Электрод для электролизных ячеек

Электрод для электролизных ячеек

Реферат

[0001] Изобретение относится к электроду для электрохимических процессов с выделением газа и способу электролиза, причем в установленном состоянии электрод расположен параллельно прилегающим к ионообменной мембране и состоит из множества горизонтальных ламельных элементов, которые в конструктивном исполнении плоского С-образного профиля состоят из плоской спинки и одной или более полок, а между плоской спинкой и одной или более полками расположены одна или более переходных областей произвольной формы, причем ламельные элементы снабжены множеством сквозных отверстий.

[0002] Способ электролиза для электрохимических процессов с выделением газа известен в уровне техники, также как и соответствующие электроды, которые применяют в электролизерах. Такие электроды известны, в частности, из DE 19816334 А1 на имя заявителя. Там описывается электролизер для получения газообразных галогенов из водных растворов галогенидов щелочных металлов. Поскольку получаемый газ отрицательно влияет на поведение потока во время производства газа в электролите в зоне мембрана/электрод, в DE 19816334 А1 предлагают установить отдельные элементы электрода типа жалюзи в наклонном положении по отношению к горизонтали. Это позволяет получить направленный вбок поток в ячейке, поскольку собирающиеся под отдельными ламелями газовые пузырьки устремляются вверх через конструктивные проемы.

[0003] В DE 19816334 А1, однако, не решается та проблема, что по-прежнему определенное количество газа остается под каждым элементом жалюзи. Таким образом, прилипание пузырьков вызывает снижение контакта электрода и значительная часть поверхности мембраны становится "заглушенной". Заглушка состоит в том, что текучая среда не может протечь, и поэтому получение газа в этой области не происходит. Более того, эта «заглушка» из-за застоя газа приводит к изоляции мембраны, что неизбежно приводит к увеличению плотности тока в других областях мембраны, так что напряжение на ячейке повышается и возрастает потребляемый ток.

[0004] Чтобы устранить проблему «заглушки», в ЕР 0095039 раскрыто выполнение поперечных углублений в ламельных элементах электрода, причем в DE 4415146 А1 поясняется, что указанных углублений недостаточно, чтобы предотвратить «заглушку». Поэтому в DE 4415146 А1 предложено выполнить отверстия или дырки в направленной вниз части ламелей и тем самым улучшить отвод газа. Нерешенной при этом является проблема остаточной части газа, которая остается около области контакта и тем самым препятствует потоку электролита.

[0005] Эта проблема улучшена посредством объекта изобретения, описанного в DE 102005006555 А1, в котором подобная «заглушка» минимизирована. Этого достигают посредством предназначенного для электролиза электрода электролитической ячейки для электрохимических процессов с выделением газа, который в установленном состоянии расположен параллельно прилегающим к ионообменной мембране и состоит из множества горизонтальных ламельных элементов, которые, в свою очередь, структурированы и трехмерно деформированы и частью своей поверхности находятся в непосредственном контакте с мембраной, причем ламельные элементы содержат пазы (желобки) и отверстия, и при этом большинство отверстий расположены в пазах, причем площадь таких отверстий полностью или частично лежит в пазах или заходит в них. Посредством установки таких электродов удалось добиться значительного снижения напряжения более чем на 50 мВ при плотности тока 6 кА/м² по сравнению с известным электродом с аналогичными внешними размерами.

[0006] Недостатком является то, что из-за выполнения пазов появляется поверхность, которая имеет конструктивные выпуклости и углубления, что приводит к неблагоприятному застою газа и, как результат, к неравномерному распределению плотности тока по ионообменной мембране.

[0007] Задачей настоящего изобретения является решение этой проблемы. Это произойдет посредством предоставления электрода, который не имеет вышеупомянутых недостатков, и способа эксплуатации электрода по изобретению, который позволит достигнуть уменьшения напряжения на ячейке и, следовательно, уменьшения потребления электроэнергии.

[0008] Как ни странно, эта задача решается посредством упрощенной конструкции описанного в документе DE 102005006555 А1 исполнения.

[0009] В соответствии с настоящим изобретением эта проблема решается посредством применения электрода электролизной ячейки для электрохимических процессов с выделением газа. Такой электрод содержит множество горизонтальных ламельных элементов, которые в конструктивном исполнении плоского С-образного профиля состоят из плоской спинки и одной или более полок, а между плоской спинкой и упомянутыми одной или более полками расположены одна или более переходных областей произвольной формы, причем ламельные элементы имеют множество сквозных отверстий и ровную поверхность без конструктивных выпуклостей и углублений, и при этом плоская спинка имеет множество размещенных рядами сквозных отверстий, которые расположены по диагонали друг к другу.

[0010] Настоящее изобретение отличается от сплошной перфорированной пластины, как, например, предложено в DE 69600860 Т2, DE 243256 А1 и DE 2630883 А1, поскольку электрод состоит из множества ламельных элементов, которые выполнены трехмерными посредством намеренной штамповки холодной деформацией. Вследствие такой гибки повышается устойчивость электрода и достигается улучшение плоскостности поверхности, находящейся в контакте с мембраной. Сочетание отдельных элементов такого рода, как указано в начале, является уровнем техники.

[0011] За счет диагонального расположения отверстий оптимально используется поверхность спинки для того, чтобы разместить как можно большее число отверстий и тем самым еще больше снизить застой газа. Необязательно полки также снабжены сквозными отверстиями.

[0012] В предпочтительном варианте осуществления изобретения сквозные отверстия расположены в области контакта соответствующего ламельного элемента с ионообменной мембраной, когда электрод установлен в электролизной ячейке. Это расположение служит цели снабжения ионообменной мембраны электролитом во время работы электролизной ячейки и обеспечения отвода газа.

[0013] В другом варианте осуществления изобретения сквозные отверстия являются перфорированными отверстиями. Эти отверстия могут быть при этом произвольной геометрической формы, причем предпочтение отдается отверстиям круглого сечения.

[0014] Преимущественно толщина листа ламельных элементов в случае круглых сквозных отверстий меньше, чем диаметр отверстия, и/или толщина листа ламельных элементов в случае некруглых сквозных отверстий меньше, чем гидравлическое сечение.

[0015] В особенно преимущественном варианте осуществления электрода по изобретению упомянутые одна или более полок наклонены в установленном в электролизной ячейке состоянии под углом по меньшей мере 10 градусов от мембраны. Переходные области преимущественно выполнены в виде скругленных кромок.

[0016] Преимущественно расстояние между отдельными горизонтально расположенными ламельными элементами с С-образным профилем составляет от 0 до 5 мм, предпочтительно от 0 до 2 мм, а особенно предпочтительно 0 мм. При обеспечении как можно меньшего расстояния между отдельными ламельными элементами процесс оптимизируется, поскольку еще приблизительно от 6 до 10% поверхности мембраны выигрываются и могут быть доступны для фактического процесса электролиза.

[0017] Способ электролиза, являющийся объектом настоящего изобретения, отличается применением плоского электрода, как описано выше. Преимущественно для получения газообразных галогенов применяют электролизеры одноячеечной конструкции или фильтр-прессной конструкции.

[0018] Далее изобретение будет описано более подробно с помощью Фиг.1. На фиг. 1 представлен вид сверху ламельного элемента по изобретению в конструктивном исполнении С-образного профиля.

[0019] На Фиг. 1 представлен ламельный элемент 1 в конструктивном исполнении плоского С-образного профиля. Отогнутые назад полки 2 и 3 выполнены очень короткими по отношению к плоской спинке 6, которая во много раз шире. Между полками 2 и 3 и спинкой 6 находятся переходные области 4а и 4b. На плоской спинке 6 ламельный элемент 1 имеет размещенные рядами отверстия 5, причем эти ряды отверстий расположены параллельно друг к другу и отверстия расположены по диагонали от одного ряда отверстий к следующему. Тем самым может быть наиболее эффективно использована для электролиза имеющаяся в распоряжении поверхность спинки 6. Преимущественно также имеется дополнительный ряд отверстий в переходных областях 4а или 4b, и/или другие дополнительные ряды отверстий на самих полках 2 и 3. Существенным преимуществом этого конструктивного исполнения является то, что спинка 6 в установленном состоянии расположена плоскопараллельно мембране, где может иметь место электрохимическая реакция. При этом мембрана через отверстия 5 снабжается щелочью или рассолом.

[0020] Кроме того, определяли напряжение на электролизной ячейке при применении электрода, который был выполнен из ламельных элементов конструктивного исполнения С-образного профиля в соответствии с настоящим изобретением. В сравнении с ним было также измерено напряжение на электролизной ячейке при применении электрода того конструктивного исполнения С-образного профиля, раскрытого в DE 102005006555 А1, который отличался тем, что выполненные отверстия расположены в пазах и поэтому поверхность ламельных элементов имела конструктивные выпуклости и углубления. Кроме того, отверстия плоской спинки не расположены по диагонали друг к другу. Таким образом, конструктивные исполнения двух примененных С-образных профилей отличаются только по характеристикам их поверхности. Оба примененных в эксперименте С-образных профиля имели 11×62 отверстия, которые в случае конструктивного исполнения по изобретению были расположены в рядах отверстий, расположенных по диагонали друг к другу. Диаметр отверстия был равен 1,5 мм, а высота С-образного профиля была равна 23 мм.

[0021] В предусмотренном документом DE 102005006555 А1 изобретении подчеркивается полезный эффект пазов, который объясняется тем, что область с самой высокой плотностью тока, т.е. область контакта, с одной стороны, идеально снабжается исходным веществом через предусмотренные пазы посредством протекающей снизу текучей среды, а с другой стороны, образовавшийся и многократно увеличившийся в объеме газообразный продукт переносится вверх через пазы или через отверстия к задней стороне предназначенного для электролиза электрода. Вследствие этого специалист, на первый взгляд, не склонялся бы ни к какой конструктивной модификации ламельных элементов.

[0022] Неожиданно проведенный здесь сравнительный эксперимент привел к значительному уменьшению напряжения приблизительно на 60 мВ (стандартизованный для 90°C, 32 мас. % NaOH и 6 кА/м²), когда избавились от структуры пазов ламельных элементов и расположили отверстия по диагонали друг к другу. Это связано с застоем газа внутри пазов, что не было учтено в DE 102005006555 А1.

[0023] Преимущества, вытекающие из данного изобретения:

- упрощенная конструкция ламельных элементов электрода;

- значительное снижение напряжения по сравнению с конструкциями уровня техники;

- может быть обеспечено равномерное распределение тока по мембране;

- устранена проблема застоя газа в пазах;

- возможен экономически эффективный способ ввиду значительного снижения напряжения на ячейках.

[0024] Список ссылочных позиций

1 Ламельные элементы

2 Верхняя полка

3 Нижняя полка

4а, b Изогнутая переходная область

5 Отверстия

6 Спинка

1. Электрод электролизной ячейки для электрохимических процессов с выделением газа, включающий множество горизонтальных ламельных элементов, которые в конструктивном исполнении плоского С-образного профиля состоят из плоской спинки и одной или более полок, а между плоской спинкой и упомянутыми одной или более полками расположены одна или более переходных областей произвольной формы, причем ламельные элементы имеют множество сквозных отверстий,отличающийся тем, что- ламельные элементы имеют ровную поверхность без конструктивных выпуклостей и углублений, и- плоская спинка имеет множество размещенных рядами сквозных отверстий, которые расположены по диагонали друг к другу.

2. Электрод по п. 1, отличающийся тем, что сквозные отверстия являются перфорированными.

3. Электрод по п. 1, отличающийся тем, что толщина листа ламельных элементов в случае круглых сквозных отверстий меньше, чем диаметр отверстия, и/или толщина листа ламельных элементов в случае некруглых сквозных отверстий меньше, чем гидравлическое сечение.

4. Электрод по п. 1, отличающийся тем, что полки снабжены сквозными отверстиями.

5. Электрод по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что расстояние между отдельными горизонтально расположенными ламельными элементами составляет от 0 до 5 мм, предпочтительно от 0 до 2 мм, а особенно предпочтительно 0 мм.

6. Способ электролиза для получения газообразных галогенов из водных растворов галогенидов щелочных металлов, отличающийся тем, что применяют плоские электроды по любому из пп. 1-5.

7. Способ электролиза по п. 6, отличающийся тем, что для получения газообразных галогенов применяют электролизеры одноячеечной конструкции или фильтр-прессной конструкции.