SE427675B - Bipoler elektrod - Google Patents

Description

7801818-1 2 delar, varvid mellanskiktet i kompositorganet består av en metall eller legering, som är beständig mot vandring av väte och ärri huvud- sak ogenomtränglig för atomärt väte, (B) bultar utförda av elektriskt ledande metall eller legering, som är beständig mot vandring av väte och är i huvudsak ogenomtränglig för atomärt väte, är tätt inpassade i genomgående hål utformade i kompositorganet och utvidgade i riktning mot båda sidoytorna av kom- positorganet, så att bultarna ansluter tätt till innerytorna av de genomgående hålen i kompositorganet, (C) katodsiddelen av kompositorganet är svetsad till ytan av insidan av katodsidplâten i skiljeväggen och 7 (D) anodsiddelen av kompositorganet är motståndssvetsad till ytan av insidan av anodsidplåten i skiljeväggen, Uppfinningen hänför sig sålunda till bipolära elektroder, som innefattar ett anodorgan eller anoddel samt ett katodorgan eller katoddel skilda från varandra med en skiljevägg och elektriskt samt strukturellt kopplade till varandra och som är lämpade för elektrolys av vatteniaenmgar av alkaiimecaiinioria, etc. , för framställning av ' alkalimetallklorater, eller alkalimetallhydroxider och klor. i En. konventionell bipolär elektrod beskrivas i amerikanska > patentskriften 3,859,l97 och har den struktur som visas på fig. l. Pâ. fig. l avser hänvinsningsbeteohlingen l ett kompositorgan som erhålles genom explosionssvetsning av en titanplåt 4 och en plåt 5 av mjukt stål. Kompositorganet l är inpassat i en öppning i en skiljevägg 16 av en titanplåt 2 och en plåt 3 av mjukt stål så att kompositorganet bil- dar en' del av skiljeväggen 16. Den yttre kantdelen av titanplåten 4 hos kompositorganet l är svetsad till en öppning i titanplàten 2, och den yttre kantdelen av den mjuka stålplâten 5 är svetsad till en öppning i den mjuka stålplàten 3.

Titanplåten 4 i kompositorganet l är svetsad till en anod- del 7 med titan såsom substrat genom ett titandistansorgan 6, vilket är evetsat till titanplåten 4, och plåten 5 av mjukt stål i kompositorga- net l är svetsad till ett katodorgan 9 med hjälp av ett distansorgan 8 av mjukt stål, som är svetaat till plåten 5 av mjukt stål. Anodorganet 7 och katodorganet 9 är sålwmda elektriskt sannnankopplade och struktu- rellt sammankopplade med kompositorganet l till bildning av en bipolär elektrod med en anodkammare 10 och en katodkammare ll.

Anodorganet 7 är utfört av ett nätliknande titansubstrat på vilket är påfört en beläggning av platina-gmppmetall eller platina- gruppmetalloxid, och katodorgariet 9 är utformat i gallerform. 3 7801818-1 Den konventionella bipolära elektrod som beskrivits i det föregående har den olägenheten att den metall som användes på katod- sidan (i det följande benämnd "katodsidemetall"), exempelvis järn i kompositorganet, har dålig vidhäftning till den metall som användes på anodsidan (i det följande benämnd “anodsidemetall"), exempelvis titan, och dessa metaller har benägenhet att separeras från varandra fysiskt, samt vidare att när elektroden drives under längre tidrymd bildas titan- hydrid vid fogdelen av kompositorganet vilket medför separation av metallerna av vilka den bipolära elektroden är utförd. Orsaken är att även om metaller som är lämpade såsom-katodorgan, exempelvis järn eller nickel, har låg väteöverspänning vid katoden och lätt tillåter genom- trängning av väteatomer, bildar material som är lämpade såsom anod- substrat, exempelvis titan, lätt hydrider.

Utveckling av väte vid elektrolys av en vattenlösning av en alkalimetallklorid äger rum enligt följande tvåstegsreaktion.

H* * e * Ha» <1> H(ad) + H(ad) + H2 + (2) i vilken H(ad) representerar adsorberat väte." Det är känt att reaktionen (2) bestämmer hastigheten för hela reaktionen. Av detta skäl är ytan av järn som är en katodside- metall i kompositorganet alltid fyllt med H(a¿), varav en del genom- tränger genom järnet och slutligen når den del av kompositorganet där metallerna är sammanfogade. Vid denna del reagerar väte med titan, som användes såsom anodsidemetall, till bildning av fysiskt spröd titan- hydrid och orsakar sålunda sünderbrytning eller brott i delen där metallerna är sammanfogade. Till följd av detta blir metallerna elekt- riskt isolderade från varandra, och spänningen mellan de bada ytorna av kompositorganet ökar tills slutligen elektroden blir oanvändbar. Den tidrymd som förflyter tills detta fenomen uppträder verierar beroende pà strömtätheten vid den del där metallerna är sammanfogade och tjock- leken av katodsidemetallen. Sålunda kan exempelvis ett kompositmaterial sammansatt av järn med en tjocklek av 10 mm och titan, som explosione- svetsats till varandra, bli oanvändbart inom en tidrymd av 1,5 till 3 år via användning med en svrömvavhev av zoo A/amz. vao1s1s-1 4 En bipolär elektrod av den typ som visas på fig. 2 konstrue- rades i ett försök att undvika de i det föregående beskrivna defekterna.

Ett kompositorgan 12 innefattar en anodsidedel 13 utförd av sådan metall som titan eller titanlegering, som användes såsom substrat för ett anodorgan 7 och en katodsidedel 15 utförd av en sådan metall som mjukt stål eller legering av mjukt stål, som användes såsom bas för ett katodorgan 9, varvid delarna 13 och 15 är bundna till varandra med en mellanskiktsdel 14 utförd av koppar eller kopparlegering, exempelvis mässing. Delarna 13, 14 och 15 är utformade i form av en plåt och bundna med användning av explosionssvetsmetod, eller friktionssvetsningsmetod.

Delen 14 kan såsom mellanskikt i kompositorganet 12 vara utförd av två eller fier lamineraae skikt.

Kompositorganet 12 är inpassat i en öppning i en skiljevägg 16 så att organet bildar en del av skiljeväggen 16. Den yttre kant- delen av delen 13 av kompositorganet 12 är sålunda svetsad till en öppningsdel i en plåt 2 i skiljeväggen 16, och den yttre kantdelen av delen 15 är svetsad till en öppningsdel i en plåt 3. När' kompositorga- net 12 är utformat såsom en del av skiljeväggen 16 bör delen 14 av koppar eller kopparlegering, som bildar ett mellanskikt i kompositdelen l2~, utformas så att den icke exponeras för elektrolytlösningen.

Med en sådan konstruktion tillåter delen av koppar eller kopparlegering, som användes såsom mellanskikt i kompositdelen icke genomträngning av väte varför väte som genereras på. katodsidan under elektrolys icke når fog-ytan. mellan mellanskiktet och delen av titan.

Delen av titan skiljes därför icke från delen av koppar eller koppar- legering vid den bundna ytan. Å andra sidan har den av mjukt stål ut- förda delen mycket god vidhäftning till delen av koppar eller koppar- legering, och den av koppar eller kopparlegering utförda delen bildar icke lätt hydrid. Den av mjukt stål utförda delen har sålunda icke någon tendens att skiljas från delen av koppar eller kopparlegering vid den sammanbundna ytan. I Eftersom emellertid i den på fig. 2 visade konstruktionen delarna 13, 14 och 15 av kompositorganet är bundna till varandra endast med en yta-till-yta-bindning har yta-till-yta-bindningen en benägenhet att förstöras genom mekaniska faktorer eller under krävande elektrolys- betingelser. Eftersom i den ovan beskrivna konstruktionen öppningsdelen av plåten av mjukt stål 3 i skiljeväggen 16 är svetsad till den yttre kantdelen av delen 15 av mjukt stål av kompositorganet 12 så att kompo- sitorganet 12 är inpassat i öppningen i skiljeväggen 16 till bildning av en del av skiljeväggen 16, har delen 15 av mjukt stål efter svets- 7801818-1 6 substrat för anoddelen, en katodsidedel utförd av samma typ av metall eller legering som användes såsom katoddel, och såsom mellanskikt, en del utförd av en elektriskt ledande metall eller legering, exempelvis koppar eller kopparlegering, som är beständig mot vandring av väte och är väsentligen ogenomtränglig för atomärt väte, varvid dessa tre delar är bundna till varandra, varvid (l) pinnar eller bultar utförda av en elektriskt ledande metall eller legering av en elektriskt ledande metall, exempelvis koppar eller legering av koppar, som är beständig mot vandring av väte och är i huvudsak ogenomtränglig för atomärt väte, är tätande inpassade (caulk-fitted) i genomgående hål utformade i kompo- sitdelen och utformade divergerande mot båda ytorna av kompositdelen med trattliknande fom så att pinnarna eller bultama vidhäftar tätt till inner-ytorna av de genomgående hålen, (2) anodsideskiktet och katod- sideskiktet av skiljeväggen utgöras av skikt utan genomgående hål för införing av kompositorganet, (3) katodsidedelen av kompositdelen eller kompositorganet är svetsad till ytan av insidan av katodsideskiktet av skiljeväggen i ett på detta anbringat läge (superimposed state), och (4) ytan av anodsideskiktet är bunden genom motståndssvetsning till toppytan av anodsidedelen av kompositorganet eller kompositdelen i ett på denna anbringat läge (superimposed state).

Figurema 1 och 2 på den bifogade ritningsfiguren är tvär- sektioner genom bipolära elektroder av tidigare känd typ.

Figurerna 3(a) och (b) är förstorade tvärsektioner genom en bipolär elektrod enligt uppfinningen.

Fig. 4 visar den utföringsform för utformning av komposit- delen eller kompositorganet som användes i den bipolära elektroden en- ligt uppfinningen.

En utföringsform av elektroden enligt uppfinningen visas på fig. 3(a), som är en förstorad vy av den bundna delen av skiljeväggen och kompositdelen i den bipolära elektroden. På fig. 2 visas en anod- sideplåt 2, en katodsideplåt 3, ett distansorgan 6 och ett distansorgan 8, och på. fig. 3(a) visas ett kompositorgan l2 som är en ömsesidigt bunden konstruktion innefattande en anodsidedel 13 utförd av en sådan metall eller metallegering som titan eller titanlegering, som användes såsom substrat till anoddelen, en katodsidedel 15 utförd av en sådan metall som mjukt stål eller metallegering som användes såsom katodor- gan, samt' en mellanskiktsdel 14 utförd av koppar eller kopparlegering anbringad mellan delarna 13 och 15. Delarna 13, 14 och 15 kan formas såsom plåtar med olika form, exempelvis cirkulär form, elliptisk form eller rektangulär form och är bundna genom explosionssvetsning eller 5 f f7so1a1a-1 ningingen tolerans gentemot värmedeformation. Till följd härav upp- träder sprickor i den svetsade delen på grund av spänningar, eller också har derma konstruktion benägenhet att orsaka uppkomst av sprickor vid den svetsade delen vid temperaturförändringar under elektrolysen.

Om vidare sprickor förefinnas vid den svetsade delen av delen 15 och plåten 3 ökar sprickorna under elektrolysen och katolytlösningen trän- ger igenom sprickoma. Detta orsakar en förstöring av fogdelen av kompo- sitdelen 12, och delen 14 av koppar eller kopparlegering, som utgör ett mellanskikt i kompositorganet 12, korroderas. Sålunda uppkommer ett elektriskt isolerande tillstånd i kompositorganet som medför en ökning av spänningen.

I den amerikanska patentskriften 3,884,792 anges även en bi- polär elektrodkonstruktion som innefattar en anod, ett skikt av ett för atomärt väte permeabelt basmateríal mellan anoden och en katod samt ett skikt av en metall eller metallegering såsom mellanskikt, som är be- ständigt mot flödet av atomärt väte. Enligt beskrivningen i denna amerikanska patentskrift användes kapslade volframskruvar för att fästa anoden och katoden till kärnan, och bultar som typiskt är ut- förda av mjukt stål användas för att fästa varje par av katodplâtar, eller också användas anslutningsorgan som typiskt är utförda av koppar såsom elektriska anslutningsorgan. Konstruktionen enligt denna ameri- kanska patentskrift har sålunda samma olägenheter som angivits i det föregående och korrosion längs de volfraznkapslade skruvarna har en ten- dens att uppträda vid användning av sådana.

Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstad- komma en bipolär elektrod som är fri från de i det föregående beskrivna deffektema och kan arbeta på ett stabilt sätt under långtidrymd. Ändamålet med uppfinningen uppnås med användning av en bi- p0lär*elektrod_enligt föregående definition innefattande: (a) en anodplât innefattande ett substrat utfört av en antikorrosiv anodiskt oxidfilmbildande (ventil)metall eller lege- ring, samt en ledande beläggning utformad på dennas yta, (b) en katodplât av metall eller legering, t.ex. mjukt stål, nickel eller liknande, (c) en skiljevägg för separering av anodplâten från katod- plåtgn, som är utförd av ett enodsideskikt eller en anodsideplåt utförd av samma typ av metall eller lager-ing som användes såsom substrat i anoddelen, samt en katodsideplåt eller ett katodsideskikt utfört av samma typ av metall eller legering som användes såsom katodorgan, och (d) ett kompositorgan för elektrisk och strukturell koppling p av anoddelen och katoddelentill varandra innefattande en anodsidedel utförd avsamma typ av metall eller legering som användes såsom , vso1s1a-1 friktionssvetsning. Kompositdelen 12 innefattar genomgående häl 19 som divergerar mot båda ytorna med trattlik form. En pinne eller bult 20 utförd av en elektriskt ledande metall eller legering av elektriskt ledande metall, exempelvis koppar eller kopparlegering (t.ex. mässing), som är beständig mot vandring eller diffusion av väte och är i huvudsak ogenomtränglig för atomärt väte, är tätande inpassad i vart och ett av de genomgående hålen 19.

Enligt fig. 3(a) är kompositorganet 12 bundet till katod- sideplàten 3, som utgöres av en plan plåt, men såsom visas på fig. 3(b) kan kompositdelen 12 bindas mellan ett anodsideskikt 2 i form av en plan plåt och ettkatodsideskikt 3 som är utformat såsom en krökt yta eftersom katodsideskiktet vanligen är utfört av mjukt stàl som är mer formbart och lättare kan deformeras.

På fig. 4 visas en utföringsform för utformning av komposit- delen 12 enligt uppfinningen. Bulten 20 har större längd än det genom- gående hålet 19 och liknar en försänkt bult med ett huvud 21 vid ena änden, som divergerar mot ändytan med trattliknande form. En bult 20 är införd i varje genomgående hål 19 i kompositdelen 12 med huvudet 21 vänt nedåt, och pressad från toppen och botten med användning av en pressanordning (icke visad). Den övre änddelen av bulten 20 är sålunda tätt inpassad i det genomgående hålet 19 med tät vidhäftning. De ut- skjutande delarna vid topp- och bottenytorna av bulten 20 är ytslipade så att de är jäma och ansluter sig till topp- och bottenytonna av kom- positdelen 12. På fig. 3 visas en skiljevägg 16 som är utförd genom överläggning (superimposíng) av en anodsideplåt 2 utförd av sådan metall som titan eller titanlegering, som användes såsom substrat till anoddelen, på en katodsideplàt 3 utförd av en sådan metall som mjukt stål eller mjuk stållegering, som användes såsom katoddel. Vid fogdelen mellan skiljeväggen 16 och kompositdelen 12 är katodsidedelen 15 av kompositdelen 12 anbringad på ytan av insidan av katodsideplåten 3 av skiljeväggen 16, och svetsad vid omkretsdelen. Anodsideplåten 2 av skiljeväggen 16 är skild från katodsideplåten 3 och anbringad på topp- ytan av anodsidedelen 13 av kompositdelen 12, och dessa delar är samman- svetsade genom motståndssvetsning. Ett distansorgan 6 som användes för sammankoppling av anoddelen (icke visad) och ett distansorgan 8, som användes för sammankoppling av katoddelen (icke visad) är svetsade till anodsideplåten 2 resp. katodsideplåten 3 hos skiljeväggen 16.

Lämpliga anodiskt oxidfilmbildande (ven§il)metaller och leaeringar som kan användas enlist uppfinningen såsom anodplåt i de be- skrivna utföringsformerna innefattar elektriskt ledande passiverbara metaller, som kan passiveras genom bildning av ett inert, icke-ledande skikt av oxid av metallen på dennas yta. Ett typiskt exempel på sådan 7so1a1a-1 8 metall är titan, men andra exempel innefattar tentan, nion, hafnium och zirkonium samt legeringar i vilka en eller flera dessa metaller över- väger. _ g I de ovan angivna utföringsformerna utgöras lämpliga katod- delsmaterial, som kan användas enligt uppfinningen, av material med hög elektrisk ledningsförmåga, som är lättillgängliga och som har till- räkclig beständighet mot kemisk korrosion vid användning såsom katod.

Exempel på sådana metaller är järn, aluminium, nickel, bly, tenn och zink, samt sådana legeringar som mjukt stål, rostfritt stål, brons, mässing, monelmetall och gjutjärn. Ett mjukt stål (med låg kolhalt) an- vändes allmänt såsom material till katoddelen.

' Lämpliga mellanskiktsmaterial som kan användas i utförings- former av uppfinningen innefattar elektriskt ledande material. som är beständiga mot vandring eller diffusion av atomärt väte, exempelvis koppar, guld, tenn, bly, nickel, kobolt, krom, volfram, molybden och kadmium. Legeringar av dessa metaller kan även användas.

Exempel på material som kan användas till bultama 20 enligt uppfinningen innefattar de mot vandring eller diffusion av väte bestän- diga material som beskrivits såsom lämpliga för mellanskiktet. Före- dragna materialiär sådana som är duktila och bearbetbara, exempelvis koppar, guld, tenn, bly, nickel, kadmium och legeringar av dessa metaller; Lämpliga material for distansorganen 6, 8 är elektriskt le- dande material som är beständiga mot omgivningens korroderande inver- kan (exempelvis inverkan av elektrolyt och gas) i anod- och katod- kamrama. g i Beståndsdelselementen i kompositdelen av den bipolära elekt- roden enligt uppfinningen är bundna till varandra med yt-till-yt-adhe- sion, och en bult eller pinne utförd av en elektriskt ledande metall, exempelvis koppar, eller en legering av koppar är införd i varje genom- gående hål med trattfozmade ändar i :intim vidhäftning till innerytan av det genomgående hålet. Till följd härav ökas den mekaniska hållfast- heten hos kompositdelen, och komposidelen uppvisar-icke separation ens under krävande betingelser. Vidare är anodsideskiktet av skiljeväggen svetsat genom motståndssvetaning mot toppyten av anodsidedelen av kom- positdelen. Även om ytan av pinnen eller bulten 20 är exponerad på ytan av anodsideskiktet av skiljeväggen kan motståndssvetsning lätt genom- i föras utan att påverkas av bulten eftersom bulten har god elektrisk ledningsfömåga.

I Vidare är i den bipolära elektroden enligt uppfinningen kompositorganet icke anslutet i det genomgående hålet av skiljeväggen enbart genom att vara infört i detta, utan katodsidedelen av komposit- 9 ' _ 7801818-1 delen är svetsad till katodsideskiktet, som icke har något genomgående hål för infóring, av skiljeväggen, i det på. varandra staplade läget av dessa delar. Sålunda finnes en tolerans vid den svetsade delen mellan katodsidedelen av kompositdelen och katodsideskitet av skiljeväggen.

Sprickor bildas sålunda icke lätt på grund av spänningar under svets- ningen. Även om sprickor skulle uppträda är det icke sannolikt att katolytlösningen tränger igenom eftersom den svetsade delen mellan katodsidedelen av kompositdelen och katodsideskiktet av skiljeväggen icke är exponerad för katolytlösziingen. Av detta skäl kommer mellan- skiktet i kompositdelen icke att korroderas, och de bundna delarna av kompositdelen förstöras icke. Elektroden kan därför bríngas att arbeta på. ett stabilt sätt under lång tidrymd.

Uppfinningen har i det föregående beskrivits detaljerat i samband med specifika utföringsformer av uppfinningen, men det är uppenbart för fackmannen att olika förändringar och modifikationer kan utföras utan att man avviker från uppfinningstanken.

Claims (4)

78018184 10 PATENTKRÄV

1. 'Bipolär elektrod innefattande 7 _ (a) en anodplåt med substrat av en anodiskt oxidfilm- ' bildande metall eller legering och en elektriskt ledande beläggning på ytan av substratet, (b) en katodplåt av en metall eller legering, (c) en skiljevägg (16) som åtskiljer anodplåten från a katodplåten, varvid skiljeväggen (16) utgöres av en komposit- plåt innefattande en anodsidplåt (2) utförd av samma typ av metall eller legering som användes såsom substrat i anod-1 plåten samt en katodsidplât (3) utförd av samma typ av metall eller legering som användes såsom katodplåt, 1 (d) ett kompositorgan (12) för elektrisk och mekanisk sammankoppling av anodplâten och katodplåten till varandra, varvid (e) kompositorganet (12) innefattar tre till varandra sammanbundna delar, nämligen en anodsiddel (13) av samma typ av metall eller legering som användes i anodplâtens substrat, en katodsiddel (15) av samma typ av metall eller legering som användes till katodplåten samt såsom mellanskikt en del (14) utförd av elektriskt ledande metall eller legering, k ä n n e t'e c k n a d därav, att (A) kompositorganet (12) är anordnat i ett mellanrum mellan skiljeväggens delar i en utvidgad del av skilje- väggen (16) och inneslutet mellan dess delar, varvid mellan- skiktet (14) i kompositorganet (lå) består av en metall eller legering, som är beständig mot vandring av väte och är i huvudsak ogenomtränglig för atomärt väte, (B) bultar (20) utförda av elektriskt ledande metall eller legering, som är beständig mot vandring av väte och är i huvudsak ogenomtränglig för atomärt väte, är tätt inpassade i genomgående hål (19) utformade i kompositorganet (12) och utvidgade i riktning mot båda sidoytorna av kompositorganet (12), så att bultarna (20) ansluter tätt till innerytorna av de genomgående hålen (19) i kompositorganet (12), 7 (C) katodsiddelen (15) av kompositorganet (12) är svetsad till ytan av insidan av katodsidplåten (3) i skilje- 7801818-1 11 väggen (16) och (D) anodsiddelen (13) av kompositorganet (12) är motståndssvetsad till ytan av insidan av anodsidplåten (2) i Skiljeväggen (16).

2. Bipolär elektrod enligt patentkravet 1, k ä n n e - t e c k n a d därav, att substratet i anoden är utfört av titan, tantal, nioh, hafnium eller zirkonium eller en lege- ring av minst en av dessa metaller samt att katodmetallen utgöres av järn, aluminium, nickel, bly, tenn eller zink eller en legering av minst en av dessa metaller, varvid mellanekiktet är utfört av koppar, guld, tenn, bly, nickel, kobolt, krom, volfram, molybden eller kadmium eller en lege- ring av minst en av dessa metaller, varvid bultarna är utförda av koppar, guld, tenn, bly, nickel eller kadmium eller en legering av minst en av dessa metaller.

3. Bipolär elektrod enligt patentkravet l, k ä n n e - t e c k n a d därav, att substratet i anoden utgöres av en anodoxidfilmbildande metall eller legering, varvid katoden är utförd av mjukt stål eller nickel och varvid mellanskiktet är utfört av koppar eller kopparlegering samt bultarna är utförda av koppar eller kopparlegering.

4. Bipolär elektrod enligt patentkravet l, k ä n n e - t e c k n a d därav, att anoden (a), katoden (b), anodsid- skiktet av skiljeväggen (16), katodsidskiktet av skilje- väggen (16), anodsiddelen av kompositdelen (12), katodsid- delen av kompositdelen (12) och mellanskiktet i komposit- delen (12) är utförda av titan, mjukt stål, titan, mjukt stål, titan, mjukt stål resp. koppar.