ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ГАЗОВЫДЕЛЯЮЩИХ ИЛИ ГАЗОПОГЛОЩАЮЩИХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1997 года по МПК C25B11/02 C25B9/00 H01M4/86 

Изобретение относится к оборудованию, используемому в электрохимии, в частности к электролитической ячейке для проведения газовыделяющих или газопоглощающих электролитических процессов.

Известно устройство для проведения газопоглощающих или газовыделяющих электролитических процессов, содержащее два электрода в виде анода и катода, разделенные мембраной, при этом электроды выполнены с элементами профилирования, представляющими собой параллельные попеременно расположенные возвышения и желобчатые углубления (см. патент США N 4344832, кл. C 25 B 9/00, C 25 B 11/02, 1982).

Недостатком известного устройства являются относительно большие габариты, что отрицательно сказывается на показателе объем/мощность и, в конечном итоге, на КПД.

Задачей изобретения является создание электролитической ячейки для проведения газопоглощающих или газовыделяющих электролитических процессов, которая имеет меньшие размеры и таким образом позволяет улучшить показатель объем/мощность и тем самым КПД.

Поставленная задача решается в предлагаемой электролитической ячейке для проведения газопоглощающих или газовыделяющих процессов, содержащей по меньшей мере один электрод с элементами профилирования, за счет того что электрод имеет в краевой зоне с рабочей стороны одномерную или двумерную капиллярную структуру, ориентированную в основном поперек плоскости электрода, при этом к краевой зоне примыкает по меньшей мере одна капиллярная щель, расположенная по плоскости электрода, в особенности в вертикальном направлении.

Предпочитается упругая конструкция электрода, получаемая, например, применением фольгообразных электродных элементов, опирающихся друг на друга, из которых по меньшей мере каждый второй элемент выполнен профилированным. Простой и дешевый вариант такого электрода заключается в наборе фольгообразных электродных элементов, у которых по меньшей мере одна краевая зона профилирована, к которой примыкает непрофлированная или слабопрофилированная зона. Эта непрофилированная зона образует капиллярную щель для перемещения газа и электролита преимущественно в вертикальном направлении. Профилированной выполнена одна или обе краевые зоны фольгообразных элементов, но профилированной выполнена по меньшей мере участвующая в реакции краевая зона. Профиль элементов может быть выполнен различным образом, например путем придания поверхности волнистости или выполнения в виде разведенных зубьев пилы. Профилирование можно также осуществлять путем нанесения покрытия, используя для этой цели, в частности, электрохимически активные вещества.

Очень эффективными являются пористые профили, которые, например, могут быть получены методом нанесения веществ в паровом состоянии. Для получения такого профилирования может быть использован также электрохимический способ. Так например, путем осаждения никель-алюминиевого слоя, из которого затем выделяют алюминий (путем промывки слоя гидроокисью натрия), получают пористую структуру, известную под названием никель Ренея. Последняя особенно подходит для электролиза с применением воды.

Толщина покрытия или соответственно степень волнистости или развода зубьев определяют капиллярность между электродными элементами, опирающимися друг на друга. При этом условия в профилированной краевой зоне могут отличаться от условий в зоне, примыкающей к краевой. В зависимости от вида выполнения электродных элементов в электроде длиной 1 м между соседними элементами в краевой зоне имеются от 1 до 10 млн. точек контакта. Они оказывают значительное сопротивление вертикальному движению жидкости и газа и задерживают электролит словно губка. Процессы транспорта осуществляются здесь преимущественно по горизонтали, т.е. поперек плоскости электрода.

Примыкающая к краевой зоне в основном непрофилированная зона предоставляет процессам транспорта, проходящим в вертикальном направлении, существенно большую (свободную) площадь. В этой зоне в определенной степени устойчивость конструкции электродов не приводит к повышению сопротивления при транспорте электролита и газа. С точки зрения изобретения эта зона может рассматриваться как "в основном, непрофилированная" до тех пор, пока сопротивление оказываемое вертикальному движению электролита и газа в краевой профилированной зоне значительно превышает (предпочтительно более чем в 10 раз) соответствующее сопротивление в смежной с ней в основном непрофилированной зоне.

Оптимальная геометрическая форма электрода предлагаемой ячейки зависит от параметров процесса и характеристик веществ. Лучшие результаты достигаются тогда, когда профилированная краевая зона составляет от 10 до 50% ширины электродных элементов, а примыкающая к ней зона образует щель шириной от 5 до 500 мкм.

Целесообразное развитие электрода предусматривает создание в основном в непрофилированной зоне по крайней мере одного продольного упругого участка, который при силовом воздействии в поперечном направлении к плоскости электрода допускает его сжатие по ширине. Созданная таким образом упругость электрода дополняется его собственной высокой эластичностью, что выравнивает даже малейшие отклонения от желаемого нулевого зазора электродов. Упругость электродных элементов на упомянутом участке предотвращает местные перегрузки или повреждения ячейки. Упругий участок представляет собой в широком смысле зону, расположенную под углом к направлению силового воздействия, угол которой уменьшается при силовом воздействии.

Для выполнения предлагаемой ячейки также возможно применение электродов, не выходящих за капиллярную краевую зону, а представляющих собой эту краевую зону. Для этого подходят одномерные или квазиодномерные капиллярные профили, например в виде плоских тканевых или вязаных структур, тонкоячеистых структур или в виде штапельных волокон. Другая возможность состоит в применении самонесущего плоского, по возможности гибкого тела пористой губчатой структуры.

Для улучшения способности задерживать электролит целесообразно выполнять краевую зону гидрофильной, а для уменьшения сопротивления при вертикальном перемешивании электролита капиллярную щель гидрофобной.

Для эксплуатации предлагаемой электролитической ячейки предлагается способ, при котором в начальный момент работы обеспечивают высокий уровень электролита, а в процессе эксплуатации электролитической ячейки относительно низкий. В начальный момент происходит смачивание сухих капиллярных электродов. Во время заполнения ячейки электролит должен достигнуть такого уровня, чтобы образовавшиеся газовые пузыри могли осуществить подъем электролита до верхней кромки электрода. Наиболее надежное смачивание электродов происходит при заполнении электролитической ячейки до самого верха. После этого уровень электролита может быть снижен до относительно низкого эксплуатационного уровня, который в то же время должен быть достаточным, чтобы обеспечить непрерывное снабжение электрода электролитом. В любом случае достаточное количество электролита определяется с учетом электролита, накопленного в капиллярных каналах профилированных краевых зон.

В действительности минимальное количество электролита, в котором находится нижняя часть электрода, может быть существенно меньшим. Оно зависит не только от геометрии электрода, но также в значительной мере от свойств веществ и материалов, а также условий протекания процесса (давление, температура, напряжение, ток) и их колебаний. К примеру, электрохимические свойства и процессы транспорта веществ в электроде зависят от свойств материала его поверхности. Согласно изобретению предпочтителен такой вариант электрода, в котором профилированная краевая зона выполнена гидрофильной и к ней примыкает гидрофобная зона для транспорта газа и электролита.

Для проведения газопоглощающего электролитического процесса электролитическая ячейка, а тем самым электроды снизу питаются газом. При этом количества газа должно быть столько, чтобы поддерживались достаточно интенсивные процессы транспорта веществ для снабжения электродов по вертикали. Электролитическая ячейка может также работать при повышенном давлении и повышенной температуре, при этом часть электролита переходит в парообразное состояние.

На фиг.1 показан вырез предлагаемой электролитической ячейки, состоящей из анода и катода с расположенным между ними разделительным элементом; на фиг. 2 увеличенный вырез электрода с электродными элементами: а имеющими попеременно, то на одной, то на другой стороне волнообразный профиль; б - имеющими профиль, который в краевой зоне имеет вид разведенных зубьев пилы, которые в свою очередь чередуются с непрофилированными электродными элементами; на фиг.3-8 схематическое изображение различных вариантов спрофилированных согласно изобретению электродных элементов с упругим участком между профилированными участками; на фиг.9 электрод с в основном одномерным направлением капиллярного профиля из тканевых или вязаных плоских полос: а - монополярный, б биполярный; на фиг.10 вид сверху на электроды, изображенные соответственно: а на фиг.9,а; б на фиг.9,б.

На фиг. 1 показан вырез электролитической ячейки с электродами 1 и 2, которые представляют соответственно анод и катод, причем между электродами 1 и 2 расположен разделительный элемент 3, например мембрана. Часть электрода в увеличенном виде представлена на фиг.2. Электроды 1, 2 состоят из элементов 4, 5, которые в изображенном примере представляют собой фольгированные ленты толщиной примерно 20 100 мкм и шириной примерно 1 10 мм.

На фиг. 2,а показаны краевые зоны 7 и 8 электродных элементов 4, стороны которых поочередно имеют волнообразный профиль 6. Элементы электрода 4 согласно фиг. 2, б имеют в обоих краевых зонах 7, 8 профиль в виде разведенных зубьев пилы 9 и чередуются с непрофилированными электродными элементами 5. Профилирование выполнено всегда таким образом, чтобы обеспечивалась реализация желаемого зазора между подпирающими друг друга соседними электродными элементами в краевых зонах 7, 8.

На виде сверху на электроды (фиг.3 и 4) виден упругий участок 10, который делает электрод упругим в направлении, поперечном его рабочей поверхности. При этом речь идет о простом угловом сгибе электродных элементов 4 вдоль продольной оси.

На фиг. 4 представлены электродные элементы 4, имеющие в краевой зоне 8 вышеописанный волнообразный профиль 6, соответственно профиль в виде разведенных зубьев пилы 9. Краевая зона 7 снабжена покрытием, которое состоит преимущественно из электрохимически активного и пористого материала. Для обеспечения равномерного зазора (предпочтительно от 5 до 500 мкм) между электродными элементами 4, 5 в области 11 и для повышения стабильности электрода целесообразно снабжать профилированием обе краевые зоны 7, 8 электрода.

На фиг. 5 и 6 показан вид сверху на вырез биполярного электрода. Они имеют поэтому в обеих краевых зонах 7, 8 специальные электрохимически активные покрытия (профилирования). Эти электроды отличаются тем, что согласно фиг.5 обе краевые зоны 7, 8 каждого электродного элемента 4 имеют профиль, в то время как согласно фиг.6 только краевая зона 7 или 8 электродного элемента 4 имеет профилированное покрытие, при этом смежные электродные элементы 4 расположены в порядке чередования участков с покрытием и без покрытия.

На упругом участке 10 вдоль электродных элементов 4 выполнен желоб, который также годится для размещения в нем уплотнителя или клея, с целью обеспечения газогерметичности обеих биполярных областей электрода.

На фиг. 7 и 8 изображены две другие возможности сообщения упругости электроду, в частности путем придания упругому участку U- или S-образной формы.

Принцип действия изображенного электрода предлагаемой ячейки определяется тонкорасчлененной капиллярной структурой, а также процессами транспорта веществ, протекающими в капиллярах. Стрелки, показанные на переднем электродном элементе 4 и 5 соответственно (см. фиг. 2), схематически и очень упрощенно поясняют механизм транспорта газа (Г) и электролита (Ж).

При описании принципа действия предлагаемой электролитической ячейки исходят из ее обычного состояния во время эксплуатации, для которого характерна незначительная степень заполнения электролитом. В нижней части электрода, находящейся в электролите, образуется газ, который под действием капиллярных сил движется во внутреннюю, непрофилированную зону 11 соответствующего электрода. Газовые пузырьки, покидая находящуюся в электролите нижнюю часть электрода, увлекают за собой вверх по капиллярным щелям определенное количество электролита. Из краевых зон 7 и/или 8 продолжает поступать газ, ускоряющий вертикальное перемещение газа и электролита. Электролит, уносимый газом, во время движения постоянно испытывает влияние тонкопрофилированных краевых зон 7, 8 и больших там капиллярных сил. Если краевые зоны 7, 8 не достаточно насыщены электролитом, то соответствующее количество его вбирается, остальная часть транспортируется дальше. Кроме этого происходит многократный эффект диффузии электролита вдоль его вертикального пути следования.

Перемещение электролита и газа происходит внутри электрода прямотоком. Электрод обеспечивает сам себя оптимальным количеством электролита. Чем больше расход электролита, тем интенсивнее реакция и газообразование и тем интенсивнее движение электролита.

Аналогичные процессы транспорта веществ также происходят, если выбрать конструкцию ячейки согласно фиг.9 и 10. Использование в основном одномерного капиллярного профиля делает необходимым применение отдельной капиллярной щели для транспорта газа и электролита.

Объединение этой капиллярной щели и профилированной краевой зоны в самом электроде, как это было возможно при использовании фольгообразных лент для образования электродных структур, здесь исключается. Так, электроды 1, 2 представляют собой капиллярные краевые зоны 7, 8, к которым примыкает капиллярная щель 12, предназначенная для транспорта газа и электролита. Щель, согласно варианту, представленному на фиг. 9,а и 10,а, образуется с помощью распорок 13, которые размещены между электродом 1 и стенкой 14 электролитической ячейки.

На фиг.9,б и 10,б показан биполярный электрод, при котором электроды 1, 2 удерживаются на расстоянии с помощью распорок 13, образуя капиллярную щель 12. Вместо тканеобразного профиля электрода, обозначенного на этом чертеже, может быть также использован пористый или губчатый электрод. Для улучшения способности задерживать электролит в капиллярных краевых зонах 7, 8 последние выполняют гидрофильными. Граничащая с ними капиллярная щель выполнена гидрофобной, что улучшает характеристику вертикального транспорта веществ.

Самообеспечение электродов в силу уноса электролита газом представляет новый в электролизной технике эффект, за счет чего свойства электролитической предлагаемой ячейки существенно изменяются. Название "эжекторный элемент" представляется достаточной характеристикой для этого явления.

Другое преимущество электрода предлагаемой ячейки состоит в производстве очень сухого газа. Причину этого явления можно объяснить исходя из особенностей процессов транспорта веществ: газовые пузырьки, образованные на поверхности реакции, пересекают сначала профилированную краевую зону 7, 8 и при этом многократно коагулируют. Во время подъема газа в непрофилированной капиллярной области 11 соотв. щели 12 происходит скопление больших объемов газа, что предотвращает появление аэрозолей в верхней части электрода.

Кроме этого объединение каналов транспортировки газа и электролита сделало излишним широкие отдельные дегазационные камеры. Благодаря своей компактности и улучшенной характеристике объем/мощность предлагаемая электролитическая ячейка может легко найти широкое применение.

Изобретение относится к оборудованию, используемому в электрохимии, в частности к электролитической ячейке для проведения газовыделяющих или газопоглощающих электролитических процессов, содержащей по меньшей мере один электрод с элементами профилирования, при этом электрод имеет в краевой зоне с рабочей стороны одномерную или двумерную капиллярную структуру, ориентированную в основном поперек плоскости электрода, причем к краевой зоне примыкает по меньшей мере одна капиллярная щель, расположенная по плоскости электрода, в особенности в вертикальном направлении. 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электролитическая ячейка для проведения газовыделяющих или газопоглощающих электролитических процессов, содержащая по меньшей мере один электрод с элементами профилирования, отличающаяся тем, что электрод имеет в краевой зоне с рабочей стороны одномерную или двумерную капиллярную структуру, ориентированную в основном поперек плоскости электрода, при этом к краевой зоне примыкает по меньшей мере одна капиллярная щель, расположенная по плоскости электрода, в особенности в вертикальном направлении. 2. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что краевая зона электрода выполнена из тонких опирающихся друг на друга фольгообразных элементов, из которых по меньшей мере каждый второй элемент выполнен профилированным. 3. Ячейка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что краевая зона электрода или по меньшей мере каждого второго элемента выполнена профилированной, при этом к профилированной краевой зоне примыкает непрофилированная или слабопрофилированная зона с образованием соответствующей расположенной по плоскости электрода капиллярной щели. 4. Ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что элементы имеют волнообразный профиль или профиль в виде разведенных зубьев пилы. 5. Ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что профиль выполнен путем нанесения покрытия, в частности, из электрокаталитически активного вещества, которое предпочтительно является пористым. 6. Ячейка по пп. 3 и 5, отличающаяся тем, что профиль выполнен из пористого никеля Ренея, а непрофилированная или слабопрофилированная зона выполнена гидрофобной. 7. Ячейка по пп. 3 6, отличающаяся тем, что ширина профилированных краевых зон составляет от 10 до 50% ширины элементов. 8. Ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что ширина капиллярной щели, примыкающей к краевой зоне, или расстояние между соседними элементами в непрофилированной зоне составляет 5 500 мкм. 9. Ячейка по п. 3, отличающаяся тем, что элементы выполнены по меньшей мере с одним находящимся между краевыми зонами упругим участком, расположенным по продольной оси элементов. 10. Ячейка по п. 9, отличающаяся тем, что элементы выполнены U-образными. 11. Ячейка по п. 9, отличающаяся тем, что элементы выполнены S-образными. 12. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что краевая зона выполнена в виде плотной, направленной в основном одномерной капиллярной структуры, причем вертикальные оси образуют с горизонталью угол максимально 75^o. 13. Ячейка по пп. 3 и 12, отличающаяся тем, что краевая зона выполнена в виде плоских тканевых, или вязаных, или мелкоячеистых структур или в виде штапельных волокон. 14. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что краевая зона выполнена в виде самонесущего плоского, по возможности гибкого тела пористой губчатой структуры. 15. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что краевая зона выполнена гидрофильной, а капиллярная щель гидрофобной.