專利名稱：用于電解處理的基本小室和相關組合電解器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電解處理領域，具體地，涉及用于電解處理的基本小室 (elementary cell)和相關組合電解器。
背景技術：
例如用于生產(chǎn)氫氣和氧氣的水電解、和特別是針對生產(chǎn)氯氣、苛性鈉和氫氣的氯 化鈉鹽水的堿鹽水的電解的工業(yè)電解處理通常在圖1中示出的一類電解器中進行，其中， 附圖標記表示1、電解器；2、基本小室，其組合排列構成了電解器；3和4、分別是到外部整 流器的正極和負極的連接；5、多個基本小室的支架，其可以位于電解器的下面或可供替換 地被形成為懸臂的形狀，所述懸臂沿電解器的側(cè)面成對放置；6和7、為通過拉桿或液壓千 斤頂(圖中未示出)施加的壓力，其與外周襯墊(圖中未示出) 一起確保處理液體與環(huán)境 的緊密密封，并且在一些類型的電解器中也旨在提高各個小室之間的電氣連續(xù)性。該電解 器也配備有允許提供要被電解的溶液并回收產(chǎn)物和殘留的廢溶液的合適的噴嘴和液壓連 接(為了更好地可讀性也在圖中省略了)。 圖2表示與負極相連接的電解器的終端部分沿箭頭8指示的方向所取的截面，其 示出了根據(jù)工業(yè)實踐的普通設計的終端元件和多個單獨的雙極元件。附圖標記表示 9、終端陰極元件，其包括壁10和由陰極垂直帶12支撐的包括穿孔板或網(wǎng)狀物的 陰極ll; 13、單獨的雙極元件，其包括壁10、和分別由陰極和陽極垂直帶12和15支撐的包 括穿孔板或網(wǎng)狀物的陰極11和陽極14 ; 16和17、在外部拉桿或千斤頂產(chǎn)生的壓迫下固定分離器18(例如多孔膜或離子交 換膜)的外周襯墊，其確保陰極和陽極小隔間中包含的電解液和電解產(chǎn)物與環(huán)境之間的緊 密密封。 在圖2中，分別示出了各個內(nèi)部組件以用于更好地理解；在實踐中，分離器18與支 撐分離器18的陽極14相接觸，而陰極11被間隔開例如l-2mm的間隙?？紤]到可能具有高 l-1.5米，長2-3米的雙極元件13的大小，很明顯如何獲得陰極和陽極的所需的平面性和平 行性使構造具有很大的難度。此外，電解器1的組裝需要操作人員特別小心，操作人員必須 執(zhí)行一系列操作，包括周期性地重復以下步驟在相關支架上垂直放置兩面都通過粘合固 定有所需的外周襯墊的雙極元件，其中陽極表面面向操作者；然后將分離器應用到陽極表 面和襯墊上在這樣的組裝程序的難點中，要注意的是分離器向下滑動的趨勢，其使得分離 器的精準定位復雜化，并且必須保持不同的雙極元件的相互對準。位于支架之上的多個雙 極元件最終被外部拉桿或液壓千斤頂壓迫，從而確保對于外部環(huán)境所需的緊密密封在這 個階段，各個雙極元件的任何微小的未對準或分離器的甚至很小的滑動都可能導致后者的 損壞，阻礙其常規(guī)功能。即使當這沒有發(fā)生時，從關于陰極到陽極平行性和相關間隙的容差 的可能的偏離引起電流分布的不均，從而給電解的質(zhì)量和分離器的壽命帶來負面影響，尤 其是當后者包括離子交換膜時。此外，在雙極元件和/或分離器出現(xiàn)故障的情況下，更換介入物使得由外部拉桿或液壓千斤頂施加的壓迫被釋放，從而導致雙極元件有可能關于分離 器相互滑動這種情況可以在隨后重新壓緊拉桿或液壓千斤頂?shù)倪^程中導致另外的損壞。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是通過提供保證陰極和陽極的所需的平面性和平
行性并防止分離器的未對準或錯誤定位的設計來改進膜型電解器的結(jié)構，由此增強對外部
環(huán)境的緊密密封和電流分布的均勻性，同時保持組裝操作的簡單和直接性。 為了解決上述問題，本實用新型提供了一種基本電解小室，包括通過外周螺栓和
外周陰極襯墊、外周陽極襯墊和分離器的插入相互固定的陰極殼和陽極殼，所述陰極殼包
含其形式為固定在垂直內(nèi)部陰極帶上的穿孔板或網(wǎng)狀物的電流分配器、與所述電流分配器
電接觸并且與所述分離器均勻接觸的其形式為穿孔板或網(wǎng)狀物的柔性陰極，位于所述電流
分配器和所述柔性陰極之間的導電彈性元件；所述陽極殼包括與固定在垂直內(nèi)部陽極帶上
的所述分離器均勻接觸的其形式為穿孔板或網(wǎng)狀物的陽極、和與內(nèi)部陽極帶直接對應地在
外部定位的導電陽極接觸帶。 優(yōu)選地，所述分離器是離子交換膜，所述陰極殼、所述剛性電流分配器、所述陰極 帶、所述陰極和所述彈性元件由鎳制成，所述陽極殼、所述內(nèi)部陽極帶和所述陽極由鈦制 成，所述外部陽極接觸帶由涂覆有鎳層的鈦制成。 本實用新型還提供一種包括多個上述單獨預組裝的基本小室的組合排列的電解 器。 通過本實用新型，確保了電解處理更好的質(zhì)量和更長的分離器壽命。
圖1示出了通常用于工業(yè)電解處理的一類電解器； 圖2示出了圖1所示的電解器的終端部分的截面圖； 圖3示出了根據(jù)本實用新型的電解器的截面圖；以及 圖4示出了圖3所示的單獨小室的頂視圖。
具體實施方式圖3示出了一種不同的類型的電解器的負終端部分沿箭頭8指示的方向所取的截 面。在這種情況下，電解器由多個根據(jù)單一小室型設計的單獨小室19形成。每個單獨小室 19都包括兩個殼， 一個陰極殼20和一個陽極殼21 ，其通過沿外部周界設置的一連串螺栓22 相互壓緊在螺栓產(chǎn)生的壓迫下，陰極襯墊23和陽極襯墊24將分離器25固定在其之間， 從而確保與外部環(huán)境的緊密密封。兩個殼20和21設有分別由26和27指示的陰極和陽極 垂直內(nèi)部帶，在其上分別固定陰極穿孔板或網(wǎng)狀物28和陽極穿孔板或網(wǎng)狀物29，以及最后 是對應于陰極和陽極內(nèi)部帶放置在陽極殼21的外表面上的垂直接觸帶30，其旨在確保電 解器的各個單獨小室之間的電氣連續(xù)性。如在圖2中的情況，為了更好地理解小室內(nèi)部結(jié) 構，圖3的陰極、陽極和分離器被表示為分離的元件在實踐中，分離器與支撐陽極相接觸， 而陰極間隔有預定的有限的間隙。單一小室型的每個單獨小室還包括與接觸帶30對齊并 且由電絕緣材料構成的一連串隔離片31和32，所述電絕緣材料優(yōu)選為PTFE，這是由于其化學惰性。隔離片31和32的功能極為重要，并且具體體現(xiàn)出了單一小室設計的特征在外部 拉桿或液壓千斤頂壓迫的作用下，厚度被仔細校準過(厚度被設定為例如l-2mm，機械容差 在O. lmm以下)的隔離片將分離器相互固定而不將其損壞，允許調(diào)整外周襯墊壓迫并導致 結(jié)構的臨界偏差，從而即使在與構造性容差偏移一致的情況下也確保以實際恒定和預定的 間隙的很好的平行性。此外，隔離片允許將外部拉桿或液壓千斤頂?shù)臋C械負荷集中在外部 接觸帶上，從而產(chǎn)生足夠保證將電阻最小化的壓力。其上施加了隔離片壓力的陽極表面部 分當然被適當?shù)刈兤揭苑乐箵p壞分離器。 上述示例性設計的優(yōu)點主要由沿水平位置單獨組裝的每個單一小室的可能性而 給出，在設備的組裝部分水平位置大大地方便了殼、襯墊、隔離片、尤其是分離器的相互定 位。一旦組裝操作以外周螺栓的鎖合作為結(jié)束，單一小室被放置在支架上；并且一旦已放置 全部的多個單獨小室，該組裝體在外部拉桿或液壓千斤頂?shù)淖饔孟卤还潭?，從而達到各個 小室之間的電氣連續(xù)性以及陰極和陽極之間的預定間隙的平行性。最終，單一小室設計可 以防止對分離器的任何損壞，并且通過陰極和陽極之間的預定間隙的平行性而達到電流的 均勻分布，從而確保電解處理更好的質(zhì)量和更長的分離器壽命。此外，在單一小室出現(xiàn)故障 的情況下，在這種情況下的維護程序也需要釋放由外部拉桿或液壓千斤頂施加的壓力，但 無需打開單獨小室，從而各個內(nèi)部組件的內(nèi)部器材不被觸摸因此，用于更換故障的單一小 室的可能的介入物在隨后的拉桿或液壓千斤頂?shù)墓潭A段不帶來任何損壞。陰極_陽極間 隙被設定為約l-2mm的上述示例性技術，在工業(yè)實踐中的特征為到目前為止被認為滿意的
每單位產(chǎn)物的具體電能消耗然而，電能的價格的不斷上升推動了能夠明顯節(jié)約電能的新設計。 此后示例的新的單一小室設計通過如圖4所示減小陰極到陽極的間隙達到了這 個目標，圖4示出了單獨小室的頂視圖。與圖3所示相同的元件(殼、外周襯墊、分離器、陽 極垂直帶、陽極和接觸帶)由相同的附圖標記表示；不同的元件包括固定有穿孔板或網(wǎng)狀 物34的降低的陰極帶33、彈性元件35、以及作為陰極的薄穿孔板或柔性平面網(wǎng)狀物36，所 述彈性元件35例如包括并置的兩個或更多成波紋狀的導電金屬織物，或包括從一個或更 多金屬線獲得的互穿線圈形成的墊子。陰極垂直帶33的降低可以為放入彈性元件35產(chǎn)生 必要的空間。當預組裝的小室被安裝到支架上并經(jīng)受由拉桿或液壓千斤頂施加的壓力時， 板或網(wǎng)狀物34壓迫彈性元件35，從而向由陽極29支撐的分離器25壓迫陰極36。元件35 的彈性確保了陰極36與分離器保持連續(xù)和均勻的接觸，而與陽極29和板或網(wǎng)狀物34的理 想平面性和平行性的不可避免的小的偏離無關，所述分離器實際上充當了到彈性元件并且 對于跨過后者到柔性陰極的電流分配元件。以這種方式，保證了在操作期間電流是以均勻 的方式分布的，從而能量消耗所取決的單獨小室電壓被最小化了。在圖4中可以注意到，彈 性元件35的使用使得消除了具有明顯風險的隔離片31和32，所述風險為對應于與板或 網(wǎng)狀物34和陽極29的平行性的偏離，可以產(chǎn)生分離器25對陽極的過大的壓迫，從而損壞 膜。如果板或網(wǎng)狀物34和陽極29被加固以增加其剛性和/或如果相鄰陰極帶33和陽極 帶27之間的距離減小，則該風險可以被降低但這兩種措施都意味著對于增加的材料使用 的額外成本，并因此需要增加接觸帶30的數(shù)量。 一個可供選擇的實施例提供了僅增加板或 網(wǎng)狀物34的厚度，從而通過在每一對陽極帶27之間放入V形垂直元件37來確保所需的陽 極剛性垂直元件37可以由塑料材料制成，在該情況下其被強制性地插入；或由金屬制成，
5在該情況下選擇地通過焊點來固定。元件37的頂點38作為陽極29的板或網(wǎng)狀物的線性 鄰接表面，從而陽極29的偏離被大大減小而不必須增加其厚度、或陽極帶及相應的接觸帶 的數(shù)量。如果尺寸適當，元件37也可以有益地充當內(nèi)部再循環(huán)促進器。最終，元件37的邊 緣有助于部分地釋放由彈性元件35施加到陽極帶27的根部以及接觸帶30的根部的壓力， 從而有效地有助于保持每一對相鄰小室之間的低接觸電阻。 這種使用了以連接到彈性元件的、柔性平面板或網(wǎng)狀物形式的陰極的陰極與陽極 零間隙設計的應用特別適合于單一小室型技術，其中，如所討論的一樣，可以在進行定位到 電解器支架之前執(zhí)行小室的預組裝。具體地講，借助沿水平位置的小室實現(xiàn)在相關組裝設 備部分執(zhí)行的預組裝因此除分離器這一個以外，還大大幫助了對陰極和相關彈性壓力元 件的定位。相反，包括多個雙極元件的圖2中的電解器類型的應用變得非常有問題，這是因 為除了已經(jīng)提到過的分離器滑動和雙極元件未對齊的風險之外，可能會發(fā)生陰極滑動和彈 性元件向下偏移和滑動的不便因此，在將多個雙極元件與相關襯墊、分離器、陰極和彈性 元件固定的同時，可能會發(fā)生壓力分布的異常，從而對隨后運行的規(guī)律性產(chǎn)生負面影響。 使用連接到彈性壓力元件的陰極的陰極與陽極零間隙的設計的功效在用于膜氯 堿電解的試驗性電解器中被驗證。該電解器配備有在水平位置預組裝并且隨后被安裝在其 支架上的八個單一小室。該小室具有標準的工業(yè)大小(1.2米高、2.7米長)，每一個都包括 由鎳制成的陰極殼作為相關內(nèi)部組件(陰極帶、作為電流分配器的剛性網(wǎng)狀物、包括通過 互穿直徑約為0. 2mm的雙線線圈形成的0. 6m高、2. 7m長的兩個墊子的彈性元件、和設有用 于制氫的催化劑涂層的柔性平面陰極)、由鈦制成的陽極殼作為相關內(nèi)部組件(陽極帶、V 形支撐元件、設有用于制氯的催化劑涂層的陽極、由鈦制成的、涂覆有鎳薄膜以將接觸電阻 最小化的外部接觸帶)、耐化學性橡膠制成的襯墊和由DuPont/USA生產(chǎn)的N2030型陽離子 交換膜。電解器在210g/l的出口濃度、在9(TC和5kA/m2的電流密度下具有重量為32%的 苛性鈉、氯化鈉鹽水下操作。在約一周的穩(wěn)定期之后，小室的特征為2. 90V的平均電壓，其 在6個月的操作之后基本不變，此時中止電解并且兩個單一小室從其支架上被取下、打開、 并且對其組件進行視覺檢查。該檢查未證明任何顯著的改變，尤其是呈現(xiàn)為表面的兩個膜， 該表面實際上沒有由陰極的異常壓迫而產(chǎn)生的褶皺或其它痕跡。兩個小室被重新組裝并再 次安裝到隨后被啟動的電解器的支架上。包括被檢查過的兩個小室的單一小室的電壓回到 了斷電之前的值。作為對比，在配備有具有相同結(jié)構的小室但沒有壓力墊子，并且其特征為 陰極與陽極間隙為1. 5mm的電解器的情況下，根據(jù)圖3的結(jié)構，具有相同膜和操作條件的平 均小室電壓約為3. 15V，對應于明顯的增加的約170kWh每噸苛性鈉產(chǎn)物的能量消耗。
權利要求一種基本電解小室，其特征在于，包括通過外周螺栓和外周陰極襯墊、外周陽極襯墊和分離器的插入相互固定的陰極殼和陽極殼，所述陰極殼包含其形式為固定在垂直內(nèi)部陰極帶上的穿孔板或網(wǎng)狀物的電流分配器、與所述電流分配器電接觸并且與所述分離器均勻接觸的其形式為穿孔板或網(wǎng)狀物的柔性陰極，位于所述電流分配器和所述柔性陰極之間的導電彈性元件；所述陽極殼包括與固定在垂直內(nèi)部陽極帶上的所述分離器均勻接觸的其形式為穿孔板或網(wǎng)狀物的陽極、和與內(nèi)部陽極帶直接對應地在外部定位的導電陽極接觸帶。
2. 根據(jù)權利要求1所述的小室，其特征在于，所述陽極還被在每一對所述內(nèi)部陽極帶之間放入的V形元件的頂點支撐。
3. 根據(jù)權利要求1所述的小室，其特征在于，所述彈性元件包括至少兩個并置的并且成波紋狀的織物。
4. 根據(jù)權利要求1所述的小室，其特征在于，所述彈性元件包括互穿線圈的墊子。
5. 根據(jù)權利要求3所述的小室，其特征在于，所述互穿線圈由至少兩根金屬線形成。
6. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的小室，其特征在于，所述分離器是離子交換膜，所述陰極殼、所述剛性電流分配器、所述陰極帶、所述陰極和所述彈性元件由鎳制成，所述陽極殼、所述內(nèi)部陽極帶和所述陽極由鈦制成，所述外部陽極接觸帶由涂覆有鎳層的鈦制成。
7. —種包括多個根據(jù)上述權利要求中任一項所述的單獨預組裝的基本小室的組合排列的電解器。
專利摘要本實用新型涉及一種用于電解處理的基本小室和相關組合電解器。適合于氯堿電解的、設有分離器的電解小室具有平面柔性陰極和支撐分離器的包括穿孔板或網(wǎng)狀物的陽極，所述陰極通過被電流分配器按壓彈性導電元件而與分離器保持接觸。該小室適合于被單獨地預組裝，并且被用作形成電解器的組合排列的基本單元，僅所述電解器的終端小室與電源相連接；相鄰小室之間的電氣連續(xù)性是通過固定在限定每個小室的殼的外部陽極壁上的導電接觸帶來確保的。在確保接觸帶上的合適的機械負載的同時，陰極電流分配器和陽極結(jié)構的剛性和導電元件的彈性共同用于以同樣的壓力分布保持陰極與分離器的均勻接觸。
文檔編號C25B9/18GK201439544SQ200920007769
公開日2010年4月21日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權日2008年11月17日
發(fā)明者A·帕斯奎努奇, A·歐塔維尼, D·奧爾達尼, F·費德瑞寇, M·佩里戈 申請人:烏德諾拉股份公司