电极构件的制作方法

专利名称：电极构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及电极构件，例如供双极电解装置，特别是模件式双极电解装置，还有燃料电池使用的电极构件。
单极压滤器型薄膜电解装置是公知的，例如在我们的英国专利GB 1,595,183中所描述的单极压滤器型薄膜电解装置。这样的电解装置易于制作，价格便宜，而且易于装配。
单极电解装置在本领域是公知的，例如我们的英国专利GB1,591,348就公开了这种单极电解装置。
就用来电解碱性金属氯化物溶液的传统设计的双极电解装置而言，双极单元包括一个阳极和一个阴极，阳极呈现为一个形状适当的成膜(film-forming)金属板，通常为钛金属板，金属板上带有电催化活性涂层，例如一种铂系金属氧化物，而阴极则呈现为一个多孔金属板，例如带有小孔的金属板，通常为镍或低碳钢金属板，阳极和阴极彼此电连接，以构成一个双极单元。在电解装置中，在串联布置的连续双极单元之间，设有隔板，因此，一个双极单元的阳极是面对着相邻双极单元的阴极，而且在阳极与阴极之间有一个隔板。电解装置还包括终端阳极单元和终端阴极单元。
就双极型电解电池的工作而言，双极单元有利于以尽可能小的阳极与阴极之间的距离(阳极/阴极间隔)来工作，以便将欧姆损耗保持在最小，从而，将电池电压损耗保持在最小。
隔板通常是靠近阴极，甚至是接触到阴极，为了在不损伤隔板的同时，获得小的阳极/阴极间隔，必须精心制作具有适当平整度的电极，而且还必须在给电极涂敷电催化活性涂层的热处理中，保持电极的平整度。另外，在双极电解装置中装配双极单元时，如果要避免损伤隔板，也必须非常当心。
美国专利US 4,557,816公开了在其所描述的双极电解装置中，通过在电极的远离隔板的一侧上提供一些用于液体下流的竖向槽，可以改善电极间的电解液的均匀浓度分布。
美国专利US 4,643,818公开了在其所描述的双极电解装置中，通过在双极电解装置的各个电解单元之间使用一些刚性的多触点导电装置，可以降低双极电解装置的电阻并获得均匀的电流密度。
美国专利US 4,734,180公开了一种双极型电解装置，其中，包括多个双极单元，这些双极单元背对背地安装在位于双极单元之间的爆炸(explosion)熔粘的钛—铁板上，而且其中，导电筋被焊接到电极上和盘形壳体上。
美国专利US 5,225,060公开了在其所描述的双极电解装置中，通过在阳极构件和阴极构件的上部利用非电流空间，可以避免在阳极构件和阴极构件的上部设立气体区。
欧洲专利EP 0,704,556公开了在其所描述的双极电解装置中，通过在阳极构件和阴极构件的顶部提供气—液分离装置，将压力波动、薄膜损耗及电压变化减小到最低限度。
国际专利WO 98/55670公开了一种用于双极电解装置的元件，这个元件的两个表面被加工成带有凸缘和对置凸出。凸出最好为截头锥形，而且最好布置成中心六边形的形式，以改善电解液的横向混合。但是，电解液的纵向混合，是通过下水槽来实现的，下水槽减小了电极的活性区域，从而，增大了穿过电极的电流密度的变化，在采用的是间隔狭小或为零的阳极/薄膜/阴极配置形式而且薄膜采用的是杂质敏感的离子交换膜的情况下，当以高的电流密度工作时，这就是一个特别的问题。
欧洲专利EP 0 521 386公开了一种双极电解装置，其中包括多个电解单元，电解单元中包括电极隔板，电极隔板带有与电极网孔相配合的凹进和凸出，电极网孔直接或通过弹簧接到凸出上。许多个这样的竖立电解电池单元串列连接，而且在相邻电解单元之间设有一个离子交换膜，以构成一个电解装置。虽然这种凹进和凸出确保了电解液的良好横向混合，但是，电解液的纵向混合却不良。因此，为了将电解单元内的浓度变化和温度变化保持在可接受的范围之内，需要利用附加的价格昂贵的管线和容器来进行高能泵激的(energy-intensive pumped)外部再循环。
在阳极—阴极间隔为零的电解电池中，有这样的倾向通过阳极和阴极施加于隔板上的、使阳极和阴极与隔板相接触的压力，会造成隔板失去均匀性、出现磨损甚至是出现破损。具体到隔板为离子交换膜的情况，要求通过阳极和阴极对离子交换膜施加一个均匀的压力。
我们现在发明了一种用于双极电解装置的电极构件，它能够在不损坏隔板的情况下允许在电解装置中使用非常小的、甚至是为零的阳极/阴极间隔，能够通过利用一个短的电极间的正交载流路径长度及在几乎整个载流路径长度上使用低电阻材料来将电阻降低到最低限度，并能够在整个电极区域提供极好的电流分布。这种电极构件使得溶液能够在水平方向和垂直方向流动，从而，帮助溶液的循环和混合，并提高电极构件的刚性和强度，使得在电池结构中能够实现更为紧密的公差配合。这种电极构件不仅结构简单，而且易于制造。
根据本发明的第一个方面，提供了一种电极构件，例如供双极电解装置使用的电极构件，其中包括(i)一个盘(pan)，带有一个碟形凹进和一个凸缘，凸缘围绕着碟形凹进的边缘，该盘用来支承在相邻电极构件凸缘之间的、对隔板进行密封的密封装置，隔板被设置在第一个电极构件的阳极面与第二个电极构件的阴极面之间，因此，阳极面实质上平行于阴极面，并且面对阳极面，但通过隔板与阴极面绝缘和隔开，而且对于隔板来说是密封的；(ii)一个与盘相隔开的导电板；(iii)一个溶液入口；以及(iv)一个流体出口；其中，导电板是通过连接在其上的、用来在导电板与盘之间提供导电路径的多个导电元件来电连接到盘上，但条件是在导电板为阳极板的情况下，导电板可选择直接连接到盘上；而且其中，在电极构件为阳极构件的情况下，碟形凹进带有多个向内的凸出(inwardly projecting projection)，而在电极构件为阴极构件的情况下，碟形凹进带有许多个向外的凸出(outwardly projectingprojection)，从而，在一个由多个电极构件所组成的电极部件内，阳极构件的盘的碟形凹进之中的向内的凸出与相邻阴极构件的盘的碟形凹进之中的向外的凸出相配合。
导电板最好是采用一种在下文中详细介绍的金属或合金。通常，导电板是采用与盘一样的材料。因此，在电解碱性金属卤化物时，在电极构件被用作阳极的情况下，导电板可以利用一种阀金属或一种主要由阀用铅锡黄铜所构成的阀金属合金来制成。在电解碱性金属卤化物时，在电极构件被用作阴极的情况下，导电板可以利用例如不锈钢、低碳钢、镍或铜来制成。
应当知道的是，在盐水电解时，在导电板为阴极的情况下，导电板上将带有一种电催化活性涂层。
导电板可以采用任何一种在下文中详细介绍的适当结构。导电板的确切结构并不是关键性的。
在根据本发明的一个模件中，隔板是位于相邻电极构件的导电板之间，为了使施加在隔板上的压力均匀分布，导电板最好是柔性的。
碟形凹进之内的每个凸出，最好是电连接到一个导电元件上，这样，凸出就能够提供多个供电点，从而，能够改进整个盘区域的电流分布，进而能够实现较低的电压及能量损耗和较长的隔板及电极涂层使用寿命。
在碟形凹进之内的凸出，在第一个方向上及在垂直于第一个方向的方向上，最好是彼此相互分开的。凸出最好是均匀间隔。例如，凸出可以在第一个方向上相互之间等距离间隔，而且在垂直于第一个方向的方向上，例如与第一个方向大致成直角的方向上，也是相互之间等距离间隔。凸出在两个方向上的间隔距离最好相等。
在碟形凹进之内的凸出，可以采用多种形状，例如拱形、球形、锥形、最好是截头锥形。可以指出几个用来形成凸出的方法，特别是真空成型、爆炸成型(explosion forming)、挤压成型，最好是将适当形状的工具应用于凹进的相对面。
在电极构件的盘碟形凹进上，凸出的数量通常约为20个/平方米～200个/平方米，最好是40个/平方米～100个/平方米。
凸出的距离碟形凹进面的高度，取决于盘的深度，例如可以在0.5cm～8cm的范围，最好是在1cm～4cm的范围。碟形凹进上的相邻凸出的中心距，例如可以在1cm～30cm的范围，最好是在5cm～20cm的范围。电极构件在电流方向上的尺寸，从导电板到盘的底面所测量得到的尺寸，最好是在1cm～6cm的范围，以便提供短的电流路径，短的电流路径能够在不使用精细载流装置的情况下，确保电极构件内的低电压降。
在电极构件中，连接在导电板上的导电元件最好包括杆(post)。
在导电元件是以杆的形式连接到导电板而且是被电连接到盘碟形凹进的向内的凸出的情况下，导电板与盘之间的电流路径长度可以被减小到最短。
在阳极杆是用钛或钛合金制成而阴极杆是用镍或镍合金制成的情况下，经过阴极杆的导电路径长度，最好是大于经过阳极杆的导电路径长度。经过阴极杆的导电路径长度和经过阳极杆的导电路径长度，其比值至少为2∶1，优选比值至少为4∶1，而且最好至少为7∶1。通常，这个比值至少为10∶1。
杆的长度，取决于电解装置的设计，而且还与杆是对应于阳极板还是对应于阴极板有关系。通常，杆的长度可以在0～10cm的范围，最好是在0～4cm的范围。在长度为0的情况下，应当知道，本发明设想了一种改进型布置，其中，当导电板用作阳极板时，则该导电板可以直接电连接到对应的盘上，或者是通过一个在下文中所描述的载流装置，连接到对应的盘上。
在导电元件是以杆的形式连接到导电板的情况下，每个杆最好都带有一个连接到导电板的载流装置，例如环、网或线束，以获得多个电触点。载流装置最好是一种多脚的载流装置，为方便起见，在下文中将其称之为“多脚架”(spider)。在一些情况下，可以设想在不使用杆的情况下来实现电连接；例如，就阳极构件而言，每个向内的凸出的顶点可以通过一个前面所描述的载流装置，例如一个“多脚架”，来电连接到阳极板。
“多脚架”的使用，对于导电板来说，能够增多供电点的数量及扩大供电点的分布，从而能够改善电流的分布，进而能够实现较低的电压及能量损耗和较长的隔板及电极涂层使用寿命。
“多脚架”的脚的长度及数量，可在允许范围内变化。“多脚架”通常有2个～100个脚，最好是有2个～8个脚。每个脚的长度通常为1mm～200mm，最好是在5mm～100mm。本领域的普通技术人员可以针对具体应用场合，通过简单的试验，来确定“多脚架”的腿的适当长度及数量。
“多脚架”可以是挠性的或刚性的。阳极构件中的“多脚架”和阴极构件中的“多脚架”，其形状及机械性能，可以相同或者不同。例如，在阳极构件中，经常优选相对非弹性的短脚“多脚架”，而在阴极构件中，经常优选相对弹性的长脚“多脚架”。
使用弹性加压“多脚架”，至少在阴极板使用弹性加压“多脚架”，使电极构件能够在将损伤隔板/电极的危险减小到最低的最佳压力下，弹性加压到实现零间隔。“零间隔”的意思指的是在每个电极构件的导电板与相邻的隔板之间不存在着间隔，即相邻的导电板仅仅被隔板的厚度所隔开。
在隔板是薄膜的情况下，弹性加压“多脚架”能够在较大的面积上给薄膜提供更为均匀的支承，从而，能够减少可能造成薄膜损伤的运动，例如由于折弯、磨损或褶皱对薄膜造成的损伤。
“多脚架”最好是用和导电板一样的金属制成的，“多脚架”和导电板保持电连接。
“多脚架”通常是被焊接到导电板上，“多脚架”和导电板保持电连接。
“多脚架”可以利用公知的方法，例如焊接、螺钉固定或推入配合接头，来连接到杆上。
每个“多脚架”的各个脚，可以从中心部分呈辐射状伸出，中心部分用来将“多脚架”连接到杆上，或者在一些情况下，直接连接到有关凸出的顶点。“多脚架”的脚可以采用等角的间隔设置。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于电极构件的“多脚架”，“多脚架”电连接到导电元件和导电板，从而，改善导电板的电流分布。
根据本发明的第三个方面，提供了一种阳极或阴极部件，其中，包括一个导电板，导电板连接到多个电流分配“多脚架”的一个表面，每个“多脚架”都带有一个连接部分，连接部分用来连接盘和从连接部分呈辐射状伸出的多个腿，从而，电流经过这些腿提供给导电板。这种布置使阳极或阴极部件能够易于焊接或用其他方法固定在一个电解单元或模件之内，而且使阳极或阴极部件能够易于从一个电解单元或模件之内取出，例如为修理导电板或更新其上的电催化涂层而需要将阳极或阴极部件取出的时候。
在杆上装有载流装置的情况下，杆的邻近隔板的那一端，还可以装有绝缘帽。
在电极构件为阳极构件的情况下，阳极构件的盘可以背对背地连接到作为阴极构件的电极构件的盘，从而，阳极构件的盘上面的向内的凸出与阴极构件的盘上面的向外的凸出相配合，以构成一个双极单元。
根据本发明的第四个方面，提供了一种双极单元，其中，根据本发明的作为阳极构件的电极构件的盘与根据本发明的作为阴极构件的电极构件的盘相连，从而，阳极构件的盘上面的向内的凸出与阴极构件的盘上面的向外的凸出相配合，以构成一个双极单元。
在根据本发明的双极单元中，电极构件是被挤压或连接在一起，更为可取的是焊接在一起，最好是爆炸熔接在一起，从而，在盘的碟形凹进之间形成电连接。
多个这样的双极单元，通过间置的适当隔板、垫片及压配件，可以组装成为一个压滤器型双极电解装置。
根据本发明的第五个方面，提供了一种压滤器型双极电解装置，它包括a)电流分配装置；以及b)至少一个双极单元，双极单元安装在一个支架上，并且在机械和电路上为串列连接，其特征在于双极单元是根据本发明的第四个方面的双极单元。
“电流分配装置”的意思指的是这样的各种系统通常是连接到电解装置框架的端架的内侧，被设计用来将电流从电源------例如电解车间的供电线或母线------传送到压滤器型双极电解装置的终端电极的盘或者模件式电解装置的终端模件的外侧盘，从而，使电流输送是均匀分布在盘的所有电触点上。通常，电流分配装置可以是用导电材料制成的单板、板系、电缆或导线。电流分配装置可选择装备用来提高导电率的涂层、附件或装置，以增进电流分布装置与终端电极之间的电连接。另外，特别是在压滤器型双极电解装置中，终端电极也可以永久性地连接到电流分配装置，例如，通过焊接永久性地连接到电流分配装置。
在本发明的电解装置中，特别有用的一种最佳形式的电流分配装置包括一组铜板，这些铜板从电解装置端架的底部到顶部垂直布置，这些铜板通过连接到一条母线上来实现电连接。在电解装置的框架的一端，铜板被连接到作为阳极构件一个组成部分的盘上，这些铜板可以带有导电的向外的凸出或导电的杆，铜板上的导电的向外的凸出或导电杆与阳极的向内的凸出相配合。在电解装置的另一端，铜板连接到作为阴极构件一个组成部分的盘上，这些铜板可以是平面形的，或者可以带有向内的凸出，铜板上向内的凸出与阴极的向外的凸出相配合。可选择的是，电流分配装置中的铜板可以带有用来增强导电率的涂层或装置，以增强铜板与电极构件的盘之间的电接触。
根据本发明的压滤器型双极电解装置中的终端电极，最好是包括本发明的电极构件。
在本发明的电极构件提供了双极电解装置的终端的情况下，电极构件可以带有用来将电力传送到终端的装置。例如这种装置可以包括一个形状适当的凸出，在电极构件装入电解装置时，用来连接到一条母线上。
根据本发明的压滤器型双极电解装置，通常最多可包括300个双极单元。
用来给根据本发明的压滤器型双极电解装置提供密封负荷的装置，对于本领域的普通技术人员来说，是公知的。
模件式双极电解装置是公知的，例如在美国专利US 4,108,752和美国专利US 4,664,770中就公开了模件式双极电解装置。
模件式双极电解装置的优点是与传统的双极电解装置相比，需要施加的挤压载荷较低，这是因为挤压载荷仅用来在相邻模件之间获得电接触，并不用来密封电解装置内的每个电解单元。使用较低的挤压载荷，不需要厚重的端板和有关的挤压系统。另外，使用模件，还便于双极电解装置的生产/组装及维护。
美国专利US 4,108,752描述了一种模件式双极电解装置，其中包括多个可拆装的模件。每个模件都包括一对匹配的盘，每个盘都有一个碟形凹进和一个围绕着碟形凹进的凸缘，这些盘的外围的凸缘连接在一起，从而，每一个盘的凹进都面向着所连接的盘的凹进。在两个盘之间，设有一个一般的平面隔板。一个盘的凹进和隔板的对应平面确定了第一个构件；而另一个盘的凹进和隔板的另一平面确定了第二个构件。在每个构件内，都定位了一个平面电极，就这两个构件而言，每个构件都是平行于隔板平面，而且是电连接和机械连接到对应的盘上，例如通过杆连接到对应的盘上。这种压滤器型双极电解装置是以直线排列多个模件来组装，从而，盘的平面外表面是平行的。在相邻模件的对立盘面之间，至少设置一个多触点导电片，从而，盘的平面外表面是平行的，而且当模件被挤压在一起时，导电片是被夹在中间，以在相邻模件之间形成多触点的可靠电连接。
美国专利US 4,664,770描述了一种用于模件式双极电解装置的模件，其中包括一个由两个构件所组成的框架，每个构件都有一个底面，这个底面在一个平行于阳极面和阴极面的平面内延伸。阳极和阴极通过一个薄膜隔开，而且阳极和阴极都带有多个并列布置的带孔部分和不带孔部分。在阳极与一个构件的底面的相邻内表面之间以及在阴极与另一个构件的底面的相邻内表面之间，设有一个金属框架模式的加强件。每个底面的外表面连接一个接触条，相邻模件的接触条采用电连接。另外，还提供了用来将每一个接触条连接到金属加强件及电极内无孔部分的装置。在每个模件内，在阳极与阴极之间有一个分隔薄膜，而且垫板使构件和薄膜隔绝。在电解装置的组装是借助于公知的压紧装置来直线排列多个这种模件的情况下，相邻模件之间的电连接由导电接触条来确保。
我们现在发现，在根据本发明的电极构件中，在安装于导电板上的导电元件采用的是承载杆的情况下，能够利用这种电极构件来制作供模件式双极电解装置使用的模件。这样的模件易于组装，而且特别易于和其他模件共同安装(co-locate)在一个电解装置框架上。在一个模件与相邻模件之间，特别易于获得良好的电接触。此外，进行电解的薄膜面积，与公知的模件式设计相比，也大大提高。
根据本发明的第一个最佳方面，提供了一种用于模件式双极电解装置的模件，它包括a)一个阳极构件，其中包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘；(ii)一个阳极板，可选择带有一个电催化活性表面；(iii)在盘与阳极板之间提供导电路径的装置，可选择包括多个导电承载元件，导电承载元件电连接着阳极板；(iv)一个溶液输入口；以及(v)一个液体出口；b)一个阴极构件，包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘；(ii)一个阴极板，可选择带有一个电催化活性表面；(iii)多个导电承载元件，导电承载元件电连接着阴极板，而且在盘与阴极板之间提供导电路径；(iv)一个溶液输入口；(v)一个液体出口；c)一个隔板，设置在阳极板与阴极板之间，从而，通过隔板，阳极表面实质上是平行地面对阴极表面，但与阴极表面绝缘和隔离，隔板将模件分为独立的阳极室和阴极室；d)密封装置，在盘的凸缘之间密封隔板；以及e)用来给密封装置施加压力、以密封隔板的装置，其特征在于i)阳极构件的盘上的碟形凹进带有多个向内的凸出，而阴极构件的盘上的碟形凹进带有多个向外的凸出，从而，在一个包括有多个模件的模件式双极电解装置中，一个模件的阳极构件上的向内的凸出与相邻模件的阴极构件上的向外的凸出相配合；以及ii)可选择一个或多个根据本发明的双极单元，最好是带有导电承载杆，而且在阳极构件与阴极构件之间带有隔板。
应当知道，在根据本发明的一个模件的阳极构件与阴极构件之间，通过含有一个或多个根据本发明的双极单元，以及相关的密封垫和隔板，并使用类似的装置来提供压力以使密封垫密封隔板和电极构件，则能够产生一种含有两个或更多个阳极构件、两个或更多个阴极构件、以及两个或更多个隔板的“混合型模件”。应当知道的是，混合型模件的产生是在本发明的范围之内。
混合型模件的一个优点是在电解车间的工作环境下，在维护和修理期间，针对电极构件或模件的更换，需要较少的提升操作次数，从而，能够减小危险性和缩短电解装置的停机时间，。
给密封垫施加压力、以密封模件内隔板的装置，最好是穿过凸缘上的开孔的螺栓。但是，我们并不排除可以使用其他施压装置的可能性。
在模件内的导电承载杆带有载流装置的情况下，每个杆最好装有一个绝缘帽，而且更好的是在导电板上作出一个装配孔，特别是在导电板为网孔板的情况下。在导电板上作出装配孔的情况下，绝缘帽最好是采用绝缘垫形式的绝缘帽。
根据本发明的第二个最佳方面，提供了一种模件式双极电解装置，它包括一个或多个模件，模件机械地和电地串列组装在一个安装框架上；以及电流分配板，位于电解装置的两端，其特征在于模件是根据本发明的最佳方面的模件。
在根据本发明的模件式双极电解装置内，传递载荷的绝缘缓冲垫最好是配置在邻近导电板的导电承载杆的端部，而且在根据本发明的压滤器型双极电解装置中，在杆承载的情况下，最好是配置在邻近导电板的导电承载杆的端部。这种绝缘垫，能够避免对薄膜造成机械损伤，而且由于电解作用并不发生在这些点上，因此，薄膜也不会受到任何电解损害。
这种绝缘垫，可以利用耐电解槽化学环境的非导电材料来制成，例如象PTFE、FEP、FPA、聚丙烯、CPVC及氟橡胶之类的含氟聚合物。这种绝缘垫可以装在位于杆之间的金属间柱(metal studs)上，而且带有绝缘垫的导电板是朝向隔板或薄膜。
在根据本发明的包括有多个模件的模件式双极电解装置中，一个模件的阳极盘的碟形凹进与相邻模件的阴极盘的碟形凹进电连接，最好是在凸出的顶点电连接。
在模件式双极电解装置中，相邻模件之间的导电性，可以通过使用联接装置来实现，或者最好是至少通过相邻模件之间的紧密接触来实现。
相邻模件之间的导电性，可以通过在盘的外表面上使用导电性增强材料或导电性增强装置来提高。特别可以指出的导电性增强材料的例子是导电碳泡沫、导电油脂或高导电性金属涂层，例如银涂层或金涂层。
最好是利用导电性增强装置来提高相邻模件之间的导电性。特别可以作为实例指出的导电性增强装置的例子是焊接到阳极的导电双金属板、爆炸熔接的导电双金属板、导电金属装置，例如垫圈(washer)，最好是这样的导电金属装置，即，它适于(a)钻穿或扎穿盘上的任何绝缘涂层，例如一种氧化物层，而磨蚀或穿进盘的表面，而且(b)至少阻止在导电金属装置与盘面之间形成绝缘层。
根据本发明的第三个最佳方面，提供了一种导电金属装置，它适于(a)钻穿或扎穿盘上的任何绝缘涂层，例如一种氧化物层，而磨蚀或穿进盘的表面，而且(b)至少阻止在导电金属装置与盘面之间形成绝缘层(为了方便起见，在下文中将其称之为“磨蚀装置”)。
这种“磨蚀装置”带有一个或多个凸出。可以举出的“磨蚀装置”的一个例子是一种星形垫圈(star-washer)，例如带有18个凸出的星形垫圈。但是，这种“磨蚀装置”最好带有不多于6个凸出。为了在组装电解装置时的机械稳定性，通常优选“磨蚀装置”至少带有3个凸出。最好的是，在“磨蚀装置”的两个面上都带有这样的凸出。
“磨蚀装置”最好设置在阳极构件的盘的碟形凹进上的向内的凸出的里面，以在阳极构件的盘和与之相配合的阴极构件的盘的向外的凸出之间提供电连接。最好的是，在阳极的每个向内的凸出之内，都装有“磨蚀装置”。
“磨蚀装置”可以用导电材料制成，导电材料应具有足够的硬度来插入至少一个电极构件的盘，特别是钛阳极，以穿透电极构件的盘上的任何氧化物层。特别可以举出的可用来制作“磨蚀装置”的金属的例子是碳素钢、镍、镍合金或最好是一种铍/铜合金。
举例来说，“磨蚀装置”可以通过螺栓连接、焊接或利用一种金属销，例如钛金属销的销连接，来连接到阳极。“磨蚀装置”的最佳连接是能够至少在一个有限范围内自由转动。
“磨蚀装置”最好是可重复使用的，即能够用来反复连接，而无需更换。
本发明的应用，将参照在氯/碱(chlor/alkali)中的应用，例如在盐水电解中的应用，在后面进行较为详细的描述。
在根据本发明的双极电解装置中，模件和双极单元的数量，将由本领域的普通技术人员特别根据产量要求、可用电力及电压、以及本领域普通技术人员所公知的一些条件，来进行选择。
一个根据本发明的模件式双极电解装置，通常包括1个～300个模件。
根据本发明的压滤器型和模件式双极电解装置，可以在50kPa～600kPa(0.5bar～0.6bar)的压力下工作，最好是在50kPa～150kPa(500～1500mbar)的压力下工作。
在电极构件的底部，有一个溶液输入管，溶液输入管最好是从电极构件的一端延伸到另一端，以使溶液能够从电极构件的一端加注到另一端。举例来说，在模件式双极电解装置用于盐水电解的情况下，溶液输入管使碱性物质(caustic)能够被加注到阴极构件，并且使盐水能够被加注到阳极构件。溶液最好是仅从一端提供给溶液输入管。
在沿着溶液输入管的全长上，间隔设置有孔口，最好是等间隔设置的孔口，以改善从电极结构一端到另一端的溶液供给分配。孔口最好是制成这样在电极构件中装有导流片的情况下，从孔口流出的溶液能够被引入导流片所产生的再循环流，有关导流片的内容将在后面进行详细描述。孔口的尺寸应当能够使溶液输入管内的压降，被降低到最小程度。
本领域的普通技术人员可以针对任何具体用途，不费力计算出溶液输入管上的孔口数量。在每米长度的溶液输入管上，孔口的数量通常约为2个～10个，最好是约为6个。每个孔口的直径通常约为1mm～3mm，最好是约为2mm。
给溶液输入管提供溶液的溶液输送管，是用非导电材料制成的，而且可以插入到溶液输入管的任何深度，例如可以插到几乎到达溶液输入管的终点。在双极电解装置中，非导电溶液输送管的长度的提高，增长了电解装置中电解槽之间的溶液路径长度，从而，降低了电解装置受漏电腐蚀损害的几率。
溶液输入管，可以方便地采用与电极构件相同的材料。举例来说，在阳极是用钛或钛合金制成的情况下，阳极构件的溶液输入管最好也用钛或钛合金制成，而在阴极构件是用镍或镍合金制成的情况下，阴极构件的溶液输入管最好也用镍或镍合金制成。
可以作为实例举出的适合用来制作溶液输送管的非导电材料是PTFE、FEP和PFA之类的含氟聚合物。
在模件式和压滤器型双极电极中，彼此之间通过隔板分开的导电板，构成电解区域。
废溶液和析出气体，通过一个气体/液体排出系统，从电极构件排出，气体/液体排出系统中包括一个引出槽；一个排出集流室，气体/液体分离即发生在其中；以及一个出口。通过在电极构件内电解区域上方的非电解区域内设置排出集流室，通常是能够消除由于在电解区域上部邻近隔板形成气体区域而对隔板造成的损害，至少能够减小这种损害。
在排出系统中，气体/液体混合物，从电解区域经过电解室上方的引出槽，向上流入排出集流室。引出槽的宽度，实质上是扩展到电极构件的整个宽度；而引出槽的深度，将是特别根据电流密度、电极面积和温度来选择，以使气相在连续液相中以气泡形式扩散。引出槽的深度，通常约为电极构件深度的5％～50％，最好是约为10％～30％，即碟形凹进与电极板之间距离的5％～50％，最好是约为10％～30％。
气体/液体混合物在排出集流室内迅速分离，排出集流室的宽度实质上是扩展到电极构件的整个宽度。排出集流室的横断面积，将是特别根据电流密度、电极面积和温度来选择，以保持沿着排出集流室的水平分层的气体/液体流，排出集流室最好带有一个平滑的接口。
气体和液体流通过一个或多个排出孔，最好是通过一个排出孔，理想的是通过设置在一端的一个排出孔，离开排出集流室。排出孔的横断面积将特别根据电流密度、电极面积和温度来选择，以便获得环形薄膜状的气体/液体的溢流通过排出孔，液体以壁面液体薄膜形式排出，而气体则以中央气芯形式排出。
前面所描述的气体/液体排出系统具有如下优点(1)低的压降(pessure drop)避免了将气体/溶液接口沉入电极系统的电解区域，从而，消除了由于在电解区域上部邻近隔板形成气体区域而对隔板造成的损害；(2)将压力波动减小到了最小程度，压力波动通过磨蚀隔板与电极板之间的接触，会对隔板造成物理损伤。另外，排出管壁面上的液体薄膜还提供了另一个优点提高了电解装置中电解单元之间的溶液路径的阻力，从而，降低了电解装置受漏电腐蚀损害的几率。
在本发明的一个最佳实施例中，气体/液体排出集流室采用的是矩形结构，其宽度实质上延伸到了电极构件的整个宽度。排出集流室的背板是盘的背板(back)在电极构件垂直方向的向上的延伸。集流室的背板，在垂直于盘的背板、沿电极的方向上，被弯曲90度，以构成排出集流室的顶板，然后，再向下弯曲90度，以构成排出集流室的前板，从而，排出集流室的前板实质上是平行于排出集流室的背板。可选择的是，这个板可以朝着电极构件的盘的方向，向回弯曲90度，以构成集流室的底板，并且向下弯曲90度，以构成引出槽的前板。另一种方法是，引出槽的前板也可以是排出集流室的前板的延伸。
在引出槽的底部，引出槽的前板在垂直于背板并远离背板的方向上，被弯曲90度，以构成盘的顶板。然后，盘的顶板又被向上弯曲90度，以构成盘的凸缘。
凸缘的高度有效地决定着气体/液体经过引出槽的垂直流动路径，而且位于凸缘上方的矩形箱构成了排出集流室。凸缘的高度，通常约为排出集流室的高度的20％～80％。
在根据本发明的双极电极装置中，用来密封盘凸缘之间隔板的密封垫是用一种具有适当化学稳定性和物理特性的材料制成的，例如增强塑化的EPDM树脂，在阳极构件和阴极构件中，密封垫可以是不同的。在材料不具备适当的化学稳定性和物理特性组合的情况下，可以在用具有适当物理特性的材料所制成的密封垫的内侧，提供一种具有化学稳定性的衬底，例如PTFE衬底。
密封垫可以采用框形，最好是连续的框形，这样，当在隔板两侧分别放置了这种密封垫并通过盘给两个密封垫施加了载荷的情况下，就实现了模件的密封。
密封垫设置在阳极与隔板之间和阴极与隔板之间。
密封垫可以采用能够将隔板密封在模件或隔室内的任何形状。密封垫的形状，通常为正方形或长方形。密封垫的剖面可以是能够实现隔板密封的任何形状；例如，密封垫的剖面可以是圆形、三角形或正方形，但最好是长方形，而且其在垂直于密封面方向上的尺寸小于在密封面方向上的尺寸。
密封垫的剖面适宜包括有一个围绕着整个框架周边长度的、用来接合隔板的凸出或突出，这种凸出或突出通常提供在框架内侧和/或外侧的边缘。
这种凸出或突出，可以采用能够夹紧密封隔板的任何适当形状，但最好是球形剖面，例如常见的弧形剖面。
使用时，隔板的每一侧都接合一个密封垫，从而，密封垫的凸出是彼此对齐的，而且在挤压时，能够在密封垫的整个周边实现密封垫的局部夹紧，以防止电解溶液的渗漏或“灯芯效应”，即通过或沿着隔板构件从电解室的内侧渗透到电解室的外侧。密封垫的这种设计，在防止“灯芯效应”方面，特别是在隔板是粗糙的或具有不平整表面的情况下(例如因加强网的存在而造成)，或是在隔板上带有因牺牲部件的溶解而留下沟道的情况下，或者在电解室的工作压力与外界大气压相比是较高的情况下，被发现是特别有效的。
在一个改进中，每个密封垫在与电极构件的凸缘相接合的那一面上，也可以带有凸出或突出，用来接合电极构件的凸缘。
密封垫或密封框可以带有用来通过密封螺栓的孔口，特别是在密封垫是用于模件内的情况下。
在密封垫是带有一种前面描述过的化学性能稳定的衬底的情况下，衬底可以扩展到凸出或突出上。
根据本发明的电解装置，可以在高电流密度，即大于4.5kA/m2的电流密度下工作。
隔板最好是一种实质上不可渗透电解液的离子交换膜。但是，我们并不排除隔板可以是可渗透电解液的多孔薄膜的可能性。
在隔板是离子交换膜的情况下，隔板可以利用任何一种适用的离子交换膜材料来制成。
用于氯/碱生产(production)的离子选择性渗透薄膜，对于本领域的普通技术人员来说是所公知的。薄膜最好是采用一种含有阴离子基团的含氟聚合材料。它最好是一种含有阴离子基团的、含有所有C-F键和没有C-H键的聚合物。可以作为实例举出的适用阴离子基团的例子有-PO32-、-PO22-，最好是-SO3-或-COO-。
薄膜可以是单层或多层薄膜。薄膜可以通过层叠或盖上一个纺织织品片或多微孔板来进行加强。另外，还可以在薄膜的一面或两面上涂敷一种化学性能稳定的离子涂层，以改善湿润性和气体的释放性。
在带有表面涂层的薄膜是应用于氯/碱应用的情况下，表面涂层通常使用一种对于化学环境是惰性的金属氧化物，例如二氧化锆。
适用于氯/碱应用的薄膜，在市场上有售，例如商品名称为“Nafion”的薄膜，生产厂家为E I Du Pont de Nemeurs and CO.Ltd；商品名称为“Flemion”的薄膜，生产厂家为Asahi Glass CO.Ltd；以及商品名称为“Aciplex”的薄膜，生产厂家为Asahi Chemical CO.Ltd。
隔板是设置在相邻的阳极板与阴极板之间，借此，将阳极构件和阴极构件分开。
阳极/阴极间隔的适用范围为3mm～0，最好是1mm～0。因此，在阳极/阴极间隔为0的情况下，模件的阳极和阴极都和隔板相接触。
在装有实质上不可渗透的离子交换膜的双极电解装置中，碱金属氯化物溶液加注到双极电解装置的阳极构件，氯气和废弃的碱金属氯化物溶液从双极电解装置的阳极排出，而氢气和碱金属氢氧化物从双极电解装置的阴极构件排出。
电极构件中的阳极板可以是金属板，而且金属的种类将取决于在电解装置中电解的电解液的种类。最佳的金属是成膜金属，特别是在电解装置电解碱金属氯化物溶液的情况下。成膜金属可以是下述金属中的任何一种金属钛、锆、铌、钽、钨、或主要由上述金属中的一种或多种金属所组成的、且具有类似于金属钛的阳极极化特性的合金。最好是仅使用金属钛或一种以金属钛为基础的、具有类似于金属钛的阳极极化特性的合金。
阳极板有一个导电电催化活性涂层。特别是在电解碱金属氯化物溶液的情况下，导电电催化活性涂层，举例来说，可以包括一种或多种铂系金属，即铂、铑、铱、钌、锇和钯。
在电解装置中，用作阳极涂层的导电电催化活性材料是公知的，例如在我们的欧洲专利EP 0,052,986、欧洲专利EP 0,107,934和欧洲专利EP 0,129,374中所描述的导电电催化活性材料。
不同于阳极成膜金属的任何一种适用金属，都可以用于电极构件中的阴极板，当然，条件是用于阴极板的金属是导电的，而且对于电解装置中的电解液是稳定的。阴极板最好是用镍、镍合金或带有镍或镍合金外表面的其他材料来制成。举例来说，阴极板可以包括一个其他金属的芯，例如钢芯或铜芯，以及一个镍或镍合金的外表面。考虑到镍或镍合金对电解装置内碱金属氯化物溶液的抗腐蚀性以及镍或镍合金的长期低氢过压(low hydrogen over-voltage)，阴极板最好是使用镍或镍合金。
阴极板可通过处理工艺进行处理，例如通过喷沙处理工艺进行处理，以增大其表面积。
阴极板可以带有导电电催化活性涂层。用作电解装置中阴极涂层的导电电催化活性材料是公知的，例如在我们的欧洲专利EP0,479,423、国际专利WO 95/05499、国际专利WO 95/05498、欧洲专利EP 0,546,714、国际专利WO 96/24705、欧洲专利EP 0,052,986和欧洲专利EP 0,107,934中所描述的导电电催化活性材料。
我们前面所提到过的专利说明书中的内容，在此被引用为参考资料。
电极板可以采用任何一种所希望的结构。举例来说，它可以包括多层结构。但是，每个电极板最好是带有小孔的板，即它可以是带孔的板，或者可以是用金属板拉成的网，或者可以是织网或非织网，或者可以是百叶片或笼片。阳极板和阴极板最好是网状板。
正如前面所描述过的那样，电极构件中的盘，通常采用和导电板相同的材料。盘的材料厚度通常应当使盘是柔性的而且最好是有弹性的。
在阳极构件和阴极构件中，最好是装有一个或多个导流片，目的是在导流片第一个面与电极板之间构成第一个通道和在导流片第二个面与盘的碟形凹进之间构成第二个通道，第一个通道与第二个通道之间是互通的。第一个通道，为充有气体的盐水上升到电极构件顶部的排出集流室，提供了一个立式通道。第二个通道，为脱气的盐水下降到电极构件底部，提供了一个下水通道。导流片最好是采用垂直布置。导流片是利用所产生气体的气升效应，来改善溶液的循环和混合，这无疑能够获得多项益处。
改善阳极构件和阴极构件内的溶液混合，可将构件内的浓度梯度和温度梯度减小到最小，从而，能够提高阳极涂层和薄膜的使用寿命。特别是，在阳极构件中，改善溶液的混合，可以利用高酸性盐水来获得氧气含量低的氯气，而不存在因质子化而损害薄膜的危险。在阴极构件内改善溶液的混合，可以在浓缩碱性物质被排出之后，直接添加去离子水，以保持恒定的碱性物质浓度水平。
在电极构件的上部区域安装倾斜的导流片，还能够通过加速气体/液体混合物从电解区域的向上流动来改善气体/液体的分离，从而，能够增进气泡的聚合(coalescence)。
导流片是用在电解槽化学环境中化学性能稳定的材料制成的。阳极构件内的导流片，可以用一种含氟聚合物或一种适用金属来制成，例如钛或钛合金。阴极构件内的导流片，可以用一种含氟聚合物或一种适用金属来制成，例如镍。
在阳极构件中，在装有导流片的情况下，导流片最好是连接到阳极盘内的向内的凸出。在阴极构件中，在装有导流片的情况下，导流片最好是连接到杆上。
导流片可以是一个在水平方向上跨越整个电极构件的整体式构件，但最好是多片式构件，例如两片式导流片，每个导流片都跨越电极构件，但是，导流片之间有一个水平间隔。在使用两片式导流片的情况下，在高电流密度下工作时，下方的导流片促进溶液的循环，上方的导流片有助于在构件上部保持一个泡沫破裂区。
在使用时，根据本发明的多个双极电解装置可以安排使用同一整流器来供电。
溶液最好是从同一盐水箱和碱性溶液箱，并行输送给根据本发明的模件式双极电解装置中的所有模件。
排出的盐水和碱性溶液，最好是从根据本发明的模件式双极电解装置中的所有模件，并行排出到一个共用的盐水箱和碱性溶液箱。
根据本发明的模件式双极电解装置的模件，是装在一个载流框架上，并通过任何便利的装置，例如螺栓、顶重装置、液压装置和气压装置，保持在一起。
根据本发明的模件式和压滤器型双极电解装置，在通过电解碱金属氯化物溶液，特别是电解氯化钠溶液来生产氯气时，是特别有用的。
根据本发明的电极构件，在装有离子交换薄膜的电解装置中，可以用作电流分配装置，离子交换薄膜即为通常所说的固态聚合物电解质。
本发明是参照一种适用于电解碱金属氯化物溶液的电极构件来进行描述的。但是，应当知道的是，这种电极构件也可以用于电解其他溶液的电解装置，或其他类型的电解装置，例如燃料电池。
根据本发明的第四个最佳方面，提供了一种电极构件，它包括i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘，凸缘用来支承在相邻电极构件凸缘之间的、对隔板进行密封的密封装置；ii)一个与盘相隔开的导电板；iii)用来在盘与导电板之间提供导电路径的装置，可选择包括多个连接到导电板的导电元件；其特征在于a)在带有导电元件的情况下，导电元件呈现为杆的形式；以及
b)在电极构件是阳极构件的情况下，碟形凹进带有多个向内的凸出，而在电极构件是阴极构件的情况下，碟形凹进带有多个向外的凸出。
下面，将参照附图，对本发明作进一步的说明，但本发明并不局限于此，附图中

图1为剖视图，表示本发明的一种阳极构件的上部；图2为剖视图，表示本发明的一种阴极构件的上部；图3为剖视图，表示本发明的一种双极单元的上部；图4为剖视图，表示本发明的一种模件的上部；图5为立体图，表示本发明的一种阳极构件；图6为剖视图，表示本发明的一种模件的下部；图7和图8分别为一种磨蚀装置的立体图和端视图；图9为正视图，表示用于根据本发明的电极构件的密封垫的一个最佳实施例；图10为图9所示的密封垫的局部放大图；图11为密封垫的剖视图。
在图1和图2中，盘(1)被加工成带有一个凸缘(2)和碟形凹进(3)，在碟形凹进中，带有向内突出的截头锥形凸出(5)(见图1)或向外突出的截头锥形凸出(5)(见图2)。装有“多脚架”(未示出)的导电杆(6)，电连接到每一个凸出(4)或(5)。应当注意到，与阴极构件有关的杆明显地长于与阳极构件有关的杆。就阳极构件而言，可以省略全部杆，在这种情况下，阳极板或是可以直接连接到有关的盘，或是可以直接通过“多脚架”连接到有关的盘。电极板(8)，通常为栅网形式，被连接到“多脚架”。绝缘垫(9)装在杆(6)的端部与电极板(8)之间。在每个杆的位置上，电极板(8)都有孔口，而且绝缘垫(9)即安装在该孔口之内。凸缘(2)带有支承凸出(2B，见图4)和孔口(10，10B)，支承凸出(2B)和孔口(10，10B)是设计用来安装螺栓(未示出)的，以将一个阳极构件、一个阴极构件、两个密封垫及一个薄膜用螺栓连接起来，从而构成本发明的模件。(11)是一个排出集流室。溶液经过引出槽(35)流入排出集流室(11)，排出集流室(11)位于每个电极构件的上部，引出槽(35)位于电极板(8)的紧上方和间隔布置的圆柱形短管(36)的紧下方，圆柱形短管(36)对齐盘底(3)和凸缘(2)上的孔口，并跨越排出集流室(11)的主垂直延伸壁。因此，溶液流入引出槽，并沿圆柱形短管(36)流入排出集流室(11)。
本发明的电极构件可以用于压滤器型电解装置、模件式电解装置和燃料电池。图3示出了一个单元，其中，两个电极构件配合在一起，构成一个用于压滤器型电解装置或燃料电池的双极单元，在这种情况下，电极构件以阳极凸出和阴极凸出(4，5)相互嵌套的形式组装。图4示出了一种用于模件式电解装置或燃料电池的单元，其中，电极构件被结合在一起，电极构件之间夹有一个隔板。既然这样，应当知道，当多个单元组合在一起时，净效应将是相邻阳极和阴极，无论是同一单元中的一部分还是不同单元中的一部分，其凸出(4)彼此之间是相互嵌套的。
现参看图3所示的双极单元，图1所示的一个阳极构件和图2所示的一个阴极构件，通过磨蚀装置(12)，背对背地电连接起来，磨蚀装置(12)设置在阳极构件的向内突出的截头锥形凸出(4)与阴极构件的向外突出的截头锥形凸出(5)之间，这种装配为的是当两个构件被加载组合到一起时，磨蚀装置能够在阴极凸出(5)的顶面与阳极凸出(4)的底面之间提供良好的电连续性，从而，能够在延伸到电极板(8)的杆(6)之间提供良好的电连续性。
现在参看图4所示的模件式电极，图1所示的一个阳极构件和图2所示的一个阴极构件，用螺栓(未示出)通过凸缘(2)上的孔口(10)连接起来。薄膜(13)密封在凸缘(2)之间的两个密封垫(14)之间。“多脚架”(7)-----在图1～图3中未示出-----在杆(6)与导电板(8)之间，提供了导电路径。“多脚架”包括盘形中央部分(40)，盘形中心部分(40)连接到杆(6)的端部，例如通过焊接、螺钉固定或推入配合接头，来连接到杆的端部；以及多个脚(38)，脚(38)从中心部分(40)呈辐射状伸出，而且其自由端是被连接到有关的电极板(8)，例如通过焊接，连接到有关的电极板(8)。“多脚架”的腿(38)通常采用等角的间隔设置，因此，通过杆(6)的电流被分配给围绕着杆的多个点。特别是在用于电解碱金属卤化物时，阴极的“多脚架”可以用诸如不锈钢、镍或铜之类的材料制成，而阳极的“多脚架”可以用诸如一种阀金属或阀金属合金来制成。阳极构件的“多脚架”(7)的脚(38)，多少要短于阴极构件的“多脚架”(7)的脚(38)。
实际上，在生产电极构件时，“多脚架”(7)可以通过焊接或其他方法连接到电极板(8)上，其后，还可以通过焊接或其他方法连接到杆(6)上。这种结构便于阳极/阴极板的更换或修理或阳极/阴极板上任何电催化活性涂层的修补或更新。
如图5所示，阳极构件，其在盘(3)内带有向内突出的截头锥形凸出(4)，并且装有一根溶液输送管(15)，用于输送盐水，溶液输送管(15)通向盐水输入管(未示出)；一根输出管(16)，用于输出氯气和废盐水混合物。阴极构件装有一根溶液输送管(17)，溶液输送管(17)通向溶液输入管(未示出)；以及一根输出管(18)，用于输出氢气和碱性混合物。
如图6所示，阳极构件装有(a)一根阳极溶液输送管(15)，它与溶液输入管(19)同心，溶液输入管(19)上带有孔口(24)；以及(b)导流片(21)，装在向内的凸出(4)上。阴极构件装有(a)一根阴极溶液输送管(17)，它与溶液输入管(20)同心，溶液输入管(20)上带有孔口(23)；以及(b)导流片(22)，装在杆(6)上。溶液输入管(19)和(20)上的孔口(24)和(23)，被加工成能够使从中流出的溶液被引向导流片(21)和(22)后面的盘的背面，以帮助溶液的混合。导流片(21)和(22)，将阳极室和阴极室划分为两个互通的区域，以形成如前所述的溶液再循环。导流片(21)和(22)(图1～图3中未示出)，在阳极室和阴极室内，从电极构件的下端垂直延伸到电极构件的上端，并且在每个电极构件内，在靠近电极构件的顶部和底部，形成两个互通的通道。
如图7和图8所示，磨蚀装置(12)在垫圈(35)的一个表面上带有4个锋利的凸出(34)并在垫圈(35)的另一个表面上也带有4个锋利的凸出(36)，这样，当相邻的阴极构件和阳极构件被挤压时，锋利的凸出即钻入到阳极盘和阴极盘的材料之中。
现参看图9～图11，每个密封垫(14)都可以是常见的长方形，密封垫(14)上带有孔口(一些孔口用参考数字2A来表示)，密封垫(14)上的孔口是对准凸缘(2)上的孔口，从而，在挤压密封垫时，电极构件被靠在一起，夹紧位于电极构件之间的隔板/薄膜。每个密封垫的内侧边缘都被局部变大，以在密封垫的一个面上形成一个高出密封垫平面的凸出(30)。在给电极构件(8)安装密封垫的时候，密封垫的凸出(30)和邻接的薄膜表面相接触。在和薄膜(13)相接触的区域，每个凸出(30)的截面可以是常见的弧形。借助于密封垫的这种局部变大，以及密封垫的平面部分的挤压和密封，薄膜(13)在凸出(30)之间被进一步夹紧，从而实现夹紧密封，这能够特别有效地防止电解液经过或沿着薄膜(13)出现渗漏或“灯芯效应”。
密封垫(14)的内表面，还带有衬底(32)，衬底(32)是用化学性能稳定的材料制成，例如用PTFE制成。在一项改进中，每个密封垫可以在与凸缘(2)相接合的那个表面上带有凸出或突出。
在电极构件的阳极板或阴极板需要整修或更换的时候，通过取下绝缘垫(9)，将“多脚架”(7)的中央部分(40)暴露出来，从杆上卸下“多脚架”，或者在没有杆的情况下，从电极盘或双极板上卸下“多脚架”，即可以从电极构件中取出阳极板或阴极板。举例来说，在“多脚架”的中央部分是被焊接的情况下，例如是被点焊的情况下，可以利用一个打眼工具或研磨工具，打眼通过焊点，即可取下“多脚架”。在“多脚架”的中央部分是通过固定螺栓或推入配合接头来连接到杆上的情况下，通过卸下固定螺栓或其他连接件，即可拆下“多脚架”。在一些情况下，“多脚架”的中央部分的焊接连接被设计为弱焊接连接，这样，手工即可拆下“多脚架”。在拆下“多脚架”后，就能够取出阳极或阴极，以便对其进行整修或用一个新电极单元进行更换，新电极单元包括带有一组“多脚架”的阳极或阴极，“多脚架”的布置对应于杆或凸出(在没有杆的情况下)的位置。新的或经过整修的电极单元，重新实现物理连接和电连接，例如通过点焊、螺纹紧固件或推入配合接头来实现物理连接和电连接。
在拆除工作并不涉及到焊点的情况下，例如涉及到螺纹紧固件或推入配合接头的情况下，导电增强装置，例如星形垫圈、磨蚀装置或导电涂层，可以插入在或应用在“多脚架”的中央部分和/或杆、盘或双极板的表面之间或之上。可选择的是，在需要确保对于所换装阳极或阴极的良好物理连接和电连接的情况下，可以利用适当工具，例如研磨工具、砂磨工具、锉或诸如此类的工具，对因拆除电极构件而暴露出的杆、盘或双极板的粗糙表面进行打磨处理。
权利要求
1.一种电极构件，包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个凸缘，凸缘围绕着碟形凹进的边缘，该盘用来支承在相邻电极构件凸缘之间的、对隔板进行密封的密封装置，隔板被设置在第一个电极构件的阳极面与第二个电极构件的阴极面之间，因此，阳极面实质上是平行地面对阴极面，但通过隔板与阴极面绝缘和隔开，而且对于隔板来说是密封的；(ii)一个与盘相隔开的导电板；(iii)一个溶液入口；以及(iv)一个流体出口；其中，导电板是通过连接在其上的、用来在导电板与盘之间提供导电路径的多个导电元件来电连接到盘上的，但条件是在导电板为阳极板的情况下，导电板可选择直接电连接到盘上；而且其中，在电极构件为阳极构件的情况下，碟形凹进带有多个向内的凸出，而在电极构件为阴极构件的情况下，碟形凹进带有多个向外的凸出，从而，在一个由多个电极构件所组成的电极部件内，阳极构件的盘的碟形凹进之中的向内的凸出与相邻阴极构件的盘的碟形凹进之中的向外的凸出相配合。
2.根据权利要求1所述的电极构件，其中，导电板是柔性的。
3.根据权利要求1或2所述的电极构件，其中，每个凸出电连接到一个导电元件上。
4.根据权利要求1～3中的任何一个权利要求所述的电极构件，其中，在第一个方向上及在垂直于第一个方向的方向上，凸出是相互分开的。
5.根据权利要求4所述的电极构件，其中，在第一个方向上及在垂直方向上，凸出是以等距离相互间隔的。
6.根据权利要求1～5中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，凸出的形状为截头锥形。
7.根据权利要求1～6中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，导电元件包括杆，该杆可选择地承载。
8.根据权利要求1～7中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，每个导电元件都包括一个靠近导电板的载流装置，最好是一个多脚的载流装置，以和导电板形成多个电触点。
9.根据权利要求8所述的电极构件，其中，在电极构件为阳极构件的情况下，阳极构件装有相对非弹性的短脚“多脚架”。
10.根据权利要求8所述的电极构件，其中，在电极构件为阴极构件的情况下，阴极构件装有相对弹性的长脚“多脚架”。
11.根据权利要求1～10中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，在电极构件的底部，装有一根输入管，输入管最好是从电极构件的一侧延伸到另一侧。
12.根据权利要求11所述的电极构件，其中，沿着输入管等间隔地设置有孔口。
13.根据权利要求12所述的电极构件，其中，孔口的尺寸可以将沿着输入管的压力梯度减小到最小。
14.根据权利要求11～13中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，溶液仅在一端输送给输入管。
15.根据权利要求11～14中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，相对于输入管的输送管沿着输入管延伸，几乎一直延伸到输入管的终点。
16.根据权利要求11～15中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，相对于输入管的输送管，用非导电材料制成，而且最好是沿着输入管延伸。
17.根据权利要求1～16中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，装有一个或多个导流片，目的是在导流片第一个面与导电板之间构成第一个通道，和在导流片第二个面与盘的碟形凹进之间构成第二个通道，其中第一个通道提供了一个立式通道，以使充有气体的电解液上升到电极构件顶部的排出集流室；而第二个通道提供了一个下水通道，以使脱气的电解液下降到电极构件底部。
18.根据权利要求17所述的电极构件，其中，导流片采用垂直布置。
19.根据权利要求17或18所述的电极构件，其中，在电极构件是用钛或钛合金制成的阳极构件的情况下，导流片用钛或钛合金制成；在电极构件是用镍或镍合金制成的阴极构件的情况下，导流片用镍或镍合金制成。
20.根据权利要求17～19中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，在电极构件是阳极构件的情况下，导流片安装到阳极盘内的向内的凸出上；在电极构件是阴极构件情况下，导流片安装到杆上。
21.根据权利要求17～20中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，导流片包括多片，每个导流片都延伸跨越电极构件，但是，导流片之间有一个水平间隔。
22.根据权利要求7或权利要求8～22中引用权利要求7的任何一个权利要求所述的电极构件，其中，杆是承载杆。
23.根据权利要求22所述的电极构件，其中，承载杆的端部是对准导电板上的孔口。
24.一种双极单元，其中，根据权利要求1～23中任何一个权利要求所述的作为阳极构件的电极构件的盘与根据权利要求1～23中任何一个权利要求所述的作为阴极构件的电极构件的盘相连，从而，阳极构件的盘上的向内的凸出与阴极构件的盘上的向外的凸出相配合，构成一个双极单元。
25.一种压滤器型双极电解装置，它包括a)电流分配装置；以及b)至少一个双极单元，双极单元安装在一个安装支架上，并且在机械和电路上为串列连接，其特征在于双极单元是根据权利要求24所述的双极单元。
26.一种用于模件式双极电解装置的模件，它包括a)一个阳极构件，包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘；(ii)一个阳极板；(iii)在盘与阳极板之间提供导电路径的装置，可选择包括多个导电承载元件，导电承载元件电连接到阳极；(iv)一个溶液输入口；以及(v)一个液体出口；b)一个阴极构件，包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘；(ii)一个阴极板；(iii)多个导电承载元件，导电承载元件电连接到阴极，而且在盘与阴极板之间提供导电路径；(iv)一个溶液输入口；(v)一个液体出口；c)一个隔板，设置在阳极板与阴极板之间，从而，通过隔板，阳极表面实质上是平行地面对阴极表面，但与阴极表面绝缘和隔离，隔板将模件分为独立的阳极室和阴极室；d)密封装置，在盘的凸缘之间密封隔板；以及e)用来给密封垫施加压力、以密封隔板的装置；其中i)阳极构件的盘的碟形凹进带有多个向内的凸出，而阴极构件的盘的碟形凹进带有多个向外的凸出，从而，在一个包括有多个模件的模件式双极电解装置中，一个模件的阳极构件的向内的凸出与相邻模件的阴极构件的向外的凸出相配合；以及ii)可选择一个或多个根据权利要求24所述的双极单元，最好是带有导电承载杆，而且在阳极构件与阴极构件之间带有隔板。
27.一种模件式双极电解装置，包括一个或多个在机械上和电学上串列组装在一个安装框架上的模件；以及位于电解装置两端的电流分配板，其特征在于模件是根据权利要求26所述的模件。
28.根据权利要求25或27所述的装置，其中，模件式双极电解装置中相邻模件之间的导电性或双极单元中电极构件之间的导电性，是通过相邻模件或相邻电极构件之间直接接触来实现。
29.根据权利要求25或27所述的装置，其中，模件式双极电解装置中相邻模件之间的导电性或双极单元中电极构件之间的导电性，可以通过在相邻模件或相邻电极构件之间使用一种导电性增强材料或装置来提高。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，导电性增强装置是一种适于钻入盘的导电金属垫圈。
31.根据权利要求30所述的装置，其中，导电性增强装置是设置在阳极构件的盘的碟形凹进上的每个向内的凸出之内，以在阳极构件的盘的向内的凸出和相邻模件的阴极构件的盘的配对向外的凸出之间提供电连接。
32.根据权利要求26所述的模件或根据权利要求25所述的压滤器型双极电解装置，其中，连接到电极板的导电承载元件包括杆。
33.根据权利要求32所述的模件或一种压滤器型双极电解装置，其中，经过阴极杆的导电路径长度和经过阳极杆的导电路径长度，其比值至少为2∶1，优选比值至少为4∶1，而且最佳比值至少为10∶1。
34.根据权利要求26所述的模件，其中，每个承载元件通过“多脚架”连接到导电板上。
35.根据权利要求26所述的模件或根据权利要求25所述的压滤器型双极电解装置，其中，用来给密封垫施加压力来密封隔板的装置，是穿过凸缘上孔口的螺栓。
36.根据权利要求32所述的模件或根据权利要求25所述的压滤器型双极电解装置，其中，绝缘承载垫被设置在杆的靠近导电板的端部。
37.根据权利要求26所述的模件或根据权利要求25所述的压滤器型双极电解装置，其中，隔板是一种实质上不可渗透电解液的离子交换膜。
38.根据权利要求26所述的模件或根据权利要求25所述的压滤器型双极电解装置，其中，在每个构件内电解区域上方的、薄膜并不暴露给溶液的非电解区域，有一个排出集流室，工作时，气体/液体分离即在此进行。
39.根据权利要求26所述的模件或根据权利要求25所述的压滤器型双极电解装置，其中，密封垫是用一种增塑的EPDM树脂制成的。
40.根据权利要求39所述的模件或一种压滤器型双极电解装置，其中，密封垫在内侧边缘带有一个化学性能稳定的凸出。
41.根据权利要求40所述的模件或一种压滤器型双极电解装置，其中，化学性能稳定的凸出是用PTFE制成的。
42.一种电极构件，它包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个凸缘，凸缘围绕着碟形凹进的边缘，该盘用来支承在相邻电极构件凸缘之间的、对隔板进行密封的密封装置；(ii)一个与盘相隔开的导电板；(iii)在盘与导电板之间提供导电路径的装置，可选择包括多个电连接到导电板的导电元件；其中，(a)至少在电极构件包括一个阴极构件的情况下，导电元件是呈现为杆的形式，以及(b)在电极构件是阳极构件的情况下，碟形凹进带有多个向内的凸出，而在电极构件是阴极构件的情况下，碟形凹进带有多个向外的凸出。
43.根据权利要求1～23和42中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，在电解区域上方的非电解区域，有一个排出集流室，工作时，气体/液体分离即在此进行。
44.一种电解碱金属卤化物的方法，其特征在于在根据权利要求25或27所述的双极电解装置中，对碱金属卤化物进行电解。
45.一种制造权利要求25所述的压滤器型双极电解装置的方法，它包括，将电流分配装置和至少一个双极单元安装在一个安装框架上并在机械上和电学上将其串列安装，其特征在于双极单元是根据权利要求24所述的双极单元。
46.一种制造权利要求27所述的模件式双极电解装置的方法，其中包括，将一个或多个模件在机械上和电学上串列安装在一个安装框架上，并在电解装置的每一端安装电流分配板，其特征在于模件是根据权利要求26所述的模件。
47.一种用于模件式双极电解装置的模件，它包括a)一个阳极构件，包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘；(ii)一个阳极板，可选择带有一个电催化活性表面；(iii)在盘与阳极板之间提供导电路径的装置，可选择多个电连接到阳极板的导电元件；b)一个阴极构件，包括(i)一个盘，带有一个碟形凹进和一个围绕碟形凹进边缘的凸缘；(ii)一个阴极板，可选择带有一个电催化活性表面；(iii)多个导电元件，导电元件电连接到阴极，而且在盘与阴极板之间提供导电路径；c)一个隔板，设置在阳极板与阴极板之间，从而，通过隔板，阳极表面实质上是平行地面对阴极表面，但与阴极表面绝缘和隔离，隔板将模件分为独立的阳极室和阴极室；d)密封装置，在盘的凸缘之间密封隔板；以及e)用来给密封垫施加压力、以密封隔板的装置；其中阳极盘与阳极板之间的导电路径长度小于阴极盘与阴极板之间的导电路径长度。
48.一种电极构件，它包括一个盘，带有一个底面和从底面伸出的侧壁，以形成一个容纳液体的凹进；一个电极板，间隔安装在底面内表面的对面；多个空心凸出，位于盘的底面上，向离开电极板的方向延伸；每个空心凸出都容纳有一个用来在凸出顶点与电极板之间形成电连接的载流装置。
49.根据权利要求48所述的电极构件，其中，每个单元都包括一个杆，杆通过从其中心部分呈辐射状伸出的多个导电脚来电连接到电极板。
50.一种电极构件，它包括一个盘，带有一个底面和从底面伸出的侧壁，以形成一个容纳液体的凹进；一个电极板，间隔安装在底面内表面的对面；以及多个空心凸出，位于盘的底面上；每个空心凸出都带有一个载流装置，载流装置用来在凸出顶点与电极板之间形成电连接，而且是通过多个导电脚来连接到电极板，不同导电脚接触电极板的不同位置。
51.根据权利要求1～23、42和48～50中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，凸出全部都是在同一方向凸出。
52.根据权利要求48～51中任何一个权利要求所述的电极构件，其中，包括一个或多个导流元件，导流元件位于盘底面与电极板之间，以将盘底面与电极板之间的空间划分为两个互通的液体流动区域。
53.根据权利要求49所述的电极构件，其中，包括一个或多个导流元件，导流元件位于盘底面与电极板之间，以将盘底面与电极板之间的空间划分为两个互通的液体流动区域，导流元件安装在所述的杆上。
54.根据权利要求50所述的电极构件，为阳极构件的形式，其中，所述凸出朝着阳极板方向延伸，构件中包括一个或多个导流元件，导流元件位于盘底面与电极板之间，并安装在所述凸出上，以将盘底面与电极板之间的空间划分为两个互通的液体流动区域。
55.根据权利要求1～23、42和48～54中任何一个权利要求所述的电极部件，其中，包括一个导电板和一组载流装置，载流装置连接到导电板的一个主面上，每个载流装置都带有多个连接到导电板的导电脚。
56.根据权利要求55所述的电极部件，其中，导电板至少在一个主面上带有电催化活性涂层。
57.根据权利要求56所述的电极部件，其中，载流装置全都连接到导电板的一个表面上，例如连接到导电板的没有涂层的那一个表面上。
58.根据权利要求52～57中任何一个权利要求所述的电极部件，其中，每个载流装置都带有一个中央连接部分，载流装置的导电脚从中央连接部分呈辐射状伸出。
59.根据权利要求55～58中任何一个权利要求所述的电极部件，其中，导电脚是有弹性的，能够弯曲。
60.根据权利要求55～59中任何一个权利要求所述的电极部件，其中，载流装置是用和导电板一样的材料制成的。
61.根据权利要求55～60中任何一个权利要求所述的电极部件，其中，电极板是有孔的。
62.根据权利要求1～23、42和48～54中任何一个权利要求所述的供电极构件使用的一种载流装置，其中，包括一个中央连接部分，载流装置的导电脚从中央连接部分呈辐射状伸出，相对于连接部分而言，导电脚的外端是处于不同的平面之内。
63.根据权利要求60、61或62所述的部件或装置，载流装置是选用下述一组金属中的一种金属制成的钛、锆、铌、钽、钨、镍或一种主要由上述一种或多种金属所组成的合金。
64.一种密封垫，包括一个框架，这个框架与形状相同的第二个密封垫的框架一起，被挤压在一对凸缘之间，密封垫的一个表面上带有一个弹性凸出，用来和第二个密封垫上的相同凸出一起，来实现夹紧密封。
65.根据权利要求64所述的密封垫，其中，弹性凸出是位于框架的内侧边缘或是位于框架的内侧边缘附近。
66.根据权利要求64或65所述的密封垫，其中，密封垫的内侧边缘利用一种化学性能稳定的衬底来进行保护，衬底延伸覆盖了凸出。
67.在电解电池或燃料电池中，一种部件，它包括一个阳极室，含有一个阳极板；一个阴极室，含有一个阴极板；以及一个离子交换膜，位于阳极板与阴极板之间，这个离子交换膜利用一对密封垫来密封在其外侧边界，每个密封垫都是根据权利要求64～66中任何一个权利要求所述的密封垫，两个密封垫分别放置在位于离子交换膜的两侧，将两个密封垫的凸出相互对准并接合薄膜，以在两个密封垫之间形成一个夹紧密封。
68.一种整修权利要求8、9、10、49或50所述的电极构件的方法，包括通过使载流装置同与其连接的盘或杆相分离，把包括电极板和所连接载流装置在内的部件从盘上卸下，在修整或更换电极板之后，通过把连接在所修整或所更换电极板上的载流装置连接到盘或杆上，重新将盘连接到电极板。
69.根据权利要求68所述的方法，其中，电极板的修整包括更换至少一些载流装置。
70.在前面权利要求的任何一个权利要求所述的电极构件、单元或模件中，导电金属装置适于(a)钻穿或扎穿盘上的任何绝缘涂层，例如一种氧化物层，而磨蚀或穿进盘的表面，以及(b)至少阻止在导电金属装置与盘面之间形成绝缘层。
全文摘要
一种电极构件,例如:供双极电解装置使用的电极构件,其中包括:(i)一个盘,带有一个碟形凹进和一个凸缘,凸缘围绕着碟形的边缘,该盘用来支承在相邻电极构件凸缘之间的、对隔板进行密封的密封装置,隔板被设置在第一个电极构件的阳极面与第二个电极构件的阴极面之间,因此,阳极面实质上是平行地面对阴极面,但通过隔板与阴极面绝缘和隔开,而且对于隔板来说是密封的;(ii)一个与盘相隔开的导电板;(iii)多个导电元件,导电板导电地连接到导电元件上,并且导电元件在导电板与盘之间提供导电路径;(iv)电解液入口;以及(v)流体和气体出口,而且,在电极构件为阳极构件的情况下,碟形凹进带有多个向内的凸出,而在电极构件为阴极构件的情况下,碟形凹进带有许多个向外的凸出,从而,在一个由多个电极构件所组成的电极部件内,阳极构件的盘的碟形凹进之中的向内的凸出与相邻阴极构件的盘的碟形凹进之中的向外的凸出相配合。
文档编号H01M4/86GK1352704SQ0080734
公开日2002年6月5日 申请日期2000年4月28日 优先权日1999年5月10日
发明者布赖恩·肯尼思·雷维尔, 迈克尔·弗雷德里克·达顿, 基思·艾伯特·斯坦利, 艾伦·罗伯特·内勒 申请人:伊尼尔斯科劳尔有限公司