Система электродов для электрохимических ячеек

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Союз Советских. Социалистических Республик(51)М. Кл.з С 25 В 9/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Автор изобретения ИностранецПетер Мердай Робертсон (Великобритания) Иностранная фирма(54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЯЧЕЕКИзобретение относится к химическому машиностроению и, в частности,касается систем электродов для электрохимических ячеек,Известна система электродов дляэлектрохимических ячеек, содержащая,по меньшей мере, один электродныйрулон, образованный путем намоткидеформируемого материала в спираль,а деформируемый материал состоит израсположенных поочередно электродныхи изоляционных слоев, по меньшей-.мере один из изоляционных слоев является ионопроницаемым, а электродные и изоляционные слои имеют форму 15и структуру, позволяющие течениеэлектролита через электродный рулон 11 .Недостаток известной системыэлектродов - относительно невысокие 20технологические показатели.Цель изобретения - повышение технологических показателей электрохимических ячеек за счет обеспечениябольшого соотношения поверхности25электродов с объемом ячейки и равно-.мерного распределения разности потенциалов в самой системе.Поставленная цель достигаетсятем, что электродные слои смещены по оси .относительно друг друга, так что у каждого осевого конца рулона имеется полосообразная поверхность для подвода электрического тока, при этом каждая продольная сторона расположенных друг под другом слоев имеет полосообразный слой из злектропроводного материала, который перекрывает один продольный конец одного электрода и находится с ним в непосредственном электрическом контакте.Полосообразные слои из электропроводного материала являются непроницаеьими для электролита, а их толщина выбирается из условия уплотнения ими обоих концов рулона в осевом направлении.Система содержит полую ось, во-круг которой намотав электродный рулон, причем ось имеет отверстия для протока электролита из оси в рулон.Система содержит, по меньшей мере, одну пару электродных рулонов, расположенных на полой оси и имекших зазор между отдельными рулонами, который уплотняется герметичной лентой.Электродные рулоны имеют, по меньшей мере, одну пару электродных сло 869564ев для биполярных операций, каждаяпара состоит из множества пЕрфорированных электродных полос, намотанных вокруг оси на расстоянии другот друга, а каждая полоса одногослоя перекрывает две половины смежных полос другого электродного слоя.На фиг. 1 схематически изображенасистема электродов, поперечный раз"рез на фиг. 2 - то же, изометрия;на фиг. 3. - то же, поперечный разрез;на фиг. 4 - некоторые структуры материалов, применяемых для изготовленияэлектродов или изоляции, на фиг. 5система электродов, вид сверху нафиг. 2, где каждый электрод имееттолько одно электрическое соедине. - 15ние (изолирующие материалы не изображены); на фиг. б - система электродов, вид сверху на фиг. 1, где каждыйэлектрод имеет несколько электрических соединений (изолирующие материалы щне показаны); на фиг. 7 схематическиизображена система электродов, попе"речный разрез с сегментными электродами (до наматывания электродной системы) для биполярного режима работына фиг8 - электрохимическая ячейкас электродными рулонами, поперечныйразрез на фиг. 2 на фиг. 9 - система электродов до наматывания, применяемая при втором варианте выполненияэлектрохимической ячейки, вид .сверхуи поперечный разрез; на фиг. 10 -то же, после наматывания, изометрия,на фиг, 11 схематически изображенанамотанная система электродов, поперечный разрез на фиг,10; на35фиг. 12 - биполярная система электродов, применяемая в третьем вариантевыполнения электрохимической ячейки,поперечный разрез; на фиг. 13 - тоже, разрез. 40Система электродов (фиг.1) содержит, по меньшей мере, два расположенных друг над другом электрода 1 и 2,состоящих.из деформируемого материала, первый слой 3 изоляции, предотвращающий непосредственный электрический контакт между электродами, и первый слой 4 изоляции, предотвращающийнепосредственный контакт между внешним электродом 2 системы 5 электродов и другими электродами или токопроводящими частями электрохимичес "кой ячейки (например, сосудом, в котором находится система электродов).Для применения системы 5 электродов в электрохимической ячейке целесообразно сформовать систему так,чтобы поверхность электродов на объемную единицу ячейки приняла какможно большее значение. На фиг. 2представлена система б электродов,изготовленная по этим соображениями образованная путем наматыванияпредлагаемой системы 5 электродов ввиде спирали вокруг геометрическойоси А-А,Слои 3 и 4 изоляции (фиг.3), отделяющие электроды 1 и 2 друг отдруга, выполняют две функции. Вопервых, они изолируют друг от другаэлектроды разного потенциала. Во"вторых, они образуют полости 7, через которые протекает электролит.Дополнительной функцией изолирующихматериалов 3 и 4 может быть отделение друг от друга растворов, окружающих разные электроды,1Изолирующим материалом может служить любое химическое инертное вещество, обладающее подходящими формой.и структурой материала. Как показанона фиг. 4, изолирующими материаламиявляются пористые 8, фольга 9, перфорированные 10, ткани 11. Ионообменные диафрагмы могут тоже применятьсякак изолирующие материалы.Для работы электролизера полости7 системы электродов должны бытьзаполнены электролитом. Для этогоэлектролит пропускается через систему электродов, предпочтительно поодному из двух главных направлений.Электролит либо пропускается черезсистему электродов параллельно осиА-А (в этом случае необходимо закрыть пространство между системойэлектродов и внутренней стенкойэлектролизера, чтобы направить потокэлектролита через систему электродов), либо электролит протекает через электродный рулон в радиальномнаправлении, в этом случае ось 12(фиг. 5 и б) электродного рулонадолжна быть полой или иметь подходящую механическую структуру, чтобыобеспечить радиальное течение электролита). Кроме того, электродные иизолирующие материалы должны бытьпроницаемыми для электролита,Снабжение системы электродовтоком осуществляется через простыесоединения.Внутренний электрод 1 (фиг.5) соединен с осью 12 контактно, внешнийэлектрод 2 - с сосудом электролизера через соединительный пункт 13.Электроэнергия подводится к системечерез ось 12 и сосуд электролизера.Система электродов может снабжаться электроэнергией и через несколько соединений (фиг.б), находящихся на краю электродов, напримерчерез соединения 14-1 б, на краю электрода 1 и через соединения 17-19 накраю электрода 2. Такой вид соединения предотвращает значительноепадение напряжения по всей. длинеэлектрода.Третья возможность подвода к электродам электроэнергии заключаетсяв биголярном токоподводе. На фиг.7показан такой вид системы до наматывания электродных слоев 20 и 21, состоящих нз сегментов 22 и 23, электрически изолированных друг от друга,и изолирующих материалов 24 и 25вокруг оси 12. Каждый сегмент 26 первого электродного слоя 21 расположен напротив двух половин расположенных рядом сегментов 22 и 23 другого электродного слоя 20. При биполярном токоподводе рабочее напряжение подается к сегментированномуэлектродному слою между концевымисегментами 27 и 28Концевые сегменты электродного слоя 20, к которым (Оподается рабочее напряжение, называются питающими слоя 20 и сегментыэлектродного слоя 21 называются биполярными электродами. Приложенноерабочее напряжение распределяетсяравномерно по образованной таким образом цепи питающих и биполярныхэлектродов.Для обеспечения эффективности биполярного режима работы необходимоприменять для изоляции 24 между элек Отродными слоями 20 и 21 материалы,обладающие ионной проводимостью.Для электрической изоляции различныхпар электродных слоев 20 и 21 друг отдруга необходимо применять изолирующие материалы 25, необладающие ниионной, ни электронной проводимостью,Это имеет значение в случае наматывания шихтованной системы электродоввокруг оси 12.ЗОНа фиг. 8 представлена электрохи.мическая ячейка 29, содержащая несколько систем электродов 30 (обычночетное число), намотанный вокругоси 12.Ось 12 ячейки полая, и состоит,например, из трубы. Строение системыэлектродов соответствует описаннойсистеме, представленной на фиг. 2.Электродные рулоны 30 смонтированыпопарно на оси 12. 40Во время работы ячейки электролитподкачивается по оси в пространства31 между каждыми двумя образующимипару электродами 32 через отверстия33. Электродные рулоны, образующие 4пару, соединены друг с другом предпочтительно через уплотнительную металлическую манжету 34. Она преграждаетэлектролиту, подкаченному в пространства между электродами, путь во внешние пространства ячейки. Таким образом, электролит не может не проходитьчерез попарно расположенные электродные рулоны, например, через полости 7 (фиг.З). Выходящий из электродных пар электролит проходит через 55пространства 35 между расположеннымирядом электродными парами 32, поступает во внешнее пространство 36 ячейки и выходит из нее через отверстие 37, 60На фиг. 8 представлено последовательное соединение токоподводов,причем током питаются пооледниеэлектродные рулоны 38 и 30. В одномслучае током питается аноД, а в другом - катод, Последние электродныерулоны 38 и 30 соединяются через токопровода 39 и 40 и изолированныеметаллические части 41 и 42 оси 12,служающие питающими линиями с источником электроэнергии. Электродныерулоны пары 32 соединены друг с другом через проводящую уплотнительнуюманжету 34. Электродные рулоны отдельных пар соединены друг с другомчерез изолированные проводящие части 43 оси 12.Система (фиг9) содержит шестьчастей: анод и катод 44 и 45, изготовленные из электродных лент с отверстиями 46 на одном краю, два изолирующих материала 3 и 4 и две оконечные уплотнительные ленты 47 и 48.Оконечные уплотнительные ленты изготавливаются из проводящего материала, например металла. Уплотнениеэлектродного рулона в аксиальномнаправлении может быть улучшено с помощью уплотнительной массы. Нафиг. 9 показано необходимое перекрытие отдельных частей системы электродов до ее сматывания.фиг. 10 показывает систему электродов, намотанную вокруг оси 12.Уплотнительные ленты должны иметьподходящую толщину, чтобы концыэлектродных рулонов были массивнымии непроницаемыми для электролита.На фиг. 11 показано, что электролитподкачивается через отверстия 49 оси12 к входным отверстиям 46 электрода, откуда он поступает в электродный рулон, где он и распределяется.Входные отверстия 46 на поверхностиэлектродного рулона уплотняютсяподходящим уплотнением 50 так, чтоэлектролит не может утечь через этиотверстия. Затем электролит проходитчерез электродный рулон (показанонаправлением потока 51) выходит изрулона через выходное отверстие 46другого электрода,Токопитание ячейки обеспечиваетсясборными шинами 52 и 53, смонтированными непосредственно на концахэлектродного рулона. Такое выполнение электрических соединений позволяет снабжать электроды током по всейдлине их краев. Благодаря этому возможно произвольно увеличивать длинуэлектродов и диаметр системы элект-родов, не нарушая при этом работуячейки. Отверстия 46 одного электрода служат входными отверстиями, а отверстия другого - выходными.Для варианта исполнения электрохимической ячейки, представленной нафиг.12 и 13 применяется тоже полаяось, как и у первых двух, Электролитподкачивается через отверстия 49в оси 12 и через отверстия 46 и 54в электродных лентах в электродныйрулон, где он распределяется. Электродный рулон состоит из четырехслоев, намотанных вокруг оси 12. На фиг. 13 положение оси 12 представлено линией 55. Изолирующие материалы 3 и 4 могут иметь одну из вышеописанных форм. Электродный слой 56 состоит из множества Й-электродных лент 57, намотанных с шагом вокруг оси 12, и из двух последних электродных лент 58. Другой электродный слой 59 состоит из множеств на И+1-электродных лент 57, которые тоже намотаны вокруг оси 12 с шагом.В целях обеспечения биполярной работы каждая из лент одного электрода перекрывает примерно две половины соседних лент и находящийся .между ними зазор 60. Ленты 58 самого широкого электродного слоя 56 имеют отверстия вдоль своего края в продольном направлении, чтобы обеспечить течение электролита через электродный рулон. Остальные ленты 20 57 каждого электрода примерно в два раза шире последних лент 58 и имеют отверстия 54 вдоль своей средней линии в продольном направлении. Как показано на фиг. 12 отверстия 46 и 54 лент более широкого электродного слоя 56 расположены напротив отверстий 49 оси 12. При таком расположении электролит протекает по направлению потока 61 и выходит из электродного рулона через выходные отверстия 62. Каждое выходное отверстие 62 находится напротив отверстия 54 другого электродного слоя 59.Как у второго вида ячейки, так и в данном варианте рулон содержит токопроводящие уплотнительные ленты 47 и 48, уплотняющие концы рулона в осевом направлении 12.Токоснабжение системы электродов такое, как и у второго вида выполне ния, причем электрическая мощность подводится каждой паре электродных слоев 56 и 59 только на последних лентах 58 самого широкого электродного слоя 56. Подведенная мощность передается как обычно при биполярнои работе током, протекающим междУ электродными лентами.Материалы для изготовления системы электродов, в основном, соответствуют материалам второго вида выполнения. Электродные ленты, предназначенные для биполярной работы, отличаются, однако, от электродов, описанных во втором виде выполнения, тем, что они имеют отверстия 54 вдоль 55 своей средней линии, распределенныена всю их длину.Общим для всех трех видов выполнения электрохимической ячейки является применение полой оси 12 щ с отверстиями 49 для ввода электроли та в электродный рулон (и рулоны соответственно)Чтобы ось не замыкала накоротко электроды, присоединенные к разным потенциалам, она либо должа быть изготовлена из непроводящего материала, либо должна иметь определенную конструкцию. Однако, если она изготовляется из токопроводящего материаЛа, она должна снабжаться минимум частичным изоляционным покрытием. Ось 12 может состоять также из концентрических труб, причем самые внешние трубы могут испольэоваться как провода для токоснабжения электродов. Трубы с разными потенциалами должны быть изолированы друг от друга. Так как ось 12 служит, кроме того, держателем для электродного рулона (рулонов) целесообразно изготавливать ее из материалов, обладающих соответствующей механической прочностью и коррозионностойкостью.С помощью вышеописанных видов вы,полнения электрохимической ячейки можно осуществлять электрохимические способы, в том числе и электролитическоеокисление.Формула изобретения1. Система электродов для электро- химических ячеек, содержащая, по меньшей мере, один электродный рулон, образованный путем намотки деформируемого материала в спираль, а деформируемый. материал состоит из расположенных поочередно электродных и изоляционных слоев, по меньшей мере один из изоляционных слоев является ионопроницаемым, а электродные и изоляционные слои имеют форму и структуру, позволяющие течение электролита через электродный рулон, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационно- технических параметров за счет обеспечения большого соотношения поверхности электродов с объемом ячейки и равномерного распределения разности потенциалов в самой системе, электродные слои смещены по оси относительно друг друга так, что у каждого осевого конца рулона имеется полосообразная поверхность из электропроводного материала для подвода электрического тока.2. Система электррдов по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что полосообразные слои из электропровод- ного материала выполнены непроницаемыми для электролита, а их толщина выбирается из условия уплотнения ими обоих концов рулона в осевом направлении.3. Система электродов по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она содержит полую ось, вокруг которой намотан электродный рулон, причем ось имеет отверстия для протока электролита из оси в рулон.4. Система электродов по п.3,т л и ч а ю щ а я с я тем, что со869564 10 Рц держит, по меньшей мере, одну пару электродных рулонов, расположенных на полой оси и имеющих зазор между отдельными рулонами, который уплотняется герметичной лентой.5. Система электродов по п.4, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что электродные рулоны имеют, по меньшей мере, одну пару электродных слоев для биполярных операций, каждая пара состоит из множества перфорированныхэлектродных полос, намотанных вокругоси на расстоянии друг от друга,а каждая полоса одного слоя перекрывает две половины смежных полос другого электродного слоя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9442035, кл. В 23 Р 1/04, 1972.8695 б 4 ог. Составитель Б.Артамонов Е.Дичинская Техред С.Мигунова Корректор М.Шароши, Редак аказ 83 113 4 филиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проек 88НИИПИ Госпо делам5, Москва Тираж 707 рственного обретений и -35, Раушск Подписомитета СССРоткрытийя наб., д, 4/5 У Я О