CN1170007C - 氢气通风的方法和结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于氢气通风的结构，它至少包括对氢脆敏感的第一金属层(1)、第二(2)金属层和网格(4)，其中将第一层(1)与第二层(2)连接，而形成通风通道(5)并通过通道(5)排出氢气的所述网格(4)位于所述第一(1)和第二(2)金属层之间并与第一(1)和第二(2)金属层相连。本发明还涉及一种制造该结构的方法。

Description

氢气通风的方法和结构
本发明涉及一种氢气通风的结构及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种结构，它至少包括连接在一起的第一和第二金属层，以及位于所述层之间并与所述层相连的网格。包括网格的这种结构在网格和层之间形成通风通道，从而防止氢致起泡的生成并且减少第一层的氢脆。
                         发明背景
在与氢气接触的结构中使用的很多金属对氢气敏感，例如，在用于碱金属氯酸盐生产的电化学电池中使用的金属。为克服这个问题已经提出了各种解决办法。
US3,992,279公开了一种电极组件，它包括钛基阳极、铁基材料的阴极和位于所述阳极和阴极之间的银或金的中间层。在电解电池中，例如由氯化钠来生产氯酸钠的电解电池，由阴极反应产生的吸附的原子氢的一部分从阴极通过电极组件朝向氢敏感的阳极，即钛层扩散。电极的中间层提供了一种阻挡氢流动的氢屏障，从而提供了对氢敏感阳极的保护。CA914,610也公开了一种多单极电池的电解电池组件，它包括一种阴极-中间层-阳极的结构。
然而，在US3,992,279中，在界面区，即在阴极和中间层的连接处，原子氢将重新结合成氢气。这可导致氢致起泡的生成，因而将由于增加了可以引起其分离的压力而降低电极组件的阴极-中间层连接处的强度。
US4,116,807指出了一种如何避免氢致起泡生成的概念。它公开了一种通过使用爆炸连接将承载阳极和阴极的阳极和阴极背板连接到金属条状导体上，从而在背板之间形成可使氢气逸出的空气空间的方法。诸如爆炸连接，或爆炸焊接来连接和加强金属结构早已是公知的，这在例如7th International Conference on High energy ratefabrication，14-18 September 1981，Gonzalez，A.等人的文章“Explosive welding of Aluminium and Aluminium Alloy SheetComposites”的第199-207页已进行了描述，在该文中，铝结构用钢网格来加强。在US3,137,937中也公开了爆炸连接技术。
然而，在US4,116,807描述的组件中，由于在放置条带的表面上难以均匀地分布能量，这种爆炸连接的背板对制造来说不但困难而且复杂。因此，对于背板上的特定的固定点，这种条带还难以爆炸连接。这种方案的另一缺点在于，在条带和背板之间不通风的连接区必须相当大，以保证良好的强度和良好的电接触。此外，这些类型的电极结构仅应用于多单极电池和电解池系列，即背板设置在电解池之间的电池。
                         发明内容
由所附的权利要求所定义的本发明已解决了上述问题。
本发明涉及一种用于氢气通风的方法，包括将对氢脆敏感的第一金属层连接至第二金属层，和一种网格。第一层与第二层连接，而形成可从其通道中排出氢气的通风通道的所述网格位于第一和第二金属层之间并与第一和第二金属层相连。
本发明还涉及一种用于生产包含至少两层金属层和一种网格的结构的方法，其中对氢脆敏感的第一金属与第二金属层相连接。第一金属层与第二金属层相连，而所述的网格位于所述第一和第二金属层之间并与其相连。
合适地，第一金属层选自Fe、钢、Ti、Zr、Nb、Ta或其它阀门合金电子管金属(valve metals)以其合金。第一金属层的厚度一般为约1-约20mm，优选为约1-约15mm。
合适地，第二金属层选自Fe、钢、Ni、Cr、W或它们的合金，优选为Fe、钢、Ni或它们的合金。第二金属层的厚度一般为约2-约30mm，优选为约5-约20mm。
层的连接一般通过爆炸连接、轧制、螺栓连接及类似方法来实现。优选使用爆炸连接。
按照一种优选实施方案，本发明涉及一种氢气通风的方法，它包括将对氢脆敏感的第一金属层与第二和第三金属层连接，以及一种网格。第一层与第三层连接，第三层与第二层连接，而所述的网格，它形成可从通道中排出氢气的通风通道，位于所述的第二和第三金属层之间并与其相连。
按照相同的优选实施方案，本发明还涉及一种用于生产包含至少三层金属层和一种网格的方法，其中对氢脆敏感的第一金属层与第二金属层相连接。第一金属层与第三金属层连接，第三金属层与第二金属层连接，而所述的网格位于第二和第三金属层之间并与其相连。这种第三层的连接一般通过上面描述的连接方法来实现。
这种至少三个的金属层可以任何次序连接在一起。例如，第一金属层可先与第三金属层连接，此后第三层能与第二金属层连接而将网格连接到第二和第三层之间。相反的次序也可以采用。这种三个层的连接一般通过上面描述的连接方法实现。
合适地，第三金属层选自Ag、Fe、Cu、Al、Ni、Cr、或它们的合金。优选为Ag、Fe。第三金属层的厚度一般为约0.2-约10mm，优选为约0.4-约5mm。
合适地，第二层与第三层的厚度比为约100-约0.1，优选为约50-约5。
按照本发明的这个优选实施方案的一个变化方案，将第四层连接到第三与第一金属层之间，第四层的连接一般通过上面描述的连接方法来实现。第四金属层的厚度一般为约0.2-约10mm，优选为约0.4-约5mm。第四金属层一般选自Ag、Cu、Al、以及它们的合金，优选为Ag。
通常，术语网格是指包括任一种网或网络或类似网的结构，例如，多孔的板、筛网、网、格栅、以及丝或绳的网络。这种网格一般选自塑料材料、陶瓷或类似的材料以及Fe、钢、哈斯特洛伊耐蚀镍基合金、Cu、Ag或它们的合金，优选地选自Fe或钢。网格一般有菱形、偏菱形、或正方形或类似的形状。这种网格孔隙的尺寸可为约0.5-约10mm，优选为约1-约5mm。网格的厚度一般为约0.1-约5mm，优选为约0.1-约1mm。
网格的连接可用各种方法实现。一般地，网格的连接通过爆炸连接、轧制、螺栓连接及类似方法来实现。优选使用爆炸连接。
本发明进一步涉及一种结构，它包括至少二个金属层和一种网格，对氢脆敏感的第一金属层与第二金属层连接起来，而在所述的第一和第二金属层之间提供通风通道的网格则连接到所述的第一和第二金属层之间。这种结构能由上面所描述的方法产生。
这个通风通道能够排出经过第二金属层已经扩散到该结构中的氢原子重新结合所产生的氢气。这个通风通道防止了在第二和第三金属层间的界面表面上生成氢致起泡，否则它将会引起结构强度的损失或者甚至会使这些金属层之间的连接处分离。生成的这种通风通道一般具有的直径为约0.01μm到约1000μm，优选为约0.1μm到约10μm。此外，术语“通道”还包括小孔、沟槽、孔道或其它通道。
这种结构的金属层和网格还具有如上所述的尺寸和结构的更多特征。
本发明进一步涉及一种如上面描述的方法得到的结构。
按照一种优选的实施方案，这种结构还包括一种连接到所述的第一和第二金属层之间的第三金属层。在该实施方案中，网格连接到第二和第三金属层之间。
按照该优选实施方案的一种变化方案，第一、第三、和第二金属层分别形成阳极、保护的中间层和阴极，从而提供一种双极电极或类似的电极。生成的这种通道一般具有的直径为约1μm到约100μm。
第一金属层，也就是对氢敏感的阳极，一般选自Ti、Zr或其它阀门合金电子管金属以及它们的合金，优选为Ti。第二层，也就是耐氢的阴极，一般选自Fe、钢、Cr、Ni或它们的合金，优选为钢。第三层，也就是耐氢气的中间层，一般选自Ag、Cu、Al或它们的合金。优选为Ag。第一层的厚度一般为约2-约20mm，优选为约5-约15mm。第二层的厚度一般为约2-约30mm，优选为约5-约20mm。第三层的厚度一般为约0.2-约10mm，优选为约0.4-约5mm。
合适地，氢的渗透性在第二层比第三层高。优选地，第二层与第三层的氢渗透性之比为约103-约109。
合适地，第三层和网格间的厚度比为约2-约20，优选为约4-约10。
按照这种优选实施方案的一种变化的方案，特别是当第三金属层选自Fe、Ni、Cr或它们的合金时，将一个第四层连接到该结构中以进一步防止第一层的氢脆。将第四层连接到第三和第一金属层之间。第四层一般选自Ag、Cu、Al或它们的合金，优选为Ag。第四层的厚度一般为约0.2-约10mm，优选为约0.4-约5mm。
当如上所述连接至少三个金属层和网格时，提供特别适合于处理包含氢气生成(例如当生产碱金属氯酸盐时)的双极电极。在双极电解电池中，几个双极电极的组件一般在一个电池盒内以串联方式电力地连接。为了在电极内得到较低的电阻损耗和均匀的电流分布，相邻电池内的阳极和阴极是通过一个背板来“背对背”地连接的。在背板的一侧，安装对应于第一金属层的阳极，由于阳极反应，例如通过当在如用于生产碱金属氯酸盐、碱金属氢氧化物或次氯酸盐的电解电池内电极工作时出现在阳极的氯气的生成，使得电子转移成为可能。在背板的另一侧，安装对应于第二金属层的阴极，由于在阴极氢气(H2)的逸出使得电子转移成为可能。
这种背板电地和机械地连接阳极片和阴极片。当在阴极发生氢气逸出时，会形成在阴极上吸附的氢原子。形成的氢原子多数会重新结合产生氢气。然而少部分吸附的氢原子会扩散到阴极中。
在一种常规的包括阴极、背板和阳极的双极电极中，没重新结合的氢原子能通过一般用Fe构成的阴极向背板扩散。而背板会防止大多数氢原子通过背板向通常由Ti构成的对氢气敏感的阳极进一步扩散。在阴极与背板间的界面处，氢原子会在结构缺陷处重新结合并因而开始生成氢气，这同样会导致氢致起泡的生成。
本发明的双极电极能够有效地使氢气从界面，也就是在阴极、网格和保护的中间层之间的连接处，经过所形成的通风通道排出，因而防止氢致起泡的生成。
本发明还涉及一种包括上述电极的电化学电池。这种电化学电池可以是一种双极电池、一种多单极电池或类似的电池。
本发明还涉及上述的电化学电池在碱金属氯酸盐、碱金属氢氧化物、次氯酸盐或类似物的生产中的应用。
按照结构的另一种更优选的实施方案，如上所述在该结构的第一和第二金属层之间连接一种网格。按照该实施方案的这种连接结构，当暴露于相对低浓度的氢环境时，可以有效地保护第一层防止其氢脆，同时在第一和第二金属层之间的界面区对所生成的氢提供通风。作为对氢敏感的金属的第一金属层一般选自Fe、钢或它们的合金，优选为钢。作为抗氢的第二金属层一般选自Fe、钢、Ni、Cr或它们的合金，优选为钢。第一层的厚度一般为约1-约20mm，优选为约1-约10mm。第二层的厚度一般为约2-约20mm，优选为约2-约15mm。这种结构优选在适度暴露的氢气环境下使用，例如用于阴极防腐、近海应用以及石油化工工业。
                        附图简要说明
图1是按照本发明的结构的截面的侧视图。
图2是一种表示设置在电解电池内的双极电极单元的实施方案的透视图(网格没有表示)。
图3是表示氢扩散到阴极的图2的侧视图(网格没有表示出)。
                        实施方案的描述
参看附图，图1的数字8是指按照本发明的一种结构。第一金属层1与第三金属层3连接，第三金属层3同样又与第二金属层2连接。在第二2和第三层3之间，连接提供排气通道5的网格4。
图2是指要被设置在用于氯酸钠生产的电化学电池内的一种双极电极单元，它包括按照图1的结构。阳极1对应于第一金属层。阴极2对应于第二金属层。从图2表示的实施方案可看出，一部分的阴极(黑色)和阳极(白色)从图1画出的结构构造中垂直地伸出。第三金属层，此处对应于背板，和网格没有表示出来，这两个元件如图1所示安装。
图3是指如图2所示的相同的双极电极单元。箭头7表示由于在电池内氢气逸出而在阴极作为中间介质形成的氢原子的扩散方向。
显然，可以多种方式对所述的本发明进行变化，但这些改变不应被看成背离本发明的要点和范围，并且所有这些变化对本领域的技术人员来说都是显而易见的，所以都应该被包括在权利要求的范围内。下面的实施例进一步说明所描述的发明如何能被没有限定范围地实现。
实施例：对于氯酸钠的生产，对爆炸连接的没有网格的常规电极与按照图2和图3的具有网格的电极来说，在电解前后对背板样品，即连接钢(阴极)、银(中间层)和钛(阳极)的层，的结构强度进行测量。爆炸连接的样品取自背板的不同部分以便测试不良结合的影响，它是通过超声波分析方法在小部分来分析的。背板样品为0.12m×0.12m×0.030m。测试是在一个四单元的氯酸盐电池内对这种背板样品进行的。电解液的温度为65℃而通过背板的电流密度为约3-5kA/m2。
在所有常规的电极样品中，电解10天后的结构强度都小于1MPa。
在与那些常规的背板电极相同的条件下，提供有网格的样品在电解电池内工作10天后维持它们原有的约190Mpa的结构强度。
该结果表明具有提供排风通道的网格的背板与常用的背板电极相反，它不会受到氢致起泡生成的影响。

Claims (17)

1.一种制备包含至少两层金属层的结构的方法，所述方法包括将对氢脆敏感的第一金属层(1)与第二(2)金属层和网格(4)连接形成在第一(1)和第二(2)金属层之间的具有0.01μm-1000μm直径的通风通道(5)，并且所述网格通过其可排出通道(5)的氢气，其中所述网格(4)的连接位于第一(1)和第二(2)金属层之间。
2.按照权利要求1的方法，其中第三金属层(3)位于第一(1)和第二(2)金属层之间并与第一(1)和第二(2)金属层相连，而其中所述网格(4)位于所述第二(2)和第三(3)金属层之间并与第二(2)和第三(3)金属层相连。
3.按照前述权利要求中任一个的方法，其中第一金属层(1)选自Fe、钢、Ti、Zr、Nb、Ta或它们的合金。
4.按照权利要求1的方法，其中网格(4)选自Fe、Ag、Ni、哈斯特洛伊耐蚀镍基合金或它们的合金以及塑料材料或陶瓷。
5.按照权利要求1的方法，其中网格(4)的孔隙为0.5-10mm。
6.按照权利要求1的方法，其中网格(4)的厚度为0.1-5mm。
7.按照权利要求1的方法，其中网格(4)是通过爆炸连接、轧制、螺栓连接来连接的。
8.按照权利要求2的方法，其中第四金属层位于第一(1)和第三(3)金属层之间并与第一(1)和第三(3)金属层连接。
9.包括至少两个金属层的结构(8)，其中对氢脆敏感的第一金属层(1)与第二金属层(2)和在所述的第一(1)和第二(2)金属层之间提供具有0.01μm-1000μm直径的通风通道(5)的网格(4)相连接，并且所述网格位于所述第一(1)和第二(2)金属层之间并与第一(1)和第二(2)金属层相连。
10.按照权利要求9的结构(8)，其中第三金属层(3)位于第一(1)和第二(2)金属层之间并与第一(1)和第二(2)金属层相连，而其中的网格(4)位于第二(2)和第三(3)金属层之间并与第二(2)和第三(3)金属层相连。
11.按照权利要求10的结构(8)，其中第四金属层位于第三(3)和第一(1)金属层之间并与第三(3)和第一(1)金属层相连。
12.按照权利要求10-11任一个的结构(8)，其中所述结构是双极电极。
13.按照权利要求9的结构(8)，其中第一金属层(1)选自Ti、Zr、Nb、Ta或它们的合金。
14.按照权利要求10的结构(8)，其中第一(1)、第三(3)、和第二(2)层形成双极电极的阳极(1)、中间层(3)和阴极(2)。
15.按照权利要求10的结构(8)，其中氢的渗透性在第三层(3)比在第二层(2)低。
16.电化学电池，其特征在于它包括一种由权利要求14-15的任一个所定义的结构。
17.按照权利要求16的电化学电池在碱金属氯酸盐、碱金属氢氧化物、或次氯酸盐的生产中的用途。
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