NO801726L - Monopolar elektrolysecelle av membrantypen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår elektrolyseceller og nærmere bestemt

en enhetlig, monopolar elektrolysecelle av membrantypen med en anode og en katode anordnet på motstående sider av membranen, og med anoden og katoden hver festet til hhv. en anode-og katodepanne. Anode- og katodepannene omslutter anode- og katodeavdelingene hvori elektrodene er anbragt, og de er laget av et bimetallisk laminatmateriale med innsiden av hver av pannene motstandsdyktig overfor anolytten eller katolytten i disse, mens de ytre deler av pannene er laget av et vanlig, elektrisk sterkt ledende metall.

En rekke viktige grunnleggende kjemikalier som anvendes

i moderne industrisamfunn, fremstilles ved elektrolyse. Nesten alt klor og kaustisk materiale som idag anvendes på jordkloden, er fremstilt ved elektrolyse av vandige natriumkloridoppløs-ninger. Det finnes økende interesse for elektrolyse av vann for fremstilling av oxygen og, spesielt, hydrogen som finner stadig økende anvendelse i de moderne samfunn. Andre anvendelser av elektrolyse omfatter elektroorganiske synteser, batterier og lignende, og også mer vanlige anvendelser, som vannrensesystemer og kloreringsanlegg for svømmebassenger.

Celler med såkalt flytende kvikksølvkatode og diafragma-celler har stått for den hovedsakelige elektrolytiske fremstilling av klor og kaustiske materialer. Elektrolyseceller av membrantypen har mer nylig vunnetøket popularitet på grunn av at de er lette å drive og spesielt på grunn at de ikke av-gir forurensende avløp, som kvikksølv, eller er avhengige av bruk av kreftfremkallende materialer, som asbest. Elektrolyseceller av membrantypen omfatter i alminnelighet et anodekammer og et katodekammer som er avgrenset på deres felles side av en hydraulisk ugjennomtrengbar ionebyttemembran av hvilken flere typer nu er tilgjengelige i handelen, men vanlig-vis består av fluorerte polymermaterialer som er blitt gitt nødvendige oyerflateforandringer for at de skal kunne oppvise ionebyttefunksjonen.

Elektrolyseceller av membrantypen omfatter generelt én

av to særpregede typer, dvs. den monopolare type hvor elek-troden i hver celle er direkte forbundet med en krafttilførsels-kilde, eller den bipolare type hvor tilstøtende celler i en cellebenk har en felles mellomliggende elektrodemontasje som

er katodisk på den ene side og anodisk på den annen side.

Flere konstruksjoner både av monopolare bg bipolare. membranceller omfatter et par med formede metallpannedeler som avgrenser anode- og katodeavdelingene^når de er montert overfor hverandre med en membran anbragt mellom pannene. Celler av denne type er beskrevet i US patentskrifter 4017375 og 4108752.

På grunn av meget sterke korroderende betingelser som forekommer i elektrolytten både i anode- og katodekammeret, har det vært nødvendig å lage katode- og anodepannen av et materiale som er motstandsdyktig overfor elektrolytten. I

de fleste tilfeller er anodepanner blitt laget av titan eller et annet ventilmetall eller legeringer derav i plate-form. På lignende måte er katodepanner blitt laget av jern-metaller, som stål eller rustfritt stål etc. Intet av disse materialer vil kunne betegnes som gode eller utmerkede elektriske ledere, og cellespenninger som er tilstrekkelig høye til å overvinne den ohmske motstand for slike panner, spesielt hva gjelder titan, gjør at slike celler ikke er like gode som en celle hvor gode elektriske ledere, som kobber eller aluminium, hadde kunnet anvendes, i det minste for en del av cellens konstruksjon.

En bimetallisk jern/titanseparatorvegg for katode- og anodesider av en bipolar elektrode er beskrevet i US patent-skrift 4111779. Selv om konstruksjonen byr på visse økonomiske fordeler, anvendes det for denne metaller som ikke er sterkt ledende, og motstandstap gjennom konstruksjonen er forholdsvis høye. Dessuten kan atomært hydrogen som dannes på katoden, migrere gjennom jernet og til titanet og for-årsake skjørhet og til slutt svikt av dette.

Panner som er blitt konstruert i overensstemmelse med den lære som er fremsatt i teknikkens stand, som i de oven-nevnte US patentskrifter, omfatter dessuten elektrisk ledende stenger som er festet til den bakre del av pannens innvendige overflater og som strekker seg henimot separatoren og. på hvilke anode- og katodesikter er festet. Det er klart at ohmske motstandstap vil oppstå på grunn av disse ytter-ligere elektrolyttmotstandsdyktige materialer.

Anvendelsen av titan og stå 1 for/anplytt-katolytt- kammere fører til en forholdsvis tung konstruksjon som krever både en vesentlig støttekonstruksjon ved monteringen av disse komponenter og tungt håndteringsutstyr for å bevege slike komponenter når det er det nødvendig å demontere og montere disse..

Det tas derfor ved oppfinnelsen hovedsakelig sikte på

å minske det ohmske tap i membrancellekonstruksjoner ved å lage en slik konstruksjon av et materiale som både er motstandsdyktig overfor elektrolytt og som byr på en samlet lavere elektrisk motstand overfor elektrisk strøm enn tid-ligere anvendte materialer.

Det tas ved oppfinnelsen dessuten sikte på å anvende en konstruksjon for membranceller som både har lav vekt og byr på materialbesparelser.

Oppfinnelsen angår således en monopolar membrancelle

som omfatter en anode som er anordnet i et anodekammer, en katode som er anordnet i katodekammer, og en hydraulisk ugjennomtrengbar ionebyttemembran, og som harhhv.sine anode-

og katodekammer.e definert av en formet metallpanne med et overfor elektrolytt motstandsdyktig metall som danner den innvendige overflate derav og med et forholdsvis godt elektrisk ledende metall som danner den ytre overflate derav, idet det overfor elektrolytt motstandsdyktige metall og det sterkt elektrisk ledende metall både for anode- og katodepannene utgjøres av et laminatmateriale.

Anodepannen er dessuten laget av et metallaminat med et ventilmetall eller en legering derav anordnet på dets innvendige overflate og med det sterkt elektrisk ledende metall, som aluminium eller kobber eller legeringer derav, laminert til dette.

Katodepannen er dessuten laget av et laminert materiale med en innvendig overflate av en tynn plate av jern, stål, rustfritt stål eller et lignende metall som er laminert til den ytre overflate som omfatter et forholdsvis tykt lag av et elektrisk godt ledende metall, som aluminium eller kobber.

Anode- og katodepannene er dessuten presset på en felles pressform og omfatter fordypninger som strekker seg innad og som tjener, både som monteringssteder for anodene og katodene

og for å gjøre pannenkonstruksjonen stiv.

Valseformede eller eksplosjonsbundne metallaminater har lenge vært anvendt innen fremstilling av kjeler og kasseroller fordi de byr på slike egenskaper som motstandsdyktighet overfor mattering i én del av laminatet og god varmeledningsevne i en annen del av laminatet. Gryter og kasseroller med en innvendig overflate av et overfor mattering motstandsdyktig metall, som rustfritt stål, og med en utvendig overflate av aluminiumlegering eller av kobber kan således kjøpes. Foruten god varmeledningsevne som er ønsket for kokekar, byr aluminium og kobber på god elektrisk ledningsevne som er av fordel innen den industri hvor elektriske komponenter anvendes. Rustfritt ståls hardhet og motstandsdyktighet overfor mattering som er fordelaktig for kokekar, er også fordelaktig for elektrolyseprosesser. Slike laminater er også tilgjengelige med et innvendig lag av titan eller andre ventilmetaller som er motstandsdyktige overfor korroderende anolyttbetingelser som forekommer i en kloralkali-elektrolysecelle. På lignende måte er stål og rustfritt stål motstandsdyktige overfor den korroderende innvirkning av katolytter som ofte inneholder høye konsentrasjoner av alkalimetallhydroxyder, f.eks. i alkalihalogenidelektrolyse-celler. Laminater kan omfatte en rekke lag av forskjellige metaller alt efter den beregnede anvendelse.

Lamihatplatematerialers formbarhet er blitt fastslått

ved at de er blitt anvendt for fremstilling av kokekar,

som gryter og kasseroller, med forholdsvis komplisert form. Det har nu vist seg at slike bimetalliske laminater med fordel kan anvendes som konstruksjonsmaterialer for celler for elektrolyse ved at de byr på fordelene med lav vekt,

høy elektrisk ledningsevne og motstandsdyktighet overfor elektrolytt. Ved anvendelse av felles pressformer for å presse både anolytt- og katolyttpanner kan dessuten utstyr for fremstilling av fullstendige elektrolyseceller reduseres vesentlig.

Monopolare celler ifølge oppfinnelsen byr på de fordeler at de lett kan fjernes fra en cellerad for å repareres eller for å byttes ut uten at driften av naboceller må av- brytes, da de monopolare celler utgjør både den elektriske leder og beholderen. Dessuten er de monopolare celleenheter identiske og kan lett byttes ut med hverandre innenfor sys-temet. Dette er også fordelaktig ved at produksjonskapa-siteten lett kan reguleres efter behovet på anvendelses-stedet ved ganske enkelt å øke eller minske antallet av celler som er nødvendig for å fremstille en viss produkt-mengde. Fremstilling av klor og kaustiske materialer på selve forbruksstedet, som i en papirfabrikk eller i et annet lignende anlegg, kan således lett utføres.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under henvisning til tegningene, hvorav

Fig. 1 viser et. horisontalriss delvis i snitt av en rekke installerte celler ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 viser ét sideriss av en del av den på Fig. 1 viste cellerad, tatt langs linjen 2-2 ifølge Fig. 1, og Fig. 3 viser et tverrsnitt tatt langs linjen 3-3 ifølge

Fig. 2.

På Fig. 1 er vist en rekke monopolare celler 10 som er forbundet med en anodesamlerskinne 12 og en katodesamler-skinne 14 ved hjelp av tilkoblinger hhv. 16 og 18. Hver monopolar celle 10 omfatter en anodepanne 20 og en katodepanne 22.

Anodepannen 22 er laget av et bimetallisk, laminert materiale med et innvendig lag 24 som består av et ventilmetall eller en legering derav, fortrinnsvis titan. Anodepannens 20 utvendige lag 26 er laminert til det innvendige lag 24 og er fortrinnsvis laget av et elektrisk sterkt ledende metall, som aluminium eller kobber. Det utvendige lag 26 strekker seg til utenfor selve pannekonstruksjonen slik at det fås en tappdel 28 som kan være direkte forbundet med anodetilkoblingen 16 ved hjelp av festeanordninger, som en bolt 30 og mutter 32. Anodesamlerskinnen 12 og anodetilkoblingen 16 er normalt fremstilt fra vanlige kobber-barrer. Dersom anodepannens 20 utvendige lag 26 er laget av et kobbermateriale, vil det ikke foreligge noen som

. helst problemer med å feste tappdelen 28 direkte til anodetilkoblingen 16. Dersom imidlertid anodepannens utvendige

lag er laget av aluminium, vil forbindelsen med anodetilkoblingen 16 kunne by på et problem som skyldes bimetall-korrosjon. I dette tilfelle vil det være foretrukket å slag-lodde eller sveise koblekontakter til tappdelen 28 av aluminium for å unngå denne bimetallkontakt. Det vil imidlertid forstås at denne metode bare er foretrukken og at det er' mulig direkte å forbinde en tappdel 28 av aluminium med en tilkobling 16 for en kobberanode.

Anodepannen 20 er opprinnelig en flat plate, men den blir presset slik at det dannes et fordypet anodekammer 34

og en rekke ribber 36 som rager innad og som er forsynt med topper 38. En gjennomhullet anodedel 40 punktsveises til anodepannen 20 på toppene 38. Den gjennomhullede anode 40

er av en type som er generelt velkjent innen dette tekniske område og omfatter et ventilmetallsubstrat med et påført elektrokatalytisk belegg av edelmetaller og/eller oxyder derav, overgangsmetalloxyder eller blandinger av hvilke som helst av disse materialer. Anoden 40 er generelt plan og kan være laget av et hvilket som helst gjennomhullet materiale, som strekkmetallduk eller vireduk.

Katodepannen 22 omfatter et innvendig lag 42 av et over-, for katolytt motstandsdyktig materiale, som jern, stål, rustfritt stål eller andre lignende legeringsmaterialer. Katodepannens 22 utvendige lag 44 er laget av et ledende metall, som aluminium eller kobber, og fortrinnsvis av det samme utvendige lagmateriale som anodepannens 20 utvendige lag 26, selv om det vil forstås at det ikke er nødvendig at det samme materiale anvendes for anodepannens 2 0 og katodepannens 22 utvendige lag hhv. 2 6 og 24. Katodepannen 2 2 har nøyaktig samme form som anodepannen 20. En tappdel 46 strekker seg således utenfor selve pannen for å forbindes med katodetil-koblinger 18 ved hjelp av festeanordninger, som en bolt 48

og mutter 50 på en måte som funksjonelt er identisk med festingen a<y>anodepannens 20 tappdel 28.

På samme måte som anodepannen 20 omfatter katodepannen 22 et presset, fordypet katodekammer 52 og en rekke ribbedeler 54 som strekker seg innad og som er forsynt med topper 56. En gjennomhullet katodedel 58 er festet.til ribbe-delenes 54 topper 56, f.eks. ved hjelp av punktsveising, på lignende måte som for anodedelen 40. Den gjennomhullede katodedel 58 er laget av et plant, gjennomhullet materiale, som vireduk, strekkmetall eller en gjennomhullet plate, og den kan være laget av et hvilket som helst materiale som er motstandsdyktig overfor katolytt, men den er fortrinnsvis laget av stål eller rustfritt stål. Den gjennomhullede katode 58 kan dessuten være forsynt med et belegg av et matériale som senker hydrogenutladingsoverpotensialet, som en legering av nikkel med et utlutbart metall, som aluminium eller sink, påført på denne for å gi et øket overflateareal. Det bør bemerkes at når anodepannen 20 og katodepannen 22 formes og monteres, er ingen manuell håndtering nødvendig da pannene 20 og 22 kan formes i automatiske pressemaskiner og sveisingen av anodedelen 40 og katodedelen 58 kan utføres med automatisk sveiseutstyr. Alle disse forhold gjør at fremstillingsprosessen blir jevn og enkel og at det erholdte produkt blir rimelig.

Når de fullstendige monopolare celler 10 monteres, an-bringes en ionebyttemembran 60 med en pakningsdel 6 2 som om-, gir membranens utvendige kantdeler, tett mellom en anodepanne 20 og en katodepanne 22, som vist på figurene. Hver anodepanne og katodepanne omfatter en omkretsflensdel hhv. 61 og 63 som befinner seg i kontakt med membranens 60 pak-ning 62. På vanlig måte er festeanordninger, som en rekke bolter 6 4 og muttere 66, ført gjennom anode- og katodepannens flensdeler hhv. 61.og 63 og gjennom den mellomliggende pak-ning 62. Det er velkjent at en viss elektrisk isolasjon er nødvendig rundt festeanordningene slik at det ikke oppstår en kortslutning mellom anoden og katoden. Når de monopolare celler er ferdig montert, vil anodekammeret 34 være vendt mot katodekammeret 52, idet membranen 60 virker som skille-vegg mellom de to kammere og avgrenser hvert av disse. Anodedelen 40 befinner seg i det vesentlige parallelt med og i meget kort avstand fra membranen 60, på samme måte som katodedelen 58.

Når aluminium anvendes som den elektrisk ledende del

av laminatet, foretrekkes det, men det er ikke nødvendig, å anvende et i det vesentlige uoxyderbart utvendig belegg på

pannekonstruksjonenes utvendige overflate. Beleggmaterialene kan omfatte plaster, varmefaste malinger eller uoxyderbare salver etc. Utvendige lag av kobber kan beskyttes på lignende måte, men beskyttelsen er da ikke av så avgjørende be-tydning som for aluminium.

I hver anodepanne og katodepanne hhv. 20 og 22 er det minst én åpning for tilførsel av reaktanter og for å fjerne produkter fra anodekammerne og katodekammerne hhv. 34 og 52. Ifølge den utførelsesform som. er vist på Fig. 1 er monopolare naboceller 10 anordnet slik at en celles 10 anode-

panne befinner seg ved siden av en anodepanne for nabocellen. På lignende måte befinner katodepannen 22 seg ved siden av katodepannen for en monopolar nabocelle. For en slik anord-ning kan et felles samlerør, som et Y-formet rør 70, an-

vendes for å forsyne naboåpninger 68 i to nabokatodepanner eller -anodepanner, avhengig av anbringelsen av disse. Det

er vanlig i praksis å anvende minst én innløpsåpning og minst én utløpsåpning for hhv. reaktanter og produkter ved monteringen av en celle, selv om det vil forstås at en slik an-ordning ikke er nødvendig. Dessuten vil de overfor hverandre anordnede katodepanner og anodepanner i naboceller by på den fordel at det kan anvendes et enkelt tilførselssystem for å forsyne to naboceller, hvorved røropplegget blir mindre komplisert. Det skal imidlertid fremheves at den økonomiske fordel bare er ønsket og ikke nødvendig.

Claims (1)

1. Monopolar elektrolysecelle av membrantypen for elektrolyseprosesser, karakterisert ved at den omfatter et anodekammer som er avgrenset av membranen, en generelt plan, gjennomhullet titananode og en presset anodepanne av metallaminat med et innvendig lag av titan bundet over hele sitt omfang til et tykkere utvendig lag av aluminium, et katodekammer som er avgrenset av membranen, en generelt plan, gjennomhullet stålkatode og en katodepanne av presset metallaminat med samme form som anodepannen og med et innvendig stållag bundet over hele sitt omfang til et tykkere utvendig lag av aluminium, idet hver anode- og katodepanne oppviser et fordypet kammer med en rekke ribbedeler som strekker seg innad og som hver er sveiset til hhv. anoden og katoden, og idet anoden og katoden er i det vesentlige paral-lelle med og anordnet i meget kort avstand fra membranen.