CZ284530B6 - Elektroda pro elektrochemické procesy, při níchž vznikají plyny, zejména procesy v membránových článcích, a její použití - Google Patents

Abstract

Elektroda (1) pro elektrolytické procesy v membránových článcích, při nichž vznikají plyny, sestává z plochého elektrodového plechu obsahujícího elektrodové elementy (2) tvaru lamel. Vždy sousední elektrodové elementy (2) jsou od sebe odděleny mezerou (3). Pro lepší odvod plynů z oblasti elektrody (1) a ionexové membrány (11) mají elektrodové elementy (2) strukturu plechové mřížoviny, jejíž kosočtvercové otvory (8) slouží pro lepší prů-chod plynů. Elektrodové elementy (2) mají zalomené horní okraje (4) pro usnadnění odvádění plynů ve svislém směru. Elektroda (1) je při svém zapojení jako katoda vhodná pro přímé dosednutí na ionexovou membránu, může však být použita i jako katoda s odstupem od ionexové membrány.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká elektrody pro elektrolytické procesy, při nichž vznikají plyny, zejména procesy v membránových nebo diafragmových článcích, která má plošnou strukturu s alespoň dvěma elektricky vodivými a mechanicky navzájem pevně spojenými elektrodovými elementy, mezi nimiž je upravena vždy mezera pro odvod plynu, přičemž elektrodové elementy mají podél těchto mezer upraveny dosedací plochy pro ionexovou membránu nebo diafragmu a na okrajové části sousedící s touto mezerou jsou vytvořeny jako zařízení pro odvod plynu. Vynález se dále týká použití této elektrody.

Dosavadní stav techniky

Ze spisu DE-OS 32 19 704 je známý membránový elektrolytický článek typu filtračního lisu s párovitě uspořádanými plošnými elektrodami, přičemž tyto elektrody obsahují vždy alespoň jednu děrovanou aktivní střední část a mezi těmito párovitě uspořádanými elektrodami je uspořádána membrána; přitom je vždy mezi okrajem elektrody a okrajem membrány upraveno těsnění; děrovaná střední část elektrod má konstrukci podobnou mřížce, přičemž pruty této mřížky těchto párovitě uspořádaných elektrod jsou vůči sobě navzájem přesazeny maximálně o polovinu šířky jednoho prutu a pruty této mřížky jedné elektrody jsou uspořádány tak, že jejich odstup vůči sobě navzájem je menší než průmět jejich šířky. Pruty této mřížky jsou alespoň na aktivní straně konvexně zakřiveny, přičemž tloušťka těsnění mezi okrajem elektrody a okrajem membrány se rovná neboje menší než výška části prutu mřížky vyčnívající za okraj elektrody. Jako problematické se zde ukázalo to, že u takového uspořádání je nutno počítat s úbytkem a tvorbou plynových bublin v oblasti dosedací plochy, z čehož vyplývají nepříznivá působení na membránu a povlak elektrod.

Elektrolytický článek je určen pro elektrolýzu vodného elektrolytu obsahujícího halogenid, jako například solného roztoku, aby vznikl vodný roztok hydroxidu alkalického kovu, halogen a vodík.

U takto vytvořených elektrolytických článků neboli elektrolyzérů je nutno v oblasti místa dotyku elektrody a membrány počítat s úbytkem chloridu, z čehož může vyplynout snížení dlouhodobé stability.

Ze spisu EP-PS 0 102 099 je známá elektroda pro elektrolyzéry vyrábějící plyn, zejména pro membránové elektrolyzéry, se svisle uspořádanou deskovou elektrodou, s protielektrodou a s membránou mezi těmito oběma elektrodami; desková elektroda je přitom dělená na vodorovné pásy, jejichž celková aktivní plocha je uspořádána rovnoběžně s protielektrodou v co nejmenším odstupu vůči ní, přičemž však mezi membránou a elektrodou je upravena mezera pro odvod plynů vznikajících při elektrochemické reakci; pro odvod plynů stoupajících z této mezery je mezi vodorovnými pásy v oblasti jejich horních okrajů upraveno vždy zalomené ústrojí pro odvod plynů, na němž stoupající plyn expanduje a z části je veden za elektrodu.

Jako problematickou se zde ukázala mezera mezi membránou a oběma elektrodami, která je stále potřebná pro odvod plynů, přičemž takový poměrně velký odstup elektrod má za následek rovněž zvýšení napětí článků.

Ze spisu DE-OS 36 40 584 je známá elektroda pro elektrolyzéry vyrábějící plyn, zejména pro monopolární membránové elektrolyzéry se svisle uspořádanými deskovými elektrodami a protielektrodami a s membránou mezi deskovou elektrodou a protielektrodou; na ploše deskových elektrod přivrácené k membráně jsou upraveny elektricky vodivé a s deskovými

-1 II II elektrodami elektricky vodivě spojené plošné útvary jako předřazené elektrody, které jsou uspořádány v rovinách rovnoběžných s deskovými elektrodami.

Plošný útvar sloužící jako elektroda má tvar děrovaných plechů, plechové mřížoviny neboli tahokovu, drátěných tkanin nebo drátěných pletiv, přičemž vzdálenost plošných útvarů je v rozsahu od 1 do 5 mm; deskové elektrody jsou ve vodorovném směru průběžně rozděleny na několik oddělených jednotek, aby se dosáhlo zlepšení rozložení proudu v membráně a zmenšení poklesu napětí na plochách přivrácených k membráně.

Problematickým se u těchto elektrod ukázalo ubývání chloridu, zejména v oblasti místa dotyku elektrody s ionexovou membránou, z čehož vyplývá snížení dlouhodobé stability.

Dále je ze spisu EP-OS 0 150 018 známý způsob elektrolýzy kapalných elektrolytů prostřednictvím děrovaných elektrod v elektrolytických článcích rozdělených ionexovou membránou, přičemž na základě tvoření bublinek plynů vzniká stranou od hlavního směru proudění elektrolytu plynový prostor. Vzniklé bublinky plynů předávají svým praskáním na fázovém rozhraní svůj obsah plynů do plynového prostoru sousedícího bočně s hlavním směrem proudění, přičemž tento plynový prostor se vytváří u deskovitých elektrod v zadním prostoru za elektrodou. Děrované elektrody mohou mimo jiné sestávat z plechové mřížoviny nebo plechových pásů.

Problematickou se u známých uspořádání podle EP-OS 0 150 018 ukázala poměrně složitá konstrukce elektrod s elementy usměrňujícími proud plynů, které jsou sestaveny z jednotlivých plechových pásů.

Ve spise WO 92/22681 je dále popsán elektrolytický článek pro elektrolytické procesy, při nichž vznikají plyny nebo při nichž se plyny pohlcují, s alespoň jednou elektrodou, která má ve své reakční okrajové oblasti kvazi jednorozměrnou nebo dvourozměrnou kapilární strukturu, takže doprava plynů a elektrolytu zde probíhá v podstatě kolmo k rovině elektrody. Na okrajovou oblast navazuje alespoň jedna kapilární mezera, která klade dopravě plynů a elektrolytu podél roviny elektrody zejména ve svislém směru podstatně menší odpor než okrajová oblast. Elektroda přitom sestává z většího počtu tenkých fóliových elektrodových elementů, které se o sebe opírají, z nichž je alespoň každý druhý profilován a tvoří okrajovou oblast. Přitom se jedná o poměrně složitou a drahou konstrukci v důsledku použití většího počtu fóliových jednotlivých elektrodových elementů.

Úkolem vynálezu je vytvořit elektrodu s otevřenou strukturou, popřípadě s mřížovou konstrukcí, přičemž při provozu elektrolyzéru má být dosaženo rychlého odvádění bublinek plynů se zvýšenou výměnou elektrolytu v oblasti mezi elektrodou a membránou při vysokém stupni účinnosti; navíc má být tato elektroda snadno vyrobitelná, její dlouhodobá stabilita má být vyšší a má být dosaženo zvětšení katalyticky aktivního povrchu.

Podstata vynálezu

Tento úkol splňuje elektroda pro elektrolytické procesy, při nichž vznikají plyny, zejména procesy v membránových nebo diafragmových článcích, ze struktury s alespoň dvěma elektricky vodivě a mechanicky navzájem pevně spojenými elektrodovými elementy, mezi nimiž je upravena vždy mezera pro odvod plynu, přičemž elektrodové elementy mají podél těchto mezer upraveny dosedací plochy pro ionexovou membránu nebo diafragmu a na okrajových částech sousedících s těmito mezerami jsou vytvořeny jako zařízení pro odvod plynu, podle vynálezu, jehož podstatou je, že alespoň dosedací plochy elektrodových elementů jsou prostupné pro kapalinu a pro plyn.

Dosedací plochy elektrodových elementů leží s výhodou v jedné rovině.

Elektrodové elementy jsou s výhodou prostupné pro kapalinu a pro plyn.

Podle dalšího výhodného provedení je elektrodový element vytvořen z plechové mřížoviny.

-2CZ 284530 B6

Elektroda má s výhodou elektrokatalyticky aktivní povrchy, přičemž poměr elektrokatalyticky účinné plochy ke geometrické ploše elektrodového elementu leží v rozsahu od 0,9 : 1 do 2,0 : 1.

Podle dalšího výhodného provedení jsou elektrodové elementy navzájem spolu spojeny alespoň dvěma vzájemně protilehlými vnějšími okrajovými pásy, přičemž elektrodové elementy a vnější okrajové pásy sestávají z jednoho kusu elektrodového plechu.

Elektrodový element sestává s výhodou z porézního nebo mikroporézního kovu.

Elektrodový element sestává s výhodou ze slinutého titanu nebo ze slinutého niklu.

Jako výhodnou se zejména ukázala jednoduchá výroba elektrody podle vynálezu; za další výhodu je nutno považovat různou použitelnost této elektrody, která se může například přímo opírat o membránu nebo může být jako katoda uspořádána s odstupem vůči membráně. Navíc je možné, vzhledem k tomu, že elektrody jsou opatřeny otvory v plechové mřížovině, dosáhnout rychlého odvádění plynů; u elektrochemických článků s elektrodou podle vynálezu může být dosaženo poměrně nízkého napětí článků oproti obvyklým membránovým článkům, z čehož vyplývají značné energetické úspory.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. la znázorňuje elektrodu v nárysu, obr. lb detail A z obr. la, obr. lc řez profilem elektrody, obr. 2 elektrodu v perspektivním pohledu a částečně v řezu a obr. 3 detail použití elektrody podle vynálezu v membránovém elektrolytickém článku částečně v řezu.

Příklady provedení vynálezu

Podle obr. la sestává elektroda 1 vyrobená z plochého elektrodového plechu z několika lamelovitě uspořádaných elektrodových elementů 2, oddělených od sebe vždy mezerou 3. Horní okraje 4 elektrodových elementů 2 jsou podél schematicky znázorněné linie 5 na straně odvrácené od ionexové membrány zalomeny, aby byl umožněn rychlejší odvod bublinek plynů, vznikajících v oblasti elektrody L Podle obr. lb jsou patrné schematicky znázorněné v podstatě kosočtvercové otvory 8 plechové mřížoviny neboli tahokovu, přičemž, ačkoli jsou upravena vybrání, je dosaženo zvětšení aktivního povrchu v této oblasti 1,1 až 1,3; to znamená, že elektrochemicky účinná plocha elektrody! se kosočtvercovými otvory .8 v plechové mřížovině oproti uzavřené ploše, například o velikosti 1 cm², zvětší na plochu o velikosti 1,15 cm².

S výhodou se použije plechová mřížovina s šířkou pásů v rozsahu od 1,5 do 4 mm. Delší rozměr kosočtvercových otvorů 8 je v rozsahu od 2 do 4,5 mm a kratší rozměr kosočtvercových otvorů.8 je v rozsahu od 1,2 do 3 mm.

Vzhledem k provedení kosočtvercových otvorů 8 v oblasti katalyticky aktivní plochy elektrody! je možno dosáhnout lepšího promíchání směsi elektrolytu a plynových bublinek s lepším odvodem plynových bublinek, z čehož vyplývá zlepšení dlouhodobé stability v oblasti ionexové membrány a jako anoda zapojené elektrody!; elektroda! zapojená jako anoda přitom přímo dosedá na ionexovou membránu.

Jak vyplývá z obr. lc, je hodnota úhlu mezi horním okrajem 4 a rovinou elektrody! přibližně 30°. Jako výhodným se ukázal rozsah tohoto úhlu v rozmezí 20 až 35°.

Vhodným materiálem pro elektrodu ! je zejména titanový plech s ušlechtilým kovem a aktivováním neušlechtilým kovem, popřípadě niklový plech s aktivováním ušlechtilým kovem.

Elektroda ! se osvědčila zejména při použití jako anoda a katoda v membránovém článku pro elektrolýzu na výrobu chloru a hydroxidů alkalických zemin nebo na výrobu vodíku a kyslíku.

Okrajové pásy 6 a 7 jsou provedeny buď z plechové mřížoviny nebo ze souvislého plechu.

-311 u

Na obr. 2 jsou znázorněny kosočtvercové otvory 8 potřebné pro odvod plynů uvnitř elektrodových elementů 2, jakož i možné oddělení směsi plynů a elektrolytu prostřednictvím mezery 3 a zalomených horních okrajů 4 na podíl elektrolytu a na podíl odváděných plynů. Jestliže je elektroda 1 zapojena jako anoda, dosedá ionexová membrána přímo na čelní stranu 10. zatímco zadní strana umístěná v prostoru elektrolytu je za účelem odvádění plynů otevřená. V případě, že je elektroda 1 zapojena jako katoda, jsou mezi čelní stranou 10 elektrody J a zde neznázoměnou ionexovou membránou upraveny distanční elementy, které jsou provedeny z materiálu odolného proti elektrolytu, a které zde ovšem rovněž nejsou znázorněny.

Na obr. 3 je schematicky znázorněn řez jednotkou membránového článku, přičemž je znázorněna pouze ionexová membrána 11 s katodou a anodou v řezu, a přičemž od znázornění příslušné 'periferie, jako jsou upínací elementy, přívod proudu a odvod plynu, bylo z důvodu lepší přehlednosti upuštěno.

Jak vyplývá z obr. 3, dosedá elektroda 1 zapojená jako anoda svou čelní stranou 10 přímo na povrch schematicky znázorněné ionexové membrány JJ, přičemž, vzhledem ke zde pouze schematicky znázorněným kosočtvercovým otvorům _8, je v oblasti elektrodových elementů _2 dobře rozeznatelný požadavek rychlého odvodu plynů. Neznázoměné plynové bublinky proudí vzhledem ke své specifické hmotnosti, menší oproti specifické hmotnosti anolytu 12 ve svislém směru vzhůru, kde jsou neznázoměnými zachycovacími zařízeními zachycovány a odváděny. Podobný proces nastává i na protilehlé straně ionexové membrány 11 prostřednictvím elektrody Γ zapojené jako katoda; zde je však nutno dbát na to, že elektroda!' zapojená jako katoda musí být pro výměnu hmoty a pro stabilitu ionexové membrány 11 uspořádána v odstupu od ionexové membrány 11, přičemž se opírá o ionexovou membránu JJ, například prostřednictvím distančních elementů 13, aby zde byl vytvořen odstup v rozsahu od 1 do 3 mm; je však rovněž možné tento odstup mezi ionexovou membránou 11 a elektrodou J' zapojenou jako katoda vytvořit prostřednictvím tlakového rozdílu. I zde dochází k odvádění plynových bublinek ve svislém směru z katolytu 14, přičemž rovněž i zde je upraveno neznázoměné zachycovací zařízení. Anolyt 12 a katolyt 14 jsou obsaženy v nádobě 15. z níž je zde znázorněna pouze její část.

Uspořádání membránového článku je vhodné zejména pro elektrolyzéry na výrobu chloru, může však rovněž sloužit na výrobu vodíku/kyslíku.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (8)

1. Uspořádání membránového článku je vhodné zejména pro elektrolyzéry na výrobu chloru, může však rovněž sloužit na výrobu vodíku/kyslíku.

   PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Elektroda pro elektrolytické procesy, při nichž vznikají plyny, zejména procesy v membránových nebo diafragmových článcích, ze struktury s alespoň dvěma elektricky vodivě a mechanicky navzájem pevně spojenými elektrodovými elementy (2), mezi nimiž je upravena vždy mezera (3) pro odvod plynu, přičemž elektrodové elementy (2) mají podél těchto mezer (3) upraveny dosedací plochy (10) pro ionexovou membránu (11) nebo diafragmu (11) a na okrajových částech sousedících s těmito mezerami (3) jsou vytvořeny jako zařízení pro odvod plynu, vyznačující se tím, že alespoň dosedací plochy (10) elektrodových elementů (2) jsou prostupné pro kapalinu a pro plyn.
2. 2. Elektroda podle nároku 1, vyznačující se tím, že dosedací plochy (10) elektrodových elementů (2) leží v jedné rovině.
3. 3. Elektroda podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že elektrodové elementy (2) jsou prostupné pro kapalinu a pro plyn.

   -4CZ 284530 B6
4. 4. Elektroda podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrodový element (2) je vytvořen z plechové mřížoviny.
5. 5. Elektroda podle nároku 4, vyznačující se tím, že má elektrokatalyticky aktivní povrchy, přičemž poměr elektrokatalyticky účinné plochy ke geometrické ploše elektrodového

   5 elementu (2) leží v rozsahu od 0,9 : 1 do 2,0 : 1.
6. 6. Elektroda podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že elektrodové elementy (2) jsou navzájem spolu spojeny alespoň dvěma vzájemně protilehlými vnějšími okrajovými pásy (6,
7. 7), přičemž elektrodové elementy (2) a vnější okrajové pásy (6, 7) sestávají z jednoho kusu elektrodového plechu.

   10 7. Elektroda podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že elektrodový element (2) sestává z porézního nebo mikroporézního kovu.
8. 8. Elektroda podle nároku 7, vyznačující se tím, že elektrodový element (2) sestává ze slinutého titanu nebo ze slinutého niklu.