РАЗДЕЛЕННЫЙ МЕМБРАНАМИ БИПОЛЯРНЫЙ МНОГОКАМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2003 года по МПК H01M8/24 H01M8/02 

1. ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к электрохимическим реакторам для проведения восстановительных и окислительных реакций в соответствующих положительно и отрицательно заряженных жидких электролитах без выделения газа на электродах. Более точно, изобретение относится к разделенному мембранами, биполярному многокамерному электрохимическому реактору для создания системы окислительно-восстановительных батарей с проточным электролитом.

2. Уровень техники
Системы окислительно-восстановительных батарей с проточным электролитом привлекают все больший интерес как эффективные системы преобразования энергии. Среди кандидатов в окислительно-восстановительные пары одной из наиболее предпочтительных является полностью ванадиевая окислительно-восстановительная система.

В основе конструкций электрохимических реакторов, которые были предложены для систем окислительно-восстановительных батарей с проточным электролитом, лежат конструкции электрохимических реакторов, разработанных для общих процессов электролиза, при этом адаптации подверглись только материалы, используемые в качестве электродов.

Как правило, электрохимические реакторы, используемые в качестве окислительно-восстановительных батарей, обычно состоят из комплекта биполярных пластинчатых электродных элементов, разделенных ионообменными мембранами, при этом образуется проточная камера для положительно заряженного электролита с одной стороны каждой мембраны и проточная камера для отрицательно заряженного электролита с противоположной стороны мембраны. Комплект биполярных элементов собирают вместе в виде фильтр-прессной конструкции между двумя концевыми электродными элементами.

Как правило, элементы имеют рамку, выполненную со скоординированными сквозными отверстиями, образующими впускные и выпускные коллекторы для двух электролитов, которые циркулируют параллельно соответственно через проточные камеры для положительно заряженного электролита и проточные камеры для отрицательно заряженного электролита.

Элементы обычно установлены и функционируют в вертикальном положении.

Сборка большого количества биполярных элементов электрически последовательно, как требуется в окислительно-восстановительных батареях для достижения соответствующего напряжения на двух концах батареи, установка многочисленных прокладок с целью уплотнения наружного периметра каждой проточной камеры для электролита и периметра отдельных сквозных отверстий рамок, предназначенных для образования впускных и выпускных коллекторов для двух электролитов, и окончательное стягивание фильтр-прессного комплекта с помощью стяжек, обеспечивающих сжатие комплекта со стороны двух концевых элементов, представляют собой требующие чрезвычайно точного выполнения и трудоемкие операции, которые должны выполняться очень квалифицированными специалистами.

Параллельное протекание двух электролитов через соответствующие проточные камеры создает серьезные проблемы с точки зрения минимизации так называемых паразитных электрических токов или токов шунта в непрерывающихся "жилах", в которых проходит жидкий электролит, вследствие того что электролит, имеющийся в коллекторах, создает бесчисленные траектории для этих шунтирующих или паразитных токов, возникающих вследствие взаимных разностей напряжений, существующих между различными биполярными элементами, функционирующими в виде электрически последовательного соединения между двумя концевыми электродами, на которых создается полная разность напряжений батареи. Шунтирующие или паразитные токи приводят к снижению энергетического кпд системы преобразования, но к более серьезным последствиям их влияния относится то, что они вызывают сильные явления коррозии на проводящих частях (например, угольных) вследствие чрезвычайно высоких напряжений на полуэлементах на поверхности проводника.

С другой стороны, окислительно-восстановительная система требует наличия не столь уж малых, скоростей протекания электролита через проточные камеры реактора для поддержания оптимальных условий реакций на полуэлементах, и это требование может подразумевать необходимость эксплуатации биполярного электрохимического реактора при сравнительно высоком избыточном давлении.

В отличие от обычной электрохимической обработки системы окислительно-восстановительных батарей с проточным электролитом предназначены также для использования на не загрязняющих окружающую среду транспортных средствах, и отношение мощности к весу представляет собой важный параметр.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основная задача данного изобретения состоит в разработке разделенного мембранами биполярного многокамерного электрохимического реактора для восстановительных и окислительных реакций на полуэлементах в соответствующих положительно и отрицательно заряженных электролитах, без выделения газа, с конструкцией, которая позволяет сделать процесс сборки данного реактора более простым за счет того, что она обеспечивает возможность укладывания полностью предварительно собранных элементов в стопу горизонтально, один поверх другого, и при этом данный реактор может эксплуатироваться при той же горизонтальной ориентации биполярных элементов.

В соответствии с основным аспектом новой конструкции по изобретению многокамерное устройство образовано путем укладывания двух типов предварительно собранных элементов поочередно в виде стопы, при этом один элемент представляет собой подузел для удерживания биполярного электрода, а другой представляет собой подузел для удерживания мембраны.

Естественно, стопа чередующихся элементов уложена на нижний концевой элемент, и укладку стопы заканчивают путем установки верхнего концевого электродного элемента поверх последнего элемента для удерживания мембраны. После этого стопу сжимают путем затягивания множества стяжек со стороны двух концевых электродных элементов, при этом стяжки обычно расположены по периметру уложенных в виде стопы элементов в соответствии с обычной практикой стягивания фильтр-прессной стопы с обеспечением гидравлического уплотнения с помощью прокладок, установленных в рабочем положении между стыкуемыми поверхностями рамок различных элементов.

В соответствии с существенным аспектом конструкции изобретения каждый элемент для удерживания биполярного пластинчатого электрода и каждый элемент для удерживания ионообменной разделительной мембраны включает в себя по существу одинаковую прямоугольную рамку, изготовленную из электрически не проводящего и химически стойкого материала, как правило, из литого пластика, которая имеет на своей верхней (при сборке) поверхности канавки для приема уплотнительных средств в виде кольцевых уплотнений и имеет сквозные отверстия и выемки, расположенные в скоординированных местах вдоль двух противоположных сторон прямоугольной рамки и образующие, после завершения сборки, магистрали для раздельной циркуляции отрицательно заряженного электролита и положительно заряженного электролита соответственно через все проточные камеры для отрицательно заряженного электролита и через все проточные камеры для положительно заряженного электролита в виде каскада. Отрицательно заряженный электролит поступает вдоль первой стороны проточной камеры для отрицательно заряженного электролита, проходит через камеру в направлении противоположной, или второй, ее стороны, выходит из камеры, проходит через скоординированные сквозные отверстия в рамке, удерживающей электрод, и в рамке, удерживающей следующую разделительную мембрану, достигая уровня следующей проточной камеры для отрицательно заряженного электролита, и поступает в эту камеру с той же второй стороны, с которой он вышел из предыдущей проточной камеры для отрицательно заряженного электролита, и выходит из этой следующей проточной камеры для отрицательно заряженного электролита с той же первой стороны, с которой он входил в предыдущую проточную камеру для отрицательно заряженного электролита, чтобы пройти через скоординированные сквозные отверстия в следующей паре рамок до уровня следующей проточной камеры для отрицательно заряженного электролита, и так далее. Аналогичная траектория потока образована также для положительно заряженного электролита или в виде траектории "противотока" или в виде траектории потока в том же направлении через батарею.

На практике биполярный электрохимический реактор не имеет впускных и выпускных коллекторов для двух электролитов; напротив, электролиты проходят через соответствующие проточные камеры по зигзагообразной траектории, то есть проходя по существу гидравлически последовательно или в виде каскада, а не в виде гидравлически параллельного потока.

Таким образом, ток шунта может возникать только за счет разности потенциалов, приблизительно соответствующей напряжению одного элемента, и практически становится ничтожно малым, и, что важнее всего, он не вызывает никакой коррозии на проводящих частях.

Два типа предварительно собранных элементов скоординировано сцеплены с тем, чтобы предотвратить любую ошибку при надлежащем укладывании их в виде стопы поочередно один поверх другого и обеспечить правильную ориентацию и очень хорошее выставление их друг относительно друга для образования биполярной батареи.

За исключением штырей и гнезд соответствующей формы, предназначенных для сцепления, и положения сквозных отверстий и участков с пазами, предназначенных для сообщения с проточными камерами, рамки из формованного пластика по существу идентичны для обоих типов элементов.

По существу каждая рамка имеет внутреннюю фланцевую часть, которая выполнена в виде выемки со стороны нижней (при сборке) поверхности рамки, то есть поверхности, которая противоположна той поверхности, на которой предусмотрены канавки для размещения прокладок в виде уплотнительных колец вокруг отверстия для сквозного прохода электролита и вокруг наружного герметизируемого периметра камеры.

Во время предварительной сборки двух типов элементов на этой внутренней фланцевой части размещается сравнительно узкая краевая периферийная часть периметра или биполярного пластинчатого электрода, или ионообменной разделительной мембраны.

Рамки двух типов могут быть рациональным образом изготовлены с различным цветом или тоном для того, чтобы можно было легко распознать, для размещения какого из элементов предназначена рамка - биполярного пластинчатого электрода или ионообменной мембраны.

Поверхность фланцевой части, на которой установлена ионообменная разделительная мембрана или биполярный пластинчатый электрод, имеет множество расположенных на определенном расстоянии друг от друга фиксаторов, которые выступают наружу от поверхности фланцевой части.

Пластинчатые электроды и ионообменные разделительные мембраны выполнены со скоординированными сквозными отверстиями, в которые входят фиксаторы соответствующих рамок, причем сквозные отверстия на электродах и разделительных мембранах имеют различное расположение.

Удерживающий контрфланец, изготовленный из электрически не проводящего и химически стойкого материала, как правило, из того же материала и того же цвета, что и рамка соответствующего типа, также имеет ряд отверстий, координаты которых соответствуют положениям фиксаторов, и функционально установлен над периферийной частью пластинчатого электрода или разделительной мембраны, помещенного или помещенной на выполненную в виде выемки фланцевую часть рамки, вне зависимости от того, какой конкретный тип рамки рассматривается.

Удерживающий контрфланец зафиксирован в заданном положении путем расплющивания нагретым инструментом выступающих частей фиксаторов, в результате чего обеспечивается постоянная фиксация биполярного пластинчатого электрода или ионообменной разделительной мембраны в центральном окне соответствующей рамки.

Прямоугольная форма окон рамок, в которые устанавливают мембраны и биполярные пластинчатые электроды, обрезанные или изготовленные по размеру, позволяет свести к минимуму какие-либо отходы ценного материала мембран и биполярных пластинчатых электродов. Плотная посадка контрфланца обеспечивает эффективное уплотнение контура мембраны или биполярного пластинчатого электрода, предотвращая перемешивание электролитов при уменьшении числа прокладок. Возможно, но не обязательно, могут быть использованы разделительные прокладки в случае необходимости, например, для установки особо тонкой мембраны.

Эта конструкция позволяет переворачивать предварительно собранные таким образом элементы, и при этом не возникает опасность того, что установленный пластинчатый электрод или ионообменная разделительная мембрана может выпасть, и, следовательно, позволяет легко размещать кольцевые уплотнительные прокладки на противоположной (верхней) поверхности рамки, соответствующим образом предусмотренной с канавками для размещения.

Каждый предварительно собранный элемент первого типа может быть перевернут, помещен сверху на стопу, и кольцевые уплотнительные прокладки могут быть размещены в соответствующих канавках перед установкой следующего предварительно собранного элемента другого типа сверху, при этом следующий предварительно собранный элемент другого типа готов к размещению на нем кольцевых уплотнительных прокладок и еще одного предварительно собранного элемента первого типа, и так далее до завершения стопы.

Помимо того что штыри и гнезда для сцепления способствуют правильной поочередной укладке в стопу и ориентации предварительно собранных элементов с биполярными электродами и разделительными мембранами, они также обеспечивают правильную ориентацию элементов в плоскости, так что сквозные отверстия и участки с пазами оказываются совмещенными друг с другом, образуя зигзагообразную последовательную траекторию потока для двух электролитов.

Предпочтительно стопа батареи образована из целого кратного числа блоков, каждый из которых образован четырьмя поочередно соединенными элементами: двумя элементами с мембраной и двумя элементами с биполярным электродом, при этом батарея имеет четное число камер. Таким образом, каждый электролит будет поступать в батарею и выходить из нее с одной и той же стороны.

Часто и наиболее предпочтительно электрод состоит из пористого материала или мата из углеродных волокон, образующих электрически целостный элемент с аналогичной электродной структурой на противоположной стороне проводящего биполярного пластинчатого электрода с целью создания по существу трехмерных электродных структур, имеющих большую активную зону, которая значительной своей частью проходит в глубину соответствующей проточной камеры для электролита.

Эта конструкция, обусловленная необходимостью повышения допустимой скорости реакций на полуэлементах, противоречит необходимости снижения до минимума мощности, потребляемой двигателями, которые приводят в действие насосы для двух электролитов с целью обеспечения протекания электролитов через множество соответствующих проточных камер с надлежащей скоростью потока.

Эта проблема усугубляется при переходе от параллельного протекания электролита через все соответствующие проточные камеры из общего впускного коллектора в общий выпускной коллектор к каскадному протеканию из одной камеры в следующую и так далее от одного конца до противоположного конца стопы.

Хотя это каскадное течение чрезвычайно эффективно с точки зрения устранения любых проблем, связанных с коррозией, возникающей из-за токов шунта, оно обязательно вызывает необходимость в увеличении перепада давлений на батарее, в которой используются два электролита.

В соответствии с возможным, но не обязательным признаком конструкции батареи по изобретению, который может быть полезным в случае использования пористых трехмерных электродов, проходящих от непроницаемой электропроводящей биполярной пластины, это увеличение перепада давлений вследствие использования последовательной или каскадной траектории течения электролитов через соответствующие множества проточных камер при применении электродов из пористых матов, выступающих в проточную камеру, практически устраняется при одновременном уменьшении или даже ликвидации какого-либо остаточного зазора или пространства для беспрепятственного протекания между пористым электродом и ионообменной разделительной мембраной, которые могут быть установлены даже в контакте друг с другом с целью сведения к минимуму омических потерь в жидком электролите.

Эти условия, которые, как совершенно очевидно, являются противоречивыми, реально выполняются в соответствии с настоящим изобретением за счет образования (вырезания) в пористом электроде двух упорядоченных совокупностей параллельных каналов для потока, при этом все параллельные, расположенные на некотором расстоянии друг от друга каналы из каждой упорядоченной совокупности проходят от общего перпендикулярного базового канала, образованного вдоль соответствующей входной или выходной стороны камеры, и заканчиваются, немного не доходя до базового канала из другой упорядоченной совокупности каналов. Каждая упорядоченная совокупность образует гребенкообразную сеть каналов для распределения потока, параллельные пальцеобразные участки которой перемежаются пальцеобразными каналами из другой упорядоченной совокупности.

На практике базовый или выполняющий роль коллектора канал в одной гребенкообразной сети каналов проходит вдоль стороны камеры, сообщающейся с каналом, предназначенным для впуска электролита в камеру, в то время как параллельные пальцеобразные каналы другой "зеркальной" гребенкообразной сети каналов перемежаются параллельными пальцеобразными каналами первой сети каналов, и базовый или выполняющий роль коллектора канал другой "зеркальной" гребенкообразной сети каналов проходит вдоль противоположной стороны камеры, сообщающейся с выходным каналом для электролита.

Проходящие между каналами из другой совокупности пальцеобразные каналы для потока, принадлежащие к одной упорядоченной совокупности, проходят параллельно друг другу, при этом каждый из них заканчивается, немного не доходя до выполняющего функцию коллектора основного канала из другой упорядоченной совокупности перемежающихся параллельных пальцеобразных каналов. Следовательно, каждый входной канал для потока, или канал "поступления", отделен от двух соседних выходных каналов для потока, или каналов "слива", полосой из пористого материала трехмерного электрода, имеющей определенную ширину и разделяющей параллельные каналы, которые в конечном счете могут быть прорезаны в ней.

Входные и выходные каналы для потока электролита, расположенные попеременно в виде упорядоченных совокупностей, обеспечивают равномерное распределение электролита с уменьшенным равномерным перепадом давлений по всей зоне электродов в проточной камере, при этом образуются каналы для распределения электролита по всей массе трехмерного пористого электрода.

Перепад давлений может быть предварительно задан в определенных пределах за счет того, что известен удельный перепад давлений электролита на материале трехмерного пористого электрода при заданной скорости потока, и за счет того, что заданы две упорядоченные совокупности перемежающихся каналов для "поступления" и "слива" электролита с соответствующим расстоянием между двумя соседними каналами.

Было установлено, что помимо того что такое расположение каналов "поступления" и "слива", соответствующим образом прорезанных сквозь толщину трехмерного пористого электрода, позволяет значительно уменьшить перепад давлений, обусловленный протеканием электролита через соответствующие проточные камеры последовательно от одного конца до противоположного конца батареи, это расположение позволяет очень существенно улучшить электрохимические характеристики батареи вследствие значительно более равномерно распределенной плотности тока по всей зоне элементов батареи.

Изобретение более четко определено в приложенной формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Различные признаки и соответствующие преимущества новой конструкции аккумуляторной батареи станут еще более очевидными из нижеприведенного описания нескольких предпочтительных вариантов осуществления и за счет ссылок на приложенные чертежи, в которых:
фиг. 1 представляет собой выполненный с пространственным разделением элементов вид элемента с мембраной и элемента с биполярным электродом в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления;
фиг. 2 представляет собой частичное детализированное изображение перевернутого элемента с мембраной, на котором подробно проиллюстрировано то, как мембрану устанавливают в прямоугольное окно рамки;
фиг. 3 представляет собой частичное детализированное изображение перевернутого элемента с биполярным электродом, на котором подробно проиллюстрировано то, как биполярный электрод устанавливают в прямоугольное окно рамки;
фиг. 4 представляет собой вид сверху элемента с биполярным пластинчатым электродом, в котором используются электродные структуры в виде войлочной или тканевой основы из углеродных волокон в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения;
фиг. 5 представляет собой частичное сечение биполярного пластинчатого электрода по фиг.1 и 3;
фиг. 6 - выполненное в сечении трехмерное изображение полностью собранного комплекта элементов батареи.

ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1, 2, 3, 4 и 5 проиллюстрирована батарея, реализованная в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Выполненное с пространственным разделением элементов изображение по фиг. 1, на котором представлены два вида предварительно собранных элементов, а именно элемент с мембраной и элемент с биполярным пластинчатым электродом, дает ясное общее представление о конструкции по изобретению в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления.

Рамка 1М элемента с мембраной и рамка 1Е элемента с биполярным электродом во многих отношениях в основном схожи. Обе рамки могут быть изготовлены из литьевого пластика, например, такого как полипропилен, при этом для двух типов рамок 1Е и 1М используются различные формы для получения соответствующим образом различающихся штырей и гнезд для сцепления.

В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом осуществления в рамках 1М и 1Е из формованного литьевого пластика образовано прямоугольное внутреннее окно, однако в зоне своего наружного периметра рамка не является прямоугольной, а имеет форму с особой криволинейностью, определяемую тем, что каждая сторона рамки имеет выпуклый наружный край, что делает ширину поперечного сечения рамки большей вблизи центральной части каждой стороны, чем в зоне углов. Эта особая форма рамки позволяет оптимизировать вес как функцию конструкционной прочности с учетом того, что конструкция должна выдерживать давление электролита. Действительно, полностью собранную батарею подвергают гидравлическим испытаниям на способность выдерживать максимальное давление электролита до 5 атмосфер (506,625 кПа). Было установлено, что выпуклая форма сторон тела рамки лучше всего отвечает требуемой прочности на изгиб за счет уменьшения концентраций напряжений и достижения наиболее эффективного отношения "вес/способность выдерживать давление".

На изображении по фиг.1, выполненном с пространственным разделением элементов, траектории потока положительно заряженного электролита и отрицательно заряженного электролита через соответствующие проточные камеры положительного электрода и отрицательного электрода схематично показаны линиями течения, представленными соответствующими знаками "плюс" (+) и "минус" (-).

В соответствии с ориентацией элементов батареи в стопе траектории потока электролита показаны, начиная от расположенного горизонтально, нижнего концевого элемента, состоящего из положительного концевого электрода.

На фиг.1 нижний элемент представляет собой элемент с мембраной, при этом мембрана 2 вырезана в виде прямоугольника и может представлять собой или катионообменную мембрану, такую как мембрана из сульфированного полиэтилена, или мембрану из полистиролсульфокислоты, или аналогичную химически стойкую мембрану, или анионообменную мембрану.

Мембрана 2, вырезанная по размеру, также имеет ряд отверстий 3, пробитых вдоль ее периферийной части в заранее заданных местах. Аналогичным образом, фиксирующий контрфланец 4, изготовленный, как правило, из того же материала, что и рамка 1М, имеет отверстия в заранее заданных местах, геометрически совпадающих с положениями отверстий 3 мембраны 2.

На фиг. 2, которая представляет собой подробное увеличенное изображение элемента с мембраной по фиг.1, повернутого на 180^o, показано, как мембрана 2 и фиксирующий контрфланец 4 размещаются над выполненной в виде выемки, внутренней фланцевой частью 6 рамки 1М, при этом отлитые фиксаторы 7, имеющиеся на поверхности фланцевой части 6 и расположенные в определенном порядке, соответственно входят в скоординированные [совмещенные] отверстия 3 и 5 мембраны и фиксирующего контрфланца 4.

Разделительные резиновые прокладки могут быть размещены на фланцевой части 6 перед установкой мембраны 2, и вторая резиновая прокладка может быть расположена между мембраной 2 и фиксирующим контрфланцем 4 для регулирования заданной глубины соответствующих каналов для потока на противоположных сторонах мембраны 2 и/или для предотвращения утечек отрицательно заряженного электролита в положительно заряженный электролит или наоборот вследствие разностей избыточного давления в двух проточных камерах с противоположных сторон разделительной мембраны 2.

В альтернативном варианте соответствующий герметик, например, такой как кремнийорганический герметик в виде геля, может быть использован при предварительной сборке элемента для создания герметичного узла.

С помощью соответствующих приспособлений фиксирующий контрфланец 4 в конце концов зажимают над мембраной, и концы фиксаторов 7, выступающие из отверстий 5 контрфланца 4, расплющивают посредством горячей клепки с помощью нагретого инструмента, при этом данная операция вызывает расплавление концов фиксаторов 7 и "заливку" расплавленного материала в штампованные отверстия 5 фиксирующего фланца 4.

После "расплющивания" фиксаторов 7 элемент оказывается полностью предварительно собранным и может быть размещен поверх установленного последним элемента с биполярным электродом в перевернутом положении, при этом не возникает никакого риска выпадения предварительно установленной мембраны.

Кроме того, на верхнюю поверхность формованной рамки 1М элемента с мембраной можно легко установить - если они еще не установлены - периферийную уплотнительную кольцевую прокладку 8 и два кольцевых уплотнения 9 и 9' магистралей для отрицательно заряженного (или положительно заряженного) электролита.

Верхняя поверхность рамки 1М элемента с мембраной имеет, по меньшей мере, два, предпочтительно четыре штыря 10 для сцепления, которые в показанном примере имеют продолговатое поперечное сечение, в то время как на нижней поверхности, частично видной на детализированном виде по фиг.2, имеются два или предпочтительно четыре гнезда 11 для штырей, которые в показанном примере имеют круглое поперечное сечение.

В примере, показанном на чертежах, стяжки, вставка которых завершает сборку батареи, проходят через отверстия 12, выполненные в определенном порядке по периметру всех рамок и двух концевых элементов снаружи по отношению к проходящей по периметру уплотнительной кольцевой прокладке 8.

Верхняя часть изображения по фиг.1, выполненного с пространственным разделением элементов, показывает элемент с биполярным электродом.

В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом осуществления батареи биполярный пластинчатый электрод представляет собой электропроводящую составную конструкцию, которая включает в себя центральную проводящую пластину 13, как правило, пластину из стеклоуглерода с толщиной порядка 1-3 или более миллиметров, имеющую присоединенные с ее противоположных сторон электроды 14 на войлочной основе из углеродных волокон, имеющие толщину (глубину), которая, как правило, может составлять от 1 до 5 или более миллиметров.

Электроды 14 на войлочной основе присоединены с обеспечением электрической непрерывности к проводящей перегородке 13 и выполнены со сравнительно открытой структурой с тем, чтобы они были легко проницаемыми для электролита, проходящего через электродную камеру.

Биполярный пластинчатый электродный композит 13-14 установлен в соответствующей рамке 1Е из формованного термопласта, как правило, такого же типа, что и пластик, из которого изготовлены рамки элементов с мембраной.

Предварительная сборка элемента с биполярным электродом полностью аналогична предварительной сборке элемента с мембраной.

Отличающееся расположение скоординированного множества отверстий 16 на периферийной части проводящей перегородки 13, которая образована из угольной пластины, и отверстий 17 на фиксирующем контрфланце 15 и, естественно, также фиксаторов 18 (фиг. 3) на выполненной в виде выемки, внутренней фланцевой части 19 рамки 1Е предотвращает любую вероятность ошибки при предварительной сборке двух типов укладываемых в виде стопы элементов.

Фиг. 3 представляет собой увеличенное подробное изображение элемента с биполярным электродом по фиг.1, повернутого на 180^o.

В отличие от рамки 1М элемента с мембраной рамка 1Е элемента с биполярным электродом имеет на своей верхней поверхности штыри 20 для сцепления (фиг. 1), имеющие круглое поперечное сечение с диаметром, величина которого позволяет штырям входить в круглые гнезда 11, имеющиеся на нижней стороне рамки 1М элемента с мембраной. Как видно на перевернутом виде по фиг.3, на верхней стороне формованной рамки 1Е элемента с биполярным электродом (фиг. 1) имеются гнезда 21 с продолговатым поперечным сечением, пригодным для приема штырей 10 для сцепления, имеющихся на верхней стороне формованной рамки 1М элемента с мембраной.

Аналогично рамке 1М элементов с мембраной рамка 1Е элемента с биполярным электродом также имеет на своей верхней поверхности канавки для размещения проходящего по периметру кольцевого уплотнения 22 и двух кольцевых уплотнений 23 и 23' магистралей для положительно заряженного (или отрицательно заряженного) электролита.

В соответствии с наиболее предпочтительным вариантом осуществления, показанным на чертежах, электроды 14 из пористого углеродного мата имеют две отличающиеся друг от друга упорядоченные совокупности или сети параллельных и перемежающихся друг с другом каналов для распределения электролита, направление которых совпадает с направлением потока электролита через соответствующую проточную камеру для электролита, при этом указанные каналы проходят от входных пазов 24 и 24' и 25 и 25', предусмотренных соответственно для положительно заряженного и отрицательно заряженного электролитов, до выходных пазов 26 и 26' и 27 и 27', функционально выполненных на противоположных сторонах камеры.

Естественно, несмотря на то что в примере показаны две магистрали и соответствующие пазы, в зависимости от размера элементов может существовать только одна магистраль и паз или любое количество магистралей и пазов для лучшего распределения и/или для уменьшения перепадов гидравлического давления.

Как показано на фиг.1, 3, 4 и 5, первая гребенкообразная сеть каналов имеет пальцеобразные каналы s1, s2, s3, ..., sn, проходящие параллельно друг другу от базового, или выполняющего функцию коллектора, канала S, образованного вдоль стороны проточной камеры для электролита, через которую электролит поступает в камеру по впускным пазам, соединенным с соответствующими магистралями для электролитов, и заканчивающиеся, немного не доходя до соответствующего выполняющего функции коллектора, или базового, канала D, образованного вдоль противоположной стороны проточной камеры, где электролиты выходят из камеры через выпускные пазы, сообщающиеся с соответствующими магистралями для электролитов.

Аналогичным образом, вторая гребенкообразная сеть каналов имеет пальцеобразные каналы d1, d2, d3, ..., dn, проходящие параллельно друг другу от их базового, или выполняющего функции коллектора, канала D, и эти каналы перемежаются пальцеобразными каналами s1, s2, s3, ..., sn первой гребенкообразной сети каналов. Пальцеобразные каналы d1, d2, d3, ..., dn второй гребенкообразной сети каналов заканчиваются, немного не доходя до базового, или выполняющего функции коллектора, канала S первой сети каналов.

Две упорядоченные совокупности каналов s1, s2, s3,..., sn и d1, d2, d3,. . . , dn, проходящих попеременно, образуют сеть каналов для распределения (поступления) электролита и сеть каналов для выпуска (слива) электролита.

Как можно видеть на виде сверху по фиг.4 и на фиг.1 и 3, соответствующие базовые, или выполняющие функцию коллектора, каналы S и D, предназначенные соответственно для поступающего электролита и для электролита, выходящего из проточной камеры, образованы за счет того что электрод 14 на войлочной основе заканчивается на определенном расстоянии от боковой стенки проточной камеры, так что электролит, поступающий в проточную камеру через впускные пазы 24 и 24' (фиг.3) или 25 и 25' (фиг.1 и 4), может распределяться в этом базовом, или выполняющем функцию коллектора, канале S и из него равномерно распределяться по пальцеобразным каналам s1, s2, s3, ... поступления.

Пальцеобразные каналы d1, d2, d3, ... слива, чередующиеся с пальцеобразными каналами поступления, образуют множество каналов слива электролита, направленных к выпускным пазам 27 и 27' (фиг.4).

Таким образом, электролит равномерно распределяется по массе пористого электрода 14 на войлочной основе из углеродных волокон, в результате чего имеет место небольшое падение давления.

Как схематично показано стрелками на фиг.4, отображающими идеализированные потоки, электролит практически вынужден проходить в боковом направлении через ограниченный участок войлочной основы из углеродных волокон, обеспечивая эффективное обновление электролита по всей активной поверхности электрода с учетом того, что взаимодействующие сети перемежающихся каналов поступления и слива создают траекторию потока с очень небольшим падением давления по проточной камере для электролита.

Было установлено, что при такой конфигурации электрода с сетью каналов электрод на войлочной основе из углеродных волокон может занимать всю глубину проточной камеры элемента для электролита, предназначенной для электролита, при этом разделительная мембрана может упираться прямо в поверхность выполненного с каналами электрода на войлочной основе из углеродных волокон, что обеспечивает минимизацию омического падения напряжения в электролите.

Две сети каналов могут быть образованы в электроде на войлочной основе из углеродных волокон путем прорезания его после присоединения его к пластине 13 биполярного электрода или перед таким присоединением. Действительно, каналы в войлочной основе из углеродных волокон могут быть предварительно образованы путем прорезания войлока с помощью вырубного пуансона штампа, и войлочная основа из углеродных волокон может быть приклеена к подкладочному листу для облегчения манипулирования ей в процессе присоединения. Подкладочный лист в конце может быть отделен от поверхности присоединенного электрода или удален любым другим пригодным образом.

Фиг. 5 представляет собой увеличенное подробное изображение характерной структуры композиционного биполярного пластинчатого электрода батареи по изобретению.

Фиг. 6 представляет собой выполненное в сечении трехмерное изображение собранного комплекта элементов батареи.

Нижний концевой электрод Т+, который в показанном примере образован положительным угольным электродом, и верхний концевой электрод Т- установлены в жестких и прочных концевых пластинах из формованного пластика, обозначенных соответственно Р+ и Р-, которые усилены усиливающей пластиной SS из нержавеющей стали, на которую воздействуют микрометрические гайки М при стягивании стяжек TR.

Использование пластиковых концевых пластин Р+ и Р- облегчает образование очень хорошо загерметизированного и коррозионно-стойкого полюса для электрического подсоединения батареи к внешней цепи.

Как показано, помимо того что батарея по изобретению выполнена с возможностью сборки ее в горизонтальном положении, она также может находиться в таком горизонтальном положении в процессе эксплуатации.

Предпочтительной ориентацией является такая ориентация, при которой все положительные электроды находятся под разделительной мембраной соответствующего элемента и, соответственно, все отрицательные электроды находятся над разделительной мембраной.

В действительности в процессе эксплуатации может иметь место случайное и не имеющее существенного значения выделение минимального количества водорода на отрицательных электродах и минимального количества кислорода на положительных электродах.

В соответствии с данной предпочтительной ориентацией выделившийся в итоге кислород будет подниматься за счет плавучести к разделительной мембране, а водород - к основанию отрицательного электрода, при этом и кислород, и водород в конце концов будут выходить наружу вместе с электролитом.

Таким образом, сводится к минимуму продолжительность непрерывного контакта кислорода с базовой пластиной угольных электродов, который мог бы вызвать окисление (коррозию) угля. Кроме того, полимерная мембрана, которая является по существу проницаемой для водорода, создает возможность некоторой миграции водорода через мембрану, если стопа элементов перевернута.

Было установлено, что возможность установки элементов и функционирования батареи по существу в горизонтальном положении вместо традиционной вертикальной ориентации является предпочтительной не только вследствие большей простоты сборки батареи, но также и при эксплуатации батареи, особенно в случае батареи с особенно большими поверхностями элементов. Вертикальная ориентация позволяет уменьшить механические напряжения и позволяет использовать более эффективную конструкцию элементов, а также облегчает решение проблем гидравлического уплотнения.

Изобретение относится к электрохимическим реакторам с биполярными электродами. Согласно изобретению многокамерное устройство образовано путем поочередного укладывания в стопу предварительно собранных элементов двух типов: подузла для удерживания биполярного электрода и подузла для удерживания мембраны. Стопу чередующихся элементов укладывают на нижний концевой элемент, и стопу заканчивают путем помещения верхнего концевого электродного элемента на последний элемент, удерживающий мембрану. Каждый элемент для удерживания биполярного пластинчатого электрода и каждый элемент для удерживания ионообменной разделительной мембраны включает в себя по существу аналогичную прямоугольную рамку, изготовленную из электрически не проводящего и химически стойкого материала, как правило, из формованного пластика, которая имеет на своей верхней (после сборки) поверхности канавки для приема прокладочных средств в виде кольцевых уплотнений, имеет внутреннюю фланцевую часть, образованную в виде выемки со стороны первой плоской поверхности, и электрически не проводящий фиксирующий контрфланец, и имеет сквозные отверстия и выемки в скоординированных местах, которые расположены вдоль двух противоположных сторон прямоугольной рамки и после завершения сборки образуют магистрали для раздельной циркуляции отрицательно заряженного электролита и положительно заряженного электролита в виде каскада соответственно через все проточные камеры для отрицательно заряженного электролита и все проточные камеры для положительно заряженного электролита. Биполярный реактор не имеет впускного и выпускного коллекторов для двух электролитов, электролиты проходят через соответствующие проточные камеры по зигзагообразной траектории, то есть по существу в гидравлическом ряду или в виде каскада. Предпочтительно в электродах на войлочной основе образованы две упорядоченные совокупности параллельных каналов для потока. Каждая упорядоченная совокупность образует гребенкообразную сеть каналов для распределения потока, при этом пальцеобразные каналы данной сети перемежаются пальцеобразными каналами из другой упорядоченной совокупности. Техническим результатом изобретения является простота сборки реактора. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Разделенный мембранами биполярный многокамерный электрохимический реактор для восстановительных и окислительных реакций на полуэлементах в соответствующих положительно и отрицательно заряженных жидких электролитах без выделения газа, включающий в себя множество расположенных поочередно элементов с биполярным пластинчатым электродом и элементов с ионообменной разделительной мембраной, образующих проточную камеру для положительно заряженного электролита с одной стороны каждой мембраны и проточную камеру для отрицательно заряженного электролита с ее противоположной стороны, собранных вместе с обеспечением герметичности в виде фильтр-прессной конструкции между двумя концевыми электродными элементами, электрически соединенными в электрическую схему, функционально включающую в себя источник электрического напряжения, вызывающий ток через электрохимический реактор, или электрическую нагрузку, потребляющую ток из электрохимического реактора, причем элементы с биполярным пластинчатым электродом и элементы с ионообменной разделительной мембраной включают в себя рамку из электрически не проводящего и химически стойкого материала, взаимодействующую со средствами, образующими уплотнительные прокладки, и имеющую сквозные отверстия и выемки в скоординированных местах, образующие после сборки магистрали для раздельной каскадной циркуляции отрицательно заряженного электролита и положительно заряженного электролита соответственно во всех проточных камерах для отрицательно заряженного электролита и во всех проточных камерах для положительно заряженного электролита, отличающийся тем, что все рамки элементов с биполярным пластинчатым электродом и элементов с ионообменной разделительной мембраной имеют внутреннюю фланцевую часть, которая выполнена в виде выемки со стороны первой плоской поверхности рамки, при этом на противоположной стороне другой поверхности рамки имеются канавки для размещения кольцевых уплотнительных прокладок вокруг отверстий для сквозного прохода электролита и по наружному периметру уплотняющего материала, при этом на внутренней фланцевой части рамки размещается проходящая по периметру часть соответствующего биполярного пластинчатого электрода или ионообменной разделительной мембраны; множество фиксаторов выступают наружу от поверхности указанной фланцевой части и проходят сквозь отверстия проходящей по периметру части пластинчатого электрода или разделительной мембраны, размещенной на указанной фланцевой части; фиксирующий контрфланец из электрически не проводящего и химически стойкого материала имеет отверстия, скоординированные с положениями указанных фиксаторов, и функционально установлен над проходящей по периметру частью пластинчатого электрода или разделительной мембраны на выполненной в виде выемки фланцевой части рамки и постоянно закреплен на ней с помощью расплющенных в горячем состоянии головок фиксаторов, выступающих из скоординированных отверстий контрфланца; причем предварительно собранные элементы с биполярным пластинчатым электродом и элементы с разделительной мембраной выполнены с возможностью поочередного укладывания их в стопу в горизонтальном положении, при этом другая поверхность рамок, несущая кольцевые уплотнительные прокладки, обращена вверх. 2. Электрохимический реактор по п.1, отличающийся тем, что другая поверхность и первая плоская поверхность каждой рамки выполнены с множеством штырей и гнезд, предназначенных соответственно для сцепления и выравнивания, при этом по форме они отличаются друг от друга, что предотвращает укладывание элементов с биполярным электродом и элементов с ионообменной разделительной мембраной в стопу в неправильном порядке чередования и/или при неправильной ориентации. 3. Электрохимический реактор по п.1, в котором внутренние фланцевые части, биполярные пластинчатые электроды и ионообменные разделительные мембраны являются прямоугольными и рамки имеют выпуклые наружные стороны. 4. Электрохимический реактор по п.1, в котором направления потока отрицательно заряженного электролита и положительно заряженного электролита в соответствующих проточных камерах вдоль противоположных сторон каждой ионообменной разделительной мембраны противоположны друг другу. 5. Электрохимический реактор по п. 1, в котором каждый из биполярных пластинчатых электродов состоит из не проницаемой для текучих сред электропроводящей пластины, имеющей на своих противоположных поверхностях пористые, проницаемые для текучих сред трехмерные электродные структуры в виде войлочной основы или материала из углеродных волокон, присоединенные с обеспечением электрической непрерывности к электропроводящей пластине, при этом электролит поступает в электродную камеру вдоль одной стороны и выходит из камеры с противоположной стороны, отличающийся тем, что пористая электродная структура имеет две отдельные гребенкообразные сети каналов, при этом пальцеобразные каналы одной сети каналов по существу параллельны друг другу и перемежаются по существу параллельными пальцеобразными каналами другой сети каналов; причем первая гребенкообразная сеть каналов или сеть каналов поступления имеет базовый или выполняющий функции коллектора канал, проходящий вдоль стороны камеры, через которую электролит подается в камеру, а вторая сеть каналов или сеть каналов слива имеет свой базовый или выполняющий функции коллектора канал, проходящий вдоль противоположной стороны, через которую электролит выходит из камеры; при этом все пальцеобразные каналы одной сети каналов проходят от базового, или выполняющего функции коллектора канала и заканчиваются, немного не доходя до выполняющего функции коллектора канала другой сети каналов. 6. Электрохимический реактор по п.1, в котором магистрали для раздельной циркуляции каждого из отрицательно заряженного и положительно заряженного электролитов, образованные сквозными отверстиями, проходящими через всю толщину каждой рамки элементов с биполярным пластинчатым электродом и элементов с ионообменной разделительной мембраной, образованы с помощью двух или более отверстий, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль одной стороны по существу прямоугольной рамки.