SE464250B - Elektrod foer jonbytarmembrancell med ett flertal oeppningar av rektangulaer form - Google Patents

Description

464 250 2 stansad metall på figur 7, etc. Såsom exempel beskrives användning av sträckmetall i japanska patentansökan (OPI) nr ll457l/77, japanska nyttighetsmodellpublikationen nr 83756/80 och japanska patentansökan (OPI) nr 185786/83 (utttrycket "OPI“ som användes häri betyder en "icke paten- terbarhetsgranskad publicerad ansökan"). Även japanska patentansökan (OPI) nr 146884/81 beskriver användning av en perforerad skivformig elektrod såsom anod.

Vid framställning av sträckmetall skäres skåror i utgångsplå- ten och plåten expanderas genom att plåten drages i en rikt- ning vinkelrätt mot skärlinjen och vid framställning av stan- sad metall stansas cirkulära, kvadratiska eller på annat sätt formade hål i utgångsplåten och sålunda erhålles en elektrod- plåt försedd med öppningar, som erfordras för avlägsnande av de bildade gaserna, eller liknande. Å andra sidan måste sådana öppningar i en elektrod ha ett öpp- ningsförhållande i den verksamma elektrodytan hos elektrodplå- ten, som allmänt måste variera från ca 30 till ca 60 %. Av detta skäl har elektrodledarvolymen i konventionella elektro- der minskats med den volym, som motsvarar öppningsförhållandet av från ca 30 till ca 60 % jämfört med volymen av utgångsplå- ten. Den resulterande ökningen av ledningsmotståndet hos elektrodplåten erbjuder oundvikligen ett problem på grund av ökningen av elektrolytspänningen.

Japanska patentansökan (OPI) nr 67882/83 beskriver en elekt- rod, vars plåt är försedd med ett antal krökta bandformade stansade öppningar. Eftersom emellertid de krökta bandformade stansade öppningarna utföres alternerande på båda sidor av elektrodplåten, finnes även, när elektroden är anordnad intill diafragmat, alltid ett visst avstånd mellan elektrodplåtens huvudplan och diafragmat, så att ett problem uppkommer genom att avståndet anod-katod ökar så mycket.

Såsom angivits i det föregående har det vid diafragmaelektro- 3 464 250 lysprocessen, varvid bildning av en gas erhålles vid elektro- den, tidigare vad avser konventionella elektroder varit omöj- ligt att förhiníra en ökning av ledarmotståndet på grund av öppningarna i elektrodplåten, även när man anordnar elektroden intill diafragmat och säkerställer tillräcklig cirkulation av elektrolytlösningen och avlägsnande av den bildade gasen. Ökningen av elektrolysspänningen ger ökad energikostnad.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen löser sådana problem med en elektrod för använd- ning i en jonbytarmembrancell, innefattande en elektrod på en yta av en elektrodplåt med ett flertal öppningar med rek- tangulär form som är långsträckta i huvudsak i horisontell riktning, varvid varje sådan öppning har motsvarande brygg- organ, takkantformade organ eller en kombination av bryggorgan och takkantformade organ. Elektroden kännetecknas av att organen är utformade sammanhängande med elektrodplåten antingen genom utpressning eller genom bockning i riktningen bort från den yta, som är avsedd att stå i kontakt med en membran, samt ett flertal polanslutningsorgan är anbringade vid kanterna av elektrodplåten, varvid öppningsförhållandet i den effektiva_elektrodytan hos elektrodplåten är från cirka 30 till cirka 60 % samt storleken hos öppningarna med rektangulär form är från cirka 1,5 till cirka 5 mm längd och cirka 5 till cirka 100 mm bredd och elektrodplåten har en tjocklek från cirka 0,5 till cirka 2 mm.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV_RITNINGARNA Figurerna l och 3 visar en sneddelvy, som åskådliggör elektro- lyscellen för jonbytarmembranprocessen, vari elektroden enligt uppfinningen är anordnad, och figurerna 2 och 4 visar en del- vis förstorad tvärsektionsvy resp. en planvy, som visar elekt- roden enligt uppfinningen. Figur 5 visar en delvis förstorad tvärsektionsvy, som åskådliggör elektroderna enligt uppfin- ningen. Figur 6 är en schematisk vy, som åskådliggör en kon- ventionell sträckmetallelektrod, och figur 7 visar schematiskt 464 250 4 en konventionell stansad metallelektrod.

DETALJERAD BESKRIVNING.AV UPPFINNINGEN Uppfinningen förklaras utförligare nedan med hänvisning till ~ ritningarna.

Figur l åskådliggör ett exempel, vid vilket elektroden l enligt uppfinningen, använd såsom anod, är anordnad intill diafragmat 2, som kan vara en jonbytarmembran, eller liknande.

En katod 3 är anordnad på motsatta sidan av detta diafragma, varigenom en enhetselektrolyscell för jonbytarmembranprocess- elektrolys är konstruerad. Anoden l är försedd med ett antal öppningar 5 med rektangulär form på elektrodplåten 4 och dessa öppningar har bryggorgan 6, som vart och ett motsvarar varje öppning 5, vilka är utformade sammanhängande med elektrodplå- ten 4 genom utpressning i en riktning motsatt kontaktytan med diafragmat 2. Varje öppning och bryggorgan kan lätt utformas genom att man gör snitt med användning av två parallella kni- var på elektrodplåten 4 och utpressning. Denna behandling kräver att materialet som användes har viss grad av plastici- tet liksom duktilitet. Eftersom metaller som vanligen använ- des såsom elektrodplåt för anod eller katod, såsom ventil- metaller (anodiskt oxidfilmbildande metall), exempelvis titan, tantal, etc., järn, nickel eller legeringar därav, har dessa egenskaper, kan något av dessa material användas enligt upp- finningen. Rektangulärt formade öppningar föredrages, efter- som elektrolytlösningen cirkulerar lätt och för bortgång av bildad gas är längdriktningen företrädesvis horisontell, men en viss lutning kan även användas. Storleken och arrange- manget av öppningarna kan lämpligen bestämmas beroende på kva- liteten och dimensionen hos elektrodplåtmaterialet liksom det nödvändiga öppningsförhållandet och det finns icke någon spe- 2 ciell gräns för dessa. Ifråga om natriumkloridelektrolys med jonbytarmembranprocessen är såsom visas på figur 2 tjockleken * t hos elektrodplåten 4 utförd av titan vanligen från ca 0,5 till ca 2 mm, längddimensionen a är ca 1,5 till ca 5 mm, sido- dimensionen b är från ca 5 till ca 100 mm och utpressningshöj- 464 250 5 den c hos bryggorganet 6 är från ca l mm eller mer. Det är föredraget att ett stort antal öppningar 5 är anordnade så att öppningsförhållandet i den effektiva elektrodytan är ca 30 till ca 60 %.

För att de gasbubblor som bildas lätt skall kunna passera genom öppningarna till baksidan i den mot kontaktytan med membranen motsatta riktningen, är det i allmänhet föredraget att längddimensionen a hos öppningen 5 är större än tjockleken t hos elektrodplåten 4 samt att utpressningshöjden c är större än dubbla tjockleken t. Formen hos bryggorganet 6, som mot- svarar öppningen 5, kan lämpligen bestämmas av tjockleken t, längddimensionen a, sidodimensionen b, utpressningshöjden c och duktiliteten hos materialet, men såsom visas med 6 på figurerna l och 2 är bryggorganet 6 vanligen utformat trapet- soidalt med horisontell tvärsektion med huvuddelen parallell med elektrodplåten och är ansluten till en basdel 8 av brygg- organet 6. När sidodimensionen b hos öppningen 5 är kort vid ställen nära kanterna, eller liknande, såsom visas med 6' på figur l, kan bryggorganet 6 ha halvcirkulär eller halvellip- tisk form.

Figur 3 åskådliggör ett annat exempel på elektrod enligt upp- finningen, enligt vilket elektroden l enligt uppfinningen, vilken användes såsom anod, är anordnad intill diafragmat 2, exempelvis en jonbytarmembran, etc. Katoden 3 är anordnad på motsatta sidan av detta diafragma, varigenom en enhetselektro- lyscell för jonbytarmembranprocesselektrolys är konstruerad.

Anoden l är försedd med ett antal par av öppningar 5 med rek- tangulär form i elektrodplåten. Varje par av öppningar har ett par motsvarande takkantformade organ 16, som är utformade sammanhängande med elektrodplåten 4 genom böjning en riktning bort från kontaktytan med diafragmat 2. Varje öppning 5 och det takkantformade organet kan lätt utformas genom att man gör snitt med användning av två parallella knivar på elektrodplå- ten 4 och därefter böjer plåten 4. När öppningarna har rek- tangulär form för att underlätta cirkulation av elektrolytlös- ningen och bortgången av den bildade gasen, är det föredraget 464 250 6 att längdriktningen är horisontell, men en viss lutning är icke oacceptabel. Storleken och arrangemanget av dessa öpp- ningar kan bestämmas på lämpligt sätt beroende på kvaliteten och dimensionerna hos elektrodplåtmaterialet liksom det nöd- vändiga öppningsförhållandet och det finns icke några spe- ciella begränsningar härav. Ifråga om natriumkloridelektrolys med användning av jonbytarmembranprocessen, såsom visas på figur 4, är vanligen tjockleken t hos elektrodplåten 4 utförd av titan från ca 0,5 till ca 2 mm, längddimensionen a är från ca 1,5 till ca 5 mm, sidodimensionen b är från ca 5 till ca 100 mm och böjningsvinkeln för det takkantformade organet är ca 16 till 30° eller mer. Det är föredraget att ett stort antal öppningar 5 är anordnade så att öppningsförhållandet i den effektiva elektrodytan är från ca 30 till ca 60 %.

För att de gasbubblor som bildas lättare skall kunna passera genom öppningarna till baksidan i riktningen bort från kon- taktytan med membranen, är det i allmänhet föredraget att längddimensionen a hos öppningen 5 göres större än tjockleken t hos elektrodplåten. Formen av det takkantformade organet 16 motsvarande öppningen 5 kan lämpligen bestämmas av tjockleken t, längddimensionen a, sidodimensionen b, bockningsvinkeln och duktiliteten hos materialet. Såsom visas på figurerna 3, 4 och 5 (a), (b) och (c) är det emellertid vanligen föredraget att bockningsvinkeln för det takkantformade organet 16 i för- hållande till elektrodplåten 4 är från ca 30 till ca 45° eller mer. Tvärsektionsformen hos det takkantformade organet 16, som är utformat sammanhängande med elektrodplåten 4, kan vara U-formad eller halvcirkelformad med en bockningsvinkel av ca 90°, såsom enligt figur 5 (a), eller en form bockad med en vinkel större än ca 90°, såsom på figur 5 (b), eller en form -bockad med en vinkel mindre än ca 90°, såsom enligt figur 5 (c), osv. Dessutom visar figurerna 3 och 4 att det takkant- formade organet 6, som motsvarar öppningen 5, har skurits med en längd a vid båda ändarna i riktningen vinkelrätt mot elekt- roden 4. Beroende på duktiliteten hos elektrodplåtmetallen som användes kan emellertid öppningen 5 och det takkantformade organet 16 utformas genom bockning efter utformning av snitt 464 250 7 endast i horisontell riktning men icke i vertikal riktning.

Såsom visas på figurerna 2 och 4 är det för underlättande av bortgången av genererad gas lämpligt att ett antal öppningar 5 är anordnade i sådant förhållande, att bland de näraliggande öppningarna 5 avståndet är alternerande förskjutet med d. I detta fall kan förskjutningen lämpligen väljas inom området d = 0 till b.

Liksom med konventionella elektroder är det uppenbart att elektroderna kan framställas genom att man på lämpligt sätt påför en anod- eller katodaktiv beläggning på åtminstone ytan av elektrodplåten 4, som står i kontakt med membranet. Den elektrodaktiva beläggningen kan påföras antingen före eller efter utformning av öppningarna i elektrodplåten 4 genom utpressning eller bockning. Cirkulationen av elektrolytlös- ningen och bortgången av den bildade gasen kan även förbättras ytterligare genom att man utformar ett stort antal vertikala spår åtminstone på den yta av elektrodplåten 4, som står i kontakt med membranet, såsom beskrivet i japanska patentpubli- kationen nr 38432/80.

När elektrolys genomföres med användning av elektroden i en elektrolytcell såsom visas på figurerna l och 3, är i elektro- den enligt uppfinningen ett flertal polanslutningsorgan 7 anordnade vid sidokanterna av elektrodplåten 4, så att en elektrisk ström tillföres från sidan parallellt med längdrikt- ningen av bryggorganet 6 eller det takkantformade organet 16 och detta är föredraget för att förhindra stegring av spän- ningen på grund av ohmska förluster (motståndsförluster) i elektrodledaren.

Vid anordnande av ett stort antal av de ovan beskrivna öpp- ningarna med rektangulär form i elektroden enligt uppfinningen kan kravet på öppningen i elektrodplåten 4 (öppningsförhål- lande vanligen från ca 30 till ca 60 %), som erfordras hos en elektrod, helt uppfyllas, så att cirkulationen av elektrolyt- lösningen och bortgången av den bildade gasen fortskrider 464 250 8 mycket jämnt. Förutom det ovan angivna kommer, eftersom bryggorganet 6 eller det takkantformade organet 16 som motsva- rar varje öppning 5 utformas sammanhängande med elektrodplåten 4 genom utpressning eller bockning, den ursprungliga plåten för elektrodplåten att bibehållas som sådan utan förlust av någon del av hela elektrodledaren eller någon funktion därav.

Hos den konventionella stansade metallen (såsom visas på figur 7) eller sträckmetallen (såsom visas på figur 6) uppkommer en minskning av elektrodledardelen motsvarande den del som avlägsnas från den ursprungliga plåten eller den öppningsbil- dande delen av den ursprungliga plåten, vilket alltid orsakar en ökning av ledarens motstånd, men en sådan ökning observeras icke hos elektroden enligt uppfinningen. Eftersom hos elekt- roden enligt uppfinningen ett flertal polanslutningsorgan 7 för tillföring av en elektrisk ström i sidled finnes anord- nade, strömmar den elektriska strömmen parallellt med brygg- organet 6 eller det takkantformade organet 16, varför elekt- rodledaren icke påverkas väsentligt av uppskärning och bock- ning vid utformning av öppningarna. Samtidigt erhålles en likformig fördelning av den elektriska strömmen på ytan av elektrodplåten.

Eftersom vidare bryggorganet 6 och det takkantformade organet 16 är utformade genom utpressning eller bockning i riktningen bort från kontaktytan mellan elektrodplåten 4 och diafragmat, kan den huvudsakliga verksamma ytan hos elektroden bringas i tillräckligt nära kontakt med diafragmat.

I exemplen enligt denna uppfinning och i jämförelseexemplen, som åskådliggör tidigare känd teknik som visas nedan, fram- ställdes elektroder på följande sätt och provningar genomför- des med användning av dessa såsom anod för jonbytarmembran- processelektrolysen. Hos samtliga elektroder, som använde titan såsom metallsubstrat, påfördes en beläggning innehål- lande oxiden av samma ädelmetall som erhållits genom värmesön- derdelningsprocessen på ytan, som skulle stå i kontakt med diafragmat. 464 250 Exempel l I en elektrod, vars elektrodplåt hade en effektiv elektrodyta av 30 cm x 25 cm och tjockleken t l mm, hade varje öppning storleken: längddimension a = 3 mm, sidodimension b = 45 mm, ytpressningshöjd c hos bryggan = 3 mm och öppningsförhållandet ca 40 % med d = 0 (brygga).

Exempel 2 Elektroden enligt exempel l försågs dessutom med ett antal spår med bredden 0,5 mm, djupet 0,3 mm och stigningen l mm i vertikal riktning över hela ytan, som skulle stå i kontakt med diafragmat (brygga med spår).

Exempel 3 En elektrod hade en elektrodplåt med en effektiv elektrodyta med bredden 30 cm x höjden 25 cm och en tjocklek t = l mm, med varje öppning med längddimensionen a = 2 mm, sidodimensionen b = 45 mm, bockningsvinkeln hos takkantformade organ = 90° samt öppningsförhållandet ca 40 % (takkantformad).

Exempel 4 Elektroden enligt exempel 3 försågs dessutom med ett antal spår med bredden 0,5 mm, djupet 0,3 mm och stigningen 1 mm i vertikal riktning över hela ytan, som skulle stå i kontakt med diafragmat (takkantformad med spår).

Jämförelseexempel l En plåt med tjockleken l mm.

Jämförelseexempel 2 Sträckmetall med storleken Lw 8 x Sw 3,6 x St l,2 x t 1 mm med ett öppningsförhållande av ca 35 %. 464 250 10 Jämförelseexempel 3 Stansad metall med storleken t = l mm, öppning = cirkulärt hål med diametern 2 mm, avstånd (stigning) = 3 mm, med öppnings- förhållandet ca 40 %.

Försök genomfördes under följande betingelser med var och en av dessa elektroder såsom anod.

Vid samtliga försök tillfördes elektrisk ström till anoden från sidan.

Anodlösning: 200 g/l vattenlösning av NaCl ' Katodlösning: 35 viktprocent vattenlösning av NaOH Katod: Ni-sträckmetall Diafragma: Jonbytarmembran (tillverkat av E.I. du Pont the Nemours & Co.¶® varumärke "Nafion' 902) Anod-katodavstånd: 2 mm Elektrolyttemperatur: 90°C Strömtäthet: 30 A/cm* Resultaten av de ovan angivna försöken är sammanfattade i tabell 1 nedan. 464 250 ll TABELL l Ledarens * l) Elektrolys- Nr. Anod ohmska förluster spänning (mV) (V) Exempel 1 Brygga 56 3,44 Exempel 2 Brygga med spår 78 3,46 Exempel 3 Takkantformad 56 3,45 Exempel 4 Takkantformad med spår 78 3,47 Jämförelse- Plåt 56 - * 2) exempel l Jämförelse- Sträckmetall 108 3,53 exempel 2 Jämförelse- Stansad metall 146 ' 3,52 exempel 3 * l) De ohmska förlusterna för ledaren Vw erhölls enligt följande ekvation: vw = iopzz/s t (v) ' : Elektrolytströmtäthet (A/dmz) : Specifikt motstånd hos ledaren Ulcm) O h R: H : Elektriskt laddningsavstând (cm) t : Plåttjocklek hos ledaren (cm) * 2) Elektrolys är omöjlig på grund av operforerad plåt.

Det framgår tydligt av resultaten som visas i tabell l att med elektroden enligt uppfinningen är spänningen, som motsvarar de ohmska förlusterna hos ledaren, lika låg som för den operfore- rade plåten och nästan hälften av förlusterna hos konventio- nell sträckmetall och stansad metall med samma tjocklek och öppningsförhållande, så att elektrolysspänningen kan sänkas med från ca 50 till 100 mV genom användning av elektroden enligt denna uppfinning.

Såsom beskrivits ovan ger elektroden enligt denna uppfinning mycket goda användningsresultat såsom gasgenererande elektrod, som är anordnad intill diafragmat genom att man icke endast 464 250 12 kan effektivt åstadkomma cirkulation av elektrolytlösningen och avlägsnande av bildad gas utan även kan sänka elektrolys- spänningen, vilket visar att uppfinningen är ytterst värdefull för industriell användning.

Uppfinningen har beskrivits i detalj och med hänvisning till specifika utföringsformer, men det är uppenbart för en fackman att olika förändringar och variationer kan utföras utan att man avviker från uppfinningstanken. v-'w I) GJ

Claims (3)

464 25.0 /3 PATENTKRAV

1. _ Elektrod för användning i en jonbytarmembrancell, innefattande en elektrod (l) på en yta av en elektrodplåt (4) med ett flertal öppningar (5) med rektangulär form som är långsträckta i huvudsak i horisontell riktning, varvid varje sådan öppning har motsvarande bryggorgan (6), takkantformade organ (16) eller en kombination av bryggorgan (6) och takkant- formade organ (16), k ä n n e t e c k n a d av att organen (6, 16) är utformade sammanhängande med elektrodplåten (4) antingen genom utpressning eller genom bockning i riktningen bort från den yta, som är avsedd att stå i kontakt med en membran (2), samt ett flertal polanslutningsorgan (7) är anbringade vid kanterna av elektrodplåten (4), varvid öpp- ningsförhållandet i den effektiva elektrodytan hos elektrod- plåten (4) är från cirka 30 till cirka 60 % samt storleken hos öppningarna (5) med rektangulär form är från cirka 1,5 till cirka 5 mm längd och cirka 5 till cirka 100 mm bredd och elektrodplåten (4) har en tjocklek från cirka 0,5 till cirka 2 mm.

2. Elektrod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att vertikala spår är utformade åtminstone på den yta av elektrodplåten (4), som skall stå i kontakt med membranen (2).

3. Elektrod enligt patentkrav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att åtminstone den yta av elektrodplåten (4), som skall stå i kontakt med membranen (2), är försedd med en elektrodaktiv beläggning.