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ELectrode pour une cellule d'electrolyse. La presente invention concerne une electrode pour une ceLLuLe d'électrolyse du type utilisé notamment pour opérer le dépôt d'un revêtement métallique, adhérent ou détachable, sur un substrat.
Pour une operation de depot eLectroLytique, il est interessant d'utitiser une densite de courant élevée, tant pour Le rendement de l'operation que pour la qualité du depot proprement dit. En effet, la densité de courant conditionne d'une part la durée de l'operation, c'est-à-dire La vitesse du substrat et l'encombrement de l'instalLation si Le substrat est en mouvement, et d'autre part La compacite, ou inversement la porosite, du revetement depose.
On sait par ailleurs que la realisation de hautes densites de courant, par exemple superieures a 100 A/dm2, necessite une turbulence élevée de l'electrolyte dans l'espace compris entre L'anode et la cathode, cette dernière etant généralement constituée par Le substrat. Une
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telle turbulence élevée implique que L'eLectroLyte soit animé d'une grande vitesse lorsqu'il circule entre L'anode et La cathode.
IL est également bien connu qu'une partie importante de L'energie électrique consommée par une operation d'eLectroLyse dépend des pertes par effet Joule qui se produisent dans L'eLectroLyte, et que ces pertes sont proportionnelles à La distance qui separe L'anode de La cathode. Pour minimiser ces pertes et ainsi atteindre un rendement aussi élevé Que possible, iL convient donc de minimiser La distance existant entre L'anode et La cathode de La ceLLuLe d'électrolyse.
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Enfin, une autre fraction non negLigeabLe de L'energie éLectrique consommee au cours d'une telle operation d'électrolyse sert à compenser les pertes ohmiques dans les parties conductrices de L'éLectrode, généraLement l'anode, qui assure l'alimentation électrique de La ceLLuLe.
Cette eLectrode est necessairement réalisée en un matériau resistant a une attaque chimique par l'électrolyte; à cet effet, elle est par exemple constituee de graphite, d'un alliage Pb-Ag, ou de titane pourvu d'un revêtement approprie. Etant donne L'importance des intensités électriques mises en jeu, qui peuvent dépasser 10. 000 Ale, it est particulièrement intéressant de reduire ces pertes chimiques en utilisant des matériaux presentant une resistance électrique aussi faible que possible. e. L'alimentation électrique de l'anode sera des lors assurée de preference par des barreaux de cuivre, qui devront conduire Le courant aussi pres que possible de l'intervalle compris entre l'anode et la cathode.
IL existe plusieurs dispositions de cellules ainsi que diverses methodes d'introduction de l'électrolyte cherchant à atteindre les trois objectifs précités.
Pour fixer Les idees, la description de la technique anterieure ainsi que de la presente invention fera plus spécialement référence au dépôt eLectroLytique d'un revêtement sur une cathode constituee par une bande métallique circulant dans un plan horizontal. Cette referente n'a cependant qu'une simple valeur d'exempLe et elle n'extlut nullement La possibiLité d'appliquer L'invention dans toute situation compatible avec Les revendications qui suivront.
Une première solution connue consiste ä disposer une anode plane paraLLeLement Åa La surface de La bande, et Åa injecter l'électrolyte transversaLement par rapport à La bande. Conformement aux deux premiers objectifs, L'eLectroLyte introduit Le Long d'un bord de La bande et recueiLLi sur L'autre bord doit donc circuler ä grande vitesse entre deux surfaces planes proches L'une de L'autre ; cette disposition provoque des pertes de charge eLevees et necessite d'importantes pressions d'aLimentation de L'eLectroLyte. IL en résulte de nombreux problèmes mecamques portant notamment sur L'etancheite des joints et La
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deformation des surfaces en presence, et qui empechent en pratique d'operer avec des distances inférieures a 10 mm entre L'anode et La cathode.
Une variante de cette solution, consistant à injecter l'électrolyte dans Le sens longitudinal de la bande, se heurte aux memes probLemes et est soumise aux mêmes Limitations que dans Le cas de l'injection transversale.
Une autre solution proposée consiste à introduire l'electrolyte perpendiculairement à la surface de la cathode, à travers une ou plusieurs fentes transversales menagees dans L'anode, et à Le recueillir ensuite sur les bords de La bande. Ici encore, les pressions d'aLimentation doivent être importantes en raison des pertes de charge elevees, ce qui Limite egaLement ä environ 10 mm la distance praticable entre L'anode de la bande.
Le brevet BE-A-905. 588 du meme demandeur propose une solution qui permet de reduire les pertes de charge et par consequent d'eviter Le recours à des pressions d'alimentation elevees. IL preconise d'introduire L'eLectroLyte perpendiculairement à la surface de la bande par de petits orifices perces dans l'anode et de reprendre cet eLectroLyte par d'autres petits orifices, proches des premiers, également perces dans L'anode ; L'anode proprement dite est constituee par une plaque en matériau conducteur de l'électricité et résistant l'électrolyte, tel que Le graphite, cette plaque assurant l'amenée du courant depuis les conducteurs d'aLimentation latéraux jusqu'à L'intervalle d'électrolyse.
Une teLLe disposition permet certes de reduire la distance entre l'anode et la bande ; elle n'assure cependant pas toujours un écoulement parfaitement homogene de l'électrolyte dans l'intervalle entre l'anode et la bande, et les conducteurs d'alimentation à faible resistance n'arrivent pas encore assez pres de cet intervalle pour reduire Les pertes ohmiques dans une mesure suffisante.
La presente-invention propose une eLectrode destinée a une cellule d'electrolyse du type precite, la conception et La constitution de cette anode étant teLLes qu'eLLe permet d'atteindre Largement les
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trois objectifs mentionnes plus haut, à savoir une vitesse élevée de L'eLectroLyte dans un intervaLLe tres étroit entre l'anode et la cathode, des pertes ohmiques reduites au minimum, ainsi qu'un balayage homogene de L'intervalle entre l'anode et La cathode par l'electro- Lyte.
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Conformement a La presente invention, une électrode pour une ceLLuLe d'électrolyse destineeaL.'depot d'un revêtement métallique sur un substrat, qui comprend un corps d'electrode comportant des moyens d'ali- mentation en courant électrique et presentant au moins une surface profilée de façon correspondant à la surface dudit substrat, est caractérisée en ce que ledit corps d'électrode présente une pLuralité de fentes étroites parallèles débouchant dans ladite surface du corps d'eLectrode, en ce qu'un premier groupe desdites fentes sont reliees à des moyens d'alimentation en electrolyte,
en ce que L'autre groupe desdites fentes sont retiees à des moyens d'évacuation de l'électrotyte et en ce que les fentes de L'un et l'autre desdits groupes se succèdent en alternance dans Ladite surface du corps d'électrode.
De façon connue en soi, ledit corps d'électrode est de preference realisé en un materiau conducteur de l'electricite et chimiquement résis-
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tant ä l'électrolyte, tel que Le graphite. Selon une premiere caractéristique supplementaire de L'invention, lesdites fentes présentent une Largeur qui n'excède pas 3 mm.
SeLon une autre caracteristique supplementaire de l'invention, la distance entre deux fentes voisines est comprise entre 20 mm et 50 mm.
En outre, lesdites fentes s'étendent avantageusement dans le corps d'eLectrode perpendiculairement à La surface du corps d'electrode dans laquelle elles debouchent.
A son extrémité eLoignee de Ladite surface, chacune desdites fentes débouche, suivant L'invention, dans un canal formé dans Ledit corps d'electrode et dispose parallèlement tant au plan de Ladite surface du corps d'eLectrode qu'ä La direction longitudinaLe desdites fentes.
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Chacun de ces canaux est normaLement ferme ä une de ses extrémités et it est reLie par son autre extrémité soit Åa des moyens d'alimentation en eLectroLyte, soit à des moyens d'évacuation de L'eLectroLyte, selon La fente avec LaqueLLe iL se trouve en communication. Ces canaux sont avantageusement disposes tête-bêche, L'extremite fermee de L'un quelconque de ces canaux etant voisine de L'extrémité ouverte du ou. des canaux adjacents.
Selon une réaLisation particulière intéressante, le corps d'électrode est compose d'une pluralité de plaques juxtaposées profilées de façon
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ä former, lors de leur assemblage, Les fentes etroites et Les canaux d'alimentation et d'evacuation de l'électrolyte requis par l'invention.
Conformement à une autre caractéristique de l'invention, ledit corps d'electrode est dote de moyens d'alimentation en courant électrique constitues par des barreaux en un materiau bon conducteur de l'elec- tricite, qui pénètrent dans ledit corps d'électrode jusqu'à proximité desdites fentes, respectivement des canaux, d'alimentation en électrolyte.
Dans le cas oü ledit corps d'électrode est constitue de plaques juxtaposees, lesdits barreaux sont avantageusement Loges dans des cavités ménagées dans au moins une face LateraLe desdites plaques.
On utilise de preference des barreaux en cuivre, dont la résistivité, nettement pLus faibLe que celle du materiau dudit corps d'electrode, permet de conduire Le courant electrique, sans pertes ohmiques sensibles, jusqu'ä proximité immédiate de L'eLec-troLyte circuLant dans les fentes, respectivement Les canaux d'alimentation.
D'autres particuLarités et avantages de L'invention apparaitront à La lecture de La description, donnee ci-dessous ä titre d'exemple, d'une réaLisation préférée d'une électrode conforme à l'invention. Dans cette description détaiLlée, iL est fait référence aux dessins annexes, dans LesqueLs La
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Fig. 1 montre schématiquement en perspective La configuration des nap- pes d'électrolyte obtenues avec une éLectrode conforme ä L'in- vention ; La Fig. 2 est une vue en pLan illustrant schématiquement la position re-
Lative des fentes d'alimentation et d'évacuation de l'élec- trolyte ;
La
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Fig. 3 est une vue en pLan, similaire à celle de La Fig. 2, montrant schematiquement une électrode composée de plaques juxtaposees transversalement; la Fig. 4a est une coupe transversale suivant la Ligne A-A'de La Fig. 3, montrant la disposition relative des fentes et des canaux, dans
Le cas d'une electrode plane ; La Fig.4b représente un detail de La surface inférieure du corps de L'e- electrode, vue suivant la direction de La fleche B ; La
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Fig. 5 est une vue en plan, simiLaire ä ceLLe de La Fig. 2, montrant schématiquement une électrode composée de plaques juxtaposees en oblique ; Les Fig. 6a et 6b sont analogues aux Fig. 4a et 4b pour une eLectrode constituée comme Le montre la Fig. 5 ;
La Fig. 7 montre schématiquement, en coupe transversale, La disposition relative des fentes et des canaux dans le cas d'une eLectrode cylindrique ; la Fig. 8 est une coupe transversale analogue Åa celle de la Fig. 4a, mon- trant un autre mcde de réalisation des canaux et des fentes dans une anode conforme Åa L'invention ; et La Fig. 9 illustre également en coupe transversale, une façon supple- mentaire de réaliser les canaux et les fentes dans une anode
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conforme ä l'invention. Dans toutes les figures, des elements identiques ou analogues sont designes par Les mêmes reperes numériques. Le sens de circulation de l'electrolyte et du courant électrique est indique par des fLèches appropriées.
Enfin, on n'a pas represente Les elements qui ne sont pas directement necessaires à La comprehension de L'invention, afin de ne pas surcharger inutilement Les dessins.
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Les figures se réfèrent ä une cellule d'electrolyse destinee a deposer un revêtement sur un substrat métallique continu en mcuvement, tel qu'une bande d'acier, qui constitue la cathode de La ceLLule. L'eLec- trode conforme a L'invention constitue alors l'anode de La cellule. Dans l'application envisagée, cette anode est disposee de telle façon que Les fentes d'alimentation et d'evacuation de l'electrolyte soient orientees transversalement par rapport à La direction de depLacement de la cathode.
IL va de soi que cette cathode pourrait être une bande sans fin sur laquelle on depose un revêtement détachable, en parti- culier ure bande en titane ou en alliage de titane, éventuellement pourvue d'un revêtement de protection. Par ailleurs, l'anode pourrait etre disposee de telle fa ; on que lesdites fentes soient orientees de façon quelconque, par exemple en oblique, par rapport ä la direction
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de deptacement de La cathode. La Fig. 1 montre schématiquement, en perspective, La configuration des nappes d'électrolyte circulant d'une part dans tes fentes de l'anode et d'autre part dans L'espace compris entre l'anode et la cathode.
L'anode proprement dite n'est pas representee et la cathode est constituee par une bande métallique 1 se déplaçant dans Le sens de La
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flèche 2. l'électrolyte est fourni en nappes verticales mices 3, circulant de haut en bas (fleches 4) dans les fentes d'alimentation de l'anode (non représentée); dans l'espace entre l'anode et la cathode, it se subdivise en deux nappes horizontales telles que 5 et 6, de faible epaisseur, qui s'ecartent L'une de L'autre ; ensuite, des nappes horizontales concourantes telles que 6 et 7 sont reprises en nappes verticales 8 circulant de bas en haut (flèches 9) dans les fentes d'eva- cuation de l'anode (non representee).
Les nappes d'alimentation 4 et d'evacuation 8 sont produites par des fentes correspondantes raccordées respectivement à des moyens d'ali- mentation et d'evacuation de l'électroLyte, selon une disposition qui est schématiquement illustrée dans La Fig. 2.
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Cette Fig. 2 est une vue en plan d'une anode conforme à L'invention, qui comporte un corps 10 disposé transversalement par rapport ä la cathode 1.
Le corps 10 de l'anode presente une entree (11) et une sortie (12) de l'éLectroLyte, raccordées respectivement a des moyens extérieurs d'alimentation et d'evacuation non representes. Le corps 10 de l'anode comprend une chambre de distribution raccordee à L'entree 11 et reLiee à des branches d'alimentation 13 dans lesquelles sont menagees Les fentes d'alimentation 14, tracees en trait plein, qui debouchent dans l'esDace compris entre la cathode 1 et le corps 10 de L'anode. Ces branches et fentes d'alimentation sont parcourues par Les nappes verticales d'électrolyte symbolisées par les fleches descendantes 4.
Apres un court trajet parallèle à la cathode, l'electrolyte est repris par les fentes d'evacuation 15, tracees en trait interrompu qui, par des branches d'evacuation 16 et une chambre de collecte, Le renvoient vers la sortie 12. Les fentes et les branches d'évacuation sont parcourues par les nappes verticales d'eLectroLyte symbolisées par les flèches ascendantes 8. Dans cette illustration schématique, les branches d'alimentation 13 sont separees des branches d'evacuation 16 par une paroi en Labyrinthe 17.
L'avantage d'une telle disposition est que les pertes de charge variables Le Long d'une branche d'alimentation sont compensées par les pertes de charge variant en sens inverse Le tong d'une branche d'eva- cuation. IL en resulte un débit homogene de l'électrolyte sur la Largeur de la bande.
Dans La Fig. 3, on a représenté schematiquement une mise en oeuvre interessante d'une anode du type illustré dans la Fig. 2, mise en oeuvre dans laquelle le corps 10 de L'anode est compose d'une plura- Lité de plaques transversaLes 18,19, 20, 21, disposees perpendicuLairement par rapport au pLan de La cathode 1.
La constitution de cette anode sera comprise plus aisément en se référant ä la Fig. 4, en particulier Åa La Fig. 4a, qui represente en partie une coupe suivant La Ligne A-A'de la Fig. 3. Le corps de t'anode 10 est compose d'une série de plaques teLLes que 18,19, 20,21 juxta-
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posees et assemblées par des moyens appropriés, par exemple des bouLons 22. La configuration du montage de l'anode etant repetitive, il suffira de décrire la disposition relative de quatre plaques teLles que 18,19, 20 et 21.
Ces plaaues sont disposees verticalement, et leur face inférieure est situee ä une tres faible distance de la surface superieure de La cathode 1 a revetir. ELLes sont constituées de graphite ou d'un alliage électriquement conducteur et resistant à l'electrolyte Dans la face droite des pLaques impaires (19,21), on a usine un demi-canal 23 et une demi-fente 24 destines à L'evacuation de l'électrolyte, tandis que dans La face gauche de ces mêmes plaques impaires (19,21), on a usiné un demi-canaL 25 et une demi-fente 26 destinés à l'alimentation en electrolyte.
Inversement, dans la face gauche des plaques paires (18, 20) on a usine d'une part un demi-canal 27 et une demi-fente 28 destines à L'evacuation de L'eLectroLyte, tandis que dans la face droite de ces mêmes plaques paires (20) on a usine un demi-canal 29 et une demi-fente 30 destinés ä l'aLimentation en electrolyte L'assemblage des pLaques permet de former les canaux et les fentes d'alimentation et d'évacuation de L'électrolyte. Bien entendu, les plaques d'extremite telles que 18 ne sont pas usinees sur leur face exterieure. Le corps 10 de L'anode comporte encore des barreaux 31 en cuivre qui sont logés dans des rainures usinees dans Les plaques 19,20 et qui penetrent jusqu'ä proximite des canaux d'alimentation 25,29.
Pour assurer L'etancheite de L'ensemble, les surfaces de contact entre les plaques sont garnies de joints tels que 32,33. Par aiLleurs, les fentes d'evacuation 24, 28 sont avantageusement discontinues dans Le sens transversal de la bande, comme Le montre La Fig. 4b. Les troncons de fente sont séparés par de courtes zones de contact qui ne perturbent pratiquement pas L'écouLement d'evacuation de !.'eLectroLyte, mais qui assurent un contact mecamque entre les plaques 18 et 19 en cas d'augmentation de la pression dans Les fentes d'alimentation 26,30.
Les plaoues 18,19 ne peuvent flechir, en raison de ce contact. IL est donc possible d'augmenter La pression d'alimentation de L'eLectroLyte et par conséquent d'améliorer les performances de La ceLLuLe sans
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courir Le risque de provoquer une deformation de l'ensemble de L'anode.
Comme Le montre La Fig. 3 et conformément ä La disposition schematisee dans La Fig. 2, Les canaux 24,29 et les fentes 26,30 d'alimentation communiquent avec L'entree 11 de l'électrolyte, tandis que les canaux 23,27 et les fentes 24,28 d'evacuation communiquent avec La sortie 12 de L'electrolyte.
Cette disposition est particulièrement interessante, car les fentes et les canaux peuvent être réalisés par des operations d'usinage simples des différentes plaques.
Dans certaines circonstances, il n'est cependant pas possible de fabriquer des plaques transversaLes suffisamment resistantes. On peut alors faire appel à une autre variante de L'eLectrode conforme ä l'in- vention.
Cette variante est illustrée schématiquement dans les Fig. 5 et les Fig. 6a et 6b qui en montrent respectivement une vue en plan, une coupe partielle suivant La Ligne A-A'et une vue inferieure suivant la fLèche B. Le corps 10 de l'anode est compose d'une pluralité d'éléments modulaires 34 dont la Largeur est determinee par Les possibiLites d'usinage existantes. Ces elements sont disposes en oblique par
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rapport a La direction de déplacement de La bande 1. Les Fig. 6a et 6b montrent les canaux 25 et Les fentes 26 d'alimentation ainsi que les canaux 27 et Les fentes discontinues 28 d'evacuation de l'electrolyte.
Cette disposition oblique permet de masquer l'effet de discontinuité provoqué par les joints entre les divers elements modulaires, en repartissant ces joints sur toute La Largeur de La bande.
La Fig. 7 iLLustre La configuration d'une électrode conforme à l'invention profiLee de façon Åa correspondre ä un substrat cylindrique. Dans cette variante, Les pLaques teLLes que 20,21 presentent une section trapezoidale. Les divers canaux et les différentes fentes sontégalement realisés par des operations d'usinage simples. Les pla-
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ques doivent être assembLees par des moyens appropries qui garantissent Le respect de la courbure de l'ensemble.
On peut bien entendu imaginer d'autres modes de réalisation des canaux et des fentes d'alimentation et d'évacuation de L'électrolyte, sans sortir du cadre de La presente invention.
La Fig. 8 montre, par une coupe transversale analogue a celle de la Fig. 4a, La constitution d'une anode dans laquelle les canaux sont formes par une tôle métalLique repliee de façon appropriee.
La töle 17, par exemple en titane, est repliée de façon à former des plis successifs qui constituent alternativement des canaux ou branches d'alimentation 13 et d'evacuation 16 de t'électrolyte. Pour assurer La
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rigidité d'ensemble de L'anode, Les plis de La töle 17 ont La forme de trapezes alternés dont les grandes bases sont soudees respectivement Åa une plaque superieure 35 et ä une plaque inférieure 36, toutes deux paraLleles ä La face inférieure du corps de L'anode 10. Par La nature même du pLiage, seules Les grandes bases des trapezes sont constituees par La töle 17, tandis que Les petites bases de ces trapezes ne sont fermees que par Lesdites pLaques 35 et 36.
Dans la zone de la plaque inferieure 36 qui ferme la petite base des canaux d'alimentation 13 sont perces des orifices d'alimentation 37 répartis sur la largeur oe L'anode. De même, dans les grandes bases des canaux d'evacuation 16 soudees à cette même plaque inferieure 36, sont perces des orifices c !'evacuation 38 repartis sur la Largeur de L'anode. Les orifices d'alimentation 37 et Les orifices d'évacuation 38 communiquent respectivement avec des fentes d'alimentation 14 et des fentes d'evacuation 15 comprises entre des bLocs transversaux 39.
Ces blocs 39 sont amovibLes et peuvent être aisement rempLaces pour modifier la Largeur des fentes ou rétabLir la Largeur desiree d'une fente en cas d'élargissement excessif par exemple par suite de L'usure d'un bloc.
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L'agencement relatif de la plaque inferieure 36, des orifices 37,38 et des blocs 39 avec Les fentes 14,15 est iLLustre en perspective dans
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L'encadre de La Fig. 8.
Les blocs 39, Les pLaques inférieure 36 et superieure 35 ainsi que la tôle pLiee 17 forment Le circuit d'alimentation de l'anode en courant electrique ; tous ces elements sont des Lors réalisés de preference en titane, de même que Les profiLes superieurs, marques d'une f Leche
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brisée, qui symbolisent Le raccordement de L'anode Åa La source de courant électrique.
La Fig. 9 illustre, en coupe verticale A-A'et en coupe horizontale C-C', une autre facon de realiser les canaux d'alimentation 13 et d'evacuation 16 de l'électrolyte, au moyen de parois de Separation 17 verticales parallèles. Ces parois sont pourvues de renflements cylin- driques 40 dans lesquels sont perces des passages traversés par des tirants 41. Ces tirants 41 servent d'une part à fixer les parois 17 à des pLaques horizontales supérieure 35 et inferieure 36 et d'autre part a amener Le courant électrique aux blocs 39.
Les canaux d'atimentation 13 sont relies aux fentes d'alimentation 14 par des orifices d'alimentation 37 perces dans La plaque inférieure 36 ; de même, Les fentes d'evacuation 15 sont reLiees aux canaux d'evacuation 16 par des orifices d'evacuation 38 perces dans la plaque inferieure 36.
Les parois 17 ainsi que Les plagues supérieure 35 et inferieure 36 peuvent etre réalisées en un matériau composite résistant à l'électrolyte, par exemple en resine epoxy armeede fibres de verre.
L'aLimentation en courant électrique est assuree par les tirants 41, dont une extrémité est par exemple vissee dans Les bLocs 39 et dont l'autre exiremite presente une tete qui par une plaque de cuivre 32 et un ressort 43, prend appui sur La plaque supérieure 35. La pLaque de cuivre 42 est reLiée à une source de courant électrique par des moyens connus.
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L'eLectrode conforme à L'invention peut etre pLacee à une tres faibLe distance du substrat à revêtir, car L'éLectrolyte ne parcourt qu'un trajet tres court entre L'anode et La cathode ; iL ne subit donc pas des pertes de charge élevées et une pression moderee Lui assure une vitesse et une turbulence tres favorabLes au depöt éLectrolytique.
Les parties electriquement actives couvrent toute La surface de L'eLec- trode, à l'exception de la faible portion correspondant aux fentes d'aLimentation et d'évacuation de L'eLectroLyte. L'électrode assure dès lors une repartition homogene du courant électrique avec de faibles pertes ohmiques, ce qui conduit à un exceLLent rendement de
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L'operation. Enfin, toute La surface du substrat subit un balayage homogene par L'éLectrolyte, ce qui favorise egaLement l'homogeneité et Le rendement du dépôt du revetement.