PL190638B1 - Półogniwo elektrochemiczne - Google Patents

Abstract

1 . Pólogniwo elektrochemiczne skladajace sie przynajmniej z membrany, korzystnie wytwarzajacej gaz elektrody stanowiacej anode lub katode, a takze korzystnie z wylotu gazu i ze struktury nosnej, która laczy elektrode wytwarzajaca korzystnie gaz z tylna sciana pólogniwa, znamienne tym, ze struktura nos- na (12) rozdziela wewnetrzna przestrzen (13) pól- ogniwa (1) na pionowo usytuowane elektrodowe ka- naly (5, 9), z przeplywem do góry elektrolitu (14) w elektrodowych kanalach naplywowych (9) zwróco- nych do elektrody (3) i z przeplywem do dolu w elek- trodowych kanalach odplywowych (5) odwróconych od elektrody (3), przy czym elektrodowe kanaly na- plywowe (9) zwrócone do elektrody (3) oraz kanaly odplywowe (5) odwrócone od elektrody (3) na ich górnym i dolnym koncu sa ze soba polaczone, zas elektrodowe kanaly naplywowe (9) na swym górnym koncu maja zwezenie (7) przekroju poprzeczne- go, a zwezenie (7) elektrodowych kanalów naplywo- wych (9) utworzone jest przez zagieta profilowa strukture kierujaca (2), stanowiaca ze struktura nos- na (12) jednolity element. Fig. 1 PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest półogniwo elektrochemiczne składające się przynajmniej z przepony, korzystnie wytwarzającej gaz elektrody stanowiącej anodę lub katodę, a także korzystnie z wylotu gazu i ze struktury nośnej, która łączy elektrodę wytwarzającą korzystnie gaz z tylną ścianą półogniwa.

Niepełne względnie niewłaściwie przeprowadzone oddzielenie gazu w górnym obszarze elektrolizerów znanych ze stanu techniki prowadzi do niewystarczającego zwilżenia przepony w tym miejscu co powoduje zwiększenie rezystancji elektrycznej tej przepony. Powoduje to zwiększenie całkowitego napięcia ogniwa i stwarza niebezpieczeństwo lokalnych uszkodzeń membrany wskutek powstawania licznych pęcherzy. Uszkodzenie przepony może doprowadzić do przenikania gazu elektrodowego i utworzenia się nawet wybuchowej mieszaniny gazowej. Poza tym wskutek wadliwego oddzielania gazu mogą powstać w przestrzeni elektrolitu pulsujące uderzenia ciśnienia, które powodują ruchy membrany stwarzające niebezpieczeństwo przedwczesnego jej starzenia wskutek uszkodzeń mechanicznych.

Innym problemem jest, aby eksploatować elektrolizer przy możliwie jednolitym, pionowym i poziomym rozkładzie temperatury oraz stężenia (stężenia solanki lub wartości pH elektrolitu) w obszarze elektrolitu znajdującym się przed powierzchnią membrany, także w celu uniknięcia przedwczesnego starzenia się membrany. Jest to zawsze pożądane przy eksploatacji wszystkich elektrolizerów wytwarzających gaz, zwłaszcza przy zastosowaniu elektrod z dyfuzją gazu, przy których odprowadzanie ciepła (odprowadzanie ciepła utraconego) zasadniczo lub całkowicie musi następować poprzez obieg elektrolitu na drugiej, wytwarzającej gaz stronie, zależnie od tego czy pracuje się po stronie membrany z luką dla elektrolitu lub z przylegającą elektrodą z dyfuzją gazu. Wymaga to w pewnych warunkach obniżenia temperatury napływającego świeżego elektrolitu po stronie wytwarzającej gaz, która nie powinna prowadzić do lokalnego przechłodzenia.

W przeszłości istniały propozycje zmniejszenia tego problemu, jednak tylko dla klasycznej elektrolizy NaCl, podczas której otrzymuje się wodór. W europejskim opisie zgłoszeniowym EP 05 79 910 Al opisany jest system pobudzania wewnętrznego naturalnego obiegu, zwłaszcza aby uczynić bardziej skutecznym zakwaszanie solanki przy elektrolizie NaCl i zmniejszyć zbyt silne tworzenie się piany w górnym obszarze elektrolizera.

W europejskiej publikacji opisu EP 05 99 363 A1 wskazuje się różne metody obróbki pęcherzy gazu powstających podczas prowadzenia procesu, bez podawania istotnych elementów, które umożliwiłyby całkowite rozdzielenie gazu i elektrolitu przy całkowicie bezpulsacyjnym, wspólnym odpływie rozdzielonych faz z elektrolizera, a także przy możliwości wyrównania wartości temperatury i stężenia aż do naroży elektrolizera.

Półogniwo elektrochemiczne składające się przynajmniej z membrany, korzystnie wytwarzającej gaz elektrody stanowiącej anodę lub katodę, a także korzystnie z wylotu gazu i ze struktury nośnej, która łączy elektrodę wytwarzającą korzystnie gaz z tylną ścianą półogniwa, według wynalazku charakteryzuje się tym, że struktura nośna rozdziela wewnętrzną przestrzeń półogniwa na pionowo usytuowane elektrodowe kanały, z przepływem do góry elektrolitu w elektrodowych kanałach napływowych zwróconych do elektrody i z przepływem do

190 638 dołu w elektrodowych kanałach odpływowych odwróconych od elektrody, przy czym elektrodowe kanały napływowe zwrócone do elektrody oraz kanały odpływowe odwrócone od elektrody na ich górnym i dolnym końcu są ze sobą połączone, zaś elektrodowe kanały napływowe na swym górnym końcu mają zwężenie przekroju poprzecznego, a zwężenie elektrodowych kanałów napływowych utworzone jest przez zagiętą strukturę kierującą, stanowiącą ze strukturą nośną jednolity element.

Korzystnie, w półogniwie według wynalazku elektrodowe kanały odpływowe i elektrodowe kanały napływowe umieszczone są naprzemiennie obok siebie.

Elektrodowe kanały odpływowe i elektrodowe kanały napływowe mają trapezowy przekrój poprzeczny.

Elektrodowe kanały odpływowe i elektrodowe kanały napływowe utworzone są przez pozaginaną, zwłaszcza elektrycznie przewodzącą blachę stanowiącą strukturę nośną.

Stosunek powierzchni przekroju poprzecznego elektrodowych kanałów napływowych w obszarze zwężenia, do powierzchni przekroju poprzecznego elektrodowych kanałów napływowych poniżej zwężenia wynosi od 1 - 2,5 do 1 - 4,5.

W rozwiązaniu według wynalazku zwężenie elektrodowych kanałów napływowych ma obszar o jednakowym przekroju poprzecznym, a wysokość tego obszaru w stosunku do wysokości powierzchni aktywnej membrany, wynosi najwyżej 1:100.

Elektrodowe kanały napływowe powyżej zwężenia mają rozszerzenie przekroju poprzecznego.

Szczególnie korzystnie w półogniwie według wynalazku, struktura nośna na całej wysokości elektrodowych kanałów napływowych i elektrodowych kanałów odpływowych stanowi element jednolity.

Półogniwo ma wylot dla odgazowanego elektrolitu i dla gazu wytworzonego korzystnie podczas elektrolizy, a zwłaszcza wylot w postaci pionowej rury lub wylot umieszczony na bocznej ścianie półogniwa, który usytuowany jest nieznacznie powyżej górnego końca elektrodowych kanałów napływowych.

Struktura nośna z elektrodowymi kanałami napływowymi i z elektrodowymi kanałami odpływowymi wypełnia przestrzeń wewnętrzną półogniwa w co najmniej 90%.

Struktura nośna przewodzi prąd elektryczny i połączona jest z elektrodą oraz z tylną ścianą półogniwa w sposób przewodzący prąd elektryczny.

Elektroda jest zamocowana na strukturze nośnej i tworzy z tą strukturą półogniwa złącze przewodzące prąd elektryczny.

Elektrolit stanowi wodny roztwór chlorku sodu lub roztwór kwasu solnego, a elektroda stanowi anodę wytwarzającą chlor, natomiast przynależna katoda jest katodą zużywającą tlen.

W półogniwie według wynalazku, przed wlotem elektrolitu włączony jest wymiennik ciepła, do wprowadzania do półogniwa świeżego elektrolitu i korzystnie zawróconego z wylotu elektrolitu odgazowanego.

Wbudowane prostopadle w półogniwo kształtowniki kontaktują elektrycznie elektrody i łączą z tylną ścianą półogniwa, przy czym elementy rozdzielające usytuowane są pomiędzy kształtownikami i podtrzymywane przez elektrody.

Elementy rozdzielające stanowią elementy z metalu względnie z tworzywa sztucznego.

Element rozdzielający łącznie z profilową strukturą kierującą stanowią element jednolity.

Pionowo usytuowana równoległa struktura nośna w szczególnym układzie oddziela kanały otwarte do elektrody, w których wznosi się do góry lżejsza mieszanina elektrolitu z gazem, od kanałów otwartych w stronę ściany tylnej, w których odgazowany, ciężki elektrolit ponownie spływa do dołu. Istotne dla poprawienia oddzielania gazu jest tu zwężenie znajdujące się u góry kanałów elektrodowych, które utworzone jest przez profil odchylający strumień a mający kształt zbliżony do skrzydła zagiętego w kierunku elektrody. Dwufazowy strumień w zwężeniu pomiędzy elektrodą i profilem odchylającym ulega przyspieszeniu a ponad zagiętą do tyłu górną krawędzią profilu odchylającego ulega rozprężeniu i na tylnej stronie tego profilu ulega odgazowaniu podczas rozdzielania faz. Po tylnej stronie profilu odchylającego są usytuowane otwory do kanałów odpływowych tak, że cięższy po odgazowaniu elektrolit spływa do dołu i na dnie półogniwa, poprzez otwory łączące, razem z świeżo

190 638 doprowadzonym elektrolitem tworzy ponownie frakcję przyjmującą gaz wpływającą w kanały otwarte od strony elektrody powodując przez to wewnętrzny naturalny obieg elektrolitu.

Korzystnie, stosunek powierzchni przekroju poprzecznego kanałów elektrodowych w najwęższym obszarze zwężenia, do powierzchni przekroju poprzecznego kanałów elektrodowych poniżej zwężenia, wynosi 1 do 2,5 do 1 do 4,5.

Zwężenie kanałów elektrodowych może być utworzone na przykład przez zagiętą strukturę kierującą.

Zwężenie kanałów elektrodowych ma zwłaszcza obszar o niezmiennym przekroju poprzecznym, przy czym wysokość tego obszaru w stosunku do wysokości aktywnej powierzchni przepony, wynosi najwyżej 1:100.

Wytwarzanie półogniwa jest szczególnie ułatwione, gdy struktura kierująca i struktura nośna stanowią jednolity element.

Również korzystne jest takie wykonanie półogniwa, w którym struktura nośna na całej wysokości kanałów elektrodowych napływowych i kanałów odpływowych, ma postać jednolitego elementu.

Korzystne dla oddzielania gazu od elektrolitu jest wykonanie, przy którym kanały elektrodowe powyżej zwężenia mają rozszerzenie swego przekroju poprzecznego.

Nadmiar elektrolitu opuszczającego ogniwo za profilem zmieniającym kierunek przepływu może być odprowadzony u góry w stronę boczną lub do dołu, poprzez pionową rurę.

Szczególnie korzystne jest więc półogniwo, które ma wylot dla odgazowanego elektrolitu i dla gazu wytworzonego ewentualnie podczas elektrolizy, a zwłaszcza pionową rurę przechodzącą poprzez dno półogniwa, lub ma wylot umieszczony na bocznej ścianie półogniwa, który znajduje się trochę powyżej górnego końca kanałów elektrodowych.

Jak wykazało praktyczne doświadczenie, szczególnie korzystne jest gdy cała struktura -aż do otworów łączących u samego dołu i do szczeliny łączącej (mającej szerokość kilku mm) znajdującej się u samej góry profilu odchylającego - stanowi jeden funkcjonalny zespół służący do wypełniania następujących funkcji:

- oddzielanie u góry pęcherzy gazu od elektrolitu za pomocą profilu odchylającego, aby umożliwić osobne odprowadzanie elektrolitu i wytworzonego gazu lub wspólne lecz z rozdzieleniem faz, jednakże przede wszystkim bez jakichkolwiek pulsacji ciśnienia,

- wyrównanie pionowego profilu temperaturowego za pomocą intensywnego obiegu naturalnego na całej wysokości, w celu zoptymalizowania funkcjonowania membrany;

- wyrównanie pionowego profilu stężeń za pomocą tego samego postępowania, także w celu optymalizacji funkcjonowania membrany,

- wyrównanie pionowego profilu wartości pH na przykład przez dobrane zakwaszanie solanki przy elektrolizie NaCl, w celu poprawienia otrzymania chloru i jego jakości. Lokalne, zbyt duże zakwaszenie solanki byłoby szkodliwe dla membrany.

Oprócz funkcji hydraulicznych struktura nośna stanowi także mechaniczne zamocowanie elektrody, a ponadto również umożliwia niskoomowe połączenie elektrody z tylną ścianą półogniwa.

Struktura nośna wraz z elektrodowymi kanałami napływowymi i odpływowymi wypełnia wewnętrzną przestrzeń półogniwa, w korzystnym wykonaniu, w co najmniej 90%.

Korzystnie, struktura nośna jest elektrycznie przewodząca i w sposób elektrycznie przewodzący połączona jest z elektrodą a zwłaszcza z tylną ścianą półogniwa.

Korzystnie, elektroda jest wtedy połączona, w sposób elektrycznie przewodzący ze strukturą nośną półogniwa i zamocowana jest na strukturze nośnej.

W celu wyrównania temperatury korzystnie przed wlotem elektrolitu włączony jest wymiennik ciepła poprzez który, świeży elektrolit i ewentualnie elektrolit odgazowany zawrócony z wylotu, wprowadza się do półogniwa tak, że ewentualnie tworzy się tym samym obieg elektrolitu sterujący temperaturą.

Całkowite oddzielenie pęcherzy gazowych, przy wyeliminowaniu zmian ciśnienia, połączone z wyrównaniem rozkładu temperatury, stężenia i wartości pH ma szczególne znaczenie w przypadku stosowania elektrod z dyfuzją gazu, użytych w półogniwie po stronie anody lub katody w procesie wytwarzającym gaz po drugiej stronie membrany. W tych przypadkach

190 638 odprowadzanie utraconego ciepła musi następować poprzez elektrolit po stronie elektrolizera wytwarzającej gaz, stosownie do rodzaju pracy elektrody z dyfuzją gazu.

Elektrolit przetwarzany w komorze anodowej stanowi przykładowo wodny roztwór chlorku sodu lub roztwór kwasu solnego, a jako gaz anodowy powstaje w tym przypadku chlor. Przeciwelektrodąjest katoda zużywająca tlen.

Jeżeli na przykład przy elektrolizie NaCl stosuje się po stronie katodowej katodę zużywającą tlen o wąskiej luce dla katolitu (jak to jest opisane w europejskim opisie EP 07 171 30 B1 i patentach dodatkowych), to odprowadzanie ciepła po stronie katodowej może być prowadzone tylko za pomocą przepływu tłokowego, bez turbulencji, co przenosi bilans cieplny bardziej na stronę anody, jeżeli nie chce się pracować przy zbyt wysokich rozpiętościach nagrzewania po stronie katodowej, które jak wiadomo są niedopuszczalne dla membrany. Dlatego w tym przypadku należy prowadzić proces albo przy użyciu chłodzonego elektrolitu przy zwykłym zasilaniu, lub też przy zastosowaniu również chłodzonego obiegu anolitu, jeżeli chce się utrzymać na optymalnym poziomie rozkłady temperatury wewnątrz ogniwa.

Jeżeli prowadzi się na przykład elektrolizę NaCl lub HCl z przylegającą katodą zużywającą tlen, to odprowadzanie ciepła po stronie katody jest bardzo małe, a ciepło praktycznie całkowicie odprowadzane jest poprzez anolit. Wymaga to osobnego chłodzonego obiegu anolitu.

We wszystkich tych przypadkach szczególne znaczenie ma wewnętrzne wyrównywanie temperatury, stężenia i ewentualnie wartości pH, gdyż dostarczona do ogniwa ilość elektrolitu wzrasta w porównaniu z wewnętrzną cyrkulacją tak, że ta ostatnia musi być szczególnie intensywna aby uniknąć lokalnych nieprawidłowości. Odnosi się to zwłaszcza do pożądanego silnego zakwaszenia solanki w przypadku elektrolizy NaCl, które zwykle musi zmierzać do najniższej lokalnej wartości pH.

Jeżeli więc półogniwo eksploatuje się ze skończoną luką dla katolitu przed katodą zużywającą tlen, to część utraconego ciepła odprowadza się po stronie katodowej za pomocą przepływu poprzez lukę dla tego katolitu i zewnętrznego chłodzenia, natomiast przeważającą część utraconego ciepła odprowadza się ze strumieniem anolitu.

Jeżeli jednak półogniwo eksploatuje się z katodą zużywającą tlen przylegającą do membrany, to całe utracone ciepło odprowadzane jest przez strumień anolitu.

Dalszymi zaletami półogniwa według wynalazku są więc, pionowe ujednolicenie temperatury elektrolitu i pionowe ujednolicenie stężenia elektrolitu.

Półogniwo według wynalazku jest przeważnie stosowane we wszystkich elektrolizach wytwarzających gaz. Ma ono szczególne znaczenie przy elektrolizach, w których elektrolit i gaz trudniej się od siebie oddzielają.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przekrój poprzeczny półogniwa według wynalazku, bez doprowadzenia prądowego, według linii B - B' z fig. 3, fig. 2 - schematycznie, przekrój wzdłużny półogniwa według wynalazku, zgodnie z linią A - A' z fig. 3, fig. 3 - półogniwo według wynalazku ze zdjętą elektrodą, a fig. 4 - przedstawia alternatywną strukturę prowadzenia przepływu w półogniwie według wynalazku.

Przykłady

W półogniwie 1 struktura kierująca i nośna 12 są ze sobą zespawane w sposób przewodzący prąd elektryczny (fig. 1). Na strukturze tej osadzona jest elektroda 3, do której przylega membrana 4 lub jest na niej osadzona, z zachowaniem małego odstępu od elektrody 3.

Strukturę nośną 12 stanowi trapezowo uformowana blacha tworząca pionowe kanały, które na przemian są otwarte w kierunku elektrody 3 lub skierowane są do ściany tylnej 15 i tworzą elektrodowe kanały odpływowe 5.

Świeży elektrolit 17 wpływa, poprzez rurę wlotową 10 i poprzez otwory 11, do wewnętrznej przestrzeni 13 półogniwa, przy czym otwory 11 tak są rozmieszczone, że zasilają świeżym elektrolitem każdy z elektrodowych kanałów napływowych 9 otwartych od strony elektrody. Zależnie od zastosowań, otwory 11 mogą być umieszczone także pod elektrodowymi kanałami odpływowymi 5, aby usprawnić mieszanie świeżego elektrolitu z elektrolitem spływającym w elektrodowych kanałach odpływowych 5 (fig. 2).

Powstawanie gazu przy elektrodzie 3 powoduje wypieranie elektrolitu do elektrodowych kanałów napływowych 9 otwartych od strony elektrody. Elektrolit 14 zmieszany z pęcherzami

190 638 gazu płynie do góry, i poprzez profilową strukturę kierującą 2 z trapezowej blachy, kierowany jest w stronę elektrody 3. W zwężeniu 7, pomiędzy elektrodą 3 i profilową strukturą kierującą 2, ulega on przyspieszeniu a następnie rozprężeniu w elektrodowym kanale napływowym 9, którego przekrój poprzeczny rozszerza się ponownie _ powyżej profilowej struktury kierującej 2. W wyniku zmiany; od przyspieszenia do rozprężenia uzyskuje się skuteczne oddzielanie pęcherzy gazu tak, że na tylnej stronie profilowej struktury kierującej następuje znaczne rozdzielenie elektrolitu i gazu elektrodowego. Profilowa struktura kierująca 2 sięga tylko do elektrodowych kanałów napływowych 9, jest jednak otwarta w kierunku elektrodowych kanałów odpływowych 5. Tak więc odgazowany, cięższy elektrolit spływa elektrodowymi kanałami odpływowymi 5 i może się mieszać ze świeżym elektrolitem napływającym od dołu, a przez powstawanie gazu na elektrodzie przechodzi ponownie w strumień napływowy tak, że w naturalny sposób powstaje intensywna konwekcja (fig. 3).

Elektrolit nadmiarowy 18 opuszcza półogniwo 1 razem z gazem oddzielonym za profilową strukturą kierującą 2 lub poprzez pionową rurę 8 przedstawioną na fig. 1 i 3, lub też poprzez boczny wylot 16 zaznaczony na fig.2 i fig. 3.

Alternatywnie do struktury nośnej utworzonej przez trapezowo ukształtowaną blachę możliwe jest też zastosowanie alternatywnej struktury (fig. 4) prowadzenia przepływu w półogniwie według wynalazku pozwalającej uzyskać porównywalne efekty. W przypadku, gdy wytwarzające gaz elektrody 3, anody lub też katody, połączone są z tylną ścianą półogniwa 1 w postaci półczasz za pomocą pionowo osadzonych kształtowników 29, to pomiędzy tymi kształtownikami 29 są osadzone elementy rozdzielające 26, 27, 28 przewodów przepływowych. Łukowate elementy rozdzielające 28 wyznaczają obszar 20, do którego napływają pęcherze gazu i obszar 21, z którego odpływają pęcherze gazu. Płaskie elementy rozdzielające 27 usytuowane są wzdłuż przekątnej kanału przepływowego i wyznaczają obszar 24, do którego napływają pęcherze gazu i obszar 25, z którego odpływają pęcherze gazu. Elementy rozdzielające 26 w postaci płaskiej płyty usytuowane są równolegle do tylnej ściany półogniwa i wyznaczają obszar 22, do którego napływają pęcherze gazu i obszar 23, z którego odpływają pęcherze gazu.

Zwłaszcza element rozdzielający 26 w postaci płaskiej płyty, umieszczony pomiędzy kształtownikami 29 może występować na całej szerokości elementu. Korzystne jest jednak, gdy elementy rozdzielające umieszcza się osobno pomiędzy kształtownikami 29 przed zespawaniem elektrod 3 i zamocowaniem elementów rozdzielających.

Istotne jest, aby poszczególne kanały przepływowe przebiegały analogicznie do struktury trapezoidalnej na całej wysokości elementu i w górnym obszarze, nie przedstawione tutaj, obszary do których napływają pęcherze gazu zawężały się analogicznie do profilowej struktury kierującej 2, aby nastąpiło odgazowanie elektrolitu po przejściu przez zwężenie 7. Ponieważ elementy rozdzielające 26, 27, 28 nie spełniają żadnych funkcji elektrycznych mogą być wykonane nie tylko z metalu, lecz również mogą stanowić elementy nieprzewodzące, to znaczy mogą być wykonane z odpowiednich kształtek z tworzywa sztucznego posiadającego odpowiednią stabilność chemiczną i wytrzymałość temperaturową. Nadają się do tego, zależnie od zastosowania, na przykład EPDF; Halar lub Telene.

Przykład 1

W ogniwie pilotującym do elektrolizy NaCl o 4 bipolarnych elementach o powierzchni 1224 x 254 mm² każdy, przy czym wysokość ich odpowiada wysokości elementów stosowanych na skalę przemysłową, przy głębokości półogniwa anodowego 1 wynoszącej 31 mm, znajdują się dwa elektrodowe kanały napływowe 9 z całkowitym przepływem i dwa elektrodowe kanały napływowe 9 z połówkowym przepływem do góry oraz trzy elektrodowe kanały odpływowe 5 z przepływem w dół przy zastosowaniu struktury nośnej 12 w postaci trapezowo uformowanej blachy, która dzieli wewnętrzną przestrzeń 13 półogniwa 1 (na fig. 1 przedstawiony jest układ z jednym połówkowym i z czterema całkowitymi elektrodowymi kanałami napływowymi 9 i z jednym połówkowym oraz czterema całkowitymi elektrodowymi kanałami odpływowymi 5). Kontakt prądowy anody 3 z tylną ścianą 15 półogniwa następuje poprzez strukturę nośną 12. Profilowa struktura kierująca 2 przykrywa elektrodowe kanały napływowe 9, przy górnym końcu, pod kątem około 60° i zawęża przekrój poprzeczny przepływu aż do zwężenia 7 o szerokości 6 mm utworzonego względem anody 3. Zagięta do tyłu część 6 profilowej struktury

190 638 kierującej 2 pozostawia względem górnej krawędzi półogniwa 1 szczelinę o szerokości 8 mm stanowiącą swobodne przejście do tyłu dla dwufazowego przepływu (fig. 2). Otwory przelotowe do elektrodowych kanałów odpływowych 5 są otwarte dla niezakłócanego odpływu odgazowanego elektrolitu 14. Przy dolnym końcu pozostaje szczelina o szerokości około 20 mm, poprzez którą spływająca do dołu, odgazowana solanka 14 razem ze świeżą solanką 16 doprowadzaną z otworów 11 przewodu 10, może wpływać ponownie do elektrodowych kanałów napływowych 9, gdzie ponownie zostanie wzbogacona gazem anodowym. Nadmiar solanki anolitu zostaje przejęty przez pionową rurę 8 kończącą się trochę poniżej górnej krawędzi profilowej struktury kierującej 2 i odprowadzany jest do dołu z półogniwa 1. W nieuwidocznionym katodowym przedziale naczynia elektrolitycznego katody zużywające tlen usytuowane są w „sposób skończonych luk” z luką dla katolitu wynoszącą 3 mm.

W próbie ciągłej badano w jakim stopniu nastąpiło oddzielenie faz i czy ogniwo może być eksploatowane z wyeliminowaniem pulsacji ciśnienia. Okazało się, że półogniwa w zakresie pracy od 3 do 7 kA/m² można eksploatować z całkowitym oddzieleniem gazu i elektrolitu, to znaczy odprowadzany anolit był całkowicie pozbawiony pęcherzy i przechodził całkowicie równomiernie, bez wyczuwalnych lub widocznych pulsacji.

Przykład 2

Testowano taki sposób eksploatacji, przy którym z dobranym obiegiem katolitu bilans cieplny został tak ustawiony za pomocą wstępnie chłodzonej solanki, że temperatura wyjściowa ograniczona została do 85°C. W zależności od nastawionej gęstości prądu wystąpiły następujące rozpiętości nagrzewania:

Gęstość prądu (kA/m2)	Solanka (°C)	Ług (°C)	Ług przepompowywany (Hi)	Solanka przepompowywana (1/h)
3	77-85	77-85	250	-
4,5	68-85	75-85	250	-
6	44-85	77-86	400	50

Okazało się, że przy bardzo dużych gęstościach prądu do odprowadzania ciepła właściwe jest dodatkowe użycie kontrolowanego obiegu anolitu z odpowiednim chłodzeniem wstępnym. Tylko w ten sposób przy zachowaniu technicznie realnych wlotowych temperatur solanki, rozpiętość nagrzewania po stronie katolitu można utrzymać na poziomie wartości <10K.

190 638

190 638

Fig. 1

Fig. 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (17)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Półogniwo elektrochemiczne składające się przynajmniej z membrany, korzystnie wytwarzającej gaz elektrody stanowiącej anodę lub katodę, a także korzystnie z wylotu gazu i ze struktury nośnej, która łączy elektrodę wytwarzającą korzystnie gaz z tylną ścianą półogniwa, znamienne tym, że struktura nośna (12) rozdziela wewnętrzną przestrzeń (13) półogniwa (1) na pionowo usytuowane elektrodowe kanały (5, 9), z przepływem do góry elektrolitu (14) w elektrodowych kanałach napływowych (9) zwróconych do elektrody (3) i z przepływem do dołu w elektrodowych kanałach odpływowych (5) odwróconych od elektrody (3), przy czym elektrodowe kanały napływowe (9) zwrócone do elektrody (3) oraz kanały odpływowe (5) odwrócone od elektrody (3) na ich górnym i dolnym końcu są ze sobą połączone, zaś elektrodowe kanały napływowe (9) na swym górnym końcu mają zwężenie (7) przekroju poprzecznego, a zwężenie (7) elektrodowych kanałów napływowych (9) utworzone jest przez zagiętą profilową strukturę kierującą (2), stanowiącą ze strukturą nośną (12) jednolity element.
2. 2. Półogniwo według zastrz. 1, znamienne tym, że elektrodowe kanały odpływowe (5) i elektrodowe kanały napływowe (9) umieszczone są naprzemiennie obok siebie.
3. 3. Półogniwo według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że elektrodowe kanały odpływowe (5) i elektrodowe kanały napływowe (9) mają trapezowy przekrój poprzeczny.
4. 4. Półogniwo według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że elektrodowe kanały odpływowe (5) i elektrodowe kanały napływowe (9) utworzone są przez pozaginaną, zwłaszcza elektrycznie przewodzącą blachę stanowiącą strukturę nośną (12).
5. 5. Półogniwo według zastrz. 1, znamienne tym, że stosunek powierzchni przekroju poprzecznego elektrodowych kanałów napływowych (9) w obszarze zwężenia (7), do powierzchni przekroju poprzecznego elektrodowych kanałów napływowych (9) poniżej zwężenia (7) wynosi od 1 - 2,5 do 1 - 4,5.
6. 6. Półogniwo według zastrz. 1 albo 5, znamienne tym, że zwężenie (7) elektrodowych kanałów napływowych (9) ma obszar o jednakowym przekroju poprzecznym, a wysokość tego obszaru w stosunku do wysokości powierzchni aktywnej membrany, wynosi najwyżej 1:100.
7. 7. Półogniwo według zastrz. 1 albo 2, albo 5, znamienne tym, że elektrodowe kanały napływowe (9) powyżej zwężenia (7) mają rozszerzenie (6) przekroju poprzecznego.
8. 8. Półogniwo według zastrz. 1, znamienne tym, że struktura nośna (12) na całej wysokości elektrodowych kanałów napływowych (9) i elektrodowych kanałów odpływowych (5) stanowi element jednolity.
9. 9. Półogniwo według zastrz. 1 albo 2, albo 5, albo 8, znamienne tym, że półogniwo ma wylot (8; 16) dla odgazowanego elektrolitu i dla gazu wytworzonego korzystnie podczas elektrolizy, a zwłaszcza wylot (8) w postaci pionowej rury lub wylot (16) umieszczony na bocznej ścianie półogniwa, który usytuowany jest powyżej górnego końca elektrodowych kanałów napływowych (9).
10. 10. Półogniwo według zastrz. 1 albo 2, albo 5, albo 8, znamienne tym, że struktura nośna (12) z elektrodowymi kanałami napływowymi (9) i z elektrodowymi kanałami odpływowymi (5) wypełnia przestrzeń wewnętrzną (13) półogniwa (1) w co najmniej 90%.
11. 11. Półogniwo według zastrz. 1 albo 8, znamienne tym, że struktura nośna (12) przewodzi prąd elektryczny i połączona jest z elektrodą (3) oraz z tylną ścianą (15) półogniwa (1) w sposób przewodzący prąd elektryczny.
12. 12. Półogniwo według zastrz. 1 albo 8, znamienne tym, że elektroda (3) jest zamocowana na strukturze nośnej (12) i tworzy ze strukturą nośną (12) półogniwa (1) złącze przewodzące prąd elektryczny.
13. 13. Półogniwo według zastrz. 1, znamienne tym, że elektrolit (14) stanowi wodny roztwór chlorku sodu lub roztwór kwasu solnego, a elektroda (3) stanowi anodę wytwarzającą chlor, natomiast przynależna katoda jest katodą zużywającą tlen.

    190 638
14. 14. Półogniwo według zastrz. 1 albo 13, znamienne tym, że przed wlotem (10, 11) elektrolitu (14) włączony jest wymiennik ciepła, do wprowadzania do półogniwa (1) świeżego elektrolitu i korzystnie zawróconego z wylotu (8; 16) elektrolitu odgazowanego.
15. 15. Półogniwo według zastrz. 1 albo 13, znamienne tym, że wbudowane prostopadle w półogniwo (1) kształtowniki (29) kontaktują elektrycznie elektrody (3) i łączą z tylną ścianą półogniwa (1), przy czym elementy rozdzielające (26, 27) lub (28) usytuowane są pomiędzy kształtownikami (29) i podtrzymywane są przez elektrody (3).
16. 16. Półogniwo według zastrz. 15, znamienne tym, że elementy rozdzielające (26, 27) lub (28) stanowią elementy z metalu względnie z tworzywa sztucznego.
17. 17. Półogniwo według zastrz. 15 albo 16, znamienne tym, że element rozdzielający (26) łącznie z profilową strukturą kierującą (2) stanowią element jednolity.