FI67882B - Elektrod foer elektrolysceller - Google Patents

Description

67882

Elektrodi elektrolyysikennoja varten

Keksinnön kohteena on elektrodi pääpatenttivaatimuksen johdannnon mukaisesti. Tunnetuissa metallianodeissa, etenkin mittastabiileissa anodeissa on sijoitettu aktiivinen päällyste vaakasuorasti ja yhdensuuntaisesti toisiinsa nähden järjestettyjen titaanipyörösauvojen rivin päälle, jotka sauvat pidetään koossa päällystämättömien poikittaisrimojen avulla. Tällaiset pyöreillä ristikkosau-voilla varustetut elektrodit ovat monessakin suhteessa epätyydyttäviä, etenkin kuitenkin epäsuotuisan, "virta-varjomuodostuksen" aiheuttaman virranjakelun johdosta vastaleketrodiin nähden, joka tapauksessa elohopea-elektrolyysikennoissa, ja tähän on yritetty löytää parannus.

Tunnetaan myös metallianodeja (vrt. DE-kuulutusjulkaisu 1 818 035), joissa useiden tasojen kautta sähköjohtimet jakavat virran elektrodissa. Koska vastaelektrodiin päin oleva johdintaso muodostuu kuitenkin aktivoidusta verkko-materiaalista, on siinä, kuten pyörösauvoissakin se haitta, että suhteellisen suuria aktiivisia pintoja on virta-varjossa, ja että saavutettava todellinen pinta on suhteessa projisoituun pintaan suhteellisen pieni.

On myös jo ehdotettu että muodostetaan anodien ristikko-rakenne litteistä U-muotoisista tai nurinpäin olevista U-muotoisista suikaleista tai nauhoista tai kanavista (viimeksi mainittu ks. englantilainen patenttijulkaisu 1 394 026). Yksittäiset kanavamaiset osat on nurinpäin olevien U-profiilien liitoskaarissa hitsattu yhteen.

Tässä englantilaisessa patenttijulkaisussa kiinnitetään huomiota siihen, että järjestetään riittävä väli jokaisen kanavamaisen elementin nauhojen väliin, jotta päästään käsiksi pistehitsaustyökalun päällä tänne, kun halutaan 2 67882 yhdistää kanavamaiset elementit johtimeen pistehitsauksen avulla. Tämän johdosta rajoitetaan toisaalta virran-jakelun tarvitsemaa suurta yksittäisten johdinelementtien määrää. Tämän lisäksi on nurinpäin olevilla U-muodoilla varustettujen elementtien yläsivulla poistettava liitos-listojen väliset kaaret, niin että suhteellisen suuria määriä titaania menee hukkaan. Myöskään aineenvaihdon ongelmaa etenkään elohopeakennojen yhteydessä ei ole käsitelty.

Aineenvaihdon edistäminen, etenkin paremman kaasunpoiston aikaansaaminen anodien alasivulta on asetettu tehtäväksi FI-patenttijulkaisussa 59269 kennoissa, jotka toimivat yli 10 kA/m^-.n virtatiheyksillä. Ratkaisu on nähty tässä tavattoman suuressa aktiivisessa pinnassa vasta-elektrodin sekä lähi- että myös kaukoalueella. Haitallista on tällöin kuitenkin se, että virta kuljetetaan vain yhden johdintason kautta yhdellä ainoalla poikittain olevalla sauvalla, mikä johtaa hyvin erilaisiin virranjake-luihin elektrodin aktiivisella pinnalla.

Pääasiallisena haittana on se, että päävirranjakaja on suoraan aktivoidun pinnan yläpuolella, niin että kaasun-poisto-olosuhteet ja virtaussuhteet eivät ole tasaisesti aktiivisissa pinnoissa ja niihin vaikutetaan siten negatiivisesti. Pystysuorasti järjestettyjen päällystettyjen titaaninauhojen ollessa hyvin korkeita nämä toimivat kaukoalueella suhteellisen korkean elektrolyyttivastuk-sen johdosta vain vähäisesti, ellei sitten korkeamman jännitteen kustannuksella, jolloin sähköenergian kulutus on vastaavasti korkeampi ja siten myös käyttökustannukset ovat korkeammat.

Koska nauhat on yhdistetty yksinomaan yläsivultaan muutamilla poikittainkulkevilla hitsaussaumoilla keskenään, 3 67882 nauhat voivat tässä elektrodirakenteessa levitä ulommista päistään pokittain niiden pituussuuntaan nähden erittäin helposti. Nauhat voidaan sitä paitsi tässä rakenteessa hitsata vain hyvin työteliäästä poikittaispalkkeihin 3.

DE-kuulutusjulkaisussa 2 323 497 ei pystytä selvittämään sitä ongelmaa, että käytettäessä ohuita nauhoja saataisiin aikaan siitä huolimatta riittävä mekaaninen stabiilius tai vast, muotostabiilius, etenkään taivutus- ja vääntöjäykkyyteen nähden. Nämä vaatimukset on kuitenkin otettava huomioon tasaisen virranjakelun ja hyvän kaasu-kinetiikan vaatimusten lisäksi samoin kuin alhaisten valmistuskustannusten ja alhaisten korjauskustannusten sekä rakenteen ja päällysteen pitkäikäisyyden ja hyvän oi-kosulkuvastuksen vaatimukset. Elektrodien paino on samoin tärkeä, ei ainoastaan valmistus- ja kuljetuskustannusten johdosta, vaan myös kalliiden materiaalien käytön johdosta .

Keksinnön tehtävänä on selviytyä kaikista mainituista vaatimuksista ja saada aikaan elektrodi, joka täyttää osittain vastakkaiset vaatimukset. Tehtävä ratkaistaan pääpatenttivaatimuksessa esitettyjen tunnusmerkkien avulla. Keksinnön muut suoritusmuodot selviävät alivaatimuk-sista sekä suoritusesimerkkien selityksestä ja piirustuksesta .

Keksinnön olennaiset edut ovat: 1. Edullinen virran jakelu, kolmen, optimaalisesti mitoitetuilla laakaprofiileilla (suorakulmaprofiileilla) varustetun johdintason kautta, 2. elektrodin suuri stabiilisuus sekä mekaanisesti (vääntöjäykästi), etenkin suorakulmaprofiilien edullisemman vastusmomentin ansiosta verrattuna pyöröprofiilei-hin ja neliömäisiin profiileihin, mutta myös siksi, kos- 4 67882 ka kaikki yksittäisten tasojen laakaprofiilit (suorakul-maprofiilit) on järjestetty kulloinkin suorassa kulmassa toisiinsa nähden, 3. suuri kuljetusvarmuus, koska elektrodirakenteen jäykkyyteen voidaan vaikuttaa vaivoin myöskin ulkoisten vaikutusten kautta, 4. elektrodin tasaisen alasivun hyvä tasaisuus säilyy ei ainoastaan valmistuksen ja kuljetuksen jälkeen, vaan myös asennuksen (kokoamisen ja purkamisen) jälkeen sekä käytössä, mikä alentaa käyttökustannuksia, koska edullinen, tasainen etäisyys ylläpidetään vastaelektrodiin, 5. varmuus termistä käyristymistä vastaan reaktivoinnis-sa. Tämän mahdollistaa keksinnön mukaisen elektrodin vääntöjäykän rakenteen, 6. hyvä aineenvaihtokinetiikka ei ainoastaan yltympäri päällystettyjen, pystysuorasti olevien laakaprofiilien (suorakulmaprofiilien) ansiosta, vaan myös niiden edullisen keskinäisen etäisyyden ja pintaa kohden tulevien johtimien lukumäärän ansiosta, 7. tästä huolimatta hyvä hitsattavuus johdintasojen keskinäisen järjestelyn ansiosta, 8. oikosulkuvaaran väheneminen, koska tasaisuus säilyy myös kuljetuksen ja asennuksen jälkeen sekä käytössä, 9. erittäin suuri materiaalisäästö suhteessa pinta-alaltaan samanlaiseen elektrodiin suuriarvoisissa materiaaleissa, kuten titaanissa, suoritusesimerkissä jopa n.

75 %, ja siten saavutetaan vastaavasti parempi taloudellisuus , 10. eräs toinen taloudellinen etu on johdinten materiaalin yksinkertainen muoto (laakaprofiili tai vast, suorakulmaprof iili) , joka mahdollistaa vakion esimateriaalin 5 67882 käytön optimaalisin hankintaehdoin ja edullisen varas-tossapidon, 11. taloudellista on myös keksinnön mukaisen elektrodin hyvä energiankäyttöaste, etenkin elohopea-kloorialka- li-elektrolyysilaitteissa tasaisen virranjakelun ansiosta, 12. kolmen tason yksittäisten johdinten hyvä yhdensuuntaisuus johtuu keksinnön mukaisen elektrodirakenteen tai vast, sen kokoonpanon suuresta vääntöjäykkyydestä. Anodin ja katodin keskietäisyys elektrolyysikylvyssä pidetään optimaalisen pienenä, ilman että siihen vaikuttavat vähäiset tasaisuuspoikkeamat.

Keksinnön muut edut selviävät suoritusesimerkeistä. Suo-ritusesimerkkejä voidaan tietenkin muuntaa mitä erilaisimmilla tavoilla, ilman että poiketaan keksinnön puitteista. Etenkin on mahdollista suorittaa selitettyjen, esitettyjen ja vaadittujen tunnusmerkkien yhdistelyjä ja alayhdistelyjä samoin kuin myös yhdistellä niitä tunnettujen tunnusmerkkien kanssa.

Oheisissa piirustuksissa on esitetty elektrodien erilaisia kuvia suoritusesimerkin mukaisesti.

Piirustuksissa: kuvio 1 esittää leikkauskuvaa pystysuorasti keskiakselia pitkin elektrodista, kuvio 2 on kuvion 1 kaltainen leikkauskuva, kuitenkin 90° keskiakselin ympäri käännetyllä katseensuunnalla. kuvio 3 on päällyskuva neliömäisellä peruspinnalla varustetusta elektrodista.

Kuten nähdään, elektrodilla on kolme johdintasoa, jotka kaikki on muodostettu laakaprofiileista (suorakulmapro-fiileista), joissa viitenumerolla 1 on merkitty ensimmäi- 67882 sen tason johtimia, numerolla 2 toisen tason johtimia ja numerolla 3 kolmannen tason johtimia, jolloin viimeksi mainitut käännetään vastaelektrodiin päin asennettaessa niitä kennoon, mieluummin elohopea-elektrolyysikennoon, jossa elohopea virtaa yhdensuuntaisessa suunnassa johdin-ten 3 kanssa, jotka on kytketty tällöin anodisesti, kun taas elohopea muodostaa katodin.

Elektrodin alasivun ja vastaelektrodin välinen väli on edullisesti 3 mm. Se voidaan kuitenkin säätää myös toisin, koska elektrodin virransyöttöpulttia pidetään kennon päällä tai se on ripustettu tämän päälle siten, että se mahdollistaa välin tasaisen, yhdensuuntaisen säädön. Elektro-divälin tulee toisaalta olla mahdollisimman pieni, jos halutaan hillitä virranklutusta, toisaalta se ei kuitenkaan saa tulla liiar pieneksi, koska siten oikosulkuvaa-ra kasvaa ja voi esiintyä sivureaktioita, jotka alentavat virrantuottoa.

Syöttöpultin 4 virtaliitäntää ei ole esitetty, koska se on sinänsä tunnettu. Pultti voi olla valmistettu esim. kuparista ja se sisältyy titaanisuojaputkeen 5, joka puolestaan on yhdistetty alemmasta päästä kohdassa 6 ensimmäisen tason (päävirranjakaja 1) laakaprofiileista valmistettuihin johtimiin.

Pultissa tai sauvassa 4 on edullisesti alapäässä mahdollisimman suuri sähkökosketuspinta, kuvion 1 esimerkissä kartiopinta, ja tämä kosketus voidaan yhdistää päävirran-jakajaan 1 joko kiinteästi tai irrotettavasta hitsaamalla, puristamalla, ruuvaamalla, niittaamalla tai vastaavalla, jolloin käytetään mieluummin irrotettavaa liitosta, koska tässä tapauksessa voidaan tällöin elektrodien osat 1, 2 ja 3 esim. reaktivointia varten vaihtaa erikseen ja niitä voidaan käsitellä toisella paikalla.

67882

Kolmannen tason 3 johtimet on edullisesti valmistettu suorakulmaisista laakaprofiileista, jotka on valmistettu titaanista, niobista, tantaalista tai muista kulloinkin kyseessä olevassa elektrolyysimenetelmässä kestävistä, sähköäjohtavista metalleista tai näiden seoksista samoin kuin ensimmäisen ja toisen tason johtimetkin.

Laakaprofiilit 3 ovat 1-2 mm paksuja, mieluummin noin 1,5 mm ja niiden korkeus on 3-5 mm, mieluummin 4-5 mm.

Yhdensuuntaisten johtimien 3 välinen etäisyys on vähintään 2 mm ja korkeintaan n. 6 mm, jolloin kuitenkin käytetään mieluummin minimaalista aluetta (lähempänä 2 mm:ä).

Väli valitaan siten, että johtimien 3 aktiivisilla pinnoilla käytössä muodostuvat kaasunpoistokaistat eivät tule kosketukseen keskenään välin alueella eivätkä pyör-teile, vaan pysyvät erillisinä, niin että ionit, jotka purkautuvat elektrodipinnalla, voivat saapua kaasurakku-loiden niitä estämättä aktiivisille pinnoille. Välin valinnassa on otettava huomioon edelleen pintayksikköä kohden tuleva spesifinen sähkökuormitus sekä se seikka, että toisaalta energiasyistä toivotaan suurta laakapro-fiileista 3 valmistettujen johdinten määrää pintayksikköä kohden tällöin suuremman, aktiivisen pinnan johdosta, mutta toisaalta aineenvaihdon tai vast, kaasukine-tiikan on oltava riittävä, mikä on taattu vain läpäisy-pinnan ollessa riittävän vapaa.

Keksinnön mukaisessa elektrodissa valmistetaan kolmannen tason 3 johtimet joko kokonaan katalyyttisesti aktiivisesta materiaalista tai osittain tästä tai varustetaan kokonaan tai osittain katalyyttisesti aktiivisella päällysteellä pinnalta. Mieluummin käytetään katalyyttisesti aktiivista päällystettä johdinten 3 koko pinnalla, siis myös alasivulla, joka on vastaelektrodiin päin. Päällys- ε 67882 tysmateriaalit ja menetelmät ovat sinänsä tunnetut. Johtimet 2 sekä johtimet 1 ja 2 valitaan edullisesti elektrodin spesifistä sähkökuormitusta varten, joka on n. 10 kA/m^/ kuitenkin 2,5 kA/m^ - 15 kA/m^:n alueella. Vapaan läpäisypinnan suhde projisoituun pintaan kolmannen tason 3 johdinten alueella on n. 20:30 - 60:80.

Toisen tason 2 laaka prof iileista valmistetut johtimet on hitsattu 20-150 mm:n etäisyyksin johtimiin 1, jotka muodostuvat levyistä, joiden paksuus on 3-7 mm ja korkeus 20-50 mm. Toisen ja ensimmäisen tason (2 ja 1) johdinten laakaprofiilien (suorakulmaprofiilien) mittojen valinta suoritetaan olennaisesti halutun virtatiheyden mukaan. Tällöin voidaan yksittäisten tasojen johtimet valita aivan hyvin mitoiltaan erilaisina, mutta niiden poikkileikkauksen tulisi olla aina suorakulmainen keksinnön mielessä, jotta voitaisiin käyttää mahdollisimman tavanomaisia levyjä. Juuri se, että eri tasojen yksittäisten johdinten mitat voidaan valita, on keksinnön olennainen etu (sovitus kulloinkin kyseessä olevaan käyttötapaukseen).

Keksinnön mukaisen elektrodin hyvä virranjakelu muodostuu ennen kaikkea siten, että tämä, kuten etenkin kuvio 3 esittää, on muodostettu täysin symmetrisesti tai vast, peilikuvallisesti keskiakselin suhteen ja jokaisen tason johdinten lukumäärä on tasaisesti jakautunut.

Päävirtajakajaksi muodostettu johdin 1 on valmistettu mieluummin litteästi järjestetystä, poikkileikkaukseltaan suorakulmaisesta profiilista, joka on yhdistetty yläsi-vultaan kohdassa 6 virransyöttöpultin tai -sauvan 4 putkeen 5 ja alasivultaan toisen tason johtimiin 2, jolloin nämä on järjestetty syrjäsärmittäin, siis pystysuorasti suorassa kulmassa laakaprofiilista 1 muodostettuun joh-timeen nähden (vrt. kuvio 3). Kolmannen tason 3 johtimet on yhdistetty vastushitsauksella, mieluummin käs- tl 9 67882 nähitsauksella toisen tason 2 johtimiin, nimittäin siten, että myös johtimet 3 on järjestetty syrjäsärmit-täin, siis pystysuorasti suorassa kulmassa johtimiin 2 nähden (kts. kuvio 3). Valitsemalla käsnähitsaus erityiseksi vastushitsausmenetelmäksi ilman hitsauslisäaineita saadaan etuna nopea ja automaattinen hitsattavuus (palk-kielektrodin avulla), jolloin yhden tason useat johtimet voidaan hitsata kerralla seuraavan tason johtimiin.

Eräänä toisena etuna käsnähitsausmenetelmässä on vähäinen lämmönkehitys hitsauksen aikana, minkä ansiosta saadaan kaiken kaikkiaan vähemmän vääntöä elektrodiosiin valmistuksen yhteydessä. Keksinnön mukaisia elektrodeja voitiin valmistaa 0,25 mm:n tasoyhdensuuntaisuudella (johdinten alasivulla) tämän menetelmän mukaisesti. Myös korjattavuutta tai vast, reaktivoitavuutta parannetaan olennaisesti tällä tavoin hitsatuissa elektrodeissa. Tasaisuuden parannus saa aikaan elektrolyysikennon käytännön käytössä tasaisen paikallisen virranjakelun elektrodin vastaeleketrodiin päin olevalla pinnalla ja siten paremman virrantuoton kennon käytössä samoin kuin lisää päällysteiden kestävyyttä (pidentää kestoikää).

Kuten etenkin kuviosta 3 nähdään, käytetään mieluummin suorakulmaista elektrodin peruspintaa (johdinten 3 pinta) . Tämä ei kuitenkaan ole mikään edellytys. Myös pintaa kohden tulevien johdinten 3 lukumäärää voidaan muuttaa, kun vain säilytetään patenttivaatimuksissa esitetyt rajat, mitä tulee vapaan pinnan suhteeseen projisoituun pintaan kolmannen tason johdinten alueella.

Tietenkin voidaan elektrolyysikennolaitteistossa yhdistää useita elektrodeja kokoomakiskojen kautta halutulla tavalla yhteistä käyttöä varten sähköisesti ja/tai mekaanisesti.

Ensimmäisen tason (päävirtajakajän) yhden johtimen sijas- _______-- ΊΓ— 10 67882 ta voidaan, kuten esitetty, järjestää myös useita esim. ristin tavoin laakaprofiilista, jolloin sauva tai pultti 4 on risteyspisteenä.

Myös toisen tason johdinten (laakaprofiilista valmistettu virranjakaja) lukumäärä, muoto ja järjestely voidaan sovittaa kulloinkin kyseessä olevaan käyttötapaukseen, kunhan vain säilytetään selityksessä ja vaatimuksissa mainitut edellytykset.

Claims (9)

67882

1. Elektrodi elektrolyysikennoja varten, etenkin eloho-pea-kloorialkali-elektrolyysikennoja varten, jossa virransyöttö tapahtuu sauvan tai pultin kautta, joka on yhdistetty laakaprofiileista (suorakulmaprofiileista) muodostuviin aktivoituihin elektrodiosiin virranjakelua varten toimivien, poikittain tähän nähden kulkevien virranjakajien kautta, jotka ovat laakaprofiilien (suorakulmaprofiilien) muodossa, jotka a) on järjestetty syrjäsärmittäin pystyyn ja joissa leveyden suhde korkeuteen on 1:5 - 2:3, tunnettu siitä, että b) aktivoituihin elektrodeihin on hitsattu virranjakajia 30-150 mm:n etäisyydelle toisistaan, joiden virranjakajien laakaprofiileilla (suorakulmaprofiileilla) leveyden ja korkeuden välinen suhde on pienempi kuin kohdan a) mukaisissa laakaprofiileissa, ja c) johtimet on järjestetty kolmeen tasoon päällekkäin ja kulloinkin suorakulmaisesti toisiinsa nähden, jotka kaikki johtimet on valmistettu laakaprofiileista (suorakulmaprofiileista ) , ja d) vapaan läpäisypinnan suhde projisoituun pintaan on laa-kaprofiilien a) alueella 2:3 - 3:4.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että laakaprofiileista (suorakulmapro-fiileista) valmistetut johtimet, jotka ovat vastaelektro-diin päin (kolmas taso), ja näiden päällä olevat laakapro-fiileista (suorakulmaprofiileista) valmistetut johtimet (toinen taso) ovat pystyasennossa syrjäsärmittäin virranjakajina kun taas ensimmäisen tason laakaprofiileista (suorakulmaprofiileista) valmistetut johtimet ovat samoin suorassa kulmassa tähän, mutta ne on hitsattu litteästi päälle päävirranjakajana toisen tason johtimien päälle, ja päävirranjakajat on yhdistetty virtaliitäntään (sauvaan tai pulttiin) tai vast, sen suojaputkeen.

3. Jonkin edellä olevan patenttivaatmuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että ensimmäisen tason 67882 laakaprofiileista (suorakulmaprofiileista) valmistettuja johtimia on lukumäärältään vähemmän kuin toisen tason johtimia ja toisen tason johtimia on lukumäärältään vähemmän kuin kolmannen, vastaelektrcdiin päin olevan tason johtimia, jolloin ensimmäinen johdintaso on muodostettu päävirran-jakajaksi, mieluummin sauvan tai palkin muodossa, jossa on suorakulmaprofiili, jonka leveys on suurempi kuin korkeus ja joka kulkee yhdensuuntaisesta alimman tason johtimiin nähden, jotka ovat vastaelektrodiin päin.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että toisen tason laaka-profiileista (suorakulmaprofiileista) valmistetut johtimet ovat leveydeltään n. 3-7 mm ja korkeudeltaan n. 20-50 mm.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että kolmannen tason laakaprofiileista (suorakulmaprofiileista) valmistetut johtimet, jotka ovat vastaelektrodiin päin, ovat 1-2 mm paksuja ja korkeudeltaan 3-5 mm.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että kolmannen tason laakaprofiileista (suorakulmaprofiileista) valmistettujen johdinten välissä, jotka ovat vastaelektrodiin päin, on välit, so. keskinäiset etäisyydet, jotka ovat muutaman millimetrin, vähintään kuitenkin 2 mm.

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että kolmen tason laaka-profiileista (suorakulmaprofiileista) valmistetut johtimet on valmistettu titaanista, niobista, tantaalista tai muista elektrolyysikennossa, niiden käyttöä kestävistä, sähköäjohtavista metalleista tai niiden seoksista.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että kolmannen tason johtimet, jotka ovat vastaelektrodiin päin, koostuvat katalyyttisesti aktiivi- 67882 sesta materiaalista tai niiden pinta on kokonaan päällystetty sillä.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen elektrodi, tunnettu siitä, että elektrodia käytetään elektrolyysikennossa anodina, kun taas vastaelektrodi on elo-hopeakatodi, joka on muodostettu kolmannen tason johdinten kulkusuuntaan virtaavasta elohopeasta, jolloin anodin ja katodin välinen etäisyys on muutama, millimetri, mieluummin 3 mm, jolloin anodi on alasivultaan (kolmannen tason johdinten laa-kaprofiili- tai suorakulmaprofiili-alasivulta) pitkälti tasainen ja se on kiinnitetty elektrolyysikennoon siten, että etäisyyttä voidaan säätää. 67882