Anodegeometrie en stroomverdeling: waarom kathodematching de levensduur in het veld bepaalt

De anode wordt gespecificeerd door coating. De kathode krijgt een lijn in de stuklijst. In het veld is het eerste dat misgaat meestal geen van beide.

De stroom verdeelt zich nooit gelijkmatig over het oppervlak van een titaniumanode. Het ontwerp zegt gemiddeld 200 A/m². In werkelijkheid kunnen randen, hoeken, geleidingsrailinterfaces en het vlak direct tegenover de kathode 300 tot 400 A/m² waarnemen. Het randeffect ontstaat doordat elektrische veldlijnen zich langs de grenzen verdringen. Wanneer een rechthoekige plaat een lengte-breedteverhouding van meer dan 5:1 heeft, benadert de randverbeteringsfactor 1,6. Dat betekent dat het midden de ontwerpbelasting nog niet heeft bereikt terwijl de randen er al overheen liggen.

Coatingchemie kan dit niet oplossen. Ru-Ir of Ir-Ta, het maakt niet uit. Bij oververhitte randen verschijnen eerst microscheurtjes, stagneren gasbellen en treedt er lokale passivatie op. Wat bepaalt waar veroudering begint, is de anodegeometrie en hoe de kathode is gepositioneerd.

Plaat tegen plaat geeft een relatief stabiel veld, maar de randen concentreren zich nog steeds. Mesh-anodes spreiden het effectieve gebied uit, maken ontlading aan de achterkant mogelijk, verlagen de werkelijke stroomdichtheid en laten gas door openingen ontsnappen. De wisselwerking is dat mesh-kruispunten hun eigen turbulentie creëren. Huidige drukte bij draadovergangen. Gelaste, door hitte beïnvloede zones verouderen eerst. Buis- of staafanodes zijn geschikt voor diepe putten en smalle cellen, maar er is een resistieve spanningsval over de lengte. Commercieel zuiver titanium heeft een soortelijke weerstand van ongeveer 0,47 μΩ·m, ruwweg 30 keer die van koper. Bij een lange staaf is de stroomdichtheid aan de onderkant merkbaar lager dan aan de bovenkant. Meerdere stroomtoevoerpunten of titanium-koper composietrails worden noodzakelijk.

Een niet-overeenkomende kathode verspilt een goede anode. De kant van de kathode die naar de anode is gericht, trekt meer stroom. De andere kant krijgt minder. Scherpe hoeken, bramen en hangende slakken aan de kathode vervormen het lokale veld. De overeenkomstige anodezone heeft gedurende de gehele campagne een overstroom. Bij het zuurkoperen, de productie van koperfolie en de elektrowinning van edelmetalen zijn kathodeknobbeltjes en dendrieten niet alleen een kathodeprobleem. Ze worden teruggekoppeld door een ongelijkmatige anodeveldverdeling.

Gasontwikkeling versterkt de tweede laag. Chloor- of zuurstofbellen die aan het oppervlak blijven plakken, verkleinen het lokale effectieve oppervlak, verhogen de weerstand en veroorzaken spanningsschommelingen. Als de maasoriëntatie, de kantelhoek en de circulatiesnelheid niet op elkaar zijn afgestemd, vormen zich aan de bovenkant gasfilms. Het lijkt op een korte levensduur van de coating. Het is eigenlijk een stromingsveldprobleem.

De start-stopfrequentie schrijft zichzelf ook in de distributie. Door continu gebruik kunnen lokale hotspots zichzelf beperken. Meerdere aan-uitcycli per dag betekenen dat elke herstart ongelijkmatige polarisatie en overpotentiaalpieken met zich meebrengt. Vermoeiing van de randcoating stapelt zich sneller op tijdens het fietsen dan onder constante volledige belasting.

Het lezen van een tekening moet niet stoppen bij "MMO titanium anode 1000×600." De vragen zijn: welke vorm heeft de kathode, wat is de afstandstolerantie tussen de elektroden, fluctueert het vloeistofniveau, waar ontlucht het gas, hoeveel stroomtoevoerpunten, is het substraatgaas of de plaat of buis. Dezelfde coating, dezelfde belasting, verkeerde geometrie, de levensduur in het veld kan een factor twee verschillen.

De anode is geen statisch onderdeel. Het is een dragend element in een elektrisch veld, een stromingsveld en een thermisch veld. Een verkeerde vorm versterkt de systeemzwakte. De juiste vorm laat de coating verouderen zoals het laboratorium voorspelde.