ЭЛЕКТРОЛИЗЕР Российский патент 1995 года по МПК C25B9/00 

Изобретение относится к монополярным и биполярным электролизерам с диафрагмой или мембраной, в частности к электролизерам, содержащим множество электролитических ячеек (элементов) и более конкретно, к электродным и токораспределительным его структурам и электродным его структурам.

Электролизеры, снабженные сепараторами (пористыми диафрагмами или ионообменными мембранами), расположенными между анодными и катодными отсеками (камерами), содержат ряд промежуточных электродных структур, электрически соединенных и расположенных между двумя электродными торцевыми структурами. Каждая ячейка электролизера ограничена стенками, выступающими в качестве токораспределителей, и средства для крепления электродов. Электроды обычно состоят из развальцованных листов, или перфорированных листов или листов, снабженных каналами, выполненных из подходящих материалов, таких как, например, титан для анода и никель или сталь для катода.

Каждая промежуточная электродная структура образована одной из указанных стенок и соответствующими электродами.

Известен электролизер, включающий концевые монополярные электроды, между которыми размещены промежуточные электроды, диафрагмы или ионообменные мембраны с образованием анодных и катодных камер, средства для подачи электролита и вывода продуктов электролиза, токоподводы, промежуточные электроды выполнены из основного листа, снабженного на двух противоположных сторонах выступами, снабженными обкладками, повторяющими формами форму плоскости с выступами основного листа и выполненные из коppозионностойких металлов, к которым крепятся аноды и катоды, выполненные в виде плоского листа.

Недостатком известной конструкции является ее высокая металлоемкость.

Изобретение позволяет получить фильтр-прессный электролизер, даже крупных размеров, который обеспечивает равномерное токораспределение, имеет легкий вес и изготовляется с помощью простого и экономичного процесса.

Более конкретно, электролизер, предусмотренный настоящим изобретением, содержит две электродных торцевых структуры, по меньшей мере, одну промежуточную электродную структуру, расположенную между упомянутыми электродными торцевыми структурами, сепаратор (пористую диафрагму или ионообменную мембрану) с каждой стороны промежуточной электродной структуры с целью разделения электролизера на анодную и катодную камеры, средство для использования тока электролиза в электролизере и средство подачи электролитов и вывода продуктов электролизера из камер электролизера, при этом промежуточная электродная структура содержит:
а) токопроводящий и распределительный сердечник, состоящий из по меньшей мере одного листа из сильно проводящего материала;
б) ряд практически параллельных, выступающих ребер, предусмотренных или отсутствующих на обеих поверхностях упомянутого сердечника, которые получают путем холодного или горячего прессования листа или листов сердечника, или путем применения электропроводящих элементов, механически и электрически соединенных с упомянутым сердечником;
в) пару обкладок, изготовленных холодным или горячим прессованием, одна с каждой стороны сердечника, выполненного из коррозионностойкого металла, причем эти обкладки выполнены под упомянутые ребра в случае, если предусмотрены ребра сердечника, или являются практически плоскими с нанесенными на них параллельными ребрами, в случае, если на сердечнике не предусмотрены ребра сердечника; упомянутые обкладки имеют периферические выступающие фланцы, практически параллельные плоскости обкладок;
г) практически плоские электродные экраны, электрически соединенные с обкладками.

Упомянутые сердечник, ребра, обкладки и электродные экраны электрически соединены друг с другом, между периферическими фланцами каждой обкладки и соответствующей внешней поверхностью сердечника расположен рамный элемент.

Токораспределительный сердечник может состоять из одного, двух или более металлических листов, выполненных из сильно проводящего металла (например, Al, Cu или их сплавы). Предпочтительно токопроводящий и распределительный сердечник составлен из трех листов, причем два наружных листа выполнены из сильно проводящего металла, а промежуточный лист выполнен из металла, обладающего более высоким модулем упругости по сравнению с другими двумя листами.

Сердечник покрыт штампованными или прессованными обкладками, выполненными из материала, коррозионно стойкого в условиях среды электролизера. Подходящими материалами для катодной стороны служат железо, углеродистая сталь, нержавеющая сталь, никель и сплавы никеля. С анодной стороны обкладки, выполненные из никеля, являются адекватными в присутствии щелочных растворов, в то время, как в случае более агрессивных растворов таких, как галлоидные растворы щелочного металла, обязательно использование вентильных металлов, например, титана, циркония, тантала.

Использование такого токораспределительного сердечника позволяет получить электродную структуру, которая является достаточной легкой, значительно снижает омические потери, особенно в случае крупногабаритных электролизеров и которую можно изготовить простым и экономичным способом.

Кроме того, в случае, когда периферическая рама также выполнена из электропроводящего материала, оно дополнительно способствует получению равномерного токораспределения путем уменьшения вдвое продольного токового конура внутри токопроводящего сердечника. Кроме того, рама обеспечивает преимущество более надежного периферического уплотнения прокладок.

Механическое и электрическое соединение между различными компонентами электродной структуры, предложенной настоящим изобретением, могут быть реализованы с помощью обычной технологии, в частности, с помощью точечной сварки или непрерывной сварки, причем соединение этого типа является наиболее предпочтительным, так как оно является простым и готово к осуществлению.

Размеры различных элементов не являются важными сами по себе, но они будут определены с целью обеспечения достаточной жесткости структуры и плоскостности электродов.

В промышленных электролизерах токораспределительный сердечник предпочтительно состоит из листа меди или алюминия, имеющего подходящую толщину, в то время, как коррозионностойкие обкладки получают путем холодного или горячего прессования металлического листа, выполненного из титана, для анодной камеры, и из никеля для катодной камеры, или других подходящих материалов.

Ребра являются практически параллельны и находятся на одинаковом расстоянии и соответственно отстоят друг от друга, например, на расстоянии 10-15 см, и расположены вдоль в практически вертикальном направлении. Ребра на одной стороне токораспределительного сердечника могут быть смещены по отношению к ребрам на другой стороне.

Ребра, в случае: если они непосредственно не получены путем холодного или горячего прессования, или формования листа сердечника, могут состоять, например, из секций электропроводящего металла холодного формования (например, медные секции в случае, ребер сердечника, или титановые или никелевые секции в случае ребер обкладки толщиной 1,5-2 мм, которые затем соединены с сердечником или обкладкой с помощью вышеупомянутой технологии.

Форма ребер также не является важной, подходящей формой является, например, форма практически трапецеидального поперечного сечения с небольшим основанием, которое находится в контакте с электродной сеткой, имеющей, например, ширину приблизительно 3-10 мм, в то время как высота может составлять приблизительно 20-25 мм. В случае, когда ребра состоят из металлических секций, они имеют то преимущество, что имеют практически I-образное Y-образное или трапецеидальное поперечное сечение.

Электродная структура является структурой, снабженой каналами, которая является проницаемой для жидкости и газа. Обычно указанная электродная структура состоит из по меньшей мере металлического экрана или развальцованного металлического листа. Как общеизвестно в технике, подходящими материалами для такой электродной структуры являются:
катод: железо, углеродистая сталь, нержавеющая сталь, никель и сплавы никеля;
анод: в случае щелочных растворов: никель; в случае более агрессивных растворов, таких как щелочные растворы галоидов: вентильные металлы, например титан, цирконий, тантал, плакированные электрокаталитическим покрытием, содержащим металлы платиновой группы и/или их соединения, предпочтительно окислы.

Как указано выше, электродную структуру из настоящего изобретения можно использовать как в монополярном, так и в биполярном электролизерах. В случае монополярных электролизеров обкладки и соответствующие электродные сетки, расположенные на противоположных сторонах токораспределительного сердечника, по-видимому, выполняют из одного и того же материала, и наоборот, в случае биполярных электролизеров. В этом последнем случае, например, на катодной стороне можно использовать обкладку и сетку из никеля или стали, либо соответственно активированная или нет, а на анодной стороне можно использовать развальцованный титановый лист и более тонкую экранную сетку, при этом как сетка, так и лист могут быть соответственно активированы или нет.

Характерная особенность настоящего изобретения олицетворяется тем фактом, что в случае отсутствия ребер на сердечнике, вертикальные ребра, наложенные на обкладки, удалены от периферических фланцев обкладок, а на концах ребер предусмотрена открытая часть, позволяющая электролиту, который поднимается вертикально снизу вверх вместе с выделяемым газом, по меньшей мере частично возвращаться вниз по каналам, образованным ребрами. В результате таким образом активируется внутренняя циркуляция электролита.

Электродная структура, предусмотренная настоящим изобретением, может также применяться в электролизерах, в которых электроды в виде очень тонкого порошка соединены с ионообменной мембраной или вделаны в нее, при этом мембрана действует в качестве электролита. В этом случае передача тока между электродом и сетками, соединенными с ребрами, может быть осуществлена с помощью соответствующих токопроводящих, упругих элементов.

Электролизер, предусмотренный настоящим изобретением, предназначен для осуществления промышленного электролиза, в частности, он является предпочтительно при получении водорода кислорода путем электролиза раствора поташа и для получения хлора, водорода и едкого натра путем электролиза растворов хлористого натрия.

На фиг. 1 изображен горизонтальный поперечный разрез предпочтительного воплощения, в котором ребра получают путем холодной штамповки токопроводящего и распределительного сердечника, который состоит лишь из одного металлического листа высокой проводимости; на фиг. 2 горизонтальный поперечный разрез другого воплощения настоящего изобретения, в котором токораспределительный сердечник составлен из двух листов холодной штамповки высоко проводящего металла, прикрепленных к промежуточному листу, который выполняет функцию усиления структуры; сердечник затем покрывают подходящими формованными обкладками, выполненными из коррозионностойкого, проводящего материала, при этом соответствующие ребра смещены; на фиг. 3 горизонтальный поперечный разрез еще одного воплощения изобретения, в котором ребра каждого листа сердечника расположены зеркально, а сердечник состоит из двух листов, соединенных между собой; на фиг. 4 воплощение настоящего изобретения, в котором ребра состоят из секций холодной штамповки, прикрепленных к токораспределительному сердечнику; на фиг. 5 аксонометрическое изображение с частичным вырывом электродной структуры, предусмотренной настоящим изобретением, включающей конструктивные элементы, изображенные на фиг. 2.

Токопроводящий и распределительный сердечник 1 (фиг. 1) соответствующим образом штампуют путем холодного или горячего формования в зависимости от типа металла и толщины листа, получая ребра 2, которые смещены и расположены на двух противоположных сторонах. Две обкладки 3 холодной и горячей штамповки, выполненные из одинаковых или различных материалов соответственно в случае монополярного и биполярного электролизеров, при этом эти материалы в любом случае являются стойками по отношению к окружающей среде электролизера, крепят, например, с помощью сварки и верхним участкам ребер 2 и в соответствии с их периферическими фланцами 4 на металлических элементах в виде рам 5.

Узел, образованный двумя периферическими фланцами 4 (которые выступают также в качестве гидравлических уплотнительных поверхностей, периферийные кромки тонкораспределительного сердечника 1 и две рамы 5, заключенные между сердечником 1 и обкладками 3, соответственно, осуществляют функцию придания жесткости электродной структуры. Рамы 5 выполнены из электропроводящего материала и поэтому они дополнительно улучшают токораспределение по токораспределительному сердечнику 1, поскольку электрический ток подводится, таким образом, вдоль всех кромок сердечника, существенно уменьшая вдвое путь тока.

Электродные сетки 6 крепятся на ребрах 2 и они выполнены из того же или другого материала в зависимости от того является ли электролизер монополярным или биполярным.

Электродная торцевая структура (фиг. 2 так и промежуточная электродная структура электролизера, в котором токопроводящий и распределительный сердечник состоит из листа 7, практически плоского и жесткого, и тонких листов холодной штамповки 1, прикрепленных к листу 7 и выполненных из материала с высокой проводимостью Cu, Al или т.п.). Токопроводящий сердечник защищен обкладками 3, снабженными по краям фланцами 4, присоединенными к рамам 5, как показано на фиг. 1.

Цифровое обозначение 6 относится к электродным сеткам, в то время, как цифра 8 обозначает сепаратор (ионообменную мембрану или пористую диафрагму), расположенную между анодной и катодной камерами, снабженными соответствующими прокладками 9.

На фиг. 3 изображены две типичные электродные промежуточные структуры другого воплощения настоящего изобретения. Токопроводящий и распределительный сердечник состоит из двух листов 1, выполненных таким образом, что при сборке двух листов 1 ребра 2 на противоположных сторонах совпадают. Между двумя листами 1 может быть расположен промежуточный плоский лист, как описано на фиг. 2, который выполняет функцию придания жесткости и выполнен из металла, обладающего более высоким модулем упругости по сравнению с модулем упругости двух листов 1, хотя и обладает более низкой электрической производительностью (например, углеродистая сталь) или даже из инертного материала (например, пластического материала). Другие элементы, изображенные на фиг. 3, соответствуют элементам, изображенным на фиг. 1 и 2.

На фиг. 4 иллюстрируется еще одно воплощение настоящего изображения, в котором ребра 10 выполнены в виде секций холодной штамповки, имеющих I-образное или трапецеидальное поперечное сечение (фиг. 4), и электрически соединенных с токопроводящим и распределительным сердечником 7 в соответствии с любой известной технологией.

Форма ребер 10, выполненных из материала, обладающего хорошей электрической проводимостью, такого, как, например, Al или Cu, по-видимому, не является важной и может отличаться от форм, изображенных в настоящей заявке. Также не является важным количеством ребер: однако их должно быть достаточное количество для того, чтобы обеспечить надлежащую механическую опору для электродов, равномерное токораспределение в адекватную жесткость узла.

Промежуточная электродная структура на фиг. 2 изображена в виде перспективы на фиг. 5, на которой можно ясно видеть ребра 2 для поддержания электродной сетки 6. Указанные ребра являются практически параллельными и проходящими в вертикальном направлении. Электрический ток, подводимый с помощью элемента 11 к токопроводящему и распределительному сердечнику 7 и к проводящей раме 5, имеющей большое поперечное сечение, распределяется равномерно без заметных омических потерь, по ребрам 2 и затем к электродной сетки 6.

Изобретение относится к электролизеру, содержащему, по меньшей мере, одну промежуточную электродную структуру, расположенную между двумя электродными торцевыми структурами, сепаратор с каждой стороны промежуточной электродной структуры, средство для подвода тока электролиза к электролизеру и средство для подачи электролитов к камерам электролизера и удаление продуктов электролиза из них. Промежуточная электродная структура содержит токопроводящий и распределительный сердечник из по меньшей мере одного металлического листа с высокой проводимостью, ряд параллельных, выступающих ребер, предусмотренных на обеих поверхностях упомянутого сердечника. 5 ил.

1. ЭЛЕКТРОЛИЗЕР, включающий в себя концевые монополярные электроды, между которыми размещены промежуточные электроды, диафрагмы или ионообменные мембраны с образованием анодных и катодных камер, средства для подачи электролита и вывода продуктов электролита, токоподводы, промежуточные электроды выполнены из основного листа, снабженного на двух противоположных сторонах выступами, снабженными обкладками, повторяющими формами форму плоскости с выступами основного листа и выполненные из коррозионностойких металлов, к которым крепятся аноды и катоды, выполненные в виде плоского листа, отличающийся тем, что с целью снижения металлоемкости конструкции, сердцевина промежуточного электрода выполнена из двух элементов из токопроводящего металла в виде листов, по форме повторящих форму обкладок с образованием полости между двумя элементами из токопроводящего металла. 2. Электролизер по п. 1, отличающийся тем, что с целью повышения жесткости конструкции, сердцевина промежуточного электрода содержит третий центральный элемент, выполненный в виде листа из металла с высоким модулем упругости и расположенный в полости между первым и вторым элементами.