SE466500B - Elektrolyscell foer reducering av syre till vaeteperoxid, medel foer konstruktion av cellen, foerfarande foer framstaellning av en gasdiffusionskatod foer cellen samt anvaendning av cellen foer framstaellning av vaeteperoxid - Google Patents

Description

466 500 2 och antal finnes utformade i katoden för att tillåta att både gas och vätska strömmar samtidigt genom katoden.

Närvaron av syre erfordras vid en syrekatod icke endast för bibehållande av hög verkningsgrad utan även för att undvika en katastrofal explosion. I närvaro av en alkalimetallhydroxid är den totala reaktionen vid syrekatoden reaktionen av syre och vatten till bildning av hydroxyljoner och perhydroxyljoner (anjoner av väteperoxid, en mycket svag syra). Katodreaktio- nen är (1) 2o2 + 21120 + 4e'->2Ho2' + zon' och anodreaktionen är (2) 4oH'--->o2 + zuzo + 4e' med en total reaktion av (3) 02 + 2oH"-->2Ho2'.

I frånvaro av syre vid katoden är halvcellreaktionen (4) znzo + 4e'-->H2 + zon".

Oönskade sidoreaktioner kan även äga rum vid katoden (5) H02' + H20 + 2e"-->3oH' och vid anoden (6) H02' + oH'---)o2 + H20 + 2e'.

Till följd därav är det betydelsefullt att undvika lokala höga koncentrationer av perhydroxyljonen (HO2_) att uppkomma i katolyten.

Ekvation (4) kan överväga om katoden icke innehåller syrgas eller väteperoxid (ekvation 5) antingen på grund av att cellen dränkes med elektrolyt eller på grund av att tillförseln av syre är otillräcklig. I frånvaro av syre vid katoden bildas vätgas. Vätgas kan bilda en explosiv blandning med syrgas i syretillföringsledningen. Vid alternativet, om otillräcklig mängd syre införes i katoden, skulle väte bildas i den syre- utarmade delen och blandas med syre i den syrerika zonen och bilda en explosiv blandning.

I US-patenten 3 454 477, 3 459 652, 3 462 351, 3 506 560, 3 507 769, 3 591 470 och 3 592 749 till Grangaard är katoden i: _ 466 500 3 en porös platta med elektrolyten och syre tillförda från mot- satta sidor för reaktion på katoden. Den porösa gasdiffu- sionselektroden kräver en vaxbeläggning för fixering av reak- tionszonen och omsorgsfull balansering av syre- och elektro- lyttryck för att hålla reaktionszonen på ytan av den porösa plattan.

Elektrolyscellerna enligt US-patenten 4 406 758 och 4 5ll 441 har ett problem genom att den vertikala dimensionen hos cellen icke kan varieras inom ett stort område på grund av behovet- att balansera den hydrauliska tryckskillnaden över separe- ringsorganen och behovet att undvika dränkning av katoden med elektrolyt, och ett oreglerat flöde av vätska genom separatorn anses vara oönskat.

US-patentet 4 118 305 till Oloman försöker övervinna problemet med balansering av de hydrostatiska krafterna för bibehållande av ett trefassystem av en fast elektrod (katod), en vätskefor- mig elektrolyt och syrgas genom att kontinuerligt bringa en blandning av syrgas och en vätskeformig elektrolyt att strömma genom en fluidpermeabel katod, exempelvis en porös bädd av grafitpartiklar. En porös separator åtskiljer packbäddelekt- roden från intilliggande elektrod och stödes av packbäddelekt- roden. Porerna hos separatorn är tillräckligt stora för att tillåta ett reglerat flöde av elektrolyt in i öppningarna hos packbäddelektroden. Elektrokemiska reaktioner uppträder inom elektroden vid gas-elektrolys-elektrodgränsytan. De vätske- formiga produkterna och oreagerad elektrolyt strömmar genom inverkan av tyngdkraften till bottnen av packbäddelektroden.

Massöverföringen är ett problem i sådana celler, eftersom elektroden nästan dränkes med elektrolyt. Reaktionerna är långsamma och återföring i kretslopp av produkten är nödvändig för acceptabel produktstyrka och återföring i kretslopp av överskott av syrgas är väsentligt för ekonomisk drift och ett överatmosfäriskt syretryck kräves i allmänhet.

Var och en av dessa tidigare kända elektrolysceller har olä- genheten att kräva en spänning, som är väsentligt större än 466 500 4 summan av de teoretiska halvcellspänningarna på grund av det höga ohmska motståndet hos cellerna. En ytterligare olägenhet för dessa celler är att de saknar medel för att variera kapa- citeten hos cellen under drift och svårigheten att åstadkomma likformiga elektrolytströmningshastigheter i cellen.

Egenskaperna hos ett idealiskt separeringsorgan är välkända för fackmän på området. Det bör vara prisbilligt, ha viss mekanisk styrka och styvhet, beständighet mot cellreaktions- komponenter, cellprodukter och driftsbetingelser. Vidare kan de ideala separeringsorganen beskrivas såsom permeabla för joner men icke för molekyler, ha hög tomrumsfraktion för att minimera elektriskt motstånd, ha liten medelporstorlek för att förhindra passage av gasbubblor och minimera diffusion, ha homogenitet för att säkerställa god strömverkningsgrad och likformig strömfördelning samt vara icke-ledande för att för- hindra verkan såsom elektrod.

Föreliggande uppfinning övervinner bristerna hos tidigare kända celler. Uppfinningen avser en elektrolyscell för redu- cering av syre till väteperoxid vid en katod i närvaro av en vattenhaltig, alkalisk elektrolyt. Uppfinningen innefattar en cell med ett elektrolytinlopp, ett elektrolytutlopp, en porös katod som är permeabel för en gas, varvid katoden har en första yta som står i kontakt med elektrolyten och en andra yta som bildar en ytteryta hos cellen i kontakt med en syre- haltig gas, en anod, organ för att bortleda syrgas från ano- den, separeringsorgan mellan katoden och anoden och medel för att tvinga elektrolyten från elektrolytinloppet till elektro- lytutloppet. Separeringsorganen bildar en anodkammare och en katodkammare i cellen, varvid separeringsorganen är väsentli- gen permeabla för en jon i elektrolyten. Cellen är anordnad med katoden och anoden i en generellt vertikal, horisontell eller lutande ställning, anodkammaren är försedd med organ för att bringa elektrolyten att strömma tvärsöver ytan av anoden och katodkammaren är försedd med organ för att bringa elektro- lyten att passera från elektrolytinloppet över den första ytan av katoden. Förfarandet för användning av cellen för fram- 5 466 soø ställning av väteperoxid ligger inom ramen för uppfinningen.

Enligt den första föredragna utföringsformen är separerings- organen permeabla för elektrolyten liksom för en jon i elekt- rolyten och denna utföringsform innefattar en cell med ett elektrolytinlopp, en porös självdränerande katod med en första yta som står i kontakt med elektrolyt och en andra yta som bildar en ytteryta hos cellen, ett elektrolytutlopp anordnat att mottaga elektrolyt som dräneras från katoden, en anod, separeringsorgan mellan katoden och anoden. Separeringsorga- nen är väsentligen permeabla för elektrolyten och bildar en anodkammare innehållande elektrolytinloppet och en katodkam- mare. Den andra ytan hos katoden står i kontakt med en syre- haltig gas och organ finnes anordnade för att reglerbart bringa elektrolyten att passera från elektrolytinloppet genom separeringsorganen och in i den självdränerande katoden med en hastighet, som väsentligen är lika med dräneringshastigheten för elektrolyten från katoden, samt i en mängd, som är till- räcklig för att fylla endast en del av porerna hos katoden, samt har organ för utsläppning av en gas i anodkammaren från elektrolyscellen.

Organen för att leda syrgas som bildas vid anoden i anodkam- marelektrolyten bort från anoden är väsentliga för att för- hindra en ökning av det ohmska motståndet hos cellen.

Enligt en särskilt lämplig utföringsform av föreliggande upp- finning är cellen anordnad så att katoden hålles i ett gene- rellt horisontellt läge. Om anoden är anordnad i cellen i en position ovanför katoden, kan anoden lämpligen uppvisa hål eller porer såsom medel för att leda uppflytande syrgas i elektrolyten i anodkammaren bort från separeringsorganen.

Lämpliga medel för att avleda syrgas kan innefatta icke endast galleröppningar i anoden utan även kanaler i anoden, som leder bubblorna upp och åt endera sidan eller båda sidor, exempelvis i ett "fiskbensmönster". Lika effektiva är mekaniska avstry- kare eller "skovelhjul", som kan drivas av de uppåtstigande _ bubblorna för att både svepa de andra bubblorna från området a 466 500 6 och att svepa färsk lösning in i utrymmet mellan anoden och separeringsorganen.

Enligt en annan särskilt fördelaktig utföringsform av förelig- gande uppfinning är anoden och katoden anordnade i ett gene- rellt horisontellt läge i en vinkel av ca 5 till 25°. Katoden är ovanför (överliggande i förhållande till) anoden och ett poröst filtmaterial är anordnat mellan anoden och katoden och bildar organ för ledning av syrgas bort från anoden. Katoden är uppbyggd av granulära partiklar, som stödes av den porösa filten. Medlen för att bringa elektrolyten att passera från elektrolytinloppet och in i den självdränerande katoden är det hydrostatiska trycket av elektrolytinloppet ovanför elektro- lytutloppet och vekeffekten av den porösa filten, varvid den porösa filten även verkar såsom separeringsorgan och medel för att föra syrgas bort från anoden.

Katoden är en elektriskt ledande porös massa med en mångfald porer och kanaler som passerar genom denna. Den kan vara en bädd av elektriskt ledande partiklar som är sintrade till bildning av en sammanhängande massa eller en agglomerering av lösa partiklar. Den måste ha porer av tillräcklig storlek och tillräckligt antal för att tillåta gas att strömma genom den.

Kanalerna måste ha tillräcklig storlek, så att icke-flyktiga produkter strömmar genom inverkan av tyngdkraften från kato- den, dvs. katoden bör vara "självdränerande". Ett annat sätt att uttrycka detta är att beskriva kanalerna såsom varande tillräckliga för att tyngdkraften skall ha större inverkan på vätskan i elektroden än kapillärtrycket.

Medlen för att bringa elektrolyten att passera från elektro- lytinloppet genom separeringsorganen och in i den självdräne- rande katoden och att reglerbart tvinga elektrolyten genom separeringsorganen kan kombineras genom lutning av cellen, så att elektrolytinloppet höjes över elektrolytutloppet. Alter- nativt kan elektrolyten med en pump eller andra organ tvingas att uppvisa ett större tryck vid elektrolytinloppet och medlen för att reglerbart tvinga elektrolyten genom separeringsorga- 466 500 7 nen och in i den självdränerande katoden kan vara likformig reducering av tvärsektionsarean hos cellen från inloppsänden till utloppsänden av cellen.

Godtyckliga lämpliga separeringsorgan kan användas i cellen.

Exempel är ett keramiskt diafragma, en jonselektiv membran, såsom ett katjonmembran som även är poröst för den vattenhal- tiga elektrolyten. Andra separeringsorgan, såsom mikroporös plast, en matta av asbest, vävda eller filtade fibrer eller en porös plast, kan även vara lämpliga. Stöd eller underlag kan erfordras såsom en del av separeringsorganen.

Följande figurer åskådliggör tre av de föredragna utförings- formerna av uppfinningen i detalj.

Figur 1 är en tvärsektion genom en cell, i vilken katoden, separeringsorganen och anoden är anordnade i en generellt vertikal position.

Figur 2 är en tvärsektion genom en cell, i vilken katoden, separeringsorganen och anoden är anordnade i en generellt horisontell position med anoden överst.

Figur 3 är en tvärsektion genom en cell, i vilken katoden, separeringsorganen och anoden är anordnade i en generellt horisontell position med katoden överst.

Figur 1 visar en elektrolyscell. Cellen har en gallerverks- försedd anod 120, som är anordnad i en anolytkammare 127. En elektrolytinloppsöppning 116 mynnar i anolytkammaren. En utloppsöppning 122 för gasformig produkt är anordnad i anolyt- kammaren 127. Den första ytan hos katoden 106 står i kontakt med elektrolyten i katodkammaren och den andra ytan bildar en ytteryta hos cellen och står i kontakt med en syrehaltig gas, såsom luft. En elektrolytutloppsöppning 108 för vätskeformig elektrolyt från katoden. Separeringsorgan 112 uppdelar cellen i anodkammare och katodkammare. 466 500 s Separeringsorganet 112 kan vara ett flertal skikt eller ett enda skikt. Materialet bör emellertid vara väsentligen inert mot de kemiska ämnen som det kommer i kontakt med under van- liga driftsbetingelser. Separeringsorganet är konstruerat så att det har en något begränsad förmåga att tillåta vätska att strömma igenom det. Anoden 120 är företrädesvis försedd med spjälgalleröppningar eller jalusiöppningar och är ansluten med en ledare 101 till en positiv spänningskälla (icke visad)= På likartat sätt är katoden 106 ansluten med en ledare 102 till en negativ spänningskälla.

Vid drift införes elektrolyt i cellen genom inloppsöppningen 116 och tvingas genom separeringsorganet 112 in i katodkamma- ren och in i katoden 106. Vätskan sipprar ned genom kanalerna i katoden genom inverkan av tyngdkraften och uppsamlas samt avlägsnas från cellen genom elektrolytutloppsöppningen 108.

En elektrisk potential eller spänning pålägges mellan anoden 120 och katoden 106, vid anoden bildas syrgas och stiger såsom bubblor i elektrolyten mellan anoden 120 och separeringsorga- net 112. Bubblorna avlänkas av gallren åt andra sidan av ano- den 120 och utsläppes därefter genom öppningen 122. Vid kato- den l06 reduceras syre, som diffunderar från luften in i kato- den l06, och bildar väteperoxid, när det kommer i kontakt med elektrolyten däri. Väteperoxidrik elektrolyt sipprar ned inuti kanalerna i katoden 106 och uppsamlas vid elektrolyt- utloppsöppningen 108.

För ändamålet enligt uppfinningen är kanalerna och porerna utmärkta av att i en kanal är verkan av tyngdkraften större på elektrolyten än verkan av kapillärkrafter och i en por är effekten av tyngdkraften mindre på elektrolyten än verkan av kapillärkrafter.

I cellen skall strömningen av vätska genom separeringsorganet 112 regleras till en nivå, som är tillräcklig för att fylla endast en del av porerna i katoden 106. Om alltför mycket vätska passerar genom separatorn och väsentligen alla porerna 9 466 §oo i katoden l06 fylles, undantränges syrgas. Detta kan leda till bildning av explosiv vätgas. Om däremot alltför ringa mängd elektrolyt passerar genom separeringsorganet ll2, kommer de elektrokemiska reaktionerna att minimeras. Föreliggande uppfinning förhindrar den närmast totala fyllningen av kato- dens porer och förhindrar samtidigt i det närmaste total från- varo av elektrolyt från katoden.

Figur 2 är likartad med figur l med undantag av att cellen är orienterad generellt horisontellt i stället för vertikalt.

Var och en av detaljerna i cellen är numrerade på samma sätt som motsvarande detalj i figur l med undantag av "200"-värdena i stället för "l00"-värdena. Ett undantag är att utloppsöpp- ningen 108 är ersatt med ett flertal utloppsöppningar med liten diameter representerade med 238A, 238B till 238Z, som verkar såsom kanaler. Tyngdkraften som inverkar på elektroly- ten i utloppsöppningarna ger ett svagt sug i katoden 206 och drager elektrolyten in i utloppsöppningarna och förhindrar härigenom att elektrolyten fyller porerna som utnyttjas för syrgas.

Det är uppenbart att utloppsöppningarna 238A, 238B till 2382 icke behöver vara vinkelräta mot katoden 206. Såsom exempel kan utloppsöppningarna vara lutande i en vinkel, så att de är väsentligen vertikala, även om katoden 206 lutar i förhållande till det absoluta horisontalplanet.

En vy av en annan utföringsform av uppfinningen, cellen 300, visas på figur 3.

Figur 3. Anoden 301, en platta av nickel eller rostfritt stål, är anordnad i ett generellt horisontellt läge mellan elektrolytreservoaren 302 och elektrolytuppsamlingstanken 303.

Ett skikt av polyesterfilttyg 304 är uppburet på anoden 301 med en första ände i reservoaren 302 som bildar ett elektro- lytinlopp och den andra änden i uppsamlingstanken 303 som bil- 466 500 10 dar ett elektrolytutlopp. Elektrolyt tvingas genom cellen genom vekverkan av polyesterfilten 304 och genom det hydrosta- tiska trycket mellan nivån för elektrolyten i reservoaren 302 och elektrolytuppsamlingstanken 303. Reservoaren 302 inne- håller tillräcklig mängd elektrolyt 306 för att den övre ytan av elektrolyt 306 skall vara högre än den andra änden av poly- esterfilten 304 vid elektrolytuppsamlingstanken 303. En elektriskt ledande katod 307 sammansatt av kolsvart bundet till grafitflingor är anordnad för att bilda en första yta, som står i kontakt med och ligger ovanför polyesterfilten 304.

Den andra ytan av katoden bildar en ytteryta hos cellen 300.

Cellen 300 utgöres av anoden 301, delen av polyesterfilt 304 intill anoden samt katoden 307. Polyesterfilten 304 uppdelar utrymmet mellan anoden 301 och katoden 307 i en anodkammare (icke visad) och en katodkammare (icke visad men inkluderande en del av katoden 307). Ledningsorgan 308 tillför elektrolyt till elektrolytreservoaren 302 från en källa (icke visad).

Ledare 310 och 3ll tillför en spänning till anoden 301 resp. katoden 307 från en spänningskälla (icke visad).

Under drift suges elektrolyt från reservoaren 302 genom vek- verkan av filten 304 in i cellen 300, där syrgas bildas.

Syret föres från anodkammaren av filten 304 in i katodkammaren och till katoden 307, där det reduceras till väteperoxid.

Ytterligare syre diffunderar från den syrehaltiga gasen vid elektrolytens gränsyta i ytan av katoden 307, där det även reduceras till väteperoxid. «Elektrolyten tvingas från elekt- rolytinloppet till elektrolytutloppet av det hydrostatiska trycket mellan nivån av elektrolyten i reservoaren 302 och elektrolytuppsamlingstanken 303 i kombination med vekverkan av separeringsorganet 304.

En fackman på området inser att enligt föreliggande uppfinning kan syre alltid diffundera in i katoden, eftersom katoden innefattar en ytteryta av cellen och alltid står i kontakt med atmosfären.

De celler som exemplifieras på figurerna 2 och 3 har en ytter- 466 500 ll ligare fördel utöver en väsentligen vertikal cell genom att det hydrostatiska trycket är likformigt över separeringsorga- net och katoden, så att syrediffusionshastigheten in i katoden och strömningshastigheten av elektrolyt genom separeringsorga- net och in i katoden även är likformiga inom hela cellen.

Det finns två lämpliga metoder för reglering av flödet genom separeringsorganet in i elektroden. En metod är genom varie- ring av arean hos separeringsorganet som står i kontakt med vätskan och en andra metod är justering av tryckfallet över separeringsorganet.

I en vertikal cell är en lämplig metod för att reglera arean av separeringsorganet som exponeras för vätskan att öka eller minska höjden av vätskereservoaren hos anodkammaren intill separeringsorganet. När höjden ökar, ökar flödet genom sepa- reringsorganet. I motsats till detta minskar flödet, när höj- den minskar. Detta varierar emellertid arean av katoden och anoden i kontakt med elektrolyten och sålunda cellkapaciteten.

En annan metod för reglering av flödet genom separeringsorga- net i en vertikal cell är genom reglering av tryckfallet över separeringsorganet. Tryckfallet kan regleras på flera sätt.

En metod för reglering av tryckfallet över separeringsorganet i cellen enligt figur l är genom att driva anodkammaren under gas- eller vätsketryck. Enligt denna metod är den motstående kammaren tillsluten mot atmosfären och gastryck eller vätske- tryck utövas på elektrolyten. Pumpar kan användas för att tvinga en vätska under tryck in i den motstående kammaren eller också kan trycket upprätthållas med en ventil, som är ansluten till öppningarna 122 eller 222.

Enligt en särskilt föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är separeringsorganet permeabelt för en gas men icke för en vätska. iDenna utföringsform innefattar en cell med ett elektrolytinlopp, ett elektrolytutlopp, en porös katod som är permeabel för en gas, varvid katoden har en första yta 466 500 _ 12 som står i kontakt med elektrolyten och en andra yta som bil- dar en ytteryta hos cellen i kontakt med en syrehaltig gas, en anod, separeringsorgan mellan katoden och anoden samt organ för att_tvinga elektrolyten från elektrolytinloppet till elektrolytutloppet. Separeringsorganet definierar en anodkam- mare och en katodkammare i cellen, varvid separeringsorganet är väsentligen permeabelt för en jon i elektrolyten och för en gas men är väsentligen impermeabelt för strömning av elektro- lyten från katodkammaren till anodkammaren. Cellen är anord- nad med katoden och anoden i ett generellt horisontellt läge med katoden över anoden, varvid anodkammaren är försedd med organ för att föra syrgas som bildas vid anoden till separe- ringsorganet och att tvinga elektrolyt att strömma över ytan av anoden samt katodkammaren är försedd med organ för att tvinga elektrolyt från elektrolytinloppet över den första ytan_ hos katoden.

Medlen för att rikta syrgasen till separeringsorganet och tvinga elektrolyten att strömma likformigt över anoden kan vara kombinerade och kan vara något gaspermeabelt poröst mate- rial, såsom en filt, ett vävt tyg eller ett kommunicerande skummaterial. Andra lämpliga medel innefattar strömningsled- skenor i anodkammaren, som riktar syrebubblorna till separe- ringsorganet och som avlänkar elektrolyten över ytan av ano- den. Ett gaspermeabelt poröst organ är särskilt lämpligt på grund av dess vekverkan, som bidrager till att tvinga elektro- lyten från elektrolytinloppet till elektrolytutloppet.

Medlen för att tvinga elektrolyten att strömma likformigt över ytan av katoden kan vara likartade med medlen i anodkammaren.

I båda fallen kan medlen åstadkommas genom mycket ringa mel- lanrum mellan katoden och separeringsorganet, så att kapillär- verkan på elektrolyten av den första ytan hos katoden och intilliggande yta av separeringsorganet närmar sig verkan av tyngdkraften.

I samband med föreliggande uppfinning bör uttrycket "väsentli- gen permeabel både för en jon i elektrolyten och för en gas - 466 500 l3 men väsentligen impermeabel för flödet av elektrolyt från katodkammaren till anodkammaren" förstås innebära att under normala driftsbetingelser bubblor av syrgas som bildas vid anoden kan passera fritt genom separeringsorganet från anod- kammaren till katodkammaren men att mycket ringa mängd elekt- rolyt överföres från katodkammaren till anodkammaren.

Ett kommersiellt tillgängligt separeringsorgan som är lämpat för föreliggande uppfinning är ett hydrofilt laminat av poly- esterfilt och expanderad polytetrafluoreten, som utgöres av noder och sammankopplade fibriller och föres i handeln av W. L. Gore and Associates. Separeringsorganet har enligt ett standard-ASTM-test F778 värderats till 3,8 ma/s vid 125 Pa.

Polyesterfiltdelen av laminatet är lämplig både såsom medel för att rikta syrgas från anoden till separeringsorganet och för att tvinga elektrolyten att strömma likformigt över anoden eller såsom medel för att bringa elektrolyten att strömma lik- formigt över katoden.

Ett annat lämpligt separeringsorgan är en mikroporös polypro- penfilm med tjockleken 2,5 x l0_2 mm med 38 % porositet med en effektiv porstorlek av 0,02 um, som föres i handeln av Celanese Corporation. Porerna ger den önskade elektriska led- ningsförmågan men motverkar strömningen av elektrolyt. Filmen perforerades med öppningar utan avlägsnande av något material. Öppningarna verkar såsom backventiler och är fördelade ungefär varje centimeter i rad och kolumn. Öppningarna, exempelvis slitsar med måtten 0,5 till l mm, verkar såsom små bunsenven- tiler, som öppnas för att tillåta strömning av syrgas från anodkammaren till katodkammaren och som slutes för att ute- stänga strömning av elektrolyt från katodkammaren till anod- kammaren.

Ett jonledande membran, hålförsett på likartat sätt, är även lämpat för användning såsom separeringsorgan. En typisk kom- mersiell membran föres i handeln av RIA Research Corporation under varumärket Raipore BDM-10-membran. Den innefattar en ympad lågdensitets-polyetenbasfilm med en svagbas-katjonmono- 466 500 14 mer såsom ympkomponent.

Det är uppenbart att separeringsorganet som användes enligt denna utföringsform av föreliggande uppfinning skiljer sig från det väl fastlagda "idealiska separeringsorganet" genom att det icke endast har en liten medelporstorlek som gör det permeabelt för joner och icke för molekyler utan även har öpp- ningar med tillräcklig storlek för att tillåta passage av gas- bubblor (gasöppningar) utan att tillåta väsentlig diffusion eller återblandning av väteperoxid från katodkammaren till anodkammaren. Den optimala storleken, formen och fördelningen av gasöppningarna kan bestämmas utan alltför mycket försök.

Formen hos Öppningarna kan vara raka slitsar, kors, V-form eller enbart punktformade hål. Öppningarna utformas lämpligen genom punktering av separeringsorganet utan avlägsnande av något material från separeringsorganet. Separeringsorganet anordnas vanligen så att syrebubblorna passerar genom detta i den riktning som hålen bildades. På detta sätt fungerar syr- gasbubblor såsom en del av "ventilen".

En särskilt användbar produkt för denna utföringsform av cel- len innefattar skikt i sekvens; ett första icke-ledande poröst skikt som är inert mot en alkalisk vätska, ett separerings- organ, ett andra icke-ledande poröst skikt som är inert mot en alkalisk vätska innehållande väteperoxid samt en porös katod, varvid detta separeringsorgan är väsentligen permeabelt både för joner och för gaser men är väsentligen impermeabelt för vätskor, varvid det första och andra porösa skiktet är perme- abla för fluida, fasthållningsorgan som håller vart och ett av dessa skikt i kontakt med en yta av det intilliggande skiktet.

Den färdiga produkten benämnes häri "cellmatelassering" (cell quilt).

En elektrolyscell med användning av cellmatelasseringen ihop- monteras genom att cellmatelasseringen placeras på en gene- rellt horisontell ledande anod. Cellmatelasseringen anordnas ovanpå den generellt horisontella anoden med det första porösa skiktet i kontakt med anoden. Ett strömledande organ placeras 466 509 15 ovanpå cellmatelasseringen i elektrisk kontakt med katoden på överytan av cellmatelasseringen, varvid det elektriskt ledande organet är försett med kanaler, som tillåter att en gas kommer i kontakt med anoden.

Företrädesvis är det första och andra porösa organet fram- ställda av filtade inerta fibrer, vävda inerta fibrer, stic- kade inerta fibrer eller ett inert skummaterial med kommunice- rande porer.

Något lämpligt poröst inert ledande material, som är känt såsom användbart såsom syreelektrod, kan användas såsom katod, exempelvis ett skikt av kommersiellt tillgängligt förnätat (retikulerat) vitröst kol (glaskol), som användes enligt US-patentet 4 430 l76, porös grafit eller en kompositelektrod bestående av kolpartiklar bundna till en elektriskt ledande porös bas, såsom anges i US-patentet 3 459 652, i vilket bin- demedlet är paraffin. Lämplig är även en elektrod av aktivt kol bundet med PTFE och naturligt gummi på ett nickelnät, såsom anges i US-patentet 4 142 949. Andra elektroder som är kända såsom användbara beskrives av US-patentet 3 856 640 med användning av kolpartiklar bundna med polytetrafluoreten samt porösa kolelektroder lämpade för bränsleceller. Det är önsk- värt att katoden är flexibel, exempelvis en sådan som utnytt- jar grafitfilt eller vävt eller stickat grafittyg såsom bas för kolpartiklar, såsom anges i franska patentpublikationen 2 493 878. Särskilt lämplig är en katod, som utnyttjar en grafitbas och använder kolpartiklar bundna med polytetrafluor- eten.

Fasthållningsmedlen som fasthåller vart och ett av skikten i cellmatelasseringen i kontakt med ytan av det intilliggande skiktet kan vara något icke-ledande fasthållningsmedel, såsom ett lim, eller en svets, såsom punktsvets eller linjär svets.

Andra lämpliga fasthållningsmedel innefattar icke-ledande häftnitar, nitar, bultar, snäppfästorgan (fjädrande fäst- organ), krokar och liknande. Fasthållningsmedel användes för fasthållning av textilier, såsom kardborrförband och liknande. 4ss sno 16 Ett särskilt lämpligt fasthållningsmedel är sammansyning av skikten med en inert tråd eller ett inert garn. Företrädesvis bör synålen punktera skikten från det första porösa skiktet genom separeringsorganet och det porösa skiktet samt in i katodenÅ Alla skikten kan fästas med samma fasthållningsmedel eller också kan skikten i cellmatelasseringen fasthållas indi- viduellt till ett intilliggande skikt.

Cellmatelasseringen användes för framställning av en elektro- lyscell genom att den tillverkade produkten placeras på en anod, såsom en plan nickelplåt, samt strömledarorganet anbringas ovanför katoden. Katoden och anoden anslutes till en elektrisk strömkälla och elektrolyt införes i och genom cellen genom "vekverkan" av det porösa organet.

Lämpligheten av många olika koltyper för dessas användning i syre- eller luftceller såsom den negativa elektroden har fast- ställts genom undersökningar av bränsleceller.

Bränslecellelektroder har använt paraffin, polyeten, polypro- pen och andra bindemedel för att ge den nödvändiga hydrofobi- citeten åt strukturerna med åstadkommande av en trefasreak- tionszon, där gas, elektrolyt och ledande yta mötes. Poly- tetrafluoreten (PTFE), som finnes tillgänglig såsom en vatten- suspension under varumärket "Teflon", marknadsfördes under det senare 1950-talet och är användbar för sammanbindning av par- tiklarna. Det är emellertid välkänt att användningsegenska- perna hos sådana hydrofoba elektroder kan variera signifikant beroende på hur de framställes. Sådana elektroder eliminerar problemen med en elektrod med packbädd, som användes enligt US-patentet 4 ll8 305.

Bränslecellteknologin är användbar såsom en allmän vägledning för konstruktion och drift av syreelektroder. Det finns emel- lertid ett flertal betydelsefulla distinktioner mellan elekt- roder för bränsleceller och elektroder för framställning av väteperoxid genom reduktion av syre i en alkalisk elektrolyt.

En betydelsefull skillnad är att bränslecellelektroder använ- 466 500 17 der en katalysator för sönderdelning av väteperoxid när denna bildas. Denna sönderdelning ger en del av syret och minskar mängden syre som behöver tillföras till trefasreaktionszonen.

En annan signifikant skillnad är att en bränslecell är avsedd att omvandla kemiska föreningar till elektrisk energi, under det att föreliggande uppfinning är ett förfarande för fram- ställning av väteperoxid i en elektrolyscell.

Enligt Maru et al., "Proceedings of the Symposium on Porous Electrodes: Theory and Practice", volym 84,8, The Electro- chemical Society, Pennington, N.J. (1984), är det teknologiska tillvägagångssättet för optimering av en bränslecell välkänt och varje del ger den verkan den är avsedd för. Vad beträffar en elektrodstruktur innebär detta att endast en flerskiktad kompositelektrod kan ge lyckat resultat. Begynnande från elektrolytsidan finnes, i sekvens, tre huvudskikt som måste beaktas. För det första kräves ett platinakatalyserat kol- skikt, som icke bör vara alltför hydrofobt, eftersom det i annat fall icke ger en god gränsytkontakt med elektrolyten.

Det andra skiktet, diffusionsskiktet, har till uppgift att transportera gasen med ett minimum av gastryckfall (absolut eller partiellt tryckfall) till det våtkatalyserade kolskik- tet. Denna del av elektroden måste vara i hög grad vätske- bortstötande, en barriär mot penetreringstendensen hos elekt- rolyten. Den tredje komponenten är strömkollektorn. I tunna kompositelektroder för alkaliska celler kan den vara en porös nickelplåt impregnerad med PTFE eller ett nickelnät.

Rusinko et al., Fuel Cell Materials, Proceedings 15th Annual Power Sources Conference anger på sidan 9 beträffande elekt- rodporstorlekskraven att elektrodporer större än 1,0 pm i dia- meter sannolikt fylles med elektrolyt och därför icke bidrager till cellreaktionen. Dessutom gör närvaron av ett fåtal stora porer det omöjligt att driva en elektrod utan gasförluster.

Denna publikation anger även att det även har visats att gas- flödes-driftskarakteristika bäst kan optimeras med elektroder, vilkas porer är helt homogena. 466 500 18 US-patentet 4 118 305 till Oloman anger att gasdiffusions- elektroder kan ge tillräcklig elektrodarea för genomförande av reaktioner, som kräver låga strömtätheter, såsom reduktion av syre till bildning av väteperoxid. Andra olägenheter med gas- diffusionselektroderna är att de är känsliga för förorening, för deaktivering genom igensättning och för deaktivering genom dränkning av porerna med vätska.

En särskilt lämplig metod för framställning av en gasdiffu- sionskatod innefattar perforering av katoden med ett flertal perforeringar, varvid varje perforering har en tillräcklig öppningsarea för att tyngdkraften på elektrolyten skall bli större än kapillärkrafterna på elektrolyten. Även om utövandet av denna uppfinning icke är baserad på någon speciell teori, är det eventuellt möjligt att förklara effek- ten enligt uppfinningen såsom effekten av en serie av ventile- ringar, som förhindrar att en olikformig strömning av elektro- lyten i cellen leder till kanalbildning i cellen.

Det är uppenbart att den optimala storleken, formen och för- delningen av perforeringarna beror på de specifika variabla driftsbetingelserna för elektrolyscellen. Variablerna kan innefatta den specifika vikten hos elektrolyten, strömnings- hastigheten hos elektrolyten i cellen, dimensionen hos katod- kammaren, ytspänningen och andra fysiska och elektriska betingelser i elektrolyscellen. Emellertid kan en fackman på området lätt bestämma de optimala dimensionerna hos en perfo- rering för en speciell cell utan alltför mycket försök.

Beträffande storleken hos perforeringarna är det önskvärt att dessa har en area som motsvarar denna hos en cirkel med en diameter av ca 0,2 mm eller mer, exempelvis 0,1 till l mm, fördelade över ytan av katoden på varje l-2 cm. Även om det icke finnes någon övre gräns för arean av en perforering, minskar en ökning av den sammanlagda arean av perforeringarna i katoden den totala arean hos elektroden som är tillgänglig för elektrolysverkan. 466 500 l9 Föreliggande uppfinning tillämpas företrädesvis när katoden är en gasdiffusionskatod, i vilken såsom gas användes ett flexi- belt ledande material, såsom grafittyg, som gjorts hydrofobt genom impregnering av det flexibla grafittyget med ca 40 till 70 %, lämpligen ca 45 till 65 % av ett polytetrafluoreten- harts, tillföring av en tillräcklig mängd av en första belägg- ning, innehållande ungefär lika stora viktdelar av kolsvart och polytetrafluoretenharts, och därefter sintring av tyget i luft vid 360 till 370°C för att ge ungefär 5 till l5 viktdelar kolsvart per 100 viktdelar av grafittyg och påföring av en tillräcklig mängd av en andra beläggning av en uppslamning av en kvantitet av en suspension av ca 9 delar kolsvart per en del polytetrafluoretenharts räknat på vikten såsom en uppslam- ning i ca 105 viktdelar vatten och ca l5 viktdelar av ett non- joniskt ytaktivt medel för tillföring av ca 5 till 15 % kol- svart räknat på vikten till grafittyget efter sintring, samt sintring av tyget i luft vid ca 360 till 370°C.

Grafittyget kan vara filtade grafitfibrer, ett tyg av vävda grafitfibrer eller ett tyg av stickade grafitfibrer. Stöd eller underlag kan även användas, såsom av en metallbas, såsom ett nickeltyg impregnerat med sintrat nickelpulver.

Det bästa sättet för tillämpning av föreliggande uppfinning framgår av följande icke begränsande exempel.

Elektrolytens strömningshastighet genom cellen kan varieras under drift genom ökning eller minskning av cellens vinkel från horisontalläget och genom variering av den hydrostatiska tryckskillnaden vid cellens inlopp eller utlopp. Cellens generellt horisontella läge ger en fördel hos cellen enligt uppfinningen jämfört med alla tidigare kända celler genom att det icke är nödvändigt att använda ett stöd för någon del av cellen eller att göra någon del av cellen av ett styvt mate- rial. Detta tillåter användning av ett mycket tunt separe- ringsorgan och tillåter mycket tätt mellanrum mellan intill varandra belägna komponenter i cellen. Såsom ett resultat av detta kan det ohmska motståndet hos cellen sänkas långt under 466 500 20 motståndet hos tidigare celler.

Denna särskilt föredragna utföringsform av föreliggande upp- finning framgår bättre med ledning av figurerna 4 och 5.

Figur 4 är en tvärsektion genom en cell, som utnyttjar ett kommersiellt PTFE-filttyg bundet till en luftandningsbar mikroporös polyfluoretenmembran.

Figur 5 är en sprängvy som visar en alternativ utföringsform av cellen 400 på figur 4.

Figur 4. Anod 401, en plåt av nickel eller rostfritt stål, är anordnad i ett generellt horisontellt läge mellan elektrolyt- reservoaren 402 som innehåller elektrolyt 406 och en elektro- lytuppsamlingstank 403. Ett skikt av polyesterfilttyg 405, som är bundet till en mikroporös PTFE-membran 404, stödes på anoden 401 med en första ände i reservoaren 402 som bildar ett elektrolytinlopp och den andra änden i uppsamlingstanken 403 som bildar ett elektrolytutlopp. Elektrolyt bringas att strömma genom polyesterfilten 405 in i uppsamlingstanken 403 med den statiska vätsketryckskillnaden mellan nivån för elekt- rolyten 406 i reservoaren 402 och elektrolyten 413 i uppsam- lingstanken 403. Reservoaren 402 innehåller tillräcklig mängd elektrolyt 406, så att den övre ytan av elektrolyt 406 är högre än elektrolyten 413 eller den andra änden av polyester- filten 405. En porös, elektroledande katod 407 är anordnad att bilda en första yta ovanför och tätt intill polyesterfil- ten 405 och den andra vtan av katoden bildar en ytteryta hos cellen 400, som utgöres av anoden 401, delen av polyesterfilt 405 intill katoden, PTFE-membranen 404 och katoden 407. PTFE- -membranen 404 som definierar eller uppdelar utrymmet mellan anoden 401 och katoden 407 i en anodkammare, vätskefilmen mel- lan anoden 401 och separeringsorganet 404 (icke visat) samt en katodkammare som är upptagen av polyesterfilt 405. Lednings- organ 408 tillför elektrolyt till elektrolytreservoaren 402 från en källa (icke visad). Eventuellt tillför ledningsorgan ytterligare elektrolyt för katodkammaren. Ledare 410 och 466 500 Zl 4ll tillför en spänning till anoden 40l resp. katoden 407 från en spänningskälla (icke visad).

Vid drift suges elektrolyt från reservoaren 402 genom vekver- kan av polyesterfilten 405 in i katodkammaren i cellen 400.

Tillräcklig mängd elektrolyt väter den lägre ytan av PTFE- -membranen 404 innan den kommer i kontakt med anoden 401, så att elektrolyt tillföres till anodkammaren. Vid inverkan av elektrisk energi bildas syrgas i anodkammaren. Syret föres till separeringsorganet 404 och in i katodkammaren till kato- den 407, där det reduceras till väteperoxid. Ytterligare mängd syre diffunderar från den syrehaltiga gasen vid den andra ytan av katoden 407 till den första ytan, där det även reduceras till väteperoxid. Elektrolyten i anodkammaren och katodkammaren kan antingen tvingas från elektrolytinloppet till elektrolytutloppet av vekverkan av polyesterfilten 405 eller av höjdskillnaden (hydrostatiska pelaren) mellan nivån för elektrolyten i reservoaren 402 och elektrolytuppsamlings- tanken 403.

Figur 5 är en sprängvy av komponenterna i en annan föredragen andra utföringsform av en cell. Komponenterna, normalt i kon- takt med varandra, innefattar en anod 501 av nickel eller rostfritt stål, som bildar bottnen av cellen och ovanför vil- ken ligger i följd ett första poröst organ (skikt) 502, sepa- reringsorgan (skikt) 503, ett andra poröst organ (skikt) 504 och en porös katod 505, som bildar den övre ytan av nickelcel- len som är exponerad för en gas innehållande syre. Nickel- nätet 506 och anoden 501 är kopplade till en källa för negativ och positiv spänning (icke visad).

Vid drift inträder elektrolyt 5ll i cellen från elektrolyt- reservoaren 510 genom förlängningen av de porösa organen 502 och 504, vilka förlängningar bildar elektrolytinloppet 520.

De porösa organen 502 och 504 verkar vardera såsom en veke och fördelar elektrolyten likformigt över ytan av katoden 505 och anoden 501. Anoden 501 och nickelnätet 506 är anslutna till en strömkälla (icke visad). Vid anoden 501 bildas syrgas, som 466 500 _ 22 stiger genom anodkammarens porösa organ 502 och föres till den nedre ytan av separeringsorganet 503.

Bubblor av syrgas passerar genom gasöppningar i separerings- organet 503 in i katodkammarens porösa organ 504 och kommer i kontakt med katoden 505. Ytterligare syrgas diffunderar även genom katoden 505 till ytan av elektrolyten i katodkammarens porösa organ 504. Syret från båda källorna reduceras till bildning av en lösning av väteperoxid i elektrolyten i katod- kammarens porösa organ 504. Elektrolyten tvingas från elekt- rolytinloppet 520 tvärsöver ytan av katoden 505 och anoden 501 genom skillnaden ifråga om statiskt tryck (vätskepelare) mel- lan ytan av elektrolyten 5ll i elektrolytreservoaren 510 och den nedre nivån av anolytuppsamlingstanken 512 samt katolyt- uppsamlingstanken 513. Elektrolyten strömmar från katolytens porösa organ 504 och anolytens porösa organ 502 in i elektro- lytuppsamlingstankarna 512 resp. 513. 2 Det är icke nödvändigt att inlopps- eller utloppsänden av de porösa organen 502 och 504 är neddoppade i elektrolyten såsom visas på figurerna. Såsom exempel kan en tratt användas för uppsamling av elektrolyt från de porösa organen 502 och 504 vid cellens utlopp. På likartat sätt kan vid cellens inlopp elektrolyt tillföras direkt till de porösa organen.

De porösa organen 502 och 504 kan innefatta något inert poröst medel, företrädesvis filtade inerta fibrer, vävda inerta fib- rer, stickade inerta fibrer eller ett inert material med kom- municerande porer. De inerta porösa organen kan innefatta polyester, ull, glasskum eller fiber, mineralträ, asbest, polyvinyliden och liknande.

Detaljerna 502, 503, 504 och 505 på figur 5 kan vara kombine- rade till bildning av en "matelassering" 530, vilket är en särskilt användbar tillverkad produkt för den särskilt före- dragna utföringsformen av denna uppfinning såsom visas på figur 5. 466 500 23 Det bästa sättet att tillämpa föreliggande uppfinning exempli- fieras med följande icke-begränsande exempel: Exempel 1 En elektrolyscell konstruerades i överensstämmelse med figur 3. Katoderna framställdes på ett sätt likartat med det enligt US-patenten 4 457 953 och 4 481 303 och utgjordes av kolsvart bundet till grafitflingor (-10 och +20 mesh) med kolloidal polytetrafluoreten (PTFE). Separeringsorganet var en kommer- siell 38 cm x 17 cm polyesterfilt med tjockleken l,l5 mm och anoden var en 27 cm x 19 cm nickelplåt. Ett 12 x 12 mesh nic- kelnät användes såsom strömkollektor. En 3,7%-ig lösning av natriumhydroxid innehållande 0,05 % dinatrium-EDTA användes såsom elektrolyt. Cellen lutades i en vinkel av ca l2° och syrgas bringades i kontakt med den andra ytan av katoden. Den genomsnittliga elektrolytflödeshastigheten var 8,3 g/minut.

Elektrolyten innehöll 0,7 % H2O2 och strömverkningsgraden efter 5 timmar beräknades till 72,3 %. Strömtätheten var 0,02 A/cmz vid en spänning av 1,3 v.

Exempel 2 till 5 En cell byggdes upp med utformningen enligt figur 4. Katoden var en 24 cm x 15 cm x 0,6 cm skumformig nätformig vitrös kol-(RVC)-produkt, som användes för bränslecellelektroder med en porvolym av 97 %. Syrgas bringades i kontakt med den andra ytan av katoden vid atmosfärstryck. Ett 38 cm x l7 cm x 1,3 mm tyg av märke Gortex som bildade separeringsorganet och de porösa organen vilade på en 27 cm x 19 cm plåt av materia- let 316 ss. Kombinationen av vekverkan av filten och det hydrostatiska pelartrycket tvingade elektrolyten av 4 % NaOH genom cellen. Den hydrostatiska pelaren indikeras av lut- ningen av cellen från horisontalplanet. Resultaten jämföres i tabell I. Cellen drevs 6 timmar. 466 500 24 Exempel 2 Katoden var kommersiell obehandlad RVC som användes enligt US-patentet 4 430 l76 och elektrolyten innehöll ingen stabili- sator.

Exempel 3 Exempel 2 upprepades med undantag av att anoden var av nickel och att RVC var impregnerat kolsvart bundet till RVC med kol- loidal polytetrafluoreten (PTFE) för att göra denna hydrofob.

Elektrolyten var 4 % NaOH innehållande 0,05 % dinatriumetylen- diamintetraättiksyra (EDTA) såsom en stabilisator.

Exempel 4 Exempel 3 upprepades med undantag av att katoden var kolsvart buret på ett poröst grafittyg. Tyget var impregnerat med kol- loidal PTFE och kolsvart påfört på den andra ytan.

Exempel 5 Exempel 4 upprepades med användning av kolsvartbelagda grafit- filtkatoden enligt exempel 4.

De ovan angivna exemplen ger en förhållandevis dålig ström- verkningsgrad. Elektrolyten tillfördes till anodkammaren genom sippring av elektrolyt från katolytkammaren före kontak- ten med anoden. I cellen verkade syrebubblor såsom en del av ventilen för att förhindra att elektrolyten i katodkammaren diffunderade in i anodkammaren. Exemplen är emellertid användbara för att visa att ett separeringsorgan kan vara verksamt, även om det tillåter att elektrolyt överföres från anodkammaren till katodkammaren.

Exempel 6 till 8 Cellen från exemplen 2 till 5 monterades upp på ett sätt lik- 466 500 25 artat med figur 5 med undantag av att elektrolyterna från både anodkammaren och katodkammaren uppsamlades i en enda elektro- lytuppsamlingstank. Cellen utnyttjade en 51 cm x 15 cm katod.

En 0,025 mm tjock vattenvätbar mikroporös polypropenfilm användes såsom separeringsorgan med 38 % porositet med en effektiv porstorlek av 0,02 pm. Slitsar punkterades genom filmen med en längd av ca 0,7 mm i ett mönster av 1 cm x l cm.

Det första porösa organet för anodkammaren var en 64 cm x 17 cm polyesterfilt med tjockleken 0,1 mm, under det att det andra porösa organet för katodkammaren var en 64 cm x 17 cm polyesterfilt med ca l mm tjocklek. Om icke annat anges, var elektrolyten i reservoaren 4 % NaOH innehållande 0,05 % EDTA.

Cellerna drevs 5 timmar med syrgas vid atmosfärstryck i kon- takt med den andra ytan av katoden. Resultaten anges i tabell II.

Exempel 6 Katoden var kolsvart avsatt på 1,25 mm tjockt grafittyg impregnerat med PTFE och en blandning av kolsvart och PTFE.

Exempel 7 Exempel 7 var likartat med exempel 6 med undantag av att luft användes såsom syrehaltig gas i stället för rent syre.

Exempel 8 Exempel 6 upprepades med användning av en katjonmembran perfo- rerad med slitsar såsom angivits ovan och använde luft såsom gas innehållande syre. Koldioxid avlägsnades från luften genom att den bringades i kontakt med natriumhydroxid.

Vid jämförelse av exemplen 2 till 5 och 6 till 8 är det tyd- ligt att exemplen 6 till 8 är överlägsna vad beträffar ström- verkningsgrad och väteperoxidkoncentration, även om exemplen 2 till 5 är fungerande exempel. Överlägsenheten av exemplen 6 till 8 synes ligga i att bunsenventilslitsarna, som är punkte- 466 500 26 rade genom separeringsorganet, var mer effektiva än luftventi- lerna hos den expanderade PTFE, som var baserade på gasbubblor för deras funktion.

Jämförelseexempel 9 En cell uppbyggdes på sättet enligt figur 5 med användning av separata icke fästade skikt, elektrolyten var 3,6 % natrium- hydroxid och luft som tvättats fri från koldioxid fördes över ytterytan av katoden. Cellen drevs under 5 timmar vid en strömtäthet av 0,025 A/cmz. Strömverkningsgraden för i genom- snitt två försök var 96 %, vilket gav en elektrolyt innehål- lande i genomsnitt 0,93 % H2O2.

Uppfinningsexempel 9 Jämförelseexemplet 9 upprepades men sammansättningen nåtlades med nylontråd. Varje nåtling var anbringad på ett inbördes avstånd av ca l0 cm. Cellen drevs under 5 timmar med en strömverkningsgrad av 96,4 % och gav en elektrolyt innehål- lande 0,95 % H2O2.

Exempel 10 En katod framställdes av kolsvart buret på ett grafittyg (25 cm x 15 cm x 0,12 cm) impregnerat med polytetrafluoreten (PTFE) av typen duPont Teflon 30B. Tyget som vägde ll,l4 g rengjordes först för avlägsnande av HZOZ-sönderdelningskataly- satorer med 4 % NaOH, 10 % salpetersyra och sköljdes omsorgs- fullt.

Grafittyget var gjort hydrofobt eller vattenavstötande genom impregnering med en vattensuspension av PTFE av duPont-märket Teflon 30B i en mängd som gav 7,1 mg/cm* av PTFE på grafit- tyget. En första beläggning av lika stora viktdelar av kol- svart och PTFE (3,6 mg/cm* av vardera) påfördes på en yta och det belagda grafittyget torkades och sintrades vid 360 till 370°C under ca en timme. Viktökningen var 2,75 g. 466 Boo 27 En andra beläggning påfördes bestående av en suspension av 9 viktdelar kolsvart per l del PTFE. Suspensionen bereddesd genom blandning av 150 g vatten, 22 g nonjoniskt ytaktivt medel av varumärket Triton X-lO0, 0,13 g av en l M NaOH-lös- ning, 2,1 g Teflon 30B och l2,8 g kolsvart (Vulcan XC-72R).

Blandningen påfördes på tyget med en pensel. Det erhållnaL tyget torkades därefter och sintrades vid 360 till 370°C under en timme i luft. Mängden kolsvart som tillfördes på tyget i skiktet var beräknad till ca 3,4 mg/cmz. Viktökningen var' 1,48 g.

En cell sammansattes med användning av en 27 cm x 19 cm nic- kelplåtanod såsom bas och i successiva skikt en 38 cm x l6 cm x 0,l mm polyesterfilt, en 25 cm x 15 cm x 0,1 mm akryl/polyestermembran med en genomsnittlig porstorlek av 0,45 um med 0,75 mm slitsar punkterade genom denna varje centimeter. En andra 30 cm x 15 cm x l,l mm polyesterfilt placerades på membranen och därefter katoden. Ett nickelnät bringades i kontakt med överytan av katoden såsom en ström- kollektor. De två polyesterfiltarna hängde över vid de båda ändarna av anoden med den ena änden neddoppad i en 3,6 % NaOH- -lösning och verkande såsom ett elektrolytinlopp för cellen.

Cellen lutades nedåt från elektrolytinloppet i en vinkel av l2° och lösningen drogs genom cellen genom vekverkan av poly- esterfiltarna. Cellen drevs vid en strömtäthet av 0,025 A/cm* och luft tvättad med 4 % NaOH blåstes över katoden. Efter två 5 timmars försök perforerades katoden med 0,5 mm ventilerings- hål med inbördes avstånd l cm och elektrolys fortsattes under två ytterligare 5 timmars försök. Resultaten är presenterade såsom tabell III. Det framgår att cellens användningsegenska- per förbättrades väsentligt med ventileringshålen vid uppfin- ningsförsöken 3 och 4. 466 500 28 No_o N.H m.w No.o H.H H.« mo.o m.H m.v Ho.o o.m >.m ~Eo\< mcflmcmmm E\m umnumuëmnum wflmfim .ocox |~o~m w o_om o.oH m m~mw o.oH v m.æv o.oH m m.>m m.« N w Hmx:fl> Hmmëwxm Umummm:fl:xnw> lmmcflcuflflo H AQHm 466 500 29 No.o No~o No_o ~E0\< uwnwmuëmnum ßH.H Nm.HH mN.H H.ææ NH w mN.H mo_oH mw.H o.mæ ofi ß m.H Hm.m mw_H o_«m ofi w mcficcwmw E\m .ucox w HmxcH> Hwmëwxm mømfim nmomm w UmumwmGHcxum> |mmcfl:u5fl° HH Qflümáä 466 500 30 TABELL III Försök Ventilations- Verkningsgrad H O Flöde nr hål % 22» 2 g/minut l Nej 85,0 0,85 10,3 2 Nej 84,7 0,85 10,2 3 Ja 95,0 0,98 9,9 4 Ja 97 , 0 0 , 88 ll , 3

Claims (14)

- s: 466 500 PAT ENTKRAV

1. Elektrolyscell för reducering av syre till väteper- oxid vid en katod i närvaro av en alkalisk vattenhaltig elekt- rolyt, k ä n n e t e c k n a d av att cellen har ett elektro- lytinlopp (116), ett elektrolytutlopp (108), en porös katod (106), som är permeabel för gas med en första yta, som står i kontakt med elektrolyten, samt en andra yta, som bildar en ytteryta hos cellen i kontakt med en syrehaltig gas, en anod (101), organ för att leda syrgas bort från anoden, separerings- organ (112) mellan katoden och anoden samt organ för att leda elektrolyt fràn elektrolytinloppet till elektrolytutloppet, varvid separeringsorganet definierar en anodkammare (127) och en katodkammare (128) i cellen samt separeringsorganet är väsentligen permeabelt för en jon i elektrolyten samt katoden och anoden är anordnade i väsentligen vertikal, horisontell eller lutande ställning samt anodkammaren är försedd med organ för att bringa elektrolyten att strömma tvärsöver ytan av anoden samt katodkammaren är försedd med organ för att bringa elektrolyten att strömma från elektrolytinloppet tvärsöver den första ytan_av katoden till elektrolytutloppet med en hastig- het, som är väsentligen lika med den hastighet med vilken elektrolyten strömmar in i katodkammaren.

2. Elektrolyscell enligt patentkrav l, k ä n n e - t e c k n a d av att cellen har ett elektrolytinlopp (116), en porös, självdränerande katod (106) med en första yta, som står i kontakt med elektrolyten, samt en andra yta, som bildar en ytteryta hos cellen, ett elektrolytutlopp (108), anordnat att mottaga elektrolyt som bortrinner från katoden, en anod (101), separeringsorgan (112) mellan katoden och anoden, som definie- rar en anodkammare (127) innehållande elektrolytinloppet (116) och en katodkammare (128), varvid separeringsorganet (112) är väsentligen permeabelt för elektrolyten, samt den andra ytan hos katoden (106) står i kontakt med en syrehaltig gas, vilken cell är försedd med organ för att reglerbart bringa elektroly- ten att passera från elektrolytinloppet (116) genom separe- 466 500 sz ringsorganet (112) och in i den självdränerande katoden (106) med en hastighet, som är ungefär lika med dräneringshastigheten för elektrolyten från katoden (106), samt i en mängd, som är tillräcklig för att fylla endast en del av porerna hos katoden (106), samt är försedd med organ för att bortleda syrgas från separeringsorganet (112) och organ (122) för att släppa ut en gas i anodkammaren från elektrolyscellen.

3. Elektrolyscell enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n - n e t e c k n a d av att katoden (106) är väsentligen vertikal och att cellen innehåller organ för avlänkning av syrgas i anodkammarelektrolyten bort från separeringsorganet innefat- tande spjälgalleröppningar eller jalusiöppningar) i anoden.

4. Cell enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att katoden (106) och anoden (120) är anordnade i huvudsak i horisontell ställning med katoden (106) högre än anoden (120) samt med ett separeringsorgan (112), som är väsentligen permea- belt för elektrolyten och för syrgas, för att bringa syrgas ut ur anodkammaren in i katodkammaren.

5. Elektrolyscell enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att katoden (106) innehåller kolsvart bundet till grafitflingor med polytetrafluoreten.

6. Elektrolyscell enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att den innefattar ett elektrolytinlopp (510), ett elektrolytutlopp (512, 513), en porös katod (505), som är impermeabel för elektrolyten men permeabel för en gas, varvid katoden (505) har en första yta, som står i kontakt med elektrolyten, samt en andra yta, som bildar en ytteryta hos cellen i kontakt med en syrehaltig gas, en anod (501), separe- ringsorgan (503) mellan katoden (505) och anoden (501), som definierar en anodkammare (502) och en katodkammare (504) i cellen, samt organ för att tvinga elektrolyten från elektro- lytinloppet till elektrolytutloppet, varvid separeringsorganet (503) är väsentligen permeabelt både för en jon i elektrolyten 466 500 33 och för bubblor av syrgas, som bildas vid anoden, men är väsentligen impermeabelt för flödet av elektrolyten från katodkammaren till anodkammaren, varvid katoden och anoden i cellen är anordnade i i huvudsak horisontellt läge med katoden (505) ovanför anoden (501), varvid anodkammaren är försedd med organ för fördelning av bubblor av syrgas, som bildas vid anoden, till separeringsorganet, samt för att tvinga elektroly- ten att strömma tvärs över ytan av anoden, samt katodkammaren är försedd med organ för att tvinga elektrolyten från elektro- lytinloppet tvärs över den första ytan hos katoden.

7. Cell enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d av att separeringsorganet (503) är en mikroporös film, som är punkterad med öppningar, som tillåter flöde av syrgas fràn anodkammaren in i katodkammaren.

8. Cell enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d av att separeringsorganet (503) är en jonledande membran, som är punkterad med öppningar som tillåter flöde av syrgas från anodkammaren in i katodkammaren.

9. Cell enligt patentkrav 6, 7 eller 8, k ä n n e - t e c k n a d av att det första och det andra porösa organet (502, 504) är valda från gruppen bestående av filt av inerta fibrer, ett vävt tyg av inerta fibrer, ett stickat tyg av inerta fibrer och ett inert material med kommunicerande porer.

10. Elektrolyscell enligt patentkravet 6, 7, 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d av att katoden är lutande i en vinkel av från 5 till 25°, att elektrolytinloppet är anordnat ovanför elektrolytutloppet för att ge en hydrostatisk tryckskillnad samt att det porösa separeringsorganet (503) och katoden (505) är anordnade att fungera såsom medel för att leda syrgas ut ur elektrolyscellen.

11. ll. Medel (530) som är användbart för konstruktion av elektrolyscellen enligt patentkrav 6, 7, 8, 9 eller 10, vilket är lämpat för framställning av väteperoxid genom reduktion av 466 500 34 syre vid en katod, vilket medel k ä n n e t e c k n a s av i sekvens anordnade skikt; ett första icke-ledande poröst organ (502) som är inert mot en alkalisk vätska, separeringsorgan (503), ett andra icke-ledande poröst organ (504) som är inert mot en alkalisk vätska innehållande väteperoxid, samt en porös katod (505), varvid separeringsorganet är väsentligen permea- belt både för joner och gaser men är väsentligen impermeabelt för vätskor, varvid det första porösa organet och det andra porösa organet är permeabla för fluida, samt fasthållningsorgan som håller vart och ett av dessa skikt i kontakt med en yta av det intilliggande skiktet.

12. Förfarande för framställning av en gasdiffusionskatod för en elektrolyscell enligt patentkrav 6, 7, 8, 9 eller 10 med en första katodyta som står i kontakt med elektrolyt i cellen och en andra katodyta som bildar en övre yta i cellen, k ä n - n e t e c k n a t av att katoden perforeras med ett flertal perforeringar, varvid varje perforering har tillräcklig öpp- ningsarea för att tyngdkraftens inverkan på elektrolyten skall vara större än kapillärkrafterna på elektrolyten och till- räcklig för att förhindra lokaliserad olikformig strömning av elektrolyt i cellen.

13. Förfarande enligt patentkrav 12, k ä n n e t e c k - n a t av att katoden är framställd genom impregnering av ett grafittyg med tillräcklig mängd polytetrafluoretenharts för att ge 40 till 70 viktprocent av hartset på grafittyget, beläggning av det impregnerade grafittyget med en vattenuppslamning av ungefär lika stora mängder av kolsvart och polytetrafluoreten samt sintring av det belagda impregnerade tyget, varvid kol- svart påföres i en mängd som är tillräcklig för att ge c:a 5 till 15 viktdelar kolsvart per 100 delar grafittyg som användes från början, samt tillföring av en tillräcklig mängd av en andra beläggning av en uppslamning av en suspensionsmängd av c:a 9 delar kolsvart per en del av ett polytetrafluoretenharts räknat på vikten såsom en uppslamning i c:a 105 viktdelar vatten och c:a 15 viktdelar av ett nonjoniskt ytaktivt medel 466 500 35 för att ge c:a 5 till 15 % kol räknat på vikten av grafittyget efter sintring, samt sintring av tyget i luft vid c:a 360 till 370°C.

14. Användning av en elektrolyscell enligt något av natentkraven 1-10 för framställning av väteperoxid genom reduktion av syre vid katoden i en vattenhaltig alkalisk elektrolyt.