电解设备.pdf

本发明涉及一种电解设备，其包括：至少两排电极，至少部分地浸入在所述电极处释放一种或多种腐蚀性气体种类的电解液中；至少一个间隔薄膜，其置于两排邻近的电极之间。每个薄膜由被碳阵列硬化的碳纤维增强件构成，并且所述薄膜呈现为多孔部分，所述多孔部分可以让离子透过却不能使在电解液中释放的所述气体种类或每个气体种类透过。

1、  一种电解设备，包括：至少两排电极，至少部分地浸入在所述电极处释放一种或多种腐蚀性气体种类的电解液中；至少一个间隔薄膜，其置于两排邻近的电极之间；其中所述薄膜由被碳阵列硬化的碳纤维增强件构成，以及其中所述薄膜具有至少一个多孔部分，所述多孔部分可以让离子透过却不能使在电解液中释放的所述气体种类或每个气体种类透过。

2、  如权利要求1所述的电解设备，其中所述多孔部分的厚度保持在1.5mm至5mm的范围中。

3、  如权利要求1所述的电解设备，其中所述多孔部分具有穿过所述增强件的厚度的穿过开口。

4、  如权利要求3所述的电解设备，其中所述开口的宽度保持在0.2mm至5mm的范围中。

5、  如权利要求3所述的电解设备，其中所述开口的方向相对于所述增强件的平面成预定角度。

6、  如权利要求4所述的电解设备，其中所述开口为缝的形式，该缝的方向相对于所述薄膜的纵向保持0°至90°范围内的角度。

7、  如权利要求3所述的电解设备，其中所述开口的截面在所述薄膜的厚度方向上变化。

8、  如权利要求1所述的电解设备，其中所述多孔部分呈现波纹形状。

9、  如权利要求1所述的电解设备，其中所述至少一个薄膜还包括与所述多孔部分连接的扣紧部分。

10、  一种制造电解设备的方法，所述电解设备包括：至少两排电极，至少部分地浸入在所述电极处释放一种或多种腐蚀性气体种类的电解液中；至少一个间隔薄膜，其置于所述至少两排电极之间；其中所述至少一个薄膜通过形成碳纤维增强件、由碳阵列硬化所述增强件、和在硬化的增强件中形成多孔部分而制得，所述多孔部分可以让离子透过却不能使在电解液中释放的所述气体种类或每个气体种类透过。

11、  如权利要求10所述的方法，其中所述多孔部分的厚度保持在1.5mm至5mm的范围中。

12、  如权利要求10所述的方法，其中在所述增强件的厚度方向，在所述多孔部分中形成穿过开口。

13、  如权利要求12所述的方法，其中所形成的开口的宽度保持在0.2mm至5mm的范围中。

14、  如权利要求12所述的方法，其中所述开口的方向相对于所述增强件的平面成预定角度。

15、  如权利要求13所述的方法，其中所述开口为缝的形式，该缝的方向相对于所述薄膜的纵向保持0°至90°范围内的角度。

16、  如权利要求12所述的方法，其中所述开口的截面在所述薄膜的厚度方向上变化。

17、  如权利要求10所述的方法，其中所述多孔部分形成为波纹形状。

18、  如权利要求10所述的方法，还包括改变或涂覆所述薄膜的多孔部分的至少一个表面的步骤。

19、  如权利要求10所述的方法，其中也形成与所述多孔部分连接的扣紧部分。

电解设备
技术领域
本发明涉及电解池或设备的领域。
背景技术
图1的视图示出了用于产生氟的电解池或设备100。设备100包括容器101，其盛装电解液102(例如，氢氟酸(HF)溶液)，且其内浸有两类电极，即，阴极103和阳极104。阳极104被扣紧到并电连接到母线(busbar)105的相对侧。母线105同时为阳极104提供支撑和输送电解电流。以已知方式，母线105连接到直流(DC)发电机(图中未示出)的正极端子，而阴极103连接到发电机的负极端子。阳极104纵向分布在母线105的每一侧，并伸出母线105的底面105a。
图1示出了处于工作状态的电解设备100，即，这时电极103和104浸在电解液中并由发电机提供直流电流。例如，当电解液由氢氟酸构成时，电解使得在阳极104产生氟气泡108而在阴极103产生氢气泡109。这两种气泡升到电解液的表面，并由电解设备100顶部的独立管道110和111收集。隔膜112与电极顶部齐平放置，从而使得氟气泡108被管道110选择性收集，而氢气泡109被管道111所收集。
阴极104和阳极103彼此间隔开一段预定距离d，以防止以气体形式释放的氢和氟混合。距离d能够确保沿阳极104上升的氟气泡108不存在与沿阴极103上升的氢气泡109相接触的危险。
然而，阳极和阴极之间的这种间隔降低了电解设备的效率。电解设备的电化学效率或法拉第效率，即实际产生的气体体积(这里指氟)除以由所提供的电能来计算得到的气体体积的比率，具体取决于阳极和阴极之间的距离。换句话说，随着阳极和阴极之间距离的增加，法拉第效率下降。此外，如图1所示，不同排的电极103和104之间的距离d限制了可以放置在容器101中的电极的排数，从而阻碍了电解设备的生产率。
为了减小阴极和阳极之间的距离，已知在其间放置了薄膜。不过，在产生例如氟的腐蚀性气体种类的电解设备中，必须可获得薄膜，其具有非常特别的防腐蚀特性。当通过电解而产生氟，如上所述，释放出的氟气泡引起电解设备元件的腐蚀和冲蚀，因为在电解过程中氟气泡接触到电解设备。邻近阳极放置的薄膜与朝向电解液的表面上升的大多数氟气泡接触。因而，该薄膜承受复合的腐蚀—冲蚀现象，该现象是由气泡沿薄膜行进的效果相关的构成气泡的气体种类的化学特性产生。所使用的薄膜也必须足够硬而不会在电解浴(electrolyte bath)的或气泡的移动的作用下移动，以便保证被释放的气体种类之间很好地分开且避免与电极接触。
目前用于制造间隔薄膜的材料不能充分抵抗将产生的腐蚀—冲蚀现象，并且由于过早的降解，材料经受被释放的气体种类透过的危险。一种提供更好的抗腐蚀—冲蚀的解决方案是增加薄膜的厚度，但是这就等于增加了阴极和阳极之间的距离，进而降低法拉第效率和设备的生产率。
发明内容
本发明的一个目的是通过提出电解设备的新设计来克服上述缺点，其中电解设备包括能使由阳极区域和阴极区域构成的电极更加靠近并有效经受住上述腐蚀—冲蚀现象的间隔薄膜。
为此，本发明提出了包括多排电极的电解设备，所述多排电极至少部分地浸在电解液中，所述电解液在电极处释放处一种或多种具有腐蚀性的气体种类，所述设备还包括，依据本发明，至少一个由被碳阵列硬化的细碳纤维增强件所构成的间隔薄膜，所述薄膜还具有多孔部分，其可由离子透过而不能被在电极处释放的所述气体种类或每个气体种类透过。
因而，由于本发明的间隔薄膜，可以降低在电解设备中邻近的阴极和阳极之间的距离，进而优化法拉第效率，即使存在被释放的腐蚀性气体种类。因为离子的尺寸远远小于气泡的尺寸，因此在本发明的电解设备中薄膜具有允许离子穿过(一种发生电解反应所需的条件)而不允许释放的气体种类的气泡穿过薄膜的任一侧的透过性。通过减小每列电极之间的距离，在给定体积的容器中可以有更多排的电极，从而提高电解设备的生产率。
薄膜由碳/碳材料制得，因为该材料能很好地经受住腐蚀—冲蚀现象。因此，本发明的薄膜具有很长的使用寿命，从而确保其在使气体种类保持分开的功能上具有很好的可靠性。
本发明的电解设备的薄膜可以仅由碳/碳材料制得，而无需改变，即不需要涂覆涂层。在不同的实施例中，薄膜的一个或两个面的表面可以通过处理而改变或者涂覆上一种或多种特殊材料，例如，为了提高或降低润湿程度的目的或者为了赋予特定电特性的目的。
此外，通过使用由碳阵列硬化的细纤维增强件，所获得的薄膜具有更小的厚度但具有很好的硬度。薄膜也可以具有特定形状的结构，例如其可以具有波纹形状，从而可以进一步提高其硬度。
在其多孔部分，本发明的薄膜的厚度保持在1.5毫米(mm)至5mm的范围中，从而占据很小的空间。
在本发明的一个方面，薄膜具有在增强件的厚度方向上延伸的穿过开口。这些开口的宽度基本保持在0.2mm至5mm的范围中。
所述开口可以为从头开始，即，它们可以来自薄膜的固有多孔性，否则它们可以在其中机械加工。
所述开口可以是任意形状。如非限制性例子，它们可以是其直径保持在0.2mm至5mm范围中的孔的形式，或者其宽度保持在0.2mm至5mm范围中的缝的形式。所述开口的截面可以是变化的形，即，发散或会聚，取决于考虑的气体种类的气泡。当开口是缝或类似物的形式，所述开口的方向相对于薄膜的纵向保持0°至90°范围内的角度。
在本发明的另一个方面，所述开口的方向相对于增强件的平面成预定角度。具体而言，所述开口的方向相对于增强件的平面垂直或倾斜。
在本发明的又一个方面，薄膜也包括与多孔部分连接的扣紧部分。
本发明也提供了一种制造电解设备的制作方法，所述电解设备包括至少两排电极，所述电极至少部分地浸入在电极处释放一种或多种腐蚀性气体种类的电解液中，至少一个间隔薄膜放置在所述至少两排电极之间，其中每个薄膜通过形成碳纤维增强件、由碳阵列硬化所述增强件、和在硬化的增强件中形成多孔部分而制得，所述多孔部分可以让离子透过、但是在电极处释放的所述或每个气体种类不能透过。
在本发明的一个方面，薄膜的多孔部分的厚度保持在1.5mm至5mm的范围中。
在本发明的另一个方面，在增强件的厚度方向上在多孔部分中形成穿过开口。所述开口可以是任意类型的形状，并且具体地它们可以是其宽度保持在0.2mm至5mm范围内的孔或缝的形式。所述开口的截面可以是恒定的或是变化的(发散或会聚的截面)。所述开口可以相对于增强件的平面垂直或成预定角度而形成。当开口是缝或类似物的形式，所述开口可以指向一个角度，其保持在相对于薄膜的纵向成0°至90°的范围中。
所述多孔部分也可以特定结构形成，其可以增强其硬度。具体而言，所述多孔部分可以是波纹形状。
所述方法也包括形成与多孔部分连接的扣紧部分，从而使薄膜钩住电解设备中的某处并保持在电极间的位置。
所述方法也可以包括改变或涂覆薄膜的多孔部分的至少一个表面的步骤。
附图说明
参见附图，从以非限制性示例所给出的本发明的特定实施例的下述描述可以显见本发明的其它特性和优点，其中：
图1，如上所述，是处于工作状态的电解设备的截面图；
图2是依据本发明的实施方式制造间隔薄膜的C/C合成材料片的图解透视图；
图3示出了从图2的片中机械加工的间隔薄膜的一般形状；
图4是从图2的片制造的间隔薄膜的透视图；
图5A和5B是示出了其指向相对于薄膜的增强平面分别成90°和45°的开口的不连续的截面图；
图6是用于依据本发明的另一实施方式用于形成间隔薄膜的模子和反向模子的示意图；
图7和图8是分别是本发明的薄膜的另一实施例的图解透视图和不连续的截面图；
图9至图12是本发明的薄膜的其它实施例的不连续的示意图；以及
图13是依据本发明的包括间隔薄膜的电解设备的图解截面图。
具体实施方式
本发明的特定而非唯一应用领域是用于产生例如氟或氯的腐蚀性气体种类的电解设备。本发明提出了降低在这样电解设备中的阴极和阳极之间的距离，以便提高电解设备的生产率。为了这个目的，本发明提出在两列邻近的电极(阴极和阳极)之间插入间隔薄膜，所述薄膜由一细硬的碳/碳(C/C)合成材料片构成，其允许离子透过而不允许在每个电极处释放出的气泡透过。C/C材料的薄膜可以被这样使用，即不进行表面涂覆或处理，或者相反地该材料被涂覆或处理在薄膜的一个或两个面，例如为了提高或降低薄膜的润湿程度或者为了提供特定的电特性。
所述C/C材料将其自身的硬度提供给所述薄膜，而为所述片提供特殊结构(例如，通过创建波纹)可以增强其硬度，从而避免在电解浴移动的情况下接触到阳极或阴极。
为了获得这种被控制的透过性，并且如以下详述所说明的，所述薄膜包括具有开口或孔隙(孔、缝、等等)的多孔结构，所述开口或孔隙的大小允许离子穿过而阻挡气泡通过。这是可能的，因为离子的大小远远小于气泡的大小。
与不存在这种薄膜时要避免气体种类之间的任何接触通常所需的距离相比，通过允许离子穿过而阻止分别在所述薄膜的每一侧释放出的气体种类相互接触，可以减小两列电极之间间隔的距离。为了明显减小电极之间的距离并且最好地优化电解设备的效率和生产率，必须具有尽可能细的薄膜。但是，所述薄膜必须能够在腐蚀-冲蚀现象的面前保存其自身的结构完整性，以便实现保持气体种类分开的功能。具体而言，允许离子穿过的薄膜的多孔性不能在腐蚀-冲蚀现象的作用下随时间增加，因为那样会使得薄膜产生让释放出的气泡透过的危险。
为了这个目的，本发明的薄膜由碳/碳(C/C)合成材料制得，已知所述材料是一种由被碳阵列硬化的碳纤维增强件组成的材料，并具有很好的抗腐蚀性和抗冲蚀性。
C/C合成材料部分的制造已为人们所知。其包括制造碳纤维预制件，其形状接近于要制造的部分的形状，以及利用阵列硬化所述预制件。所述纤维预制件构成了所述部分的增强件，并且其功能主要为机械特性方面。所述预制件由纤维纹理(纱线、丝束、编织物、织物、毡、等等)获得。通过缠绕、编织、堆叠、和可能的针刺二维的织物层或多片的丝束等等来进行成型。
纤维增强件可以使用液体技术(注入作为碳阵列前体的树脂，并且通过交联和高温分解来使树脂变形，这一过程可以反复进行)或气体技术(碳阵列的化学气相渗透(CVI))来硬化。
以下将描述依据本发明的间隔薄膜的实施例。
在本发明的制造间隔薄膜的方法的第一实施例中，纤维预制件由针刺的碳织物制得。所述预制件然后通过CVI由热解碳硬化，以获得具有至少1.4的相对密度的C/C材料。如图2所示，生成C/C合成材料片10，通过示例，其具有1000mm的长度L，20mm的宽度l，以及500mm的高度h，并且具有足够的刚度以通过机械加工获得薄膜的最终形状。更加精确地，并如图3所示，片10被加工以形成称为“覆盖区域”的部分11，该覆盖区域的厚度P保持在1.5mm至5mm的范围中。覆盖区域11对应于薄膜的多孔部分，所述薄膜被用于将由阳极和阴极释放的气流分开并允许离子穿过。在片10的顶部加工形成扣紧部分12，其包括钩形法兰121和用于接受扣紧构件(例如，螺钉)的扣紧孔122，以下参见图13进行说明。
一旦最终形状被加工形成，例如借助加压的水喷射来在覆盖区域11中穿出开口。这些开口可以是任意形状，例如，孔、缝、等等。所述开口的尺寸(例如，孔的直径或缝的宽度)保持在0.2mm至5mm的范围中。
如图4所示，所获得的薄膜14包括扣紧部分12和覆盖区域11，所述覆盖区域具有孔110形式的多个开口并且对应于所述薄膜的多孔部分。在覆盖区域11中的孔110可以相对于薄膜的平面垂直延伸，如图5A所示。然而，孔的方向则相对于薄膜的增强平面成任意角度，比如，例如覆盖区域11’的孔110’(如图5所示)的方向相对于增强平面成45°角。
也可不进行任何改变而使用薄膜14。然而，薄膜14可能经受额外的处理，例如，热解碳的附加渗透以校准穿出的开口，沉积材料以改变薄膜(例如，碳化硅(SiC))的润湿程度，或者确实的处理以改变薄膜的表面特性。
依据本发明的制造间隔薄膜的方法的另一个实施例，纤维预制件由大约12mm厚的针刺碳织物制得。如图6所示，预制件20成形为模子31和反向模子32，每个具有与将在薄膜中形成的多孔部分对准的长钉310或320，其中。模子和反向模子的另一部分(未在图6中示出)的形状对应于也将形成的扣紧部分。
此后，增强件通过液体技术加固，而保持其本身形状，即，增强件被注入碳前体树脂，并且之后所述树脂通过交联和高温分解而变形为碳阵列。
一旦该部分被从模子中取出，其必须经过机械加工，以便调整覆盖区域的厚度在1.5mm至5mm的范围中、并形成扣紧部分、以及也刺穿出扣紧孔。
这样产生了与图4中所示的薄膜类似的薄膜，并且如上所述，同样可以在没有变化的情况下或者经过额外处理的情况下使用所述薄膜。
根据所期望得到的开口的形状，长钉可以具有合适的形状，例如形状可以是圆柱形、三角形、或正方形，以及截面可以是恒定的或变化的。
在可变实施例中，薄膜可以如上所述制得，但是使用不具有长钉的模子和反向模子。在这种情况下，开口在从模子中取出后被制得，例如使用加压的水喷射。
图7和图8示出了间隔薄膜40的一个实施例，所述薄膜40与图4中所示的不同，所述薄膜40在其覆盖区域41为波纹形状。这种特殊结构用于增强薄膜的硬度，从而增强其抵挡住电解浴移动的能力。象图4的薄膜14，薄膜40在其限定了薄膜的多孔部分的覆盖区域中具有多个开口41，该薄膜40还包括扣紧部分42，该扣紧部分42具有钩形法兰421和扣紧孔422。薄膜40所具有的波纹的起伏很小，从而不会阻碍减小阳极和阴极之间的距离。
图9示出了与图4中的薄膜不同的间隔薄膜50的又一实施例，图4中的薄膜在其覆盖区域51中具有孔，而图9中的薄膜50具有缝510。所述缝的方向可以相对于薄膜的纵向保持0°至90°范围内的夹角(在图9中，该缝成0°夹角)。此外，所述缝可以在垂直方向上(如图5A所示的孔)或沿一些其它角度穿过薄膜的厚度，例如，相对于覆盖区域的平面成45°夹角(如图5B所示的孔)。
图10至图12示出了与所述内容不同的间隔薄膜的其它实施例，其中呈现出不同形状的开口。图10示出了在其覆盖区域61中具有开口610的薄膜60，该覆盖区域61成双-T或I形。图11示出了在其覆盖区域71包括开口710的薄膜70，该覆盖区域71成十字形。图12示出了在其覆盖区域81具有开口810的薄膜80，该覆盖区域81为缝的形式，其中缝的方向是平行于薄膜的纵向和垂直于薄膜的纵向相交错。开口610、710和810的宽度保持在0.2mm至5mm的范围中。此外，开口610、710和810可以形成在薄膜的厚度方向，其方向垂直于覆盖区域的平面(如图5A中的孔)或者相对于覆盖区域的平面成某一其它角度，例如成45°角(如图5B中的孔)。
在其被制造之后，上述薄膜可以在没有变化的情况下使用，即没有经过任何特殊处理。但是，在其已经被制成之后，薄膜可以经受额外处理以改变或提供特殊的特性给薄膜。因而，本发明的薄膜的C/C材料可以被一种或多种其它材料涂覆，例如碳化硅、、或者任意其它绝缘的含碳材料。薄膜也可以经过处理，例如加热处理或表面氧化处理，以便改变其表面特性。
作为例子，图13示出了如何通过使用本发明的间隔薄膜可以减小阴极和阳极之间的距离。在这一实施例中，电解设备200被使用，与参照图1的上述电解设备相比对，所述电解设备200包括具有相同大小且盛有电解液202(例如，氢氟酸(HF)溶液)的容器201，其内置有阴极203和阳极204。依据本发明，电解设备200也具有四个如图4所示类型的间隔薄膜214至217，这四个间隔薄膜214至217分别放置在邻近排的阴极203和阳极204之间。薄膜214至217通过它们的扣紧部分并借助螺钉218扣紧到隔膜212。间隔件219也可以在其底端扣紧在两邻近的薄膜之间。
如上所述，由于每个薄膜具有在其中形成多个开口的覆盖区域，因此离子可以在阴极和阳极之间交换，以便能够发生电解反应。然而，虽然薄膜中的开口允许离子通过，但是防止在阳极204释放的氟气泡208和在阴极203释放的氢气泡209穿过薄膜。
因此，如图13所示，当与图1比较，通过使用本发明的间隔薄膜可以大大减小为了防止氟与氢混合而在阴极和阳极之间通常所需的距离d(图1)。如图13所示，电极间隔开一段更小的距离dr，该距离dr仅仅由薄膜和电极之间所需的空间大小来限定，以便允许气体种类的气泡在电极处被释放并上升。
通过使阳极和阴极移至更近而没有气体混合的危险，而提高了电解设备的法拉第效率。此外，如图13所示，对于给定的容器体积，移动阳极和阴极至更近来留出空间，在该空间中可以放置更多排的阳极和阴极，并因此提高电解设备的生产率。