ЭЛЕКТРОЛИЗНАЯ ЯЧЕЙКА С ПРУЖИНЯЩИМИ УДЕРЖИВАЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ELECTROLYSIS CELL WITH SPRING-LOADED RETAINING ELEMENTS

Данное изобретение относится к электролизной ячейке, содержащей анодную камеру и катодную камеру, отделенные друг от друга ионообменной мембраной, причем электролизная ячейка имеет, кроме того, анод, газодиффузионный электрод и катодный распределитель тока, причем анод, ионообменная мембрана, газодиффузионный электрод и катодный распределитель тока располагаются в указанной последовательности соответственно в прямом контакте, соприкасаясь друг с другом, и, причем, на другой стороне анода и/или другой стороне катодного распределителя тока расположены пружинящие удерживающие элементы, оказывающие давление прижима на анод и/или на катодный распределитель тока.
Данное изобретение относится, в частности, к электролизным ячейкам в электролизерах, работающих по технологии ODC (кислородная деполяризация катода) с кислородной деполяризацией катода. В обычном в настоящее время производстве хлора с помощью хлор - щелочного электролиза или электролиза соляной кислоты желаемый основной продукт хлор образуется на аноде в соответствии со следующим уравнением:
-
-
2
2CI → Cl + 2e
На катоде образуется водород в качестве побочного продукта согласно:
2
2
-
-
4 НО + 4e → 2 H + 4 ОН,
или при электролизе соляной кислоты:
+
-
2
2 Н + 2e → H
При использовании газодиффузионного электрода и кислорода в качестве дополнительного компонента реакции при электролизе соляной кислоты происходит следующая реакция:
Данное изобретение относится, в частности, к электролизным ячейкам для электролиза соляной кислоты с кислородной деполяризацией катода, называемой в английском языковом пространстве "кислородной деполяризацией катода" (сокращенно - „ODC"), согласно приведенному выше уравнению. При этой технологии "HCI ODC" электролизеры выполняли до настоящего времени, как правило, с определенным зазором между анодным электродом и прилегающей, вследствие рабочего давления к катоду с кислородной деполяризацией, мембраной. Так как все внутренние компоненты ячеек выполняют неподвижными, их допуск рассчитывают на получаемый зазор для предотвращения слишком сильного сжатия.
Из технологии NaCl (хлор - щелочного элетролиза) известны разные формы для достижения так называемой конфигурации "с нулевым зазором", при которой анодный электрод и катодный электрод имеют непосредственный контакт с мембраной. Эти решения работают с передачей электрического тока между неподвижными и гибкими никелевыми конструктивными элементами посредством контакта с прилеганием. Однако вследствие вызывающих коррозию условий в ячейке хлористо - водородной кислородной деполяризации катода, этот принцип нельзя перенести на этот тип ячейки. Поэтому там используют титановые сплавы, образующие при контакте с рабочей средой плотный слой окиси и создают, вследствие этого, устойчивость относительно рабочей среды. Однако этот слой окиси имеет изолирующий эффект, поэтому в данном случае непосредственный контакт со временем может выходить из строя.
В конфигурации "с нулевым зазором" в первую очередь, ожидается, что элементы можно эксплуатировать при одинаковой плотности тока при меньшем рабочем напряжении. Кроме того, в случае меньшей концентрации HCI на анодной стороне ожидается, что рабочее напряжение ячеек растет меньше, чем при обычной форме, так как влияние проводимости рабочей среды играет меньшую роль в конфигурации " с нулевым зазором".
Из публикации WO 03/014419 A2 известен электролизер для электрохимического производства хлора, в котором анод, катионообменная мембрана, газодиффузионный электрод и токоприемник удерживаются вместе настолько гибко, что между отдельными компонентами не возникает зазор. Упругого сцепления достигают посредством упругой фиксации токоприемника в катодной раме или анода в анодной раме. При этом используются удерживающие элементы, выполненные в виде пружинных элементов и продолжающихся, например, в катодном пространстве между задней стенкой и токоприемником. Используются спиральные пружины, которые фиксированы, с одной стороны, своим одним концом с помощью Z - образных профилей к задней стенке, а с другой стороны, производят давление прижима своим другим концом в своем осевом направлении на токоприемник. Эти спиральные пружины продолжаются своим осевым направлением в поперечном направлении электролизной ячейки, в частности, перпендикулярно к плоскости электродов.
В документе US 2009/0050472 A1 описывается электролизная ячейка с анодной камерой и катодной камерой, отделенными друг от друга ионообменной мембраной, причем электролизная ячейка имеет, кроме того, газодиффузионный электрод. Компоновка отдельных компонентов в электролизной ячейке такое, что ионообменная мембрана следует за анодом, затем перколятор, затем катод, упругий токоприемник и задняя стенка катода. Говоря об электролизной ячейке речь идет о хлор - щелочной ячейке с кислородной деполяризацией катода. Используемый в ней упругий токоприемник состоит из некой никелевой подстилки. Альтернативно можно использовать токоприемник с упруго пружинящими язычками в компоновке в виде гребня или с фиксированными с одной стороны выступающими пружинящими пластинами, нажимающими на катод или на анод и прижимающими их к ионообменной мембране.
В документе DE 10 2007 042 171 A1 описывается электролизная ячейка, в которой на анодной стороне предусмотрены пневматические механизмы давления, образованные пневматическими надуваемыми напорными шлангами. Эти напорные шланги соединены с пневматической системой и надуваются до необходимой величины давления. Напорные шланги состоят из силиконового каучука и, следовательно, не проводят электричество. Давление прижима производится посредством находящегося под давлением рабочего агента. Такие напорные шланги не состоят из материала, который по меньшей мере частично пластически деформируется под воздействием давления прижима.
Задачей настоящего изобретения является создание электролизной ячейки с признаками указанного в начале типа, в которой обеспечивается эффективный механический прижим ионообменной мембраны к катоду с кислородной деполяризацией для создания конфигурации "с нулевым зазором" (конфигурация "с нулевым зазором").
Решение вышеуказанной задачи обеспечивается электролизной ячейкой, охарактеризованной признаками пункта 1 формулы изобретения.
Согласно изобретению предусмотрено, что пружинящие удерживающие элементы содержат кольцевые элементы или по меньшей мере один трубчатый участок, ось которого направлена в направлении по высоте или в продольном направлении электролизной ячейки. Таким образом, предлагаемое согласно изобретению решение существенно отличается приведенного выше уровня техники, так как в уровне техники используются пружинящие элементы, допускаемые также, как и спиральные пружины и которые расположенные в электролизной ячейке так, что их оси продолжается а поперечном направлении электролизной ячейки.
Кроме того, удерживающие элементы, в частности, их кольцевые элементы или трубчатые участки испытывают в электролизной ячейке, наряду с упругой деформацией, по меньшей мере частично, пластическую деформацию и выполнены упруго - пластично пружинящими. Такая пластическая деформация возникает при давлении прижима, так как кольцевые элементы или трубчатые участки в электролизной ячейке подвергаются сжатию в радиальном направлении. При вышеуказанной пластичной деформации речь идет о продолжительной деформации, например, радиальной деформации при сжатии кольцевых элементов при радиальном воздействии. Это нужно отличать от известных из уровня техники решений, при которых используются, например, подобные спиральной пружине элементы, хотя временно и деформирующиеся, в частности, при давлении сжатия, но, благодаря упругости, при ослаблении усилия сжатия снова возвращаются в состояние до деформации, вследствие чего снова принимают свою первоначальную форму.
Протяженность электролизной ячейки в трех перпендикулярных друг к другу направлениях в пространстве определена в данной заявке так, что направление, параллельное к чаще всего плоским электродам и плоской мембране, называется продольным направлением. Направление, перпендикулярное к продольному направлению, также параллельное к протяженности плоских электродов, в электролизной ячейке от нижнего конца к верхнему концу, называют направлением по высоте. Направление поперек к электродам, в частности, в направлении нормали к плоскости к электродам и к мембране, вследствие этого, поперек к продольному направлению и направлению по высоте, называют поперечным направлением.
Предлагаемые согласно изобретению электролизные ячейки могут иметь, таким образом, например, почти прямоугольную основную форму, причем, как правило, протяженность электролизной ячейки в определенном выше поперечном направлении меньше, чем протяженность в продольном направлении. Кроме того, в поперечном направлении электролизера расположены, предпочтительно, несколько электролизных ячеек в последовательном соединении, рядом друг с другом или друг за другом так, что за катодной камерой одной ячейки всегда соответственно следует анодная камера следующей электролизной ячейки при последовательном соединении, причем между катодной камерой первой электролизной ячейки и анодной камерой следующей соседней электролизной ячейки соответственно расположена ионообменная мембрана.
Предпочтительный усовершенствованный вариант предлагаемого согласно изобретению решения задачи предусматривает, что кольцевые элементы или трубчатый участок пружинящих удерживающих элементов расположены между анодом и катодным распределителем тока так, что они подвергаются сжатию в радиальном направлении. Это значит, что радиальное направление кольцевых элементов соответствует в предлагаемом согласно изобретению решении поперечному направлению электролизной ячейки, в частности, направлению, в котором желателен прижим ионообменной мембраны к катоду с кислородной деполяризацией. Таким образом, кольцевой элемент или трубчатый участок гибкий в своем радиальном направлении. Прижим плоской структуры мембраны / электрода выполняется посредством подпружинивания кольцевых элементов или трубчатых участков в их радиальном направлении, причем достигают перемещения электрода в направлении задней стенки камеры без одновременного поперечного смещения, так как в случае последнего существовала бы опасность повреждений мембраны.
Однако альтернативно, в рамках изобретения также возможно располагать пружинящие удерживающие элементы в электролизной ячейке в анодной камере и/или в катодной камере так, что они продолжаются также своей осью не в направлении в высоту, а в продольном направлении электролизной ячейки. В этом случае выполненные предпочтительно упруго - пластично пружинящими удерживающие элементы подвергались бы сжатию в радиальном направлении.
При этом согласно усовершенствованному варианту изобретения, кольцевые элементы или трубчатый участок удерживающих элементов в электролизной ячейке при прижимании испытывают, наряду с упругой деформацией, по меньшей мере частично также пластичную деформацию. В данном случае под пластичной деформацией понимают остаточную деформацию материала, при котором действующее в материале напряжение превышает предел растяжения или 0,2 % - ный предел прочности при растяжении материала. В этом случае удерживающие элементы согласно данному изобретению демонстрируют упруго-пластичные свойства. Поэтому далее в данной заявке говорится также об упруго-пластичных удерживающих элементах и упруго-пластичных кольцевых элементах. Кольцевые элементы или трубчатые участки достигают прижима плоской структуры мембраны/электрода посредством упруго - пластичного подпружинивания в их радиальном направлении. Это значит, что при демонтаже электролизной ячейки можно определять тогда также длительную незначительную деформацию кольцевых элементов или трубчатых участков, что, однако, опять же можно исправить, в свою очередь, при необходимости механической коррекцией, в частности, например, в процессе правки в ремонтной мастерской, так чтобы затем снова стало возможным пластическое деформирование кольцевых элементов или трубчатых участков в электролизной ячейке.
По меньшей мере частичная пластическая деформация кольцевого элемента или трубчатого участка эффективно предотвращает чрезмерное давление на мембрану. Кольцевой элемент или трубчатый участок могут оказывать только определенное максимально предельное усилие, поскольку перед превышением этого предельного усилия возникает остаточная деформация.
Пружинящие удерживающие элементы содержат кольцевые элементы или по меньшей мере один трубчатый участок, испытывающие в электролизной ячейке, наряду с гибкой деформацией по меньшей мере частично пластичную деформацию и выполнены упругими и пластично пружинящими.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту данного изобретения, упругие и пластично пружинящие удерживающие элементы могут иметь, например, множество расположенных соответственно параллельно друг к другу и соединенных на расстоянии друг с другом кольцевых элементов. Например, для соединения друг с другом кольцевых элементов можно использовать перемычки, продолжающиеся в направлении перпендикулярном к плоскости кольцевых элементов. Такие перемычки обеспечивают лучшую обрабатываемость удерживающих элементов при монтаже электролизных ячеек, так как в этом случае можно приваривать гибкие удерживающие элементы без перерыва, например, посредством лазера к задней стенке анодной камеры или катодной камеры, и/или анода или катода. В противном случае потребовались бы дополнительные издержки на оборудование.
Кольцеобразная структура предлагаемых, согласно изобретению, удерживающих элементов имеет другое преимущество в том, что она позволяет установку комплектующих деталей электролизной ячейки, как, например, выпускных труб, в созданном кольцевым элементом кольцевом пространстве, например, почти концентрически в его середине.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту изобретения, кольцевые элементы имеют отклоняющееся от круглой формы близкое к овальному поперечное сечение. В частности, предпочтительно, если кольцевые элементы имеют отклоняющееся от круглой формы, уплощенное на двух находящихся напротив по периферии участках поперечное сечение. Такое симметричное поперечное сечение обеспечивает перемещение электрода (анода или катода) исключительно в направлении перпендикулярном к поверхности электрода, в частности, в поперечном направлении электролизной ячейки. Кроме того, овальная или снабженная большими радиусами форма обеспечивает равномерную деформацию. В частности, при пластических деформациях, в случае других геометрических форм, например, ромбовидной формы, случилось бы большое пластическое деформирование материала на острых концах. Это способствовало бы образованию трещин, а механическая рихтовка структуры могло бы приводить в последствии к повреждениям в структуре пружины.
Предпочтительный усовершенствованный вариант изобретения предусматривает, что пружинящие удерживающие элементы приварены по меньшей мере к одному соседнему конструктивному элементу электролизной ячейки, в частности, к аноду и/или к задней стенке электролизной ячейки. Сваривание обеспечивает контакт между гибким удерживающим элементом с задней стенкой камеры и электродом (в частности, анодом), благодаря чему гарантируется оптимальная, имеющая малые потери передача электрического тока. Уплощенное поперечное сечение кольцевых элементов на обеих, находящихся напротив по периферии сторонах, улучшает этот контакт, так как увеличивается поверхность прилегания. Сварку можно осуществлять, например, с помощью лазерного сварного шва, проходящего в вертикальном направлении удерживающего элемента (направлении в высоту электролизной ячейки.
При использовании удерживающих элементов с двумя или несколькими находящимися на некотором расстоянии друг от друга кольцевыми элементами, соединенными посредством перемычек друг с другом, проходящими в перпендикулярном направлении к кольцевым элементам, между отдельными кольцевыми элементами образуются соответственно свободные пространства, позволяющие протекать рабочей среде через удерживающие элементы электролизной ячейки, вследствие чего достигают эффективного охлаждения и поддерживаются незначительные омические потери напряжения.
Альтернативный вариант исполнения изобретения относится к удерживающим элементам с одним или несколькими трубчатыми участками. В поперечном сечении эти выполненные по меньшей мере на некоторых участках трубчатыми удерживающие элементы могут иметь, например, форму многоугольника. В частности, предпочтительна ромбовидная форма для обеспечения меньшей потребности в материалах. Также геометрическую форму многоугольника предпочтительно следует выполнять в поперечном сечении симметричной или с двойной симметрией для получения, насколько это возможно, деформации перпендикулярно к плоскости мембраны. При выборе для трубчатых участков ромбовидных поперечных сечений, удерживающие элементы предпочтительно размещают в одной из камер электролизной ячейки так, что одна из диагоналей ромбовидной формы продолжается почти в направлении нормали к плоскости, к плоскому расположению электродов.
Для достижения при варианте с трубчатыми участками уменьшенной жесткости или желаемой пластичной деформации для минимизации усилия прижима на мембрану и компоновку электродов, в трубчатых участках предусмотрены отверстия, которые могут быть расположены, например, рядами и/или продолжающиеся, например, к оси трубчатых участков. Например, эти отверстия могут выполняться почти шлицеобразно. Материал, из которых состоят трубчатые участки, ослабляется отверстиями, а, благодаря этому, повышается пластичная деформируемость удерживающих элементов.
В принципе, использование предлагаемых согласно изобретению удерживающих элементов возможно, как на анодной стороне, так и на катодной стороне электролизной ячейки. Однако, в рамках изобретения было установлено, что использование на анодной стороне особенно предпочтительно из-за обычных разностей давления и лучшего охлаждения структуры. Немного повышенное электрическое сопротивление приводит к теплообразованию, а отведение этого тепла посредством охлаждения рабочей среды возможно на анодной стороне. Исходя из предусмотренных исходных размеров, монтажная высота анодной камеры больше, чем высота катодной камеры. Вследствие этого в анодной камере возможна большая радиальная протяженность упругих удерживающих элементов, что снижает их жесткость.
До настоящего времени, согласно уровню техники, прилегание мембраны к катоду с кислородной деполяризацией обеспечивалось избыточным давлением, например, почти в 200 мбар на анодной стороне. Если теперь, согласно данному изобретению, конфигурация "с нулевым зазором" создается механически, то это избыточное давление можно при необходимости снизить. Это потенциально приводит к меньшему дрейфу хлора на катодную сторону. Это может, например, положительно сказаться на ситуации с коррозией (сниженная концентрация HCI в конденсате). Кроме того, абсолютное давление в катодной камере может быть повышено до абсолютного давления в анодной камере. В публикации WO 03/014419 A2 описывается, что повышенное давление кислорода на кислородном деполяризационном катоде снижает рабочее напряжение электролизной ячейки.
В рамках данного изобретения предпочтительно использовать для изготовления удерживающих элементов относительно тонкий материал из листового металла. В частности, предпочтительно, если кольцевые элементы и/или соединяющие их между собой перемычки изготовлены из полосы листового металла с толщиной материала менее, чем 1 мм, предпочтительно, толщиной материала менее, чем 0.8 мм и более, чем 0,4 мм, например, в диапазоне от около 0,5 мм до около 0,7 мм. Вследствие этого достигается желаемая гибкость при имеющемся конструктивном пространстве. Для поддержания незначительного падения повышенного омического напряжения при использовании тонких листов металла, пути электрического тока в удерживающем элементе также должны быть небольшими. С другой стороны, рекомендуется определенная минимальная толщина материала для обеспечения достаточного поперечного сечения для перехода электричества, имеющего малые потери.
Согласно предпочтительному усовершенствованному варианту исполнения изобретения, электролизная ячейка содержит по меньшей мере два расположенных в продольном направлении электролизной ячейки на расстоянии друг от друга, упруго - пластично пружинящих удерживающих элемента. Это предпочтительно для достижения равномерного прижима на больших участках плоской структуры, содержащей ионообменную мембрану, катод с кислородной деполяризацией и анод.
Согласно изобретению, предпочтительно, если пружинящие удерживающие элементы изготовлены по меньшей мере частично из металлического материала, в частности, из титанового материала. Под титановым материалом понимают титан или сплав титана. Однако, при пассивации титанового материала с помощью имеющейся рабочей среды, рекомендуемое соединять пружинящие удерживающие элементы с соседними конструктивными элементами с замыканием материала. Поэтому предпочтительно сварное соединение с соседними конструктивными элементами.
Хотя также возможно использование других материалов с достаточной для использования в электролизной ячейке электрической проводимостью. Ими являются, в частности, электропроводящие материалы с удельным электрическим сопротивлением менее, чем 100 ом мм2 / метр. В частности, их можно использовать для электролиза в областях применения за границами HCI -электролиза, например, никель или графита. Например, в области применения электролиза HCI, возможно использование тантала, ниобия или также графита.
В электролизной ячейке, предлагаемой согласно изобретению конструкции, в катодной камере предпочтительно расположена опорная структура, содержащая по меньшей мере два, продолжающихся в поперечном направлении электролизной ячейки Z - образных профиля, предпочтительно, множество таких Z -образных профилей, расположенных в продольном направлении электролизной ячейки на некотором расстоянии друг от друга. При использовании такой опорной структуры с Z- образными профилями, согласно предпочтительному конструктивному варианту исполнения изобретения, предпочтительного для решения согласно изобретению задач, предпочтительно, если упруго - пластично пружинящие удерживающие элементы расположены в анодной камере и они соответственно расположены так, что, при рассмотрении в продольном направлении электролизной ячейки, пружинящие удерживающие элементы расположены со смещением к соответствующим Z- образным профилям. Особенно предпочтительным является почти центральное смещение удерживающих элементов по отношению к соответствующему расстоянию между двумя Z- образными профилями в катодной камере. Это позволяет также использовать упругость при изгибе электродов для получения конфигурации "с нулевым зазором" на наибольшей части поверхности и предотвращения повреждений мембраны в контактном участке между удерживающим элементом и Z - образными профилями.
Кроме того, согласно предпочтительному усовершенствованному варианту изобретения, предпочтительно, если при рассмотрении в вертикальном направлении электролизной ячейки, по меньшей мере два удерживающих элемента расположены в осевом протяжении друг над другом. Предпочтительно, если по меньшей мере три удерживающих элемента расположены в осевом протяжении друг над другом. Благодаря этому можно достигать прижима и опоры на преобладающей части или, в идеальном варианте, - по всей высоте электрода.
При испытаниях, в рамках данного изобретения, первоначально в испытываемых ячейках измерялось напряжение ячейки сразу после включения, например, 1,30 В при 5 kA / кв.м. По прошествии более длительного периода работы можно было измерить продолжающееся снижение рабочего напряжения до 1,25 В при 5 kA / кв.м. Таким образом, при использовании предлагаемых согласно изобретению удерживающих элементов, возможно снижение напряжения в диапазоне от 100 до 150 мВ или более. Это соответствует уменьшению энергопотребления почти от 7,1% до 10,7% , по сравнению со скорее обычным ранее напряжением ячейки в 1,4 В при 5 kA / кв. м.
При механических испытаниях жесткости пружины на прототипах ранее описанных пружинящих удерживающих элементов, в результате вычислений была получена нагрузка на мембрану почти 100 мбар при пути пружины 2,5 мм.
Предметом данного изобретения является, кроме того, пружинящий удерживающий элемент для использования в электролизной ячейке для создания давления прижима на плоскую формацию, содержащую по меньшей мере два электрода и ионообменную мембрану, причем удерживающий элемент выполнен упруго - пластично пружинящим.
Предпочтительно, если вышеуказанный пружинящий удерживающий элемент содержит множество расположенных соответственно параллельно друг к другу и на расстоянии друг от друга и соединенных друг с другом кольцевых элементов или, он содержит по меньшей мере один трубчатый участок.
Кроме того, предпочтительно, при варианте вышеуказанных пружинящих удерживающих элементов с кольцевыми элементами, если кольцевые элементы соединены друг с другом с помощью перемычек, продолжающихся в направлении, перпендикулярном к плоскости кольцевых элементов.
Предпочтительно, если при варианте удерживающих элементов с трубчатыми участками, эти участки снабжены отверстиями для уменьшения их жесткости.
Такой пружинящий удерживающий элемент имеет, кроме того, предпочтительно один или несколько признаков, названных в вышеуказанном описании при разъяснении предлагаемой согласно изобретению электролизной ячейки.
Предметом данного изобретения является, кроме того, электролизная ячейка, содержащая по меньшей мере удерживающий элемент, выполненный упруго - пластично пружинящим, с названными прежде признаками.
Предметом настоящего изобретения является, кроме того, электролизер, содержащий по меньшей мере одну электролизную ячейку по меньшей мере с одним пружинящим удерживающим элементом с прежде описанными признаками.
Предпочтительно, если предметом изобретения является электролизер, содержащий по меньшей мере две, предпочтительно, большее количество электролизных ячеек с описанными прежде признаками, при последовательном соединении, в компоновке электролизных ячеек соответственно в их поперечном направлении рядом друг с другом, причем катодная камера электролизной ячейки соответственно следует за анодной камерой соседней электролизной ячейки. Такую компоновку называют также уложенными друг на друга отдельными ячейками в компоновке "тыльная сторона - к тыльной стороне" или также биполярным конструктивным исполнением или исполнением типа фильтр -пресса.
Далее приводится более подробное разъяснение данного изобретения с помощью примеров исполнения со ссылкой на приложенные чертежи на которых представлено следующее:
фигура 1. Схематичный упрощенный вид приведенной в качестве примера электролизной ячейки;
фигура 2. Увеличенный вертикальный разрез электролизной ячейки по фигуре 1;
фигура 3. Увеличенный горизонтальный разрез электролизной ячейки по фигуре 1;
фигура 4. Вид сверху пружинящего удерживающего элемента согласно приведенному в качестве примера варианту данного изобретения;
фигура 5. Вид сбоку пружинящего удерживающего элемента согласно фигуре 4;
фигура 6. Вид поперечного сечения пружинящего элемента согласно фигуре 5;
фигура 7. Развертка пружинящего удерживающего элемента согласно фигурам 4 – 6;
фигура 8. Приведенная в качестве примера компоновка множества электролизных ячеек в электролизере;
фигура 9. Диаграмма пути - усилия, показывающая среднее давление прижима в зависимости от смещения пружины предлагаемого согласно изобретению упруго - пластично пружинящего удерживающего элемента;
фигура 10. Горизонтальный разрез электролизной ячейки с приведенным в качестве примера удерживающим элементом согласно альтернативному варианту данного изобретения;
фигура 11. Вид сбоку удерживающего элемента, используемого в варианте электролизной ячейки согласно фигуре 10;
фигура 12. Вид в перспективе удерживающего элемента по фигуре 11.
Далее, сначала со ссылкой на фигуры 1 – 3 более подробно разъясняется принципиальная конструкция предлагаемой согласно изобретению электролизной ячейки 10. На фигуре 1 изображен вид электролизной ячейки при рассмотрении с катодной стороны, причем, тем не менее сам, электрод по причинам лучшей наглядности не изображен. Электролизная ячейка 10 в виде сбоку имеет, в принципе, почти прямоугольный контур. В электролизере обычно объединено друг с другом в блок большее количество элементов (электролизных ячеек 10) показанного на фигуре 1 типа. При этом несколько электролизных ячеек могут соединяться друг с другом известным по себе способом биполярно, при последовательном включении, причем соседние отдельные ячейки расположены, укладываясь друг за другом тыльной стороной - к тыльной стороне. При этом конструктивном исполнении расстояние анода и катода минимизируется, причем при обычном конструктивном исполнении соответствующее установление допуска неподвижных конструктивных элементов обеспечивает только минимальный зазор между электродом и мембраной, исключая тем самым повреждения мембраны. В этом случае, говоря об обычных ячейках, речь идет об ячейках с "конечным зазором". Согласно изобретению, посредством изменения формы и введения эластопластичных компонентов получают ячейку с нулевым зазором или "бесщелевую ячейку", в частности анод и катод отделены друг от друга только ионообменной мембраной. Компоновка множества отдельных ячеек в этой форме исполнения при последовательном включении изображена на фигуре 8, а далее разъясняется еще более подробно с помощью этого чертежа. Поскольку на фигуре 1 газопроницаемый электрод и плоский тянутый металл, на котором газопроницаемый электрод, образующий собственно катодный электрод, не изображены, можно увидеть опорную структуру 11 на катодной стороне.
Другие детали этой неподвижной опорной структуры 11 на катодной стороне следуют из детального изображения согласно фигуре 3. На ней видно, что на катодной стороне расположены несколько Z- образных профилей 12, соответственно в продольном направлении электролизной ячейки 10 с зазором друг к другу,
причем более длинная перемычка "Z" продолжается соответственно в поперечном направлении электролизной ячейки и, таким образом, в направлении к
анодной стороны. Под продольным направлением называют большее (горизонтальное) направление протяженности в прямоугольном контуре электролизной ячейки 10, на чертеже согласно фигуре 1, справа налево. Меньшее (вертикальное) направление протяженности в прямоугольном контуре электролизной ячейки в чертеже согласно фигуре 1, снизу вверх, определяют, как направление по высоте. Протяженность электролизной ячейки вертикально к плоскости чертежа на фигуре 1 называют поперечным направлением. Обе самые короткие со стороны концов боковые стороны Z, проходящие почти вертикально к более длинной перемычке „Z", продолжаются, таким образом, в продольном направлении электролизной ячейки и сварены, как правило, с другими опорными структурами, продолжающимися в продольном направлении. Более короткие со стороны концов боковые стороны „Z", располагающиеся с внешней стороны, соединены, например, свариванием, как это видно на фигуре 3, с нарисованном на ней катодом, называемым в данной заявке распределителем 13 тока. Данный катод катод образует в электролизной ячейке этого типа поглощающий кислород электрод, из-за чего катод называют в публикации "распределителем тока".
Также на фигуре 3 изображен анод 14. Трубчатый впуск 15 анодной жидкости находится на фигуре 3 на правой стороне чертежа. Выпуск 16 анодной жидкости продолжается вниз и его видно на фигуре 2. Впуск 18а катодного газа, через который можно подводить, например, сверхчистый кислород или по меньшей мере обогащенный кислородом газ, находится на фигуре 3 на левой стороне и располагается, таким образом, если смотреть в продольном направлении электролизной ячейки 10, на находящейся напротив впуска 15 анодной жидкости стороне. Выпуск 19 катодной жидкости для образующегося конденсата можно видеть на фигуре 2, на нижней стороне электролизной ячейки 10. Выпуск 18b катодного газа так же, как и впуск газа в фигуре 1 можно увидеть на виде сверху катодной камеры.
Кроме того, на фигуре 3, видны располагающиеся в анодной камере предлагаемые согласно изобретению пружинящие удерживающие элементы 30, функция которых более подробно разъясняется далее ниже, со ссылкой на фигуры 4 - 7. Эти пружинящие удерживающие элементы 30 расположены в электролизной ячейке 10 таким образом, что их оси продолжаются в направлении по высоте электролизной ячейки. Пружинящие элементы имеют в поперечном сечении почти овальную кольцевую форму, несколько уплощенную с двух сторон и располагаются в электролизной ячейке 10 так, что, несколько уплощенные участки, расположенные напротив по периферии, с одной стороны, прилегают к аноду 14, а с другой стороны, - к задней стенке 17 анода. Таким образом, удерживающие элементы 30 прижимают анод 14 к мембране (смотри также фигуру 8), а, с другой стороны, на них воздействует опорная структура катодной камеры, содержащая Z - образные профили 12. Однако, как это видно на фигуре 3, удерживающие элементы 30 не располагаются точно там, где находятся Z- образные профили 12, а соответственно со смещением к Z- образным профилям 12, если смотреть в продольном направлении ячейки, так, что, при рассмотрении в продольном направлениии, всегда соответственно один удерживающий элемент 30 располагается предпочтительно почти по центру между двумя Z- образными профилями 12.
На фигуре 2 также можно видеть, как и на фигуре 3, огибающую раму 20 электролизной ячейки 10, которая может соединяться с возможностью разъединения с остальными компонентами и служащую, в частности, для уплотнения элементов относительно друг друга. Для этого рама выполнена, например, в виде сплошного стального материала для оптимальной поддержки фланцевых поверхностей анодной камеры и катодной камеры. На фланцевых поверхностях предпочтительно размещены уплотнения, уплотняющие элементы относительно зажатой мембраны. Необходимые для уплотнения пакета ячеек усилия значительно больше чем усилия, необходимые для деформации предпочтительно упруго-пластичных компонентов согласно изобретению.
На фигуре 2 можно также видеть ранее описанные пружинящие удерживающие элементы 30 в анодной камере, причем на ней видны соответственно кольцевые элементы 31. Анодная камера имеет в примере исполнения в направлении ширины (поперечном направлении) электролизной ячейки 10 несколько большую протяженность, чем катодная камера. Кроме того, на фигуре 2 можно видеть более длинную перемычку одного Z- образного профиля 12 опорной структуры в катодной камере.
Далее делается ссылка на фигуры 4 - 7 и с помощью них более подробно разъясняется компоновка приводимого в качестве примера удерживающего элемента 30. Этот пружинящий, а также в смонтированном состоянии в электролизной ячейке частично пластично деформируемый удерживающий элемент 30 содержит множество направленных друг к другу параллельно и находящихся на некотором расстоянии друг от друга кольцевых элементов 31, как их можно видеть из вида поперечного сечения согласно фигуре 6; в контуре не круглых, а имеющих два, находящихся напротив по периферии соответственно несколько уплощенных участка 32, а вследствие этого, в целом, приблизительно овальную форму. Эти кольцевые элементы 31 могут быть изготовлены в целом, как пружинящий удерживающий элемент 30 из полосы листового металла с толщиной материала, например, менее, чем 1 мм. Все кольцевые элементы 31 удерживающего элемента 30 соединены между собой соответственно друг с другом с помощью двух перемычек 33,34, причем эти перемычки 33, 34 продолжаются соответственно в параллельном к оси направлении, в частности, в продольном направлении удерживающего элемента. Эта параллельная к оси протяженность перемычек 33, 34 проходит таким образом соответственно почти вертикально к направлению периферии кольцевых элементов 31. На виде в разрезе согласно фигуре 6 показано, что обе перемычки 33, 34 находятся по отношению к отдельному кольцевому элементу 31, соответственно напротив по периферии, причем перемычки 33,34 находятся соответственно там, где кольцевые элементы 31 имеют соответственно уплощенные участки 32.
На фигуре 7 показан возможный чертеж в виде развертки или примерная заготовка ранее описанного удерживающего элемента 30, из которой предлагаемый согласно изобретению удерживающий элемент сгибают в показанную на фигуре 6, уплощенную с двух сторон цилиндрическую форму. На чертеже можно видеть полосы листового металла, из которых образуются многочисленные параллельные кольцевые элементы 31, а также одну из обеих, проходящих в продольном направлении или осевом направлении перемычек 33. Вторая перемычка предусмотрена в заготовке согласно фигуре 7, соответственно на краях, наполовину, так что после перегибания в цилиндрическую форму обе половины 34a, 34b могут соединяться друг с другом и образовывать затем вторую перемычку 34.
Далее со ссылкой на фигуры 8 и 8а более подробно разъясняется компоновка и функционирование приведенного в качестве примера электролизера со множеством электролизных ячеек выше описанной конструкции при последовательном соединении. На чертеже в качестве примера изображены четыре электролизных ячейки 10 при последовательном соединении соответственно в компоновке тыльная сторона - к тыльной стороне, расположенные так, что электролизные ячейки 10 находятся в вышеприведенном поперечном направлении друг за другом так, что всегда чередуются анодная камера и катодная камера, причем соответственно между катодной камерой 21 и анодной камерой 22 двух соседних электролизных ячеек 10 соответственно расположена ионообменная мембрана 23. Протекание электрического тока через компоновку электролизных ячеек изображено в качестве примера на фигуре 8 в схематичном и упрощенном виде с помощью извилистой стрелки 24, причем протекание тока фактически происходит по всей поверхности электродов.
Другие детали компоновки в более подробном изображении можно видеть согласно фигуре 8. На ней, в анодной камере 22, виден один из пружинящих удерживающих элементов 30 в виде сверху с его уплощенной кольцеобразной структурой. Отдельные компоненты располагаются, если смотреть в поперечном направлении компоновки, исходя от второй самой верхней электролизной ячейки к первой самой верхней электролизной ячейке в следующей последовательности: Анод 14 второй самой верхней электролизной ячейки, ионообменная мембрана 23, газодиффузионный электрод (ODC или кислородная деполяризация катода) 24 и катодный распределителя тока 13 (относящийся к первой самой верхней электролизной ячейке). Названная последовательность затем продолжается сразу в компоновке нескольких соединенных последовательно электролизных ячеек. На фигуре 8a видно, что пружинящие удерживающие элементы 30 поддерживают таким образом анод 14 своими кольцевыми элементами 31 и прижимают его к ионообменной мембране 23, причем эта ионообменная мембрана, в свою очередь, плотно прилегает к газодиффузионному электроду 24, который, в свою очередь, плотно прилегает к катодному распределителю 13 тока соседней электролизной ячейки, имеющей Z - образные профили 12 в качестве опорной структуры. На чертеже соответственно изображен зазор между анодом 14, ионообменной мембраной 23 и газодиффузионным электродом 24, что, однако, это служит только для лучшего графического изображения, т.е. речь идет в данном случае о нечто вроде частично разорванного изображения. Фактически, целью является то, чтобы анод, ионообменная мембрана, газодиффузионный электрод и катодный распределитель тока располагались плотно друг к другу (друг над другом), чтобы получалась так называемая "конфигурация с нулевым зазором". Предлагаемые согласно изобретению удерживающие элементы 30 способствуют этой цели, так как они, благодаря своему упругому и пластичному усилию пружины и своей способности к определенной пластичной деформации прижимают анод к газодиффузионному электроду и другим плоским элементам компоновки и предотвращают, вследствие этого, образование зазора между ними.
При этом удерживающие элементы 30 расположены в анодной камере так, что их ось продолжается в вертикальном направлении электролизной ячейки, поэтому прижим с помощью пружинящих и пластичных кольцевых элементов 31 осуществляют, как бы, в их радиальном направлении и не так, как, например, в случае спиральной пружины с помощью эффекта пружины в осевом направлении пружины.
На фигуре 9 воспроизведена диаграмма пути - усилия, которая предоставляющая среднее давление прижима (в мбар) по отношению к поверхности электрода, которое производит предлагаемый согласно изобретению упругий и пластичный пружинящий удерживающий элемент на мембрану, в зависимости от соответствующего прогиба пружины кольцевого элемента в миллиметрах. На диаграмме изображены две кривые. Верхнюю кривую 35 получают из измерений для кольцевого элемента из листового металла титана с толщиной материала 0,6 мм. Нижнюю кривую 36 получают из измерений для кольцевого элемента из листового металла титана с меньшей толщиной материала - только 0,5 мм. Можно видеть, что давление прижима при обеих кривых все меньше увеличивается с возрастающим прогибом пружины увеличивает все меньше, так что происходит асимптотическое (неограниченно приближающееся) сближение с горизонталью, а, вследствие этого, не превышается определенное граничное значение для давления прижима, поскольку кольцевой элемент реагирует раньше пластической деформацией. Это граничное значение в кольцевом элементе из листового металла с меньшей толщиной материала меньше, чем в кольцевом элементе с большей толщиной материала (кривая 35).
Далее со ссылкой на фигуры 10 - 12 разъясняется альтернативный вариант исполнения данного изобретения. На фигуре 10 - похожий горизонтальный вид в разрезе электролизной ячейки, как это уже разъяснялось выше, со ссылкой на фигуру 3, так что в данном случае аналогичные конструктивные элементы повторно не описываются. Хотя в этом варианте, согласно примеру исполнения по фигуре 10, удерживающие элементы, обозначенные здесь ссылочной позицией 40, оснащены иначе. Эти удерживающие элементы 40 могут быть расположены, как описано выше, между анодом 14 и задней стенкой 17 анода в анодной камере так, что они производят давление прижима на плоскую структуру электродов, причем удерживающие элементы в поперечном направлении анодной камеры, в частности в направлении нормали поверхности к плоской компоновке электродов, гибкие и в определенной мере могут пластично деформироваться. Удерживающие элементы 40 имеют при этом варианте многоугольное, например, почти ромбовидное поперечное сечение и, предпочтительно, воздействуют в направлении одной из диагоналей этой ромбовидной формы. В этом варианте удерживающие элементы 40 также могут состоять, например, из материала листового металла из титана, никеля или одного из других вышеназванных материалов.
Другие детали ромбовидной формы удерживающих элементов 40 следуют из фигур 11 и 12, показывающих вид сбоку или перспективный вид удерживающего элемента. На них видно, что удерживающие элементы 40 имеют по меньшей мере на некоторых участках продолговатую форму трубы с почти ромбовидным поперечным сечением, причем их осевая протяженность соответствует в смонтированном состоянии направлению по высоте электролизных ячеек (смотри также фигуру 10). Для достижения гибкости, а, при необходимости, определенной пластичной деформации в смонтированном состоянии, удерживающие элементы 40 имеют в своих стенках 41, образующих трубчатые участки, многочисленные отверстия 42 или вырубания, например, выполненные в виде шлица и могут быть расположены рядами, продолжающимися в продольном направлении удерживающего элемента, в частности, в несколько рядов. В остальном трубчатый удерживающий элемент 40 немного ослаблен этими отверстиями 42, поэтому его жесткость ослабевает и достигается желаемая гибкость в поперечном направлении (диагональном направлении). На фигуре 10 видно, что ромбовидная форма поперечного сечения, имеет в прилегающем к аноду 14 угловом участке и в находящемся напротив угловом участке легкие уплощения 43, аналогичные уплощенным участкам 32 в описанном выше со ссылкой на фигуру 3 варианте.
Перечень ссылочных позиций
10. Электролизная ячейка.
11. Опорная структура.
12 Z - образный профиль.
13. Распределитель тока.
14. Анод.
15. Впуск анодной жидкости.
16. Выпуск анодный жидкости.
17. Задняя стенка анода.
18a. Впуск катодного газа.
18b. Выпуск катодного газа.
19. Выпуск катодной жидкости.
20. Огибающая рама.
21. Катодная камера.
22. Анодная камера.
23. Ионообменная мембрана.
24. Стрелка протекания тока.
30. Пружинящий удерживающий элемент.
31. Кольцевой элемент.
32. Уплощенные участки.
33. Осевая перемычка.
34. Осевая перемычка.
35. Верхняя кривая.
36. Нижняя кривая.
40. Пружинящий удерживающий элемент.
41. Стенки удерживающих элементов, трубчатые участки.
42. Отверстия.
43. Уплощения.