CS216728B1 - Bipolární elektroda - Google Patents

Abstract

Mezi anodovou a katodovou čáet je případně vložena alespoň jedna separační vrstva a/nebo alespoň jedna konstrukční vrstva. Spojení anodové části a katodové části případně s vloženými vrstvami je provedeno např. plátováním výbuchem. Podle vynálezu je katodová část vytvořena alespoň ze dvou elementů ve tvaru tyčí umístěných těsně vedle sebe a oddělených kapilární štěrbinou. Týče jsou na obou stranách spojeny spolu nebo s rámem. Kolmo k alespoň jednomu elementu a ke katodové části je upraveno alespoň jedno žebro. Alespoň jedna tyč je opatřena alespoň jedním kanálkem mezi kapilárními štěrbinami. Tyče jsou z oceli nebo železa případně z jiného materiálu.

Description

Vynález še týká bipolární elektrody určená pro užití v elektrolýzéru, vytvořené z anodové části a z katodové části, mezi něž je případně vložena alespoň jedna separační vrstva a/nebo. alespoň jednak konstrukční vrstva, přičemž spojení anodové části s katodovou částí případně s vloženými vrstvami je provedeno například plátováním výbuchem. Katodová část je podle vynálezu upravena tak, aby ae podstatně prodloužila její trvanlivost tím, že se zmírní nebo zcela odstraní možnost poškození spojení katodové části a anodovou částí, případně s vloženými vrstvami, difundujícím vodíkem.

Kovová bipolérní elektrody, které byly v posledních letech vykonstruovány a začaly se používat, jsou vytvořeny z katodové části a z anodové části. Katodová čést nebo její povrchová vstva může být zhotovena z kovu, například ze železa, hliníku, niklu, olova, zinku, cínu nebo jejich slitin. V elektrolyzéru se katodová čáot bipolární elektrody polarizuje katodicky a přitom vzniká na jejím povrchu vodík.

Anodová část je obvykle zhotovena z titanového plechu, povlečeného drahým kovem jako je platina, slitina platiny a iridiem nebo rubidiem, dále oxidy drahých kovů jako Je kysličník ruthaničitý. Při zapojení v elektrolyzéru se anodová čáat bipolární elektrody polarizuje anodicky a přitom na ni vzniká kyslík případně chlor.

Oblastí elektrody mezi jejími anodicky a katodicky pracujícími částmi se rozumí ta čáet bipolární elektrody, která je složena alespoň ze dvou vrstev a je situována mezi anodicky a katodicky pracujícími povrchovými plochami bipolární elektrody.

Anodový povrch, například titanový plach, bývá spojen a katodovým povrchem, například ocelí, plátováním výbuchem. Takto zhotovená bipolární elektroda bývá poškozována působením vodíku, který se vylučuje na katodovém povrchu a který difunduje přes katodový materiál směrem k anodě. Na spojení oceli s titanem se tvoří hydrid titanu, případně se uvolňuje plynný vodík. Takovým způsobem difundující vodík narušuje spojení katodové a anodové části elektrody, v daném případě vede k narušení spojení ocel-titan a po určité době ka značné deformaci a nakonec ae spojeni rozpadne.

Aby ae zabránilo narušování tohoto spojení katodové a anodové části účinkem difundujicího vodíku, je použito separační vrstvy, přes níž se provádí elektrické a mechanické spojení anodická a katodické části bipolární elektrody. Separační vrstva - nazývaná též bariéra - je ze zlata, stříbra, cínu, olova, kobaltu, molybdenu, wolframu nebo mědi; bariéra ae vyznačuje nízkou difuzivitou případně permeabllltou pro vodík. Bipolární elektroda tohoto provedení, tedy třísložková, zhotovená výbuchovým plátováním, má však na rozhraní ocel-bariéřa malý počet mikroskopických pórů, v nichž ae difundující atomární vodík slučuje na molekulární, přičemž vznikají vysoké tlaky. To znamená, že ani takto zdokonalená bipolární elektroda se zabudovanou bariérou nemá životnost delší nežli několik měsíců a opět dojde k narušení elektrického a mechanického spojení na rozmezí ocel-bariérový kov.

Zkoušelo se zabránit difúzi vodíku směrem k titanové části bipolární elektrody tím způsobem, že se mezi titanovou a ocelovou složkou elektrody vytvořila dutina,

216 728 na jejímž vnitřním povrchu tj. na povrchu ocelové složky docházelo k rekombinaci atomárního vodíku na plynný vodík. Vodivé elektrické spojení se uskutečnilo přes rám bipolámí elektrody, stažený šrouby. Aby úbytky napětí průtokem silného elektrického proudu nebyly příliš velké, musí být rám masivní a na stykových plochách zabroušený. Vzdor těmto opatřením jsou úbytky napětí při průtoku proudu plochou vyšší nežli u bipolární elektrody, sestavené z desek titan-ocel a spojených výbuchovým plátováním. Navíc vzniká nebezpečí koroze kolem spojovacích šroubů rámu.

Problém vedení proůdu u elektrolyzéru kalolisového typu byl rovněž řešen velkým počtem šroubů z mědi nebo mosazi, zapuštěných do prohlubní vylisovaných v ocelové desce katodové části; matice šroubů pak vyčnívají do mezielektrodového prostoru.

Mezi titanovou a ocelovou deskou bipolární elektrody byla vložena bariéra z inertního materiálu, například z polyvinylchloridu. Popsaný typ bipolární elektrody a její montáž jsou komplikované, tloušíka elektrody je značná.

Dále bylo navrženo do dutiny mezi titanovou a ocelovou složku katodové části bipolární elektrody navařit spojovací článek titan-mě3-ocel, zhotovený plátováním výbuchem a navíc propojený měděnými nýty. Výroba takové bipolární elektrody je velmi složitá, p?oud ze spojovacích článků na pracovní titanové a ocelové plochy se přivádí přes distanční kolíky, které mají průřez o velikosti pouze 10 % pracovní plochy bipolární elektrody, čímž opět vzniká velký úbytek napětí.

Nosné desky z oceli a titanu, které nesou vlastní pracovní katodové a anodové rošty, mohou být spojeny měděnými pasy nebo lištami, neplátovanými výbuchem na nosné desky. Hocha lišt je jen 10 % průřezu elektrody; průchod proudu je omezen, elektroda je široká a nerozložitelné. Možnost rekombinsce vodíku v pórech spojení ocel-mě3 není odstraněna.

Dutina mezi titanovou a ocelovou deskou může být vyplněna nízkotající slitinou, která je při pracovní teplotě elektrolyzéru kapalná. Na rozhraní ocelové katodicky pracující desky a kapalné slitiny dochází k rekombinaci prošlého atomárního vodíku, který v plynném stavu probublávé mimo elektrodu. Potíže působí to, že při vysokých proudových hustotách se do kapalného kovu uvolňuje velké množství vodíku, který odlišné probublávé, zejména u vysokých elektrod. Ve vrstvě kapalného kovu se vytvářejí dutiny naplněné vodíkem část kapalného kovu se vytlačuje mimo elektrolyzér · průchod proudu se zhoršuje. Také odstraňování ztuhlého kovu, vyteklého z elektrolyzéru, je obtížné a jeho ztráty značné.

Podstatou vynálezu je bipolární elektroda, určená pro užití v elektrolyzéru, vytvořená z anodové části a z katodové části, mezi něž je případně vložena alespoň jedna separační vrstva a/nebo alespoň jedna konstrukční vrstva, přičemž spojení\ anodové části s katodovou částí případně s vloženými vrstvami je provedeno například plátováním výbuchem. Podle vynálezu je katodová část bipolární elektrody vytvořena

216 728 alespoň.ze dvou elementů ve tvaru tyčí umístěných těsně vedle sebe a oddělených alespoň jednou kapilární Štěrbinou, přičemž alespoň jeden z elementů katodové části je opatřen alespoň jedním kapilárním kanálkem mezi kapilární štěrbinou a protilehlou stěnou elementu a/nebo mezi kapilárními štěrbinami, příslušnými alespoň jednomu elementu katodové části a konce sousedních elementů jsou na obou stranách spolu nerozebíratelně spojeny a/nebo nerozebíratelně upevněny ku vnějšímu rámu. Kolmo k alespoň jednomu elementu a zároveň kolmo ke katodové části je upraveno alespoň jedno žebro, které*je elektricky vodivě spojeno s alespoň dvěma elementy katodové části a nerozebíratelně upevněno k těmto alespoň dvěma elementům a/nebo ku vnějšímu rámu. Dále jsou podle vynálezu alespoň dva elementy katodové části zhotoveny například z oceli nebo železa.

Bipolární elektroda podle vynálezu mé více výhod proti dosud známým a užívaným konstrukcím. Především je hlavní výhodou podstatné zvýšení trvanlivosti bipolární elektrody; tato zvýšená trvanlivost je důsledkem odstrařiěnívodíkové koroze, která se nemůže uplatnit vlivem konstrukční úpravy, znemožňující destrukci spojení katodové a anodové části, případně spojení katodové části a vložené alespoň jedné separační a/nebo konstrukční vrstvy. Další výhodou bipolární elektrody podle vynálezu je zvýšená provozní spolehlivost vlivem toho, že je snížena, případně znemožněna možnost vzniku bubliny na rozhraní železo-titan případně železo-bariérová vrstva a následkem toho deformace elektrody s vznik zkratů dvou sousedních bipolárnich elektrod, to znamená možnost vzniku zkretu mezi poškozenou, deformovanou bipolární elektrodou a sousední bipolární elektrodou, nebo je naopak snížena, případně znemožněna možnost vzniku nenadálého zvýšení a elektrického odporu mezi oběma sousedními bipolárními elektrodami. Vlivem toho nemohou vzniknout ani škodlivé dynamické účinky, která při provozu, při proudu o intenzitě řádově tisíců ampérů, bezpodmínečně vzniknou v případě zkratu následkem deformace bipolární elektrody působené vodíkem, a/nebo při náhlé změně elektrického odporu bipolární elektrody. Dalěí výhodou je případná nižěí hmotnost bipolární elektrody podle vynélezu a její menší tloušíka a s tím související nižěí pořizovací náklady.· Tím, že je konstrukcí podle vynálezu odstraněno nebezpečí destrukce spojení obou částí bipolární elektrody difundujícím vodíkem, odpadá celá řada konstrukčních omezení. Z hlediska výrobního je řešení podle vjnálezu taktéž výhodné zjednodušením technologického postupu.

Na přiložených výkresech jsou znázorněny příklady provedení bipolární elektrody podle vynálezu. Na obr. 1 je znázorněn řez základním, nejjednodušším provedením bipolární elektrody, vytvořené pouze z anodové a katodové části, přičemž elementy katodové části jsou ve.tvaru tyčí obdélníkového průřezu, na obr. 2 a obr. 3 jsou * M ’ * znázorněny řezy alternativních provedení katodové části bipolární elektrody podle obr. 1, na obr. 4 je provedení bipolární elektrody se separační vrstvou tj. takzvanou bariérou, na obr.- je provedení bipolární elektrody se dvěma vrstvami mezi anodovou

216 728 a katodovou částí, na obr. 6 je provedení bipolární elektrody se třemi vrstvami mezi anodovou a katodovou částí, na obr. 7 je pohled na část sestavy bipolární elektrody podle obr. 1, obr. 2 a obr. 3, na obr. 8 je znázorněn řez bipolární elektrodou v případě, že elementy katodové části jsou ve tvaru obdélníkových destiček, na obr. 9 je pohled na část sestavy bipolární elektrody podle ohr. 8, na obr. 10 je pohled na část sestavy bipolární elektrody v případě, že elementy katodové části jsou ve tvaru šestiúhelníkových hranolků, přičemž řez takovou bipolární elektrodou je v podstatě znázorněn taktéž na obr. 8.

Na ohr. 1 je na anodovou část χ z ventilového kovu, například titanu, přímo naplátována výbuchem katodová část 2, vytvořená ze souboru elementů 3a ve tvaru tyčí, které mají obdélníkoyý průřez a každý z nich je případně opatřen alespoň jedním

Γ kapilárním kanálkem £ mezi protilehlými styčnými plochami. Elementy 3a jsou z oceli nebo železa, případně z jiného vhodného kovu.

Na obr. 2 je na anodovou část 1 opět přímo naplátována výbuchem katodová část 2, z oceli nebo železa, případně z jiného vhodného kovu, která je vytvořena ze souboru elementů 3b ve tvaru tyčí, které mají v podstatě obdélníkový průřez s osazením a mohou být taktéž opatřeny aspoň jedním kapilárním kanálkem £.

Na obr. 3 je ne anodovou část 1 také přímo naplátována výbuchem katodová část 2, která je vytvořena ze souboru elementů 3c ve tvaru ocelových nebo železných tyčí, které mají lichoběžníkový průřez a mohou být opět opatřeny aspoň jedním kapilárním kanálkem £.

Na obr. 4 je mezi anodovou část 1 a katodovou část 2 z oceli nebo železa vložena separační vrstva 6. Katodové část 2 je pro jednoduchost znázorněna stejně jako na obr. 1. Anodová část χ je opět se separační vrstvou 6 a s katodovou částí 2 spojena neplátováním výbuchem.

Na obr. 5 je mezi anodovou část χ a katodovou část 2 z oceli nebo železa vložena jednak separační vrstva 6, jednak konstrukční vrstva J z nízkotavitelného kcvu. Katodové část 2 je pro jednoduchost znázorněna stejně jako na obr. 1. Anodová část 1 je opět e konstrukční vrstvou J, separační vrstvou 6 a katodovou částí 2 spojena neplátováním výbuchem.

Na obr. 6 je mezi anodovou část 1 a katodovou část 2 z oceli nebo železa vložena jednak separační vrstva 6, jednak první konstrukční vrstva J, jednak druhá konstrukční vrstva 8. Katodová část 2 je pro jednoduchost znázorněna stejně jako na obr. 1.

Na obr. 7 je pohled na část souboru elementů Ja, 3b. 3c katodové části. Elementy jsou bu3 na obou koncích spolu nerozebíratelně spojeny, například svařeny - je naznačena svařená hrana 2 ~ nebo jsou nerozebíratelně spojeny podél hrany 2 ^a rámem 10. Elementy mohou být opatřeny opět kapilárními kanálky £.

216 728

Na obr. 8 je znázorněna anodová část £ a katodová část, která je vytvořena souborem elementů 11 ve tvaru hranolů například trojbokých, čtyřbokých, případně šestibokých nebo jinak účelně tvarovaných. Tento soubor elementů 11 je nerozebíratelně upevněn k nosné desce 12 a případně Je jeětě obepnut rámem £0. Anodová část £ je nerozebíratelně’ spojena s deskou 12 například neplátováním výbuchem. Elementy 11 jsou umístěny tak těsně vedle sebe, že mezi nimi vznikají pouze kapilární štěrbiny. Alternativy provedení bipolární elektrody podle obr. 8 jsou analogické alternativám provedení bipolární elektrody podle obr. 4 s vloženou separační vrstvou 6 mezi anodovou část £ a katodovou část £, vytvořenou souborem tyčových elementů 3a. 3b. 3c: znamená to, že mezi anodovou část £ a katodovou část 2 lze vložit ještě kromě separační vrstvy 6 první konstrukční vrstvu £, případně ještě druhou konstrukční vrstvu 8. Přitom katodová část 2 je vytvořena souborem elementů 11 ve tvaru hranolků, například trojbokých, čtyřbokých, $td., případně hranolků několika druhů, které vytvoří úplnou mozaiku.

Na obr. 9 je pohled na část souboru elementů 11 katodové části. Elementy ££ například ve tvaru čtyřbofcých hranolků mohou být opatřeny alespoň jedním kapilárním kanálkem £ a upevněny v rámu 10.

Na obr. 10 Je pohled na část souboru elementů ve tvaru šestibokých hranolků případně opatřených alespoň jedním kapilárním kanálkem £ a upevněných v rámu 10. Sestiboké hranolky jsou doplněny trojbokými hranolky a nerozebíratelně spojeny i

s rámem 10.

činnost bipolární elektrody podle vynálezu lze popsat následovně: na začátku elektrolýzy v kapilárních štěrbinách mezi elementy katodové části 2 buS není žádný elektrolyt a to vlivem působení kapilárních sil, anebo vodík, vzniklý ihned po započetí elektrolytického procesu, vytlačí elektrolyt z této kapilární štěrbiny, vytvoří ae takzvané plynová kapsa a tím se zabrání vzniku elektrolýzy uvnitř kapilární štěrbiny. Pro další popis činnosti je sledováno provedení bipolární elektrody podle obr. 1, případně obr. 2 a obr. 3. Vodík, který difunduje z pracovního povrchu katodové části 2 směrem k anodové části £, se přednostně vylučuje a rekombinuje na molekulární vodík v kapilárních štěrbinách mezi elementy a vybublává zpět na pracovní povrch katodové části 2. Vlivem toho koncentrace vodíku v blízkosti spojení katodové části 2 s anodovou částí £ je nižší nežli ta koncentrace, které by jinak byla schopna toto spojení poškodit.

Alternativní provedení bipolární elektrody podle obr. 2 a obr. 3 je teoreticky i prakticky možné, ale neskýtá žádných výhod. Obě provedení jsou uvedena pouze pro úplnost informace. Kapilární kanálky £ umožňují intenzivnější postup vodíku směrem od spojení anodové části £ β katodovou částí 2 k pracovnímu povrchu; tím způsobem se chrání toto spojení před poškozením.

Na obr. 4 znázorněné separační vrstva £, takzvaná bariéra, je zhotovena z mědi

216 728 nebo stříbra, železa nebo niklu, kobaltu, zinku nebo slitiny. Tato vrstva 6 je spojena s katodovou částí 2 buS plátováním výbuchem nebo je vytvořena elektrolyticky, případně plazmaticky. Účelem vrstvy 6 je zabránit průniku vodíku směrem k anodové části χ.

Kromě toho vrstva 6 usnadňuje dokonalé spojení anodové části X z titanu s katodovou částí 2, složenou buS z elementů Xa, Xb nebo Xs, ve tvaru tyčí z oceli anebo železa, nebo z elementů 11 ve tvaru hranolků.

Na obr. 5 znázorněné provedení bipoíérní elektrody podle vynálezu obsahuje kromě separační vrstvy 6 ještě první konstrukční vrstvu 2· Účel separační vrstvy 6 je jednak stejný jako je popsáno u obr. 4, jednak má za úkol zabránit zatékání lehkotavitelného kovu, z něhož je zhotovena první konstrukční vrstva 2, do kapilárních štěrbin v katodové části 2. Účelem první konstrukční vrstvy 2 z nízkotavitelného kovu je vytvořit snadno rozebíratelnou bipoíérní elektrodu, to znamená zajistit snadné oddělení anodové části χ od katodové části £ v případě potřeby regenerace aktivní vrstvy na povrchu anodové čáeti χ.

Na obr. 6 znázorněná druhá konstrukční vrstva § je opět zhotovena z mědi nebo stříbra apod., jako separační vrstva X, a jejím účelem je zlepšení pájení a spojení anodové části X z titanu β první konstrukční vrstvou 2 z nízkotavitelného kovu, který nesmáčí titan.

Pokud bipoíérní elektroda podle obr. 7 je opatřena aspoň jedním žebrem pro zvětšení pracovní plochy katodové části 2, pak toto alespoň jedno žebro, které je umístěno kolmo ke kapilárním štěrbinám a zároveň kolmo na katodovou část 2, je mechanicky upevněno k rámu 10 a elektricky vodivě spojeno s elementy Xa, Xb, 3c katodové části. V případě, že není užito rámu 10. pak toto alespoň jedno žebro je k elementům 3a. 3b. 3c ve tvaru tyčí mechanicky upevněno a zároveň s nimi elektricky vodivě spojeno.

Pokud je bipoíérní elektroda vytvořena podle obr. 8 je nutné, aby poměr nejmenšího rozměru průřezu elementu 11 ve tvaru hranolku a výšky elementu χχ, to znamená tloušťky katodová části, byl menší nežli 1,0.

Provedeni bipolérní elektrody podle obr. 8 lze modifikovat tím způsobem, že mezi anodovou část X a nosnou desku 12 elementů 11 katodové části lze vložit separační vrstvu X a případně jednu až dvě konstrukční vrstvy 2» X» podobně jako znázorněno na obr. 4, obr. 5 a obr. 6 v případě katodové části £ vytvořené z elementů Xg, 3b.

3c ve tvaru tyčí.

Z hlediska snadné výroby je zhotovení bipolérní elektrody podle obr. 7 výhodnější s užitím rámu 10. neboť nevznikají komplikace technologické povahy, které nezbytně provázejí provedení bez rámu.

Claims (2)

1. Bipolární elektroda, určená pro užití v elektrolýzéru, vytvořená z anodové části a z katodová části, mezi něž je případně vložena alespoň jedna separační vrstva e/nebo alespoň jedna konstrukční vrstva, přičemž spojení anodové části s katodovou částí, případně s vloženými vrstvami, je provedeno například plátováním výbuchem, vyznačená tím, že Její katodové část (2) je vytvořena alespoň ze dvou elementů (31, 32) ve tvaru tyčí, umístěných těaně vadle sebe a oddělených alespoň jednou kapilární štěrbinou, přičemž alespoň jeden z elementů (31, 32) katodové části (2) je opatřen alespoň jedním kapilárním kanálkem (4) mezi kapilární štěrbinou a protilehlou etěnou elementu a/nebo mezi kapilárními štěrbinami, příslušnými jednomu elementu (31, 32) katodové části (2), a konce sousedních elementů (31, 32) jsou na obou stranách spolu nerozebíratelně spojeny β/nebo nerozebíratelně upevněny ku vnějšímu rámu (10) a kolmo k alespoň jednomu elementu (31, 32) a zároveň kolmo ke katodová části (2) je upraveno alespoň jedno žebro, které je elektricky vodivě spojeno s alespoň dvěma elementy (31, 32) katodové části (2) a je nerozebíratelně upevněno k těmto alespoň dvěma elementům (31, 32) katodové části (2) a/nebo ku vnějšímu rámu (10).

2. Bipolární elektroda podle bodu 1, vyznačená tím, že alespoň dva elementy (31, 32) katodové části (2) jsou zhotoveny například z oceli nebo železa.