EP0107135A1 - Bipolare Elektrode - Google Patents
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- C25B9/60—Constructional parts of cells
- C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
Definitions
- the invention relates to a bipolar electrode for use in electrochemical processes according to the preamble of the main claim.
- the object of the invention is to provide a bipolar electrode which is made in one piece and flat, in particular flap-shaped, and consists of two completely different materials which are assembled in one plane
- normally non-weldable materials can also be used in the solution according to the invention, they correspond to the electrochemical properties desired for the anode or cathode, and the conditions of the respective electrochemical process can also be optimized in the desired manner.
- the bipolar electrode has an anode part 1 and a cathode part 2. Both are connected in one plane via an intermediate piece 3, as shown in the figures.
- the intermediate piece 3 consists in its part 5 facing the anode made of anodic material and in its side 6 facing the cathode made of cathodic material. Both areas are separated by a boundary or butting surface 4, only visible from the outside as a line and the thickness of which corresponds essentially to the anode and cathode.
- the intermediate piece 3 designed as a composite body is arranged between the joints on the narrow sides of the anode and cathode, which face each other, and is connected to them by welding.
- valve metals as are usually used for dimensionally stable anodes, namely titanium, tantalum, zirconium, niobium, tungsten, are suitable as anode material.
- Such a base body of the anode material also has an electrically conductive surface made of, for example, a platinum metal, a platinum metal oxide or a conductive metal oxide or oxide mixture which is resistant to the anolyte.
- Valve metals are metals that form non-conductive oxides that are resistant to the anolyte.
- An expanded metal, mesh or grid anode is preferred because of the larger electrocatalytically active area and the good flow possibilities of the electrolyte.
- the cathode is also preferably perforated and made of flat sheet metal or plates, like the anode, only consisting of an electrically conductive material resistant to the catholyte, such as steel, nickel, iron or alloys of these materials.
- the surface of the cathode is advantageously coated with nickel or a nickel alloy or compound.
- the composite body produced in this way has an intermetallic phase connection, with good fine grain of the materials and particularly high density, that is to say without defects such as hairline cracks and the like. This makes it possible to achieve a good current flow and thus also low potential losses.
- the hot isostatic pressing process was carried out in a known manner in a W.C. Heraeus GmbH, Hanau. Instead of the hot isostatic pressing process, an intermetallic connection between the two normally non-weldable materials can also be produced by explosive plating or a conventional diffusion welding process, but hot isostatic pressing is preferred.
- composite electrodes of the bipolar type can also be composed of a multiplicity of anode and cathode parts assembled in pairs with intermediate pieces to form a one-piece flat, in particular plate-shaped electrode.
- the configuration of the electrode is only dependent on the size of the cell and the arrangement therein as well as the desired electrolyte flow and the current supply and discharge lines.
- the bipolar electrodes according to the invention can be used in electrochemical cells, in particular they are well suited for the electrolysis of aqueous solutions of the alkali metal chlorides.
- a bipolar electrode is not directly connected to the power supply, but one surface acts as an anode and the other as a cathode when the current flows through the cell. Brackets are suitable for the power supply, each connecting the same-pole parts of the electrodes.
- the new bipolar electrodes can advantageously be arranged in the cell (horizontally or vertically) in such a way that one cathode row is located opposite one anode area.
- a titanium and a steel sheet were welded in a chamber with an argon atmosphere, advantageously in a capsule made of the same steel, one side of the steel capsule already having the desired thickness of the steel part of the connecting piece after it had been pre-cleaned, in particular pickled and / or degreased .
- the capsule was hot isostatically pressed at a pressure between 800 and 2000 bar and a temperature in the range between about 780 and 820 ° C. and kept under pressure and temperature for a period of about 30-180, in particular 60-120, minutes with prior heating and subsequent cooling.
- the composite body thus produced was then freed from the capsule, for example by mechanical or chemical removal. If necessary, the pressed body can then be divided into the final shape - small strips
- the direction of flow of the electrolytes can be between the plate-shaped electrodes, that is to say along their plane, or in each case through the perforation of the electrodes.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode zur Verwendung in elektrochemischen Prozessen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
- Bisher wurde bei derartigen Elektrolysezellen vorallem zwei Lösungen favorisiert:
- a) Anoden- und Kathodenteil bestehen beide aus dem gleichen Material und das Anodenteil weist einen elektrokatalytisch aktiven Überzug auf oder beide Teile sind aus Legierungen mit gleichen Hauptbestandteilen bestehend (vergleiche zum Beispiel DE-AS 24 35 185);
- b) Anode und Kathode liegen parallel und im Abstand zueinander und sind über Rückenplatten aus zweilagigen Metallstreifen miteinander verbunden (vergleiche DE-OS 26 56 110).
- Bei bipolaren Elektroden, deren Anoden- und Kathodenteile parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind, steht für die Verbindung der Teile untereinander eine ausreichende Fläche zur Verfügung, weshalb sie mit üblichen Methoden leicht durchführbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, eine bipolare Elektrode zu schaffen, die einstückig und eben, insbesondere pattenförmig ausgebildet ist und aus zvei ganz verschiedenen Materialien besteht, die in einer Ebene zusammenzusetzen
- Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch enthaltenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Besondere Vorteile der Erfindung sind die einfache Herstellbarkeit, ein niedriges Potential, insbesondere Wasserstoffüberspannung, die Vermeidung der Hydridbildung auf der Kathodenseite, insbesondere in Chloratzellen.
- Dadurch daß bei der erfindungsgemäßen Lösung auch normalerweise nicht verschweißbare Materialien verwendet werden können, sie entsprechen den für die Anode oder Kathode gewünschten elektrochemischen Eigenschaften, lassen sich auch die Bedingungen des jeweiligen elektrochemischen Prozesses in gewünschter Weise optimieren.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen der Ausführungsbeispiele, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
- Es zeigen
- Figur 1 eine Draufsicht auf die zusammengesetzte bipolare Elektrode,
- Figur 2 einen Längsschnitt durch die Elektrode nach Figur 1.
- Die bipolare Elektrode weist ein Anodenteil 1 und ein Kathodenteil 2 auf. Beide sind in einer Ebene miteinander verbunden über ein Zwischenstück 3, wie in den Figuren dargestellt. Das Zwischenstück 3 besteht in seinem der Anode zugekehrten Teil 5 aus anodischem Material und in seiner der Kathode zugekehrten Seite 6 aus kathodischem Matetial. Beide Bereiche sind getrennt durch eine Grenz- oder Stoßfläche 4, von außen nur sichtbar als Linie und deren Dicke der Anode und Kathode im wesentlichen entspricht. Das als Verbundkörper ausgebildete Zwischenstück 3 ist zwischen den Stoßstellen an den Schmalseiten der Anode und Kathode, die einander zugekehrt sind, angeordnet und wird durch Schweißen mit diesen verbunden. Bevorzugt sind übliche Schmelz-Schweißverfahren, nämlich Widerstands-und Punktschweißen, WIG- oder NIG-Schweißen, Schweißen mittels Laserstrahlen und dergleichen. Als Anodenmaterial kommen sogenannte Ventilmetalle in Frage, wie sie üblicherweise für dimensionsstabile Anoden verwendet, nämlich Titan, Tantal, Zirkonium, Niob, Wolfram. Ein solcher Grundkörper des Anodenmaterials besitzt noch eine elektrischleitende Fläche aus zum Beispiel einem Platinmetall, einem Platinmetalloxid oder einem leitenden, gegenüber dem Anolyt beständigen Metalloxyd oder Oxydgemisch. Ventilmetalle sind Metalle, welche nichtleitende Oxyde bilden, die gegenüber dem Anolyt widerstandsfähig sind. Eine Streckmetall-, Netz- oder Gitteranode wird wegen der größeren elektrokatalytisch wirksamen Fläche und den guten Strömungsmöglichkeiten des Elektrolyten bevorzugt.
- Die Kathode ist ebenfalls vorzugsweise perforiert und aus ebenem Blech oder Platten hergestellt wie die Anode lediglich aus einem elektrischleitenden gegenüber dem Katolyt widerstandsfähigen Stoff wie Stahl, Nickel, Eisen oder Legierungen dieser Materialien bestehend. Mit Vorteil wird die Kathode auf ihrer Oberfläche beschichtet mit Nickel oder einer Nickellegierung oder -verbindung.
- Ein besonderes Problem stellte bisher die Verbindung sogenannter unverträglicher Materalien, wie zum Beispiel lantal und Stahl bzw. Titan und Stahl und andere, dar, welehe normalerweise nicht miteinander verschveißbar uind. Han hat dann ein Zvisehenstück aus einem Material, wie zum Beispiel Kupfer, vorgesehen.
- Wesentlich ist, daß der so hergestellte Verbundkörper eine intermetallische Phasenverbindung aufweist, mit guter Feinkörnigkeit der Materialien und besonders hoher Dichte, das heißt ohne Fehlstellen wie Haarrisse und dergleichen mehr. Dadurch ist es möglich einen guten Stromdurchfluß zu erzielen und damit auch geringe Potentialverluste.
- Das heißisostatische Pressverfahren wurde in bekannter Weise in einer Anlage der W.C. Heraeus GmbH, Hanau durchgeführt. Anstelle des heißisostatischen Pressverfahrens kann auch eine intermetallische Verbindung zwischen den zwei normalerweise nicht schweißbaren Materialien durch Sprengplattieren oder ein übliches Diffusionsschweißverfahren hergestellt werden, jedoch wird das heißisostatische Pressen bevorzugt.
- Es ist selbstverständlich, daß zusammengesetzte Elektroden des bipolaren Typs auch aus einer Vielzahl von paarweise zusammengesetzten Anoden- und Kathodenteilen mit Zwischenstücken zur Bildung einer einstückigen ebenen, insbesondere plattenförmigen Elektrode zusammengesetzt werden können. Die Konfiguration der Elektrode ist lediglich abhängig von der Größe der Zelle und der Anordnung darin sowie dem gewünschten Elektrolytfluß und den Stromzu- bzw. ableitungen.
- Die erfindungsgemäßen bipolaren Elektroden sind anwendbar in elektrochemischen Zellen, insbesondere sind sie gut geeignet für die Elektrolyse von wässrigen Lösungen der Alkalichloride. Eine bipolare Elektrode ist nicht direkt mit der Stromzuführung verbunden, sondern eine Fläche wirkt als Anode und die andere als Kathode, wenn der Strom durch die Zelle fließt. Für die Stromzuführung sind Klammern geeignet, die jeweils die gleichpoligen Teile der Elektroden verbinden. Mit Vorteil können die neuen bipolaren Elektroden in der Zelle so angeordnet werden (horizontal oder vertikal), daß je ein Kathodenbererch je einem Anodenbereich gegenüber liegt.
- welehes mit beiden werksfoffen das heißt dem der Anode und der Kathode, ernwandfrei werden konnte. Es ist aber bekannt, daß insbesondere die Korrosionsbeständigkeit, ja allgemein die Widcrstandfähigkeit gegenüber dem Elektrolyt von Kupfer nicht gegeben ist.
- Wollte man aus zwei normalerweise miteinander nicht verschweißbarcn Metallen ein Bimetall herstellen, so geschieht das üblicherweise durch Walzplattieren. Ein solcher Plattierverbund hielt jedoch den Bedingungen an das Schmelz-Schweißverfahren wegen der benötigten hohen Temperaturen für die üblichen Anoden- und Kathodenmaterialien nicht stand.
- Die Erfindung geht hier einen anderen Weg:
- Es werden Zwischenstücke aus einem Verbundkörper hergestellt, zum Beispiel jeweils zur Hälfte aus Anoden- und Kathodenmaterial und stumpf aneinanderstoßend über die Breite und Dicke der im wesentlichen plattenförmigen Elektrode. Die Verbundkörper sind im wesentlichen vor dem Verbinden mit den Elektrodenteilen streifenförmig gestaltet und von etwa der Breite der Elektrode. Sie werden zum Beispiel wie folgt hergestellt:
- Ein Titan- und ein Stahlblech wurden in einer Kammer mit Argonatmosphäre, vorteilhafterweise in einer Kapsel aus gleichem Stahl eingeschweißt, wobei die eine Seite der Stahlkapsel bereits die gewünschte Dicke des Stahlteiles des Verbindungsstückes aufweist, nachdem sie vorgereinigt, insbesondere gebeizt und/oder entfettet, waren. Die Kapsel wurde bei einem Druck zwischen 800 und 2000 bar und einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 780 und 820°C heißisostatisch gepresst und unter Druck und Temperatur gehalten für eine Zeitdauer von etwa 30 - 180, insbesondere 60 - 120, Minuten mit vorherigem Aufheizen und nachfolgendem Abkühlen. Der so hergestellte Verbundkörper wurde danach von der Kapsel befreit, zum Beispiel durch mechanisches oder chemisches Entfernen. Der gepresste Körper kann gegebenenfalls anschließend in die Endform - kleine Streifen - zerteilt werden
- Die Strömungsrichtung der Elektrolyten kann zwischen den plattenförmigen Elektroden hindurch, das heißt entlang deren Ebene sein, oder jeweils durch die Perforierung der Elektroden hindurch. Zwischen Ein- und Außlaß der Zelle erfolgt gegebenenfalls ein Elektrolytumlauf.
- Weitere Abwandlungen der Ausführungsbeispiele können vorgenomme werden, ohne hierdurch den allgemeinen Erfindungsgedanken, der sich insbesondere in den Ansprüchen niederschlägt, zu verlassen.
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