadkomma en tjocklek hos vävnaden, som är 5-100 eller fler gånger dia- meter för tråden, så att arket blir kompressibelt. Pâ grund av att strukturen är sammanlänkad och rörelsen är begränsad genom strukturen bevaras emellertid elastici- teten hos vävnaden. Detta gäller särskilt då den är kru- sad eller korrugerad i ett ordnat arrangemang av inbör- des fördelade vågor såsom ett fiskbensmönster. Olika skikt av denna stickade vävnad kan överlagras, om så öns- kas.

Då skruvkonstruktionen, som visas i fig.3, tillgripes, 455 508 10 15 20 25 30 40 skall tràdskruvarna vara elastiskt kompressibla. Diametern hos träden och diametern hos skruvarna är sådana, att de ger den nödvändiga kompressibiliteten och elasticiteten.

Diametern hos skruven är generellt 10 eller fler gånger diametern hos tråden i dess okomprimerade tillstånd. 0,6 mm diameter nickeltråd lindad i skruvar om ca 10 mm diameter har exempelvis använts med tillfredsställande resultat.

Nickeltràd är lämplig, då tråden är katodisk såsom har ovan beskrivits och visats på ritningarna. Varje annan metall, som kan motstå katodangrepp eller korrosion ge- nom elektrolyten eller vätesprödhet, kan emellertid an- vändas och kan innefatta rostfritt stål, koppar, silver- belagd koppar eller liknande.

Ehuru vid de ovan beskrivna utföringsformerna den kompres- sibla kollektorn visas som katodisk, inses att polarite- ten för cellerna kan omkastas, så att den kompressibla kollektorn blir anodisk. I detta fall måste naturligtvis elektrodtràden vara resistent mot klor och anodiskt an- grepp och trådarna kan vara av en anodiskt oxidfilmbil- dande metall, såsom titan eller niob, företrädesvis be- lagd med ett elektrokonduktivt, icke passiverande skikt, som är resistent mot anodiskt angrepp, t.ex. platina- gruppens metaller eller oxid, bimetallisk spinel, pe- rovskit, etc.

I en del fall kan användningen av det kompressibla mem- branet på anodsidan skapa ett problem på grund av att halogenidelektrolytmatningen till elektrodmembrangräns- ytan kan begränsas. Då anodareorna icke har tillräcklig tillgänglighet till anolyten, som strömmar genom cellen, kan halogenidkoncentrationen reduceras pá lokala områden på grund av elektrolysen och då den reduceras i alltför stor utsträckning tenderar syre i stället för halogen att utvecklas som ett resultat av vattenelektrolys. Detta 10 15 20 25 30 455 508 41 undvikes genom att bibehålla areorna för punkterna hos elektrod-membrankontakten små, d.v.s. sällan mer än 1,0 mm och ofta mindre än en halv mm i bredd och den kan även effektivt undvikas genom att ha en skärm med relativt fin maska, 10 maskor/25 mm eller större, mellan den kompres- sibla mattan och membranytan.

Ehuru dessa problem även är av betydelse pà katoden, före- ligger mindre svårigheter, eftersom katodreaktionen är att utveckla väte och det icke föreligger någon sidreak- tion, dá produkterna alstras, även fastän kontaktpunkter- na är relativt stora på grund av att vatten och alkali- metalljonerna går igenom membranet, så att, även om kato- den innebär en del begränsningar, någon mängd av bipro- duktbildning är mindre sannolikt. Det är därför fördel- aktigt att páföra den kompressibla mattan på katodsidan.

I de följande exemplen beskrives olika föredragna utfö- ringsformer för att illustrera uppfinningen. Det inses emellertid att uppfinningen icke är avsedd att begränsas till de specifika utförandena.

Exempel l En första provcell (A) konstruerades enligt den schematis- ka illustrationen i fig.l0 och ll. Dimensionerna för elek- troderna var 500 mm i bredd och 500 mm i höjd och katod- ändplattan 110, katodribborna 120 och den katodiska, med små hål försedda tryckplattan 122 var tillverkade av stål galvaniskt belagt med ett skikt av nickel. Den med små hål försedda tryckplattan erhölls genom att skära en 1,5 mm tjock platta av stål under bildande av diamantformade öppningar, som har sina huvuddimensioner lika med 12 och 6 mm. Den anodiska ändplattan 103 var tillverkad av titan- beklätt stàl och anodribborna 109 var tillverkade av ti- tan.

Anoden bestod av en grov, väsentligen stel sträckmetall- 10 15 20 25 30 35 455 508 42 skärm av titan 108 erhàllen genom skärning av en 1,5 mm tjock titanplåt under bildande av diamantformiga öppnin- gar med sina huvuddimensioner om 10 och 5 mm och en fin- maskig skärm 108a av titan erhàllen genom skärning av en 0,20 mm tjock titanplât under bildande av diamantformade öppningar med huvuddimensionerna 1,75 och 3,00 mm punkt- svetsad pá innerytan av den grova skärmen. Båda skärmar- na var belagda med ett skikt av blandade oxider av rute- nium och titan svarande mot en belastning om 12 g rute- nium (som metall) per kvadratmeter fri yta.

Katoden bestod av tre skikt av krusad stickad nickelväv- nad bildande en elastisk matta 113 och vävnaden var stic- kad med nickeltràd med en diameter om 0,15 mm. Krusnin- gen hade ett fiskbensmönster, vars vågamplitud var cirka 4,5 mm och delningen mellan angränsande toppar hos vågor- na var 5 mm. Efter en förpackning av tre skikt av den krusade vävnaden genomförd genom överlagring av skikten och pàförande av ett moderat tryck, av storleksordningen 100-200 g/cmz, antog mattan en okomprimerad tjocklek av cirka 5,6 mm. Detta betyder att efter frigivande av tryc- ket mattan elastiskt àtergick till en tjocklek av cirka 5,6 mm. Katoden innehöll även en 20 maskors/25 mm nickel- skärm 114 bildad med en nickeltrád, som hade en diameter av 0,15 mm, varvid skärmen bildade cirka 64 kontaktpunk- ter per kvadratcentimeter med ytan av membranet 105, vil- ket varifierades genom intryck pà ett ark av tryckkäns- ligt papper. Membranet var en hydrerad film, 0,6 mm tjock av Nafion® 315 katjonbytarmembran tillverkad av DuPont de Nemours, d.v.s. en perfluorkarbonsulfonsyratypen av memb- Ian.

En referensprovcell (B) med samma dimensioner konstruera- des och elektroderna bildades enligt normal kommersiell praxis med två grova styva skärmar 108 och 122, beskrivna ovan, direkt vilande mot motsatta ytor av membranet 105 utan användning av någon av de finmaskiga skärmarna l08a 10 15 20 25 30 455 508 och 114 och utan att likformigt elastiskt pressas mot mem- branet (d.v.s. den kompressibla mattan 133). Provkretsar- na var lika den i fig.8 visade.

Driftsförhàllandena var följande: inloppssaltlösningskoncentration utloppssaltlösningskoncentration temperatur hos anolyten pH hos anolyten kaustik koncentration i katolyten strömtäthet so°c 4 soo g/1 Nacl 1eo g/1 Nacl 18 víkts-% NaOH sooo A/m2 Provcellen A sattes i drift och den elastiska mattan kom- primerades i ökande utsträckning för att relatera funk- tionskarakteristikorna för cellen, nämligen cellspännin- gen och strömeffektiviteten, till kompressionsgraden.

I fig.l3 visar kurva l relationen mellan cellspänningen och kompressionsgraden eller motsvarande pàfört tryck.

Det observerades, att cellspänningen minskade med ökande kompression av den elastiska mattan ned till en tjocklek svarande mot cirka 30% av den ursprungliga okomprimerade tjockleken hos mattan. Utöver denna kompressionsgrad ten- derar cellspänningen att stiga sakta.

Genom att reducera graden av kompression till en matt- tjocklek om 3 mm ger funktion av cell A jämfört med den hos den parallellt drivna referenscellen B följande re- sultat: Cellspänning Katodströmeffek- 02 i C12 tivitet % volymprocent Provcell A 85 , Provcell B 85 , För att få ett begrepp om bidraget av bubbeleffekten till cellspänningen vreds cellerna först 45° och slutligen 900 455 508 44 från vertikalläget med anoden horisontell ovanpå membra- net. Funktionskarakteristikorna för cellerna angives ne- dan: Lutning Cellspän- Katodström- 02 i C12 (°) ning effektivite- volym- V ten % procent 5 Provcell A 45 3,3 85 4,4 Referenscell B 45 3,65 85 4,4 Provcell A horison- 3,3 (x) 86 4,3 tell Referenscell B " 3,6 (xx) 85 4,5 (x) Cellspänningen började att stiga sakta och stabili- 10 serades vid cirka 3,6 V. (xx) Cellspänningen steg snabbt till gott och väl över 12 V och elektrolysen avbröts därför.

Dessa resultat tolkas på följande sätt: a) genom vridning av cellerna från vertikalläget och mot 15 horisontell inriktning minskade bubbeleffektbidraget till cellspänningen i cell B, medan den relativa okänsligheten hos cell A uppenbarligen beror på en väsentligen försum- bar bubbeleffekt, vilket delvis skulle förklara den mycket lägre cellspänningen i cell A i förhållande till cell B; 20 b) vid uppnàendet av horisontalläget börjar vätgasen att ansamlas till fickor under membranet och tenderar att iso- lera mer och mer av den aktiva ytan hos katodskärmen från jonströmledning genom katolyten i referenscell B, medan samma effekt är utmärkande lägre i provcell A. Detta kan 25 endåst förklaras genom det faktum, att en huvuddel av'jon- ledningen är begränsad till omrâdet inom tjockleken av membranet och katoden ger tillräckligt med kontaktpunkter med jonbytargrupperna på membranytan för att effektivt föra elektrolysströmmen. 10 15 20 25 30 35 455 508 45 Det har visat sig att genom att i ökande utsträckning mins- ka tätheten och finheten för kontaktpunkterna mellan elek- troderna och membranet genom att ersätta de finmaskiga skärmarna 108a och 114 med grövre och grövre skärmar, egenskaperna hos provcell A mer och mer närmar sig dem för referenscell B. Vidare säkerställer det elastiskt kom- primerbara katodskiktet 113 en täckning av membranytan med de tätt fördelade finkontaktpunkterna över 90% och oftare över 98% av hela ytan även i närvaro av väsentli- ga avvikelser från planhet och parallellitet hos kompres- sionsplattorna 108 och 122.

Exempel 2 För jämförelseändamàl öppnades provcellen A och membranet 105 ersattes av ett liknande membran uppbärande en vid- fäst anod och en vidfäst katod. Anoden var ett poröst 80 um tjockt skikt av partiklar av blandoxider av rute- nium och titan med förhållandet Ru/Ti lika med 45/55 vid- häftad vid ytan av membranet med polytetrafluoreten. Kato- den var ett poröst 50 um tjockt skikt av partiklar av pla- tinasvart och grafit i ett viktsförhâllande 1/1, vilket var vidhäftat med polytetrafluoreten vid motsatta ytan av membranet. Cellen drevs under exakt samma förhàllan-' den som i exempel 1 och relationen mellan cellspänningen och grad av kompression hos det elastiska katodströmkol- lektorskiktet 113 visas av kurva 2 i diagrammet i fig.l3.

Det är signifikant att cellspänningen för denna verkligen solida elektrolytcell är endast cirka 100-200 mV lägre än den för provcell A under samma driftsförhállanden.

Exempel 3 För att verifiera icke väntade resultat, modifierades .___ provcellen A genom att utbyta alla anodstrukturer gjorda av titan med jämförbara strukturer gjorda av nickelbelagt stål (anodändplattan 103 och anodribborna 109) och rent nickel (den grova skärmen 108 och den finmaskiga skärmen l08a). Det använda membranet var ett 0,3 mm tjockt kat- 455 10 15 20 25 508 46 jonbytarmembran Nafion® 120 tillverkat av DuPont de Nemours.

Rent, tvâ gånger destillerat, vatten med en resistivitet av mer än 200000 Qom cirkulerades i både anod- och katod- rummen. En ökande potentialskillnad pàfördes de båda änd- plattorna i cellen och en elektrolysström började passera, varvid syre utvecklades pà nickelskärmanoden l08a och väte utvecklades på nickelskärmkatoden 114. Efter ett fåtal timmars drift observerades följande spännings-strömegen- skaper: Strömtäthet Cellspänning Funktionstempera- Am/Z v tur Oc 3000 2,7 65 5000 3,5 65 10000 5,1 65 Konduktiviteten för elektrolyterna var obetydlig och cellen visade sig arbeta som ett verkligt solitt elektrolytsystem.

Genom att utbyta de finmaskiga elektrodskärmarna 108a och 114 mot grövre skärmar, varigenom tätheten för kontakterna mellan elektroderna och membranytan reducerades från 100 punkter/cmz till 16 punkter/cmz, observerades en dramatisk ökning i cellspänningen såsom angives nedan: Strömtäthet Cellspänning Funktionstempera- Am/ v tur °c 3000 8,8' 65 = 5000 12,2 65 - 10000 - - Såsom är uppenbart för fackmannen är det möjligt att öka tätheten för kontaktpunkterna mellan elektroderna och mem- branet med hjälp av olika hjälpmedel. Exempelvis kan en 10 15 20 25 455 508 47 finmaskig elektrodskärm sprutas med metallpartiklar genom plasmastrâlavsättning eller kan metalltràden, som bildar ytan i kontakt med membranet, göras grövre genom ett styrt kemiskt angrepp för att öka kontaktpunkttätheten. Icke desto mindre måste konstruktionen vara tillräckligt vik- bar för att åstadkomma en jämn fördelning av kontakterna över hela ytan av membranet, så att det elastiska reak- tionstrycket, som utövas av den elastiska mattan mot elek- troderna, jämnt fördelas till alla kontaktpunkterna.

Den elektriska kontakten vid gränsytan mellan elektroder- na och membranet kan förbättras genom att öka tätheten för funktionella jonbytargrupper eller genom att minska den ekvivalenta vikten för sampolymeren på ytan av mem- branet i kontakt med den elastiska mattan eller den mel- lanliggande skärmen eller den partikelartade elektroden.

I detta fall förblir ytbytesegenskaperna hos membranmat- risen oförändrade och det är möjligt att öka kontakt- punkttätheten för elektroderna med ställen för jontrans- port till membranet. Membranet kan exempelvis bildas ge- nom att laminera en eller tvâ tunna filmer, som har en tjocklek i området 0,05-0,15 mm, av sampolymer, uppvisan- de en làg ekvivalent vikt, över ytan eller ytorna hos en tjockare film, inom området 0,15-0,6 mm, av en sampoly- mer, som har en högre ekvivalent vikt eller en vikt an- passad för att optimera det ohmska spänningsfallet och selektiviteten hos membranet.

Claims (13)

455 10 15 20 25 30 508 11% P a t e n t k r a v

1. l. Elektrolyscell, innefattande åtminstone ett cellhus innehållande ett par gas- och elektrolytpermeabla elektro- der, åtskilda av ett jonselektivt gas- och elektrolytim- permeabelt membran varvid var och en av elektroderna är i kontakt med och sträcker sig längs en yta hos nämnda membran, samt medel för att införa en elektrolyt som elektrolyseras och medel för att avlägsna elektrolys- produkter, k ä n n e t e c k n a d av att en elektro- konduktiv, elastisk till 10-60% av dess ursprungliga tjocklek, kompressibel matta (13) av vävda metalltràdar är-placerad bakom åtminstone en (14) av nämnda elektro- der (7,l4), varvid mattan (13) är väsentligen koextensiv med större delen av nämnda elektrod (14) och kan fördela tryck i sidled och ligger detta väsentligen lika fördela- de trycket i storleksomrádet 50-2000 g/cmz, varvid nämn- da komprimerade matta (13) har tomvolym i förhållande till skenbart upptaget volyminnehàll av åtminstone 50%.

2. Blektrolyscell enligt kravet l, k ä n n e t e c k- n a d .av att den elektrokonduktiva, elastiskt kompres- sibla mattan (13) är placerad bakom endast en elektrod (14) under det att den andra elektroden (7) är väsentli- gen stel.

3. Élektrolyscell enligt något av föregående krav, _ k ä n n e t e c k n a d av att elektroden (14) i kontakt med den elektrokonduktíva, elastiskt kompressibla mattan (13) innefattar en tunn flexibel skärm (8) gjord av ett elektrokonduktivt och korrosionsbeständigt material, varvid skärmen (8) har en kontaktpunkttäthet med den re- levanta membranytan av minst 30 punkter/cmz och med en total kontaktyta i förhållande till membranytan som är mindre än 75%.

4. Elektrolyscell enligt kravet 2 eller 3, k ä n n e- 10 15 20 25 30 t e c k n a d 455 508 LLM av att den väsentligen stela elektroden (8) berör membranet (5) vid ett flertal punkter och att tätheten hos nämnda punkter är minst 30 punkter/cm 2 och är kontaktytan i förhållande till membranytan mindre än 75%.

5. Elektrolyscell enligt kravet 1, av att minst en elektrod är ett skikt av elektro- n a d k ä n n e t e c k - konduktiva och korrosionsbeständiga partiklar fästa vid den ifrågavarande membranytan.

6. Elektrolyscell enligt kravet 2, k ä n n e t e c k - n a d av att elektroden, bakom vilken den elastiskt kompressibla mattan är placerad, är ett skikt av elektro- konduktiva och korrosionsbeständiga partiklar infästa vid den relevanta membranytan.

7. Elektrolyscell enligt kravet 1, av att den elastiska, komprimerande mattan direkt n a d k ä n n e t e c k - står i ingrepp med membranet och utgör elektroden.

8. Elektrolyscell enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a.d av att den elastiskt kompressib- la mattan har en tomvolym i förhållande till upptagen volym som är lika med 85-96%.

9. Elektrolyscell enligt några av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att den elastiskt kompressib- la mattan (13a) består av en vävnad av vävd metalltràd, krusad genom formning.

10. Elektrolyscell enligt kraven 1-8, av att den elastiskt kompressibla mattan består n a d k ä n n e t e c k - av en serie av spiralfjädrar gjorda av metalltråd.

11. ll. Elektrolyscell enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att den elektrokonduktiva, 10 15 455 sus' *âš elastiskt kompressibla mattan är placerad bakom en elekt- rod och den andra elektroden innefattar en tunn metall- skärm, som har ett antal maskor eller trådar per längd- enhet av minst fyra trådar eller maskor/cm, som är över- dragen med ett elektrokemiskt, katalytiskt material, varvid nämnda överdragna metallskärm är uppburen av och elektriskt förbunden med ett öppet metallark, som är grövre och styvare än nämnda överdragna, tunna metall- skärm.

12. Elektrolyscell enligt kravet ll, k ä n n e t e c k - n a d av att den överdragna, tunna metallskärmen är elektriskt punktsvetsad över det grövre öppna metallarket.

13. Elektrolyscell enligt kravet ll eller 12, k ä n n e- t e c k n-a d av att det grövre, med små hål försedda metallarket är ett trådduksark eller en sträckmetall.