FI71357B - Monopolar elektrolyscell av filterpresstyp - Google Patents

Description

! 71357

Suodatinpuristintyyppiä oleva monopolaarinen elektro-lyysikenno Tämä keksintö kohdistuu suodatinpuristintyyp-5 piseen elektrolyysikennoon.

Suodatinpuristintyyppiset monopolaariset elektro-lyysikennot käsittävät useita vuorottelevia anodeja ja katodeja jokaisen ollessa eroitetun viereisestä katodista tai katodeista eroittimen avulla kennon muodostamiseksi, 10 jossa on useita erillisiä anodiosastoja ja katodiosastoja. Kennon anodiosastot on varustettu välineillä elektrolyytin syöttämiseksi kennoon, sopivasti yhteisestä pääsyötöstä ja välineillä elektrolyysituotteiden poistamiseksi kennosta. Samalla tavalla kennon katodiosastot on varustettu 15 välineillä elektrolyysituotteiden poistamiseksi kennosta ja mahdollisesti välineillä veden tai muun nesteen syöttämiseksi kennoon.

Elektrolyysikenno voi olla diafragma- tai membraani-tyyppinen. Diafragmatyyppisessä kennossa vierekkäisten ano-20 dien ja katodien väliin sijoitetut eroittimet ovat mikro- huokoisia ja käytön aikana elektrolyytti siirtyy diafragmojen lävitse anodiosastoista katodioastöihin kennossa. Membraani-tyyppisessä kennossa eroittimet ovat pääasiallisesti nestettä läpäisemättömiä ja käytön aikana ionilajit siirtyvät anodi-25 osastojen ja katodiosastojen välissä olevien membraanien lävitse kennossa. Membraanit läpäisevät yleensä kationeja.

Edelläesitettyä tyyppiä olevia elektrolyysikennoja voidaan käyttää alaklimetallikloridien vesiliuosten elektrolyysissä. Kun tällaista liuosta elektrolysoidaan diafrag-30 matyyppisessä elektrolyysikennossa, syötetään liuosta kennon anodiosastoihin, elektrolyysissä muodostunut kloori poistetaan kennon anodiosastoista, alkalimetallikloridin liuos siirtyy diafragmojen lävitse ja elektrolyysissä muodostunut vety ja alkalimetallihydroksidi poistetaan katodi-35 osastoista, jolloin poistettava alkalimetallihydroksidi on alkalimetallikloridin ja alkalimetallihydroksidin vesi- 2 71 357 liuoksena. Jos alkalimetallikloridin vesiliuosta elektro-lysoidaan membraanityyppisessä elektrolyysikennossa, joka sisältää kationeja selektiivisesti läpäiseviä membraaneja, syötetään liuos kennon anodiosastoon ja elektrolyysissä 5 muodostunut kloori ja laimentunut alkalimetallikloridi-liuos poistetaan anodiosastosta, alkalimetalli-ionit siirtyvät membraanien lävitse katodiosastöihin kennossa, joihin voidaan syöttää vettä tai laimeaa alkalimetallihydroksidia ja vety sekä alkalimetallihydroksidiliuos poistetaan kennon 10 katodiosastoista.

Suodatinpuristintyyppiä olevia monopolaarisia elektrolyysikennoja voidaan käyttää erikoisesti kloorin ja natriumhydroksidin valmistuksessa elektrolysoimalla nat-riumkloridin vesiliuosta.

15 Tällaiset suodatinpuristintyyppiset elektrolyysi- kennot voivat sisältää suuren määrän vuorottelevia anodeja ja katodeja, esimerkiksi 50 anodia vuorotellen 50 katodin kanssa, vaikkakin kenno voi sisältää vielä useampia anodeja ja katodeja esimerkiksi 150 vuorottelevaa anodia ja kato-20 dia.

Edelläesitetyn tyyppisessä suodatinpuristin-elektro-lyysikennossa jokainen kennon anodi on yleensä kytketty hyvän sähkönjohtokyvyn ja verrattain massiiviset mitat omaavan johtimen kautta yhteiseen anodivirtakiskoon ja 25 jokainen katodi on yleensä kytketty tällaisen johtimen kautta yhteiseen katodivirtakiskoon. Sähköjohtimet on sopivasti valmistettu kuparista, vaikkakin muita hyvän sähkönjohtokyvyn omaavia metalleja voidaan käyttää. Suodatinpuris tintyyppisessä elektrolyysikennossa on otettava 30 huomioon, että koska kenno käsittää suuren määrän vuorottelevia anodeja ja katodeja, liittyy kennoon suuri määrä verrattain massiiviset mitat omaavia johtimia. Nämä johtimet, erikoisesti kuparista valmistettuina, ovat kalliita ja otettaessa huomioon niiden johtimien suuri lukumäärä, jotka

II

3 71 357 tarvitaan suodatinpuristintyyppisessä elektrolyysikennossa, merkitsevät johtimet erittäin merkittävää osuutta tällaisen kennon pääomakustannuksissa. Lisäksi käytön aikana liittyy jokaiseen näistä johtimista pieni mutta merkittävä jännite-5 häviö.

Olisi edullista poistaa ainakin joitakin näistä verrattain massiiviset mitat omaavista johtimista suodatin-puristintyyppisestä mopolaarisesta elektrolyysikennosta tähän kennoon liittyvien pääomakustannusten pienentämiseksi 10 sekä tehohäviöiden alentamiseksi, joita aiheutuu jokaiseen johtimeen liittyvästä jännitehäviöstä.

Esiteltävä keksintö kohdistuu suodatinpuristin-tyyppiseen elektrolyysikennoon, jossa verrattain massiivisten mittojen omaavien sähköjohtimien lukumäärä on pienennetty, 15 mistä aiheutuu edellämainitut edut. Lisäksi tämän keksinnön mukainen elektrolyysikennon omaa sen lisäedun, että tarvittava pinta-ala, joka vaaditaan tällaisen kennon kennohallissa, pienenee huomattavasti verrattuna siihen pinta-alaan, joka vaaditaan suodatinpuristintyyppiä olevan tunnetun elektro-20 lyysikennon sisältävässä kennohallissa.

Esiteltävän keksinnön mukaan saadaan suodatinpuristin-tyyppinen elektrolyysikenno, joka käsittää monopolaarisen kennoyksikön, jossa on useita oleellisesti pystysuuntaisia vuorottelevia katodeja ja anodeja jokaisen anodin ollessa 25 eroitettuna viereisestä katodista tai katodeista eroittimen avulla kennoyksikön muodostamiseksi, jossa on useita anodi-osastoja ja katodiosastoja ja jolle on tunnusomaista se, että elektrolyysikenno muodostuu kahdesta tai useammasta kenno-yksiköstä asennettuina päällekkäin, kennoyksikön yläosassa 30 tai pohjalla olevat anodit tapauksesta riippuen on yhdistetty sähköjohtimiin liittämistä varten virtakiskoon, ylemmän 4 71357 tai alemman kennoyksikön katodit tapauksesta riippuen on yhdistetty sähköjohtimiin liittämistä varten virtakiskoon ja viereisten kennoyksikköjen anodit ja katodit, joita ei ole yhdistetty mainittuihin johtimiin, on yhdistetty bipo-5 laarisen sähköliittimen tai liittimien välityksellä yhden kennoyksikön anodien ja mainitun kennoyksikön ylä- tai alapuolelle sijoitetun viereisen kennoyksikön katodien väliin tapauksesta riippuen.

Olemme tietoisia siitä, että aikaisemmin on tehty 10 ehdotuksia elektrolyysikennoyksiköiden sijoittamiseksi päällekkäin. Esimerkiksi GB-patentissa No 1479490 on esitetty elektrolyysilaite, joka käsittää vähintäin kaksi elektrolyysikennoa, joista molemmat sisältävät oleellisesti pystysuuntaisia ja yhdensuuntaisia anodilevyjä, jotka 15 vuorottelevat oleellisesti pystysuuntaisten ja yhdensuuntaisten katodien kanssa, jotka on kiinnitetty kennon seinään ja jolloin jokainen kenno on yhdistetty putkeen elektrolyytin syöttämiseksi elektrolyysiä varten ja putkiin elektrolyysi tuotteiden poistamiseksi, jolloin kennot on sijoitettu 20 päällekkäin pystysuunnassa ja niiden anodit on kytketty rinnan yhteiseen virtakokoojaan.

Esiteltävän keksinnön mukainen elektrolyysikenno poikkeaa tästä jälkimmäisestä aikaisemmin esitetystä elektro-lyysilaitteesta siinä, että jälkimmäisessä laitteessa jokainen 25 kennon on niin sanottua tankkityyppiä, joka sisältää yhden ainoan anodiosaston, jossa on useita anodeja ja joka on eroi-tettu yhdestä ainoasta katodiosastosta, jossa on useita keskenään kytkettyjä katoditaskuja tai -sormia, sopivan eroittimen avulla, kun taas kennoyksiköt esiteltävän kek-30 sinnön mukaisessa elektrolyysikennossa ovat suodatinpuristin-tyyppiä käsittäen useita anodeja ja katodeja eroittimien toisistaan eroittamina useiden anodi- ja katodiosastojen muodostamiseksi. Lisäksi tässä aikaisemmin ehdotetussa elektrolyysilaitteessa eräät vierekkäisten kennojen anodit tl 5 71357 on kytketty rinnan yhteisen virtakokoojän, kun taas esiteltävän keksinnön mukaisessa elektrolyysikennossa eräät vierekkäisten kennoyksiköiden anodit ja katodit on yhdistetty määrätyllä tavalla bipolaarisen sähköliittimen tai 5 sähköliittimien avulla siten, että sähkövirta kulkee käytön aikana yhden kennoyksikön anodien ja sen alapuolelle tai yläpuolelle sijoitetun viereisen kennoyksikön katodien välitse tapauksesta riippuen.

Olemme myös tietoisia GB-patentista No 1362127, 10 jossa on esitetty diafragmatyyppinen elektrolyysikenno, joka käsittää useita kennoyksiköitä sijoitettuina päällekkäin. Tässä kennossa kennoyksiköt ovat vaakasuorassa ja käsittävät anodeja katodeja, jotka on sähköisesti liitetty oleellisesti vaakasuunnassa oleviin levyihin.

15 Yksiköt käsittävät metallisen katodikehyksen, muodoltaan aaltomaisen metallikatodiverkon, joka muodostaa useita ylöspäin suuntautuneita vierekkäin olevia paksunnoksia, jotka ovat toisistaan erillään ja jotka ulottuvat katodi-kehyksen ylitse ja metallisen pohjalevyn, johon katodi on 20 sähköisesti yhdistetty sekä anodikehyksen, johon kuuluu vaakasuunnassa oleva takalevy ja anodilevyjä tai aaltomaisia levyjä, jotka aallot sijaitsevat katodiverkon paksunnosten välissä. Esiteltävän keksinnön mukainen elektrolyysikenno eroaa tästä aikaisemmin esitetystä siinä, että 25 esiteltävän keksinnön mukaisen elektrolyysikennon kennoyksiköt ovat suodatinpuristintyvnpiä, joista jokaiseen yksikköön kuuluu useita anodiosastoja ja katodiosastoja, kun taas aikaisemmin esitetyn kennon kennoyksiköt ovat tankkityyppisiä, joista jokainen yksikkö käsittää yhden 30 ainoan anodiosaston ja yhden ainoan katodiosastor Aikaisemmin esitetyn kennon kennoyksiköt on sijoitettu päällekkäin bipolaaristen liitosten sijaitsessa kennojen välissä. Suositeltava muoto sähkökytkentää varten muodostetaan käyttämällä aaltomaista katodilevyä yhdessä kenno- ____. — - II, ........

6 71357 yksikössä sovitettuna viereisen kennoyksikön aaltomaiseen anodilevyyn,jolloin levyjen välinen tila on tyhjennetty siten, että levyjä voidaan pitää kiinni toisissaan sähkö-kosketusta varten. Ennen sähkökosketuksen muodostamista 5 voidaan levyt hiekkapuhaltaa ja toiselle tai molemmille pinnoille voidaan ruiskuttaa pehmeää metallia, esimerkiksi kuparia, hopeaa, levyjä, tinaa tai alumiinia. Esiteltävän keksinnön mukaisten kennoyksiköiden välinen sähkökosketus on huomattavasti yksinkertaisempi kuin aikaisemmin esi-10 tetyn kennon siinä suhteessa, että siinä ei vaadita sähkö- kosketuksen muodostamista anodi levyjen ja katodilevyjen koko pinnan alueella kuten aikaisemmin esitetyssä kennossa, mikä voi olla vaikea saavuttaa eikä vaadita tyhjiön muodostamista .

15 Yhden kennoyksikön anodit, jotka on sähköisesti kytkettävä esiteltävän keksinnön mukaisen elektrolyysiken-non viereisen kennoyksikön katodeihin, voidaan kytkeä niihin verrattain yksinkertaisten bipolaaristen liittimien avulla yksittäisten anodien ja katodien välille. Esimerkiksi 20 anodit ja katodit voidaan kiinnittää toisiinsa pulteilla, hitsaamalla tai kovajuottamalla tai kiinnittää toisiinsa yksinkertaisen kytkinkappaleen avulla, esimerkiksi yksinkertaisen, verrattain pienimittaisen kuparikytkimen avulla.

Vaihtoehtoisesti yhden kennoyksikön anodit, jotka 25 on sähköisesti kytkettävä viereisen kennoyksikön katodeihin voidaan kytkeä niihin yhteisen verrattain pienet mitat omaavan kupari johtimen avulla. Sähkökytkennät ovat edullisesti mahdollisimman lyhyitä tehohäviöiden minimoimiseksi. Sähkö-liittimet voivat olla yksinkertaisia ja erikoisesti ei vaa-30 dita verrattain suuren poikkileikkauksen omaavia liittimiä, esimerkiksi väliin kosketuskohtaan metallia tai metalli -seosta oleva kerros, joka on sähköäjohtava ja joka muodostaa myös estokerroksen vedyn läpikululle, esimerkiksi kuparia tai hopeaa.

7 71 357

On huomattava, että mikä määrätty kytkentämenettely valitaankin esiteltävän keksinnön mukaista elektrolyysikennoa varten, jolloin kennoyksiköt on asennettu päällekkäin, saavutetaan verrattain massiivisten mittojen omaavien sähkö-5 johtimien lukumäärän aleneminen, jotka täytyy yhdistää virtakiskoon, verrattaessa tavanomaisen rakenteen omaavaan suodatinpuristintyyppiseen elektrolyysikennoon. Itse asiassa näiden tarvittavavien verrattain massiivisten mittojen omaavien sähköjohtimien lukumäärä on kääntäen verrannollinen 10 päällekkäin asennettavien kennoyksiköiden lukumäärään keksinnön mukaisessa elektrolyysikennossa.

Keksinnönmukainen elektrolyysikenno omaa edelleen lisäetuna sen, että virran kulku sähköisesti toisiinsa liitettyjen vierekkäisten kennoyksiköiden anodien ja kato-15 dien välillä on verrattain suoraviivainen yksinkertaistaen täten liittämistä. Tästä syystä on suositeltavaa, että sähköisesti toisiinsa kytkettyjen kennoyksiköiden anodit ja katodit on sijoitettu oleellisesti linjaan toistensa päälle niin, että sähköliitännät voidaan tehdä mahdolli-20 simman yksinkertaisiksi siten, että sähkövirta kulkee mahdollisimman suoraviivaisesti. On myös huomattava, että koska elektrolyysikennon kennoyksiköt on sijoitettu päällekkäin, kennohallissa tarvittava pinta-ala annetun tuotantokyvyn omaavaa elektrolyysikennoa varten pienenee huomatta-25 vasti verrattuna tavanomaisen rakenteen omaavan suodatin-puristintyyppisen eleketrolyysikennon vaatimaan tilaan, jolloin kennoyksiköt on sijoitettu vierekkäin samalle korkeudelle kennohallissa.

Niiden kennoyksiköiden lukumäärä, jotka on edullista 30 asentaa päällekkäin elektrolyysikennossa tämän keksinnön mukaisesti riippuu yksittäisten kennoyksiköiden mitoista, erikoisesti kennoyksiköiden korkeudesta ja siitä kokonais-korkeudesta, mitä edullisesti voidaan käyttää elektrolyysikennoa varten.

71357 8

Elektrolyysikenno voi muodostua esimerkiksi kahdesta päällekkäin asennetusta kennoyksiköstä tai kolmesta tai useammasta päällekkäin asennetusta kennoyksiköstä.

Tapauksessa, jolloin elektrolyysikenno muodostuu 5 kolmesta kennoyksiköstä, alimman kennoyksikön anodit voidaan liittää sähköjohtimiin kytkemistä varten virtakis-koon, ylimmän kennoyksikön katodit voidaan liittää sähkö-johtimiin kytkemistä varten virtakiskoon ja keskimmäisen kennoyksikön anodit ja katodit voidaan liittää sähköisesti 10 vastaavasti alimman kennoyksikön katodeihin ja ylimmän kennoyksikön anodeihin.

Vaihtoehtoisesti jos elektrolyysikenno muodostuu kolmesta kennoyksiköstä, ylimmän kennoyksikön anodit voidaan yhdistää sähköjohtimiin kytkemistä varten virtakis-15 koon, alimman kennoyksikön katodit voidaan yhdistää sähkö-johtimiin kytkemistä varten virtakiskoon ja keskimmäisen kennoyksikön anodit ja katodit voidaan yhdistää sähköisesti vastaavasti ylimmän kennoyksikön katodeihin ja alimman kennoyksikön anodeihin.

20 Keksinnönmukaisen elektrolyysikennon yksinkertaisin järjstely käsittää kaksi päällekkäin asennettua kenno-yksikköä. Tässä tapauksessa alemman kennoyksikön anodit voidaan yhdistää sähköjohtimiin kytkemistä varten virta-kiskoon, ylemmän kennoyksikön katodit voidaan yhdistää 25 sähköjohtimiin kytkemistä varten virtakiskoon ja alemman kennoyksikön katodit voidaan yhdistää sähköisesti ylemmän kennoyksikön anodeihin. Vaihtoehtoisesti ylemmän kennoyksikön anodit voidaan yhdistää sähköjohtimiin kytkemistä varten virtakiskoon, alemman kennoyksikön katodit voidaan yhdistää 30 sähköjohtimiin kytkemistä varten virtakiskoon ja ylemmän kennoyksikön katodit voidaan yhdistää sähköisesti alemman kennoyksikön anodeihin.

9 71357

Jokaisen kennoyksikön anodiosastot voidaan varustaa välineillä elektrolyytin syöttämiseksi osastoihin edullisesti yhteisestä pääjohdosta sekä välineillä elektrolyysi-tuotteiden poistamiseksi osastoista. Vastaavasti jokaisen 5 kennoyksikön katodiosastot voidaan varustaa välineillä elektrolyysituotteiden poistamiseksi osastoista ja haluttaessa välineillä veden tai muun nesteen syöttämiseksi osastoihin.

Esimerkiksi jos kennoa käytetään alkalimetalli-10 kloridin vesiliuoksen elektrolyysiin, jokaisen kennoyksikön anodiosastot voidaan varustaa välineillä alkalimetalli-kloridin vesiliuoksen syöttämiseksi anodiosastoihin ja välineillä kloorin poistamiseksi ja haluttaessa välineillä alkalimetallikloridin laimentuneen vesiliuoksen poistamiseksi 15 anodiosastoista ja jokaisen kennoyksikön katodiosastot voidaan varustaa välineillä vedyn ja alkalimetallihydroksidia sisältävän kennonesteen poistamiseksi katodiosastoista ja haluttaessa ja mikäli on tarpeen, välineillä veden tai laimean alkalimetallihydroksidiliuoksen syöttämiseksi katodi-20 osastoihin.

Elektrolyysikenno voi olla diafragmatyyppiä tai membraanityyppiä. Diafragmatyyppisessä kennossa eroittimet, jotka on sijoitettu vierekkäisten anodien ja katodien väliin erillisten anodiosastojen ja katodiosastojen muodostamiseksi 25 kennoyksikÖihin, ovat mikrohuokoisia ja käytön aikana elektrolyytti kulkee diafragmojen lävitse anodiosastoista katodi-osastoihin. Täten tapauksessa, jossa elekrolysoidaan alkali-metallikloridin vesiliuosta, muodostunut kennoliuos sisältää alkalimetallikloridin ja alkalimetallihydroksidin vesiliuosta.

30 Membraanityyppisessä elektrolyysikennossa eroittimet ovat oleellisesti hydraulisesti läpäisemättömiä ja käytön aikana ioni-lajit siirtyvät membraanien lävitse kennon osastojen välillä.

10 71 357 Täten jos memhraani on kationinvaihtomembraani, siirtyvät kationit membraanin lävitse ja tapauksessa, jossa alkali-metallikloridin vesiliuosta elektrolysoidaan, kennoliuos sisältää alkalimetallihydroksidin vesiliuosta.

5 Jos elektrolyysikennossa käytetty eroitin on mikrohuokoinen diafragma, riippuu diafragman luonne kennossa elektrolysoitavan elektrolyytin luonteesta. Diafragman täytyy siten kestää elektrolyytin ja elektrolyysituot-teiden hajoittavaa vaikutusta ja jos elektrolysoidaan 10 alkalimetallikloridin vesiliuosta, valmistetaan diafragma sopivasti fluoripitoisesta polymeerimateriaalista, koska nämä materiaalit kestävät yleensä elektrolyysissä muodostuneen kloorin ja alkalimetallihydroksidin hajoittavaa vaikutusta .Edullisesti mikrohuokoinen diafragma valmistetaan 15 polytetrafluoroetyleenistä, muihin käyttökelpoisiin materiaaleihin kuuluvat esimerkiksi tetrafluoroetyleeni/heksa-fluoropropyleeni-kopolymeerit, vinylideenifluoridi-polymeerit ja kopolymeerit ja fluoratut etyleeni/propyleeni-kopo-lymeerit.

20 Sopivia mikrohuokoisia diafragmoja on esitetty esimerkiksi GB-patentissa No 1503915, jossa on esitetty polytetrafluoroetyleeniä olevia mikrohuokoisia diafragmoja, joiden mikrorakenteessa on fibrillien yhdistämiä solmukohtia ja GB-patentissa No 1081046, jossa on esitetty mikro-25 huokoinen diafragma valmistettuna poistaen uuttaamalla täyteaine polytetrafluoroetyleeniä olevasta kalvosta. Alalla on esitetty muitakin sopivia mikrohuokoisia diafragmoja.

Jos kennossa käytetty eroitin on kationinvaihtomem-braani, riippuu menbraanin luonne myös kennossa elektro-30 lysoitavan elektrolyytin luonteesta. Membraanin täytyy kestää elektrolyytin ja elektrolyysituotteiden hajoittavaa vaikutusta ja jos elektrolysoidaan alkalimetallikloridin vesi-liuosta, valmistetaan menbraani sopivasti fluoripitoisesta polymeerimateriaalista, joka sisältää kationinvaihtoryhmiä,

K

11 71 357 esimerkiksi sulfonihappo-, karboksyylihappo - ja fosfoni-happo-ryhmiä tai niiden johdannaisia tai kahden tai useamman tällaisen ryhmän seosta.

Sopivia kationinvaihtomembraaneja on esitetty 5 esimerkiksi GB-patenteissa No:t 1184321, 1402920, 1406673, 1455070, 1497748, 1497749, 1518387 ja 15331068.

Eroittimet voidaan asentaa sopivasti muotoilluille levyille, jotka voivat toimia tiivistimenä asennettuina vierekkäisten anodien ja katodien väliin tai vaihtoehtoi-10 sesti eroittimia pidetään paikallaan kennoyksiköiden anodien ja katodien välissä. Haluttaessa voi kennoyksiköihin sisältyä välilevyjä, jotka voivat toimia tiivisteinä sijoitettuina anodien ja eroittimien ja/tai katodien ja eroit-timien väliin halutut mitat omaavien anodi- ja katodiosasto-15 jen muodostamiseksi kennoyksiköihin ja erikoisesti halutun anodin ja katodin välisen etäisyyden muodostamiseksi.

Eroituslevyt täytyy valmistaa sähköisesti eristävästä materiaalista, joka on kestävä edullisesti kennoyksikön nesteiden ja kaasujen vaikutusta vastaan. Sopivia materiaaleja 20 ovat fluoripitoiset polymeerimateriaalit, vaikka fluoraa-mattomia materiaaleja voidaan myös käyttää.

Elektrolyysikennon kennoyksiköiden anodien ja katodien rakennemateriaalit riippuvat kennossa elektrolysoi-tavan elektrolyytin luonteesta. Täten jos elektrolysoidaan 25 alkalimetallikloridin vesiliuosta, on anodi valmistettu sopivasti tai vähintäin sen aktiivinen ala on kalvonmuodos-tavaa metallia tai metalliseosta, esimerkiksi sirkoniumia, niobiumia, volfrämiä tai tantaalia, mutta edullisesti ainakin sen aktiivinen ala on titaania ja anodien pinnalla on 30 edullisesti sähköäjohtavaa, elektrokatalyyttisesti aktiivista materiaalia oleva päällyste. Päällyste voi muodostua yhdestä tai useammasta platinaryhmän metallista, kuten platinasta, rodiumista, iridumista, ruteenista, osmiumista tai palladiumista ja/tai yhden tai useamman näiden metallien 35 oksideista. Platinaryhmän metallia ja/tai sen oksidia oleva 12 71 357 päällyste yoi sisältää sekoitettuna yhtä tai useampaa ei-jalometallien oksidia, erikoisesti yhtä tai useampaa kaivonmuodostavan metallin oksidia, esimerkiksi titaanidioksidia. Säköäjohtavat, elektrokatalyyttisesti aktiiviset 5 materiaalit, joita käytetään anodipäällysteinä elektrolyysi-kennossa alkalimetallikloridin vesiliuoksen elektrolyysissä sekä menetelmät tällaisten päällysteiden levittämiseksi, ovat alalla hyvin tunnettuja.

Anodi on rakenteeltaan edullisesti reikämäinen ja 10 voi se olla esimerkiksi rei'itetty levy, metallilankaverkko, tai voi se muodostua useista pitkänomaisista osista, jotka on edullisesti sijoitettu oleellisesti pystysuuntaan ja yhdensuuntaisiksi keskenään, esimerkiksi useista listoista, levyistä tai nauhoista. Pitkänomaiset osat valmistetaan 15 sopivasti kalvonmuodostavaa metallia olevasta levystä muodostamalla levyyn rakoja ja poistamalla puristaen pitkänomaiset osat. Esimerkiksi täten muodostetut sälelistat voidaan sopivasti kääntää suoraan kulmaan kalvonmuodostavan metalli-levyn alkuperäistä tasoa vastaan tai voidaan ne taivuttaa 20 vinosti tätä tasoa vastaan haluttaessa. Sälelistat taivutetaan edullisesti suurempaan kuin 60° olevaan kulmaan anodilevyn tasoa vastaan.

Elektrolyysikennon kennoyksiköiden katodit voidaan valmistaa siten, että vähintäin niiden aktiivinen alue on 25 rautaa tai pehmeää terästä tai muuta sopivaa metallia esimerkiksi nikkeliä ja voivat ne myös olla rakenteeltaan reikämäisiä, esimerkiksi rei'itetty levy, metallilankaverkko tai voivat ne muodostua useista pitkänomaisista osista.

Kennoyksiköiden yksittäiset anodiosastot voidaan 30 varustaa välineillä elektrolyytin syöttämiseksi osastoihin sekä välineillä elektrolyysituotteiden poistamiseksi osas- n 71357 toista. Samoin kennoyksiköiden yksittäiset katodiosastot voidaan varustaa välineillä elektrolyysituotteiden poistamiseksi osastoista ja haluttaessa välineillä veden tai muun nesteen syöttämiseksi osastoihin. Vaikka on mahdollista 5 käyttää näinä välineinä erillisiä putkia, jotka kulkevat jokaiseen osastoon ja pois niistä, on tällainen järjestely tarpeettoman monimutkainen ja hankala ja elektrolyysikennon suositellussa toteutuksessa kennoyksiköt on valmistettu anodilevyistä, joissa onaktiivista metallia oleva anodiosa, 10 katodilevyistä, joissa on aktiivista metallia oleva katodiosa, eroittimista sijoitettuina haluttaessa levyille ja haluttaessa eroituslevyistä, jolloin levyissä ja eroittimissa, kun niitä ei ole asennettu levyille, on useita aukkoja, jotka kennoyksikössä määrittävät erilliset osastot kennoyksiköiden 15 pituussuunnassa ja joista elektrolyyttiä voidaan syöttää kennoyksiköiden anodiosastoihin ja joiden kautta elektro-lyysituotteet voidaan poistaa kennoyksiköiden anodi- ja katodiosastoista.

Jos kennoyksiköt sisältävät hydraulisesti läpäiseviä 20 diafragmoja, voilevyissä olla kaksi tai kolme aukkoa, jotka määrittävät kaksi tai kolme osastoa kennoyksikön pituussuunnassa, joista elektrolyyttiä voidaan syöttää kennoyksikön anodiosastoihin ja joiden kautta elektrolyysituot-teet voidaan poistaa kennoyksikön anodi- ja katodiosastoista. 25 jos kennoyksikkö käsittää kationeja selektiivisesti läpäiseviä membraaneja, voi levyissä olla neljä aukkoa, jotka määrittävät neljä osastoa kennoyksikön pituussuunnassa, joista elektrolyyttiä ja vettä tai muuta nestettä voidaan vastaavista syöttää kennoyksikön anodi- ja katodiosastoihin ja 30 joiden kautta elektrolyysituotteet voidaan poistaa kennoyksikön anodi- ja katodiosastoista.

14 71 357

Kennoyksikön pituussuunnassa olevat osastot voivat olla yhteydessä kennoyksikön anodiosastojen ja katodiosasto-jen kanssa levyissä olevien kanavien välityksellä, esimerkiksi levyissä olevien pintojen ja seinämien muodosta-5 minä, sopivasti välilevyissä.

Levyt ovat edullisesti taipuisia ja kimmoisia koska taipuisuus ja kimmoisuus auttavat hyvän tiivistymisen aikaansaamiseen nesteen suhteen kennoyksikköjä asennettaessa.

10 Kennoyksiköissä pituussuuntaiset osastot, jotka ovat yhteydessä yksikön anodiosastojen kanssa, täytyy eristää sähköisesti niistä kennoyksikön pituussuuntaisista osastoista, jotka ovat yhteydessä yksikön katodiosastojen kanssa.

15 Tämä sähköinen eristys voidaan saavuttaa eri tavoin.

Esimerkiksi jokaisessa levyssä olevat aukot voidaan määrittää sähköisesti eristävän materiaalin avulla. Täten välilevyt, jos niitä käytetään, voivat olla sähköä eristävää materiaalia olevia kehyksiä, joissa aukot, jotka kenno-20 yksikössä muodostavat osan kennoyksikän pituussuuntaisista osastoista, määräytyvät kehysosassa olevien aukkojen avulla. Samoin kennoyksikön anodit ja katodit voidaan jokainen sijoittaa sähköisesti eristävää materiaalia olevaan kehys-osaan sen tukemina, jolloin aukot, jotka kennoyksikössä 25 muodostavat osan pituussuuntaisista osastoista, määräytyvät kehysosassa olevien aukkojen avulla.

Haluttaessa välilevyn ja anodin tai katodin tuenta voidaan tehdä yhden ainoan kehysosan avulla sopivasti muotoiltuna.

30 Vaihtoehtoisesti kennoyksiköiden anodit ja katodit voidaan valmistaa osaksi sähköä eristävästä materiaalista ja osaksi metallista. Levyjen aukot, jotka kennoyksikössä muodostavat osan kennoyksiköiden pituussuuntaisista osastoista voidaan tehdä anodi- tai katodilevyn metalliosaan 35 ja osaksi levyyn, joka on valmistettu sähköä eristävästä materiaalista niin, että saavutetaan haluttu pituussuuntaisten osastojen sähköeristys.

15 71 357 Välileyyt voidaan valmistaa sähköä eristävästä materiaalista. Sähköä eristävä materiaali pystyy edullisesti vastustamaan kennoyksiköissä olevien nesteiden vai-kustusta ja on se sopivasti fluoripitoista polymeerima-5 teriaalia.

Sopivia suodatinpuristintyyppisiä elektrolyysi-kennoja, jotka voivat muodostaa kennoyksiköt tämän keksinnön mukaista elektrolyysikennoa varten, on esitetty DE-hakemusjulkaisuissa N.ot 28 09 333, jossa on esitet-10 ty diafragmakenno ja 28 09 332, jossa on esitetty membraani-kenno.

Keksintöä esitellään edelleen seuraavien piirrosten avulla.

Kuva 1 on kaavioesitys osasta elektrolyysikennoa 15 muodostuen kahdesta monopolaarisesta kennoyksiköstä asennettuina päällekkäin.

Kuva 2 esittää kuvan 1 mukaisen alemman kenno-yksikön anodia ja siihen liittyvää ylemmän kennoyksikön katodia, joka on sijoitettu välittömästi anodin yläpuo-20 lelle.

Kuva 3 esittää kuvan 1 alemman kennoyksikön katodia ja siihen liittyvää ylemmän kennoyksikön anodia sijoitettuna välittömästi katodin yläpuolelle ja kuva 4 on isometrinen kuva kuvan 1 mukaisesta 25 elektrolyysikennosta.

Kuvan 1 mukaan elektrolyysikenno käsittää alemman kennoyksikön 1, jossa on useita sälemäisiä katodeja 2 vuorotellen useiden sälemäisten anodien 3 kanssa ja kationin-vaihtomembraanit 5 sijoitettuina jokaisen vierekkäisen 30 anodin ja katodin väliin kennoyksikön jakamiseksi useisiin anodiosastoihin ja katodiosastoihin. Samoin ylempi kennoyksikkö 6 käsittää useita sälemäisiä katodeja 2 vuorotellen useiden sälemäisten anodien 3 kanssa ja kationin-vaihtomembraanit sijoitettuina jokaisen vierekkäisen anodin 35 ja katodin väliin kennoyksikön jakamiseksi useiksi anodi-osastoiksi ja katodiosastoiksi.

71 357 16

Jokainen katodi 2 alemmassa kennoyksikössä 1 on sijoitettu ylemmän kennoyksikön 6 anödin 3 alapuolelle, jokainen katodi 2 alemmassa kennoyksikössä on yhdistetty johti-meen 7, joka voi olla kuparia, kytkemistä varten katodi-5 virtakiskoon ja jokainen anodeista 3 ylemmässä kennoyksikössä 6 on yhdistetty johtimeen 8, joka voi olla kuparia, kytkemistä varten anodivirtakiskoon. Liitokset katodien ja johtimien sekä anodien ja johtimien välillä voidaan tehdä jollain sopivalla tavalla, esimerkiksi kuvan 3 mukai-10 sesti kiinnittämällä pulttien avulla johdin katodin tai anodin ulkonevaan laippaan tapauksesta riippuen.

Jokainen anodi 3 alemmassa kennoyksikössä 1 on sijoitettu ylemmän kennoyksikön 6 katodin 2 alapuolelle ja jokainen anodi 3 on sähköisesti kytketty välittömästi 15 yläpuolelle sijoitettuun katodin jollain sopivalla tavalla esimerkiksi kuvan 2 mukaisen toteutuksen mukaan kiinnittämällä pulttien avulla toisiinsa katodin laippa viereisen anodin laippaan. Sähköä johtavaa materiaalia oleva nauha, joka pystyy estämään vedyn läpikulun, esimerkiksi kuparia 20 tai hopeaa, voidaan sijoittaa katodin ja vastaavan anodin väliin liitoskohtaan hyvän sähköisen kosketuksen saamiseksi ja vedyn diffundoitumisen estämiseksi katodilta anodille.

Katodit 3 voivat olla pehmeää terästä, nikkeliä tai muuta sopivaa metallia ja anodit 2 voidaan valmistaa 25 kalvonmuodostavasta metallista, esimerkiksi titaanista ja voi niissä olla sähköäjohtavaa elektrokatalyyttisesti aktiivista materiaalia oleva päällyste. Kuvassa 1 esitetty elektrolyysikennon toteutus on pelkästään kaaviollinen esitys ja on se tarkoitettu erikoisesti esittämään elektro-30 lyysikennon sähkökytkentöjä ja katodien sekä anodien sijoittelua yhdessä kennoyksikössä toisen kennoyksikön anodien ja katodien suhteen. Välineitä elektrolyytin syöttämiseksi kennoon ja välineitä elektrolyysituotteiden poistamiseksi kennosta ei ole esitetty.

17 71 357

Elektrolyysikennoa käytettäessä elektrolyyttiä johdetaan kennoyksiköiden anodiosastoihin, laimentunutta elektrolyyttiä poistetaan kennoyksiköiden anodiosastoista ja elektrolyysituotteet poistetaan kennoyksiköiden anodi-5 ja katodiosastoista. Esimerkiksi jos elektrolyytti on alkalimetallikloridin vesiliuos, syötetään tätä liuosta kennoyksiköiden anodiosastoihin ja klooria sekä laimentunutta alkalimetallikloridin vesiliuosta poistetaan anodiosastoista ja vetyä sekä alkalimetallihydroksidin vesi-10 liuosta poistetaan kennoyksiköiden katodiosastoista.

Kennoyksiköt voidaan varustaa myös välineillä veden syöttämiseksi kennoyksiköiden katodiosastoihin.

Toiminnan aikana sähkövirta kulkee alemman kenno-yksikön 1 johtimista 7 alemman kennoyksikön katodille 1, 15 sitten membraanien 5 lävitse katodien 2 molemmille puolille sijoitetuille anodeille 3, alemman kennoyksikön anodeilta 3 ylemmän kennoyksikön 6 katodeille 2, ylemmän kennoyksikön katodeilta 2 membraanien 5 lävitse ylemmän kennoyksikön anodeille 3 ja lopuksi anodeilta 3 ylemmän 20 kennoyksikön 6 johtimiin 8.

Kuvassa 2 on esitetty alemman kennoyksikön 1 anodi 3 ja siihen liittyvä ylemmän kennoyksikön katodi 2 sijoitettuna välittömästi anodin yläpuolelle. Anodi 3 muodostuu useista pystysuuntaisista säleistöista 9 ja neljästä 25 aukosta 10, 11, 12 ja 13, jotka, kun anodit 3 ja vastaavat katodit 2 sekä membraanit 5, joissa on samanlaiset aukot, asennetaan kennoyksikköön, määrittävät neljä kennoyksikön pituussuuntaista osastoa. Anodissa 3 aukko 13, joka muodostaa osan kennoyksikön pituussuuntaisesta 30 osastosta, jonka lävitse elektrolyyttiä voidaan syöttää kennoon, on yhteydessä anodin 3 sälemäisen osan 9 kanssa ja siten anodiosastojen kanssa kanavan 14 välityksellä, ie 71357 joka sijaitsee anodin pinnalla. Aukko 11, jonka lävitse laimentunutta elektrolyyttiä ja elektrolyysituotteita voidaan poistaa kennoyksikön anodiosastoista, on yhteydessä anodin 3 sälemäisen osan 9 kanssa ja täten anodiosas-5 tojen kanssa kanavan 15 välityksellä, joka sijaitsee anodin pinnalla. Vähintäin anodin säleet 9 muodostava osa on metallia. Osa, joka muodostaa aukot 10, 11, 12 ja 13 voi olla sähköisesti eristävää materiaalia, jolloin esimerkiksi säleet 9 muodostava anodin metalliosa voidaan sijoittaa 10 sähköisesti eristävää materiaalia olevaan tiivisteeseen, joka määrittää aukot 10, 11, 12 ja 13.

Vaihtoehtoisesti vain ne osat, jotka määrittävät aukot 11 ja 13 voivat olla sähköisesti eristävää materiaalia niin, että aukot 11 ja 13 on sähköisesti eristetty 15 aukoista 10 ja 12, jotka voivat muodostua metallimateriaalista.

Katodi 2 käs ittää useita pystysuuntaan sijoitettuja säleitä 16 ja neljä aukkoa 17, 18, 19 ja 20, jotka kun katodit 2 ja niihin kennoyksikköön muodostavat neljä ken-20 nonpituussuuntaista osastoa. Katodissa 2 aukko 17, joka muodostaa osan kennoyksikön pituussuuntaisesta osastosta, jonka kutta vettä voidaan johtaa kennoyksikköön, on yhteydessä, katodin 2 sälemäisen osan 16 kanssa ja siten katodi-osastojen kanssakanavan 21 välityksellä, joka sijaitsee 25 katodin pinnalla. Vähintäin säleet 16 käsittävä katodin osa on metallia. Osa, joka määrittää aukot 17, 18, 19, 20 voi olla sähköisesti eristävää materiaalia, jolloin esimerkiksi säleet 16 käsittävä matellinen katodiosa voi olla sijoitettu sähköisesti eristävää materiaalia olevaan tiivistee-30 seen, joka määrittää aukot 17, 18, 19, 20. Vaihtoehtoisesti vain ne osat, jotka määrittävät aukot 17 ja 19, voivat olla sähköisesti eristävää materiaalia niin, että aukot 17 ja 19 ovat sähköisesti eristetyt aukoista 18 ja 20, jotka voidaan muodostaa metallimateriaaliin.

II

19 71 357

Kennoyksiköiden pituussuuntaiset osastot voidaan yhdistää sopiviin pääputkiin (ei esitetty), joista elektrolyyttiä ja vettä voidaan johtaa kennovksiköihin ja sopiviin pääputkiin (ei esitetty), joiden kautta elektrolyysi-5 tuotteet voidaan poistaa kennoyksiköistä.

Anodissa 3 on ulkoneva laippa 23, joka on sähköisesti yhdistetty katodin 2 vastaavaan laippaan (ei esitetty) pulttien 24 avulla.

Kuvassa 3 on esitetty alemman kennoyksikön 1 katodi 10 yhdistettynä ylemmän kennoyksikön 6 vastaavaan anodiin 3, joka on sijoitettu välittömästi katodin yläpuolelle.

Kuvan 3 katodin 2 ja anodin 3 osat, jotka ovat samoja kuin kuvan 2 katodissa 2 ja anodissa 3, ja merkitty samoilla numeroilla. Alemman kennoyksikön 1 katodi 2 on varustettu 15 laipalla 25, joka on kiinnitetty kuparijohtimeen 26 pulttien 27 avulla. Samoin ylemmän kennoyksikön anodi 3 on varustettu laipalla 28, joka on kiinnitetty kuparijohtimeen 28 pulttien 30 avulla.

Kuva 4 on isometrinen esitys kuvan 1 mukaisen elektro-20 lyysikennon osasta. Joitakin kuvien 2 ja 3 viitenumerolta on käytetty kuvassa 4 osoittamaan samoja osia, vaikka yksinkertaisuuden vuoksi jotkut kuvissa 2 ja 3 käytetyt viitenumerot on jätetty pois. Kuvan 4 mukainen elektrolyysi-kenno käsittää alemman kennoyksikön 1 ja ylemmän kennoyksikön 25 6. Ylemmässä kennoyksikössä ioninvaihtomembraani 31 on sijoi tettu katodin 2 ja jokaisen viereisen anodin 3 väliin. Membraanissa 31 on aukot, jotka vastaavat ylemmän kennoyksikön anodin 3 aukkoja 10,11, 12 ja 13 ja aukkoja 17, 18, 19 ja 20 ylemmän kennoyksikön katodissa. Samoin alemmassa kennoyksi-30 kössä 1 ioninvaihtomembraani 32 on sijoitettu anodin 3 ja jokaisen viereisen katodin 2 väliin. Membraanissa 32 on aukot, jotka vastaavat aukkoja 17, 18, 19 ja 20 alemman kennoyksikön katodissa 2 ja aukkoja 10, 11, 12 ja 13 alemman kennoyksikön anodissa 3.

20 71 357

Elektrolyysikenno asennetaan kiinnittämällä yhteen, esimerkiksi pulttien avulla, kennoyksiköiden anodit, katodit ja membraanit. Haluttaessa voidaan sopivia, muotonsa muuttavia tiivisteitä käyttää kennoyksikköjen saami-5 seksi tiiviiksi vuotamista vastaan, vaikkakaan näiden tiivisteiden käyttö ei ole oleellista. Kennoyksiköt käsittävät luonnollisesti päätylevyt, joita ei ole esitetty.

Alkalikloridin vesiliuoksen elektrolysoimiseksi johdetaan liuosta pääjohdosta (ei esitetty) alemman kenno-10 yksikön pituussuuntaiseen osastoon, jonka muodostavat osaksi aukot 13 alemman kennoyksikön anodeissa 3 ja ylemmän kennoyksikön pituussuuntaiseen osastoon, jonka muodostavat osaksi aukot 13 ylemmän kennoyksikön anodeissa 3 ja elektrolyysissä muodostunut laimentunut alkalimetallikloridin 15 vesiliuos ja kloori poistetaan alemmasta kennoyksiköstä alemman kennoyksikön pituussuuntaisista osastoista, jotka muodostavat osaksi alemman kennoyksikön anodeissa 3 olevista aukoista ja ylemmästä kennoyksiköstä ylemmän kennoyksikön pituussuuntaisesta osastosta, jonka muodostavat osaksi 20 ylemmän kennoyksikön anodeissa 3 olevat aukot 11.

Elektrolyysin aikana vettä tai laimeaa alkalime-tallihydroksidiliuosta johdetaan pääjohdosta (ei esitetty) alemman kennoyksikön pituussuuntaiseen osastoon, jonka muodostavat osaksi alemman kennoyksikön katodeissa olevat aukot 17 25 ja ylemmän kennoyksikön pituussuuntaiseen osastoon, jonka muodostavat osaksi ylemmän kennoyksikön katodeissa 2 olevat aukot 17 ja väkevöityä alkalimetallihydroksidin vesiliuosta ja vetyä, joita muodostuu elektrolyysissä, poistetaan alemmasta kennoyksiköstä alemman kennoyksikön pituussuuntaisesta 30 osastosta, jonka muodostavat osaksi alemman kennoyksikön katodin 2 aukot 19 ja ylemmästä kennoyksiköstä ylemmän kennoyksikön pituussuuntaisesta osastosta, jonka muodostavat osaksi ylemmän kennoyksikön katodeissa 2 olevat aukot 19.

Claims (6)

21 71357

1. Suodatinpuristintyyppiä oleva elektrolyysikenno, joka muodostuu monopolaarisesta kennoyksiköstä (1,6), 5 jossa on useita oleellisesti pystysuuntaisia, vuorottelevia anodeja (3) ja katodeja (2), jolloin jokainen anodi on erotettu viereisestä katodista tai katodeista erottimen (5) avulla useiden anodiosastojen ja katodiosastojen muodostamiseksi kennoyksikköön, tunnettu siitä, että elek-10 trolyysikenno muodostuu kahdesta tai useammasta päällekkäin asennetusta kennoyksiköstä, jolloin ylemmän (6) tai alemman (1) kennoyksikön anodit (3) tapauksesta riippuen on yhdistetty sähköisiin virtajohtimiin (8) kytkemistä varten virta-kiskoon, kennoyksikön katodit (2) ylemmässä tai alemmassa 15 yksikössä tapauksesta riippuen on yhdistetty sähköjohtimiin (7) kytkemistä varten virtakiskoon ja viereisten kennoyksik-köjen anodit (3) ja katodit (2), joita ei ole yhdistetty mainittuihin johtimiin, on yhdistetty bipolaaristen sähköliitti-men tai liittimien avulla yhden kennoyksikön anodien ja mai-20 nitun kennoyksikön alapuolelle tai yläpuolelle tapauksesta riippuen sijoitetun viereisen kennoyksikön katodien väliin.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että yhden kennoyksikön (1) anodit (3), jotka on kytketty sähköisesti viereisen kennoyksikön 25 (6) katodeihin (2), kytketään niihin yksittäisten anodien ja katodien välillä olevien bipolaaristen liittimien avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että yhden kennoyksikön (1) anodit (3), jotka on kytketty sähköisesti viereisen kennoyksikön 30 (6) katodeihin (2) kytketään bipolaaristen liittimien avulla yhteiseen sähköjohtimeen.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen elektrolyysikenno, tunnettu siitä, että vierekkäisten kennoyksi-köiden (1,6) anodit (3) ja katodit (2), jotka on kytketty 35 toisiinsa, on sijoitettu oleellisesti suoraan linjaan. 22 7 1 3 5 7

5. Jonkun patenttivaatimuksista 1-4 mukainen elektro lyysikenno, tunnettu siitä, että bipolaarinen kytkentä suoritetaan metallin tai metalliseoksen avulla, joka on sähköä johtava ja joka pystyy estämään vedyn läpi- 5 kulun.

6. Jonkun patenttivaatimuksista 1-5 mukainen elektro lyysikenno , tunnettu siitä, että se käsittää kaksi päällekkäin asennettua kennoyksikköä. 23 71 357