用於滲濾電解槽的彈性電流分配器的製作方法

2023-09-17 00:40:35

專利名稱：用於滲濾電解槽的彈性電流分配器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於工業電解過程的電解槽，並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，其中一個或兩個隔 室配備有氣體擴散電極並且工藝電解液流過滲濾器或等效的多孔元件。
背景技術：
在下面的描述中，將提到適用於去極化的氯-鹼電解的電解槽，即 鹼金屬氯化物鹽水電解的過程，其中析氫陰極反應受到抑制從而有利
於氣體擴散陰極上的氧消耗反應，例如EP1033419所公開的；然而， 本發明並不局限於氯-鹼電解槽，其可用於任何採用氣體擴散電極的工 業電化學過程。
特別先進類型的去極化氯-鹼電解槽在本領域中是公知的，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，其中供應鹼金屬氯化物的濃鹽水 並包含具有析氯催化塗層的鈦陽極，並且陰極隔室由鎳陰極殼體限定； 該兩個隔室被陽離子交換膜分隔開。在工藝中產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，所述多孔元件一側與離子交換 膜接觸，另一側與氣體擴散陰極接觸。換句話說，當陽極是通過選自 本領域公知的適當金屬結構(例如肋板陣列)與陽極殼體電連接和機 械連接的剛性金屬元件時，陰極是由銀網、碳布或其它類型的非自支 撐等效結構獲得的薄多孔元件。因此，從陽極殼體的後壁至氣體擴散 電極的電流傳遞因提供更大移位接觸和能夠機械支撐電極的結構而必 然受到影響。為改善電化學性質，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的液體電解液的 同時允許電連續性。為滿足所有上述條件，現有技術的電解槽具有依 賴於兩種不同元件的電流饋送系統第一，構成陰極殼體一部分的剛 性集流體，其可由例如肋板陣列構成，如在陽極側；第二，位於剛性 集流體和氣體擴散電極之間的金屬絲網，在適當壓縮條件下，該金屬 絲網能夠將足夠的壓力傳遞至氣體擴散電極由此保證期望的電連續 性。等同方法用於改進傳統型氯-鹼電解槽，以使其適用於滲濾型去極 化過程，例如W0 03/102271的圖2所說明在這種情況下，初始的電 解槽陰極充當集流體，同時鎳絲網(彈性集流體)充當剛性集流體和 氣體擴散電極之間的電流傳輸的中間元件，所述初始電解槽陰極是本 領域中公知的由鎳或鋼製成的用於析氫的金屬電極。
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 業化二元件型電流傳輸系統事實上涉及過高成本和厚度、安裝困難 和絲網(特別是周圍區域)尺寸控制困難、難以控制變形和彈性力， 此外當然還存在增加接觸界面從而並不特別有利於歐姆電壓降，例如 絲網和氣體擴散電極之間的界面。

發明內容
本發明的一個目的是提供被離子交換膜隔開並且配備有用於電解 液循環的滲濾元件和氣體擴散電極的電解槽，克服了現有技術的局限。
在另一方面，本發明的一個目的是提供用於電解槽的改良電流饋 送系統，該電解槽具有氣體擴散電極和滲濾器。
本發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，其中所述兩個隔室至少之一配備有具有兩個主面的氣體擴散 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於將氣 體擴散電極壓向滲濾器的多個彈性傳導突起物。如WO/0157290所公 開，作為滲濾器，期望適合於液體流在重力作用下穿過的任何多孔平 面元件。在一個優選實施方案中，通過單一金屬片的切割和成型獲得
了代替現有技術中的剛性集流體_彈性集流體組件的電流分配器，例 如氯-鹼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，優選具有適於降低接觸電阻的塗層。該 片的鎳材料可以是按不同方式合金化的，例如選自通常可獲得的產品 的類別；選擇具有適用於製作彈簧的等級和力學性能(例如具有優異 的彈性)的鎳材料將證明是特別有利的。在一個特別簡單且有效的實 施方案中，能夠向電極施加足夠壓力的傳導突起物是成對排列的彈簧 接頭(tag),使得兩個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電極表面更有效和均勻的支 撐。上述方案適用於幾乎每種工藝條件的最佳電解槽設計；然而，使 用依據現有技術的絲網作為高電流密度下的接觸元件具有允許有效的 氣體循環的優點(例如去極化氯-鹼電解的情況，將氧氣有效供給氣體 擴散電極)，而這可能無法具有簡單的片狀結構。在這種情況下，特 別優選的實施方案提供了單瓦(tile)形式的傳導突起物，它們依次 包含一個或多個用於提供電接觸的彈簧接頭以及一個或多個便於氣體 通過的開口 。傳導突起物可以例如以沿整個電極表面分布的平行列i殳 置。
依據本發明的電流分配器適合於在優選0.1到Q. 5kg/cm2的壓力 下直接在氣體擴散電極表面上實現有效的電接觸，因此無需關於現有 技術系統的接觸界面(現有技術中，剛性集流體與彈性集流體耦合)； 另一方面，在本發明的一個實施方案中，可將用於分配機械壓縮力的 附加元件插入到電流分配器和氣體擴散電極之間，該附加元件由例如 薄網或多孔片或打孔片構成。在這種情況下，接觸界面的數目與現有 技術的相當，然而相應的電阻顯著低於使現有技術的幾乎無彈性絲網 與氣體擴散電極直接接觸所獲得的電阻。此外，本領域的技術人員容 易理解，電解槽的總厚度顯著更低。


將藉助附圖更詳盡地描述本發明，這些附圖僅限於舉例目的而不
意圖限定本發明。
-圖1顯示了依據現有技術的滲濾型去極化氯-鹼電解槽。
-圖2顯示了依據本發明的滲濾型去極化氯-鹼電解槽。 -圖3顯示了依據本發明的電流分配器的第一實施方案。 -圖4顯示了依據本發明的電流分配器的第二實施方案。 -圖5顯示了依據本發明的電流分配器的第三實施方案。
具體實施例方式
圖1顯示了依據現有技術的滲濾型去極化氯-鹼電解槽，其包含被 離子交換膜(500 )分隔開的一個陽極隔室和一個陰極隔室。陰極隔室 由陰極後壁(101)限定，與依賴於兩種不同元件的電流饋送系統接觸， 剛性集流體(201)構成其一部分，而彈性集流體(210)由例如鎳制 成的絲網構成。陰極(301 )由供有氧的多孔氣體擴散電極構成， 一側 與絲網(210)接觸，另一側與在重力作用下被電解液流穿過的平面多 孔元件構成的滲濾器(400 )接觸。充當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定距離。陽極(302 )通常包含由網或 多孔片或打孔片構成的鈦基板，或可選由兩個這樣的元件疊置構成的 鈦基板；陽極基板具有現有技術中公知的用於氯析出的催化塗層。陽 極(302 )和陽極隔室後壁(102 )之間的電連續性由剛性集流體(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、具有適當間隔的孔穴(gopher)的片或者本領域技術人 員公知的其它類型的集流體構成。圖2顯示了依據本發明的滲濾型去 極化氯-鹼，其中與圖1的電解槽相同的元件採用相同的參考數字標 注。
電流饋送系統由多個傳導突起物(220 )構成，例如適用於將氣體 擴散電極(301)壓向滲濾器(400 )的彈簧或彈性彈簧接頭的組件； 在傳導突起物(220 )組件和氣體擴散電極(301)之間插入分配機械 壓縮力的可選元件(230 )，例如薄網或多孔片或打孔片。
圖3顯示了由單一金屬片獲得的多個傳導突起物的一個實施方 案，並且在本情形中由依據梳狀幾何平行排列的彈性彈簧接頭(221) 的組件構成彈簧接頭成對排列，使得每兩個彈簧接頭從起始金屬片 的主面以相反方向突出。根據電解槽的尺寸，彈簧接頭(221)的單一 列可覆蓋整個活性表面，或可以並排設置更多的列，如本領域技術人 員知曉的那樣。
圖4顯示了由單一金屬片獲得的多個傳導突起物的優選實施方 案在這種情形中突起物優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，它們中的每個都 包含具有不同功能的元件例如，通過適當的摺疊步驟，每個瓦獲得 具有約90°彎曲角的邊緣(223 )，以便賦予需要的剛度。多個適當 間隔開的彈簧接頭(224 )充當與氣體擴散電極(301)的接觸元件， 多個孔(225 )有利於氣體的供給和循環，在這種情形中特別是指陰極 反應需要的氧氣。焊接到剛性集流體(201 )的不同瓦優選地排列成可 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傳導突起物的優 選實施方案的變體在這種情形中起始金屬片是打孔片，多個孑""5') 在包括彈簧接頭(224 )的瓦(222 )的整個主體上延伸。以這種方式 獲得增強的氣體供給，當彈簧接頭(224 )被壓縮並在它們突起的地方 與所述片接觸時該供給有效，直到沖程結束。在製作期間也獲得少量 節約，由圖4中的瓦(222 )上所示的孔(225 )的獨立執行構成。瓦
的構造還提供了進一步的力學優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誤，或者因元件操作或組裝的失誤)，由於GDE 在整個瓦表面上的緊靠，彈簧接頭不發生永久變形。在這種情形中， 本領域技術人員清楚，由打孔片獲得這些瓦對於確保在任何情況下的 正確氣體供給是更加重要的。
實施例1
依據圖2中的設計，為具有0. 161112有效面積的實驗室用實驗電解
槽裝配如下元件具備釕和鈦氧化物基催化塗層的鈦03八@陽極(302)、 由Dupont/USA供應的Nafion N982離子交換膜(500 )、泡沫鎳滲濾 器、由藉助銀基催化劑活化的銀網構成的氣體擴散電極。
電流饋送系統包含多個彈性傳導突起物，每個所述突起物由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濃 度為210g/l的循環氯化鈉鹽水。陰極產物由向下流過滲濾器的32重 量％的苛性鈉構成。在這些條件下，將設備上的工藝條件穩定10天後， 檢測到2. 00至2. 05V的電解槽電壓。
實施例2
在相似條件下利用現有技術的電解槽重複實施例1的測試。因此， 顯著區別僅在於陰極電流饋送系統，其包括由鎳肋板陣列構成的剛性 集流體結構，所述鎳肋板陣列焊接到與商用鎳網結合的陰極後壁。
在與實施方案1相同的工藝條件下，在穩定化10天後，檢測到 2. 10到2. 15V的電解槽電壓。
前面的描述並不意圖限制本發明，可以依據不同實施方案使用本 發明而不背離本發明的範圍，並且本發明的範圍僅由所附權利要求限 定。
在本申請的說明書與權利要求中，術語"包含，，及其變體如"包 括，，、"含有"並不意圖排除其它要素或附加物的存在。
權利要求
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主面的氣體擴散電極，所述氣體擴散電極的第一主面面向所述膜並與適於電解液流穿過的平面多孔元件接觸，所述氣體擴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於將所述氣體擴散電極壓向所述平面多孔元件的多個彈性傳導突起物。
2. 權利要求1的電解槽，其中所述多個傳導突起物在氣體擴散電 極上施加0. 1到0. 5kg/cm2的壓力。
3. 權利要求1或2的電解槽，其中包含所述多個傳導突起物的所 述電流分配器是通過金屬片的切割和成型獲得的。
4. 權利要求3的電解槽，其中所述多個傳導突起物是依據梳狀幾 何排列的彈簧接頭。
5. 權利要求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. 權利要求3的電解槽，其中所述傳導突起物是可選為四邊形的 獨立瓦，所述瓦包含多個彈簧接頭和至少一個用於氣體循環的開口 。
7. 權利要求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. 權利要求3到7中任一項的電解槽，其中所述金屬片具有0.5 到1. 5毫米的厚度。
9. 權利要求3到6中任一項的電解槽，其中所述金屬片是打孔片。
10. 權利要求3到9中任一項的電解槽，其中所述金屬片由鎳製成。
11. 權利要求10的電解槽，其中所述鎳片具有適於降低與所述突 起物相關的接觸電阻的塗層。
12. 前述權利要求任一項的電解槽，其包含插入在所述電流分配器 和所述氣體擴散電極之間的用於分配機械壓縮力的附加元件，所述附 加元件選自網、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，其中兩個隔室至少之一包括氣體擴散電極，並且被電解液流穿過的平面多孔元件介於膜和氣體擴散電極之間。通過電流分配器實現至氣體擴散電極的電流輸送，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 優先權日2006年1月16日
發明者D·歐達尼, F·費德裡科, L·卡勒廷, P·沃爾特林 申請人:烏德諾拉股份公司