JP2007530250A - 低導電体の液体を電気化学的に処理するための電極アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低導電体の液体を電気化学的に処理するための電極アセンブリに関する。この電極アセンブリは、高分子固体電解質（３）が間にある複数の電極（１，２）を有する。これらの電極は、押圧手段（９１）によって互いに押圧されており、液体がアセンブリを貫流することができるように、形成されている。【解決手段】押圧手段（９１）は電極（１，２）に支持される。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、低導電体の液体を電気化学的に処理するための電極アセンブリに関する。この電極アセンブリは、高分子固体電解質が間にある複数の電極を有し、これらの電極は、押圧手段によって互いに押圧されており、液体がアセンブリを貫流することができるように、形成されている。

このようなタイプの電極アセンブリのための主要利用範囲は、純水または高純度水を特に無菌におよび藻類を含まないようにすべきである水システムにある。この場合、水システムは、配管、溜めタンク、開口した槽等により構成することが可能である。

明細書の最初の部分に記載されたタイプの電極アセンブリは、特に、雨水の殺菌、半導体産業および薬品産業における循環する高純度水の殺菌、洗浄水中の有機的な負荷の除去、食品産業および化粧品産業用の水の浄化のために、ならびにあらゆる種類の循環する工業用の冷却水における使用のために用いられる。その目的は、藻類の成長または細菌の成長を防ぎ、あるいは高い汚染の場合には減少を達成するためである。

このような電極アセンブリによって、細菌を酸化し、従って殺しまたは不活性化する酸化剤を発生させることができる。

酸化剤の電気化学的な発生は、その都度の使用例への適合が原則的に可能であるという利点を有する。かくて、水システムが既に藻類または生物で汚染されていて、洗浄および殺菌されねばならないときに、多量の酸化剤が要求される。しかるに、この過程が終了したときには、水システムを、殺菌および洗浄された状態に恒常的に保つことができる。この目的ためには、時々のみ、少量の酸化剤が必要なだけである。

更に、水システムが、事故によって、高い割合の有機的な負荷で汚染されるときは、異なった量の酸化剤が要求される。類似なことがタンクへの充填にも当て嵌まる。このタンクでは、まず、初期殺菌を行なうためには、酸化剤の多量の生成が必要であるが、続いて、殺菌された状態を維持するためには、ほんの僅かな量の酸化剤で十分である。

原理的には、酸化剤の生成への種々の要求を満たすためには、電気化学的方法が適切である。何故ならば、酸化剤の生成を電気供給によって制御することができるからである。

低導電体の液体、例えば高純度水を処理するためには、水の高い抵抗の故に、酸化剤の生成のために必要な電流密度を発生させるために、高電圧を用いることが必要である。この問題の部分的な解決は、高分子固体電解質の使用によって可能である。このような高分子固体電解質は、好ましくは、数１０分の１ミリないし数ミリの厚さを有する膜の形態で、イオン導電性で、複数の電極間のギャップを架橋し、複数の電極間の中間層として、短絡を回避するために適切である。高分子固体電解質の比較的良好なイオン導電性の故に、一方の電極の電位は、他方の電極は、非常に近くに電位がもたらされる。高分子固体電解質の表面と、これの直ぐ近くの電極との間にある水の膜が、高い電流密度に晒される。

複数のこのような電極アセンブリの実現化は、ここ数１０年来、原則的には同じ方法で、「フィッシャー式セル」（Fischer-Zelle）の構成によって実現されてきた。この場合、平面状に形成された電極は、取り囲むハウジングによって形成された押圧手段によって、複数の電極間にありかつ高分子固体電解質からなる膜へ平面状に押圧される。十分な接触圧力の生起は、ハウジングの平面状の押圧プレートの螺着によってなされる。この螺着は最小トルクによってなされねばならない。

このようなセルの構成は、ハウジングの押圧プレートの必要な高い安定性の故に、高く、面倒な処理をもたらす。更に、大きい流量への適合が問題である。何故ならば、このためには、セルの有効な電極面を拡大しなければならず、あるいは、液流を複数のセルに分配して導かねばならないからである。

フィッシャー式セルは、最初は、酸化鉛の電極によって構成された。この場合、酸化鉛のアノードの使用は、電極が保護電位に保たれないときに、電極が水中で分解されるという他の欠点を有する。従って、酸化鉛のアノードを有する電極アセンブリの使用は、連続的な作動中にのみ可能である。それ故に、用いられるセルを必要なときにのみ用いるという選択は行なわれない。

多数の形成された溝状のチャンネルの故に液体が電極の中を貫流することが可能であり、ドープされたダイヤモンド層からなる表面を有する電極が、例えばDE 100 25 167 A1によって開示されている。このような電極は、同様に、フィッシャー式セルのように形成されたセル（DE 295 04 323 U1を参照）に設けられている。このセルに伴う処理上の欠点は、当業者によって、ここ数１０年来、変えられないとして受けとめられた。

本発明の課題は、明細書の最初の部分に記載されたタイプの電極アセンブリを、この電極アセンブリが当該の電解質セルの有効な構造を可能にし、しかしながら、簡単に構成されかつ取り扱えることができるように改善することである。

上記課題を解決するために、本発明では、明細書の最初の部分に記載されたタイプの電極アセンブリは、押圧手段が電極に支持されることを特徴とする。

従って、本発明に係わる電極アセンブリは、電極を、複数の電極間に挿入された高分子固体電解質へ押し付けるために、面倒な押圧プレートを有する特別なハウジング・アセンブリを有さず、複数の電極と直接に結合されており、かつ複数の電極のむしろ比較的僅かな機械的安定性から接触圧力を得る押圧手段のみを有する。有効な電極アセンブリが、数１０年来存在する当業者の考えとは逆に、電極を高分子固体電解質へ押し付ける非常に高い接触圧力なしにも実現化される、という知識が、本発明の基礎になっている。適切な電極にとっては、電極の比較的低い所定の接触圧力のみを、高分子固体電解質に加えることで十分である。それ故に、かような接触圧力を、特別に構成されたハウジング部分によって、労力を使って発生する必要がなく、容易に、電極自体に直接に加えることができる。

電極の支持体材料として、例えばドープされたダイヤモンド層で被覆されたエキスパンドメタル格子(expanded metal grid)を用いることが、例えば可能である。プラスチックねじの頭部が電極に当接するまで、プラスチックねじを、エキスパンドメタル格子の格子開口部の中へ差し通すことができる。２つの電極を高分子固体電解質の方向に締め付けることを、ナットをねじ付きボルトの表面に沿って螺着することによって行なうことができる。ねじ付きボルトは、２つの電極と、これらの電極間にある固体電解質とを通って突き出ている。

この場合、電極アセンブリに液体を集中的に貫流することは、好ましくは膜の形態に形成された高分子固体電解質も、複数の貫流開口部を有することによって、保証することができる。更に、液体が複数の電極間の相互空間を貫流することを、高分子固体電解質が、互いに間隔をあけたストリップの形で、複数の電極間の相互空間に設けられていることによって、保証することも可能である。この思想の実施の形態では、高分子固体電解質が、全ての側で互いに間隔をあけた面部分の形で、相互空間に設けられていることが可能である。それ故に、液体が相互空間を種々の方向に貫流することが保証されている。

高分子固体電解質が、複数の電極間に膜の形態で挿入されていてもよい。特に、高分子固体電解質を全ての側で互いに間隔をあけた面部分の形で形成する場合には、しかし、高分子固体電解質が、複数の電極のうちの１に、表面層として付着されていることは適切である。

本発明に係わる電極アセンブリが、接触圧力の面倒な発生を必要としないので、大きい流量に対してさえ有効な電解質手段を可能にするスタックを、電極アセンブリで構成することは容易に可能である。押圧手段が電極自体において支持されるので、複数の電極間に設けられた高分子固体電解質を有する多数の電極を設けてスタックを形成することは容易に可能である。この場合、複数の電極が、共通の面から突出する接触ラグによって、電気接触のために設けられていることは特に適切である。この場合、一方ではスタックにおけるアノードのおよび他方ではスタックにおけるカソードの複数の接触ラグが、互いに一直線に並んで形成されていてもよい。その目的は、例えば、複数の接触ラグの開口部の中に差し通された接触棒によって、共通の接触を容易化するためである。

本発明に係わる電極アセンブリは、驚異的に容易に、従来通常の平面状の電極と異なる物も可能にする。例えば、２つの電極を棒状に形成すること、および複数の電極間の高分子固体電解質を、固体電解質がストリップの形態で予圧をかけて電極に交互に巻き付いていることによって、実現化することも、可能である。この場合、ストリップを、２つの電極夫々の周りに８の字の形状に巻き付いた状態で付着することができる。内的接触を保証するために、所定の予圧で巻き付けがなされる。２つの電極を、高分子固体電解質の、複数の電極間にあるストリップ部分へ押し付けることは、例えば、複数の電極の周りに巻き付いておりかつ接触圧力の発生のために互いにねじれた端部を有するワイヤ状の材料によって、なされることができる。この場合、ワイヤ状の材料が、好ましくは絶縁材料であてもよいか、絶縁層を介して複数の電極に接触していてもよい。

以下、図面に示した実施の形態を参照して本発明を詳述する。

図１は、エキスパンドメタル格子１１，２１の形態の２つの電極１，２を示す。第１の電極１がカソードとして用いられ、これに対し、第２の電極２はアノードとして機能する。２つの電極１，２は、矩形の横断面をもって平面状に形成されており、同一の平面形状を有する。２つの電極１、２間には、これらの電極１，２の面に対応する面を有する膜３１の形態の、高分子固体電解質３が、位置されている。この膜３１は、４つの角部領域に、夫々１つの貫通孔４を有する。また、この膜は、例えば、０．４と０．８ｍｍとの間の厚みを有する。

前記電極１，２は、エキスパンドメタル格子１１，２１の矩形の面の外側に、面から突出した夫々１つの接触ラグ５，６を有する。これら２つの接触ラグは、貫通孔７，８を夫々有する。

図２は、エキスパンドメタル格子１１，２１から形成されておりかつ夫々１つの固体電解質３を挟んでいる電極１，２が、押圧手段９によって、互いに向かって押圧され、この押圧手段９が、組み合わされてスタックを形成する４つの電極アセンブリ１，２、３を通って延びていることを示している。締付は、ねじ付きボルト９の面に沿って電極１，２へ締め付けることができる複数のナット１０によってなされる。

図１に示すように、４つのねじ付きボルト９が設けられている。これらのねじ付きボルトは、エキスパンドメタル格子１１，２１の相互空間および高分子固体電解質３の貫通孔４を通って差し込まれている。

図３は、斜視図で、電極１，２の各々が、供給電圧の異なった極に接続されることを明示する。複数の電極１，２は、図１ないし３に示した実施の形態で、エキスパンドメタル格子１１，２１の形態の支持体をもって形成されており、ドープされたダイヤモンド層で被覆されている。複数の電極１，２に、異なった大きさの供給電圧を印加することも可能である。

図４は、複数の電極１，２が、ドープされたダイヤモンド層で被覆されている金属プレート１２，２２により、形成されてなる変更の実施の形態を示す。これらの電極は、角部領域に貫通孔４１を有する。これらの貫通孔を通って、ねじ付きボルト９が、図２および３で説明したように、差し込まれている。

高分子電解質３は、この実施の形態では、垂直に立っており、かつ互いに平行に間隔をあけて設けられた複数のストリップ３２によって形成されている。図５の平面図は、液体が、形成されたスタックの電極アセンブリを、ストリップ３２によって、図面の面に対し直角方向に貫流することができることを示している。

図６に示したスタック・アセンブリは、ここではストリップ３２の形態の各々の固体電解質３によって互いに分離されている４つの同一の電極１により構成されている。この場合、接触接続は、２つの外側の電極１のみに、異なった極性でなされる。このことによって、複数の中間の電極が、相応に段階的な電位を帯びる。これらの中間の電極が（一方の側で）アノードとしておよびカソードとして作用してなる、かようなアセンブリを、双極アセンブリとも呼ぶ。

図７に示した実施の形態は、図４に示した実施の形態とは、液体が複数の電極１，２を貫流することができる複数の水平方向のスリット状の貫通孔４２を有する複数の金属プレート１３，２３からなる複数の電極１，２を、支持体として用いることの点でのみ、異なる。従って、図８の複数の矢印は、（図の面に対し直角方向の）垂直方向の貫流の他に、スタック方向での複数の電極アセンブリ中の液体の貫流が可能であることを示す。

図９に示した実施の形態では、複数の円形の面部分３３の形態の高分子固体電解質３が、第１の電極１の方に向いている第２の電極２の表面に付着されている。従って、高分子電解質３が電極２の表面に積層されている。図１０の多重の電極アセンブリの平面図が示すように、液体が、電極１、２間の相互空間を、水平方向および垂直方向に貫流することができる。何故ならば、複数の面部分３３が、全ての側で、互いに間隔をあけているからである。このことによって、貫流領域が間隔をあけて生じる。

図１１は、拡大略図で、複数の接触ラグ５，６と、これらの接触ラグにある貫通孔７，８とによる電極１，２の接触を明示する。夫々同じ極性の電極１，２の複数の接触ラグ５，６は、互いに一直線状に整列されている（図１１には、スタックの２つの後方の電極１，２のためのみの接触ラグ５，６が示されている）。第１の電極１の接触ラグ５は、互いに一直線に並んでいる貫通孔７へ差し通された（図示しない）コンタクトボルトによって、互いに接触可能であり、従って、供給電圧の極と結合可能である。同様にして、複数の接触ラグ６と、これらの接触ラグにある互いに一直線に並んでいる複数の貫通孔８とによる複数の他方の電極２の接触がなされる。

図１２は、処理用セル１００の構造を明示する。よく分かるように、複数の電極アセンブリの複数のアノード２のみが示されている。これらのアノードは、互いに一直線に並んでいる複数の接触ラグ５を介して接触されている。セル１００は、洗浄される水のための取入れ口１０２を有するハウジング１０１を具備する。洗浄される水は、ハウジング１０１の中で、下方から上方へ、複数の電極２の領域に流れ込み、これらの電極２の領域から側方へ流出する。その目的は、排出口１０３を介して、洗浄された形態でハウジング１０１を出て行くためである。ハウジング１０１の上方領域には、複数の換気用スリット１０４がある。

図１３は、複数の電極１，２の他のタイプのアセンブリを示す。これらの電極は、この実施の形態では、棒状の電極１４，２４として形成されている。電極１、２間のスペーサとして、固体電解質３が用いられる。この固体電解質は、長いストリップ３４の形態で、曲がりくねって、「８の字」の形状を形成する。この８の字の周りには、電極１，２が予圧をかけて巻き付けられている。それ故に、ストリップ３４は電極１，２同士を引き寄せる。複数の電極を向かい合わせて押し付けることおよび／または、固体電解質３の、これらの電極間にある複数の部分へ電極を押し付けることが、複数の電極１，２の周りに巻き付いておりワイヤ状の絶縁材料からなる２つのループ９１によってなされる。これらのループは、ねじった端部によって、圧縮可能であって、かくて、電極１，２同士を引き寄せる。

電極１，２の接触は、端面端部で、接触部材５１，６１によってなされる。電極アセンブリのこのような実施の形態は、特に、管システムにおける水の洗浄のために、適切である。

２つの電極と、これらの電極間に設けられかつ固体電解質からなる膜との略図を示す。 図１に示したアセンブリで形成されたスタックを示す。 図２に示したスタックの斜視図を示す。 互いに平行に設けられたストリップの形態の固体電解質を有する２つの電極の他の実施の形態を示す。 図に示したアセンブリで形成されておりかつ各々の電極が接触されてなるスタックの、その平面図を示す。 図４に示したアセンブリで形成されておりかつ複数の外側の電極のみが接触されるスタックを示す。 複数の電極プレートが複数のスリット状の貫通孔を有する、図４に示したアセンブリの変更の実施の形態を示す。 図７に示したアセンブリで形成されたスタックを示す。 ２つの電極からなるアセンブリを示す。これらの電極のうち、一方の電極が、他方の電極に向いている表面に、高分子固体電解質の付着された面部分で被覆されている。 図９に示したアセンブリで形成されたスタックを示す。 極性の異なった電極に接触ラグを有する、図３に類似の斜視図を示す。 電極のスタックが送り込まれた処理用セルの略図を示す。 ２つの棒状の電極を有する電極アセンブリの図を示す。

Claims (16)

1. 低導電体の液体を電気化学的に処理するための電極アセンブリであって、高分子固体電解質（３）が間にある複数の電極（１，２）を有し、これらの電極は、押圧手段（９，１０；９１）によって互いに押圧されており、液体がこのアセンブリを貫流することができるように、形成されている電極アセンブリにおいて、
   前記押圧手段（９，１０；９１）は、前記複数の電極（１，２）に支持されていることを特徴とする電極アセンブリ。
2. 少なくとも１つの電極（１，２）は、ドープされたダイヤモンド層で被覆された支持体を有することを特徴とする請求項１に記載の電極アセンブリ。
3. 前記支持体は、金属からなることを特徴とする請求項２に記載の電極アセンブリ。
4. 前記支持体は、エキスパンドメタル格子（１１，２１）によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電極アセンブリ。
5. 前記複数の電極（１，２）は、前記高分子固体電解質（３）に通じる複数の貫通孔（４２）を有することを特徴とする請求項２または３に記載の電極アセンブリ。
6. 前記固体電解質（３）は、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
7. 前記高分子固体電解質（３）は、前記複数の電極（１，２）間の相互空間を部分的にのみ満たしていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
8. 前記高分子固体電解質（３）は、互いに間隔をあけたストリップの形で、前記複数の電極（１，２）間の前記相互空間に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の電極アセンブリ。
9. 前記高分子固体電解質（３）は、全ての側で互いに間隔をあけた複数の面部分（３３）のところで、前記複数の電極（１，２）間の前記相互空間に設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
10. 前記高分子固体電解質（３）は、前記複数の電極（２）のうちの１に、表面層として付着されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
11. この電極アセンブリは、前記複数の電極（１，２）と、夫々２つの電極（１，２）間に設けられた前記複数の高分子固体電解質（３）とからなるスタックによって形成されており、前記電極と前記高分子固体電解質とは、共に、前記押圧手段（９，１０）によって互いに押圧されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
12. 各々が２つの電極（１，２）と１つの高分子固体電解質（３）とによって形成されている複数の個々のアセンブリは、前記押圧手段（９，１０）と結合されていて、スタックを形成することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
13. 前記複数の電極（１，２）は平面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
14. 前記押圧手段（９，１０）は、前記複数の電極を貫通し、絶縁材料からなる複数のねじ手段によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
15. 前記押圧手段（９１）は、前記複数の電極（１，２）の周りに巻き付いておりかつ接触圧力の発生のために互いにねじれた端部を有するワイヤ状の材料によって、形成されていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１に記載の電極アセンブリ。
16. ２つの前記電極（１，２）が棒状に形成されていること、および前記高分子固体電解質（３）が、ストリップ（３４）の形態で、予圧をかけて前記２つの電極（１，２）に交互に巻き付いていることを特徴とする請求項１ないし１２および１５のいずれか１に記載の電極アセンブリ。

Images