SE505714C2 - Elektrod med kanalbildande trådar, sätt att tillverka elektroden, elektrolyscell försedd med elektroden samt sätt vid elektrolys - Google Patents

Description

20 25 30 35 505 714 2 går förlorad i den ofta korrosiva miljön. Detta problem behandlas i FR 2606794 som förslår att elektroderna ska utgöras av en basstruktur samt ett tunt nät som är punkt- svetsat på basstrukturen och lätt kan bytas ut när dess katalytiska aktivitet blivit otillfredställande. En lik- nande lösning föreslås i BE 902297.

Uppfinningen avser att lösa problemen med att åstad- komma en ytförstorad elektrod som underlättar cirkulation av elektrolyt och borttransportering av gas, vilken elek- trod även ska kunna användas i elektrolysceller inne- fattande tunna, eftergivliga och ömtåliga membran. Dessa problem har nu visat sig möjliga att lösa genom att åstad- komma en elektrod enligt patentkravet 1. Mer specifikt avser uppfinningen en elektrod för elektrolys vars framsida innefattar ett flertal väsentligen parallella kanaler avgränsade av väsentligen parallella trådar av elektriskt ledande material som är fästa vid och i elektrisk kontakt med den bakomliggande elektrodstrukturen. Med framsida avses den sidan som är avsedd att vara vänd mot en elektrod med motsatt polaritet, vilken sida företrädesvis har sin väsentliga utsträckning i vertikalplanet. Företrädesvis är kanalerna väsentligen raka och om framsidan är väsentligen vertikal uppvisar de kanalbildande trådarna lämpligen en vinkel mot horisontalplanet från ca 45° till ca 90°, företrädesvis från ca 60 till ca 90°. I synnerhet föredras det att trådarna och kanalerna löper i väsentligen lodrät riktning.

Det föredras att kanalerna och trådarna är väsent-_ ligen likformiga över elektrodens framsida som exempelvis kan vara från ca 0,1 till ca 5 m2 stor, vilken storlek dock inte på något sätt är kritisk. Trådarnas geometriska tvärsnitt är inte heller kritiskt, utan de kan exempelvis vara cirkulära ovala, rektangulära eller triangulära, även om det av ekonomiska skäl föredras att de är väsentligen cirkulära. Eventuella kanter som vätter framåt bör dock vara rundade så att ett eventuellt ömtåligt membran inte riskerar att skadas. Den bakomliggande elektrodstrukturen innefattar företrädesvis genomgående öppningar för att l0 15 20 25 30 35 505 714 3 underlätta cirkulation av elektrolyt. Lämpligen har de kanalbildande trådarna en tjocklek från ca 0,05 till ca 3 mm, företrädesvis från ca 0,2 till ca 1,5 mm. I det fall är cirkulära mäts tjockleken parallellt med elektrodens utsträckning där trådarna inte tråden är som bredast. I sådana fall är det även lämpligt att trádarnas höjd vinkel-_ rätt mot elektrodens utsträckning ligger inom samma stor- leksintervall som deras tjocklek. Avståndet mellan trådarna är lämpligen från ca 0,1'd till ca 4'd, ca 0,5'd till ca 2'd, där d är trádarnas tjocklek. Av- ståndet mäts som det kortaste avsåndet mellan två trådar.

För att öka den mekaniska stabiliteten kan de kanal- bildande trådarna fästa i tvärgående, företrädesvis väsentligen vinkelrätt löpande, stabiliserande trådar belägna mellan de kanalbildande trådarna och den bakom- liggande elektrodstrukturen. Lämpligen är de kanalbildande företrädesvis från Vara och de stabiliserande trådarna i kontakt med varandra via företrädesvis lasersvetsade fästpunkter där de korsar varandra. De stabiliserande trådarna kan vara raka eller löpa i ett regelbundet eller ster, elektrodstrukturens oregelbundet vågformat mön- eventuellt för att anpassas till den bakomliggande stabiliserande trådarna företrädesvis lika tjocka som eller tjockare än de kanalbildande trådarna och uppvisar yta. Vidare är de lämpligen en tjocklek från ca 0,5 till ca 5 mm, företrädesvis från ca 1 till ca 3 mm. Avståndet mellan de är inte kritiskt och kan exempelvis vara från ca 5 till ca 100 mm, företrädesvis från ca 25 till ca 50 mm.

Lämpligen är de kanalbildande stabiliserande trådarna fästa bakomliggande elektrodstrukturen med hjälp av beröringsfri trådarna i den svetsning, exempelvis lasersvetsning eller elektronstråle- svetsning, antingen direkt, fördelningen, eller via de gående stabiliserande vilket ger den bästa ström- eventuellt förekommande tvär- trådarna, vilket minskar risken för svetssprut och därpå följande bildning av vassa partier på de kanalbildande den bakomliggande trådarna. De trådar som är fästa direkt i elektrodstrukturen är ,lämpligen fästa i denna genom ett flertal beröringsfritt svetsade fästpunkter 10 15 20 25 30 35 505 714 4 i varje tråd, varvid det föredragna avståndet mellan mellan fästpunkterna i varje tråd är från ca 5°d till ca l0O'd, speciellt från ca lO'd till ca 50'd, där d är trådens tjocklek.

En elektrod enligt ovan är särskilt lämplig för elektrolys där gasutveckling sker, och speciellt för elektrolys i membranceller, d v s elektrolysceller där anodrum och katodrum åtskiljs av ett jonselektivt membran.

Elektroden är särskilt fördelaktiv vid elektrolytisk framställning av klor och alkali i membranceller. Tràdarna medför att elektrodens framsida uppvisar ett stort antal obrutna kanaler för cirkulation av elektrolyt och effektiv borttransort av eventull bildad gas. I en membrancell kan membranet ligga an mot trådarna utan att täppa igen kana- lerna, vilket undanröjer risken ackumulering av eventuellt bildade gasbubblor. Trådarna medför även att elektrodens yta förstoras avsevärt, exempelvis från ca 2 till ca 5 effektivitet och sänker elekrodpotentialen så att elektrodens livslängd ökar.

Ytförstoringen påverkar även reaktionens selektivitet, gånger, vilket höjer cellens varvid exempelvis bildningen av klorgas gynnas vid elektro- lys av svaga kloridlösningar. Oavsett elektrolysprocess kan en elektrod enligt uppfinningen arrangeras monopolärt eller bipolärt.

Det har visat sig möjligt att på ett förhållandevis enkelt sätt framställa den nya elektroden genom att fästa trådar på en elektrod av känt slag, företrädesvis en elektrod innefattande genomgående öppningar. Som exempel på, kända elektroder som kan modifieras kan nämnas perforerade plattelektroder, elektroder av sträckmetall, elektroder innefattande längs- eller tvärgående stavar, eller elektro- der innefattande böjda eller raka lameller utstansade ur en gemensam plåt, exempelvis jalusielektroder. Dessa elektrod- typer är välkända för fackmannen och beskrivs exempelvis i den ovan nämnda EP 415896 samt i GB 1324427. En särskilt föredragen elektrod enligt uppfinningen utgörs av en jalusielektrod vars framsida är försedd med trådar enligt ovanstående beskrivning. l0 15 20 25 30 35 505 714 5 d v s såväl trådarna som den bakom- är lämpligen tillverkade av samma Hela elektroden, liggande strukturen, ,material, exempelvis Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Ag, Pt, Ta, Pb, Om elektroden ska fungera som anod föredras Ti eller Ti-legeringar, medan Fe, Ni fungera som katod. Det föredras också Al eller legeringar därav. eller legeringar därav föredras att såväl trådarna som den bakomliggande strukturen är aktiverade med lämpligt katalytisk aktivt material beroende på avsedd användning som anod eller katod. Även elektroder där endast trådarna är aktiverade kan dock komma katalytiska metalloxider eller blandningar därav ur grupp 8B i periodiska systemet, d v s Fe, Co Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, eller Pt, bland vilka Ir och Ru är särskilt föredragna.

Uppfinningen ifråga. Bland användbara material kan nämnas metaller, sätt att tillverka en elektrod innefattande en eller flera på ytan fästa trådar, avser även ett vilket sätt innefattar anbringande av trådarna på en bakomliggande struktur med ett flertal beröringsfritt svetsade fästpunkter längs varje tråd. Bland tänkbara beröringsfria svetsmetoder kan nämnas svetsning med elek- tronstråle eller laser, av vilka lasersvetsning föredras.

För att minimera risken för svetssprut och därpå följande ojämnheter på trådarna sker lasersvetsningen lämpligen från sidan, företrädesvis väsentligen vinkelrätt mot trådens långsida, och företrädesvis med en vinkel mot kontaktytan på den bakomliggande elektrodstrukturen från ca 5° till ca 60°, i synnerhet från ca 15° till ca 45°.

Till skillnad från vanligt punktsvetsning bildas vid beröringsfri svetsning enligt ovan endast en ytterst liten nålformad fog vid tråden förblir kontakten blir dras av utan några skador på den bakomliggande strukturen. själva kontaktpunkten, medan resten av opåverkad. Den elektriska samtidigt som trådarna mekaniskt kan väsentligen god, Elektroden kan därefter åter förses med trådar utan krav på någon ytterligare bearbetning, vilket underlättar regenere- ring av passiviserade elektroder. Svetsmetoden kan användas för svetsning av alla i samband med elektrodtillverkning om elektroden ska_ 10 15 20 25 30 35 505 714 6 normalt förekommande metaller och har bland annat visat sig vara mycket fördelaktig då trådarna och/eller liggande strukturen är av titan eller någon titanlegering. den under- Tack vare den höga kapaciteten vid lasersvetsning kan tillverkningstiden göras kort, speciellt om flera, exempel- vis från 1 till ca 10 laserkällor anordnas parallellt i en svetsenhet. Även stråldelning med optiska arrangemang, exempelvis med optiska fiber, kan komma ifråga.

Sättet är särskilt lämpligt elektrod enligt uppfinningen. bilda stabiliserande vid tillverkning av en De anbringade trådarna kan således själva cirkulationskanaler på elektrodytan kanalbildande det dock även funktion för trådar i kontakt med dessa. Enligt sättet är möjligt att trådar så att mönster bildas, eller så att de andra typer av ytförstorande, cirkula- eller ha en anbringa andra geometriska anbringade trådarna utgör bärarstruktur för tionsbefrämjande eller katalytiskt aktiva element.

Vid tillverkning av en elektrod innefattande kanal- bildande trådar och mot dessa tvärgående stabiliserande trådar, kan trådarna först liknande struktur sättas samman till en galler- som sedan beröringsfritt svetsas fast på den bakomliggande elektrodstrukturen, antingen via de kanalbildande eller via de tvärgående trådarna. Det är dock även möjligt att först förse den bakomliggande elektrod- strukturen med trådar som löper i en riktning och sedan förse dessa trådar med tvärgående trådar.

Sättet kan tillämpas elektroder som vid modifiering såväl vid nytillverkning av av existerande elektroder. skäl att eventuell aktivering med katalytisk beläggning sker efter Vid nytillverkning föredras det av praktiska anbringandet av trådarna. En existerande aktiverad elektrod aktiverade trådar utan att den Det är en icke kan emellertid förses med vid lasersvetsningen. trådar en elektrod aktiva beläggningen skadas även möjligt att med aktiverad elektrod eller lång tids användning. Beträffande föredragna till beskrivningen av aktiverade förse vars aktivitet av- klingat efter dimensioner och material hänvisas elektroden enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 35 505 714 7 Själva svetsningen sker företrädesvis med en pulsad kristall-laser (solid en YAG- laser, varvid exempelvis pulstiden kan vara från ca 1 till ca S00 ms, företrädesvis fràn ca 1 till ca 100 ms, och medeleffekten kan vara från ca 10 till ca 200 W.

Uppfinningen elektrolyscell inne- fattande åtminstone en elektrod med kanalbildande trådar enligt uppfinningen. state laser), exempelvis avser vidare en Företrädesvis innefattar den även ett anod och katod så att elektroden jonselektivt membran anordat'mellan det ligger finningen. Om cellen är avsedd för elektrolys av alkali- metallkloridlösning till klorgas och alkali, bör anoden utgöras av en elektrod med trådar, företrädesvis en jalusi- elektrod försedd med trådar, medan katoden kan vara en likadan eller liknande typ av elektrod men utan trådar. I synnerhet föredras det att av filterpresstyp. I övrigt kan cellen vara uppbyggd enligt konventionell och för fackmannen välkänd teknik. an mot trådarna på enligt upp- cellen ingår i en elektrolysör Slutligen avser uppfinningen ett sätt vid elektrolys, varvid åtminstone en av elektroderna utgörs med kanalbildande trådar särskilt av en elektrod enligt uppfinningen. Sättet är elektrolys eller de involverande elektroder där gas- bör utgöras av en elektrod med trådar enligt uppfinningen. I synnerhet är sättet lämpligt vid elektrolys i en membrancell, speciellt vid elektrolys av en alkalimetalllösning, exempelvis eller kalium- kloridlösning, för framställning av klor och alkali, varvid anoden företrädesvis elektrod med trådar enligt uppfinningen, medan katoden kan tionell typ. I övrigt kan elektrolysen utföras enligt konventionell och för fackmannen välkänd teknik.

Uppfinningen ska nu beskrivas mer i ning till bifogade ritningsfigurer. lertid inte begränsad till de lämpligt vid varvid den utveckling sker gas- utveckling, natrium- utgörs av en vara av konven- detalj i anslut- Uppfinningen är emel- visade utföringsformerna, utan många andra varianter är möjliga inom ramen för patentkraven.

Figur 1 visar schematiskt med ett snitt ovanifrån hur 10 15 20 25 30 505 714 8 tillverkning av en elektrod sker, medan figur 2 visar en detalj av den färdiga elektroden framifrån. Figur 3 visar schematiskt med ett sidosnitt en detalj av en elektrod innefattande stabiliserande trådar, medan figur 4 visar en detalj av samma elektrod framifrån.

Refererande till figurerna 1 och 2, visas ett flertal kontaktpunkter 3 i en bakomliggande elektrodstruktur 10 och bildar parallella trådar 1 som via lasersvetsade är fästa vertikala kanaler 2 på elektrodens framsida. Ur det hur ett lasersvetsaggregat 15 kontaktpunkten från trådens 1 långsida med en vinkel figur 1 framgår riktas mot d mot den bakomliggande elektrodstrukturens kontaktyta, vilken 60°. I figur 2 icke synliga svets- vinkel företrädesvis är från ca 5° till ca har läget på de punkterna 3 markerats. ovanifrån normalt Refererande till figurerna 3 och 4, visas en jalusi- elektrod innefattande jalusier 12 utstansade ur en gemensam plåt 11 så att genomgående öppningar 13 bildats i elektrod- strukturen. Elektroden innefattar vidare vertikala kanaler kanalbildande kontaktpunkter 3 är stabiliserande tvärgående trådar 4. De stabiliserande trådarna 4 löper längs med att de kanalbildande trådarna 1 även får stöd av jalusierna. Med denna konstruk- 2 avgränsade av trådar 1 som via laser- svetsade fästa vid vartannat jalusi 12 så tion bildas väsentligen helt obrutna kanaler 2 längs är det som är fästa i jalusierna 12 elektrodens framsida. I den de stabiliserande trådarna 4 med lasersvetsade kontaktpunkter 3, men det är även möjligt att istället medelst lasersvetsning fästa de kanalbildande visade utföringsformen trådarna 1 i jalusierna 12. Det är också uppenbart för fackmannen att avståndet mellan de tvärgående trådarna 4 kan varieras beroende på stabilitetskraven.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 505 714 9 PATENTKRAV

1. Elektrod för elektrolys, att elektrodens väsentligen parallella kanaler k ä n n e t e c k n a d innefattar ett flertal (2) avgränsade av väsent- ligen parallella trådar (1) av elektriskt ledande material elektrisk kontakt med den bakom- liggande elektrodstrukturen (10, 11, 12), varvid de kanal- bildande trådarna (1) har en tjocklek från ca 0.05 till ca 3 mm och avståndet mellan trådarna (1) är från ca O.l'd till ca 4'd, där d är trådarnas tjocklek.

2. Elektrod därav, att därav, framsida som är fästa vid och i enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d elektrodens väsentliga ut- vertikalplanet och de kanalbildande trådarna (1) uppvisar en vinkel mot horisontalplanet från ca 45° till ca 90°.

3. Elektrod framsida har sin sträckning i enligt krav 1 eller 2, k ä n n e- t e c k n a d därav, att den bakomliggande elektrod- strukturen (10, ll, 12) innefattar genomgående öppningar (13).

4. Elektrod enligt något av kraven 1-3, k ä n n e- t e c k n a d därav, att de kanalbildande trådarna (1) är fästa i tvärgående stabiliserande trådar (4) belägna mellan de kanalbildande trådarna (1) trodstrukturen (10, ll, 12).

5. Sätt att framställa en flera och den bakomliggande elek- elektrod på ytan anbringade trådar k ä n n e t e c k- n a t därav, att sättet innefattar anbringande av trådarna (1) på en bakomliggande struktur (10, 11, 12) med ett flertal beröringsfritt svetsade fästpunkter (3) längs varje tråd.

6. Sätt därav, att svetsningen sker innefattande en eller 5, k ä n n e t e c k n a t från sidan med en kontaktytan på den bakomliggande elektrodstrukturen (10, ll, 12) från ca 5° till ca 60°.

7. Sätt enligt krav 5 6, k ä n n e t e c k- n a t därav, att svetsningen sker med lasersvetsning.

8. Elektrolyscell k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar en. elektrod med kanalbildande enligt krav vinkel mot eller åtminstone 10 505 714 10 trådar (1) enligt något av patentkraven 1-4.

9. Elektrolyscell enligt krav 8, k ä n n e t e c k- n a d därav, att den innefattar ett jonselektivt membran anordnat mellan anod och katod.

10. Sätt vid elektrolys, därav, att en elektrod med kanalbildande något av patentkraven 1-4 används.

11. Sätt därav, att en membrancell används.

12. Sätt enligt krav 10 eller 11, k ä n n e t e c k- n a t därav, att sättet innefattar elektrolys av alkali- metallkloridlösning till klor och alkali, utgörs av en elektrod med kanalbildande trådar. k ä n n e t e c k n a t trådar (1) enligt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t varvid anoden