DE3519272C1 - Elektrodenstruktur fuer elektrochemische Zellen - Google Patents

Description

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chen. vormaterial zu optimalen Einkaufsbedingungen

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn- und günstige Lagerhaltung erlaubt,

zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. 9. die gute Parallelität der einzelnen Flachprofile ist

In einer bevorzugten Ausführungsform haben die eine Folge der großen Verwindungssteifigkeit der Ausbuchtungen eine Höhe von 1 bis 10 mm. Der Träger 5 erfindungsgemäßen Elektrodenkonstruktion bzw. weist dabei eine rechteckige Grundform auf, wobei die ihres Aufbaus. Der mittlere Abstand zwischen AnAusbuchtungen einen dreieckigen Querschnitt aufwei- ode und Kathode im Elektrolyseur wird unbeeinsen und durch gerade verlaufende Kanten gebildet sind, flußt durch geringe Planitätsabweichungen optimal welche eine durchgehende Linie zwischen zwei sich ge- klein gehalten,
genüberliegenden Plattenkanten bilden. 10

Die aufgeschweißten Elektrodenteile sind als Flach- Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung an-

profile mit Rechteckquerschnitt ausgeführt, wobei sie, hand der F i g. la, Ib und 2 näher erläutert,

wie auch der Träger selbst, aus im jeweiligen Elektroly- Fig. la zeigt eine Elektrode mit einem Träger, der

severfahren resistenten, elektrisch leitenden Metallen auf zwei Seiten mit Flachprofilen versehen ist.

oder deren Legierungen, bestehen. Das Breiten- zu Hö- 15 F i g. Ib zeigt als Ausschnitt eine Kante dieser Elek-

henverhältnis liegt zwischen 1 :5 und 2 :3. trode.

Der Spalt zwischen benachbarten Elektrodenteilen F i g. 2 zeigt im Querschnitt einen Elektrolyseur, wel-

wird so gewählt, daß die an den aktiven Oberflächen der eher mit den erfindungsgemäßen Elektroden versehen

Flachprofile im Betrieb entstehenden Gasabzugsfahnen ist.

im Bereich des Spaltes nicht miteinander in Berührung 20 Gemäß Fig. la besteht die erfindungsgemäße Elekkommen und verwirbeln, sondern getrennt bleiben, so trode aus einem plattenförmigen Träger 1, welcher auf daß die Ionen, die an der Elektrodenfläche entladen beiden Seiten als Schweißbuckel dienende Ausbuchtunwerden, weitestgehend von Gasblasen ungehindert an gen 3 aufweist, auf denen als Elektrodenteile 2 dienende die aktiven Flächen gelangen können. Flachprofile aufgeschweißt sind. Der aus elektrisch leit-

Nach der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, daß 25 fähigem Material bestehende plattenförmige Träger 1

Elektrodenteile und Träger aus einfachsten geometri- hat neben der stabilen Halterung der aktiven Fläche die

sehen Formen aus vorgefertigten Blechen geschnitten Aufgabe, in allen als Flachprofile ausgeführten Elektro-

werden können und nach Aufbringen der durchgehen- denteile 2 den elektrischen Strom zu verteilen; er dient

den Schweißbuckel, wie sie beispielsweise durch Biege- somit zur Stromverteilung und Halterung der aktiven

oder Abkantverfahren hergestellt werden können, alle 30 Flächen. Der Träger 1 besteht aus Metallblech einer

Elektrodenteile jeweils einer Trägerseite gleichzeitig Blechstärke von 0,4 bis 5 mm, vorzugsweise in einer

mit einem Schweißbuckel durch Widerstandsschweißen Plattenstärke von 1 bis 3 mm. Die Ausbuchtungen 3

verbunden werden können. bestehen aus wechselweise angeordneten Erhöhungen

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind: bzw. Vertiefungen in den Ober- bzw. Unterflächen des

35 Trägers 1, welche durchlaufende Kanten 4 aufweisen,

1. Günstige Stromverteilung über zwei Leiterebenen deren Kantrichtungen senkrecht zu den Längsachsen mit optimal dimensionierten Flachprofilen (Recht- der langgestreckten Flachprofile 2 verlaufen. Zur besseeckprofilen), ren Übersicht wird auf Fig. Ib verwiesen, welche

2. hohe Stabilität der Elektrode sowohl mechanisch bruchstückhaft einen Teil der in F i g. 1 a dargestellten (verwindungssteif), insbesondere wegen des günsti- 40 Elektrode wiedergibt.

geren Widerstandsmoments von Rechteckprofilen Fig. Ib zeigt im vergrößerten Ausschnitt beispiels-

im Vergleich zu Rundprofilen und quadratischen weise den rechten unteren Teil der in F ig. la dargestell-

Profilen, aber auch deshalb, weil alle Flachprofile ten Elektrode. Der plattenförmige Träger 1 ist auf sei-

(Rechteckprofile) der einzelnen Ebenen jeweils ner Oberfläche mit einer dachförmigen Ausbuchtung 3

rechtwinklig zueinander angeordnet sind, 45 versehen, auf der mittels Schweißungen 5 die aufliegen-

3. gute Planität der ebenen Aktivfläche der Elektrode den Flachprofile 2 fest verbunden sind. Die Kanten 4 bleibt nicht nur nach der Herstellung, dem Trans- dieser Erhöhung verlaufen parallel zur Vorderkante 6 port, sondern auch nach dem Einbau (Montage und des rechteckförmigen plattenförmigen Trägers 1.
Demontage) sowie im Betrieb erhalten, was zu ei- Die auf der Oberkante der Ausbuchtung 3 befindliner Senkung der Betriebskosten führt, weil ein gün- 50 chen Schweißungen 5, welche die Flachprofile 2 mit der stigerer, gleichmäßiger Abstand zu der Gegenelek- Ausbuchtung 3 verbinden, befinden sich auf einer durchtrode eingehalten wird, gehenden Linie; dies hat wesentliche fertigungstechni-

4. Sicherheit gegen thermisches Verziehen beim Re- sehe Vorteile, da mit einer einzigen Widerstandsschweiaktivieren. Dies ermöglicht die verwindungssteife ßung viele zueinander parallel angeordnete Flachprofile Konstruktion der erfindungsgemäßen Elektrode, 55 2 mit einer solchen — als Schweißbuckel dienenden —

5. gute Stoffaustauschkinetik nicht nur durch die Ausbuchtung 3 verbunden werden können.

rundum beschichteten, senkrecht stehenden Flach- Durch die hochkant nebeneinander in vorgegebenem

profile (Rechteckprofile), sondern auch durch de- Abstand parallel angeordneten Flachprofile 2 ergibt

ren günstige gegenseitige Beabstandung und Zahl sich ein besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren

der Leiter pro Fläche, 60 der Elektroden durch Widerstandsschweißung. Die ein-

6. trotzdem gute Schweißbarkeit wegen der gegen- zelnen Flachprofile 2 werden durch ein oder mehrere seitigen Zuordnung der Leiterebenen, drahtförmige Stabilisierungselemente 7 mittels Wider-

7. nicht zuletzt eine sehr hohe Materialersparnis an standsschweißung zu einem stabilen Gesamtelement hochwertigen Materialien, wie Titan, bezogen auf zusammengefügt. Dieses Gesamtelement wird wiedereine Elektrode gleicher Fläche, 65 um durch Widerstandsschweißung mit den Schweißbuk-

8. ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil ist die einfache kein in Form von dachförmigen Ausbuchtungen 3 verForm des Materials der Leiter (Flachprofil bzw. bunden.

Rechteckprofil), die die Verwendung von Standard- Da das drahtförmige Stabilisierungselement 7 sich auf

der zum Träger 1 gerichteten Seite der Flachprofile 2 befindet, bildet es auch keinerlei Hindernisse für die Elektrolytströmung auf der den Membranen bzw. Diaphragma zugekehrten äußeren Seiten der Flachprofile 2.

Das Verhältnis von Flachprofilhöhe zum Mittenabstand benachbarter Flachprofile liegt im Bereich von 0,8 :1 bis 1,6 :1. Das Verhältnis von Flachprofilstärke zu Flachprofilhöhe beträgt zwischen 1 :5 und 2 :3. In der Praxis haben sich Flachprofilhöhen von 3 bis 5 mm sowie Flachprofilstärken von 1 bis 2 mm besonders gut bewährt.

Die Blechstärke des Trägers 1 liegt im Bereich von 0,4 bis 3 mm, während die Ausbuchtungen jeweils eine Höhe von 4 bis 8 mm aufweisen. Das bevorzugte Verhältnis zwischen der Blechstärke des Trägers 1 und der Höhe der Erhöhungen liegt im Bereich von 0,05 :1 bis 3 :4. In der Praxis hat sich ein Verhältnis von 1 :5 als besonders gut bewährt herausgestellt, wobei die Blechstärke 1 mm beträgt.

Im oberen Teil der F i g. 1 b ist die auf der Unterfläche des Trägers 1 befindliche Ausbuchtung 3 als Vertiefung erkennbar. Die durch Abkantwerkzeug herstellbare Ausbuchtung verläuft über die gesamte Fläche, wobei hier jedoch nur ein Ausschnitt dargestellt ist. Die auf der Unterseite befindliche Ausbuchtung 3 und die mit ihr durch Widerstandsschweißen fest verbundenen Flachprofile 2 entsprechend in ihrem Aufbau und in ihrer Wirkung den zur oberen Seite der Elektrode gemachten Ausführungen. Die unterhalb des Trägers 1 befindlichen Flachprofile 2 sind durch ein drahtförmiges Stabilisierungselement 7 — entsprechend den Flachprofilen 2 der oberen Seite — elektrisch und mechanisch miteinander fest verbunden.

F i g. 2 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode in einer Elektrolyseanordnung nach dem Prinzip der Filterpressenbauweise. Zwischen den Endplatten 16 befinden sich mit den endständigen Kathoden 9 beginnend, abwechselnd beidseitig mit Flachprofilen bestückte Anoden 10 und Kathoden 11.

Die beidseitig bestückten Elektroden entsprechen den aus Fig. la und Ib bekannten Darstellungen, während die endständigen Elektroden nur einseitig bestückt sind; sie entsprechen ansonsten in ihrem Aufbau den beidseitig bestückten Elektroden.

Als Material für die Anoden 10 kommen Metalle in Frage, die chemisch beständig gegenüber dem Anolyten sind, vorzugsweise Titan und Titanlegierungen, weiterhin sind die Flachprofile mit einer elektrokatalytisch aktiven Beschichtung versehen.

Die Kathoden 9 und 11 sind entsprechend den Anoden aufgebaut und bestehen aus einem Metall, das chemisch beständig gegenüber dem Katholyten ist, vorzugsweise aus Nickel bzw. Nickellegierungen oder rostfreiem Stahl. Die Flachprofile auf der Kathode können eine elektrokatalytisch aktive Beschichtung, beispielsweise Raney-Nickelbeschichtung, aufweisen.

Der Anolytraum und der Katholytraum sind durch ein Diaphragma 12 oder eine ionenselektive Membran getrennt.

Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Elektroden in einem Elektrolyseur nach dem Filterpressenprinzip werden diese in einen Rahmen 17, der vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehen soll wie die zugehörigen Elektroden, eingeschweißt.

Der Rahmen 17 ist mit Durchbrüchen 18 versehen, die dem Zu- bzw. Ablauf des Anolyt bzw. Katholyt dienen. Zur Abdichtung der einzelnen Räume werden auf jeder Seite des Diaphragmas oder der Membran Dichtungen 15 eingebracht, die außerdem der Isolierung der benachbarten Elektroden, die naturgemäß entgegengesetzte Polarität haben, dienen.

Ein wesentliches Kriterium der erfindungsgemäßen Anordnung bilden die Strömungskanäle zwischen den Flachprofilen, die z. B. bei gasentwicklenden Elektroden einen sicheren Abtransport der Gasblasen gewährleistet und in denen eine gute Durchmischung des Elektrolyten stattfindet.

Die Halterungsmaßnahmen zur Filterpressenbauweise sind zwecks besserer Übersicht in F i g. 2 nicht dargestellt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 Aus der US-PS 44 82 448 ist eine Elektrodenstruktur Patentansprüche: für gaserzeugende Elektroden — das heißt Anode oder Kathode — bekannt, welche einen zentralen plattenför-

1. Elektrodenstruktur für elektrochemische ZeI- migen Stromverteiler mit beidseitigen wellenförmigen len, insbesondere für Diaphragma- oder Membran- 5 Ausbuchtungen enthält. Auf den Kämmen der wellenzellen, die einen als Stromverteiler dienenden plat- förmigen Ausbuchtungen sind Elektrodenteile, beitenförmigen Träger aus Metallblech in einer Stärke spielsweise in Form von perforierten Platten oder von wenigstens 0,4 mm besitzt, wobei der Träger Streckmaterial, durch Verschweißen befestigt. Beim beidseitig wenigstens jeweils zwei sich über seine Einsatz in Elektrolysezellen verlaufen die Kämme der Ober- und Unterfläche erstreckende Ausbuchtun- io Ausbuchtungen in vertikaler Richtung, so daß die im gen aufweist, und plattenförmige Elektrodenteile Elektrodenbereich entstehenden Gass zur Oberkante brückenartig auf Kämmen der Ausbuchtungen auf- der Elektrode abgeführt werden können. Es ist somit geschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, möglich, die an den Außenteilen der Elektrode erzeugdaß die Seitenflächen der Ausbuchtungen (3) einen ten Gase aufgrund der porösen bzw. perforierten Strukspitzen Winkel einschließen und als Schweißbuckel 15 tür der Elektrodenteile in die zum Innenbereich der für die plattenförmigen Elektrodenteile (2) dienen, Elektrode gehörenden Ausbuchtungen abzuführen, daß zur Bildung einer Lamellenstruktur eine Viel- Aufgrund ihrer einfachen Struktur soll die Elektrode in zahl von plattenförmigen Elektrodenteilen (2) mit preisgünstigen Verfahrensschritten, wie beispielsweise ihren schmalen Seitenkanten jeweils auf den Kam- Walzen, Stanzen und Schweißen, herzustellen sein, men der Ausbuchtungen (3) aufgeschweißt sind und 20 Als nachteilig erweist es sich, daß nur die unmittelbar mit den Ebenen ihrer breiten Seitenflächen senk- an der Membran anliegenden äußeren Teile der Elekrecht zur Ober- bzw. Unterfläche des Trägers (1) trode zur elektrochemischen Umsetzung beitragen welangeordnet sind. ehe zudem durch Porosität bzw. Perforation in ihrer

2. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch wirksamen Oberfläche reduziert sind, gekennzeichnet, daß die Kämme der Ausbuchtun- 25 Durch Gasbildung infolge elektrochemischer Reakgen (3) im Verlauf ihrer Linien die Ebenen der ein- tion im Bereich der Auflage der Membran auf der Elekzelnen Elektrodenteile (2) in einem Winkel schnei- trodenoberfläche wird die Ionenwanderung — und daden, der zwischen 30° und 90° liegt. mit die Effektivität der elektrochemischen Umsetzung

3. Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, dadurch — erheblich behindert. Weiterhin erfordert die Aufteigekennzeichnet, daß die Ausbuchtungen (3) eine Hö- 30 lung des Elektrodenraumes durch die vertikal verlauhe von 1 bis 10 mm aufweisen. fenden Ausbuchtungen in einzelnen Strömungskam-

4. Elektrodenstruktur nach einem oder mehreren mern eine äußerst gleichmäßige Anströmung dieser der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß elektrolytführenden Kammern, was zu aufwendigen die Ausbuchtungen (3) durch Kanten in Form von Strömungssystemen in der Praxis führt.

Geraden gebildet sind. 35 Aufgrund des seitlich angebrachten Stromanschlusses

5. Elektrodenstruktur nach Anspruch 4, dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand insbesondere für gekennzeichnet, daß der Träger (1) eine rechteckige die auf der gegenüberliegenden Seite befindlichen Teile Grundform aufweist, wobei die Kanten der Aus- der Elektrodenfläche; hieraus ergibt sich eine ungleichbuchtungen (3) mehrere durchgehende Linien zwi- mäßige Stromverteilung auf der Elektrodenfläche,· dies sehen zwei sich gegenüberliegenden Plattenkanten 40 führt zu einer höheren Zellenspannung.

bilden. Weiterhin ist aus der US-PS 40 13 525 bekannt, die

6. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch Gitterstruktur von Anoden als flache Streifen, Bänder gekennzeichnet, daß die Elektrodenteile (2) einen oder Kanäle in U-Form oder umgekehrter U-Form ausrechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis zubilden. An den Verbindungsbogen der umgekehrten von 1 :1,5 bis 1 :5 aufweisen. 45 U-Profile werden die einzelnen kanalartigen Teile zu-

7. Elektrodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch sammengeschweißt. Dabei ist ein ausreichender Spalt gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Mittenab- zwischen den Bändern jedes kanalartigen Elementes Standes benachbarter Elektrodenteile (2) zur Höhe vorzusehen, um den Zugang eines Punktschweiß-Werkder Elektrodenteile im Bereich von 1 :1,6 bis 1 :0,8 zeugkopfes zu ermöglichen, da die kanalartigen EIeliegt. 50 mente mit einem Leiter durch Punktschweißen verbun-

8. Elektrodenstruktur nach Anspruch 6 oder 7, da- den werden müssen. Hierdurch wird andererseits die durch gekennzeichnet, daß alle Elektrodenteile (2) von der Stromverteilung her erwünschte große Anzahl einer Trägerseite jeweils durch wenigstens zwei von einzelnen Leiterelementen begrenzt. Außerdem drahtförmige Stabilisierungselemente (7) aus Metall müssen auf der Oberseite der Elemente mit umgekehrdurch Verschweißen miteinander verbunden sind. 55 tem U die Bögen zwischen den Verbindungsstegen entfernt werden, so daß relativ große Mengen an Titan zu

Abfall werden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Elektroden aus verhältnismäßig einfachen Grundstrukturen in ökono-

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur für 60 mischer Weise aufzubauen, welche möglichst große akelektrochemische Zellen, insbesondere für Diaphragma- tive Flächen aufweisen, so daß sie auch in elektrochemi- oder Membranzellen, die einen als Stromverteiler die- sehen Zellen des Filterpreßtyps einsetzbar sind. Sie solnenden plattenförmigen Träger aus Metallblech in einer len in unmittelbarer Nähe des Separators eine möglichst Stärke von wenigstens 0,4 mm besitzt, wobei der Träger große aktive Fläche erzielen und gleichzeitig einen optibeidseitig wenigstens jeweils zwei sich über seine Ober- 65 malen Gastransport aus dem Bereich der elektrochemi- und Unterfläche erstreckende Ausbuchtungen aufweist, sehen Umsetzung gewährleisten. Die plattenförmigen und plattenförmige Elektrodenteile brückenartig auf Stromverteiler sollen durch ihre Struktur ein möglichst Kämmen der Ausbuchtungen aufgeschweißt sind. einfaches Aufschweißen der Elektrodenteile ermögli-