CS211155B1 - Bipolární elektroda - Google Patents

Abstract

Účelem vynálezu bylo navrhnout bipolární elektrodu, která při provozu neni atakována vznikajícím a difundujícím vodíkem. Tohoto cíle se dosáhne tak, že oblast mezi anodicky a katodicky pracujícími částmi elektrody je opatřena systémem průduchů ve tvaru drážek, kanálků či štěrbin, přičemž průduchy zaujímají nejvýše 75 % plochy. Bipolární elektrodu podle vynálezu lze použít při elektrolytické výrobě chlorečnanů, chlornanů, chloru a louhu a při dalších elektrolytických procesech.

Description

Vynález se týká konstrukce bipolární elektrody.

V elektrolyzérech osazených bipolárními elektrodami je mezi anodou a katodou vložena alespoň jedna elektroda složená z části anodové a katodové, které jsou spolu mechanicky a elektricky spojeny.

V posledních letech byly navrženy a začaly se používat kovové bipolární elektrody. Katodová část nebo její povrchová vrstva může býti vyrobena z kovů jako je železo, hliník, nikl, olovo, zinek, cín nebo jejich slitin. Při zapojení v elektrolyzéru se polarizuje katodicky, přičemž na jejím povrchu vzniká vodík. Anodovou částí je obvykle titanový plech povlečený drahým kovem jako je platina, slitina platiny a iridiem nebo rubidiem nebo oxidy drahých kovů, jako je kysličník rutheničitý. Při zapojení v elektrolyzéru se polarizuje anodicky, přičemž na ní vzniká kyslík, resp. chlor.

Oblastí elektrody mezi jejími anodicky a katodicky pracujícími částmi rozumíme tu část bipolární elektrody, která je složena alespoň ze dvou vrstev a je situována mezi anodicky a katodicky pracujícími povrchovými plochami bipolární elektrody.

Anodový povrch, například titanový plech, bývá spojen s katodovým povrchem, například ocelí, svařováním výbuchem. Takto zhotovená elektroda bývá poškozována působením vodíku, který se vylučuje na katodovém povrchu a difunduje přes katodový materiál směrem k anodě.

Na spoji ocel-titan dochází ke tvorbě hydridu titanu, resp. k uvolňování plynného vodíku. Takto difundující vodík narušuje spojení katodové a anodové části elektrody, v našem případě vede k narušení spoje ocel-titan a po určité době k deformaci a rozpadnutí tohoto spoje.

Aby se zabránilo narušování spoje katodové a anodové části účinkem difundujícího vodíku, provádí se elektrické a mechanické spojení katody a anody přes separační vrstvu - bariéru - ze zlata, stříbra, cínu, olova, kobaltu, molybdenu, wolframu nebo mědi. Tato bariéra se vyznačuje nízkou difuzivitou pro vodík. Výbuchovým svařováním vyrobená třísložková elektroda má však na rozhraní ocel - bariéra malý počet mirkopórů, v nichž se difundující atomární vodík slučuje na molekulární za vzniku vysokých tlaků, což znamená, že ani bipolární elektroda se zabudovanou bariérou nemá životnost delší než několik měsíců, než dojde k narušení elektrického a mechanického spojení na rozhraní ocel - bariérový kov.

Byly činěny pokusy zabránit difúzi vodíku směrem k titanové části elektrody tak, že se mezi titanovou a ocelovou složkou elektrody ponechá dutina, na jejímž vnitřním ocelovém povrchu dochází k rekombinaci vodíku atomárního na plynný. Vodivé elektrické spojení se uskutečňuje přes rám stažený šrouby. Aby ztráty na napětí nebyly příliš vysoké, musí být rám masivní a na stykových plochách zabroušený. I přes tato opatření jsou při proudu 12,5 kA 2 plochou 0,16 m ztráty napětí 75 mV vyšší než u bipolární elektrody sestavené z desek titan- ocel spojených, výbuchovým svařováním. Navíc vzniká nebezpečí koroze kolem spojovacích šroubů rámu.

Problém vedení proudu u elektrolyzéru kalolisového typu byl rovněž řešen pomocí velkého počtu šroubů z mědi nebo mosazi, které jsou zapuštěné do prohlubní vylisovaných v ocelové desce, matice pak vyčnívají do mezielektrodového prostoru. Mezi titanovou a ocelovou deskou bipolární elektrody je vložena bariéra z inertního materiálu jako je pólyvinylchlorid. Tento typ bipolární elektrody i její montáž jsou komplikované, tlouštka elektrody je velká.

Bylo rovněž navrženo do dutiny mezi titanovou a ocelovou část elektrody navařit spojovací článek titan-mšá-ocel vyrobený výbuchovým svařováním a navíc propojený měděnými nýty. Výroba elektrody je velmi složitá, přívod proudu ze spojovacích článků na pracovní titanové a ocelové plechy se děje přes distanční kolíky, které zaujímají jen 10 % pracovní plochy elektrody, což opět vede ke ztrátě napětí.

Nosné desky z ocele a titanu, nesoucí vlastní pracovní katodové a anodové rošty mohou

211)55 být spojeny pomocí měděných pásů (liět) navařených ne nosné desky výbuchem. Plocha liět je jen 10 % průřezu elektrody, průchod proudu je omezen, elektroda je Široká a nerozložitelná. Možnost rekombinece vodíku v pórech spoje ocel-měď není odstraněna.

Dutina mezi titanovou a ocelovou deskou může být vyplněná nízko tající slitinou, která je při pracovní teplotě elektrolyzéru kapalná. Na rozhraní ocelové, katodicky pracující desky a kapalné slitiny dochází k rekombinaci prošlého atomárního vodíku a ten v plynném stavu probublává mimo elektrodu. Potíže působí skutečnost, že při vysokých proudových hustotách se do kapalného kovu uvolňuje velké množství vodíku, který odližně probublává, zejména u vysokých elektrod. Ve vrstvě kapalného kovu se vytvářejí dutiny naplněná vodíkem, část kapalného kovu se vytlačuje mimo elektřolyzér a průchod proudu je ztížen. Rovněž odstraňování ztuhlého kovu, který vytekl z elektrolyzéru je obtížné a jeho ztráty jsou značná.

Podstatně výhodnějším se jeví konstrukční řešeni bipolární elektrody podle předkládaného vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že oblast mezi anodicky a katodicky pracujícími částmi elektrody je opatřena systémem průduchů ve tvaru drážek, kanálků či štšrbin pro odvod vodíku difundujícího z katodového povrchu,.přičemž průduchy zaujímají nejvýše 50 % plochy.

Průduchy jsou umístšny tak, aby odvedly všechen nebo téměř všechen difundující vodík mimo bipolární elektrodu dříve, než projde ke spoji katodové vrstvy s vrstvou další, resp. dříve než koncentrace vodíku na rozhraní těchto vrstev stoupne na hodnotu, při níž by mohlo dojít k narušení mechanického a elektrického spojení obou vrstev. Celková plocha průduchů je menší než 50 % celkové plochy základových desek bipolární elektrody, vše v průmětu do roviny shodné s rovinou jednotlivých vrstev bipolární elektrody. Toto snížení průřezu bipolárnl elektrody pro průchod proudu ee neprojeví významným zvýšením elektrického odporu.

Tloušťka katodové části bipolární elektrody podle vynálezu, velikost, četnost a tvar drážek, kanálků či štěrbin jsou voleny tak, aby koncentrace vodíku na rozhraní katodové a anodové části byla co nejnižší. V tomto případě je účinek vodíku na anodovou část minimální. Škodlivý účinek je možno jeětě snížit, jestliže se mezi katodovou a anodovou desku vloží další deska z materiálu o nízké difuzivitě pro vodík jako je například měň, nikl, stříbro nebo jejich slitiny.

Vložená vrstva kovového materiálu o nízké difuzivitě má ten příznivý účinek, že pokud projdou malá množství vodíku mezi průduchy až na hranici této mezivrstvy, hromadí se tam a vytváří zvýšenou koncentraci vodíku a tím i zvýšený koncentrační spád mezi touto mezivrstvou a průduchy. V takovémto případě vodík difunduje zpět k průduchům, kde je jeho koncentrace prakticky nulová. Koncentrace vodíku na styčné ploše mezivrstvy s anodovou částí zůstává nízká a nemůže nabýt hodnot, při nichž by docházelo k růstu tlaku a k narušení mechanického spojení mezivrstvy s katodovou částí.

Demontáž a manipulace s částmi bipolární elektrody, která je zvlášl důležitá u anodové části v případech pravidelné reaktivace anodového povrchu, se usnadní vložením vrstvy slitiny o nízkém bodu tání, například Woodova kovu, blíže anodové části. Tato vrstva má za úkol vést proud z anodové části do katodové, nikoliv zachycovat vodík vznikající rekombinaci na rozhraní pevná látka - kapalina.

Při některých elektrochemických procesech je výhodné používat elektrody o velké pracovní ploše, která se docílí např. navařením velkého počtu plechů hřebenovitě na základní elektrodové desky, které z tohoto důvodu musí býti značně masivní. Aby množství drahého anodového kovu bylo co nejmenší, je vhodné anodová tělesa konstruovat z bimetalu, například titan-ocel a zhotovovat je výbuchovým plátováním.

Průduchy malých rozměrů a průměrů se vyrobí výhodně elektrojiskrovým obráběním nebo pomocí laseru, průduchy větších průřezů lze zhotovit frézováním nebo válcováním za tepla.

Téměř libovolný tvar průduchů lze vyrobit výbuchovým svařováním tak, že ne podložku, kterou

2)1155 je těleso katody, se uspořádají tyče téhož materiálu se stěnami formovanými tak, aby tvořily průduchy nebo se stěnami rovnými a opatřenými vrstvičkou grafitového materiálu, který při svařování výbuchem zahrání spojení těchto svislých stěn. Na takto uspořádanou vrstvu tyčí se výbuchem nevaří vrstva anodového materiálu nebo vrstva materiálu o nízké difuzivitě pro vodík atd. Vhodným uspořádáním lze dosáhnout, Se při témže výbuchovém svařování se tyče spojí s podložkou tělesa katody.

K rekombinaci atomárního vodíku stačí průduchy o tlouštce několika Um, odvádění plynného vodíku vyžaduje průduchy poněkud šírěí, jejichž minimální tlouštka je vymezena možnostmi výroby. Elektrojiskrovým obráběním lze zhotovit průduchy, resp. drážky do 0,2 mm, frézováním silnější. Průduchy mohou mít různý tvar, z výrobního hlediska jsou výhodné průduchy o průřezu rovnoramenného trojúhelníka.

Varianty v provedení bipolární elektrody s průduchy podle vynálezu jsou znázorněny na přiložených obr. 1 až 6.

Na obr. 1 je znázorněn řez bipolární elektrodou s anodovou deskou 1 z titanu a s katodovou deskou 2 z ocele. Průchody £ obdélníkového tvaru pro odvod vodíku jsou vyfrézovány do katodové desky 2. Spojení katodové desky 2 s anodovou deskou £ bylo provedeno výbuchovým svařováním. Kolmo na katodovou desku 2 je upevněn větší počet hřebenovitě navážených plechů 6, na nichž se uskutečňuje převážná část katodových reakcí. Kolmo na andovou desku £ je upevněn větší počet hřebenovitě navařených plechů £, na nichž se usktečňuje převážná část anodových reakcí.

Na obr. 2 je znázorněn řez bipolární elektrodou s následujícím uspořádání vrstev: katodová deska 2 z ocele s vyfrézovanými průduchy £, bariérová vrstva £ z mědi, stříbra, niklu či molybdenu, aby se zabránilo difúzi vodíku do anodové desky £, anodová deska £ z titanu.

Na obr. 3 je znázorněn řez bipolární elektrodou s náledujícím uspořádáním vrstev: katodová deska 2 z ocele, ocelová deska s vyfrézovanými trojúhelníkovými průduchy £, bariérová vrstva £ z mědi, vrstva X Woodova kovu pro snadné rozpojení anodové a katodové části bipolární elektrody, anodová deska £ z titanu.

Na obr. 4 je znázorněn řez bipolární elektrodou s náledujícím uspořádáním vrstev: katodová deska 2 z ocele s vyfrézovanými obdélníkovými průduchy £, bariérová vrstva 4 z mědi, vrstva χ Woodova kovu, anodová deska £ z ocele přeplátované titanem.

Na obr. 5 je znázorněn řez bipolární elektrodou s náledujícím uspořádáním vrstev: katodová deska 2 z ocele, separační vrstva 8 z tyčí vytvářejících průduchy £ pro odvod vodíku netěsnostmi a nepravidelnostmi mezi jednotlivými tyčemi, anodová deska £ z titanu.

Na obr. 6 je znázorněn řez bipolární elektrodou s následujícím uspořádáním vrstev: katodová deska 2 z ocele, separační vrstva 8 z jednotlivých tyčí čtvercového průřezu, bariérová vrstva £ z mědi, vrstva X Woodova kovu, anodová deska £ z titanu.

Bipolární elektrodu podle vynálezu lze použít k elektrolytické výrobě chlorečnanů, chlornanů, chloru a louhu, i při dalších elektrolytických procesech, při kterých difunduje vodík k anodové části elektrody.

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Bipolární elektroda vyznačená tím, že oblast mezi anodicky mi elektrody je opatřena systémem průduchů (3) ve tvaru drážek, vod vodíku difundujíčího z katodového povrchu, přičemž průduchy plochy.

   a katodicky pracujícími část kanálků či štěrbin pro od(3) zaujímají nejvýše 50 %