CS213980B1

CS213980B1 - Hollow Biopolar Electrode

Info

Publication number: CS213980B1
Application number: CS251980A
Authority: CS
Inventors: Alekos Kufudakis; Josef Vahala
Original assignee: Alekos Kufudakis; Josef Vahala
Priority date: 1980-04-11
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1982-04-09

Abstract

Účelem vynálezu bylo navrhnout dutou biopolární elektrodu, která není atakována při provozu vznikajícím a difundujícím vodíkem. Tohoto cíle se dosáhne tak, že katodová a anodová část je spojena elektricky vodivými, pružnými elementy, uspořádanými v dutině mezi katodovou a anodovou částí. Pružnými elementy jsou např. pérové rozpěrký, podložky, vlnovce, lamely, pružiny atd. Dutou biopolární elektrodu podle vynálezu lze použít k elektrolytické výrobě chlorečnanů, chlornanů, chloru a louhu.The purpose of the invention was to design a hollow biopolar electrode that is not attacked by the hydrogen generated and diffusing during operation. This goal is achieved by connecting the cathode and anode parts by electrically conductive, flexible elements arranged in the cavity between the cathode and anode parts. Flexible elements are, for example, spring spacers, washers, bellows, lamellas, springs, etc. The hollow biopolar electrode according to the invention can be used for the electrolytic production of chlorates, hypochlorites, chlorine and caustic soda.

Description

V elektrolyzérech osazených biopolárními elektrodami je mezi anodou % katodou vložena alespoň jedna elektroda složená z části anodové a katodové, které jsou spolu mechanicky a elektricky spojeny.In electrolytic cells fitted with biopolar electrodes, at least one electrode composed of an anode and cathode part is interposed between the anode% cathode and which are mechanically and electrically connected to each other.

V posledních letech byly navrženy a začaly se používat kovoté biopolární elektrody. Katodová část nebo její povrchová vrstva může býti vyrobena z kovů jako je železo, hliník, nikl, olovo, zinek, cín nebo jejich slitiny. Při zapojení v elektrolyzérů se polarizuje katodicky, přičemž na jejím povrchu vzniká vodík.In recent years metal biopolar electrodes have been designed and used. The cathode part or its surface layer may be made of metals such as iron, aluminum, nickel, lead, zinc, tin or alloys thereof. When electrolysed, it is cathodically polarized, producing hydrogen on its surface.

Anodovou částí je obvykle titanový plech povlečený drahým kovem jako je platina, slitina platiny s iridiem nebo rubidiem nebo oxidy drahých kovů, jako je kysličník rutheničitý. Při zapojení v elektrolyzérů se polarizuje anodicky, přičemž na ní vzniká kyslík, resp. chlor.The anode portion is typically a titanium sheet coated with a precious metal such as platinum, a platinum alloy with iridium or rubidium, or a precious metal oxide such as ruthenium dioxide. When connected in electrolysers, it is polarized anodically, whereby oxygen, resp. chlorine.

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 latodový materiál směrem k anodě. Na spoji ocel - titan dochází ke tvorbě hydridu titanu, resp. k uvolňování plynného vodíku. Takto difundujlcí vodík narušuje spojení katodové a anodové části elektrody, v naěem případě vede k narušení spoje ocel - titan a po určité době k deformaci a rozpadnutí tohoto spoje.The anode surface, for example titanium sheet, is connected to the cathode surface, for example steel, by explosion welding. The electrode thus formed is damaged by the action of hydrogen, which is deposited on the cathode surface and diffuses through the lathodic material towards the anode. At the steel-titanium joint, titanium hydride is formed. to release hydrogen gas. The hydrogen diffusing thus disrupts the connection of the cathode and anode parts of the electrode, in which case it leads to the failure of the steel-titanium joint and, after some time, to the joint and the joint breaks.

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, kohaltu, molybdenu, wolframu nebo mědi. Tato bariéra se vyznačuje nízkou difuzivitou pro vodík. Výbuchovým svařováním vyrobená třísložko vá elektroda má však na rozhraní ocel - bariéra malý počet mikropórů, v nichž se d‘ifundující 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.To prevent the diffusing hydrogen bonding of the cathode and anode part from being disturbed, the electrical and mechanical bonding of the cathode and the anode is made through a separation layer - barrier - of gold, silver, tin, lead, cohort, molybdenum, tungsten or copper. This barrier is characterized by low hydrogen diffusivity. However, an explosion-produced ternary electrode has, at the steel-barrier interface, a small number of micropores in which the diffusing atomic hydrogen combines to the molecular with the formation of high pressures, meaning that even a bipolar electrode with a built-in barrier does not last longer than several months. before the electrical and mechanical connection at the steel-barrier metal interface is disrupted.

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 plochou 0,16 m ztráty napětí 75¹ mV vyšší než u bipolární elektrody sestavené z desek titan - ocel spojených výbuchovým svařováním. Navíc vzniká nebezpečí koroze kolem Spojovacích šroubů rámu.Attempts have been made to prevent hydrogen diffusion towards the titanium portion of the electrode by leaving a cavity between the titanium and the steel component of the electrode, the inner steel surface of which recombines the atomic hydrogen to gaseous. The conductive electrical connection takes place via a frame tightened by screws. The frame must be solid and ground on the contact surfaces so that the stress losses are not too high. Despite these measures, at a current of 12.5 kA, an area of 0.16 m with a voltage drop of 75 ¹ mV is higher than that of a bipolar electrode composed of titanium-steel plates connected by explosion welding. In addition, there is a risk of corrosion around the frame connecting bolts.

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 desku bipolární elektrody je vložena bariéra z inertního na'teriálu jako je polyvinylchlorid. Tento typ bipolární elektrody i její montáž jsou komplikované, tloušťka elektrody je velká.The current conduction problem of the filter press type electrolyser has also been solved by a large number of copper or brass screws embedded in the recesses molded in the steel plate. The nuts then project into the inter-electrode space. A barrier of inert material such as polyvinyl chloride is interposed between the titanium and steel bipolar electrode plates. This type of bipolar electrode and its assembly are complicated, the thickness of the electrode is large.

Bylo rovněž navrženo do dutiny mezi titanovou a ocelovou část elektrody navařit spojovací článek titan-měá-ocel vyrobený výbuchovým svařováním a navíc propojeným měděnými nýty. Výroba elektrody je velmi složitá, přívod proudu ze spojovacídh 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.It has also been proposed to weld a titanium-copper-steel coupling produced by explosion welding and, in addition, by interconnected copper rivets, in the cavity between the titanium and steel electrode sections. Electrode production is very complicated, the power supply from the connecting links to the working titanium and steel plates takes place via spacers, which occupy only 10% of the working surface of the electrode, which again leads to a loss of voltage.

Nosné desky z ocele a titanu, nesoucí vlastní pracovní katodové a anodové rošty,mohou být spojeny pomocí měděných pásů (lišt) navařených na nosné desky výbuchem. Plocha lišt je jen 10 % průřezu elektrody, průchod proudu je omezen, elektroda je široká a nerozložitelná. Možnost rekombinace vodíku v pórech spoje ocel-měá není odstraněna.The steel and titanium support plates, carrying their own working cathode and anode gratings, can be connected by means of copper strips welded to the support plates by explosion. The bar area is only 10% of the electrode cross-section, current passage is limited, the electrode is broad and non-degradable. The possibility of hydrogen recombination in the pores of the steel-to-me joint is not removed.

Dutina mezi titanovou a ocelovou deskou může být vypněna 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 obtížně probublává, zejména u vysokýcj elektrod. Ve vrstvě kapalného kovu se vytvářejí dutiny naplněné vodíkem, část kapalného kovu se vytlačuje mimo elektrolyzér a průchod proudu je ztížen.The cavity between the titanium and the steel plate can be turned off by a low melting alloy, which is liquid at the electrolyser operating temperature, at the interface of the steel, cathodic working plate and the liquid alloy the recombined atomic hydrogen recombines and it gasses off the electrode. Difficulties are caused by the fact that at high current densities a large amount of hydrogen is released into the liquid metal which is difficult to bubble, especially at high electrodes. In the liquid metal layer, cavities filled with hydrogen are formed, a portion of the liquid metal is forced out of the electrolyzer and the passage of current is impeded.

Rovněž odstraňování ztuhlého kovu, který vytekl z elektrolyzéru je obtížné a jeho ztráty jsou značné.Also, removing solidified metal that has leaked from the cell is difficult and its losses are considerable.

Podstatně výhodnějším jeví se konstrukční řešení duté bipolární elektrody podle předkládaného vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že katodová a anodová část je spojena elektricky vodivými, pružnými elementy, uspořádanými v dutině mezi katodovou a anodovou částí. Pružnými elementy mohou býti pérové rozpěrky, podložky, pružící vložky, rozpěrací, tlačné či pružné vlnovce, lamely, pružiny, péra atd. s případně poměděnými kontakty.A structural solution of the hollow bipolar electrode according to the present invention appears to be more advantageous in that the cathode and anode part are connected by electrically conductive, resilient elements arranged in the cavity between the cathode and anode part. The resilient elements may be spring spacers, washers, spring inserts, expander, compression or resilient bellows, lamellas, springs, spring, etc. with possibly copper-plated contacts.

Část vodíku vznikajícího na vnější straně katodové desky duté bipolární elektrody podle vynálezu se absorbuje a difunduje na vnitřní stěnu, tj. stěnu dutiny, kthe se tento prodifundovaný atomární vodík slučuje na molekulární a odchází otvory v irár elektrolyzéru ven.A portion of the hydrogen formed on the outside of the cathode plate of the hollow bipolar electrode according to the invention is absorbed and diffused to the inner wall, i.e. the cavity wall, where this diffused atomic hydrogen merges to the molecular and exits through the holes in the electrolysis cell.

Uspořádání podle vynálezu zachovává výhody známých konstrkčních řešení dutých bipolárních elektrod, neboť žádný vodík nepřechází na anodový materiál, který není vodíkem poškozován a nemá nevýhody známých typů dutých elektrod z hlediska převodu proudu, neboť tento prochází celým průřezem elektrody přes pružné elementy a nikoliv jen okrajovým rámem. Další výhodou je konstrukční jednoduchost a demontovatelnost, což usnadňuje manipulaci s anodovými částmi při opakovaných reaktivacích anodového povrchu.The arrangement according to the invention retains the advantages of the known design of hollow bipolar electrodes since no hydrogen is transferred to an anode material that is not hydrogen damaged and does not have the disadvantages of known types of hollow electrodes in terms of current transfer since it passes through the entire electrode cross section through elastic elements and not . Another advantage is the simplicity of construction and demountability, which facilitates handling of the anode parts during repeated reactivation of the anode surface.

Konstrukční řešení pedle předloženého vynálezu se liší zejména použitými pružnými elementy. Na přiložených obr. 1, 2 a 3 jsou schematicky znázorněny duté bipolární elektrody s různými typy pružných elementů.The design of the present invention differs in particular by the elastic elements used. 1, 2 and 3 show schematically hollow bipolar electrodes with different types of elastic elements.

Dutá bipolární elektroda podle vynálezu sestává ze základové desky anodové části 1 obvykle z titanu, tantalu, niobu, hafnia, zirkonu nebo jejich slitin a základové desky katodové části 2, které, mohou nést větší počet hřebenovitě navařených plechů J,£, na nichž se uskutečňuje převážná část anodových a katodových reakcí. Pro úsporu anodového materiálu sé základová deska anodové části 1 vyrábí z ocele, pokryté vlastní anodovou vrstvou, například: z titanu. Pokrytí základové desky anodové části 1 anodovou vrstvou lze provést výbuchovým svařováním. Dutina 2 mezi anodovou a katodovou částí se obvykle vytváří v základové desce katodové části 2. Elektrické propojení základové desky anodové a katodové části -1,2. se v oblasti dutiny 2 provede podle vynálezu vložením pružných elementů.The hollow bipolar electrode according to the invention consists of a base plate of the anode part 1 usually of titanium, tantalum, niobium, hafnium, zirconium or their alloys and a base plate of the cathode part 2, which can carry a plurality of comb-welded sheets. most of the anode and cathode reactions. To save the anode material, the base plate of the anode part 1 is made of steel covered with its own anode layer, for example: titanium. The base plate of the anode part 1 with an anode layer can be made by explosion welding. The cavity 2 between the anode and cathode portions is typically formed in the base plate of the cathode portion 2. The electrical connection of the base plate of the anode and cathode portions -1.2. in the region of the cavity 2 according to the invention, it is carried out by inserting elastic elements.

Na obr. 1 jsou vyobrazeny v dutině 2 pružné elementy sestávající z ocelových pérových rozpěrek 6, jež podpírají vlastní vodiče proudu 2, zhotovené z mědi či jiného dobře vodivého materiálu. Pružné elementy jsou těsně uspořádány na nosné liště 8 a to pe obou jejích stranách.In Fig. 1, there are shown in the cavity 2 elastic elements consisting of steel spring spacers 6 which support the actual conductors 2 made of copper or other well conductive material. The elastic elements are tightly arranged on the support rail 8 on both sides thereof.

Pro účely vynálezu vyhovují i samostatné pružné ocelové pérové podložky .2, které jsou v místě kontaktu se základovou deskou anodové a katodové části 1, 2 poměděny nebo postříbřeny, jak je znázorněno na obr. 2.Separate spring steel spring washers 2, which are copper-plated or silver-plated at the point of contact with the base plate of the anode and cathode parts 1, 2, are also suitable for the purposes of the invention, as shown in Fig. 2.

Na obr. 3 je znázorněno provedení elektrického spojení mezi základovou deskou anodové a katodové části 1, 2 pomoci vlnovce 10. Pro zlepšení kontaktu vlnovce 10 se základovou deskou anodové a katodové části 1, 2 je výhodné vrcholy vlnovce 10 naříznout kolmo na každou vlnu.FIG. 3 shows an embodiment of the electrical connection between the anode and cathode base plate 1,2 by means of bellows 10. In order to improve the contact of the bellows 10 to the anode and cathode base plate 1,2, it is advantageous to cut the peaks of the bellows 10 perpendicular to each wave.

Jakékoliv pružné elementy se při montáži naskládají do dutiny 2 základové desky katodové části 2, která je dimenzována tak, aby pružné elementy v nestlačeném stavu přečnívaly přes rám 11. Provozního stavu se dosáhne spojením a stažením základových desek katodové a anodové části 2, 2, při kterém dojde ke stlačení pružných elementů. Toto stlačení pružných elementů zaručuje dokonalý elektrický spoj.Any resilient elements are assembled in the cavity 2 of the base plate of the cathode part 2, which is dimensioned so that the resilient elements overhang the frame 11 in the uncompressed state. The operating state is achieved by connecting and pulling the base plates of the cathode and anode parts 2, 2. which compresses the elastic elements. This compression of the spring elements guarantees a perfect electrical connection.

Jako pružných elementů lze rovněž'použít pružící vložky, lamely, pružiny, pera atd., přičemž styčné plochy mohou býti poměděny či postříbřeny.Spring elements, lamellas, springs, springs, etc. can also be used as the elastic elements, the contact surfaces being copper-plated or silver-plated.

Dutou 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.The hollow bipolar electrode of the present invention can be used for the electrolytic production of chlorates, hypochlorites, chlorine and caustic as well as other electrolytic processes in which hydrogen diffuses to the anode portion of the electrode.

Claims

A hollow bipolar electrode, characterized in that the cathode and anode portions are connected by electrically conductive, resilient elements in the form of spring spacers (6), washers (9), spring inserts, X-support, compression or resilient bellows (10), slats, springs or springs and optionally copper-plated contacts, which are arranged in the cavity (5) between the cathode and anode portions.