DK159790B - Elektrode til elektrolyseceller, samt anvendelse af en saadan. - Google Patents

Description

DK 159790 B

Opfindelsen angår en elektrode til elektrolyseceller, især til kviksølv-chloralkalielektrolyseceller, med strømtilføring over stave eller strømtilføringsbolte, og strømfordelere 1 form af på højkant stående fladprofiler, der ved deres 5 underkanter er forbundet ved sammensvejsning med tilordnede lodrette aktiverede elektrodedele ud fra op til 2 mm tykke fladprofiler anbragt på højkant med afstand mellem hinanden, idet de aktiverede elektrodedele består af et større antal elementer end strømfordelerne, og 10 idet de aktiverede elektrodedele er anbragt, så der er en spalte på mindst 2 mm mellem dem, og forholdet mellem fri gennemgangsflade og projiceret elektrodeflade, hvad angår de aktiverede elektrodedele mindst udgør 1:2*

Opfindelsen angår ligeledes anvendelse af elek-15 troden i en elektrolysecelle. Ved kendte metalanoder, især dimensionsstabile anoder, har man påført en aktiv belægning på en række horisontalt og parallelt med hinanden anbragte runde titanstave, der holdes sammen af ubelagte tværribber. Eftersom sådanne elektroder 20 med runde gitterstave i flere henseender er utilfredsstillende dog især på grund af den ugunstige strømfordeling som følge af "strømskyggedannelse" i forhold til modelektroden i hvert fald i . kvi'ksølvelektrolyse-celler, har man søgt afhjælpning heraf.

25 Også kendt er metalanoder (sammenlign DE-AS

1.818.035) ved hvilke strømmen fordeles over flere planer elektriske ledere. Eftersom det lederplan, der vender imod modelektroden imidlertid består af aktiveret netmateriale har de som rundstavene den ulempe, 30 at relativt store aktive flader ligger i strømskygger, og at den opnåelige faktiske overflade er relativt lille i forhold til den projicerede overflade.

Det er også blevet foreslået at udforme anodens gitterstruktur i fom af flade strimler eller bånd 35 eller kanaler i U-form eller i omvendt U-form (det sidste se engelsk patentskrift nr. 1.394.026). De enkelte kanalagtige dele sammensvejses i de omvendte U-profilers forbindelsesbuer. I det engelske patent- 6

DK 159790 B

2 skrift lasgges der vægt på, at der opnås en tilstrækkelig spalte mellem båndene af hvert kanallignende element for at muliggøre adgang for et punktsvejsningsværktøj shoved, når man vil forbinde de kanallignende 5 elementer med en leder ved punktsvejsning. Herved begrænses på den anden side det af hensyn til strømfordelingen ønskede store antal enkelte lederelementer. Endvidere må buerne mellem forbindelsesstykkerne på oversiden af elementerne med omvendt U fjernes, således 10 at relativt store mængder titan går til affald. Endvidere er stofudvekslingsproblemet især ved kviksølvceller ikke omtalt.

Det er fra GB patentskrift nr. 1.076.973 kendt at fremstille elektroder med en struktur dannet af flade 15 striber eller bånd, enten i et enkelt stykke eller forbundet med hinanden med en tværbjælke med udskæringer til striberne eller båndene; i disse må loddemateriale anbringes, og lodningen er ikke elektrolytbestandig.

Fremstillingen af en sådan genstand, i hvert fald 20 af titan, er dyr, og den tilvejebringer ingen driftsmæssige fordele. Forholdet mellem bredde og højde af striberne er ca. 1:10, og de er kun op til halvvejs forsynet med et platinmetalholdigt overtræk. Gaskinetikken eller stofudvekslingen ved en sådan elektrode kan derfor 25 ikke være tilfredsstillende.

Fra USA patentskrift nr. 4.022.679 kendes en elektrode med ledere bestående af bånd eller striber, hvortil strøm føres via en bolt og en stav eller en tværforlø-bende svejsesøm. Forholdet mellem bredde og højde i 30 båndene er 1:3.

I figur 8 i dette patentskrift vises sammenligninger mellem otte forskellige elektroder. Elektrode nr. 5 anses i denne sammenhæng som den bedste.

DK 159790 B

3

En alvorlig ulempe er det ugunstige forhold mellem fri gennemgangsflade og projiceret flade, dette forhold er ved elektrode nr. 5 kun 50%. Målinger har vist, at strømudbyttet for en sådan anode i en kviksølvscelle 5 bliver for ringe, når dette forhold falder under 50%, især når K-værdien målt i Vm /kA er mindre end 0,1. Da strømstyrken i . elektrolyseceller af en her relevant type er næsten konstant, kan man kun opnå energibesparelse, hvis man kan drive cellen med lavere spænding 10 (overspænding). Ved elektrode nr. 5 ifølge dette patentskrift kan man i forhold til den næstbedste elek-trode, nr. 2, i bedste fald ved 11 kA/m opnå en spændingsreduktion eller -gevinst på 125 mV.

For at fremme stofudvekslingen,især for at sørge 15 for en bedre gasafgang fra anodens underside, gås der i DE-AS 2,323.497 ud fra celler, der arbejder med strøm- 2 tætheder større end 10 kA/m . Løsningen har man der set i en overmåde stor aktiv overflade såvel i området tæt ved som langt fra modelektroden. En ulempe herved 20 er det imidlertid, at strømmen praktisk taget kun transporteres over et lederplan med en enkelt tværliggende stav, hvilket fører til stærkt forskellige strømfordelinger på elektrodens aktive flader.

Den væsentlige ulempe er, at hovedstrømfordele-25 ren sidder direkte over de aktiviserede flader, således at gasafgangsforholdene og strømningsforholdene på de aktive flader ikke er ensartede og dermed påvirkes negativt. Gennem den store højde af de lodret anbragte beklæde titanbånd sker det, at disse i det 30 fjerne område på grund af den relativt høje elektrolytmodstand kun arbejder dårligt, det sker da på bekostning af højere spænding med tilsvarende højere forbrug af elektrisk energi og dermed højere driftsomkostninger.

35 Eftersom båndene udelukkende er forbundet med hinanden på deres overside med nogle tværgående svejsesømme, kan båndene ved denne elektrodekonstruktion 4

DK 1.59790 B

meget let ved deres ydre ender sprede sig på tværs af deres længderetning. Båndene svejses endvidere ved denne konstruktion kun meget vanskeligt til tværbjælkerne 3.

5 Man har i DE-AS 2.323.497 ikke taget problemet ved anvendelsen af tynde bånd for at sørge for en trods alt tilstrækkelig mekanisk stabilitet og formstabilitet i betragtning især ikke med hensyn til bøjnings- og drejningsstivhed. Disse krav må der dog og-10 så tages hensyn til ved siden af sådanne som en ensartet strømfordeling og den gode gaskinetik ligesom kravene om lave fremstillingsomkostninger og lave reparationsomkostninger samt lang levetid af konstruktion og belægning og god kortslutningsmodstand. Elek-15 todens vægt er ligeså vigtig ikke blot på grund af fremstillings- og transportomkostninger, men også på grund af anvendelsen af kostbare materialer.

Hensigten med opfindelsen er at tage alle de nævnte krav i betragtning og frembringe en elektrode, 20 der opfylder de til dels modstridende krav. Dette opnås ved en elektrode af den i krav 1's indledning angivne art, hvilken elektrode er ejendommelig ved det i krav 1's kendetegnende del anførte. Yderligere udførelsesformer for opfindelsen fremgår af underkravene 25 samt beskrivelsen og tegningen af udførelseseksempler.

Anvendelsen af elektroden er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 6 anførte.

Opfindelsens væsentlige fordele er: 1. gunstig strømfordeling over tre lederplaner med op-30 timalt dimensionerede fladprofiler (firkantprofiler), 2. stor stabilitet af elektroden også mekanisk (drejningsstiv) især på grund af firkantprofilers gunstigere modstandsmoment i sammenligning med rundprofiler og kvadratiske profiler, men også fordi 35 alle fladprofilerne (firkantprofiler) i de enkelte planer i hvert tilfælde er anbragt vinkelret på hinanden.

DK 159790 B

5 3. stor transportsikkerhed, eftersom elektrodekonstruktionens stivhed også er vanskelig at overvinde ved ydre påvirkninger, 4. god planitet}elektrodens plane underside bevares 5 ikke blot efter fremstillingen og transporten, men også efter indbygningen (montage og demontage) samt under drift, hvilket fører til en sænkning af driftsomkostningerne, eftersom der overholdes en gunstigere mere ensartet afstand til modelektroden, 10 5. sikkerhed overfor termisk forskydning ved reaktive ring. Dette muliggør den drejningsstive konstruktion af den omhandlede elektrode, 6. god stofudvekslingskinetik ikke blot på grund af de hele vejen rundt belagte lodret stående fladpro- 15 filer (firkantprofiler), men også på grund af deres gunstige gensidige afstand og antallet af ledere pr. overflade, 7. trods dette god svejsebarhed på grund af det gensidige arrangement af lederplanerne, 20 8. formindskelse af kortslutningsrisikoen, eftersom planitet også bevares efter transport og indbygning samt under drift, 9. ikke mindst en meget stor materialebesparelse i forhold til en elektrode med den samme flade i værdi- 25 fulde materialer såsom titan# i udførelseseksempler ne op til ca. 75%, altså tilsvarende bedre økonomi, 10. En yderligere økonomisk fordel er ledermaterialets enkle form (fladprofil eller firkantprofil), der tillader anvendelsen af standardudgangsmateriale 30 til optimale indkøbsbetingelser og gunstig opbeva ring, 11. den omhandlede elektrodes gode energiudnyttelsesgrad er også økonomisk, især i kviksølv-chloralkali-elektrolyseanlæg som følge af ensartet strømforde- 35 ling, 12. de tre planers enkelte lederes gode parallellitet er en følge af den omhandlede elektrodekonstruktions store drejningsstivhed henholdsvis deres opbygning. Den gennemsnitlige afstand mellem anode og

DK 159790B

6 katode i elektrolyseapparatet holdes optimalt lille uden påvirkning fra små planitetsafvigeiser.

Sammenlignet med elektrode nr. 5 fra USA patentskrift nr. 4.022.679 besidder elektroden ifølge opfin-5 delsen et langt gunstigere forhold mellem fri gennemgangsflade og projiceret flade/ nemlig op til 75% sammenlignet med 50%.

2 Vægtbesparelsen i titan har været ca. 50% pr. m aktiv flade.

10 Spændingsreduktionen eller -gevinsten i elektrisk energi har ved elektroden ifølge opfindelsen været omtrent dobbelt så høj. Vi henfører dette til et heldigt kompromis mellem de i modsat retning gående krav, på den ene side et for strømfordeling og aktivitet højt antal 2 15 ledere og et så stor som muligt ledertværsnit pr. m elektrodeflade, og på den anden side tilstrækkelig fri flade til en intensiv gasudveksling. Hvis denne ikke forløber tilstrækkelig hurtigt, vil der dannes gasbobler på dele af den aktive flade, disse dele bliver derved 20 midlertidigt inaktive.

Et udførelseseksempel for opfindelsen gives på skematisk form i tegningen, denne viser i: fig. 1 et lodret snit gennem elektroden langs midteraksen, 25 fig. 2 et snit svarende til fig. 1, dog med synsvinklen drejet 90° omkring midteraksen, fig. 3 en elektrode med kvadratisk grundflade set ovenfra.

Som det fremgår har elektroden tre lederplaner 30 samtlige af fladprofiler (firkantprofiler), hvoraf lederne i det første plan er betegnet med 1, lederne i det andet plan med 2 og lederne i det tredie plan med 3, hvoraf sidstnævnte vendes mod modelektroden ved indbygning i cellen, fortrinsvis kviksølvelektro-35 lysecelle med flydende kviksølv i en retning parallelt med lederne 3, der derpå tilkobles anodisk, mens kviksølvet udgør katoden.

DK 159790 B

7

Spalten mellem elektrodens underside og modelektroden ligger med fordel ved 3 mm. Den kan dog også indstilles anderledes, eftersom elektrodens strømtil-føringsbolt holdes eller hænges således over cellen, 5 at den tillader en ensartet parallel indstilling af spalten. Elektrodespalten skal på den ene side være så lille som muligt, såfremt man vil nedsætte strømforbruget, den må dog på den anden side ikke være for lille, eftersom kortslutningsrisikoen derved forøges, 10 og der kan opstå bireaktioner, der nedsætter strømudbyttet.

Strømtilslutningen til tilføringsbolten 4 er ikke vist, eftersom den er udført på kendt vis. Bolten kan f.eks. bestå af kobber og er omgivet af et titan-15 rør 5, der på sin side i den nederste ende ved 6 er forbundet med fladprofillederne i det første plan (hovedstrømfordeler 1).

Bolten eller staven 4 har med fordel i den nederste ende en så stor som mulig elektrisk kontakt-20 flade 7 - i dét i fig. 1 viste eksempel en kegle flade - og denne kontakt kan enten fast eller adskilleligt være forbundet med hovedstrømfordeleren 1 ved svejsning, sammenpresning, indskruning, sammennitning eller lignende, hvorved en adskillelig forbindelse fo-25 retrækkes, eftersom elektrodens dele 1, 2 og 3 i dette tilfælde da,f.eks. til reaktivering,særskilt kan udskiftes og behandles andet steds.

Lederne i det tredie plan 3 er med fordel udført af fladprofiler med rektangulært tværsnit af titan, 30 niob, tantal eller andre ved den foreliggende elektrolysemetode resistente elektrisk ledende metaller eller legeringer deraf, ligesom lederne i den første og andet plan.·

Fladprofilerne 3 er 1 til 2 mm tykke, fortrins-35 vis ca. 1,5 mm tykke og har en højde på 3 til 5 mm, fortrinsvis 4 til 5 mm.

DK 159790 B

8

Afstanden mellem de parallelle ledere 3 udgør mindst 2 mm op til ca. maksimalt 6 mm, idet det minimale område (nærmere 2 mm) dog foretrækkes.

Spalten vælges således, at de under drift på 5 lederen 3's aktive overflade opstående gasfaner i spaltens område ikke kommer i berøring med hinanden og danner hvirvler, men forbliver adskilte,således at ionerne, der aflades på elektrodeoverfladen,i videst muligt omfang,uhindret af gasbobler, kan nå frem til 1g de aktive overflader. Ved valget af spalten må der endvidere tages hensyn til den specifikke elektriske belastning pr. fladeenhed samt det faktum, at på den ene side ønskes der af energigrunde et stort antal ledere i fladprofiler 3 pr. fladeenhed på grund af 15 den da større aktive flade, mens på den anden side stofudvekslingen eller gaskinetikken må være tilfredsstillende, hvilket kun sikres v.ed tilstrækkelig fri gennemgangsflade.

Ved den omhandlede elektrode fremstilles leder-2o ne i det tredie plan 3 enten helt eller delvist af katalytisk aktivt materiale eller helt eller delvis forsynet med en katalytisk aktiv belægning på overfladen. En katalytisk aktiv belægning på hele overfladen af lederne 3 foretrækkes, altså også på undersiden, 25 der vender mod modelektroden. Belægningsmaterialerne og fremgangsmåderne hertil er kendte. Lederne 3 samt lederne 1 og 2 vælges med fordel til en specifik elektrisk belastning af elektroden på ca. 10 kA/m , dog 2 2 såvidt muligt i området mellem 2,5 kA/m og 15 kA/m .

30 Forholdet mellem fri gennemgangsflade og projiceret flade i området omkring lederne i det tredie plan 3 ligger mellem ca. 20:30 og 60:80.

DK 159790 B

9

Fladprofillederne i det andet plan 2 er sam-mensvejset med lederne 1 i afstande mellem 30 og 150 mm og består af metalplader med 3 til 7 mm's tykkelse og en højde på 20 til 50 mm. Valget af dimensionerne 5 af ledernes fladprofiler (firkantprofiler) i det andet og første plan (2 og 1) retter sig i det væsentlige efter den ønskede strømtæthed. Herved kan lederne i de enkelte planer ganske vel vælges med forskellige mål, de skal dog ligge inden for de i krav 1 angivne 10 grænser og altid i tværsnit have rektangulær form for så vidt muligt at kunne anvende i handelen værende metalplader. Allerede i det forskellige valg af dimensionerne af de enkelte ledere i de forskellige planer ligger en væsentlig fordel ved opfindelsen (tilpasning 15 til den foreliggende anvendelse).

Den gode strømfordeling ved elektroden ifølge opfindelsen opstår fremfor alt ved,at denne,som det især fremgår af fig. 3, er opbygget fuldstændig symmetrisk, eller som spejlbillede med hensyn til midter-20 aksen, og. har en ensartet fordeling i antallet af ledere i hver enkel flade.

Den som hovedstrømfordeler udførte leder 1 består fortrinsvis af en profil, der i tværsnit er rektangulær, der er anbragt fladtliggende og på sin 25 overside ved 6 er forbundet med røret 5 på strømføringsbolten eller -staven 4 og på sin underside med lederne 2 i det andet plan,. hvorved disse er anbragt på højkant, altså lodret stående,i en ret vinkel på fladprofillederen 1 (sammenlign fig. 3). Le-20 derne i de.t tredie plan, 2 er med mods tands svejsning fortrinsvis vortesvejsning forbundet med lederne i det andet plan 2 og det på en sådan måde, at også lederne 3 er anbragt på højkant, altså stående lodret,

DK 159790B

10 i ret vinkel til lederne 2 (se fig. 3). Ved valget af vortesvejsning som speciel modstandssvejsemetode uden svejsetilsætning opstår fordelen af en hurtig og automatisk sammensvejselighed (ved hjælp af bjælkeelektro-5 de), hvorved mange ledere på ét plan på én gang kan svejses til lederne i det næste plan. Som yderligere fordel ved vortesvejsningsmetoden må anses den ringe varmeudvikling under svejsningen, hvorved man ialt opnår et mindre træk på elektrodedelene ved fremstil-10 lingen. Elektroder ifølge opfindelsen kan fremstilles med en planparallellitet (på undersiden af lederne 3) på 0,25 mm ved denne fremgangsmåde. Også reparationsmuligheden henholdsvis reaktiveringsevnen forbedres væsentligt ved elektroder, der er svejset på den måde.

15 Forbedringen i planitet fører under praktisk drift i en elektrolysecelle til mere ensartet lokal strømfordeling på den overflade af elektroden, der vender mod modelektroden og derned til bedre strømudbytte ved drift af cellen, endvidere til længere holdbarhed af 20 belægninger (forlængelse af levetiden).

Som det især fremgår af fig. 3 foretrækkes en retvinklet grundflade af elektroden (lederplanen 3).

Dette er dog ikke en betingelse. Også antallet af ledere 3 pr. plan kan ændres, såfremt de i kravene an-25 givne grænser med hensyn til forholdet mellem fri flade og projiceret flade i området omkring lederen i den tredie flade derved overholdes.

Det er klart, at i et elektrolysecelleanlæg kan flere elektroder forbindes elektrisk og/eller mekanisk 30 på ønsket vis til fælles drift.

I stedet for en leder i det første plan (hovedstrømfordeler) som vist kan der også anbringes flere ledere, f.eks. i form af et kryds i fladprofil med staven eller bolten 4 som skæringspunkt.

35 Også antallet, formen og placeringen af ledere i det andet plan (strømfordeler af fladprofil) kan tilpasses den foreliggende anvendelse, sålænge de i beskrivelsen og i kravene nævnte betingelser overholdes.

Claims (7)

1. Elektrode til elektrolyseceller, især til kvik-sølv-chloralkalielektrolyseceller, med strømtilføring over stave eller strømtilføringsbolte, og strømfordelere 1 form af på højkant stående fladprofiler, der ved deres 5 underkanter er forbundet ved sammensvejsning med tilordnede lodrette aktiverede elektrodedele ud fra op til 2 mm tykke fladprofiler anbragt på højkant med afstand mellem hinanden, idet de aktiverede elektrodedele består af et større antal elementer end strømfordelerne, og 10 idet de aktiverede elektrodedele er anbragt, så der er en spalte på mindst 2 mm mellem dem, og forholdet mellem fri gennemgangsflade og projiceret elektrodeflade, hvad angår de aktiverede elektrodedele mindst udgør 1:2, kendetegnet ved, at i det mindste én hoved-15 strømfordeler (1), anbragt vinkelret på strømfordelerne (2) og forbundet med strømtilføringsboltene (4), i form af et fladprofil ligger fladt mod overkanten af strømfordelerne (2), og under retvinklet krydsning er sammensve jset med disse; at strømfordelerne (2) har et 20 forhold mellem bredde og højde, der er mindre end for de aktiverede elektrodedele og er anbragt med en afstand mellem hinanden mellem 30 og 150 mm; at de aktiverede elektrodedele har en højde på 3-5 mm; og at forholdet mellem fri gennemgangsflade og projiceret flade ligger i 25 området 2:3-3:4.

2. Elektrode ifølge krav 1, kendetegnet ved, at strømtilføringsboltene (4) er omgivet af beskyttelsesrør (5).

3. Elektrode ifølge krav 1 eller 2, kende-30 tegnet ved, at hovedstrømfordelerne (1), strømfordelerne (2) og de aktiverede elektrodedele (3) er fremstillet ud fra titan, niob, tantal eller en legering på basis af ét af disse metaller.

4. Elektrode ifølge én eller flere af de foran-35 stående krav, kendetegnet ved, at strømfordelerne (2) har en bredde på 3-7 mm og en højde på 20-50 mm. DK 159790B

5. Elektrode ifølge ét eller flere af de foranstående krav, kendetegnet ved, at overfladen af elektrodedelene (3) er belagt med katalytisk aktivt materiale.

6. Anvendelse af elektrode ifølge ét eller flere af de foranstående krav i en elektrolysecelle, kendetegnet ved, at man anvender elektroden som anode, mens modelektroden er en kviksølvkatode dannet af kviksølv flydende i længderetningen af de ud fra flad-10 profiler dannede aktiverede elektrodedele (3) i en afstand på nogle få mm, idet elektroden på sin underside i videst mulig omfang er plan og holdes sådan i elektrolysecellen, at afstanden er indstillelig.

7. Anvendelse af elektrode ifølge krav 5, k e n -15detegnet ved, at afstanden mellem undersiden af elektroden og kviksølvet er ca. 3 mm.