Электролитическая ячейка

Реферат

 

Описывается ячейка электролизера для газообразующих электролитических процессов с использованием по меньшей мере одного электрода с параллельно расположенными электродными элементами, который имеет электродные элементы с толщиной, достигающей трехкратного значения среднего диаметра отделения пузырьков и образует по отношению друг к другу такой капиллярный зазор, который вызывает движение газовых пузырьков через электрод в направлении, противоположном направлению электрического поля между реакционными поверхностями анода и катода. 12 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к ячейке электролизера для газообразующих электролитических процессов, в частности для электролиза воды и растворов хлоридов щелочных металлов при использовании по меньшей мере одного электрода с параллельно расположенными электродными элементами, образующими анод и катод.

Для производства различных важных химических основных веществ, таких как натровый щелок, хлор, водород или перекись водорода, выдающееся значение имеют газообразующие электролитические процессы. Электроды, как аноды, так и катоды, подлежащие применению при электролизе щелочных растворов, воды, соляной, соответственно серной кислоты, должны соответствовать большому числу рабочих параметров, имеющих частично противоположное действие. Очень важное требование состоит в быстром отводе образующего газа из пространства между анодом и катодом, чтобы избежать большого содержания газа, повышающего электрическое сопротивление электролита. Однако, это противоречит стремлению максимально эффективно использовать имеющуюся в распоряжении поверхность конструкции для электромеханически действующей электродной поверхности.

Кроме того, существует стремление создать по возможности равномерно и тонко структурированную электродную поверхность, чтобы имелись предпосылки для равномерного электрического поля. Разрывы, такие как края, приводят к увеличениям напряженности поля и тем самым к неравномерной электродной нагрузке, которая вызывает не только энергетические потери, но и преждевременный износ электродного материала, соответственно электролитического покрытия.

Для отделения газов, образующихся на электродах, используют мембраны или диафрагмы. Эти разделительные элементы имеют относительно большое омическое сопротивление так что разделение газов обеспечивается в результате больших энергетических затрат.

Существенным для обеспечения оптимального процесса является также осуществление равномерного, малого межэлектродного расстояния без оказания на них большой механической нагрузки или без какого-либо их повреждения при использовании мембран. Также должно быть предотвращено то, чтобы электродные элементы с большой толщиной оказывали большое контактное давление на мембрану и, таким образом, существенно препятствовали течению электролита, соответственно переносу ионов через пористую систему мембраны.

Известны два основных типа газообразующих металлических электродов: в первом типе используют установленные на распределителях тока, параллельно расположенные профильные стержни, поперечные сечению которых являются круглыми, эллиптическим, каплеобразными или прямоугольными (выложенная заявка ФРГ N 3008116, выложенная заявка ФРГ N 3325187, патент ФРГ N 3519 272, выложенная заявка ФРГ N 3519 73). Однако также известны из акцептованной заявки ФРГ N 1271 093 U-образные планки, последовательно соединенные друг с другом через некоторые промежутки.

Ко второму основному типу газообразующих металлических электродов относятся известные из патента ГДР N 250 026, выложенной заявки ФРГ N 3625 506, выложенной заявки ФРГ N 2735 28 перфорированные листы с вертикально и горизонтально проходящими шлицами, с отогнутыми по отношению к плоскости электрода или глубокотянутыми сегментами, электроды из перфорированного листа и решетчатые тянутые металлические электроды.

В представителях названного первым основного типа используются параллельно расположенные электродные элементы, которые жестко соединены с шинами распределителе тока и имеют каплеобразное поперечное сечение (выложенная заявка ФРГ N 3325 187), соответственно приблизительно круглое поперечное сечение (выложенная заявка ФРГ N 3008 116). Круглое поперечное сечение было модифицировано путем разделения сегментов, которые лежат в электродной плоскости. Оба электрода предпочтительно должны применяться для электролиза растворов хлоридов щелочных металлов в ячейках электролизера с ртутным катодом. Эти электроды не имеют существенно уменьшенной степени покрытия газовыми пузырьками. Отвод газа осуществляется исключительно за счет течения жидкости и подъемной силы. Особые геометрические формы поперечного сечения не пригодны для того, чтобы сыграть активную роль при переносе газа посредством электрода. Хотя путем избежания разрывов они препятствуют перегрузке каталитического покрытия, однако это происходит за счет возникновения недостатков, вызванных обусловленными радиусом, неравномерными расстояниями между поверхностями электродов.

В выложенной заявке ФРГ N 3519 272 раскрыта электродная структура, в которой используется большое количество параллельно расположенных электродных элементов с прямоугольным поперечным сечением. Пластинообразный держатель с расположенными по обеим сторонам выступами служит для крепления электродных элементов и в качестве распределителя тока. Поперечное сечение прямоугольных электродных элементов должно иметь отношение 1:5. Чтобы потоки отводимых газов в области зазора не соприкасались с другом и не завихрялись, предусмотрен относительно большой зазор между соседними электродными элементами. Это приводит к относительно малому использованию имеющейся в распоряжении повервхности конструкции и к неравномерной нагрузке электродов, в частности в области краев прямоугольных профилей, где необходимо считаться с повышенным износом каталитического покрытия. Выбранная форма держателя электродных элементов, который одновременно является распределителем тока, препятствует концентрации газа в пространстве по ту сторону реакционной электродной поверхности. Вследствие этого происходит повышение содержания газа в области реакционной поверхности, что связано с увеличением электрических потерь.

Одной из вышеописанных электродных структур очень подобен электрод, раскрытый в выложенной заявке ФРГ N 3519 573. Он также состоит из электродных элементов, параллельно расположенных на распределителе тока и имеющих прямоугольное поперечное сечение, расстояние между которыми составляет несколько миллиметров. Кроме того, торцевые стороны электродных элементов, повернутые к мембране, имеют большое количество выемок. Находящиеся между ними перемычки не имеют каталитического покрытия и опираются на мембрану. Таким образом, имеющаяся в распоряжении реакционная поверхность составляет лишь приблизительно 10% поверхности мембраны. В зависимости от относительных перемещений между электродом и мембраной перемычки могут вызвать локальные повреждения мембраны.

Задачей изобретения является разработка ячейки электролизера для газообразующих электролитических процессов с существенно измененными рабочими параметрами. Она должна сделать возможным существенное понижение омических потерь мощности и вследствие этого повышение удельной электрической нагрузки электродов; однако несмотря на увеличение производства газа, одновременно должна быть уменьшена степень концентрации газа на электродных поверхностях.

В частности, должно быть достигнуто следующее: уменьшение концентрации газовых пузырьков в электролите между электродами и уменьшение степени покрытия газовыми пузырьками реакционных поверхностей электрода; электродная структура должна во время процесса обеспечивать направленное перемещение газа; увеличение отношения активной электродной поверхности к поверхности конструкции; уменьшение локального превышения напряженности поля и формирование приблизительно гомогенного электрического поля для обеспечения равномерности нагрузки на электродную поверхность, имеющуюся в распоряжении для проведения реакции.

Новая ячейка электролизера должна обладать газоразделяющими свойствами, вследствие чего отпадает необходимость в использовании газоразделяющих средств (мембран, диафрагм или т.п.). При этом межэлектродное расстояние не должно быть увеличено.

Согласно изобретению задача решается тем, что электродные элементы имеют толщину, достигающую трехкратного значения среднего диаметра отделения пузырьков, и между собой имеют такой капиллярный зазор, что направление движения газовых пузырьков через электрод по существу совпадает с направлением электрического поля, соответственно с противоположным направлением электрического поля между реакционными поверхностями анода и катода, и что электродные элементы имеют профилированные элементы для фиксирования капиллярного зазора. Изобретением также должны быть охвачены ячейки электролизера, которые построены из электродных структур с квазипараллельно расположенными электродными элементами, образующими капиллярный зазор, как это например, относится к спиралеобразно намотанному электроду.

В качестве диаметра отделения пузырьков считается диаметр пузырьков, удаляющихся от своего центра образования, при данных реальных условиях процесса на электроде соответствующей изобретению конструкции. Как пузырек, удаляющийся от своего центра образования, должен также рассматриваться такой пузырек, который вследствие адгезии движется по поверхности электрода.

Как известно диаметры отделения газовых пузырьков в значительной степени зависят от типа электролита и от условий процесса. Согласно печатному изданию "Electrohimica Acta", том 33, N 6, стр. 769-779/1988, при обычных условиях электролиза следует ожидать следующих диаметров пузырьков: для водорода приблизительно 8 мкм; для кислорода приблизительно 17 мкм; для хлора приблизительно 110 мкм.

Ячейка электролизера, согласно п. 1 формулы изобретения, обеспечивает то, что капиллярное действие электрода исходя из области между электродными элементами также воздействует на пузырьки, образованные в большинстве случаев на закругленных торцевых поверхностях, и даже тогда всасывает их в капиллярный зазор, когда между электродом и мембраной был оставлен зазор. Предпочтительно электродными элементами являются пластина, ленты или пленки с толщиной, самое большое равной 450 мкм. Ширина электродных элементов существенно больше, чем их толщина, и равна по меньшей мере десятикратному значению ширины капиллярного зазора. Вследствие этого в электроде создается двухмерно дйствующая капиллярная система, которая препятствует введению турбуленций из дегазационной камеры электролита в реакционную полость между электродом и мембраной. Тем самым исключается показание влияния, соответственно помехи процессу образования пузырьков и перемещению пузырьков в капиллярном зазоре. Перемещение газа через электрод осуществляется направленно, по существу поперек к электродной плоскости по лишь очень малому участку, соответствующему ширине электродных элементов. Причина этого заключается в значительном относительном увеличении объема в реакционной полости вследствие процесса образования пузырьков. Это приводит там к повышению давления и к реакции вытеснения. Так же, как газ вытесняется из реакционной полости и электрода, электролит течет через капиллярный зазор без турбуленции к реакционным поверхностям электрода. Интенсивный обмен электролита препятствует ионному обеднению электролита даже в его граничном слое, так как перемещение жидкости вследствие капиллярной силы происходит непосредственно на электродной поверхности. Характеристические условия течения в капиллярном зазоре в значительной степени препятствуют вертикальному движению газовых пузырьков.

Для осуществления принципа соответствующей изобретению ячейки электролизера имеются два особенно предпочтительных варианта электродов. Так, складывание, осуществляемое попеременно с разных сторон, плоскостного бесконечного материала делает возможным экономичное изготовление электродов с капиллярным зазором, причем предварительно беспрерывным способом целесообразно завершаются все предусмотренные рабочие ходы, такие как перфорирование, профилирование и нанесение покрытия. Эти перфорации в области краев складывания целесообразно распределены равномерно. Для фиксирования капиллярного зазора электродные элементы имеют профилированные элементы. Оправдали себя такие профили, которые имеют структуру, являющуюся перемычкообразной и проходящую поперечно к электродной плоскости; оказались пригодными также и шишкообразные или шипообразные профилирования. Однако и штабелирование спрофилированных согласно изобретению электродных элементов пригодно для того, чтобы изготовлять электроды с капиллярным зазором. Профилирования, выполненные в первоначальном процессе формования или путем последующего деформирования фиксируют капиллярный зазор и делают излишними отдельные прокладки.

Нижняя граница толщины электродных элементов определяется лишь обрабатываемостью, механической стабильностью и манипулируемостью материала, т.е. в конечном счете также и типом материала.

Чтобы полностью использовать преимущества новой ячейки электролизера, предпочтительно уплотнить электродные элементы, сбоку ограничивающие электрод, а также нижнее окончание электрода к внутренней стенке корпуса ячейки электролизера до, самое большее, капиллярного зазора. Кроме того, дегазационные камеры в верхней области ячейки электролизера газонепроницаемо уплотнены диафрагмой, которая достигает по меньшей мере до самого низкого возможно возникающего уровня электролита в реакционной полости. Таким образом предотвращается смешивание газов, поднимающихся в дегазационных камерах ячейки электролизера.

При использовании такой конструкции ячейки электролизера для электролиза воды, т. е. для процесса, который не требует разделения анолита и катлита, применение газоразделяющей системы, как, например, диафрагмы, может оказаться излишним, соответственно можно позволить использовать сравнительно крупнопористый, при известных условиях фиксирующий лишь межэлектродное расстояние элемент с пренебрежимо малым омическим сопротивлением.

Для предотвращения коагулирования газовых пузырьков, которые возникают на электродах, имеющих противоположную полярность, предусмотрено расстояние между электродами, которое соответствует трехкратному диаметру отделения пузырьков. Этот признак противодействует загрязнению газовых пузырьков, поднимающихся в дегазационных пространствах, а также образованию смешанного газа в реакционном пространстве вследствие коагуляции газовых пузырьков.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения для использования в электролизе воды, т.е. с идентичным анолитом и католитом, между анодом и катодом используется диэлектрический, стойкий к электролиту промежуточный элемент, который, в частности, может иметь структуру сети, сот или крупноячеистой ткани. Промежуточный элемент гарантирует в соответствии со своей толщиной надежное от короткого замыкания фиксирование анода и катода на малом расстоянии. Высокая гибкость механически сильно нагружаемой электродной структуры обеспечивает со всех сторон равномерное межэлектродное расстояние. Кроме того, реакционная полость подразделяется промежуточным элементом на большое число малых реакционных ячеек. Обусловленные течением помехи и образование смешанного газа практически больше не возникают.

Преимущества электродов из соответствующих изобретению электродных элементов с устройством капиллярного зазора: очень малая концентрация газовых пузырьков в электролите в реакционном пространстве благодаря направленному перемещению газовых пузырьков внутри электрода с капиллярным зазором; равномерно и тонко структурированная, газо- и водопроницаемая конструкция электрода с большой плотностью упаковки; вследствие этого равномерная токовая нагрузка и распределение нагрузки, имеющейся в распоряжении реакционной поверхности, отсутствие локальной эрозии электродной поверхности, в частности электроднокаталитического покрытия; механически нагружаемая, но гибкая и, таким образом, податливая электродная структура; отсутствие высоких требований к плоскостности, короблению и т.д.

На фиг. 1 показан поперечный разрез предлагаемой ячейки электролизера с электродами с капиллярным зазором; на фиг. 2 детальный общий вид двух электродов с капиллярным зазором, служащих в качестве катода и анода, с расположенным между ними разделительным элементом; на фиг. 3 увеличенный вырез А из фиг. 2 (масштаб приблизительно 10:1); на фиг. 4 фрагмент А по фиг. 2 в увеличенном масштабе (масштаб приблизительно 20:1); на фиг. 5 - электродный намоточный элемент в разрезе; на фиг. 6 поперечный разрез электрода с капиллярным зазором, состоящего из большого количества электродных намоточных элементов; на фиг. 7 общий вид электродных элементов с волнистой структурой в увеличенном масштабе (масштаб приблизительно 10:1); на фиг. 8 - часть реального электрода с капиллярным зазором (масштаб приблизительно 10:1) из сложенного попеременного с разных сторон пленкообразного материала в увеличенном общем виде; на фиг. 9 фрагмент В электрода с капиллярным зазором по фиг. 8 в увеличенном масштабе; на фиг. 10 общий вид электродного элемента с горизонтально проходящими, перемычкообразными профилированиями (с одной стороны) в увеличенном масштабе; на фиг. 11 общий вид электродного элемента с проходящими по существу горизонтально перемычкообразными профилированиями (с обеих сторон) в увеличенном масштабе; на фиг. 12 общий вид электродного элемента с локальными (индифферентными по направлению, шишкообразными) профилированиями в увеличенном масштабе; на фиг. 13 фрагмент электрода, состоящего из чередующихся, волнистых и непрофилированных электродных элементов; на фиг. 14 общий вид электродного элемента с желобами, расположенными с обеих сторон в увеличенном масштабе; на фиг. 15 общий вид электродного элемента с желобками, расположенными с одной стороны в увеличенном масштабе; на фиг. 16 общий детальный вид двух электродов с капиллярным зазором, служащих в качестве катода и анода, с расположенным между ними разделительным элементом (масштаб приблизительно 1:1).

Из соображений наглядности на фиг. 2-16 изображены только электродные элементы, соответственно образованные из них электроды, которые вставляются в одну ячейку электролизера.

Как видно из фиг. 1-8 и 16, электрод образован из электродных элементов 1, 28, 29, расположенных параллельно друг другу, соответственно квазипараллельно друг другу, толщина 3 которых и расстояние 4 между которыми от одного до двух порядков величины меньше, чем в случае известных электродов.

Согласно изобретению толщина 3 электродных элементов 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 15, 16, 28, 29, 30, 31, изображенных на фиг.2-16, которые могут быть лентами, пленками или пластинами, равна самое большее трехкратному значению среднего диаметра отделения пузырьков. Между электродными элементами 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 15, 16, 28, 29, 30, 31 предусмотрен зазор 4, вызывающий капиллярный эффект. Фиксирование электродных элементов друг с другом может быть, например, осуществлено с помощью нескольких проводов, проходящих через электродные элементы. Между электродными элементами на проводах могут быть расположены прокладки для обеспечения капиллярного зазора. Предпочтительнее является использование профилированных электродных элементов 1a, 1b, 1c, 1d, 15, 16, 28, 29, 30, 31. Эти меры делают возможной простую подготовку легко подгоняемого по своей ширине, транспортабельного и монтируемого электрода с капиллярным зазором.

Особенно экономичным является изготовление электродных элементов из стеклометалличеких пленочных лент, которые были изготовлены способом формования из расплава. Они имеют гладкие поверхности и края, и их толщина в большинстве случаев составляет 3-20 мкм до 100 мкм. Предпочтительный диапазон толщины электродных элементов лежит в окрестности 40 мкм; ширина лент равна приблизительно 5 мм. При использовании приблизительно 40 электродных элементов на сантиметр устанавливается средний капиллярный зазор 4 с шириной, равной 200 мкм. Электрод из большого количества самих по себе очень гибких отдельных элементов представляет собой устройство в форме плотной упаковки, механически высоконагружаемое и тем не менее полностью прилегающее к плоской поверхности. К этим поверхностям не должны предъявляться высокие требования в отношении плоскостности, коробления и т.д.

На фиг. 2 показаны два электрода 8 из электродных элементов 1, из которых один электрод образует катод, а другой электрод образует анод с расположенным между ними разделительным элементом 7, таким, как, напримеp, мембрана, с так называемым нулевым промежутком. Электродная структура делает возможным по большой поверхности постоянное и малое межэлектродное расстояние, которое соответствует толщине разделительного элемента 7. Кроме того, прилегаемость электрода 8 обеспечивает равномерное распределение давления по разделительному элементу 7, что не только препятствует его повреждению, но и не причиняет вреда ионному потоку, соответственно течению электролита. Полости, примыкающие к электродным поверхностям, которые отвернуты от разделительного элемента 7, служат в качестве дегазационных камер для электролита.

На фиг. 3 и 4 показан в увеличенном масштабе фрагмент А электрода 8, изображенного на фиг. 1. Используемые электродные элементы 1 имеют толщину 3, равную приблизительно 30 мкм и ширину 5, равную приблизительно 5 мм. Капиллярный зазор 4 между электродными элементами 1 соответствует приблизительно 200 мкм. Поверхности 2 электродных элементов 1 (фиг. 4) представляют собой области с высокой электролитической реактивностью. Их удельная поверхностная реакционная способность приблизительно соответствует реакционной способности на торцевых поверхностях электродных элементов 1. Эти реакционноактивные поверхности 2, принимающие существенное участие в реакции, проходят поперек к электродной плоскости на глубину, которая приблизительно соответствует ширине зазора 4. Для лучшего изображения ширина зазора 4 была увеличена в 3 раза по сравнению с толщиной и шириной электродных элементов 1.

На фиг. 5 представлен другой вариант аналогичной электродной структуры с капиллярным зазором. За счет спиралеобразного наматывания пары электродных элементов, состоящей из гладкого электродного элемента 29 и волнисто-профилированного электродного элемента 28, возникает квазипараллельная электродная структура. Фиксирование желаемого капиллярного зазора может быть также осуществлено с помощью иначе профилированных электродных элементов, что еще будет рассмотрено ниже.

На фиг. 6 показан фрагмент электрода, состоящего из большого числа электродных намоточных элементов 53. Этот электрод обрамлен токоподводящим проводом 51. Электродные намоточные элементы 53 несет распределитель 52 тока. В качестве распределителя 52 тока могут быть использованы любые достаточно электропроводные и механически нагружаемые конструкции. В наипростейшем случае можно использовать металлическую перфорированную пластину.

На фиг. 7 представлены электродные элементы 1а с волнистой структурой. Оси 18 их профилей наклонены по отношению к горизонталям. За счет складывания, осуществляемого попеременно с разных сторон, спрофилированной таким образом пленки 19 вокруг ее осей 20 складок, расположенных по вертикальной оси 17, профили соседних электродных элементов 15, 16 имеют точечный контакт друг с другом. Отверстия перфорации 21 на оси 20 складки имеют ширину 22, которая ориентируется на ширину капиллярного зазора 4, соответственно степень деформирования пленки 19.

На фиг. 8 и 9 показаны фрагменты таких электродов. Используемая пленка имеет толщину 3, равную приблизительно 25 мкм; электродные элементы 1а, полученные путем складывания, осуществляемого попеременно с разных сторон, спрофилированной пленки 19, имеют ширину 5, равную приблизительно 5 мм, и фиксируют ширину зазора 4 равной приблизительно 200 мкм. Поверхности 2 элементов 1а представляет собой области высокой электролитической активности. Электроды, которые изготавливаются путем перфорирования, профилирования и складывания, являются рациональными в производстве, хорошо манипулируемыми и имеют очень равномерную, тонкозвенную структуру.

В то время как электродный элемент 1b, изображенный на фиг. 10, имеет горизонтально проходящие, перемычкообразные профили 23 только на одной стороне, на электродном элементе 1с согласно фиг. 11 перемычкообразные профили 24', 24'' расположены с двух сторон. Профили 24' с осью 26 одной стороны проходят непараллельно по отношению к профилям 24'' с осью 27 другой стороны того же электродного элемента 1c. Таким образом, возможно в два раза увеличить капиллярный зазор между соседними электродными элементами 1с. Если электродные элементы 1с штапилируются согласно фиг. 11, то пересекающиеся профили 24', 24'' имеют точечный контакт. Однако возможно взаимное расположение электродных элементов 1с с гладкими, непрофилированными электродными элементами.

На фиг. 12 показаны индифферентные по направлению шишкообразные профили 25 на одной стороне электродного элемента 1. Однако возможно предусмотреть профили 25 на обеих сторонах электродного элемента 1.

Изготовление профилей 23, 24', 24'', 25 согласно фиг. 10-12 может быть осуществлено с помощью инструментов для тиснения. Особенно экономичным является изготовление электродных элементов 1b, 1c, 1d способом формования из расплава с образованием стеклометаллических пленочных лент. В большинстве случаев они имеют толщину, равную 3-20 мкм до 100 мкм, и могут быть изготовлены желаемой ширины. Для изготовления профилирований 23, 24', 24'', 25 соответствующим образом подготавливается поверхность валка.

На фиг. 13 показано поперечное сечение части электрода, который состоит из упаковки с чередующимся образом расположенными, профилированными и непрофилированными электродными элементами 28, 29. Профили электродного элемента 28 имеют волнистую структуру, которая обеспечивает постоянно изменяющийся капиллярный зазор. В качестве средней ширины капиллярного зазора может рассматриваться половина расстояния 34 между двумя соседними непрофилированными электродными элементами 29. Использование этой упаковки делает возможной вследствие пружинящего действия волнистых электродных элементов 28 очень простую вариацию ширины капиллярного зазора 4. Таким образом, с одним и тем же профилированием могут быть изготовлены электроды для различных электролитических процессов.

На фиг. 14 и 15 показаны электродные элементы 30, 31 с профилями 32, отвальцованными с одной стороны, соответственно с двух сторон, оси 36 которых проходят ортогонально к продольным осям 35 электродных элементов 30, 31. Электродный элемент 30 в этом виде используется в комбинации с непрофилированными электродными элементами 1, 29. Комбинация этих электродных элементов 30 с наклоненными по отношению к горизонталям осям 36 вальцованными профилями 32 друг под другом приводит к электродным структурам, которые подобны электродным структурам, показанным на фиг. 7 и 8.

Преимущество электродных элементов состоит в том, что они могут быть объединены без отдельной прокладки в плотные, тонко и равномерно структурированные упаковки. Капиллярный зазор между соседними электродными элементами, фиксированный их профилированиями, обеспечивает направленное перемещение газа и интенсивный обмен электролита.

На фиг. 16 показаны два электрода 8, из которых один служит в качестве анода, а другой в качестве катода, с расположенным между ними крупноячеистым промежуточным элементом 14. Электродная структура делает возможным по большой площади постоянное и малое межэлектродное расстояние, которое соответствует толщине промежуточного элемента 14. Кроме того, прилегаемость этой электродной структуры обеспечивает то, что предотвращается повреждение промежуточного элемента 14. Электроды 8 состоят из электродных элементов 1. Диафрагма 13 разделяет газы в верхней области корпуса ячейки 40 электролизера.

На фиг. 1 показана принципиальная конструкция ячейки электролизера. Она содержит электроды 8, которые образованы из заявляемых электродных элементов. Для более ясного представления распределения газовых пузырьков ход газовых пузырьков упрощенно показан в виде бисерных нитей 41, и ячейка электролизера имеет относительно большое межэлектродное расстояние, а также широкие дегазационные пространства 10, 11. Одним из важнейших предпосылок для функционирования заявляемой ячейки электролизера являются электроды 8, образованные из соответствующих изобретению электродных элементов.

Стрелками на фиг. 1 показаны: подвод 37 электролита, отвод 38 газа и отвод 39 смешанного газа.

Соединения между реакционной полостью 9 и дегазационнымим камерами 10, 11 имеют размер, самое большее равный размерам капиллярного зазора; лучше, если обеспечено полное уплотнение между этими пространствами, так чтобы вследствие перемещения электролита между электродами 8 и корпусом 40 ячейки электролизера не смогли возникнуть помехи, обусловленные течением, которые возможно привели бы к отделению газовых пузырьков 6 от реакционной поверхности электродов в реакционную полость 9.

Таким образом, имеется конструкция ячейки электролизера, которая гидравлически разделяет ячейку электролизера на общую реакционную полость 9 и отдельные дегазационные камеры 9, 10.

От качества электродов в значительной степени зависит чистота производимых газов. Межэлектродное расстояние также может оказать влияние на чистоту газов. Для предотвращения коагулирования газовых пузырьков между электродами 8 должно существовать расстояние, равное по меньшей мере трехкратному диаметру отделения пузырьков. Коагулирование газовых пузырьков ведет к образованию смешанного газа в реакционном пространстве 9.

Однако необходимо ориентироваться на по возможности минимальное межэлектродное расстояние, так как оно уменьшает омическое сопротивление. Обмен электролита между дегазационными камерами 10, 11 и реакционной полостью 9 тем интенсивнее, чем меньше (уже) реакционная полость 9 (межэлектродное расстояние).

Газовые пузырьки 6, которые все же удаляются от электрода 8 и перемещаются в реакционную полость 9, приводят к уже упомянутому незначительному образованию смешанного газа. Эти пузырьки не могут привести к загрязнению чистого газа, так как они еще до достижения противоположного электрода скоагулировались бы с образованными там пузырьками. Диаметр пузырьков был бы тогда слишком большим для перемещения через капиллярный зазор 4 электрода 8 или в уплотнительной области к стенке корпуса. Разделение чистых газов происходит посредством одной или нескольких диафрагм 12, которые погружены под уровень жидкости.

Оптимальный режим работы электрода 8 обеспечивается тогда, когда его структура является тонкозвенной и равномерной. Такие свойства наилучшим образом достигаются посредством плотно упакованных и равномерно профилированных электродных элементов 1, 1а, 1b, 1c, 1d, 28, 29, 30, 31.

Ячейка электролизера, оснащенная электродом из соответствующих изобретению электродных элементов, работает следующим образом. Большое число электродных элементов 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 28, 29, 30, 31 электрода 8 (приблизительно 40-50 электродных элементов на 1 см) создает значительное выравнивание электродной поверхности. С ним связано адекватное сравнительное выравнивание электрического поля, а также плотности тока и создаваемой ею нагрузки. Следовательно, предотвращается перегрузка и тем самым преждевременный износ электрокаталитического покрытия. Кроме того, удалось увеличить реакционную поверхность на значение большее поверхности конструкции. При благоприятных условиях отношение активной реакционной поверхности к поверхности конструкции может лежать в пределах 2.

Газовые пузырьки, образованные на торцевых поверхностях и реакционных поверхностях 2 электродных элементов 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 28, 29, 30, 31, находятся в области влияния капиллярного зазора 4. Вследствие образования газовых пузырьков происходит увеличение давления в реакционной полости 9, которое является причиной перемещения газа поперек к электродной плоскости. На фиг. 4 показан ход газовых пузырьков 6 через капиллярный зазор 4 между электродными элементами 1. В равной мере осуществляется обмен электролита между дегазационной камерой 10, 11 и реакционной полостью 9. В электролите реакционной полости 9 практически едва ли еще имеются свободно перемещающиеся газовые пузырьки. Они перемещаются под действием капиллярного эффекта по электродной поверхности и "всасываются" в капиллярный зазор 4. Таким образом достигается существенное уменьшение электрического сопротивления электролита.

Следует еще указать на то, что ширина 5 электродных элементов 1 может быть приведена в соответствие по возможности малому омическому падению напряжения в материале электрода. Аналогичное действительно для выбора размеров капиллярного зазора 4, чтобы обеспечить лишенные помех гидравлические условия в реакционном пространстве ячейки электролизера.

Формула изобретения

1. Электролитическая ячейка для процессов с выделением газа, в частности для электролиза воды и растворов хлоридов щелочных металлов, включающая корпус, с по меньшей мере одним электродом, на котором происходит выделение газа, снабженным электродными элементами для отвода газа, являющимся анодом или катодом, отличающаяся тем, что электродные элементы выполнены с толщиной, соответствующей самое большее трехкратному значению среднего диаметра пузырьков газа, выделяющегося на электроде, и снабжены элементами фиксирования расстояния смежных электродных элементов, причем смежные электродные элементы образуют капиллярные каналы.

2. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что электродные элементы выполнены в виде пластин, лент или пленок с толщиной не более 450 мкм.

3. Ячейка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что ширина электродных элементов равна по меньшей мере десятикратному значению ширины капиллярного канала.

4. Ячейка по пп.1 3, отличающаяся тем, что электродные элементы выполнены в виде спирали.

5. Ячейка по пп.1 3, отличающаяся тем, что электродные элементы выполнены в виде сложенного листа и в местах сгиба выполнена перфорация.

6. Ячейка по п.5, отличающаяся тем, что перфорация распределена равномерно.

7. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что электродные элементы выполнены профилированными, например гофрированными, для фиксирования капиллярного расстояния.

8. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что элементы фиксирования капиллярного расстояния смежных электродных элементов выполнены в виде выступов.

9. Ячейка по пп.1 и 7, отличающаяся тем, что элементы фиксирования капиллярного расстояния смежных электродных элементов выполнены выпуклыми, размещены поперек потока и по всей ширине электродных элементов.

10. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что элементы фиксирования капиллярного расстояния смежных электродных элементов выполнены выпуклыми или шипообразными.

11. Ячейка по п.1, отличающаяся тем, что электрод, на котором происходит выделение газа, размещен от боковых стенок корпуса и дна на расстоянии, максимум равном ширине капиллярного канала, и снабжена диафрагмой, размещенной между электродами и установленной по меньшей мере до уровня электролита.

12. Ячейка по п.10, отличающаяся тем, что между анодом и катодом размещен один или несколько стойких к электролиту диэлектрических промежуточных элементов, имеющих структуру ткани, сот или сетки.

13. Ячейка по п.п.1 5, отличающаяся тем, что электродные элементы выполнены из стеклометаллической пленочной ленты.

РИСУНКИ

Рисунок 1,