NO863293L - Monopolar eller bipolar elektrokjemisk terminalenhet med et elektrisk stroemtransmisjonselement. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret monopolar eller dipolar elektrokjemisk terminalenhetskonstruksjon og nærmere bestemt en klor-alkali monopolar elektrode terminalenhet med en billig, enkel, effektiv anordning for å overføre elektrisk strøm til eller fra elektrodekomponentene derav.

Det finnes to grunnleggende typer elektrokjemiske celler som normalt brukes for elektrolyse av saltløsninger under dannelse av klor og kaustik soda, dvs. monopolare celler og bipolare celler.

En bipolar filterpressetype elektrolysecelle er en celle bestående av flere elektrokjemiske enheter i serie som en filterpresse, hvori hver enhet, unntatt de to ende-enheter, virker som en anode på en side og en katode på den annen side, idet rommet mellom disse bipolare enheter er opptelt i et anode-og et katoderom med en membran.

Monopolare filterpressetype-elektrolyttiske enheter er kjent og omfatter terminalceller og flere katodeenheter og anode-enheter plassert skiftevis mellom terminalcellene.

I monopolare celler føres elektrisk strøm til en elektrode-enhet og fjernes fra en tilstøtende motsatt ladet enhet. Strømmen går ikke gjennom en rekke elektroder fra en ende av en rekke celler til den andre ende av seriene som i bipolare elektroder.

Et spesielt mål for oppfinnelsen er å tilveiebringe en elektrisk fordelingsanordning for elektrokjemiske celler med et minimalt antall deler, et minimalt antall elektriske forbindelser ved anvendelse av billige, lett tilgjengelige materialer og som muliggjør bruk av elektroder med praktisk talt enhver rimelig lengde og bredde.

Oppfinnelsen er en terminalenhet som er egnet for bruk i monopolar eller bipolar elektrokjemiske celler omfattende: et elektrisk strømtransmisjonselement i form av en hovedsakelig plan, kontinuerlig elektrisk ledende bæredel med flere knaster på minst en side derav, og en rammelignende flensdel som går langs ytterkantene av bærerdelen,

en foring med en profil som passer siden av bærerdelen, hvori foringen er laget av et korrosjonsbestandig metall og plassert mot den knastholdige overflate på bærerdelen, og

en hullet elektrodedel plassert mot foringen og som hviler mot knastene, hvilken elektrodedel og foringer er forbundet sammen til minst en del av knastene;

karakterisert vedat terminalenheten er egnet for bruk i en monopolar eller en bipolar celleserie og inneholder festeanordninger for minst en elektrisk strømførende leder plassert på den plane bæredel eller flensdelen av terminalenheten.

Oppfinnelsen kan bedre forstås ved henvisning til tegningene som illustrerer oppfinnelsen hvor like henvisningstall på tegningene viser til like deler på de forskjellige tegninger, og hvor: Fig. 1 er en utvidet, delvis vekkbrutt perspektivisk avbildning av en terminalenhet. Fig. 2 er et forstørret sidesnitt av terminalenheten på fig. Fig. 3 er et tverrsnitt fra siden av en terminalenhet og en monopolar elektrokjemisk enhet slik de vil sees i en celleserie. Fig. 4 er et tverrsnitt av en terminalenhet og en bipolar elektrokjemisk enhet slik de vil se ut i en celleserie.

Foreliggende oppfinnelse er en monopolar eller bipolar elektrokjemisk terminalenhet med et elektrisk strømtransmisjons-element heretter kalt et ECTE, som effektivt og jevnt bringer elektrisk strøm til cellens elektrodekomponenter. ECTE'et omfatter en generelt plan bærerdel med flere knaster som stikker ut fra i det minste en overflate av bærerdelen, og en rammelignende flensdel som går langs de ytre kanter av den plane bærerdel. ECTE'et i oppfinnelsen er spesielt egnet for bruk i en terminalenhet i en kloralkali elektrokjemisk celleserie. Som sådan er den enkel, billig, lett å fremstille og meget egnet for teknisk bruk.

Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å bruke metaller med høy spesifikk motstand for ECTE'er som har et meget lavt spenningsfall uten å kreve bruk av metaller som har lav spesifikk motstand, men er forholdsvis dyre.

Metaller med høyere spesifikk motstand gir større elektrisk motstand enn lavspesifikk-motstandsmetaller. For eksempel har kobber en spesifikk motstand på 1,673 mikroohm pr. cm og støpe-jern har en gjennomsnittsresistivitet på ca. 86 mikroohm pr. cm. Således gir støpejern ca. 50 ganger mer elektrisk motstand enn et tilsvarende dimensjonert kobberstykke ville gi. Man kan lett se hvorfor man tidligere foreskrev bruk av lav spesifikk motstandsmetaller såsom kobber for å gi elektrisk strøm til elektrodene.

I slike tilfeller hvor teknikkens stand foreskrev høy spesifikk motstandsmetaller for å fordele elektrisk strøm i elektrolyttceller, f.eks. i US patent nr. 4.464.242, var cellene begrenset i størrelse på grunn av de høye motstandstap som stammet fra høy spesifikk motstand i strømfordelingsmetall-komponenten. US patent nr. 4.464.242 beskriver en celle med begrenset størrelse fra 15 til 60 cm i lengde for unngå nødven-digheten av å bruke kompliserte strømførende anordninger.

Som man kan se, kan den elektriske motstand i en strøm-fordelingsmetallkomponent minimaliseres ved: (1) å redusere lengden av strømveien; eller (2) å øke tverrsnittsflaten som strømmen går igjennom. Foreliggende oppfinnelse benytter den siste metode, mens teknikkens stand konsentrerte seg på den førstnevnte metode.

Ved ECTE'et ifølge foreliggende oppfinnelse kan billige høy spesifikk motstandsmetaller brukes temmelig tilfredsstillende til å fordele elektrisk strøm uten å være begrenset til små celler og uten å måtte ty til kompliserte strømføringsanordninger.

"Elektrokjemisk celle" slik uttrykket her brukes, betyr en kombinasjon av elementer som inneholder minst to elektroder og en ECTE. Cellen kan være en monopolar celle med lignende ladede elektroder eller en bipolar celle med motsatt ladede elektroder.

"Elektrodekomponent" betyr en elektrode eller et element i forbindelse med en elektrode såsom et strømfordelingsgitter, strømsamler eller matte. Komponenten kan foreligge i form av trådduk, vevet tråd, punchet plate, metallsvamp, ekspandert metall, perforert eller ikke-perforert metallplate, flatt eller korrugert nettverk, adskilte metallstrimler eller staver, eller andre kjente former for en fagmann.

Eventuelt kan elektrodekomponentene være strømsamlere i kontakt med en elektrode eller de kan være elektroder. Elektroder kan eventuelt ha et katalytisk aktivt belegg på overflaten. Elektrodekomponentene kan sveises på ECTE'et eller foringen hvis en foring brukes. Fortrinnsvis er de elektriske komponenter sveiset fordi den elektriske kontakt er bedre.

Andre elektrodekomponenter som kan brukes i forbindelse med foreliggende oppfinnelse er strømsamlere, avstandsholdere, matter og andre elementer som er kjent for en fagmann. Spesielle elementer eller sammensetninger for nullåpningskonfigurasjoner eller faste polymer elektrolytt membraner kan anvendes. Elektro-lyseenhetene i foreliggende oppfinnelse kan også tilpasses for et gasskammer for bruk i forbindelse med en gassforbrukende elektrode, noen ganger kalt en depolarisert elektrode. Gasskammeret kreves i tillegg til rommene for flytende elektrolytt. En rekke elektrodeelementer som kan brukes i foreliggende oppfinnelse er velkjent for en fagmann og er f.eks. beskrevet i US patent nr. 4.457.823, 4.457.815, 4.444.623, 4.340.452, 4.444.641, 4.444.639, 4.457.822 og 4.448.662.

ECTE'et som brukes i terminalenheten i foreliggende oppfinnelse tjener som både: (1) en anordning for å lede elektrisk strøm til elektrodekomponentene i enheten; og (2) en bære-anordning for å holde elektrodekomponentene i en ønsket stilling.

ECTE'et er laget av et metall som leder elektrisk strøm gjennom ECTE'et til elektrodekomponentene i terminalenheten. ECTE'et i cellen i foreliggende oppfinnelse har en stor masse og en lav motstand og gir en bane for fordeling av elektrisk energi som er i det vesentlige jevn til alle deler av elektrodekomponentene. På grunn av sin store masse og låve motstand er dimensjonene til en terminalenhet i foreliggende oppfinnelse ikke begrenset i størrelse såsom de tidligere kjente. Den primære elektriske strømledning og fordeling over hele overflateområdet til elektrodekomponentene oppnås gjennom den plane bærerdel med en lav motstand og hvori den plane bærerdel her tilsvarer elektrodekomponentenes utstrekning. Den plane bærerdel kan lett lages av et annet metall enn elektrodekomponentene.

ECTE'et i terminalenheten er i det vesentlige stivt. "I det vesentlige stivt" betyr her at det er selvbærende og ikke bøyer seg under sin egen vekt under normale forhold, videre er det betydelig stivere og mere massivt enn elektrodekomponentene i forbindelse med dette.

Fortrinnsvis velges metallet i ECTE'et fra jern (Il)metaller såsom jern, stål, rustfritt stål og lignende, samt andre metaller såsom nikkel, aluminium, kobber, magnesium, bly, legeringer av hver og legeringer derav. Fortrinnsvis velges metallet i ECTE'et fra jern(II)metaller. Metaller med så høy spesifikk motstand eller høyere enn kobber kan brukes økonomisk for å danne ECTE'et. Mer økonomisk brukes metaller med en større spesifikk motstand enn ca. 10 mikroohm pr. cm. Mest økonomisk brukes metaller med spesifikk motstand så høye som eller høyere enn 50 mikroohm pr. cm.

Den rammelignende flensdel er anordnet på ytterkantene av hver bærerdel av en ECTE som omfatter elektrodekomponentene når en tilsvarende ECTE av en tilstøtende elektrokjemisk enhet plasseres tilstøtende til denne. De rammelignende flensdeler butter med hverandre og minimaliserer således antallet poten-sielle lekkasjepunkter fra en innvendig del av en celle. Eventuelt har den rammelignende flensdel mer form av en tetningslist i tettende samvirke med bærerdelen og en tilstøtende flensdel.

Eventuelt kan en seksjon av flensdelen formes samtidig med bærerdelen og en annen del av den kan festes senere til bærerdelen for å gjøre den rammelignende flensdel fullstendig.-Eventuelt kan den rammelignende flensdel settes sammen fra flere flensdeler og deretter festes til bærerdelen. Den rammelignende flensdel kan lages av metall eller plastmaterialer eller en kombinasjon derav. En separat rammelignende flensdel kan lages av et spenstig sammenpressbart materiale eller et i det vesentlige usammenpressbart materiale kan lett plasseres over ytterkantene av bærerdelen. Slike rammelignende flensdeler kan festes til bærerdelen eller kan ganske enkelt klemmes på plass etter lukning av filterpressetypeenheten. Når et i det vesentlige usammenpressbart materiale brukes for flensdelen, kan tilsvarende spenstige tetningslister brukes for å sikre hydraulisk tetning ifølge vanlig praksis. Fortrinnsvis er flensdelen en integrert del av bærerdelen, dvs. den er laget av det samme materialet som bærerdelen derav og danner et enkelt enhetslegeme uten avbrudd i materialet som danner ECTE'et.

Når flensdelen er dannet fullstendig som en integrert komponent av bærerdelen, kan små avsnitt av flensdelen utelates eller fjernes for å tillate fluidum, elektriske eller andre forbindelser mellom en celleenhets innvendige og utvendige områder. Avhengig av de utelatte delers størrelse kan det foreligge erstatningsstøtte for tetningslist eller romf6ring.

I tillegg gir flensdelen en stor masse av metall som elektrisk strøm kan føres igjennom om ønsket. Fortrinnsvis er flensdelens tykkelse minst ca. 2-3 ganger større enn bærerdelens tykkelse. Fortrinnsvis er flensdelen fra 60 til 70 mm tykk når bærerdelen er fra 20 til 25 mm tykk.

Flensdelen kan lages av et metall valgt blant de samme metaller som anvendes for den plane bærerdel. Det forutsettes også at flensdelens metall kan være et annet metall enn metallet som brukes for bærerdelen. Hvis, f.eks. bærerdelen er laget av et jern(II)metall, kan flensdelen være av kobber eller hvilket som helst av de andre metaller som hensiktsmessig kan anvendes for bærerdelen. Eventuelt kan flensdelen være laget av et syntetisk harpiksmateriale. Uten å skulle være begrenset av de spesifikke syntetiske harpiksmaterialer som heretter er oppført, innbefatter eksempler på slike egnede materialer polyetylen, polypropylen, polyvinylklorid, klorert polyvinylklorid, akrylo-nitril, polystyren, polysulfon, styrenakrylonitril, butadien og styrenkopolymerer; epoksy, vinylestere, polyestere og fluor-plaster og kopolymerer derav. Det foretrekkes at et materiale såsom polypropylen brukes for flensdelen, da det gir en form med riktig strukturell helhet ved høyere temperaturer, er lett tilgjengelig og er relativt billig i forhold til andre egnede materialer.

Hvor det tidligere krevdes bruk av dyre materialer såsom titanbelagte kobberstaver, kan foreliggende oppfinnelse anvende billige jern(II)metaller såsom jern eller stål. Således er cellens totaldimensjoner i foreliggende oppfinnelse nesten ubegrensede. Av praktiske grunner brukes fortrinnsvis imidlertid dimensjoner i området fra 0,25 til 4 m<2>.

Knastene stikker en forutbestemt avstand utover fra den plane bærerdel i et elektrolyttrom nær ECTE'et. Den annen side av bærerdelen kan eventuelt ha knaster, men behøver ikke ha dem. Knastene som stikker inn i et elektrolyttrom kan forbindes mekanisk og elektrisk enten direkte eller indirekte med elektrodekomponenten gjennom minst et kompatibelt metallmellomstykke såsom en metalloblat eller -kupong som befinner seg mellom elektroderommet og hver av knastene. Fortrinnsvis ligger knastene i det samme geometriske plan. Elektrodekomponentene er fortrinnsvis sveiset på knastene som i det vesentlige er kompakte. Knastene kan imidlertid inneholde innvendige hulrom som resultat av støping.

I begge tilfeller er lengden av de flere elektriske strøm-baner mellom elektroderommet og knastene som stikker ut fra bærerdelen praktisk talt ubetydelige. Således er motstanden lav selv når elektrodekomponenten er indirekte forbundet med knastene .

Knastene er fortrinnsvis i ett stykke med bærerdelen og formes fortrinnsvis når ECTE'et støpes. Således består de fortrinnsvis av samme metall som bærerdelen. Da noen metaller er vanskelig å sveise, kan imidlertid knastene bestå av et annet materiale enn bærerdelen. For å danne en slik struktur kan metallstaver plasseres i en form hvor knastene skal plasseres, og et støpbart metall kan støpes rundt stavene.

Knastene er fortrinnsvis adskilt på en måte som gir fast støtte for elektrodekomponentene. Hyppigheten av knastene, enten de har rundt tverrsnitt eller er langstrakte eller ribbeformede i tverrsnitt pr. enhetsflate av elektrodekomponentene i forbindelse med disse kan variere innenfor vide grenser. Separa-sjonen mellom tilstøtende knaster vil generelt avhenge av motstanden til metallet som brukes for den plane bærerdel. For tynnere og/eller mer resistive elektrodekomponenter vil knastenes adskillelse være mindre, og så gi et tettere punkttall for elektrisk kontakt, mens for tykkere og/eller mindre resistive elektrodekomponenter kan avstanden til knastene være større. Normalt er avstanden mellom knastene fra 5 til 30 cm, selvom en mindre eller større avstand kan brukes avhengig av samlede konstruksjonsbetraktninger.

En rekke støpemetoder som er velkjente på området kan brukes.

Foreliggende oppfinnelse inneholder eventuelt en sideforing laget av en metallplate tilpasset over slike plater av ECTE'et som ellers ville være utsatt for det korroderende miljøet i elektrolyttrommet. Fortrinnsvis er foringen laget av et metall som er i det vesentlige bestandig mot det korroderende miljøet i elektrolyttrommet og formes slik at det passer over, eller er i forbindelse med knastene og, enda heller, endene av knastene som stikker frem fra bærerdelen.

Enda heller er f6ringen trykket tilstrekkelig ned rundt knastene mot bærerdelen og rommene mellom knastene, slik at en fri sirkulasjon av fluider tillates mellom det forede ECTE'et og separatoren eller det tilstøtende elektrolyttrom. I tillegg kan foringen av pregingstrekk for fluid-dirigeringshensikter. Disse ytterligere pregingstrekk kan eventuelt være forbundet med bærerdelen.

Det er ikke nødvendig at foringen er trykket ned rundt de adskilte knaster i kontakt med bærerdelen. I stedet kan foringen bare hvile på knastenes toppflater.

I situasjoner hvor metallet i foringen ikke er sveisbart forenlig med metallet i ECTE'et, kan det være metalloblater eller -kuponger plassert på en buttende måte mellom knastene og foringen. Et metallsjikt av kupongen som støter mot hver knast er sveisbart forenlig med metallet som knasten er laget av og er følgelig sveiset til knasten, mens et annet metallsjikt på den side av kupongen som støter mot foringen er sveisbart forenlig med metallet som foringen er laget av. Følgelig er kupongen sveiset til f6ringen slik at foringen er sveiset til knastene gjennom kupongen. I de fleste tilfeller kan kuponger anvendes som er laget av et eneste metall eller metall-legering og som meget vel tjener som metallmellomlegg.

I det tilfellet hvor foringen er laget av titan og knastene er laget av et jern(II)metall, foretrekkes det å ha vanadiumTkuponger for å tjene som det sveisbart forenlige metall plassert mellom knastene og den tilstøtende foring, slik at titanf6ringen kan sveises til jernmetallknastene gjennom kupongene. Vanadium og nikkel er eksempler på metaller som er sveisbart forenlige med både titan og jern(II)metaller.

I utførelsesformen som er illustrert på fig. 2 er f.eks. en andre kupong 31 plassert mellom en første kupong 30 og foringen 26. Den andre kupong er ønskelig fordi den minimaliserer korrosjon. Når bare en kupong brukes mellom en titanforing og en jernmetallknast, såsom en vanadiumkupong, har man oppdaget at de korrosive materialer ved kontakt med foringen under cellens drift synes å trenge inn i titan-vanadiumsveisen og korroderer sveisen. I stedet for å bruke en tykkere foring, er det mer økonomisk å sette inn den andre kupong 31 som er tilstrekkelig tykk til å minimalisere muligheten for at de korrosive materialer kommer i kontakt med ECTE'et.

En annen måte å forbinde en foring til ECTE'et når metallene i den indre foring og ECTE'et er sveisbart uforenlige, er ved bruk av eksplosjonsbinding eller diffusjonsbinding. Slike metoder er tidligere kjente. Se f.eks. US patent nr. 4.111.779.

I mange tilfeller er det meget ønskelig at foringen strekker seg over hele sideflaten av den rammelignende flensdel for å danne en tettende flate ved denne for separatoren når en terminalenhet plasseres mot en tilstøtende celleenhet.

I kloralkaliceller brukes en foring oftest i anodeterminal-celler og brukes mindre hyppig til å fore katodeterminalceller.

I prosesser hvor den elektrokjemiske celle brukes til å fremstille høyere kaustik konsentrasjoner enn ca. 22 vekt% kaustik-løsning, kan imidlertid en katolytforing væreønskelig å bruke. Katolytf6ringen er laget av et elektrisk ledende materiale som er i det vesentlige korrosjonsbestandig mot miljøet i katolytrommet. Plastmaterialforinger kan brukes i noen tilfeller hvor man sørger for å forbinde katoden elektrisk til katodeknastene gjennom plasten. Også kombinasjoner av plast og metallforinger kan brukes. Det samme gjelder anolytforinger.

Foringer for katolytterminalenheten er fortrinnsvis laget av jern(II)metaller såsom rustfritt stål, eller av nikkel, krom, monel, legeringer av hver og legeringer derav.

Fdringer for anolytterminalenheten er fortrinnsvis laget av titan, vanadium, tantal, columbium, hafnium, sirkonium, legeringer av hver og legeringer derav.

I tilfeller hvor terminalenheten brukes i en fremgangsmåte for å fremstille klor og kaustik ved elektrolyse av en vandig saltløsning, foretrekker man helst at anolytterminalenhetene er foret med titan eller en titanlegering og ECTE'et er det med et jern(II)metall.

Terminalenhetene i foreliggende oppfinnelse kan enten være katodehalvceller eller anodehalvceller. "Halvcelle" betyr et celleelement med en ECTE og bare en elektrode. Elektroden kan enten være en katode eller en anode avhengig av hele celle-konfigurasjonens konstruksjon. Terminalenhetene som enten er anode eller katode vil bestå av et aktivt område (dvs. hvor produktet fremstilles) og et inaktivt område (dvs. hvor produktet ikke fremstilles). Definisjonen av om det aktive området er anode eller katode er den samme som forut omtalt. Det inaktive området fullstendiggjør definisjonen av en monopolar elektro-lyttisk celleenhet. Dette avsnittet av cellen kan brukes til å holde enheten sammen som i en hydraulisk klemme.

Ved monopolare anvendelser er imidlertid terminalenhetene fortrinnsvis katoder. De kan ha et ECTE lignende det som brukes for mellomelektrodeenhetene. Imidlertid kan den utvendige siden derav være flat eller utstyrt med halvstivningsribber. Hvis det brukes foringer på katolytsiden, vil også terminalenhetene ha en lignende foring plassert over sin innvendige flate og med konturer rundt knastene som stikker ut fra den innvendige flate av barrieredelen til terminalenheten.

Hver terminalenhet har en elektrisk forbindelsesanordning for å forbinde en utvendig kraftkilde til ECTE'et. Forbindelses-anordningene kan være i ett stykke med eller knyttet til den rammelignende flensdel, eller den kan gå gjennom en åpning i flensdelen og forbindes til bærerdelen. Den elektriske forbindelsesanordning kan også forbindes med flere punkter rundt flensdelen for å forbedre strømtransmisjonen inn i ECTE'et. Den elektriske forbindelsesanordning kan eventuelt knyttes til bærerdelen på et eller flere steder.

Enda heller er den elektriske forbindelsesanordningen en integrert del av ECTE'et. Det vil si den elekriske forbindelsesanordning er fremstilt av det samme metall som den plane bærerdel eller flensdel, og den danner en enhetsstruktur uten avbrudd i metallet som danner ECTE"et.

I det tilfellet at flensdelen av ECTE'et er en integrert del av den plane bærerdel, kan den elektriske forbindelsesanordning utstyres med en kant for selve flensdelen. Det vil si en fleksibel kobberkabel eller samleskinne kan boltes, sveises eller på annen måte festes direkte til kantflaten av flensdelen. Den elektriske kontaktflate kan være belagt med et spesielt egnet metall for elektrisk kontakt såsom f.eks. kobber eller sølv.

Fig. 1 viser i perspektiv en utførelsesform av en terminalenhet 10 ifølge foreliggende oppfinnelse som inneholder et elektrisk strømtransmisjonselement (ECTE) 14 omfattende en plan bærerdel 17 med flere knaster 18 som stikker ut fra motsatte sider av den plane bærerdel 17. Bærerdelen 17 er på kantdelene sine omgitt av en rammelignende flensdel 16 med en større tykkelse enn bærerdelens 17. En åpning eller kanal 50 går gjennom flensdelen 16 og gir en passasje for innføring av reaktanter, eller fjerningen av produktene og forarmet elektrolytt fra enheten. Elektrolyttkomponenten 36 er plassert mot knastene 18 i en stilling som i det vesentlige er koplanar eller subplanar med en tetningsflate 16A plassert på flensdelen 16.

En elektrisk forbindelsesanordning 21 er plassert utenfor og danner en integrert del av flensdelen 16. Forbindelsesanordningen 21 er forbundet med en energikilde (ikke vist) ved 20. Elektrisk strøm går fra forbindelsesanordningen 21 gjennom flensdelen 16 og gjennom bærerdelen 17 til knastene 18. Deretter går strømmen gjennom knastene 18 gjennom en foring (eventuell) til elektrodekomponenten 36. Forbindelsesanordningen 21 kan ha forskjellige former og kan være forbundet med forskjellige deler av ECTE'et. For eksempel kan den være forbundet til eller formet integrert med bærerdelen 17 eller flensdelen 16. Mindre enn en forbindelse kan anvendes.

Fig. 2 viser en terminalenhet 10 med et ECTE 14 som danner et elektrolyttkammer 22 når en elektrokjemisk enhet plasseres tilstøtende terminalenheten.

Det er anordnet foring 26 for å dekke ECTE 14 på den side som er utsatt for en elektrolytt. Foringen kan f.eks. være laget for anodeterminalenheten av en enkelt titanplate. F6ringen 24 kan være varmformet med en presse for å passe over og være nær eller i det vesentlige mot overflaten av bærerdelen 17. Foringen 26 kan eventuelt dekke tetningsflåtene 16A av flensdelen 16. Dette beskytter ECTE 14 mot det korroderende miljøet i cellen. ECTE 14 er fortrinnsvis slik konstruert at dens flensdel 16 ikke bare tjener som en kantavgrensning av et elektrolyttrom 22, men også tetter tilstøtende enheter og danner elektrolyttkammere 22.

Fortrinnsvis er foringen formet med et minimum av spenninger for å minimalisere varping. Unngåelse av disse spenninger i fåringen oppnås ved varmforming av f6ringen i en presse ved en høyere temperatur fra 482 til 704°C. Både f6ringsmetallet og pressen opppvarmes til denne høye temperatur før pressing av foringen til denønskede form. Foringen kan holdes i den oppvarmede presse og kjøles under en programmert syklus for å forhindre dannelsen av spenninger i den når den kjøles til romtemperatur.

Den generelle passning av foringen 26 mot ECTE 14 kan sees fra fig. 2. Foringen 26 har innskårede hule deksler 32 presset inn i seg. Disse deksler 32 har en innvendig kontur som lett rommer den utvendige kontur av knastene 18. De er imidlertid hule istedet for kompakte slik knastene 18 er. Dekslene 32 er også slikt dimensjonert og adskilt at de passer over og rundt knastene 18 og eventuelt metallmellomkuponger 30 og 31 når disse elementer er sveiset sammen. Formene til knastene og dekslene er ikke kritiske. De kunne være kvadratiske, rektangulære, koniske, sylindriske eller ha en annen passende form sett i snitt tatt enten parallelt eller loddrett på den plane bærerdel. Knastene kan også ha en langstrakt form og danne en rekke adskilte ribber fordelt over overflaten av bærerdelen. Videre kan dekslene ha en form og knastene en annen. Imidlertid er deres ender 28 fortrinnsvis flate og ligger alle i det samme geometriske billed-plan. Faktisk kan disse knaster og deksler være formet og plassert slik at elektrolytt og gass-sirkulasjon om ønsket ledes.

Fåringen 26 kan være motstandssveiset ved de innvendige ender 34 av dens innskårede lokk 32 til endene 28 av knastene 18 gjennom de imellom plasserte, sveisbart forenlige oblater 30 og 31.

Foringsflåtene 42 kan, når de er i kontakt med tetningsflåtene 16A eventuelt være sveiset på disse punktene.

En i det vesentlige hydraulisk ugjennomtrengelig ionebytte-membran 27 kan være plassert mellom terminalenheten 10 og den elektrokjemiske enhet 11 som vist i fig. 3. Representative for typer av ionebyttermembraner egnet for bruk i denne oppfinnelse er slike som er beskrevet i de følgende US patent nr.: 3.909.378, 4.329.435, 4.065.366, 4.116.888, 4.126.588, 4.209.635, 4.212.713, 4.251.333, 4.270.996, 4.123.336, 4.151.053, 4.176.215, 4.178.218, 4.340.680, 4.357.218, 4.025.405, 4.192.725, 4.330.654, 4.337.137, 4.337.211, 4.358.412 og 4.358.545.

Selvfølgelig ligger det innenfor rammen av denne oppfinnelse at elektrolysecellen som befinner seg mellom terminalenhetene kan være en flerromselektrolysecelle som anvender mer enn en membran, f.eks. en treromscelle med to membraner adskilt fra hverandre slik at det dannes et rom mellom dem samt rommet er dannet på motsatte side av hver membran mellom hver membran og dens respektive tilstøtende monopolare enhet.

Fig. 3 illustrerer en sammensetning av terminalenhet 10 og en mellomenhet 11 brukt på monopolar måte. Disse to enheter er plassert i operabel kombinasjon med hverandre. Terminalenhetene 10 har ikke en foring, mens den elektrokjemiske enhet 11 har en foring 26 og 26A på sidene. Enheten 11 er konstruert for å føre en motsatt elektrisk ladning av terminalenheten 10. F.eks. kan enheten 10 være forbundet med den negative polen til en energikilde gjennom elektrisk forbindelse 21 for å derved bli negativt ladet og virke som katode. På lignende måte kan enheten 11 forbindes med den positive pol av energikilde gjennom elektrisk forbindelse 19 og bli positivt ladet og virke som anode. Hver enhet er adskilt fra en tilstøtende enhet med en ionebyttermembran 27.

Sammensetning av de to enheter 10 og 11 skaper en rekke hulrom som danner et katolytkammer 24 og et par av anolytkammere 22. Katolytkammeret 24 er illustrert med to passasjer 51 og 56 som forbinder katolytkammeret med cellens utside. Disse passasjer kan brukes til å innføre reaktanter i cellen, f.eks. gjennom passasjen 56 og til å fjerne produkter fra cellen gjennom passasjen 51. Likeledes har anolytkammerene 22 innløpspassasjer 58 og utløpspassasjer 52.

Kanalen 50 i flensdelen 16 rommer gjerne dyser som kan være festet til foringen.

I den illustrerte utførelsesform har den elektrokjemiske enhet 11 to anoder 46 og 46A og terminalenheten 10 har en katode 36 .

Fig. 4 illustrerer en sammensetning av en terminalenhet 10 og en mellomenhet 11 brukt på bipolar måte. Denne utførelsesform viser en anodeterminalenhet 10 med en mellomenhet 11 satt inn til seg. Mange av elementene i disse utførelsesformer av oppfinnelsen er tidligere omtalt. Av denne grunn skal hovedforskjellene fremheves på dette sted. Bipolare celler leder elektrisk strøm fra en ende av en rekke celler til den annen ende av rekken. Strømmen går gjennom ECTE'et fra en side til den annen side.

Bare terminalenheten av en bipolar rekke har elektriske forbindelsesanordninger 21. Bemerk at mellomenheten 11 ikke har en elektrisk forbindelse 21. Den får strøm fra en tilstøtende bipolar enhet (ikke vist).

Disse to enheter 10 og 11 er plassert i operabel kombinasjon med hverandre og begge er foret på begge sider av deres ECTE. Anodesiden av enheten er foret med en titanforing 26, mens katodesiden av enheten er foret med en nikkelf6ring 25. F6ringen av flensdelene av ECTE er tilpasset på samme måte som forut omtalt.

Det foreligger katoderom 24 og anoderom 22, katoder 36 og anoder 46. Terminalenheten 10 har et innløp 58 og et utløp 52 for innføring av reaktanter i cellen og for å fjerne elektrolyse-produkter fra cellen. Naboenheten har innløp og utløp 56 og 51 for innføring og fjerning av materialet fra cellerommet 24, og innløp og utløp 52 og 58 for innføring av fjerning av materialer fra rommet 22. Anoden og katoden er adskilt fra hverandre med en ionebyttermembran. Pakninger 44 brukes for å hjelpe og forsegle rommene.

Av væskeseparasjonsgrunner mellom membranen 27 og tetnings-flaten 16A foretrekkes det at foringene 26 og 25 dannes med form av en fordypning med en forskjøvet leppe 42 som går rundt dens kant. Leppen 42 passer akkurat mot sidetetningsflaten 16A av flensdelen 16. Membranens 27 kant passer helt med foringsleppen 42, og en kantpakning 44 passer sammen med den andre side av membranens 27 kant. I en celleserie som vist i fig. passer pakningen 44 flush mot sidetetningsflaten 16B av flensdelen 16 og flush mot membranen 27 når det ikke er noen foring 26.

Selvom bare en pakning 44 er vist, omfatter denne oppfinnelse anvendelse av pakninger på begge sider av membranen 27. Den omfatter også den situasjonen hvor det ikke brukes noen leppe 42 .

I en elektrolysecelleserie hvor vandige løsninger av natriumklorid elektrolyseres til kaustik og/eller hydrogengass i et katalytrom, er jern(II)metaller såsom stål helt egnet som katalytrom-metallbestanddeler ved de fleste celledriftstemperaturer og kaustik konsentrasjoner, f.eks. under ca. 22% kaustik konsentrasjon og ved celledriftstemperaturer under ca. 85°C. Hvis ECTE 14 følgelig er laget av et jern(II)metall såsom stål og hvis kaustik fremstilles i konsentrasjoner lavere enn ca. 22%, og cellen skal drives under ca. 85°C, kreves ikke en beskyttende foring, men kan eventuelt brukes med katalytenheten for å beskytte ECTE 14 mot korrosjon.

Noen vil se at de flate elektroder 36, 46 og 46 har sine kanter rullet innover mot ECTE 14 og vekk fra membranen 27. Dette er gjort for å forhindre at de noen ganger taggete kanter av disse elektroder kommer i kontakt med membran 27 og river den opp. Andre måter å installere elektroder på for å tilfredsstille samme hensikt vil være innlysende.

Under drift av den foreliggende elektrokjemiske celle som en kloralkalicelle, føres en natriumkloridsaltløsning til anolyt-rommene 22 og vann føres eventuelt til katolytrommene 24. Elektrisk strøm fra en (ikke vist) strømkilde føres mellom anoden 46 og 46A og katoden. Strømmen har en tilstrekkelig spenning til

å gi elektrolyttiske reaksjoner i saltvannsløsningen. Klor produseres ved anoden 46 og 46A, mens kaustik og hydrogen produseres ved katoden 36.

Eventuelt kan en oksygenholdig gass føres til en side av katoden, og katoden drives som en oksygen depolarisert katode. Likeledes kan hydrogen føres til en side av anoden, og anoden drives som en depolarisert anode. Typene av elektroder og fremgangsmåter for drift av dem er tidligere velkjent. Vanlige anordninger for den adskilte håndtering av gass- og væskereak-tanter til en depolarisert katode kan anvendes.

EKSEMPEL 1

Fire (4) elektriske strømtransmisjonselementer ble støpt for en nominell 61 cm x 61 cm monopolar elektrolysator.

Alle elektriske strømtransmisjonselementer ble støpt av ASTM A536, GRD65-45-12 smijern og var identiske med hensyn til ferdigstøpte dimensjoner. Avsluttede støp ble inspisert og funnet å være strukturelt hele og fri for alle overflatedefekter. Primærdimensjoner var:nominelle 61 cm x 61 cm utsidedimensjoner, en 2 cm tykk plan bærerdel, 16 knaster, hver med en diameter på 2,5 cm som befant seg på hver side av bærerdelen og direkte motsatt hverandre, en flensdel som gikk rundt bærerdelens kant og hadde en tykkelse på 6,4 cm og en tetningsflate med en bredde på 2,5 cm. Maskinbehandlede områder innbefattet tetningsflåtene på begge sider av flensdelen og toppen av hver knast (hver side maskinbehandlet i et eneste plan og parallelt med den motsatte side) .

Katodecellen inneholder 0,9 mm tykke beskyttelsesnikkel-fåringer på hver side av ECTE. Innløps- og utløpsdyser også konstruert av nikkel ble forsveiset til foringene før punktsveising av fåringene til ECTE'et. Ferdig sammensetning innbefattet punktsveising av katalytisk belagte nikkelelektroder til foringene ved hvert knaststed.

Katodeterminalen lignet katodecellen med unntagelse av at det ikke krevdes en beskyttende nikkelfåring på en side, samt mangelen på en medfølgende nikkelelektrode.

Anodecellen inneholdt 0,9 mm tykke beskyttende titanforinger på hver side av ECTE'et. Innløps- og utløpsdyser som også var konstruert av titan ble forsveiset til foringene før punktsveisingen av foringene til ECTE'et. Ferdig sammensetning omfattet punktsveising av titanelektroder til foringene ved alle knastepunkter gjennom et mellommetall av vanadium. Anodene ble belagt med et katalytisk sjikt av blandede oksyder av ruthenium og titan.

Anodeterminalenheten lignet anodecellen med unntagelse av at det ikke krevdes en beskyttende titanfåring på en side, samt mangelen på en medfølgende titanelektrode.

EKSEMPEL 2

To (2) monopolare enheter og to (2) terminale enheter som fremstilt i eksempel 1 ble brukt til å danne en elektrolysecelle-sammensetning.

Tre (3) elektrolyseceller ble dannet ved å sette sammen en anodeterminalenhet, en monopolar katodeenhet, en monopolar anodeenhet og en katodeterminalenhet med tre plater av en fluorpolymer ionebyttermembran. Membranene fikk bare pakning på katodesiden, slik at elektrode-til-elektrode åpningen var 1,8 mm, og katode-til-membran åpningen var 1,2 mm. Driftstrykket av katolyten var 140 mm vann større enn anolyttrykket for å hydro-lyttisk holde membranen mot anoden.

Den monopolare elektrokjemiske cellesammensetning med åpning som er beskrevet ovenfor ble drevet med tvungen sirkulasjon av elektrolyttene. Total strøm til de tre anoderom som ble drevet parallelle var ca. 4,9 liter pr. minutt. Oppfyllingssaltvann til den resirkulerende anolytt var ca. 800 ml pr. minutt ferskt saltvann med 25,2 vekt% NaCl og pH 11. Den resirkulerende anolytt inneholdt ca. 19,2 vekt% NaCl og hadde en pH på ca. 4,5. Trykket i anolyttsløyfen var ca. 1,05 kg/cm<2>. Parallelltilførsel til de tre katoderom var tilsammen 5,7 l/min.; kondesatoppfylling til denne strømmen var ca. 75 ml/min. Celledriftstemperaturen

var ca. 90°C. Elektrolysen ble utført ved ca. 0,31 amp/cm2 .

Under disse betingelser produserte den elektrokjemiske cellesammensetning ca. 33 vekt% NaOH og klorgass med en renhet på ca. 98,1 volum%. Den gjennomsnittlige cellespenning var ca. 3,10 volt og strømvirkningsgraden ble målt til å være ca. 95%.

Cellespenningene var stabile og det ble ikke observert noen elektrolyttlekkasje under drift.

EKSEMPEL 3

Seks (6) ECTE'er ble støpt for en nominell 61 cm x 122 cm monopolar elektrolysator. Disse elementer ble senere brukt til å konstruere tre (3) katodemonopolare elektrolyttiske celler og tre (3) anodemonopolare elektrolyseceller. Alle cellekonstruksjoner ble støpt av ASTM A536, GRD65-45-12 og var identiske med hensyn til ferdigstøpt dimensjoner. Ferdig støp ble inspisert og funnet å være strukturelt hele og fri for alle overflatedefekter. Primærdimensjoner var: nominelle 58 cm x 128 cm utvendig dimen sjoner, en 2,2 cm tykk plan bærerdel, en 2,5 cm bred tetningsflate på en flensdel som gikk rundt bærerdelens kant med en bredde på 6,4 cm, 28 knaster på en side og 30 knaster på den motsatte side av bærerdelen. Knastene hadde alle en diameter på 2,5 cm og var forskjøvet fra hverandre i forhold til den plane bærerdel (knastene kunne også støpes direkte motsatt hverandre om dette var ønsket).

På maskinbehandlede områder omfattet tetningsflåtene (begge sider parallelle) på toppen av hver knast (hver side maskinbehandlet i et eneste plan og parallelle med den motsatte side. Dysehakk (innløp og utløp på hver side) ble også maskinbehandlet til avsluttede dimensjoner.

Katodecellene omfattet 0,9 mm tykke beskyttende nikkel-foringer på hver side av cellekonstruksjonen. Innløps- og utløpsdyser også konstruert av nikkel ble forsveiset til foringene før punktsveisingen av foringene til ECTE'et. Sluttsammensetning omfattet punktsveising av nikkelelektroder til foringene (begge sider) ved hvert knastpunkt.

Anodecellen omfatter 0,9 mm tykke beskyttende titanfåringer på hver side av ECTE'et. Innløps- og utløpsdyser også konstruert av aluminium ble forsveiset til foringene før punktsveising av foringene til ECTE'et. Sluttsammensetning omfattet punktsveising av titanelektroder til foringene (begge sider) ved hvert knastpunkt .

De hullede elektroder ble laget av en titanplate med en tykkelse på 1,5 mm og ekspandert til en lengde på ca. 155% under dannelse av diamantformede åpninger med en dimensjon på 8x4 mm. Flaten ble belagt med et katalyttisk sjikt av et blandet oksyd av ruthenium og titan. Den belagte titanplate ble punktsveiset til foringen ved hvert knastpunkt.

En tynnere titanplate med en tykkelse på 0,5 mm ble ekspandert til en forlengelse på ca. 140% og dannet diamantformede åpninger med en dimensjon på 4 x 2 mm. Platen ble også belagt med et katalyttisk sjikt av et blandet oksyd av ruthenium og titan og ble punktsveiset over den tykkere plate.

De hullede nikkelkatoder ble fremstilt av en grov nikkel-plate med en tykkelse på 2 mm og ekspandert under dannelse av åpninger med en dimensjon på 8 x 4 mm. Platen ble punktsveiset til nikkelforingen ved hvert knastpunkt. Tre sjikt av korrugerte strikkede duker av nikkeltråd med en diameter på 0,2 mm og som dannet en spenstig komprimerbar matte ble plassert over nikkel-platen.

Et fluenettingtype nikkelgitter ble fremstilt av en nikkeltråd med en diameter på 0,2 mm og belagt med en katalyttisk avsetning av en blanding og ruthenium og ble plassert over den spenstige komprimerbare matte.

Den ferdige filterpressecellesammensetning ble lukket med mellomliggende kationbyttermembraner mellom tilstøtende hullete katoder og hullete anoder. Membranene ble komprimert fjærende mellom de motsatte sider av den belagte tynnere titanplate (anode) og det fluenettingtype belagte nikkelgitter (katode).

Elektrolyse av natriumkloridløsning ble utført i cellen ved de følgende driftsbetingelser:

Etter 60 dagers drift var den observerte cellespenning mellom 3,07 og 3,23 volt, den katodiske effekt ble målt til ca. 95% og klorgassrenheten var ca. 98,6%. Ingen.lekkasjer eller andre problemer ble observert, og cellen virket jevnt.

Claims (14)

1. Terminalenhet egnet for bruk i monopolare eller bipolare elektrokjemiske celler omfattende: et elektrisk strømtransmisjonselement i form av en i det vesentlige plan, kontinuerlig elektrisk ledende bærerdel med flere knaster på minst en side derav og en rammelignende flensdel som går rundt bærerdelens kanter, en foring med en profil som passer til siden av bærerdelen, hvor foringen er laget av et korrosjonsbestandig metall og plassert mot den knastholdige flate av bærerdelen, og en hullet elektrodekomponent anordnet mot f6ringen og som hviler mot knastene, hvilken elektrodekomponent og hvilken foring er knyttet sammen til i det minste en del av knastene,karakterisert vedat terminalenheten er egnet for bruk i en monopolar eller bipolar cellerekke og inneholder festeanordninger for minst en elektrisk strømførende leder plassert på den plane bærerdel eller flensdelen av terminalenheten .

2. Terminalenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat bærer- og flensdeler er fremstilt av et støpbart metall valgt fra jern(II)metaller, nikkel, aluminium, kobber, magnesium, bly, legeringer av hver og legeringer derav.

3. Terminalenhet ifølge krav 2, karakterisert vedat bærer- og flensdelene er støpt som en enkel enhet, og de elektriske forbindelsesanordninger er knyttet til flensdelen.

4. Terminalenhet ifølge krav 2, karakterisert vedat bærer- og flensdelene og knastene er støpt som en enkel enhet.

5. Terminalenhet ifølge krav 2, karakterisert vedat flensdelen er montert på kantdelen av bærerdelen som en separat komponent.

6. Terminalenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat bærerdelen er fremstilt av et støpbart metall valgt fra jern(II)metaller, nikkel, aluminium, kobber, magnesium, bly, legeringer av hver og legeringer derav, flensdelen er fremstilt av et syntetisk harpiksmateriale, og de elektriske forbindelsesanordninger er knyttet til bærerdelen.

7. Terminalenhet ifølge krav 6, karakterisert vedat bærerdelen og knastene er støpt som en enkel enhet.

8. Terminalenhet ifølge krav 2 eller 6,karakterisert vedat knastene er fremstilt av et metall valgt fra jern(II)metaller, nikkel, aluminium, kobber, magnesium, bly, legeringer av hver og legeringer derav og er montert på bærerdelen som en separat bestanddel.

9. Terminalenhet ifølge krav 2 eller 6,karakterisert vedat flensdelen har en tykkelse på minst ca. to ganger større enn bærerdelens tykkelse i det elektriske strømtransmisjonselement.

10. Terminalenhet ifølge krav 2 eller 6,karakterisert vedat flensdelen har en tykkelse på ikke mer enn ca. 10 cm og bærerdelen i det elektriske strøm-transmis jonselement har en tykkelse på minst 0,5 cm.

11. Terminalenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat en del av flensdelen er i et stykke med bærerdelen og en annen del av flensdelen er montert på en ytterkant av bærerdelen som et separat element.

12. Terminalenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat den elektriske forbindelsesanordning er knyttet til en del av bærerdelen med utstrekning som elektrodekomponenten.

13. Terminalenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat den rammelignende flensdel består av flere sammensatte deler.

14. Terminalenhet ifølge krav 1, karakterisert vedat den rammelignende flensdel er en pakning.