Система электродов для электрохимических ячеек

Система электродов для электрохимических ячеек

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Республик ()869564 (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 31.03.75 (21) 2118339/23-08 (23) Г)риоритет (32) 30 ° 01 ° 75 (31) Р 2503819. 1 (33) ФРГ

Опубликовано 30.09.81. Бюллетень ¹ 36

Дата опубликования описания 300981 (51)м Кл

С 25 В 9/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 651.357 (088.8) (72) Автор изобретения

Иностранец

Петер Мердай Робертсон (Великобритания) Иностранная фирма

"Ф. ХОФФМАНН-ЛЯ РОШ И КО АГ" (Швейцария) (71) Заявитель (54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ

ЯЧЕЕК

Изобретение относится к химическому машиностроению и, в частности, касается систем электродов для электрохимических ячеек.

Известна система электродов для электрохимических ячеек, содержащая, по меньшей мере, один электродный рулон, образованный путем намотки деформируемого материала в спираль, а деформируемый материал состоит из расположенных поочередно электродных и изоляционных слоев, по меньшей мере один из изоляционных слоев является ионопроницаемым, а электродные и изоляционные слои имеют форму и структуру, позволяющие течение электролита через электродный рулон (11 .

Недостаток известной системы электродов — относительно невысокие технологические показатели.

Цель изобретения — повышение технологических показателей электрохимических ячеек за счет обеспечения большого соотношения поверхности

25 электродов с объемом ячейки и равно-. мерного распределения разности потенциалов в самой системе.

Поставленная цель достигается тем, что электродные слои смещены по оси .относительно друг друга, так что у каждого осевого конца рулона имеется полосообразная поверхность для подвода электрического тока, при этом каждая продольная сторона расположенных друг под другом слоев имеет полосообразный слой из электропроводного материала, который перекрывает один продольный конец одного электрода и находится с ним в непосредственном электрическом контакте.

Полосообразные слои из электропроводного материала являются непроницаемыми для электролита, а их толщина выбирается из условия уплотнения ими обоих концов рулона в осевом направлении.

Система содержит полую ось, во- круг которой намотан электродный рулон, причем ocb имеет отверстия для протока электролита из оси в рулон.

Система содержит, по меньшей мере, одну пару электродных рулонов, расположенных на полой оси и имекших зазор между отдельными рулонами, который уплотняется герметичной лентой.

Электродные рулоны имеют, по меньшей мере, одну пару электродных сло-

869564 ев для биполярных операций, каждая пара состоит из множества перфорированных электродных полос, намотанных вокруг оси на расстоянии друг от друга, а каждая полоса одного слоя перекрывает две половины смежных полос другого электродного слоя.

На фиг. 1 схематически изображена система электродов, поперечный разрез» на фиг. 2 — то же, изометрия, на фиг. 3. — то же, поперечный разрез; на фиг. 4 — некоторые структуры материалов, применяемых для изготовления электродов или изоляции, на фиг. 5 система электродов, вид сверху на фиг. 2, где каждый электрод имеет только одно электрическое соедине. — 15 ние (изолирующие материалы не изображены); на фиг. б — система электродов, вид сверху на фиг. 1, где каждый электрод имеет несколько электрических соединений (изолирующие материалы 2О не показаны); на фиг. 7 схематически изображена система электродов, поперечный разрез с сегментными электродами (до наматывания электродной системы) для биполярного режима работы на фиг. 8 - электрохимическая ячейка с электродными рулонами, поперечный разрез на фиг. 2„ на фиг. 9 — система электродов до наматывания, применяемая при втором варианте выполнения электрохимической ячейки, вид сверху и поперечный разрез, на фиг. 10— то же, после наматывания, изометрия, на фиг. 11 схематически изображена намотанная система электродов, поперечный разрез на фиг.10; на 35 фиг. 12 — биполярная система электродов, применяемая в третьем варианте выполнения электрохимической ячейки, поперечный разрез; на фиг. 13 - то же, разрез. 40

Система электродов (фиг.1) содержит, по меньшей мере, два расположенных друг над другом электрода 1 и 2, состоящих.из деформируемого материала, первый слой 3 изоляции, предотвращающий непосредственный электрический контакт между электродами, и первый слой 4 изоляции, предотвращающий непосредственный контакт между внешним электродом 2 системы 5 электродов и другими электродами или токопроводящими частями электрохимичес-" кой ячейки (например, сосудом, в котором находится система электродов).

Для применения системы 5 электродов в электрохимической ячейке целе- 55 сообразно сформовать систему так, чтобы поверхность электродов на объемную единицу ячейки приняла как можно большее значение. На фиг. 2 представлена система б электродов, изготовленная по этим соображениям и образованная путем наматывания предлагаемой системы 5 электродов в виде спирали вокруг геометрической оси A-А.

Слои 3 и 4 изоляции (фиг.3) отделяющие электроды 1 и 2 друг от друга, выполняют две функции. Вопервых, они изолируют друг от друга электроды разного потенциала. Вовторых, они образуют полости 7, через которые протекает электролит.

Дополнительной функцией изолирующих материалов 3 и 4 может быть отделение друг от друга растворов, окружающих разные электроды.

Изолирующим материалом может служить любое химическое инертное вещество, обладающее подходящими формой .и структурой материала. Как показано на фиг. 4, изолирующими материалами являются пористые 8, фольга 9, перфорированные 10, ткани 11. Ионообменные диафрагмы могут тоже применяться как изолирующие материалы.

Для работы электролизера полости

7 системы электродов должны быть заполнены электролитом. Для этого электролит пропускается через систему электродов, предпочтительно по одному из двух главных направлений.

Электролит либо пропускается через систему электродов параллельно оси

A-A (в этом случае необходимо закрыть пространство между системой электродов и внутренней стенкой электролизера, чтобы направить поток электролита через систему электродов), либо электролит протекает через электродный рулон в радиальном направлении, в этом случае ось 12 (фиг. 5 и б) электродного рулона должна быть полой или иметь подходящую механическую структуру, чтобы обеспечить радиальное течение электролита). Кроме того, электродные и изолирующие материалы должны быть проницаемыми для электролита.

Снабжение системы электродов током осуществляется через простые соединения.

Внутренний электрод 1 (фиг.5) соединен с осью 12 контактно, внешний электрод 2 — c сосудом электролизера через соединительный пункт 13.

Электроэнергия подводится к системе через ось 12 и сосуд электролизера.

Система электродов может снабжаться электроэнергией и через несколько соединений (фиг.б), находящихся на краю электродов, например через соединения 14-1б, на краю электрода 1 и через соединения 17-19 на краю электрода 2. Такой вид соединения предотвращает значительное падение напряжения по всей длине электрода.

Третья возможность подвода к электродам электроэнергии заключается в биголярном токоподводе. На фиг.7 показан такой вид системы до наматывания электродных слоев 20 и 21, состоящих нз сегментов 22 и 23, электрически изолированных друг от друга, 5

869564 и изолирующих материалов 24 и 25 вокруг оси 12. Каждый сегмент 26 первого электродного слоя 21 расположен напротив двух половин расположенных рядом сегментов 22 и 23 другого электродного слоя 20. При биполярном токоподводе рабочее напряжение подается к сегментированному электродному слою между концевыми сегментами 27 и 28 ° Концевые сегменты электродного слоя 20, к которым о подается рабочее напряжение, назы ваются питающими слоя 20 и сегменты электродного слоя 21 называются биполярными электродами. Приложенное рабочее напряжение распределяется равномерно по образованной таким об- IS разом цепи питающих и биполярных электродов.

Для обеспечения эффективности биполярного режима работы необходимо применять для изоляции 24 между элек- Щ тродными слоями 20 и 21 материалы, .обладающие ионной проводимостью.

Для электрической изоляции различных пар электродных слоев 20 и 21 друг от друга необходимо применять изолирующие материалы 25, необладающие ни ионной, ни электронной проводимостью.

Это имеет значение в случае наматывания шихтованной системы электродов вокруг оси 12.

На фиг. 8 представлена электрохи.мическая ячейка 29, содержащая несколько систем электродов 30 (обычно четное число), намотанный вокруг оси 12.

Ось 12 ячейки полая, и состоит, например, из трубы. Строение системы электродов соответствует описанной системе, представленной на фиг. 2.

Электродные рулоны 30 смонтированы попарно на оси 12. 40

Во время работы ячейки электролит подкачивается по оси в пространства

31 между каждыми двумя образующими пару электродами 32 через отверстия

33. Электродные РУлоны, образующие 4 пару, соединены друг с другом предпочтительно через уплотнительную металлическую манжету 34. Она преграждает электролиту, подкаченному в пространства между электродами, путь во внешние пространства ячейки. Таким образом, электролит не может не проходить через попарно расположенные электродные рулоны, например, через полости 7 (фиг.3). Выходящий из электродных пар электролит проходит через 55 пространства 35 между расположенными рядом электродными парами 32, поступает во внешнее пространство 36 ячейки и выходит из нее через отверстие 37. d0

На фиг. 8 представлено последовательное соединение токоподводов, причем током питаются пооледние электродные рулоны 38 и 30. В одном случае током питается анод, а в другом — катод. Последние электродные рулоны 38 и 30 соединяются через токопровода 39 и 40 и изолированные металлические части 41 и 42 оси 12, служающие питающими линиями с источником электроэнергии. Электродные рулоны пары 32 соединены друг с другом через проводящую уплотнительную манжету 34. Электродные рулоны отдельных пар соединены друг с другом через изолированные проводящие части 43 оси 12.

Система (фиг ° 9) содержит шесть частей: анод и катод 44 и 45, изготовленные из электродных лент с отверстиями 46 на одном краю, два изолирующих материала 3 и 4 и две оконечные уплотнительные ленты 47 и 48.

Оконечные уплотнительные ленты изготавливаются из проводящего материала, например металла. Уплотнение электродного рулона в аксиальном направлении может быть улучшено с помощью уплотнительной массы. На фиг. 9 показано необходимое перекрытие отдельных частей системы электродов до ее сматывания.

Фиг. 10 показывает систему электродов, намотанную вокруг оси 12.

Уплотнительные ленты должны иметь подходящую толщину, чтобы концы электродных рулонов были массивными и непроницаемыми для электролита.

На фиг. 11 показано, что электролит подкачивается через отверстия 49 оси

12 к входным отверстиям 46 электрода, откуда он поступает в электродный рулон, где он и распределяется.

Входные отверстия 46 на поверхности электродного рулона уплотняются подходящим уплотнением 50 так, что электролит не может утечь через эти отверстия. Затем электролит проходит через электродный рулон (показано направлением потока 51) выходит из рулона через выходное отверстие 46 другого электрода.

Токопитание ячейки обеспечивается сборными шинами 52 и 53, смонтированными непосредственно на концах электродного рулона. Такое выполнение электрических соединений позволяет снабжать электроды током по всей длине их краев. Благодаря этому возможно произвольно увеличивать длину электродов и диаметр системы элект- родов, не нарушая при этом работу ячейки. Отверстия 46 одного электрода служат входными отверстиями, а отверстия другого — выходными.

Для варианта исполнения электрохимической ячейки, представленной на фиг.12 и 13 применяется тоже полая ось, как и у первых двух. Электролит подкачивается через отверстия 49 в оси 12 и через отверстия 46 и 54 в электродных лентах в электродный рулон, где он Распределяется. Электродный рулон состоит из четырех

869564 слоев, намотанных вокруг оси 12.

На фиг. 13 положение оси 12 представлено линией 55. Изолирующие материалы 3 и 4 могут иметь одну из вышеописанных форм. Электродный слой 56 состоит из множества N-электродных лент 57, намотанных с шагом вокруг оси 12, и из двух последних электродных лент 58. Другой электродный слой

59 состоит из множеств íà N+1-электродных лент 57, которые тоже намотаны вокруг оси 12 с шагом.

В целях обеспечения биполярной работы каждая из лент одного электрода перекрывает примерно две половины соседних лент и находящийся .между ними зазор 60. Ленты 58 самого широкого электродного слоя 56 имеют отверстия вдоль своего края в продольном направлении, чтобы обеспечить течение электролита через электродный рулон. Остальные ленты 20

57 каждого электрода примерно в два раза шире последних лент 58 и имеют отверстия 54 вдоль своей средней линии в продольном направлении. Как показано на фиг. 12 отверстия 46 и

54 лент более широкого электродного слоя 56 расположены напротив отверстий 49 оси 12. При таком расположении электролит протекает по направлению потока 61 и выходит из электродного рулона через выходные отверстия 62. Каждое выходное отверстие 62 находится напротив отверстия

54 другого электродного слоя 59.

Как у второго вида ячейки, так и в данном варианте рулон содержит токопроводящие уплотнительные ленты

47 и 48, уплотняющие концы рулона в осевом направлении 12.

Токоснабжение системы электродов такое, как и у второго вида выполне- 40 ния, причем электрическая мощность подводится каждой паре электродных слоев 56 и 59 только на последних лентах 58 самого широкого электродного слоя 56. Подведенная мощность передается как обычно при биполярнои работе током, протекающим междУ электродными лентами.

Материалы для изготовления системы электродов, в основном, соответствуют материалам второго вида выполнения. Электродные ленты, предназначенные для биполярной работы, отличаются, однако, от электродов, описанных во втором виде выполнения, тем, что они имеют отверстия 54 вдоль з5 своей средней линии, распределенные на всю их длину.

Общим для всех трех видов выполнения электрохимической ячейки является применение полой оси 12 щ с отверстиями 49 для ввода электроли та в электродный рулон (и рулоны соответственно) ° Чтобы ось не замыкала накоротко электроды, присоединенные к разным потенциалам, она либо должа быть изготовлена из непроводящего материала, либо должна иметь определенную конструкцию. Однако, если она изготовляется из токопроводящего материаЛа, она должна снабжаться минимум частичным изоляционным покрытием. Ось 12 может состоять также из концентрических труб, причем самые внешние трубы могут испольэоваться как провода для токоснабжения электродов. Трубы с разными потенциалами должны быть изолированы друг от друга. Так как ось 12 служит, кроме того, держателем для электродного рулона (рулонов) целесообразно изготавливать ее из материалов, обладающих соответствующей механической прочностью и коррозионностойкостью.

С помощью вышеописанных видов вы,полнения электрохимической ячейки можно осуществлять электрохимические способы, в том числе и электролитическое окисление.

Формула изобретения

1. Система электродов для электрохимических ячеек, содержащая, по меньшей мере, один электродный рулон, образованный путем намотки деформируемого материала в спираль, а деформируемый. материал состоит из расположенных поочередно электродных и изоляционных слоев, по меньшей мере один из изоляционных слоев является ионопроницаемым, а электродные и изоляционные слои имеют форму и структуру, позволяющие течение электролита через электродный рулон, отличающаяся тем, что, с целью улучшения эксплуатационнотехнических параметров за счет обеспечения большого соотношения поверхности электродов с объемом ячейки и равномерного распределения разности потенциалов в самой системе, электродные слои смещены по оси относительно друг друга так, что у каждого осевого конца рулона имеется полосообразная поверхность из электропроводного материала для подвода электрического тока.

2. Система электррдов по п.1, отличающаяся тем, что полосообразные слои из электропроводного материала выполнены непроницаемыми для электролита, а их толщина выбирается из условия уплотнения ими обоих концов рулона в осевом направлении.

3. Система электродов по п.1, отличающаяся тем, что она содержит полую ось, вокруг которой намотан электродный рулон, причем ось имеет отверстия для протока электролита из оси в рулон.

4. Система электродов по п.3, g т л и ч а ю щ а я с я тем, что со869564

10 фиг. 2

7 держит, по меньшей мере, одну пару электродных рулонов, расположенных на полой оси и имеющих зазор между отдельными рулонами, который уплотняется герметичной лентой.

5. Система электродов по п.4, отличающаяся тем, что электродные рулоны имеют, по меньшей мере, одну пару электродных слоев для биполярных операций, каждая пара состоит из множества перфорированных электродных полос, намотанных вокруг оси на расстоянии друг от друга, а каждая полоса одного слоя перекрывает две половины смежных полос другого электродного слоя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9442035, кл. В 23 P 1/04, 1972.

3

2 у

869564

82

ФС Я f7 д

У

JE

Ф а ю

Составитель Б.Артамонов

Редактор Е.Дичинская Техред С.Мигунова Корректор М.Шароши, Заказ 8368/88 Тираж 707 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4