專利名稱：用于滲濾電解槽的彈性電流分配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于工業(yè)電解過程的電解槽，并且特別涉及包含被離 子交換膜分隔開的陽極隔室和陰極隔室的電解槽，其中一個(gè)或兩個(gè)隔 室配備有氣體擴(kuò)散電極并且工藝電解液流過滲濾器或等效的多孔元件。
背景技術(shù)：
在下面的描述中，將提到適用于去極化的氯-堿電解的電解槽，即 堿金屬氯化物鹽水電解的過程，其中析氫陰極反應(yīng)受到抑制從而有利
于氣體擴(kuò)散陰極上的氧消耗反應(yīng)，例如EP1033419所公開的；然而， 本發(fā)明并不局限于氯-堿電解槽，其可用于任何采用氣體擴(kuò)散電極的工 業(yè)電化學(xué)過程。
特別先進(jìn)類型的去極化氯-堿電解槽在本領(lǐng)域中是公知的，其中在 重力作用下工藝電解液流過適宜的多孔平面元件或滲濾器例如 WO/0157290中公開了這種類型的電解槽。在這種類型的電解槽中，典 型地存在由鈦殼體獲得的陽極隔室，其中供應(yīng)堿金屬氯化物的濃鹽水 并包含具有析氯催化涂層的鈦陽極，并且陰極隔室由鎳陰極殼體限定； 該兩個(gè)隔室被陽離子交換膜分隔開。在工藝中產(chǎn)生的苛性鈉因重力流 動穿過插入在陰極隔室中的多孔元件，所述多孔元件一側(cè)與離子交換 膜接觸，另一側(cè)與氣體擴(kuò)散陰極接觸。換句話說，當(dāng)陽極是通過選自 本領(lǐng)域公知的適當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)(例如肋板陣列)與陽極殼體電連接和機(jī) 械連接的剛性金屬元件時(shí)，陰極是由銀網(wǎng)、碳布或其它類型的非自支 撐等效結(jié)構(gòu)獲得的薄多孔元件。因此，從陽極殼體的后壁至氣體擴(kuò)散 電極的電流傳遞因提供更大移位接觸和能夠機(jī)械支撐電極的結(jié)構(gòu)而必 然受到影響。為改善電化學(xué)性質(zhì)，還必須以特定壓力(例如0.1到0. 5kg/cm2)將陰極推至滲濾器，以便在幫助限制循環(huán)的液體電解液的 同時(shí)允許電連續(xù)性。為滿足所有上述條件，現(xiàn)有技術(shù)的電解槽具有依 賴于兩種不同元件的電流饋送系統(tǒng)第一，構(gòu)成陰極殼體一部分的剛 性集流體，其可由例如肋板陣列構(gòu)成，如在陽極側(cè)；第二，位于剛性 集流體和氣體擴(kuò)散電極之間的金屬絲網(wǎng)，在適當(dāng)壓縮條件下，該金屬 絲網(wǎng)能夠?qū)⒆銐虻膲毫鬟f至氣體擴(kuò)散電極由此保證期望的電連續(xù) 性。等同方法用于改進(jìn)傳統(tǒng)型氯-堿電解槽，以使其適用于滲濾型去極 化過程，例如W0 03/102271的圖2所說明在這種情況下，初始的電 解槽陰極充當(dāng)集流體，同時(shí)鎳絲網(wǎng)(彈性集流體)充當(dāng)剛性集流體和 氣體擴(kuò)散電極之間的電流傳輸?shù)闹虚g元件，所述初始電解槽陰極是本 領(lǐng)域中公知的由鎳或鋼制成的用于析氫的金屬電極。
然而，上述方法也會帶來一些不便，妨礙了這種類型電解槽的商 業(yè)化二元件型電流傳輸系統(tǒng)事實(shí)上涉及過高成本和厚度、安裝困難 和絲網(wǎng)(特別是周圍區(qū)域)尺寸控制困難、難以控制變形和彈性力， 此外當(dāng)然還存在增加接觸界面從而并不特別有利于歐姆電壓降，例如 絲網(wǎng)和氣體擴(kuò)散電極之間的界面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供被離子交換膜隔開并且配備有用于電解 液循環(huán)的滲濾元件和氣體擴(kuò)散電極的電解槽，克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限。
在另一方面，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于電解槽的改良電流饋 送系統(tǒng)，該電解槽具有氣體擴(kuò)散電極和滲濾器。
本發(fā)明由具有被離子交換膜分隔開的陽極隔室和陰極隔室的電解 槽組成，其中所述兩個(gè)隔室至少之一配備有具有兩個(gè)主面的氣體擴(kuò)散 電極，面向膜的第一主面與被電解液流穿過的滲濾器接觸，與第一主 面相對的第二主面與電流分配器接觸，該電流分配器包含適用于將氣 體擴(kuò)散電極壓向滲濾器的多個(gè)彈性傳導(dǎo)突起物。如WO/0157290所公 開，作為滲濾器，期望適合于液體流在重力作用下穿過的任何多孔平 面元件。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，通過單一金屬片的切割和成型獲得
了代替現(xiàn)有技術(shù)中的剛性集流體_彈性集流體組件的電流分配器，例 如氯-堿電解槽的陰極集流體情形中的鎳片。在這種情況下，鎳片是厚
度典型為0.5到1.5mm的片，優(yōu)選具有適于降低接觸電阻的涂層。該 片的鎳材料可以是按不同方式合金化的，例如選自通?？色@得的產(chǎn)品 的類別；選擇具有適用于制作彈簧的等級和力學(xué)性能(例如具有優(yōu)異 的彈性)的鎳材料將證明是特別有利的。在一個(gè)特別簡單且有效的實(shí) 施方案中，能夠向電極施加足夠壓力的傳導(dǎo)突起物是成對排列的彈簧 接頭(tag),使得兩個(gè)相鄰的彈簧接頭從它們所得自的金屬片的主面 向相反方向突起。以這種方式獲得了整個(gè)電極表面更有效和均勻的支 撐。上述方案適用于幾乎每種工藝條件的最佳電解槽設(shè)計(jì)；然而，使 用依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的絲網(wǎng)作為高電流密度下的接觸元件具有允許有效的 氣體循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)(例如去極化氯-堿電解的情況，將氧氣有效供給氣體 擴(kuò)散電極)，而這可能無法具有簡單的片狀結(jié)構(gòu)。在這種情況下，特 別優(yōu)選的實(shí)施方案提供了單瓦(tile)形式的傳導(dǎo)突起物，它們依次 包含一個(gè)或多個(gè)用于提供電接觸的彈簧接頭以及一個(gè)或多個(gè)便于氣體 通過的開口 。傳導(dǎo)突起物可以例如以沿整個(gè)電極表面分布的平行列i殳 置。
依據(jù)本發(fā)明的電流分配器適合于在優(yōu)選0.1到Q. 5kg/cm2的壓力 下直接在氣體擴(kuò)散電極表面上實(shí)現(xiàn)有效的電接觸，因此無需關(guān)于現(xiàn)有 技術(shù)系統(tǒng)的接觸界面(現(xiàn)有技術(shù)中，剛性集流體與彈性集流體耦合)； 另一方面，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，可將用于分配機(jī)械壓縮力的 附加元件插入到電流分配器和氣體擴(kuò)散電極之間，該附加元件由例如 薄網(wǎng)或多孔片或打孔片構(gòu)成。在這種情況下，接觸界面的數(shù)目與現(xiàn)有 技術(shù)的相當(dāng)，然而相應(yīng)的電阻顯著低于使現(xiàn)有技術(shù)的幾乎無彈性絲網(wǎng) 與氣體擴(kuò)散電極直接接觸所獲得的電阻。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容 易理解，電解槽的總厚度顯著更低。


將借助附圖更詳盡地描述本發(fā)明，這些附圖僅限于舉例目的而不
意圖限定本發(fā)明。
-圖1顯示了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的滲濾型去極化氯-堿電解槽。
-圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明的滲濾型去極化氯-堿電解槽。 -圖3顯示了依據(jù)本發(fā)明的電流分配器的第一實(shí)施方案。 -圖4顯示了依據(jù)本發(fā)明的電流分配器的第二實(shí)施方案。 -圖5顯示了依據(jù)本發(fā)明的電流分配器的第三實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的滲濾型去極化氯-堿電解槽，其包含被 離子交換膜(500 )分隔開的一個(gè)陽極隔室和一個(gè)陰極隔室。陰極隔室 由陰極后壁(101)限定，與依賴于兩種不同元件的電流饋送系統(tǒng)接觸， 剛性集流體(201)構(gòu)成其一部分，而彈性集流體(210)由例如鎳制 成的絲網(wǎng)構(gòu)成。陰極(301 )由供有氧的多孔氣體擴(kuò)散電極構(gòu)成， 一側(cè) 與絲網(wǎng)(210)接觸，另一側(cè)與在重力作用下被電解液流穿過的平面多 孔元件構(gòu)成的滲濾器(400 )接觸。充當(dāng)分隔體的離子交換膜(500 ) 具有與滲濾器(400 )接觸的陰極面和面向陽極(302 )的陽極面，該 陽極面可與其接觸或保持小的預(yù)定距離。陽極(302 )通常包含由網(wǎng)或 多孔片或打孔片構(gòu)成的鈦基板，或可選由兩個(gè)這樣的元件疊置構(gòu)成的 鈦基板；陽極基板具有現(xiàn)有技術(shù)中公知的用于氯析出的催化涂層。陽 極(302 )和陽極隔室后壁(102 )之間的電連續(xù)性由剛性集流體(202 ) 保證。陰極(201)剛性集流體和陽極(202 )剛性集流體可由肋板陣 列、波紋片、具有適當(dāng)間隔的孔穴(gopher)的片或者本領(lǐng)域技術(shù)人 員公知的其它類型的集流體構(gòu)成。圖2顯示了依據(jù)本發(fā)明的滲濾型去 極化氯-堿，其中與圖1的電解槽相同的元件采用相同的參考數(shù)字標(biāo) 注。
電流饋送系統(tǒng)由多個(gè)傳導(dǎo)突起物(220 )構(gòu)成，例如適用于將氣體 擴(kuò)散電極(301)壓向滲濾器(400 )的彈簧或彈性彈簧接頭的組件； 在傳導(dǎo)突起物(220 )組件和氣體擴(kuò)散電極(301)之間插入分配機(jī)械 壓縮力的可選元件(230 )，例如薄網(wǎng)或多孔片或打孔片。
圖3顯示了由單一金屬片獲得的多個(gè)傳導(dǎo)突起物的一個(gè)實(shí)施方 案，并且在本情形中由依據(jù)梳狀幾何平行排列的彈性彈簧接頭(221) 的組件構(gòu)成彈簧接頭成對排列，使得每兩個(gè)彈簧接頭從起始金屬片 的主面以相反方向突出。根據(jù)電解槽的尺寸，彈簧接頭(221)的單一 列可覆蓋整個(gè)活性表面，或可以并排設(shè)置更多的列，如本領(lǐng)域技術(shù)人 員知曉的那樣。
圖4顯示了由單一金屬片獲得的多個(gè)傳導(dǎo)突起物的優(yōu)選實(shí)施方 案在這種情形中突起物優(yōu)選是通過片的切割和成型獲得的四邊形單 瓦(222 )，可選直接焊接到剛性集流體(201)上，它們中的每個(gè)都 包含具有不同功能的元件例如，通過適當(dāng)?shù)恼郫B步驟，每個(gè)瓦獲得 具有約90°彎曲角的邊緣(223 )，以便賦予需要的剛度。多個(gè)適當(dāng) 間隔開的彈簧接頭(224 )充當(dāng)與氣體擴(kuò)散電極(301)的接觸元件， 多個(gè)孔(225 )有利于氣體的供給和循環(huán)，在這種情形中特別是指陰極 反應(yīng)需要的氧氣。焊接到剛性集流體(201 )的不同瓦優(yōu)選地排列成可 選偏移的平行列。
圖5顯示了圖4中所示由單一金屬片獲得的多個(gè)傳導(dǎo)突起物的優(yōu) 選實(shí)施方案的變體在這種情形中起始金屬片是打孔片，多個(gè)孑""5') 在包括彈簧接頭(224 )的瓦(222 )的整個(gè)主體上延伸。以這種方式 獲得增強(qiáng)的氣體供給，當(dāng)彈簧接頭(224 )被壓縮并在它們突起的地方 與所述片接觸時(shí)該供給有效，直到?jīng)_程結(jié)束。在制作期間也獲得少量 節(jié)約，由圖4中的瓦(222 )上所示的孔(225 )的獨(dú)立執(zhí)行構(gòu)成。瓦
的構(gòu)造還提供了進(jìn)一步的力學(xué)優(yōu)勢在突然的高陰極反壓力情形中(例 如因工藝條件控制的錯(cuò)誤，或者因元件操作或組裝的失誤)，由于GDE 在整個(gè)瓦表面上的緊靠，彈簧接頭不發(fā)生永久變形。在這種情形中， 本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，由打孔片獲得這些瓦對于確保在任何情況下的 正確氣體供給是更加重要的。
實(shí)施例1
依據(jù)圖2中的設(shè)計(jì)，為具有0. 161112有效面積的實(shí)驗(yàn)室用實(shí)驗(yàn)電解
槽裝配如下元件具備釕和鈦氧化物基催化涂層的鈦03八@陽極(302)、 由Dupont/USA供應(yīng)的Nafion N982離子交換膜(500 )、泡沫鎳滲濾 器、由借助銀基催化劑活化的銀網(wǎng)構(gòu)成的氣體擴(kuò)散電極。
電流饋送系統(tǒng)包含多個(gè)彈性傳導(dǎo)突起物，每個(gè)所述突起物由lmm 厚的鎳打孔片獲得的如圖5所示的瓦(222 )構(gòu)成。
在4kA/m2的電流密度和9(TC的溫度下，向電解槽陽極隔室供應(yīng)濃 度為210g/l的循環(huán)氯化鈉鹽水。陰極產(chǎn)物由向下流過滲濾器的32重 量％的苛性鈉構(gòu)成。在這些條件下，將設(shè)備上的工藝條件穩(wěn)定10天后， 檢測到2. 00至2. 05V的電解槽電壓。
實(shí)施例2
在相似條件下利用現(xiàn)有技術(shù)的電解槽重復(fù)實(shí)施例1的測試。因此， 顯著區(qū)別僅在于陰極電流饋送系統(tǒng)，其包括由鎳?yán)甙尻嚵袠?gòu)成的剛性 集流體結(jié)構(gòu)，所述鎳?yán)甙尻嚵泻附拥脚c商用鎳網(wǎng)結(jié)合的陰極后壁。
在與實(shí)施方案1相同的工藝條件下，在穩(wěn)定化10天后，檢測到 2. 10到2. 15V的電解槽電壓。
前面的描述并不意圖限制本發(fā)明，可以依據(jù)不同實(shí)施方案使用本 發(fā)明而不背離本發(fā)明的范圍，并且本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求限 定。
在本申請的說明書與權(quán)利要求中，術(shù)語"包含，，及其變體如"包 括，，、"含有"并不意圖排除其它要素或附加物的存在。
權(quán)利要求
1.電解槽，其類型為包含被離子交換膜分隔開的陽極隔室和陰極隔室的電解槽，至少所述隔室之一配備有具有兩個(gè)主面的氣體擴(kuò)散電極，所述氣體擴(kuò)散電極的第一主面面向所述膜并與適于電解液流穿過的平面多孔元件接觸，所述氣體擴(kuò)散電極的第二主面與電流分配器接觸，該電流分配器包含適于將所述氣體擴(kuò)散電極壓向所述平面多孔元件的多個(gè)彈性傳導(dǎo)突起物。
2. 權(quán)利要求1的電解槽，其中所述多個(gè)傳導(dǎo)突起物在氣體擴(kuò)散電 極上施加0. 1到0. 5kg/cm2的壓力。
3. 權(quán)利要求1或2的電解槽，其中包含所述多個(gè)傳導(dǎo)突起物的所 述電流分配器是通過金屬片的切割和成型獲得的。
4. 權(quán)利要求3的電解槽，其中所述多個(gè)傳導(dǎo)突起物是依據(jù)梳狀幾 何排列的彈簧接頭。
5. 權(quán)利要求4的電解槽，其中所述彈簧接頭以相鄰對排列，且每 個(gè)所述對中的彈簧接頭從所述金屬片的主面向相反的方向突出。
6. 權(quán)利要求3的電解槽，其中所述傳導(dǎo)突起物是可選為四邊形的 獨(dú)立瓦，所述瓦包含多個(gè)彈簧接頭和至少一個(gè)用于氣體循環(huán)的開口 。
7. 權(quán)利要求6的電解槽，其中所述瓦以可選偏移平行的列焊接到 剛性集流體。
8. 權(quán)利要求3到7中任一項(xiàng)的電解槽，其中所述金屬片具有0.5 到1. 5毫米的厚度。
9. 權(quán)利要求3到6中任一項(xiàng)的電解槽，其中所述金屬片是打孔片。
10. 權(quán)利要求3到9中任一項(xiàng)的電解槽，其中所述金屬片由鎳制成。
11. 權(quán)利要求10的電解槽，其中所述鎳片具有適于降低與所述突 起物相關(guān)的接觸電阻的涂層。
12. 前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的電解槽，其包含插入在所述電流分配器 和所述氣體擴(kuò)散電極之間的用于分配機(jī)械壓縮力的附加元件，所述附 加元件選自網(wǎng)、打孔片和多孔片。
全文摘要
描述了一種膜電解槽，該電解槽包含陽極隔室和陰極隔室，其中兩個(gè)隔室至少之一包括氣體擴(kuò)散電極，并且被電解液流穿過的平面多孔元件介于膜和氣體擴(kuò)散電極之間。通過電流分配器實(shí)現(xiàn)至氣體擴(kuò)散電極的電流輸送，該電流分配器具有將電極推向多孔元件的彈性傳導(dǎo)突起物。
文檔編號C25B9/08GK101370966SQ200780002409
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月16日
發(fā)明者D·歐達(dá)尼, F·費(fèi)德里科, L·卡勒廷, P·沃爾特林 申請人:烏德諾拉股份公司