электродное устройство

Формула изобретения

1. Электродное устройство, содержащее

(i) поддон с чашеобразным углублением и фланцем, расположенным по его периферии для опоры прокладочного средства, предназначенного для уплотнения разделителя между фланцами смежных электродных устройств, причем разделитель расположен между поверхностью анода первого электродного устройства и поверхностью катода второго электродного устройства таким образом, что поверхность анода практически параллельна поверхности катода и обращена к ней, но при этом изолирована и удалена от поверхности катода разделителем и герметично уплотнена с разделителем,

(ii) электропроводящую пластину, удаленную от поддона,

(iii) впускное отверстие для раствора и

(iv) выпускное отверстие для текучих сред, отличающееся тем, что пластина электрически подсоединена к поддону с помощью средства, факультативно выполненного в виде множества электропроводящих элементов, к которым электропроводяще присоединена электропроводящая пластина, образующего электропроводящие пути между поддоном и электропроводящей пластиной, при условии что, если пластина является анодной пластиной, она может быть факультативно электрически присоединена прямо к поддону, и при этом если электродное устройство является анодным устройством, то чашеобразное углубление имеет множество выступающих внутрь выступов, а если электродное устройство является катодным устройством, то чашеобразное углубление имеет множество выступающих наружу выступов, так что выступающие внутрь выступы чашеобразного углубления поддона анодного устройства сопряжены с выступающими наружу выступами чашеобразного углубления поддона смежного катодного устройства в сборке, содержащей множество электродных устройств.

2. Электродное устройство по п.1, отличающееся тем, что электропроводящая пластина выполнена гибкой.

3. Электродное устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что каждый выступ электропроводяще присоединен к электропроводящему элементу.

4. Электродное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выступы разнесены друг от друга в первом направлении и в направлении, поперечном первому направлению.

5. Электродное устройство по п.4, отличающееся тем, что выступы разнесены на равное расстояние в первом направлении и в поперечном направлении.

6. Электродное устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что выступы имеют форму усеченного конуса.

7. Электродное устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что электропроводящие элементы содержат столбики.

8. Электродное устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что каждый из электропроводящих элементов содержит носитель тока, предпочтительно многолучевой носитель тока, примыкающий к электропроводящей пластине для обеспечения многоточечного контакта с нею.

9. Электродное устройство по п.8, отличающееся тем, что является анодным устройством, содержащим носители тока, выполненные в виде непружинящих звезд с короткими лучами.

10. Электродное устройство по п.8, отличающееся тем, что является катодным устройством, содержащим носители тока, выполненные в виде пружинящих звезд с длинными лучами.

11. Электродное устройство по любому из пп.1-10, отличающееся тем, что на дне предусмотрена впускная труба, предпочтительно проходящая от одной его стороны до другой.

12. Электродное устройство по п.11, отличающееся тем, что по длине впускной трубы на равном расстоянии расположены отверстия.

13. Электродное устройство по п.12, отличающееся тем, что размеры отверстий выбраны с возможностью минимизации градиента давления вдоль впускной трубы.

14. Электродное устройство по любому из пп.11-13, отличающееся тем, что выполнено с возможностью подачи раствора в впускную трубу только с одного конца.

15. Электродное устройство по любому из пп.11-14, отличающееся тем, что питающая труба впускной трубы проходит вдоль впускной трубы, почти до достижения ее тупика.

16. Электродное устройство по любому из пп.11-15, отличающееся тем, что питающая труба впускной трубы выполнена из непроводящего материала и предпочтительно проходит вдоль впускной трубы.

17. Электродное устройство по любому из пп.1-16, отличающееся тем, что снабжено выпускным коллектором, в котором при использовании происходит разделение газа и жидкости в безэлектролизной области устройства над электролизной областью.

18. Электродное устройство по любому из пп.1-17, отличающееся тем, что предусмотрена одна или несколько перегородок для образования первого канала между первой стороной перегородки и электропроводящей пластиной и второго канала между второй стороной перегородки и чашеобразным углублением, при этом первый канал образует подъемное средство для подъема наполненного газом электролита к выпускному коллектору вверху устройства, а второй канал образует опускное средство для опускания дегазированного солевого раствора на дно устройства.

19. Электродное устройство по п.18, отличающееся тем, что перегородки расположены вертикально.

20. Электродное устройство по п.18 или 19, отличающееся тем, что если данное электродное устройство является анодным устройством, выполненным из титана или его сплава, то перегородки выполнены из титана или его сплава, а если электродное устройство является катодным устройством, выполненным из никеля или его сплава, то перегородки выполнены из никеля или его сплава.

21. Электродное устройство по любому из пп.18-20, отличающееся тем, что если данное электродное устройство является анодным устройством, то перегородки смонтированы на выступающих внутрь выступах в анодном поддоне, а если данное электродное устройство является катодным устройством, то перегородки смонтированы на электропроводящих столбиках.

22. Электродное устройство по любому из пп.18-21, отличающееся тем, что перегородка содержит несколько деталей, каждая из которых простирается через устройство с горизонтальным зазором между ними.

23. Электродное устройство по любому из пп.7-22, отличающееся тем, что электропроводящие столбики несут нагрузку.

24. Электродное устройство по п.23, отличающееся тем, что концы несущих нагрузку столбиков согласованы с отверстиями в электропроводящей пластине.

25. Электродное устройство по любому из пп.1-24, отличающееся тем, что все выступы электродного устройства простираются исключительно в одном и том же направлении.

26. Биполярный узел, отличающийся тем, что поддон анодного устройства по любому из пп.1-24 соединен с поддоном катодного устройства по любому из пп.1-24 так, что выступающие внутрь выступы анодного устройства сопряжены с выступающими наружу выступами на поддоне катодного устройства с возможностью формирования биполярного узла.

27. Биполярный узел по п.26, отличающийся тем, что анодная пластина и/или катодная пластина имеет электрокаталитически-активную поверхность.

28. Биполярный узел по п.26, отличающийся тем, что длина электропроводящего пути между анодным поддоном и анодной пластиной меньше длины электропроводящего пути между катодным поддоном и катодной пластиной.

29. Устройство биполярного фильтр-прессного электролизера, содержащее а) токораспределительное средство, b) по меньшей мере два биполярных узла, установленных на монтажной раме и собранных последовательно как механически, так и электрически, и с) мембрану, герметизированную между двумя прокладками, расположенными между фланцами анодного и катодного устройств, расположенных смежно, отличающееся тем, что в качестве биполярных узлов использованы биполярные узлы по п.26.

30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что электропроводимость между электродными устройствами в биполярном узле обеспечивается посредством прямого контакта между смежными электродными устройствами.

31. Устройство по п.29, отличающееся тем, что электропроводимость между электродными устройствами в биполярном узле повышается за счет использования повышающего проводимость материала или устройства между смежными электродными устройствами.

32. Устройство по п.31, отличающееся тем, что в качестве повышающего проводимость устройства использована электропроводящая металлическая шайба, выполненная с возможностью врезания в поддон.

33. Устройство по п.29, отличающееся тем, что отношение длины электропроводящего пути через катодный столбик к длине электропроводящего пути через анодный столбик составляет по меньшей мере 2:1, предпочтительно по меньшей мере 4:1 и более предпочтительно по меньшей мере 10:1.

34. Устройство по п.29, отличающееся тем, что на концах электропроводящих столбиков рядом с электропроводящей пластиной расположены электроизоляционные, передающие нагрузку амортизаторы.

35. Устройство по п.29, отличающееся тем, что в качестве разделителя использована по существу не проницаемая для электролита ионообменная мембрана.

36. Устройство по п.29, отличающееся тем, что снабжен выпускным коллектором, в котором при использовании происходит разделение газа или жидкости в безэлектролизной области каждого устройства, находящейся над электролизной областью, в которой нет мембраны, открытой для раствора.

37. Устройство по п.29, отличающееся тем, что прокладочное средство выполнено из пластифицированного каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера.

38. Устройство по п.37, отличающееся тем, что прокладочное средство снабжено химически инертным носиком на его внутренней кромке.

39. Устройство по п.38, отличающееся тем, что химически инертный носик выполнен из политетра-фторэтилена.

40. Устройство по п.29, отличающееся тем, что прокладочное средство включает в себя прокладку, снабженную химически инертной облицовкой на ее внутренней кромке.

41. Модуль для электролизера, отличающийся тем, что содержит а) анодное устройство по любому из пп.1-24 и катодное устройство по любому из пп.1-24,

b) разделитель, расположенный между анодной пластиной и катодной пластиной, так что поверхность анода по существу параллельна поверхности катода и обращена к ней, но изолирована и удалена от нее разделителем, который тем самым делит модуль на отдельные анодную и катодную камеры,

с) прокладочное средство, уплотняющее разделитель между фланцами на периферии поддонов, и

d) средство для приложения давления к прокладочному средству для герметичного уплотнения разделителя с ним, в котором

i) выполненные внутри выступы анодного устройства модуля расположены с возможностью сопряжения с выступающими наружу выступами катодного устройства смежного модуля при использовании в модульном биполярном электролизере, содержащем множество модулей, и

ii) факультативно, один или более биполярных узлов по п.26, предпочтительно содержащих электропроводящие, несущие нагрузку столбики, и соответствующие разделители расположенные между анодным и катодным устройствами.

42. Модуль по п.41, отличающийся тем, что отношение длины электропроводящего пути через катодный столбик к длине электропроводящего пути через анодный столбик составляет по меньшей мере 2:1, предпочтительно по меньшей мере 4:1 и более предпочтительно по меньшей мере 10:1.

43. Модуль по п.41, отличающийся тем, что на концах электропроводящих столбиков рядом с электропроводящей пластиной расположены электроизоляционные, передающие нагрузку амортизаторы.

44. Модуль по п.41, отличающийся тем, что анодная пластина и/или катодная пластина имеет электрокаталитически-активную поверхность.

45. Модуль по п.41, отличающийся тем, что длина электропроводящего пути между анодным поддоном и анодной пластиной меньше длины электропроводящего пути между катодным поддоном и катодной пластиной.

46. Модуль по п.41, отличающийся тем, что средство приложения давления к прокладкам для их герметичного уплотнения мембраны снабжено болтами, проходящими через отверстия в фланцах.

47. Модуль по п.41, отличающийся тем, что в качестве мембраны использована по существу не проницаемая для электролита ионообменная мембрана.

48. Модуль по п.41, отличающийся тем, что снабжен выпускным коллектором, в котором при использовании происходит разделение газа или жидкости в безэлектролизной области каждого устройства, находящейся над электролизной областью, в которой нет мембраны, открытой для раствора.

49. Модуль по п.41, отличающийся тем, что прокладочное средство выполнено из пластифицированного каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера.

50. Модуль по п.49, отличающийся тем, что прокладочное средство снабжено химически инертным носиком на его внутренней кромке.

51. Модуль по п.50, отличающийся тем, что химически инертный носик выполнен из политетрафторэтилена.

52. Модуль по п.41, отличающийся тем, что прокладочное средство включает в себя прокладку, снабженную химически инертной облицовкой на ее внутренней кромке.

53. Устройство модульного биполярного электролизера, содержащего один или более модулей, собранных на монтажной раме последовательно как механически, так и электрически, причем по меньшей мере два модуля обеспечиваются, и токораспределительные пластины на каждом конце электролизера, отличающееся тем, что каждый модуль является модулем для электролизера по п.41.

54. Устройство по п.53, отличающееся тем, что электропроводимость между смежными модулями в модульном биполярном электролизере обеспечивается посредством прямого контакта между смежными модулями.

55. Устройство по п.53, отличающееся тем, что электропроводимость между смежными модулями в модульном биполярном электролизере повышается за счет использования повышающего проводимость материала или устройства между смежными модулями.

56. Устройство по п.55, отличающееся тем, что в качестве повышающего проводимость устройства использована электропроводящая металлическая шайба, выполненная с возможностью врезания в поддон.

57. Устройство по п.56, отличающееся тем, что повышающее проводимость устройство расположено в каждом из выступающих внутрь выступов в поддоне анодного устройства для обеспечения электрического контакта между выступающими внутрь выступами и сопряженными выступающими наружу выступами в поддоне смежного катодного устройства.

58. Способ электролиза галоида щелочного металла, отличающийся тем, что его осуществляют в биполярном электролизере по п.29 или 53.

59. Способ изготовления устройства биполярного фильтр-прессного электролизера, отличающийся тем, что при изготовлении биполярного фильтр-прессного электролизера по п.29 устанавливают токораспределительное средство и по меньшей мере два биполярных узла на монтажной раме и собирают их последовательно как механически, так и электрически, причем в качестве биполярных узлов использованы биполярные узлы по п.26.

60. Способ изготовления модульного биполярного электролизера, отличающийся тем, что при изготовлении модульного биполярного электролизера по п.53 обирают по меньшей мере два модуля на монтажной раме последовательно как механически, так и электрически и обеспечивают токораспределительные пластины на каждом конце электролизера, причем в качестве модулей используют модули по п.41.

61. Электродное устройство, содержащее поддон, имеющий основание и боковые стены, выступающие от основания, образуя углубление для приема текучей среды, электродную пластину, установленную на расстоянии напротив внутренней поверхности основания, отличающееся тем, что содержит множество полых выступов, выполненных в основании поддона, простирающихся в направлении от электродной пластины, и каждый полый выступ вмещает в себе электропроводящий элемент, обеспечивающий электропроводность между вершиной выступа и электродной пластиной.

62. Электродное устройство по п.61, отличающееся тем, что каждый электропроводный элемент содержит столбик, электрически подсоединенный к электродной пластине через несколько проводящих лучей, расходящихся от столбика.

63. Электродное устройство по п.61 или 62, отличающееся тем, что все выступы электродного устройства простираются исключительно в одном и том же направлении.

64. Электродное устройство по любому из пп.62-63, содержащее один или более элементов перегородок, расположенных между основанием поддона и электродной пластиной, чтобы разделить пространство между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды.

65. Электродное устройство по п.62, отличающееся тем, что содержит один или более элементов перегородок, расположенных между основанием поддона и электродной пластиной, чтобы разделить пространство между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды, причем элементы перегородок установлены на столбиках.

66. Электродное устройство, содержащее поддон, имеющий основание и боковые стены, выступающие от основания, образуя углубление для приема текучей среды, электродную пластину, установленную на расстоянии напротив внутренней поверхности основания, отличающееся тем, что содержит множество полых выступов, выполненных в основании поддона, причем каждый полый выступ связан с носителем тока, обеспечивающим электропроводность между вершиной выступа и электродной пластиной и присоединенным к электродной пластине посредством нескольких электропроводящих лучей, контактирующих с электродной пластиной в разных местах.

67. Электродное устройство по п.66 в форме анодного устройства, отличающееся тем, что упомянутые выступы простираются к анодной пластине, при этом устройство содержит один или более элементов перегородок, установленных так, что выступы находятся между основанием поддона и электродной пластиной, чтобы разделить пространство между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды.

68. Электродное устройство по п.66, отличающееся тем, что все выступы электродного устройства простираются исключительно в одном и том же направлении.

69. Электродное устройство по любому из пп.66-68, содержащее один или более элементов перегородок, расположенных между основанием поддона и электродной пластиной, чтобы разделить пространство между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды.

70. Электродная сборка, отличающаяся тем, что для использования с электродным устройством по любому из пп.1-25, или пп.61-65, или пп.66-69 содержит электропроводящую пластину и набор носителей тока, присоединенных к одной основной поверхности электропроводящей пластины, причем каждый носитель тока имеет множество лучей, присоединенных к пластине.

71. Сборка по п.70, отличающаяся тем, что пластина снабжена электрокаталитически-активным покрытием на по меньшей мере одной ее основной поверхности.

72. Сборка по п.71, отличающаяся тем, что все носители (7) тока присоединены к пластине на одной ее стороне, например, на не содержащей покрытия поверхности пластины.

73. Сборка по любому из пп.70-72, отличающаяся тем, что каждый носитель (7) тока имеет центральную соединительную часть, от которой расходятся лучи.

74. Сборка по любому из пп.70-73, отличающаяся тем, что лучи выполнены упругими, чтобы обеспечить их изгиб.

75. Сборка по любому из пп.70-74, отличающаяся тем, что носители тока выполнены из того же материала, что и пластина.

76. Сборка по любому из пп.70-75, отличающаяся тем, что электродная пластина выполнена пористой.

77. Сборка по п.75 или 76, отличающаяся тем, что носитель или носители выполнены из металла, выбранного из группы, включающей в себя титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, никель или сплав, состоящий в основном из одного или нескольких перечисленных металлов.

78. Носитель (7) тока для использования с электродным устройством, отличающийся тем, что электродное устройство по любому из пп.1-25, или пп.61-65, или пп.66-69 содержит центральную соединительную часть, от которой расходится несколько лучей, причем внешние концы лучей расположены в другой плоскости относительно соединительной части.

79. Носитель по п.78, отличающийся тем, что носитель или носители выполнены из металла, выбранного из группы, включающей в себя титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, никель или сплав, состоящий в основном из одного или нескольких перечисленных металлов.

80. Прокладка, содержащая раму для сжатия вместе с рамой второй прокладки, имеющей идентичную форму, между парой фланцев и упругий выступ на одной своей стороне для обеспечения сжатого спая с идентичным выступом на второй прокладке, причем упругие выступы расположены на внутренней периферии рамы или примыкают к ней и удалены от наружной периферии рамы, отличающаяся тем, что внутренняя периферия прокладки защищена химически инертной облицовкой, простирающейся над выступом.

81. Сборка для электролизера, содержащая анодную камеру с анодной пластиной, катодную камеру с катодной пластиной и ионообменную мембрану, расположенную между пластинами, отличающаяся тем, что мембрана уплотнена по своему наружному периметру или рядом с ним парой прокладок по п.80, расположенных по одной на каждой стороне мембраны таким образом, что их выступы совмещены и контактируют с мембраной, образуя сжатый спай между ними.

82. Способ восстановления электродного устройства, отличающийся тем, что в электродном устройстве по любому из пп.8-10, 62 или 66 отсоединяют от поддона сборку, содержащую электродную пластину и присоединенные носители тока, посредством отсоединения носителей (7) тока от поддона или от столбиков, к которым присоединены носители, и затем снова присоединяют к поддону ту же самую электродную пластину путем присоединения носителей (7) тока, связанных с восстановленной или сменной пластиной, к поддону или столбикам.

83. Способ по п.82, отличающийся тем, что восстановление электродной пластины включает замену по меньшей мере некоторых носителей (7) тока.

84. Электропроводящее металлическое устройство (12) для электродного устройства, узла электролизера, модуля, устройства модульного биполярного электролизера, отличающееся тем, что для электродного устройства по любому из пп.1-15, или пп.61-65, или пп.66-69, узла по п.26, электролизера по п.29, модуля по п.41 или устройства модульного биполярного электролизера по п.53 устройство (12) выполнено с возможностью (а) истирания или прокалывания поверхности поддона путем разрезания или врезания в любое электроизоляционное покрытие на нем, например оксидный слой, и (b) по меньшей мере препятствования образованию изоляционного слоя между устройством и поверхностью поддона.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к электродным устройствам, предназначенным для использования, например, в биполярных электролизерах, в частности в модульном биполярном электролизере, а также в топливных элементах.

Однополюсные мембранные фильтр-прессные электролизеры хорошо известны, например, из патента GВ 1595183, принадлежащего заявителю настоящего изобретения. Такие электролизеры просты в изготовлении, экономичны и легко собираются.

Известны также биполярные электролизеры, например, из патента GВ 1581348, принадлежащего заявителю настоящего изобретения.

В обычных биполярных электролизерах, предназначенных для использования в электролизе водных растворов хлорида щелочного металла, биполярный узел содержит анод, выполненный преимущественно в форме пластины из пленкообразующего металла, обычно титана, причем данная пластина имеет электрокаталитически-активное покрытие, например, из оксида металла платиновой группы, и катод, преимущественно имеющий форму перфорированной, например, пористой пластины из металла, обычно никеля или малоуглеродистой стали, при этом анод и катод электропроводяще соединены друг с другом, образуя биполярный узел. Между следующими один за другим биполярными узлами, последовательно расположенными в электролизере, установлены разделители, так что анод одного биполярного узла обращен к катоду смежного биполярного узла, а между ними находится разделитель. Электролизер также содержит выводы анода и катода.

При работе электролизера биполярного типа целесообразно, чтобы расстояние между анодом и катодом (зазор между анодом и катодом) было как можно меньше, чтобы свести к минимуму активные потери, а значит, и напряжение в электролизере.

Разделители обычно располагают рядом или даже в контакте с катодом и, чтобы обеспечить малый промежуток между анодом и катодом и в то же время не повредить разделитель, требуются особые усилия для получения электродов, имеющих соответствующую степень плоскостности, и сохранения этой плоскостности во время термообработки, применяемой при покрытии электрода электрокаталитически-активным покрытием. Кроме того, чтобы избежать повреждения разделителей, следует осуществлять сборку узлов в биполярном электролизере с большой осторожностью.

В патенте США 4557816 описано, что можно повысить равномерность распределения концентрации электролита на электродах описанного в нем биполярного электролизера посредством обеспечения определенных вертикальных каналов для стока жидкости на стороне электрода, противоположной от разделителя.

В патенте США 4643818 описано, что можно снизить электрическое сопротивление описанного в нем биполярного электролизера и получить равномерную плотность тока за счет использования определенного жесткого многоконтактного электропроводящего средства между отдельными элементами биполярного электролизера.

В патенте США 4734180 описан электролизер биполярного типа, содержащий биполярные узлы, которые расположены обратными сторонами друг к другу, а между ними расположена соединенная взрывом титан-железная пластина, имеющая проводящие ребра, приваренные к электроду и к элементу в форме поддона.

В патенте США 5225060 описано, что можно предотвратить образование газовых зон в верхних частях анодного и катодного устройств описанного в нем биполярного электролизера за счет использования пространства, в котором не протекает ток, в верхней части устройств.

В ЕР 0704556 описано, что обеспечение газожидкостных разделителей вверху анодного и катодного устройств описанного в нем биполярного электролизера уменьшает колебания давления и напряжения, а также износ мембраны.

В WО 98/55670 описан элемент для биполярного электролизера, две стороны которого снабжены фланцами и противоположными выступами. Выступы предпочтительно имеют форму усеченных конусов и предпочтительно расположены в виде центрированных шестиугольников, чтобы улучшить поперечное перемешивание электролита.

Однако вертикальное перемешивание обеспечивается с помощью опускных труб, которые уменьшают активную площадь электрода и тем самым увеличивают колебания плотности тока на электроде, что составляет существенную проблему при работе с высокой плотностью тока в сборке анод-мембрана-катод с узким или нулевым зазором, в которой используются чувствительные к примесям ионообменные мембраны.

Из ЕР 0521386 известен биполярный электролизер, содержащий электролизные узлы, в которых предусмотрены электродные перегородки с сопряженными углублениями и выступами, к которым прямо или через пружину присоединены электродные сетки. Батарею таких вертикальных электролизных узлов соединяют последовательно, располагая ионообменную мембрану между смежными электролизными узлами, чтобы получить электролизный агрегат.

Однако, хотя углубления и выступы обеспечивают хорошее поперечное перемешивание электролита, вертикальное перемешивание остается неудовлетворительным. Поэтому, чтобы удерживать изменения концентрации и температуры в электролизерах в допустимых пределах, требуется энергоемкая внешняя рециркуляция с перекачкой, для которой необходимы дополнительные трубопроводы и резервуары.

В электролизерах с нулевым зазором между анодом и катодом обычно к разделителю прикладывается давление через анод и катод, с которыми он находится в контакте, что приводит к отклонениям от равномерности, истиранию или даже к разрушению разделителя. Это особенно характерно для случая, когда разделителем является ионообменная мембрана, к которой желательно прикладывать равномерное давление через анод и катод.

Наиболее близкими аналогами для заявленных электродного устройства, биполярного фильтр-прессного электролизера и его узла, модульного биполярного электролизера и его модуля, способов их изготовления, электродной сборки, носителя тока и электропроводящего металлического устройства являются решения, заявленные в ЕПВ 0456295, кл. С 25 В 9/00, от 13.11.1991.

Для способа электролиза галоида щелочного металла ближайшим аналогом является заявка РСТ 9845503.

Для способа восстановления электродного устройства ближайшим аналогом является патент США 5454925, кл. С 25 В 11/03, от 03.10.1995.

Для прокладки ближайшим аналогом является патент США 4342460, кл. С 25 В 9/20, от 03.08.1982.

Авторы изобретения разработали электродное устройство для биполярного электролизера, которое позволяет использовать в таких электролизерах очень малые или даже нулевые зазоры между анодом и катодом без ущерба для разделителя, что снижает электрическое сопротивление благодаря использованию короткого перпендикулярного токопроводящего пути между электродами и материалов с низким сопротивлением практически по всей длине перпендикулярного токопроводящего пути и обеспечивает отличное распределение тока по всей площади электрода. Электродное устройство позволяет получить как горизонтальный, так и вертикальный поток растворов в нем, способствуя их циркуляции и перемешиванию, и имеет повышенную жесткость и прочность, что позволяет обеспечить более жесткие допуски в конструкции электролизера. Электродное устройство имеет простую конструкцию и его легко изготовить.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложено электродное устройство для использования, например, в биполярном электролизере, содержащее

(i) поддон с чашеобразным углублением и фланцем, расположенным по его периферии, для опоры прокладочного средства, предназначенного для уплотнения разделителя между фланцами смежных электродных устройств, причем разделитель расположен между поверхностью анода первого электродного устройства и поверхностью катода второго электродного устройства так, что поверхность анода практически параллельна поверхности катода и обращена к ней, но при этом изолирована и удалена от поверхности катода разделителем и герметично уплотнена с разделителем;

(ii) электропроводящую пластину, удаленную от поддона;

(iii) впускное отверстие для раствора; и

(iv) выпускное отверстие для текучих сред;

при этом пластина электрически присоединена к поддону посредством множества электропроводящих элементов, к которым электропроводяще присоединена электропроводящая пластина и которые образуют электропроводящие пути между поддоном и электропроводящей пластиной, при условии, что, если пластина является анодной пластиной, она может быть факультативно электрически присоединена прямо к поддону; и при этом, если электродное устройство является анодным устройством, то чашеобразное углубление имеет множество выступающих внутрь выступов, а если электродное устройство является катодным устройством, чашеобразное углубление имеет множество выступающих наружу выступов, так что выступающие внутрь выступы чашеобразного углубления поддона анодного устройства сопряжены с выступающими наружу выступами чашеобразного углубления поддона смежного катодного устройства в сборке, содержащей множество электродных устройств.

Электропроводящая пластина предпочтительно выполнена из металла или сплава, как будет более подробно описано ниже. Обычно ее выполняют из того же самого материала, что и поддон. Таким образом, если электродное устройство должно использоваться в качестве анода в электролизе галоида щелочного металла, электропроводящая пластина может быть выполнена из вентильного металла или его сплава, состоящего, в основном, из вентильного металла. Если же электродное устройство должно использоваться в качестве катода в электролизе галоида щелочного металла, то электропроводящая пластина может быть выполнена, например, из нержавеющей стали, низкоуглеродистой стали, никеля или меди.

Понятно, что если электропроводящая пластина является анодом для использования в электролизе для получения хлора и щелочи, она будет иметь электрокаталитически-активное покрытие.

Электропроводящая пластина может иметь любую подходящую структуру, как будет более подробно описано ниже. Точность структуры не имеет критического характера.

Для того, чтобы давление, прикладываемое к разделителю, расположенному между электропроводящими пластинами смежных электродных устройств в модуле согласно настоящему изобретению, было равномерным, электропроводящую пластину предпочтительно выполняют гибкой.

Каждый выступ чашеобразного углубления предпочтительно электропроводяще присоединен к электропроводящему элементу, чтобы выступы создавали множество точек токоввода, улучшая тем самым распределение тока по поддону, что позволяет снизить напряжение и потребление энергии, а также увеличить срок службы разделителя и покрытия электрода.

Выступы чашеобразного углубления предпочтительно разнесены друг от друга в первом направлении и в направлении, поперечном первому направлению. Более предпочтительно, чтобы выступы были разнесены симметрично. Например, они могут быть разнесены на равное расстояние в первом направлении и разнесены на равное расстояние, которое может быть таким же, в поперечном направлении, например, по существу перпендикулярном к первому направлению. Предпочтительно, выступы одинаково разнесены в обоих направлениях.

Выступы чашеобразного углубления могут иметь разнообразные формы, например куполообразную, чашеобразную, коническую или предпочтительно в виде усеченного конуса. В качестве примеров способов получения выступов можно упомянуть, в частности, вакуумную формовку, взрывную формовку, прессование или, предпочтительно, применение инструмента соответствующей формы к противоположной поверхности углубления.

Обычно на квадратный метр чашеобразного углубления поддона электродного устройства приходится 20-200, предпочтительно 40-100, выступов.

Высота выступов над плоскостью чашеобразного углубления может быть, например, в пределах 0,5-8 см, предпочтительно 1-4 см, в зависимости от глубины поддона. Расстояние между смежными выступами на чашеобразном углублении может быть, например, 1-30 см, между центрами предпочтительно 5-20 см. Размеры электродного устройства в направлении потока тока предпочтительно составляют 1-6 см, если считать от электропроводящей пластины до основания поддона, чтобы обеспечить короткие пути тока, обеспечивающие низкое падение напряжения в электродном устройстве без использования сложных токонесущих устройств.

Электропроводящие элементы, к которым электропроводяще присоединена электропроводящая пластина в электродном устройстве, предпочтительно элементы представляют собой столбики.

Если электропроводящий элемент, к которому присоединена электропроводящая пластина, имеет форму столбика и электрически присоединен к выступающему внутрь выступу в чашеобразном углублении поддона, то длина пути тока между электропроводящей пластиной и поддоном может быть минимальной.

Если анодный столбик выполнен из титана или его сплава, а катодный столбик из никеля или его сплава, то длина электропроводящего пути через катодный столбик предпочтительно должна быть больше, чем длина электропроводящего пути через анодный столбик. Предпочтительно отношение длины электропроводящего пути через катодный столбик к длине электропроводящего пути через анодный столбик составляет по меньшей мере 2:1, предпочтительно по меньшей мере 4: 1 и более предпочтительно по меньшей мере 7:1. Обычно данное отношение составляет по меньшей мере 10:1.

Длина столбика зависит от конструкции электролизера и от того, связан ли данный столбик с анодной пластиной или катодной пластиной. Обычно длина столбика может быть в интервале от 0 до 10 см, предпочтительно от 0 до 4 см. Если эта длина равна нулю, то понятно, что изобретение предусматривает модифицированную компоновку, в которой электропроводящая пластина, если она предназначена работать как анодная пластина, может быть электрически присоединена к прямо соответствующему поддону или, альтернативно, присоединена к нему через носитель тока, как будет описано ниже.

Если электропроводящие элементы, к которым присоединены электропроводящие пластины, выполнены в форме столбика, то каждый столбик предпочтительно оснащен носителем тока, например кольцом, сеткой или проволочной ватой, расположенными рядом с электропроводящей пластиной для образования многоточечного электрического контакта с ним. Предпочтительно, чтобы носитель тока был многолучевым носителем, который для простоты в дальнейшем именуется как "звезда". В некоторых обстоятельствах предусмотрена возможность выполнения электрических соединений без использования столбиков; например, в случае анодного устройства вершина каждого направленного внутрь выступа может быть электрически присоединена к анодной пластине с помощью упомянутого выше носителя тока, например звезды.

Наличие звезд увеличивает количество и распределение точек токоввода в электропроводящую пластину, а значит, улучшает распределение тока, приводя к снижению напряжения и потребления энергии и увеличению срока службы разделителей и электродных покрытий.

Длина лучей и их количество на звезде в случае ее наличия могут колебаться в широких пределах. Обычно звезда содержит от 2 до 100 лучей, предпочтительно от 2 до 8 лучей. Обычно каждый луч имеет длину от 1 мм до 200 мм, предпочтительно от 5 мм до 100 мм. Специалисты смогут определить подходящую длину и количество лучей звезды для любого конкретного применения путем простого экспериментирования.

Звезда может быть гибкой или жесткой. Форма и механические свойства звезд в анодном устройстве могут быть такими же или отличными от формы и механических свойств звезд в катодном устройстве. Например, относительно непружинящие звезды с короткими лучами часто бывают предпочтительными в анодном устройстве, а относительно пружинящие звезды с длинными лучами - в катодном устройстве.

Использование подпружиненных звезд по меньшей мере в катодной пластине позволяет подпружинивать электродные устройства, чтобы обеспечить работу с нулевым зазором при оптимальном давлении для снижения риска повреждения разделителя и электрода. Под "нулевым зазором" подразумевается, что между электропроводящей пластиной каждого электродного устройства и смежным разделителем по существу не существует зазора, т.е. что смежные электропроводящие пластины разнесены между собой только на толщину разделителя.

Если разделителем является мембрана, то подпружиненные звезды обеспечивают более равномерную поддержку для мембраны на большей площади и тем самым уменьшают смещения, которые могут приводить к повреждению мембраны, например к сгибам, истиранию или образованию складок.

Звезда предпочтительно выполнена из того же металла, что и электропроводящая пластина, с которой она находится в электрическом контакте.

Предпочтительно, чтобы электродное устройство, которое является анодным устройством, выполнялось из титана или его сплава, а перегородки были выполнены из титана или его сплава, причем если электродное устройство является катодным устройством, выполненным из никеля или его сплава, то перегородки выполняются из никеля или его сплава.

Обычно звезду приваривают к электропроводящей пластине, с которой она находится в электрическом контакте.

Звезду можно присоединить к столбику известными методами, например сваркой, винтами или соединением с плотной посадкой.

Лучи каждой звезды могут расходиться от центральной части для использования их при прикреплении звезды к столбику или в некоторых случаях прямо к вершине соответствующего выступа. Лучи звезды могут быть расположены под одинаковыми углами.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложена звезда для использования в электродном устройстве, которая электропроводяще присоединена к электропроводящему элементу и к электропроводящей пластине, чтобы улучшить распределение тока по электропроводящей пластине.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен анодный или катодный узел, содержащий электропроводящую пластину, к одной поверхности которой присоединено множество токораспределительных звезд, каждая из которых имеет часть для присоединения во время использования к поддону и несколько лучей, расходящихся от данной присоединяемой части, чтобы обеспечить подвод электрического тока к пластине через такие лучи. Такая компоновка позволяет легко приваривать или иным образом закреплять анодный или катодный узел в камере электролизера или модуля и извлекать его, например, для ремонта электропроводящей пластины или замены любого электрокаталитического покрытия на ней.

Если столбик снабжен носителем тока, он может дополнительно содержать изолирующий колпачок на своем конце, расположенном рядом с разделителем.

Желательно, чтобы электропроводящий столбик нес нагрузку.

Если электродное устройство является анодным устройством, его поддон может быть присоединен обратной стороной к обратной стороне поддона электродного устройства, являющегося катодным устройством, так, что выступающие внутрь выступы в поддоне анодного устройства будут сопряжены с выступающими наружу выступами поддона катодного устройства, образуя биполярный узел.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложен биполярный узел, в котором поддон электродного устройства согласно настоящему изобретению, являющегося анодным устройством, присоединен к поддону электродного устройства согласно настоящему изобретению, являющемуся катодным устройством, так, что выступающие внутрь выступы на поддоне анодного устройства сопряжены с выступающими наружу выступами на поддоне катодного устройства, образуя биполярный узел.

В биполярном узле согласно настоящему изобретению электродные устройства спрессованы или соединены друг с другом, предпочтительно сваркой, более предпочтительно взрывным соединением, чтобы образовать электрический контакт между чашеобразными углублениями в поддонах.

Множество таких биполярных узлов, чередующихся с соответствующими разделителями, прокладками и прижимными средствами, можно собрать вместе, чтобы получить биполярный фильтр-прессный электролизер.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен биполярный фильтр-прессный электролизер, который содержит

а) токораспределительное средство и

b) по меньшей мере один биполярный узел, установленный на монтажной раме и собранный последовательно как механически, так и электрически,

отличающийся тем, что в качестве биполярных узлов использованы биполярные узлы согласно другому аспекту настоящего изобретения.

Желательно, чтобы на концах столбиков рядом с электропроводящей пластиной были расположены электроизоляционные, передающие нагрузку амортизаторы.

Желательно, чтобы в качестве разделителя была использована по существу непроницаемая для электролита ионообменная мембрана.

Желательно, чтобы он был снабжен выпускным коллектором, в котором при использовании происходит разделение газа или жидкости в безэлектродной области каждого устройства, находящегося над электролизной областью, в которой нет мембраны, открытой для раствора.

Желательно, чтобы прокладочное средство было выполнено из пластифицированного каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера.

Желательно, чтобы прокладочное средство было снабжено химически инертным носиком на его внутренней кромке.

Желательно, чтобы химически энертный носик был выполнен из политетрафтоэтилена.

Под "токораспределительным средством" подразумеваются системы, нормально присоединенные к внутренней стороне концевых рам монтажной рамы электролизера и предназначенные для переноса тока от источника питания, такого как питающие кабели гальванического цеха или шинопроводы, к поддонам контактных электродов фильтр-прессного электролизера или к наружным поддонам концевых модулей модульного электролизера так, что подаваемый ток равномерно распределяется по всем точкам электрического контакта на этих поддонах. Обычно токораспределительные средства могут быть единичными пластинами или системами пластин, кабелями или проводами, выполненными из проводящих металлов. Факультативно, они могут быть снабжены повышающими проводимость покрытиями, приспособлениями или устройствами, чтобы улучшить электрическое соединение между токораспределительными средствами и концевым электродом.

Обычно для обеспечения электропроводности между электродными устройствами в биполярном узле осуществляют прямой контакт между смежными электродными устройствами.

Обычно для повышения электропроводности между электродными устройствами в биполярном узле используют повышающий проводимость материал или устройство между смежными электродными устройствами.

В качестве повышающего проводимость устройства используется электропроводящая металлическая шайба, выполненная с возможностью врезания в поддон.

Альтернативно, особенно в фильтр-прессном электролизере, контактные электроды могут быть постоянно присоединены к распределительному средству, например, путем сварки.

Один из предпочтительных вариантов выполнения токораспределительного средства, который особенно пригоден для предложенного электролизера, содержит ряд медных пластин, проходящих вертикально снизу вверх по концевой раме электролизера, причем медные пластины связаны электрически тем, что они все присоединены внизу к одной горизонтальной медной шине. На одном конце рамы электролизера, где медные пластины должны соединяться с поддоном, являющимся частью анодного устройства, они могут быть снабжены проводящими, выступающими наружу выступами или проводящими столбиками, сопряженными с выступающими внутрь выступами анода. На другом конце электролизера, где медные пластины должны присоединяться к поддону, являющемуся частью катодного устройства, они могут быть плоскими или могут быть снабжены выступающими внутрь выступами, которые сопряжены с выступающими наружу выступами катода. Факультативно, медные пластины токораспределительного средства могут иметь повышающие проводимость покрытия или устройства для улучшения электрического контакта с поддоном электродного устройства.

Контактные электроды в биполярном фильтр-прессном электролизере согласно настоящему изобретению предпочтительно содержат электродные устройства согласно настоящему изобретению.

Если электродное устройство согласно настоящему изобретению образует концы биполярного электролизера, оно может быть снабжено средством для подвода к нему электроэнергии. Например, это средство может содержать выступ соответствующей формы для присоединения к шине, когда электродное устройство собирается в электролизере.

Обычно биполярный фильтр-прессный электролизер согласно настоящему изобретению содержит до 300 биполярных узлов.

Средства, обеспечивающие нагрузку для герметизации биполярных фильтр-прессных электролизеров согласно настоящему изобретению, известны специалистам.

Модульные биполярные электролизеры известны, например, из патентов США 4108752 и 4664770.

Преимущество модульных биполярных электролизеров состоит в том, что к ним прикладывается более низкая сжимающая нагрузка, чем к обычным биполярным электролизерам, так как эта нагрузка требуется только для образования электрического контакта между смежными модулями без герметизации каждой ячейки в электролизере. Использование более низкой сжимающей нагрузки исключает потребность в массивных концевых пластинах и соответствующих системах сжатия. Кроме того, использование модулей облегчает как изготовление и сборку, так и эксплуатацию биполярного электролизера.

Еще одним аспектом изобретения является способ электролиза галоида щелочного металла, который осуществляют в устройстве биполярного фильтр-прессного электролизера.

В патенте США 4108752 описан модульный биполярный электролизер, содержащий множество съемных модулей. Каждый модуль содержит два согласованных поддона, каждый из которых имеет чашеобразное углубление и окружающий его периферический фланец, поддоны соединены вместе по периферии на фланцах таким образом, что углубление каждого поддона обращено к углублению присоединенного поддона. Между поддонами размещен обычно плоский разделитель. Углубление одного поддона и соответствующая плоская сторона разделителя образуют первую конструкцию, а углубление другого поддона и противоположная сторона разделителя образуют вторую конструкцию. Плоский электрод располагается в каждой конструкции параллельно плоскости разделителя и электрически и конструктивно присоединен к соответствующему поддону, например, с помощью столбика. Биполярный фильтр-прессный электролизер собирают посредством такой ориентации множества модулей, при которой плоские внешние поверхности поддонов располагаются параллельно. По меньшей мере одна многоконтактная проводящая полоса проложена между обращенными к поддону поверхностями смежных модулей, так что плоские наружные поверхности поддонов параллельны, и когда модули сжимают друг с другом, проводящие полосы зажимаются между ними, обеспечивая положительный электрический контакт между прилегающими ячейками в множестве точек.

В патенте США 4664770 описан модуль для модульного биполярного электролизера, содержащий корпус, выполненный из двух конструкций, каждая из которых имеет нижнюю сторону, простирающуюся в плоскости, параллельной плоскостям, включающим анод и катод. Анод и катод разделены мембраной и оба имеют множество перфорированных и неперфорированных секций, расположенных параллельно. Между анодом и смежной внутренней поверхностью нижней стороны одной конструкции и между катодом и смежной внутренней поверхностью нижней стороны другой конструкции расположено металлическое каркасное упрочнение. Контактная полоса присоединена к наружной поверхности каждой из нижних сторон, при этом контактные полосы смежных ячеек соединены электрически. Также предусмотрено средство для присоединения каждой контактной полосы к металлическому упрочнению и к неперфорированным секциям в электроде в присоединенной конструкции. Мембранная перегородка простирается между анодом и катодом в каждом из модулей и прокладочное средство герметично соединяет конструкции с мембраной. Если электролизер собирается путем укладки множества таких модулей с помощью известных натяжных устройств, электрический контакт между смежными модулями обеспечивается электропроводящими контактными полосами.

Авторы изобретения обнаружили, что если выполнить электропроводящие элементы, на которых смонтированы электропроводящие пластины в электродных устройствах согласно настоящему изобретению в форме несущего нагрузку столбика, то можно получить модуль для модульного биполярного электролизера из таких электродных устройств. Такой модуль легко собирается и особенно легко монтируется с другими модулями на раме электролизера. Хорошее электрическое соединение между одним модулем и следующим модулем обеспечивается очень легко. Процент площади мембраны, подвергающейся электролизу, также значительно увеличивается по сравнению с известными модульными конструкциями.

Согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения предложен модуль для использования в модульном биполярном электролизере, содержащий

а) анодное устройство, содержащее (i) поддон с чашеобразным углублением и фланцем по его периферии, (ii) анодную пластину, которая факультативно имеет электрокаталитически-активную поверхность, (iii) средство, факультативно содержащее множество электропроводящих несущих элементов, к которым электропроводяще присоединен анод, обеспечивая электропроводящие пути между поддоном и анодной пластиной, (iv) впускное отверстие для раствора и (v) выпускное отверстие для текучих сред;

b) катодное устройство, содержащее (i) поддон с чашеобразным углублением и фланцем по его периферии, (ii) катодную пластину, которая факультативно имеет электрокаталитически-активную поверхность, (iii) множество электропроводящих несущих нагрузку элементов, к которым электропроводяще присоединен катод и которые обеспечивают электропроводящие пути между поддоном и катодной пластиной, (iv) впускное отверстие для раствора и (v) выпускное отверстие для текучих сред;

с) разделитель, расположенный между анодной пластиной и катодной пластиной так, что поверхность анода по существу параллельна поверхности катода и обращена к ней, но изолирована и удалена от нее разделителем, который тем самым делит модуль на отдельные анодную и катодную камеры;

d) прокладочное средство, уплотняющее разделитель между фланцами на периферии поддонов; и

е) средство для приложения давления к прокладочному средству для герметичного уплотнения разделителя с ним,

отличающийся тем, что

i) чашеобразное углубление поддона анодного устройства снабжено множеством выступающих внутрь выступов, а чашеобразное углубление поддона катодного устройства снабжено множеством выступающих наружу выступов так, что выступающие внутрь выступы анодного устройства модуля сопряжены с выступающими наружу выступами катодного устройства смежного модуля в модульном биполярном электролизере, содержащем множество модулей; и

(ii) факультативно один или более биполярных узлов согласно настоящему изобретению, предпочтительно содержащих электропроводящие несущие столбики, и соответствующие разделители расположены между анодным и катодным устройствами.

Понятно, что путем включения одного или более биполярных узлов согласно изобретению вместе с соответствующими прокладками и разделителями между анодным устройством и катодным устройством предложенного модуля и использования аналогичных средств для приложения давления в целях герметизации разделителей с прокладками и прокладок с электродными устройствами можно получить "гибридный модуль", содержащий два или более анодных устройств и два или более катодных устройств с двумя или более разделителями. Создание таких гибридных модулей подпадает под объем изобретения.

Одно из преимуществ гибридного модуля заключается в том, что требуется меньшее количество подъемных операций в условиях гальванического цеха, что снижает риск для безопасности и уменьшает время простоя электролизера для замены электродного устройства или модуля во время технического обслуживания или капитального ремонта.

Средство для приложения давления к прокладкам в целях герметизации его с разделителем в модуле предпочтительно обеспечивается болтами, проходящими через отверстия в фланцах. Однако не исключается возможность применения альтернативных средств для приложения давления.

Если электропроводящие несущие нагрузку столбики в модуле снабжены носителями тока, то каждый столбик предпочтительно имеет изолирующий колпачок, и более предпочтительно согласованное отверстие выполнено в электропроводящей пластине, в частности, если электропроводящая пластина выполнена в форме сетки. Если в электропроводящий пластине выполнено согласованное отверстие, то изолирующий колпачок предпочтительно имеет форму амортизатора.

Согласно следующему предпочтительному аспекту настоящего изобретения предложен модульный биполярный электролизер, который содержит один или более модулей, собранных на монтажной раме последовательно как механически, так и электрически, и

токораспределительные пластины на каждом конце электролизера, отличающийся тем, что в качестве модулей использованы модули согласно предпочтительному аспекту настоящего изобретения.

Электроизоляционные, передающие нагрузку амортизаторы предпочтительно расположены на концах электропроводящих несущих столбиков рядом с электропроводящей пластиной в модульном биполярном электролизере согласно настоящему изобретению, и, если столбики несут нагрузку, то они расположены на концах столбиков рядом с электропроводящей пластиной в биполярном фильтр-пресном электролизере согласно настоящему изобретению. Такие изолирующие амортизаторы препятствуют механическому повреждению мембраны, и, поскольку электролиз в этих точках не идет, мембрана не подвергается каким-либо повреждениям в результате электролиза.

Такие изолирующие амортизаторы могут быть выполнены из непроводящего материала, инертного к химической среде в электролизере, например из фторсодержащих полимеров, таких как РТFЕ, FЕР, РFА, полипропилена, СРVС и фторсодержащих эластомерных смол. Амортизаторы могут быть установлены на металлических штифтах, расположенных между столбиками и электропроводящей пластиной, при этом амортизатор обращен к разделителю или мембране.

В модульном биполярном электролизере согласно настоящему изобретению, содержащем множество модулей, чашеобразное углубление анодного поддона в модуле и чашеобразное углубление в катодном поддоне смежного модуля соединены электрически, предпочтительно на вершинах выступов.

Электропроводимость между смежными модулями модульного биполярного электролизера можно обеспечивать за счет использования промежуточных соединителей или предпочтительно по меньшей мере тесного контакта между смежными модулями.

Электропроводимость между смежными модулями можно повысить с помощью повышающих проводимость материалов или устройств на наружной поверхности поддонов. Примерами повышающих проводимость материалов могут быть, в частности, проводящие углеродные пены, проводящие смазки и покрытия из высокопроводящих металлов, например серебра или золота.

Предпочтительно, повышающие электропроводимость устройства используются для улучшения электропроводности между смежными модулями. Примерами повышающих электропроводность устройств могут быть, в частности, электропроводящие биметаллические пластины, приваренные к аноду, электропроводящие биметаллические пластины, присоединенные взрывным соединением, электропроводящие металлические устройства, например прокладки, или предпочтительно электропроводящие металлические устройства, выполнены с возможностью (а) истирать или прокалывать поверхность поддонов путем врезания в любое электроизоляционное покрытие на нем, например оксидный слой, и (b) по меньшей мере препятствовать образованию изолирующего слоя между устройством и поверхностью поддона.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложено электропроводящее металлическое устройство, выполненное с возможностью (а) истирать или прокалывать поверхность поддонов путем врезания в любое электроизоляционное покрытие на нем, например оксидный слой, и (b) по меньшей мере препятствовать образованию изолирующего слоя между устройством и поверхностью поддона (в дальнейшем для удобства называемое "абразивным устройством").

Абразивное устройство снабжено одним или несколькими шипами. Примерами абразивных устройств могут быть звездообразная шайба, содержащая, например, 18 шипов. Однако предпочтительно, чтобы абразивное устройство содержало не более шести шипов. Часто бывает предпочтительно для обеспечения механической устойчивости во время сборки электролизера, чтобы абразивное устройство содержало по меньшей мере три шипа. Такие шипы предпочтительно выполняются с обеих сторон абразивного устройства.

Абразивное устройство предпочтительно расположено в выступающем внутрь выступе в чашеобразном углублении поддона анодного устройства для обеспечения электрического контакта между поддоном и сопряженным выступающим наружу выступом в чашеобразном углублении поддона катодного устройства. Абразивные устройства предпочтительно предусмотрены в каждом выступающем внутрь выступе анода.

Абразивное устройство может быть выполнено из электропроводящего материала, достаточно твердого, чтобы врезаться по меньшей мере в один поддон электродного устройства, в частности титанового анода, для рассечения любого оксидного покрытия на нем. Примерами пригодных металлов, из которых могут быть выполнены такие абразивные устройства, являются, в частности, углеродная сталь, никель, никелевый сплав или предпочтительно сплав бериллия с медью.

Абразивное устройство может быть присоединено к аноду, например, винтами, сваркой или штифтами с использованием металлической планки, например из Тi. Предпочтительно такое устройство присоединяется с возможностью поворота, по меньшей мере в ограниченной степени.

Абразивное устройство предпочтительно должно быть выполнено с возможностью многоразового использования, т.е. использоваться для повторных соединений без замены.

Еще одним аспектом изобретения является электродное устройство, содержащее поддон, имеющий основание и боковые стены, выступающие от основания, образуя углубление для приема текучей среды, электродную пластину, установленную на расстоянии напротив внутренней поверхности основания, отличающееся тем, что множество полых выступов, выполненных в основании поддона, простирающихся в направлении от электродной пластины, и каждый полый выступ вмещает в себе электропроводящий элемент, обеспечивающий электропроводность между вершиной выступа и электродной пластиной.

Желательно, чтобы каждый электропроводный элемент содержал столбик, электрически подсоединенный к электродной пластине через несколько проводящих лучей, расходящихся от столбика.

Желательно, чтобы все выступы электродного устройства простирались исключительно в одном и том же направлении.

Желательно наличие одного или более элементов перегородок, расположенных между основанием поддона и электродной пластиной разделения пространства между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды.

Желательно наличие одного или более элементов перегородок, расположенных между основанием поддона и электродной пластиной, для разделения пространства между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды, причем элементы перегородок устанавливаются на столбиках.

Желательно, чтобы множество полых выступов было выполнено в основании поддона, причем каждый полый выступ был связан с носителем тока, обеспечивающим электропроводность между вершиной выступа и электродной пластиной и присоединенным к электродной пластине посредством нескольких электропроводящих лучей, контактирующих с электродной пластиной в разных местах.

Желательно, чтобы упомянутые выступы простирались к анодной пластине, при этом устройство содержало бы одну или более элементов перегородок, установленных так, чтобы выступы находились между основанием поддона и электродной пластиной и разделяли пространство между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды.

Желательно, чтобы все выступы электродного устройства простирались исключительно в одном и том же направлении.

Желательно наличие одного или более элементов перегородок, расположенных между основанием поддона и электродной пластиной, для разделения пространства между основанием и электродной пластиной на две зоны, сообщающиеся по потоку текучей среды.

Еще одним аспектом является сборка для использования с электродным устройством при наличии электропроводящей пластины и набора носителей тока, присоединенных к одной основной поверхности электропроводящей пластины, причем каждый носитель тока должен иметь множество лучей, присоединенных к пластине.

Желательно, чтобы пластина была снабжена электрокаталитически-активным покрытием на по меньшей мере одной ее основной поверхности.

Желательно, чтобы все носители тока были присоединены к пластине на одной ее стороне, например на не содержащей покрытия поверхности пластины.

Желательно, чтобы каждый носитель тока имел центральную соединительную часть, от которой расходятся лучи.

Желательно, чтобы лучи были выполнены упругими, чтобы обеспечить их изгиб.

Желательно, чтобы носители тока были выполнены из того же материала, что и пластина.

Желательно, чтобы электродная пластина была выполнена пористой.

Желательно, чтобы носитель или носители были выполнены из металла, выбранного из группы, включающей в себя титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, никель или сплав, состоящий в основном из одного или нескольких перечисленных металлов.

Еще одним аспектом изобретения является носитель тока для использования с электродным устройством, отличающийся тем, что электродное устройство содержит центральную соединительную часть, от которой расходится несколько лучей, причем внешние концы лучей расположены в другой плоскости относительно соединительной части.

Желательно, чтобы носитель или носители были выполнены из металла, выбранного из группы, включающей в себя титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, никель или сплав, состоящий в основном из одного или нескольких перечисленных металлов.

Еще одним аспектом изобретения является способ восстановления электродного устройства, согласно которому отсоединяют от поддона сборку, содержащую электродную пластину и присоединенные носители тока, посредством отсоединения носителей тока от поддона или от столбиков, к которым присоединены носители, и затем снова присоединяют к поддону ту же самую электродную пластину путем присоединения носителей тока, связанных с восстановленной или сменой пластиной, к поддону или столбикам.

Желательно, чтобы восстановление электродной пластины включало замену по меньшей мере некоторых носителей тока.

Еще одним аспектом изобретения является электропроводящее металлическое устройство для электродного устройства, узла электролизера, модуля, устройства модульного биполярного электролизера, согласно которому устройство выполняется с возможностью (а) истирания или прокалывания поверхности поддона путем разрезания или врезания в любое электроизоляционное покрытие на нем, например оксидный слой, и (b) по меньшей мере препятствования образованию изоляционного слоя между устройством и поверхностью поддона.

В дальнейшем настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на использование его разных аспектов в хлор-щелочных применениях, например в электролизе для получения хлора и щелочи.

Специалисты смогут выбрать количество модулей и биполярных узлов в биполярном электролизере согласно настоящему изобретении с учетом требуемого объема производства, имеющегося напряжения и определенных ограничений, известных специалистам.

Обычно, модульный биполярный электролизер согласно настоящему изобретению состоит из 1-300 модулей.

Фильтр-прессные электролизеры и модульные биполярные электролизеры согласно настоящему изобретению могут работать при давлениях от 50 до 600 кПа (0,5-6 бар), предпочтительно от 50 до 150 кПа (500-1500 мбар).

На дне электродного устройства имеется впускная труба, предпочтительно проходящая от одной стороны до другой, чтобы позволить загружать в него раствор. Например, если модульный биполярный электролизер должен использоваться для электролиза с получением хлора и щелочи, то впускные трубы позволяют загружать каустическую соду в катодное устройство и солевой раствор в анодное устройство. Раствор предпочтительно вводится в впускную трубу только с одного конца.

По впускной трубе разнесены отверстия, предпочтительно на равное расстояние, для улучшения распределения подачи раствора по электродному устройству. Отверстия предпочтительно выполнены таким образом, что если в электродном устройстве предусмотрена перегородка, которая будет более подробно описана ниже, то раствор, выходящий из отверстий, направляется в рециркуляционный поток, создаваемый перегородкой. Размеры отверстий выбираются такими, чтобы минимизировать падение давления вдоль впускной трубы.

Специалисты смогут легко рассчитать количество отверстий в впускной трубе для любого конкретного применения. Обычно на один метр впускной трубы приходится 2-10, предпочтительно около 6 отверстий. Диаметр каждого отверстия обычно составляет 1-3 мм, предпочтительно около 2 мм.

Питающая труба, по которой подается раствор в впускную трубу, выполнена из непроводящего материала и может быть вставлена в впускную трубу на любую глубину, например, пока она почти не достигнет тупика впускной трубы. В биполярных электролизерах увеличение длины непроводящей питающей трубы увеличивает длину пути раствора между ячейками электролизера, снижая тем самым возможность повреждения электролизера коррозией, вызываемой токами утечки.

Впускные трубы предпочтительно выполнены из того же материала, что и электродные устройства, которые они питают, например если анод выполнен из титана или его сплава, то впускная труба к аноду предпочтительно выполнена из титана или его сплава, и если катод выполнен из никеля или его сплава, то впускная труба к катоду предпочтительно выполнена из никеля или его сплава.

Примерами подходящих непроводящих материалов, из которых можно выполнить питающую трубу, могут быть упомянутые выше фторсодержащие полимеры, такие как политетрафторэтилен (РТFЕ), пластик на основе сополимера тетрафторэтилена и гексафторпропилена (FЕР) и фенольного полимера (РFА).

За счет наличия электропроводящей пластины (пластин), разнесенных друг от друга разделителем, в модульном биполярном электролизере и фильтр-прессном электролизере образуется электролизная область.

Отработавший раствор и образовавшийся газ выпускаются из электродного устройства через газожидкостную выпускную систему, содержащую выпускную канавку, выпускной коллектор, в котором происходит разделение газа и жидкости, и выпускное отверстие. Повреждение разделителя, вызванное образованием газового пространства рядом с разделителем в верхней части электролизной области, по меньшей мере уменьшается, а часто и исключается совсем, благодаря расположению выпускного коллектора в области, где электролиз не происходит, расположенной над электролизной областью в электродном устройстве.

В выпускной системе смесь газа и жидкости движется вверх от электролизной области через выпускную канавку над камерами электролизера в выпускной коллектор. Глубина выпускной канавки, которая проходит практически по всей ширине электродного устройства, выбирается с учетом плотности тока, площади электрода и температуры, чтобы обеспечить дисперсию газовой фазы в виде пузырьков по сплошной жидкой фазе. Глубина выпускной канавки обычно составляет 5-50%, предпочтительно около 10-30% глубины электродного устройства, т. е. расстояния между чашеобразным углублением и электродной пластиной.

Смесь газа и жидкости быстро разделяется в выпускном коллекторе, который проходит практически по всей ширине электродного устройства. Площадь поперечного сечения выпускного коллектора выбирается в зависимости от плотности тока, площади электрода и температуры, чтобы расслоенный горизонтальный поток газа и жидкости проходил по коллектору, предпочтительно сохраняя ровную поверхность раздела.

Потоки газа и жидкости выходят из выпускного коллектора через одно или несколько выпускных отверстий, предпочтительно через одно выпускное отверстие, более предпочтительно расположенное на одном его конце. Площадь поперечного сечения выпускного отверстия выбирается с учетом плотности тока, площади электрода и температуры таким образом, чтобы предпочтительно получить кольцевой поток газа и жидкости через выпускное отверстие, в котором на стенке образуется пленка жидкости, в центре - газовая сердцевина.

Преимущество описанной выше системы выпуска газа и жидкости состоит в том, что низкое падение давления исключает вдавливание поверхности раздела газ-жидкость в электролизную область электродной системы, а значит, исключает повреждение разделителя, вызванное образованием газового пространства рядом с ним в верхней части электролизной области. Еще одно преимущество системы выпуска газа и жидкости состоит в уменьшении колебаний давления, которые приводят к физическому повреждению разделителя в результате истирания при контакте с электродной пластиной. Пленка жидкости на стенке выпускной трубы обеспечивает еще одно преимущество, состоящее в повышении сопротивления пути раствора между ячейками электролизера, а значит, в снижении возможности повреждения электролизера коррозией, вызванной токами утечки.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения выпускной коллектор для газа и жидкости выполнен в виде прямоугольной конструкции, проходящей практически по всей ширине электродного устройства. Задняя пластина выпускного коллектора является выступом вверх от обратной стороны поддона в вертикальном направлении электродного устройства. Задняя пластина изогнута под углом 90 градусов перпендикулярно к обратной стороне поддона в направлении электрода, образуя верхнюю пластину выпускного коллектора, и еще на 90 градусов вниз, образуя переднюю пластину коллектора, так, что передняя часть коллектора практически параллельна его задней части. Пластина может быть отогнута назад на 90 градусов к задней стороне пластины, чтобы образовать дно коллектора, и вниз на 90 градусов, чтобы образовать переднюю пластину выпускной канавки. Альтернативно, передняя пластина выпускной канавки может быть продолжением передней пластины выпускного коллектора.

В нижней части выпускной канавки передняя пластина изогнута еще на 90 градусов перпендикулярно задней пластине в обратном направлении, образуя верхнюю пластину поддона. Эта верхняя пластина затем изогнута еще на 90 градусов вверх, образуя фланец поддона.

Высота фланца образует действительный вертикальный путь для потока газа и жидкости через выпускную канавку, а прямоугольный короб над фланцем образует выпускной коллектор. Обычно, высота фланца составляет около 20-80% высоты выпускного коллектора.

Прокладки для герметизации разделителя между фланцами на поддонах в биполярных электролизерах согласно настоящему изобретению, которые могут быть разными в анодном и катодном устройствах, выполнены из подходящего материала с соответствующими химической инертностью и физическими свойствами, например из пластифицированного каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (ЕРDМ). Если материал не обладает подходящей комбинацией химической инертности и физических свойств, то прокладку, выполненную из материала с подходящими физическими свойствами, можно снабдить химически инертной облицовкой, например, из политетрафторэтилена (РТFЕ) на внутренней кромке.

Прокладка может быть выполнена в форме рамы, предпочтительно непрерывной, так, что, если расположить две прокладки на каждой стороне разделителя и приложить к ним нагрузку через поддоны, будет обеспечена герметизация модуля.

Прокладка расположена между анодом и разделителем и между катодом и разделителем.

Рама может иметь в плане любую форму, способную герметизировать разделитель в модуле или камере. Обычно рама имеет квадратную или прямоугольную форму. Поперечное сечение рамы может быть любой формы, пригодной для герметизации разделителя, например оно может иметь круглое, треугольное или квадратное, но предпочтительно использовать прямоугольное поперечное сечение, у которого размер, перпендикулярный плоскости прокладки, меньше размера в плоскости прокладки.

Предпочтительно, чтобы поперечное сечение рамы прокладки имело выступ или носовую часть по существу по всей длине периметра рамы для соединения с разделителем, причем на внутренней и/или наружной периферии рамы обычно предусмотрены выступ или носик.

Выступ или носик может быть любой подходящей формы, позволяющей обеспечить сжатый спай с разделителем, но предпочтительно, выпуклой формы, например, имеющей поперечное сечение в форме части круга.

При использовании разделитель присоединяется на каждый его стороне с соответствующей прокладкой так, что выступы прокладок совмещаются друг с другом и при сжатии обеспечивают локальный зажим прокладки по всему периметру прокладок, чтобы исключить протечки или "просачивание" электролизных растворов через конструкцию разделителя или вдоль нее из камеры электролизера наружу. Такая конструкция прокладки особенно эффективно зарекомендовала себя в предотвращении "просачивания" электролизных растворов, особенно если разделитель имеет шероховатую или неровную поверхность (например, из-за наличия упрочняющей сетки) или содержит каналы, возникшие в результате растворения содержащихся в нем растворимых компонентов, или если электролизная камера работает при более высоком давлении, чем атмосферное.

В одной модификации каждая прокладка может быть снабжена носиком или выступом на ее противоположной стороне для соединения с соответствующим фланцем электродного устройства.

Прокладка или рама может содержать отверстия под уплотнительные болты, особенно если прокладка используется в модуле.

Желательно, чтобы внутренняя периферия прокладки была защищена химически инертной облицовкой, описанной выше, простирающейся над выступом.

Электролизеры согласно настоящему изобретению могут работать при высокой плотности тока, например, >4,5 кА/м².

Разделитель предпочтительно представляет собой по существу непроницаемую для электролита ионообменную мембрану. Однако не исключается возможность использования в качестве разделителя пористой, проницаемой для электролита диафрагмы.

Если разделитель является ионообменной мембраной, он может быть выполнен из любого материала, пригодного для ионообменной мембраны.

Известны мембраны с ионно-селективной проницаемостью для производства хлора и щелочи. Такая мембрана предпочтительно состоит из фторсодержащего полимера, имеющего анионные группы. Предпочтительным является полимер, содержащий анионные группы, имеющие все связи С-F, и лишенный связей С-Н. В качестве примеров пригодных анионных групп можно назвать -РО₃ ^2-, -РО₂ ^2-, или предпочтительно -SO₃ ^- или -СOO^-.

Мембрана может присутствовать в виде однослойной или многослойной пленки. Она может быть упрочнена путем выполнения ее ламинированной или нанесения ее на тканый материал или микропористый лист. Кроме того, она может быть покрыта с одной или обеих сторон химически инертным мелкозернистым покрытием для улучшения смачиваемости и выхода газа.

Если мембрана с поверхностным покрытием используется в применениях с хлором и щелочью, то поверхностное покрытие обычно выполняют из оксида металла, инертного к данной химической среде, например из оксида циркония.

Мембраны, пригодные для хлор-щелочных применений, производят, например, компания Е I Du Роnt dе Nеmеurs аnd Со. Inc. под товарным наименованием "Nаflоn", компания Аsаhi Сlаss Со. Ltd. под товарным наименованием "Flеmion" и компания Аsаhi Сhеmiсаl Со. Ltd. под товарным наименованием "Асiрlех".

Разделитель расположен между смежными анодными пластинами и катодными пластинами и тем самым отделяет анодное устройство от катодного устройства.

Зазор между анодом и катодом предпочтительно составляет от 3 мм до нуля, предпочтительно 1-0 мм. Следовательно, при нулевом зазоре между анодом и катодом аноды и катоды модуля контактируют с разделителем.

В биполярных электролизерах с практически непроницаемой ионообменной мембраной водный раствор хлорида щелочного металла загружают в анодные устройства биполярного электролизера, хлор и истощенный водный раствор хлорида щелочного металла выпускают из анодных устройств биполярного электролизера, а водород и гидроксид щелочного металла выпускают из катодных устройств биполярного электролизера.

Анодная пластина в электродном устройстве может быть металлической, и характер этого металла зависит от характера электролита в электролизере. Предпочтительным металлом является пленкообразующий металл, особенно если в электролизере ведут электролиз водного раствора хлорида щелочного металла. В качестве пленкообразующего металла можно использовать один из следующих металлов: титан, цирконий, ниобий, тантал или вольфрам, или сплав, состоящий в основном из одного или нескольких таких металлов и имеющий свойства анодной поляризации, сопоставимые со свойствами анодной поляризации титана. Предпочтительно использовать только титан или сплав на основе титана, имеющий свойства анодной поляризации, сопоставимые со свойствами анодной поляризации титана.

Анодная пластина имеет покрытие из электропроводящего электрокаталитически-активного материала. В частности, если электролизу подвергается водный раствор хлорида щелочного металла, это покрытие может содержать, например, один или более металлов платиновой группы, т.е. платину, родий, иридий, рутений, осмий и палладий.

Электропроводящие электрокаталитически-активные материалы для использования в качестве анодных покрытий в электролизере хорошо известны, например, они описаны в ЕР 0052986, ЕР 0107934 и ЕР 0129374.

Для катодной пластины в электродном устройстве можно использовать любой подходящий металл, отличающийся от пленкообразующего металла анода, при условии, конечно, что металл, используемый для катодной пластины, является проводящим и устойчивым к действию электролита, используемого в электролизере. Предпочтительно, катодная пластина выполнена из никеля или никелевого сплава, или другого материала, имеющего снаружи никель или никелевый сплав. Например, катодная пластина может содержать сердцевину из другого металла, например стали или меди, и внешнюю поверхность из никеля или никелевого сплава. Никель или никелевый сплав является предпочтительным благодаря коррозионной стойкости таких материалов в электролизере, в котором происходит электролиз водного раствора щелочного хлорида, а также благодаря длительному низководородному перенапряжению никеля или никелевого сплава.

Катодную пластину можно подвергнуть обработке для увеличения площади поверхности, например дробеструйной обработке.

Катодную пластину можно снабдить электропроводящим электрокаталитически-активным покрытием. Электропроводящие электрокаталитически-активные материалы для использования в качестве катодных покрытий в электролизере хорошо известны, например, они описаны в документах ЕР 0479423, WО 95/05499, WО 95/05498, ЕР 0546714, WО 96/24705, ЕР 0052986 и ЕР 0107934, принадлежащих заявителю настоящего изобретения.

Раскрытия в перечисленных выше патентах упоминаются здесь для сведения.

Электродная пластина может иметь любую требуемую конструкцию. Например, она может содержать множество слоев. Однако предпочтительно, чтобы каждая электродная пластина была пористой, т.е. она может быть перфорированной или в форме металлической сетки, или она может быть из тканого или нетканого материла, или в виде жалюзи или лопатки с прорезями. Более предпочтительно, чтобы анодная и катодная пластины имели форму сетки.

Как отмечалось выше, поддон в электродном устройстве обычно выполняют из того же материала, что и электропроводящую пластину. Материал поддона обычно имеет толщину, обеспечивающую его гибкость и предпочтительно эластичность.

В анодном и катодном устройствах предпочтительно предусмотрена одна и несколько перегородок для образования первого канала между первой стороной перегородки и электродной пластиной и второго канала между второй стороной перегородки и чашеобразным углублением поддона, при этом первый и второй каналы сообщаются друг с другом, предпочтительно по меньшей мере сверху и снизу электродного устройства или рядом с этими областями. Первый канал обеспечивает подъемное средство для подъема наполненного газом солевого раствора к выпускному коллектору вверху электродного устройства. Второй канал обеспечивает опускное средство для опускания дегазированного солевого раствора на дно электродного устройства. Перегородки предпочтительно расположены вертикально. Перегородки используют газоподъемный эффект выделяющегося газа для усиления циркуляции и перемешивания раствора, которые создают определенные преимущества.

Улучшение перемешивания в анодном и катодном устройствах уменьшает перепады концентрации и температуры в устройствах, повышая тем самым срок службы анодного покрытия и мембраны. В частности, в анодном устройстве улучшенное перемешивание позволяет использовать высококислотный солевой раствор для получения более низких уровней кислорода в хлоре без риска повреждения мембраны в результате протонирования. Улучшение перемешивания в катодном устройстве позволяет прямо добавлять деионизированную воду для поддержания постоянной концентрации уровня каустической соды после удаления концентрированной каустической соды.

Наличие наклонной перегораживающей пластины в верхней области электродного устройства дополнительно улучшает разделение газа и жидкости благодаря ускорению потока газожидкостной смеси вверх из области электролиза, что способствует слиянию пузырьков газа.

Перегородки выполнены из материала, инертного к химической среде в электролизере. Перегородки в анодном устройстве могут быть выполнены из фторсодержащего полимера или какого-либо пригодного металла, например титана или его сплава. Перегородки в катодном устройстве могут быть выполнены из фторсодержащего полимера или какого-либо пригодного металла, например никеля.

В анодном устройстве перегородки, если они имеются, предпочтительно присоединены к выступающим внутрь выступам в анодном поддоне. В катодном устройстве перегородки, если они имеются, предпочтительно присоединены к столбикам.

Перегородка может быть выполнена в виде цельной конструкции, простирающейся через все электродное устройство в горизонтальном направлении, или предпочтительно может содержать несколько элементов, например два, каждый из которых проходит через электродное устройство, с горизонтальным зазором между ними. При использовании двухэлементной перегородки нижний элемент способствует рециркуляции раствора, а верхний элемент способствует сохранению области сверху устройства для подавления пенообразования при работе с токами высокой плотности.

В работе множество биполярных электролизеров согласно настоящему изобретению можно установить так, чтобы они электрически запитывались от одного и того же выпрямителя.

Раствор предпочтительно подается параллельно во все модули модульного биполярного электролизера согласно настоящему изобретению из одних и тех же коллекторов солевого раствора и каустической соды.

Отводимые солевой раствор и раствор каустической соды предпочтительно выходят параллельно из всех модулей модульного биполярного электролизера согласно настоящему изобретению в общие коллекторы солевого раствора и каустической соды.

Модули модульного биполярного электролизера согласно настоящему изобретению смонтированы на токонесущей раме и удерживаются вместе любыми подходящими средствами, например винтами, зажимами, гидравлическими или пневматическими средствами.

Модульный биполярный электролизер и фильтр-прессный электролизер согласно настоящему изобретению особенно пригодны для получения хлора путем электролиза водных растворов хлорида щелочного металла, особенно хлорида натрия.

Электродное устройство согласно настоящему изобретению можно использовать как токораспределительное устройство в электролизере, оборудованном ионообменной мембраной из так называемого твердого полимерного электролита.

Настоящее изобретение было описано на примере электродного устройства, пригодного для использования в электролизере для электролиза водного галоидного раствора щелочного металла. Однако понятно, что данное электродное устройство можно использовать в электролизерах, в которых можно подвергать электролизу другие растворы, или в других типах электролизеров, например в топливных элементах.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено электродное устройство, содержащее

(i) поддон с чашеобразным углублением и фланцем, расположенным по его периферии для опоры прокладочного средства, герметизирующего разделитель между фланцами в смежных электродных устройствах,

(ii) электропроводящую пластину, удаленную от поддона,

(iii) средство, факультативно содержащее множество электропроводящих элементов, к которым электропроводяще присоединена электропроводящая пластина, обеспечивая электропроводящие пути между поддоном и электропроводящей пластиной, отличающийся тем, что

(а) электропроводящие элементы, если они имеются, выполнены в форме столбиков, и

(b) если электродное устройство является анодным устройством, то чашеобразное углубление снабжено множеством выступающих внутрь выступов, а если электродное устройство является катодным устройством, то чашеобразное углубление снабжено множеством выступающих наружу выступов.

В дальнейшем настоящее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает поперечное сечение верхней части электродного устройства согласно настоящему изобретению, выполненного в форме анодного устройства,

фиг.2 изображает поперечное сечение верхней части электродного устройства согласно настоящему изобретению, выполненного в форме катодного устройства,

фиг. 3 изображает поперечное сечение верхней части биполярного узла согласно настоящему изобретению,

фиг. 4 изображает поперечное сечение верхней части модуля согласно настоящему изобретению,

фиг.5 изображает изометрическую проекцию анодного устройства модуля согласно настоящему изобретению,

фиг. 6 изображает поперечное сечение нижней части модуля согласно настоящему изобретению, и

фиг. 7 и 8 изображают соответственно изометрическую проекцию абразивного устройства и его вид с торца,

фиг. 9 изображает один вариант прокладки для использования с предложенными электродными устройствами,

фиг.10 изображает увеличенный детальный вид части прокладки по фиг.9, и

фиг.11 изображает поперечное сечение прокладки.

На фиг. 1 и 2 изображен поддон (1), выполненный с фланцем (2) и чашеобразным углублением (3), в котором сформированы выступающие внутрь выступы (4) в форме усеченного конуса (на фиг.1) или выступающие наружу выступы (5) в форме усеченного конуса (на фиг.2). Электропроводящий столбик (6), на котором установлена звезда (не показана), электрически присоединен к каждому выступу (4) или (5). Можно заметить, что столбики, соединенные с катодным устройством, значительно длиннее, чем столбики, соединенные с анодным устройством. В анодном устройстве можно обойтись совсем без столбиков, при этом анодную пластину можно присоединить к соответствующему поддону либо прямо, либо через звезды. Электродная пластина (8), обычно в форме сетки, присоединена к звездам. Между концом столбика (6) и электродной пластиной (8) предусмотрен электроизоляционный амортизатор (9). На месте каждого столбика в пластинах (8) есть отверстия, в которые вставлены амортизаторы (9). Фланцы (2) снабжены упорными фланцами (2В, см. фиг.4) и отверстиями (10, 10В) для приема болтов (не показаны) для соединения болтами анодного устройства и катодного устройства с двумя прокладками и мембраной, чтобы образовать модуль согласно настоящему изобретению. Позицией (11) обозначен выпускной коллектор. Поток раствора в коллектор (11) протекает через выпускную канавку (35) в верхнем конце каждого электродного устройства, причем выпускная канавка (35) выполнена прямо над электродной пластиной (8) и сразу под удаленными цилиндрическими тупиковыми трубами (36), совмещенными с отверстиями в основании (3) поддона и фланце (2) и простирающимися на величину размаха между главными вертикальными стенками коллектора (11). Поэтому раствор входит в выпускную канавку и течет по тупиковым трубам (36) в коллектор (11).

Предложенные электродные устройства можно использовать в фильтр-прессных электролизерах, модульных электролизерах и топливных элементах. На фиг.3 изображен узел, в котором соединены два электродных устройства, образуя биполярный электродный узел для использования в фильтр-прессном электролизере или в топливном элементе, электродные устройства в этом случае собраны так, что выступы (4, 5) анода и катода вложены друг в друга. На фиг.4 показан узел, в котором электродные устройства соединены с использованием разделителя между ними для использования в модульном электролизере или топливном элементе. В обоих случаях понятно, что после сборки ряда узлов выступы (4) смежных анодов и катодов, независимо от того, являются ли они частями одного и того узла или разных узлов, будут вложены друг в друга.

В изображенном на фиг.3 биполярном электродном узле анодное устройство, как показанное на фиг. 1, и катодное устройство, как показанное на фиг.2, электропроводяще соединены обратными сторонами с помощью абразивного устройства (12), расположенного между выступающим внутрь выступом (4) в форме усеченного конуса на анодном устройстве и выступающим наружу выступом (5) в форме усеченного конуса на катодном устройстве, причем в данной компоновке, когда эти два устройства сжимают вместе, абразивные устройства обеспечивают хорошую электропроводность между вершинами катодных выступов (5) и основаниями анодных выступов (4), а значит, и между столбиками (6), проходящими в электродные пластины (8).

В модульном электродном узле на фиг.4 анодное устройство, как показано на фиг. 1, и катодное устройство, как показано на фиг.2, соединены болтами (не показаны) через отверстия (10) в фланцах (2). Мембрана (13) герметизирована между двумя прокладками (14), расположенными между фланцами (2). Звезды (7) (не показанные на фиг.1-3) обеспечивают электропроводящие пути между столбиками (6) и электродными пластинами (8). Звезды содержат дискообразные центральные секции (40), которые присоединены к концам столбиков (6), например, сваркой, винтами или соединениями с плотной посадкой, и несколько лучей (38), которые расходятся от центральной секции (40) и присоединены на свободных концах, например сваркой, к соответствующей электродной пластине (8). Обычно лучи (38) расположены под одинаковыми углами, так что ток, поступающий через столбики (6), распределяется на несколько равноудаленных точек вокруг столбика. Если звезды предназначены для использования в электролизе галоидов щелочного металла, то катодные звезды можно выполнить из таких материалов, как нержавеющая сталь, никель или медь, а анодные звезды - из вентильного металла или его сплава. Лучи (38) звезд (7), связанные с анодным устройством, несколько короче, чем лучи, связанные с катодным устройством.

На практике, во время изготовления электродных устройств, звезды (7) можно приварить или иным образом присоединить к пластинам (8), а затем можно приварить или иным образом прикрепить звезды к столбикам (6). Такая компоновка облегчает замену или ремонт анодных и катодных пластин или обновление и замену любого электрокаталитически-активного покрытия на них.

Как видно на фиг.5, анодное устройство с выступающими внутрь выступами (4) в форме усеченного конуса в поддоне (3) имеет питающую трубу (15), ведущую к впускной трубе (не показана) для солевого раствора, и выпускную трубу (16) для хлора и истощенной смеси солевого раствора. Катодное устройство имеет питающую трубу (17), ведущую к впускной трубе (не показана) для каустической соды, и выпускную трубу (18) для смеси водорода и каустической соды.

Как показано на фиг. 6, анодное устройство имеет (а) анодную питающую трубу (15), концентричную с впускной трубой (19), выполненной с отверстиями (24), и (b) перегородки (21), смонтированные на выступающих внутрь выступах (4). Катодное устройство имеет (а) катодную питающую трубу (17), концентричную с впускной трубой (20), выполненной с отверстиями (23), и (b) перегородки (22), смонтированные на столбиках (6). Отверстия 24, 23 в впускных трубах (19) и (20) выполнены таким образом, чтобы выпускаемый из них раствор направлялся к обратной стороне поддона за перегородками (21) и (22), способствуя перемешиванию. Перегородки 21, 22 служат для разделения анодной и катодной камер на две сообщающиеся зоны, чтобы обеспечить рециркуляцию раствора, как было описано выше. Перегородки 21, 22 (не показанные на фиг.1-3) простираются вертикально в анодную и катодную камеры от нижнего конца электродного устройства к его верхним концам и образуют два канала в каждом электродном устройстве, которые сообщаются между собой по меньшей мере рядом с верхней и нижней частями устройства.

Как показано на фиг.7 и 8, абразивное устройство (12) снабжено четырьмя острыми шипами (34) на одной поверхности шайбы (35) и четырьмя острыми шипами (36) на другой поверхности шайбы (35) так, что, когда смежные катодное и анодное устройства подвергаются действию сжимающей нагрузки, шипы вонзаются в материал катодного и анодного поддонов.

Как видно на фиг.9-11, каждая прокладка (14) может иметь в основном прямоугольную форму с отверстиями (некоторые из которых обозначены позицией 2А) для совмещения с отверстиями во фланцах (2), чтобы при сжатии электродных устройств прокладки зажали между собой разделитель и мембрану (13). Каждая прокладка имеет локальное утолщение на внутренней периферии, образуя носик (30), выступающий за плоскость прокладки на одной ее стороне. Прокладки собираются в электродных устройствах (8) так, что их носики (30) находятся в контакте со смежной поверхностью мембраны (13). В области контакта с мембраной (13) каждый носик (30) может иметь в сечении форму части круга. Благодаря такому локальному утолщению прокладок, а также зажатию и герметизации смежными плоскими поверхностями прокладок, мембрана (13) дополнительно сжимается между носиками (30), образуя тем самым сжатый спай, который особенно эффективен для исключения протекания или "просачивания" растворов через конструкцию мембраны (13) или вдоль нее.

Прокладки (14) также снабжены по своей внутренней периферии облицовкой (32) из химически инертного материала, такого как РТFЕ. В одной модификации каждая прокладка может быть снабжена носиком или выступом на ее противоположной стороне для соединения с соответствующим фланцем (2).

Если анодная или катодная пластина электродного устройства нуждается в ремонте или замене, ее можно извлечь из устройства, сняв амортизаторы (9), чтобы открыть центральные части (40) звезд (7) и тем самым позволить отсоединить их от столбиков или, если столбиков нет, от электродного поддона или биполярной пластины. Например, если центральные части звезд приварены, например, точечной сваркой, то отсоединение можно осуществить путем трепанирования точечной сварки дрелью или фрезой. Если центральные части звезд соединены со столбиками (или поддоном) фиксирующими винтами или соединением с плотной посадкой, то отсоединение выполняют путем удаления винта или другого соединителя. В некоторых случаях можно разработать такую сварочную систему для присоединения центральных частей звезд, которая создает только слабые сварные соединения, чтобы звезды можно было отсоединять от столбиков, поддона или биполярной пластины путем простого разрушения сварных соединений физическим усилием. После отсоединения звезд анод или катод можно снять для ремонта или замены новым электродным узлом, содержащим анод или катод с набором звезд, соответствующих местам столбиков или выступов (если столбиков нет). Новый или отремонтированный электродный узел затем снова подсоединяется физически и электрически, например, с помощью точечной сварки, резьбовых соединений или соединений с плотной посадкой.

Если способ присоединения не предусматривает сварные соединения, например если используются резьбовые соединения или соединения с плотной посадкой, то можно вставить между звездами или нанести на центральную часть звезды и/или поверхности столбика, поддона или биполярной пластины повышающие проводимость средства, например звездообразные прокладки, абразивные диски или проводящие покрытия. Факультативно, если необходимо обеспечить хорошее физическое и электрическое соединение для сменных анода или катода, шероховатые поверхности столбика, поддона или биполярной пластины, пострадавшие при удалении электродного устройства, можно зачистить, например, чистовым резцом, пескоструйным аппаратом, напильником или т.п.