FI58794C - Anod foer elektrokemiska processer - Google Patents

Description

Γβ1 KUULUTUSJULKAISU r qoq i

Wa [b] (11) utläggningsskrift 00/94 C Patentti myönnetty 10 04 1031 i? Patent meddelat ^ ^ (51) Kv.lk?/lnt.CI.3 C 25 B 11/02 SUOMI — FINLAND (21) -rM«it«i»eknlnf Π75/7Η (22) H»k*ml$plJvI — Antttknlnpdic 19-02.7^

^ ^ (23) Alkupilvft— Glltl*h«ud»f 19.02.7U

(41) Tullut luikituksi — Siirit offentllf 22. θθ. Jk

Patentti· ia rekisteri hallitus .... , . . .....

_ 1 (44) Nihtirlkslptnon ja kuuUulkaltun pvm. —

Patent· och ragistarstyraisan 1 ' Antokin utl*|d oeh utUkrlftM publlc«r»d 31.12.80 (32)(33)(31) Pyydttty •tuoiktut—BajIrd prlorltat 21.02.73

Englanti-England (GB) 81*90/73 (71) Imperial Chemical Industries Limited, Imperial Chemical House,

Millbank, London S.W.1, Englanti-England(GB) (72) Janusz Josef Henryk Krause, Runcorn, Cheshire, Englanti-England(GB) (7!*) Oy Kolster Ab (5l*) Anodi sähkökemiallisia prosesseja varten - Anoi för elektrokemiska processer Tämä keksintö koskee anodeja sähkökemiallisia prosesseja varten. Erityisesti keksintö koskee anodeja, jotka on tehty kalvoa (filmiä) muodostavasta metallista ja joilla on sähkökatalyyttisesti aktiivinen päällyste.

Tällaisia anodeja käytetään edullisesti alkalimetallikloridiliuosten elektrolyysiä varten olevissa kennoissa, jolloin anodi on valmistettu kalvon muodostavasta metallista, tavallisesti titaanista, ja sillä on johtava päällyste, joka on vastustuskykyinen sähkökemiallisia vaikutuksia vastaan, mutta on aktiivinen elektronien siirrossa elektrolyytin ja anodin välillä.

Johtavan päällysteen sähkökatalyyttinen aine voi sopivasti käsittää yhtä tai useampaa platinaryhmän metallia tai näiden oksideja, erityisesti ru-teenioksidia ja tarkoituksella kiinnittää tämä aine lujemmin elektrodiin se voi olla kerrostettu anodille seoksena kalvon muodostavan metallin oksidin, esim. titaanidioksidin kanssa päällysteen muodostamiseksi. Platinaryhmän metalleja ja niiden johtavia yhdisteitä, erityisesti oksideja on helppo valmistaa termisellä hajottamistekniikalla, kuten selitetään esimerkiksi brittiläisissä patenteissa 1 147 442; 1 195 871» 1 206 863 ja 1 244 650.

Tyypilliseen sen tyyppiseen anodiin, jota tämä keksintö koskee, sopivasti kuuluu reikäinen rakenne siinä kalvon muodostavassa metallissa, joka ainakin osalla pintaansa kantaa johtavaa päällystettä. Reikäinen rakenne voidaan 2 58794 sopivasti rakentaa useista päällystettyä, kalvon muodostavaa metallia olevista pituussuuntaisista elimistä, jotka ovat välin päässä toisistaan ja joiden pituusakselit ovat keskenään samansuuntaiset, kunkin ollessa esimerkiksi pistehitsauksella yhdistettynä johdinelimeen. Johdinelin voi olla esimerkiksi ylösalaisen kourumuodon omaavan siltalevyn muodossa, joka vuorostaan muodostaa osan johdinyhdistelmää liittyen virran sisäänjohtotankoon. Reikäisen rakenteen omaavilla pituussuuntaisilla elimillä on yleensä muotona esimerkiksi litteät kaistaleet tai lehdet, tangot, puolisylinterimäieet kourut, jotka ovat ylöspäin tai alaspäin kuperia taikka U-muotoiset tai käännetyn U:n mutoiset kourut.

On toivottavaa, että reikäiseen rakenteeseen sovitetaan mahdollisimman useita pitkänomaisia yksiköitä sen leveysyksikköä kohden, koska tästä on seurauksena kennojännitteen aleneminen ja tämän seurauksena tehonkäytön säästä. Lisäksi tietyllä virrantiheydellä tällaisten anodielinten lukumäärän lisääminen vähentää virtakuormaa elintä kohden, mikä vuorostaan vähentää mainitun elimen päällysteen kulumisnopeutta, mistä on seurauksena päällysteiden eliniän kasvu. Toisaalta tällaisten anodielinten lisääntynyt lukumäärä sallii virrantiheyden lisäämisen ja täten kennojen ulostulon lisäämisen samalla kun säilytetään sama virtakuormitus elintä kohden kuin vähemmällä elinten lukumäärällä.

Tämän tyyppisen reikäisen rakenteen omaavan anodin edullisessa muodossa on useita kourulehtielimiä, joista kukin muodostuu kahdesta yhdensuuntaisesta lehdestä, joihin on sijoitettu yksi tai useampia siltaosia kiinnittämistä varten johdinelimeen ja joissa kullakin elimistä on käännetyn O:n muoto siltaosien läheisyydessä, kun anodi on käytössä kennossa.

Kourulehtielimien lukumäärä, joka voidaan sovittaa reikäisen anodiraken-teen leveysyksikölle, on kuitenkin käytännössä rajoitettu sen vuoksi, että tarvitaan riittävä väli kunkin elimen lehtien välille, jotta saataisiin pääsy hit-sauspäälle, kun elimiä pistehitsataan johtimeen.

Olemme nyt modifioineet kunkin kourulehtianodielimen muotoa siten, että saadaan aikaan tarpeellinen lehtiväli elimen kiinnityskohdassa johdinelimeen samalla kun lisätään lehtien tehollista kokonaismäärää reikäisen anodirakenteen leveysyksikköä kohden.

Esilläolevan keksinnön mukaisesti saadaan aikaan elektrolyyttikennoa varten anodiyhdistelmä (anodikoostumus), joka käsittää reikäisen rakenteen kalvoa muodostavasta metallista ja johon kuuluu useita pitkänomaisia elimiä, jotka ovat välin päässä toisistaan eiten, että niiden pituusakselit ovat keskenään eamansuuntäiset ja joiden ainakin yhdellä pinnalla on sähkökatalyyttlsesti aktiivinen päällyste, virran tuontivälineet, jotka on johtavasti yhdistetty jokaiseen pitkänomaiseen elimeen, jolloin kukin pitkänomainen elin käsittää kourulehtielimen, joka on muodostettu kahdesta yhdensuuntaisesta lehdestä, jois- 3 58794 sa on yksi tai useampia siItäosia, jotka on yhdistetty virran tuontivälineisiin ja joissa elimissä lehtien väli siltaosien läheisyydessä on suurempi kuin lehtien väli pitkin elimen pituutta poispäin mainituista siltaosista.

Kukin kourulehtielin on edullisesti varustettu kahdella siltaosalla, jotka ovat välin päässä toisistaan mainitun elimen pituuden keskikohdan molemmilla puolilla ja saman matkan päässä tästä keskikohdasta. Mainittujen silta-osien pituudet ovat mahdollisimman pienet (täten varmistaen sen, että levyjen pituudet siltaosien ulkopuolella ovat mahdollisimman pitkät) sen mukaisesti, että ne muodostavat tyydyttävän sähköisen yhteyden kourulehtielimen ja virran tuontivälineiden välille. Kukin kourulehtielin on edullisesti varustettu lisä-siltaosilla mainitun elimen kummassakin päässä kiinnittämistä varten vahvistaviin tukielimiin, esimerkiksi kulmaulokkeisiin kalvoa muodostavasta metallista. Haluttaessa voidaan lisäsiltaosia sijoittaa pitkin kourulehtielimien pituutta näiden jäykkyyden lisäämiseksi, Lisäsiltaosien pituudet pidetään jälleen minimissä sitä silmälläpitäen, että saadaan aikaan riittävät kiinnitysvälineet tai tarpeellinen jäykkyys, jotta varmistettaisiin se, että lehden pituus siltaosien ulkopuolella on mahdollisimman suuri. Ei ole välttämätöntä, että lisäsiltaosat, joita käytetään parantamaan jäykkyyttä, ovat yhtä laajat, kuin ne siltaosat, jotka on yhdistetty virran tuontivälineisiin.

Tässä hakemuksessa tarkoitamme "kalvoa muodostavalla metallilla" jotakin seuraavista metalleista: titaani, sirkonium, niobi, tantaali ja volframi taikka näiden seoksia.

Esilläolevan keksinnön mukaisessa anodissa käytetty kourulehtielin voi-olla valmistettu kalvoa muodostavaa metallia olevasta litteästä suorakulmaisesta kaistaleesta. Joukko suorakulmaisia aukkoja on lävistetty pitkin kaistaleen pituuskeskiakselia ja mainittujen reikien välit ovat sellaiset, että muodostuu ehyitä osia reikien väliin mainittujen ehyiden osien vuorotellen muodostaessa kunkin kourulehtielimen siltaosat. Nämä ehyet osat puristetaan sitten ulos kaistaleesta pois kaistaleen tasosta mutta yhdensuuntaisiksi tämän tason kanssa. Sen jälkeen kaistale taitetaan pitkin suoria, jotka reikien pituussuuntaiset reunat määrittävät ja lehtien siltaosien välissä olevat osat puristetaan sisäänpäin tarkoituksella muodostaa kourulehtielin, jossa lehtien välinen rako on kaventunut siltaosien välissä.

Vaihtoehtoisesti kourulehtielin voi olla valmistettu lävistämällä useita suorakulmaisia reikiä kuten edellä, mitä seuraa kaistaleen taittaminen pitkin suoria, jotka reikien pituussuuntaiset reunat määrittävät ja sitten puristamalla sisäänpäin lehtien ne osat, jotka ovat siltaosien välillä tarkoituksella muodostaa pienennetty lehtien väli mainittujen siltaosien välille.

Vielä eräässä menetelmässä kourulehtielin voi olla valmistettu tekemällä useita kevennysreikiä pitkin kaistaleen pituuskeskiakselia, mitä seuraa viil-losten leikkaaminen kevennysaukkojen väliin ja sitten taittaminen pitkin suoria jotka ovat välin päässä viilloksista ja näiden suuntaiset tarkoituksella muo- 4 58794 dostaa lehdet ja siltaosat ja sitten puristamalla sisäänpäin ne lehtien osat, jotka ovat siltaosien välillä.

Termillä "kevennysaukko" tarkoitamme aukkoa, joka edistää kaistaleen aukeamista tasaisesti pitkin kutakin viillosta, kun taittamistoimintaa toteutetaan.

Kevennysaukolla voi olla sellaisen raon muoto, joka sijaitsee poikittain pitkittäiseen rakoon nähden, mutta edullisesti sillä on neliön, suorakulmion tai kolmion muotoisen reiän muoto, joka mahdollistaa pituussuuntaista rakoa muodostettaessa käytetyn leikkaustyökalun pääsyn. On erityisen edullista, että pitkittäisen raon pituus, neliömäisen reiän sivu, suorakulmaisen reiän poikit-taismitta tai kolmioreiän poikittaisslvu on sama kuin etäisyys kaistaleen taittojen välillä, missä tapauksessa kevennysaukko muodostaa johteen taittamista varten.

Keksinnön mukaisessa anodissa edullisesti on kounulehtielimet, jotka ovat muodoltaan identtiset ja sijaitsevat sellaisin välein, että samanlaiset osat ( esim. siltaosat johtimeen kiinnittämistä vatten ja avoimet lehtiosat) ovat kohdakkain.

Edullisessa anodissa kourulehtielimet on tuettu kaksihaaraisesta silta-levystä, joka on kalvoa muodostavaa metallia, erityisesti titaania, ja asennettu kanavalehtielimien siltaosien poikki ja johtavasti yhdistetty näihin elimiin. Mainittu siltalevy on sopivasti kiinnitetty pystyyn, onttoon sylinteri-mäiseen putkeen, joka on kalvoa muodostavaa metallia (erityisesti titaania) ja joka on asennettu keskeisesti johdinsiltalevylle, jonka putken sisään on jäykästi työnnetty kuparia, terästä taikka alumiinia oleva virran tuoutdtanko tarkoituksella aikaansaada sähköinen kytkentä siltalevyyn ja täten kourulehtieli-miin. Virran tuonti .tank o voi mukavasti olla ruuvattu kalvoa muodostavaa metallia esim. titaania olevaan nysään, joka taas on johtavasti liitetty siltalevyyn.

SähkÖkatalyyttisesti aktiivinen päällyste edullisesti sisältää ainakin yhtä platinaryhmän metallia taikka tämän oksidia ja kalvoa muodostavan metallin oksidia.

Platinaryhmän metallilla tarkoitamme jotakin seuraavista metalleista: platina, rodium, iridium, ruteeni, osmium ja palladium.

Kourulehtielimien päällystäminen suoritetaan edullisesti esimerkiksi polttomaalaustekniikalla, jota on kuvattu belgialaisessa patentissamme 796297» jossa päällysteen muodostaa platinaryhmän metallin oksidi ja kalvoa muodostavan metallin oksidi, ja jossa päällyste kerrostetaan kalvoa muodostavan metallin alustalle maalikoostumuksella, joka menetelmä sisältää termisesti hajoavan platinaryhmän metalliyhdisteen sijoittamisen kemiallisesti puhdistetulle alustaelimelle, maalin kuljetinaineen haihduttamisen ja päällystetyn alustan kuumentamisen hapettavassa atmosfäärissä jäljellä olevien orgaanisten aineksien poistamiseksi maalista ja halutun oksidipäällysteen muodostamiseksi.

5 58794

Seuraavassa keksintöä kuvataan oheisissa piirustuksissa esitetyn esimerkin valossa.

Kuvio 1 esittää päätlä katsottuna kourulehtielintä.

Kuvio 2 esittää kourulehtielintä perspektiivikuvana.

Kuvio 3 esittää päältä katsottuna kolmea sellaista elintä, jotka muodostavat osan reikäistä anodirakennetta elohopeakennoa varten.

Kuvio 4 esittää pystyleikkausta keksinnön mukaisesta anodikoostumuksesta johon sisältyy useita edellä mainittuja kourulehtielimiä.

Kuvio 3 esittää pystyleikkausta keksinnön mukaisesta anodikoostumuksesta kuvioon 4 nähden suoran kulman muodostavassa tasossa.

Kuviot 1...5 eivät ole missään mittakaavassa ja samanlaisia osia niissä on merkitty samoilla viitenumeroilla.

Kourulehtielimeen (lehtikouruelimeen) kuuluu kaksi siltaosaa 1 piste-hitsausta varten siltalevyyn 11 (esitetty kuvioissa 4 ja 5)» kaksi päätysilta-osaa 2 hitsausta varten vahvistaviin tukielimiin 10 (esitetty kuvioissa 4 ja 5), kaksi lisäsiltaosaa 3 jäykkyyden lisäämiseksi ja lehdet 7 (esitetty kuviossa 2).

Kourulehtielimet on tehty litteästä suorakulmaisesta titaanikaistaleesta (2,1 mm vahva; 36 mm pitkä, 19 mm leveä) lävistämällä suorakulmaiset raot 4»5 ja 6 pitkin kaistaleen pituuskeskiakselia. Kaistaleen osat rakojen 4*5 ja 6 välissä, vastaten siltaosia 1, 2, puristetaan ulos kaistaleesta siten että ne siirtyvät yhdensuuntaisina kaistaleen tason kanssa ja kaistale taitetaan pitkin rakojen reunaviivoja muodostamaan lehdet 7· Nämä lehtien 7 siltaosien 1 ja 2 väliset osat ja kahden siltaosan 1 väliset osat puristetaan sisäänpäin ja täten saadussa kourulehtianodielimessä raot 4 ja 5 ovat mitoiltaan 50 mm x 2 mm ja raot 6 ovat 80 mm x 2 mm. Lehtien 7 syvyys on 6 mm ja lehtien välinen ilmarako 4 mm siltaosien 1 ja 2 läheisyydessä ja 2 mm rakojen 4» 5 ja 6 alueella ja lisä-siltaosat 3 ovat myös 2 mm leveydeltään.

Reikäisessä anodirakenteessa, johon kuuluu tällaisia kourulehtielimiä (kuten kuviossa 3» jossa on kuvattu vain kolme sellaista elintä), elimet kohdissa 8 pistehitsataan siltalevyyn 11 ja kohdissa 9 lujittavaan tukielimeen 10.

Aina 88 yksityistä lehteä 7 voidaan mahduttaa reikäiseen anodirakenteeseen (leveys 27 cm) verrattuna vain 54 yksityiseen lehteen tavanomaisessa tyypissä, jossa on tasainen lehtien välinen ilmarako 4 mm.

Kuvioiden 4 ja 5 kuvaamalla tavalla on kaksihaarainen (jalkainen) silta-levy 11 kalvoa muodostavaa metallia, erityisesti titaania, vapaista päistään pistehitsattu siltaosiin 1. Siltaosat 2 on pistehitsattu lujittavaan tukielimeen 10, joka on kulmauloke kalvoa muodostavasta metallista, erityisesti titaanista. Pysty, ontto, sylinterimäinen putki 12 kalvoa muodostavaa metallia, erityisesti titaania, on asennettu keskeisesti siltalevylle ja johtavasti yhdistetty tähän esimerkiksi hitsaamalla. Nysä 13, kalvoa muodostavaa metallia, erityisesti titaania, jossa nysässä on ruuvikierre, on johtavasti, esimerkiksi 6 58794 hitsaamalla kiinnitetty siltalevyyn 11. Virran tuontitanko 14, edullisesti kuparista, teräksestä tai alumiinista, on aksiaalisesti sijoitettu onton sylinterin 12 sisään, joka toimii suojana virran tuontitangon suojelemiseksi sähkökemiallisia hyökkäyksiä vastaan. Virran tuontitangossa 14 on kierteitetty syvennys alapäässä sähkökosketuksen aikaansaamiseksi nysään 13. Virran tuonti-tangon yläpäässä on kierteitetty syvennys 16, joka on tarkoitettu virtajohti-miin kytkemistä varten (ei esitetty).

Keksintöä kuvataan edelleen seuraavalla esimerkillä.

Esimerkki

Titaanianodia (A), jossa on reikäinen rakenne, joka sisältää 82 yksityistä lehteä 27 cm leveydellä ja joka on konstruoitu 41:stä keksinnön mukaisesta kourulehtielimestä, verrattiin titaanianodiin (B), jossa on 34 lehteä (27 cm leveys) konstruoituna kourulehtielimistä, joiden välinen rako on vakio niiden pituudelta. Molemmat anodit päällystettiin sähkökatalyyttieesti aktiivisella päällysteellä, joka käsitti ruteenioksidin ja titaanidioksidin seoksen. Anodien sähköistä aktiviteettia verrattiin käyttämällä kumpaakin anodia vuorollaan natriumkloridilhjoksen elektrolyysin standardiolosuhteissa elohopeakennossa ja samalla anodi-katodi välillä (3*00 mm) Anodivirran (kiloampeeria katodin pinnan neliömetriä kohden) ja anodin ja katodin välisen jännite-eron (volttia) riippuvuus on esitetty oheisessa piirustuksessa 6. Havaitaan, että anodi (A) pystyy läpäisemään 6 # suuremman virran kuin anodi (B) millä tahansa yli rever-siibelin potentiaalin 3»10 V olevalla jännitteellä, kaikkien muiden olosuhteiden ollessa indenttisiä. Tämä mahdollistaa anodien (A) toimisen alemmilla teho-kustannuksilla kuin anodin (B).

Claims (6)

1. Anodirakenne elektrolyysikennoa varten, käsittäen kalvonmuodos-tavaa metallia olevan reiällisen rakenteen, joka käsittää useita pitkänomaisia, pituusakseleiltaan yhdensuuntaisia elimiä välimatkan päässä toisistaan, jolloin ainakin osa näiden elimien pinnasta on varustettu elektrolyyttisesti aktiivilla päällysteellä ja kuhunkin pitkänomaiseen elimeen on johtavasti kytketty virransyöttöelin (11,14)» tunnettu siitä, että kukin pitkänomainen elin käsittää kourulevyelimen, joka muodostuu kahdesta yhdensuuntaisesta levystä (7), jotka on yhdistetty keskenään yhdellä tai useammalla, virransyöttöelimeen (11,14) kytketyllä siltaosalla (1), ja että levyjen väli siltaosien (1) läheisyydessä on suurempi kuin levyjen väli (4,5,6) elimen niissä osissa, jotka ovat kauempana mainituista siltaosista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anodirakenne, tunnettu siitä, että kussakin kourulevyelimessä on kaksi siltaosaa (1), jotka sijaitsevat yhtä etäällä mainitun elimen keskipisteestä sen molemmilla puolilla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen anodirakenne, tunnettu siitä, että kussakin kourulevyelimessä lisäksi on niiden kummassakin päässä olevat siltaosat (2), jotka on kiinnitetty vahvistavaan tukieli-meen (10).

4· Patenttivaatimuksen 3 mukainen anodirakenne, tunnettu siitä, että kussakin kourulevyelimessä on lisäsiltaosat (3) pitkin niiden pituutta elimen jäykkyyden lisäämiseksi.

3. Jonkin edellisen-patenttivaatimuksen mukainen anodirakenne, tunnettu siitä, että siltaosat (1,2) ovat suhteellisen lyhyitä verrattuna levyjen kauempana siltaosista oleviin osiin.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anodirakenne, tunnettu siitä, että kourulevyelimet ovat muodoltaan identtiset ja siten välin päässä toisistaan, että samanlaiset osat ovat kohdakkain.