[发明专利]生产氟的电化学池及其阳极

说明书

技术领域

本发明涉及电化学池，尤其涉及使用改良的碳阳极来产生元素氟的电化学池。

发明背景技术

用以产生气体氟的电化学池一般包括阳极、阴极、电解质、耐电解质的容器和气体分离器。阳极通常由非晶态的，非石墨碳制成。阴极通常由低碳钢、镍或蒙乃尔^TM合金制造。电解质一般是含有约39-42％氟化氢的KF·2HF。气体分离器将所产生的氢(在阴极生成)和氟(在阳极生成)分离，因而避免了自发的并常常是剧烈的氟化氢的重新形成。这种普通类型的电化学池可见Rudeg的The Manufactureand Use of Fluorine and lts Compounds，18-45，82-83(OxfordUniversity Press，1962).

碳阳极的上部通常是通过金属连接线连接到电源，在电化学池运行期间，这种金属/碳的连接可能被腐蚀，而腐蚀的程度和速度则取决于金属/碳接头的位置。例如，在某些电化学池中，金属/碳的接头是在池壳的内部。但并不浸没在电解质里。其它一些电化学池则是其金属/碳的接头装在池壳之内，而且浸没在电解质中。还有另一些结构，其金属/碳的接头完全装在池壳的外面，位于池盖的上方。例如见U.S Patent No.3,773,644。

根据现行的技术，阳极可满意操作时的电流密度极限对于优化电化学池操作是一个主要的限制因素。通常的氟池，其一般的阳极电流密度为80-150毫安/厘米²。试图将通常的氟池以更高电流密度操作，所遇到的一个困难是碳的导电性较差，特别是与许多金属相比时。当有很大电流通过碳时，电阻发热就很严重。若电阻发热产生的热量大于所能散失的，碳的温度就会升高而与元素氟起反应。当温度超过150℃，反应就很显著。碳阳极与氟的反应会最终使碳的部分通过燃烧或者变成面团状而毁坏，这是常见的。电阻发热在碳/金属接头处也会产生问题，可能导致温度升高而腐蚀严重。

可以在碳阳极中装入金属导体(例如可见美国专利3,655,535、3676,324、4,511,440和英国专利2 135335A)来减少或者消除碳阳极中的电阻发热。例如铜的电导率为碳的4000倍，若在阳极内部安装截面积足够的铜插入件，并且其安装长度充分，该铜插入件就能传递全部的阳极电流而不会有显著的电阻发热。

电阻发热还会使金属/碳接头的腐蚀加速。对碳的侵蚀以及接头的腐蚀会使阳极以及接头的电阻增加，转而又会增大阳极和接头处的电阻发热。其结果是阳极和金属/碳接头的电阻发热、温度、因而侵蚀都增加了。

许多金属，包括铜和镍，当与另一种金属或碳和电解质如KF·2HF接触时，会通过人们熟知的双金属腐蚀(一种电化学现象)机理而受到腐蚀。当使用具有内金属导体的碳阳极时，熔融的KF·2HF会最终透过碳的孔隙与内金属导体接触，使得该金属通过双金属腐蚀机理而产生腐蚀。当浸入深度超过10cm时，这种电解质的渗透就会通过通常密致的碳或特意制成多孔的碳中的孔隙发生。在金属/碳界面的这种腐蚀将使该界面处的电阻增加(如前所述)。该界面的电阻增加转而又增加界面的电阻发热和腐蚀速率。此外，金属的腐蚀产物所占的体积比原来金属的体积大，从而对碳阳极产生压力，最终会使其破碎。

发明提要

本发明的一个方面，是提供一种生产氟的电化学池，它包括：(1)一个池壳，(2)KF·2HF电解质，(3)至少两个电极，其中一个电极是阴极，另一个电极是含有位于轴心位置的内金属导体的阳极，该阳极装在池壳内的位置应使其内金属导体由其碳质部分的顶部延伸至电解质液面以下，一般深度不超过10cm，(4)将电流通入阳极(作为电子汇集器)，经过电解质，再通入阴极(作为电子源)的装置，(5)将所产生的气体从两极(即氢气从阴极，氟气从阳极)分别收集的装置。

将位于轴心位置的内金属导体由碳阳极的顶部延伸至电解质液面以下，这是有利的，因为这样做令人惊讶地保护了电解质液面以上的碳阳极，使之不致因碳与氟气的反应受热而强化的缘故而发生变质。内金属导体延伸至电解质液面以下的深度小于约10cm，与大于约10cm相比，金属/碳界面的腐蚀就会显著地小些。