NO153501B - Elektrode for elektrolyseceller. - Google Patents

Abstract

Elektrode med elektrisk ledende strmfordelere (1,2) og aktiverte deler (3) som (i det minste innen et delom-råde) oppviser elektrokatalytiske overflater som er vendt mot motelektroden, for elektrolyseceller med strømtil-førsler og profiltverrsnitt i firkantform (flatprofiler) som kan velges avhengig av den ønskede strømbelastning.Strømfordelingen finner jevnt sted via tre lederplan (1,2,3). Lederplanene er fortrinnsvis forbundet med hverandre ved hjelp av knastsveising. Elektroden er spesielt egnet som dimensjonsstabil anode i elektrolyseceller med kvikksølvkatode.

Description

Oppfinnelsen angår en elektrode av den type som er angitt i det foreliggende hovedkravs overbegrep. Kjente metallanoder, spesielt dimensjonsstabile anoder, har et påført aktivt belegg på en rekke horisontalt og parallelt i forhold til hverandre anordnede runde titanstaver som holdes sammen ved hjelp av ubelagte tverribber. Da slike elektroder med runde gitterstaver er utilfredsstillende i flere henseender, men spesielt på grunn av den ugunstige strømfordeling som følge av "strømskyggedannelse" hva gjelder motelektroden, iallfall i kvikksølvelektrolyseceller, er det blitt gjort forsøk på å avhjelpe disse mangler.

Det finnes også kjente metallanoder (se vest-tysk utlegningsskrift 1818035) hvor elektriske ledere fordeler strømmen i elektroden på flere plan. Da det lederplan som er vendt mot motelektroden, imidlertid består av et aktivert nettmateriale, har dette, på samme måte som de runde staver, den ulempe at forholdsvis store aktive flater ligger innenfor strømskyggen og at den effektive overflate sam skal nås, er forholdsvis liten i forhold til den projiserte overflate.

Det er også blitt foreslått å utforme anoders gitter-struktur i form av flate strimler eller bånd eller kanaler med U-form eller med omvendt U-form (hva angår den siste utførelsesform, se britisk patentskrift 1394026) . De enkelte kanallignende deler ble sveiset til hverandre på de omvendte U-profilers forbindelsesbøyer. I det britiske patentskrift legges det vekt på å tilveiebringe en tilstrekkelig spalte mellom hvert kanallignende elements bånd for å gjøre det mulig å komme til med et punktsveisingsverktøyhode når de kanallignende elementer skal forbindes med en leder ved hjelp av punktsveising. Derved blir på den annen side det store antall av enkelte lederelementer.. som er ønsket av hensyn til strømfordelingen, begrenset. Dessuten må bøyene på over-siden av elementene med omvendt U-form fjernes mellom for-bindelsestrinnene, slik at forholdsvis store titanmengder blir avfall. Heller ikke er problemet med materialutveksling, spesielt i forbindelse med kvikksølvceller, blitt løst.

I vest-tysk utlegningsskrift 2323497 er det blitt tatt sikte på å befordre materialutvekslingen, spesielt for å opp-nå en bedre gassfjernelse fra anodenes underside, i forbindelse med celler som arbeider med strømtettheter over 10 k:A/m 2. Denne løsning er ifølge det vest-tyske utlegningsskrift blitt tilveiebragt ved hjelp av en ekstremt stor aktiv overflate både i nærheten av og fjernt fra motelektroden. Denne løsning er imidlertid beheftet med den ulempe at strøm-men praktisk talt bare transporteres via et lederplan med en enkelt tverrliggende stav, noe som fører til sterkt forskjellige strømfordelinger på elektrodens aktive flate.

Den hovedsakelige ulempe er at hovedstrømfordeleren befinner seg direkte over den aktiverte flate, slik at gass-fjernelsesforholdene og strømningsforholdene på de aktive flater ikke er jevne og således påvirkes negativt. Med den store høyde som de loddrett anordnede, belagte titanbånd har, fører dette til at disse innen fjernområdet bare gir liten arbeidsytelse på grunn av den forholdsvis høye elektrolytt-motstand, og da på bekostning av en høyere spenning med et tilsvarende høyere forbruk av elektrisk energi og dermed høyere driftsomkostninger.

Da båndene på deres overside bare er forbundet med hverandre ved hjelp av enkelte tverrliggende sveisesømmer, kan båndene ved denne elektrodekonstruksjon meget lett sprike fra hverandre ved deres ytre ender og på tvers av deres lengderetning. Med denne konstruksjon vil dessuten båndene bare kunne sveisas til tverrbjelken 3 med meget stor arbeids-innsats .

I vest-tysk utlegningsskrift 2323497 er det ikke blitt tatt hensyn til dette problem, spesielt ikke hva gjelder bøye- og forbindelsesstivhet, for ved anvendelse av tynne bånd likevel å sørge for en tilstrekkelig mekanisk stabilitet, hhv. formstabilitet. Disse krav må det imidlertid tas hensyn til 'foruten de krav som stilles til en jevn strømfor-deling og en god gasskinetikk, og likeledes de krav som stilles til lave produksjonsomkostninger og lave reparasjons-omkostninger og dessuten lang levealder for konstruksjonen og belegget og god motstand overfor kortslutning. Elektrodenes vekt er likeledes viktig og ikke bare på grunn av produksjons- og transportomkostningene, men også på grunn av anvendelsen av kostbare materialer.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på under hensyntagen

til alle de ovennevnte krav å^tilveiebringe en elektrode som tilfredsstiller de til dels motstridende krav.

Oppfinnelsen angår således en elektrode av den i krav l's overbegrep angitte type, og elektroden er særpreget ved de i krav l's karakteriserende del angitte særtrekk.

Ytterligere utførelsesformer av elektrodene ifølge oppfinnelsen er krevet i underkravene og nærmere redegjort for i den foreliggende beskrivelse og på tegningene som viser utførelseseksempler.

De vesentlige fordeler ved oppfinnelsen er:

1. En gunstig strømfordeling over tre lederplan med optimalt dimensjonerbe flatprofiler ( rektangelprofiler). 2. En høy elektrodestabilitet også mekanisk (vridnings-stiv), spesielt på grunn av at rektangelprofiler har et gunstigere motstandsmoment sammenlignet med rundpro-filer og kvadratiske profiler, men også fordi alle flatprofiler (rektangelprofiler) for de enkelte plan alle er anordnet med rett vinkel mot hverandre. 3. En høy transportsikkerhet på grunn av at elektrode-konstruksjonens stivhet bare vanskelig kan bringes til å

svikte også på grunn av ytre påvirkninger.

4. En god planhet for elektrodens jevne underside opprettholdes ikke bare efter fremstillingen og transporten, men også efter anbringelsen (montering og demontering) og dessuten under bruk av elektroden, og dette fører til en reduksjon av driftsomkostningene fordi en mer gunstig jevnere avstand kan opprettholdes i forhold til motelektroden.-5. Sikkerhet mot termisk forvridning ved reaktivering. Dette er mulig på grunn av den foreliggende elektrodes vridningsstive konstruksjon. 6. God materialutbytningshastighet ikke bare på grunn av de rundt hele sin omkrets belagte, loddrett anordnede flatprofiler (rektangelprofiler)-, men også på grunn av deres gunstige gjensidige avstand og antallet av ledere pr. flate. 7. Likevel fås en god sveisbarhet på grunn av den gjensidige anordning av lederplanene. 8. Redusert kortslutningsrisiko fordi planhet også opprettholdes efter transport og montering og dessuten under drift. 9. Ikke minst en meget høy materialbesparelse sammenlignet med en elektrode med den samme flate og laget av høy-verdige materialer,som titan. Ifølge utførelseseksemplet er denne materialbesparelse inntil ca. 75%, og det fås der-for en tilsvarende forbedret:økonomi. 10. En ytterligere økonomisk fordel er ledermaterialets enkle form (flatprofil hhv. rektangelprofil) som mulig-gjør anvendelse av standardutgangsmaterialer til optimale innkjøpsbetingelser og gunstige lageromkostninger. 11. Også den gode energiutnytteisesgrad for elektroden ifølge oppfinnelsen er økonomisk fordelaktig, spesielt i kvikksølv-kloralkali-elektrolyseanlegg som følge av en jevn strømfor-deling. 12. Den gode parallellitet mellom de enkelte ledere på de tre plan skyldes at den foreliggende elektrode er konstruert hhv. bygget opp med høy stivhet mot vridning. Den midlere avstand mellom anode og katode i elektrolyseapparatet blir holdt optimalt liten og upåvirket av små planhetsavvik.

Ytterligere fordeler ved oppfinnelsen fremgår av de nedenstående utførelseseksempler. Disse kan selvfølgelig modifiseres på en rekke forskjellige måter. Det er spesielt mulig å foreta kombinasjoner og underkombinasjoner av de beskrevne, viste og krevede særtrekk, også i kombinasjon med kjente trekk.

På tegningene er forskjellige riss av elektroder ifølge utførelseseksemplet vist.

Av tegningene viser

Fig. 1 et loddrett snitt gjennom elektroden og langs dens midtakse, Fig. 2 et snitt lignende det som er vist på Fig. 1, men tatt langs midtaksen 90°;forskjøvet i forhold til snittet ifølge Fig. 1, og Fig. 3 et riss sett ovenfra av en elektrode med kvadratisk grunnflate.

Det fremgår at elektroden har tre lederplan, samtlige

i

i

av flatprofiler (rektangelprofiler), hvor lederne for det første plan er betegnet med 1, lederne for det annet plan med 2 og lederne for det tredje plan med 3, idet de sistnevnte vendes mot motelektroden når de monteres i cellen som fortrinnsvis utgjøres av en kvikksølvelektrolyse-celle med flytende kvikksølv i en retning parallelt i forhold til lederne 3 som derefter innkobles slik at de blir anodiske, mens kvikksølvet danner katoden.

Spalten mellom elektrodens underside og motelektroden kan fordelaktig være ca. 3 mm. Den kan imidlertid også inn-stilles slik at den blir annerledes, fordi elektrodens strømtilførselsbolt holdes hhv. er opphengt slik over cellen at den gjør det mulig å foreta en jevn, parallell regulering av spalten. Elektrodeavstanden skal på den ene side holdes så liten som mulig dersom strømforbruket skal reduseres, men den får på den annen side ikke være for liten fordi kort-slutningsrisikoen derved øker og bireaksjoner kan oppstå som reduserer strømutbyttet.

Strømtilkoblingen til tilførselsbolten 4 er ikke vist fordi den er i og for seg kjent. Bolten kan f.eks. bestå

av kobber og er anbragt i et hylserør 5 av titan som på sin side ved sin nedre ende 6 er forbundet med lederne av flatprofiler i det første plan (hovedstrømfordeleren 1).

Bolten eller staven 4 har ved sin nedre ende fortrinnsvis en størst mulig elektrisk kontaktflate 7 som ifølge det på Fig. 1 viste eksempel består av en kjegleflate, og denne kontakt kan være fast eller løstbart forbundet med hovedstrømfordeleren 1 ved sveising, innpressing, tilskruing, nagling eller ved en lignende metode, idet en løsbar forbindelse er foretrukket fordi elektrodenes deler 1, 2 og 3

i dette tilfelle kan utbyttes enkeltvis og behandles på et annet sted, f.eks. for reaktivering.

Lederne i det tredje plan 3 er fortrinnsvis laget av flatprofiler med rektanqeltverrsnitt best ående av titan, niob, tantal eller andre metaller eller legeringer derav som er motstandsdyktige og elektrisk ledende under den angjeldende elektrolyseprosess, på samme måte som lederne for det første og annet plan.

Flatprofilene 3 er 1-2 mm tykke, fortrinnsvis ca. 1,5 mm tykke, og har en høyde av 3-5 mm, fortrinnsvis 4-5 mm.

Avstanden mellom de parallelle ledere 3 er minst 2 mm og høyst 6 mm, idet det nedre område (nærmere 2 mm) imidlertid er foretrukket.

Spalten velges slik at de gassavtrekksstrimer som oppstår på ledernes 3 aktive overflater under drift, ikke kommer i berøring med hverandre innen området for spalten og opphvirvles, men holder seg adskilt, slik at ionene som ut-lades på elektrodeoverflaten, kan komme frem til de aktive flater minst mulig hindret av gassblærer. Ved valget av spalten må dessuten den spesifikke elektriske belastning pr. flateenhet tas i betraktning så vel som den kjensgjerning at et høyt antall ledere av flatprofiler 3 pr. flateenhet er ønsket av energigrunner på grunn av den større, aktive flate som da fås, mens på den annen side materialutbytningen hhv. gasskinetikken må være tilstrekkelig og at dette bare kan sikres når den frie gjennomgangsflate er tilstrekkelig stor.

For elektroden ifølge oppfinnelsen blir lederne i det tredje plan 3 fremstilt slik at de helt eller delvis består av et katalytisk aktivt materiale eller slik at de helt eller delvis forsynes med et katalytisk aktivt belegg på overflaten. Fortrinnsvis anvendes et katalytisk aktivt belegg på den samlede overflate av lederne 3, dvs. også på undersiden som er vendt mot motelektroden. Belegningsmaterialene og fremgangsmåtene for å påføre disse er i og for seg kjente. Lederne 3 og lederne 1 og 2 velges fortrinnsvis for en spesifikk elektrisk belastning av elektroden på ca. 10 kA/m 2, men helst innen området 2,5-15 kA/m 2. Forholdet mellom fri gjennomgangsflate og projisert flate innen området for lederne i det tredje plan 3 ligger mellom 20:30 og 60:80.

Lederne av flatprofiler i det annet plan 2 er sveiset til lederne 1 i avstander mellom 30 og 150 mm, bestående av blikk med en tykkelse av 3-7 mm og en høyde av 20-50 mm. Valget av flatprofilenes (rektangelprofiler) dimensjoner

for lederne i det annet og første plan (2 og 1) er i det vesentlige diktert av den ønskede strømtetthet. Lederne i de enkelte plan kan da meget vel velges slik at de har forskjellige dimensjoner, men de bør alltid ha et rettvinklet

tverrsnitt for at det ifølge oppfinnelsen så langt som mulig skal kunne anvendes blikkformer som er vanlige i handelen. Nettopp i muligheten for valget av de enkelte ledere med forskjellige dimensjoner for de forskjellige plan ligger en vesentlig fordel ved oppfinnelsen (tilpasningsmulighet for den angjeldende anvendelse).

Den gode strømfordeling ved anvendelsen av elektroden ifølge oppfinnelsen skriver seg fremfor alt fra at denne,

som spesielt vist på Fig. 3, er fullstendig symmetrisk hhv. speilbildemessig oppbygget rundt midtaksen og for dette for-mål har en jevn fordeling av antallet av ledere i de enkelte plan.

Lederen 1 som er utført som hovedstrømfordeler, består fortrinnsvis av en flatt anordnet profil med rettvinklet tverrsnitt og er på sin overside ved 6 forbundet med strøm-tilførselsboltens eller -stavens 4 rør 5 og på sin underside forbundet med lederne 2 i det annet plan, idet disse er anordnet på høykant, dvs. vertikalt, og med rett vinkel i forhold til lederen av flatprofil 1 (se Fig. 3). Lederne for det tredje plan 3 er forbundet med lederne for det annet plan 2 ved hjelp av motstandssveising, fortrinnsvis vortesveising, og nærmere bestemt slik at også lederne 3 er anordnet på høykant, dvs. vertikalt, og med rett vinkel i forhold til lederne 2 (se Fig. 3) . Ved valget av vortesveising som spesiell motstandssveiseprosess uten sveisetilsatser fås fordelen med en hurtig og automatisk påsveisbarhet (ved hjelp av bjelkeelektrode ), hvorved flere ledere på ett plan samtidig kan sveises til lederne for det neste plan.

En ytterligere fordel ved vorte sveiseprosessen er den lave varmeutvikling under sveisingen, hvorved samlet fås mindre forvridning på elektrodedelene ved fremstillin<q>en. Elektroder ifdlae oppfinnelsen kunne fremstilles med en planparallellitet (på ledernes 3 underside) av 0,25 mm ved denne prosess. Dessuten forbedres reparasjonsmuligheten hhv. reaktiveringsmuligheten vesentlig for elektroder som er blitt sveiset på denne måte. Den for-bedrede planhet fører ved praktisk bruk av en elektrolyse-celle til en jevnere, lokal strømfordeling på den overflate av elektroden som er vendt mot motelektroden og derved til et bedre strømutbytte ved drift av cellen, foruten til for-lenget holdbarhet av beleggene (økning av levealderen).

Det fremgår spesielt tydelig av Fig. 3 at en rettvinklet grunnflate for elektroden foretrekkes (ledernes 3 grunnflate). Dette er imidlertid ingen betingelse. Dessuten kan antallet av ledere 3 pr. flate forandres innenfor de grenser som er angitt i patentkravene hva gjelder forholdet mellom den frie flate og den projiserte flate innen området for lederne i det tredje plan.

I et anlegg med elektrolyseceller kan selvfølgelig flere elektroder ved hjelp av samleskinner forbindes med hverandre elektrisk og/eller mekanisk på ønsket måte for felles drift.

Istedenfor en leder i det første plan (hovedstrømfor-deler), som vist, kan også flere ledere være anordnet, f.eks. i form av et kryss av flatprofiler med staven eller bolten 4 som krysningspunkt.

Antallet, formen og anordningen av lederne i det annet plan (strømfordelere av flatprofil) kan også tilpasses efter den angjeldende anvendelse så lenge de betingelser over-holdes som er nevnt i beskrivelsen og i patentkravene.

Claims (8)

1. Elektrode av ventilmetall for elektrolyseceller, spesielt for kvikksølv-kloralkali-elektrolyseceller, med strømtilførsel via en stav eller bolt (4) og en strøm-fordeler (1) i form av en flatprofil og en rekke elektrode-deler (2,3) av flatprofiler som står på høykant og er anordnet i avstand fra hverandre, karakterisert ved at flatprofilene (1,2,3) er anordnet i tre plan over hverandre og alltid med rett vinkel i forhold til hverandre, idet planene er nummerert i retning fra strømtilførselssiden og til motelektroden, at flatprofilene (3) for det tredje plan som aktiverte elektrode-deler oppviser et forhold mellom bredde og høyde av 1:5-2:3, at flatprofilene (2) i det annet plan er sveiset som strøm-fordelere med en avstand fra hverandre av 30-150 mm på den som strømfordeler fungerende flatprofil (1) for det første plan hvis forhold mellom bredde og høyde er mindre enn det tilsvarende forhold for flatprofilene (2) for det annet plan, og at det mellom summen av tverrsnittsflåtene for alle frie gjennomganger mellom flatprofilene (3) for det tredje plan og den samlede flate mellom de ytre render av elektroden i det tredje plan foreligger et forhold mellom 2:3 og 3:4.

2. Elektrode ifølge krav 1, karakterisert ved at ledere (3) av flatprofiler (rektangelprofiler) som er vendt mot motelektroden (det tredje plan), og de deroverliggende ledere (2) av flatprofiler (det annet plan) står på høykant som strømfordelere, mens lederne (1) av flatprofiler (rektangelprofiler) for ■ det første plan likeledes er rettvinklede i forhold hertil, men er sveiset som hovedstrømfordelere flatt påliggende på lederne (2) for det annet plan, idet hovedstrømfordelerne (1) er forbundet med strømtilkoblingen (4) (stav eller bolt) henholdsvis strømtilkoblingens beskyttelsesrør (5).

3. Elektrode ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at lederne (1) av flatprofiler (rektangelprofiler) for det første plan foreligger i et mindre antall enn antallet av lederne (2) for det annet plan, og at lederne (2) for det annet plan foreligger i et mindre antall enn lederne (3) for det tredje plan som er vendt mot motelektroden, idet det første lederplan er utformet som hovedstrømfordeler fortrinnsvis i form av en stav eller bjelke (1) med rektangelprofil med større bredde enn høyde og forløper parallelt i forhold til lederne (3) for det nederste plan som er vendt mot motelektroden.

4. Elektrode ifølge krav 1-3, karakterisert ved at lederne (2) av flatprofiler (rektangelprofiler) for det annet plan oppviser en bredde av 3-7 mm og en høyde av 20-50 mm.

5. Elektrode ifølge krav 1-4, karakterisert ved at lederne (3) av flatprofiler (rektangelprofiler) for det tredje plan og som er vendt mot motelektroden, har en tykkelse av 1-2 mm og en høyde av 3-5 mm.

6. Elektrode ifølge krav 1-4, karakterisert ved at det mellom lederne (3) av flatprofiler (rektangelprofiler) for det tredje plan og som er vendt mot motelektroden, foreligger spalter, dvs. innbyrdes avstander, som ligger innen området noen milli-metre, men er minst 2 mm.

7. Elektrode ifølge krav 1-6, karakterisert ved at lederne (1,2,3) av flatprofiler (rektangelprofiler) for de tre plan er fremstilt av titan, niob, tantal eller andre metaller som er elektrisk ledende i elektrolysecellen og er bestandige ved bruk av denne, eller legeringer derav.

8. Elektrode ifølge krav 1-7, karakterisert ved at lederne (3) for det tredje plan og som er vendt mot motelektroden, består av et katalytisk aktivt materiale eller at deres overflater er fullstendig belagt med dette.