JP5449765B2 - 円筒形電極 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学的プロセス用の円筒形形状の電極に関し、更に詳細には、表面に触媒活性を備えた金属製中央導体を含む円筒形電極に関する。

円筒形形状の電極を使用することは、電気化学の幾つかの分野で周知である。多くの場合おいて、円筒形中空電極とその内部に同心に配置された対応する電極を含むこれらの円筒形電極は、現在、電気透析（ＰＣＴ／ＵＳ２００３／００１０６３９号参照）、水の電気分解（ドイツ国特許第ＤＥ １９６ ３６ １７１号参照）、オゾンの製造（ＰＣＴ／ＪＰ２００１／１９８５７４号参照）、及び他の用途で使用されている。

それにも関わらず、円筒形の、多くの場合に同心の電極形体を使用する最も重要なプロセスは、様々な汚染物を除去して上水化又は浄化を行うプロセス（例えば米国特許第５，６３５，０４０号参照）、水溶液からの金属回収プロセス（米国特許第６，４５１，１８３号又はドイツ国特許第ＤＥ １９７ ４９ ４４５号）、及び廃水（産業廃液、下水、等）の処理プロセスである。特に小型の電気化学的セルの円筒形形状は、特に流体の分配に関して大きな利点を提供する。円筒形電極は、考えているプロセスに応じて、アノードであってもカソードであってもよい。多くの場合、このような電極は、ガス発生反応、例えば水素をカソードで発生させる反応や、アノードで酸素、オゾン、又は塩素を発生させる反応に適している。ガス発生反応、特にアノードでのガス発生反応は、十分な効率で行うために触媒を用いなければならず、従って、従来技術の円筒形電極は、通常は金属酸化物をベースとした触媒でコーティングした、金属製の円筒形導電性支持体（通常は、アノードの場合にはチタニウム又は他のバルブ金属）でできている。触媒は、広く知られているように、発生されるべきガスの種類及び必要な電位で決まる。円筒形支持体への触媒コーティングの適用プロセスは、円筒形支持体に前駆物質を塗布する工程と、次いで、この前駆物質を高温（３５０℃乃至７００℃）での熱処理によって変換する工程を含む。金属電極に前駆物質溶液を塗布する工程は、好ましくは、静電スプレープロセスによって実施される。この場合には、均等に塗布することに関し、円筒形形状よりも平らな形状の方が好ましい。更に、触媒コーティングは作動寿命が限られている（用途によって、１年乃至５年）。元来のコーティングが消耗してしまうと、機械的手段によって完全に除去して元に戻さなければならない。コーティング除去作業は、特に円筒形形状について、特に小型のものについて、手間がかかる。いずれにせよ、電極の触媒活性を元に戻すには長い時間が掛かり、そのため、工場の作業に望ましからぬ制限が加えられ、又は製造の一時的中断が余儀なくされ、電極を計画的に周期的に再活性化できるようにする上で工場の全体の大きさが大きくなり、又は大量の交換電極を貯蔵する必要がある。これは、費用を投資する観点から見ると、非常に厄介な解決策である。
ＰＣＴ／ＵＳ２００３／００１０６３９号 ドイツ国特許第ＤＥ １９６ ３６ １７１号 ＰＣＴ／ＪＰ２００１／１９８５７４号 米国特許第５，６３５，０４０号 米国特許第６，４５１，１８３号 ドイツ国特許第ＤＥ １９７ ４９ ４４５号

従って、本発明の目的は、従来技術の問題点を解決する、電気化学的プロセス用円筒形電極を提供することである。別の側面では、本発明の目的は、触媒コーティングの適用又は復旧の容易さを高めることができる円筒形電極を提供することである。更に別の側面では、本発明の目的は、プロセス管理効率に関して改良された、円筒形電極の触媒の再活性化を行うための方法を提供することである。これらの及び他の目的は、本発明を例示するが本発明の範囲を制限しない以下の説明により明らかになるであろう。

第１の側面では、本発明は、電流コレクタとして作用する導電性コアと、このコアの外側に固定された、例えば導電性材料で形成されたメッシュ又は固体、有孔シート、イクスパンデッドシート等の取り外し自在の構成要素を含む、ガスを発生するための電極に関する。非常に望ましい実施例では、取り外し自在の構成要素には触媒コーティングが設けられており、電極の活性エレメントを形成する。本発明の電極形状は、電気冶金プロセス又は水処理プロセスで酸素、オゾン、又は塩素を発生するためのアノード構造に特に適している。この場合、円筒形導電性コアは、有利には、バルブ金属、多くの代表的な場合にはチタニウムでできている。円筒形コアは任意の大きさを備えていてもよく、最も代表的な直径は、用途に応じて１ｃｍ乃至２５ｃｍである。取り外し自在の構成要素は、好ましくは、金属製のメッシュ又はシートであり、有利には、導電性コアと同じ材料でできており、好ましくは、０．３ｍｍ乃至０．８みの厚さを有するが、この他の厚さも等しく可能である。

第２の側面では、本発明は、消耗した触媒コーティングを備えた円筒形アノードを再活性化するための方法において、触媒コーティングを外側に備えた取り外し自在のエレメントを適用する工程を含む、方法に関する。

本発明は、単に例示を目的とした添付図面を参照することにより、更によく理解されるであろう。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃは、本発明の電極の第１実施例を示す。詳細には、図１Ａには、円筒形導体（１００）の平面図が示してある。この円筒形導体は、金属ロッド又は中空円筒体を含む。これは、例えばチタニウム製であり、又はカソードの場合には、ステンレス鋼製である。組み立て後に本発明の電極の円筒形導電性コアとして作用する円筒形導体（１００）は、更に、従来技術の円筒形電極、例えば触媒コーティングが消耗した電極であってもよい。

参照番号（２００）は、波形の円筒体を形成するように巻いて自体の上に閉じ、そして溶接した波形の金属シートの平面図を示す。このシートは、少なくとも外面に表面触媒コーティングを備えている。図では、波形シートの波形は、図面を良好に理解するため、実際とは縮尺が異なっており、大きく誇張してある。余り好ましくない実施例では、シート（２００）を等価の形状の波形のメッシュに代えてもよい。巻いて円筒体にしたシート（２００）の直径は、導電性コア（１００）よりも僅かに小さいが、波形形状により或る程度の可撓性を備えているため、コア自体に押し込むことができる。可撓性は、厚さが小さい（代表的には、０．５ｍｍであり、いずれにせよ、０．３ｍｍ乃至１ｍｍの範囲内にある）波形シートについて、高い。図２Ｂは、組み立て後、即ち波形シート（２００）を挿入した後の二つの部品を示す。これらの二つの部品は、更に、溶接スポット（図示せず）によって固定されていてもよい。図１Ｃは、同じアッセンブリの側面図である。特に、図１Ｂからわかるように、円筒形導体で直接得られる触媒活性と比較すると、波形シートを使用することには、活性面を大幅に増大するという明らかな利点がある。更に、触媒コーティングが消耗した後、シート（２００）を取り外して予め活性化した別のシートと交換することを、現場で、数分の停止時間で容易に行うことができる。これに必要とされることは、一連の完成品の電極でなく、活性化したシートを現場に貯蔵しておくことだけである。このようにして、更に、再活性化を行う場合の材料の取り扱い費用が減少する。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第２の好ましい実施例を示す。詳細には、図２Ａは、円筒形導体（１０１）を示す。この導体は、この実施例では、チタニウム製、又はアノードの場合には他のバルブ金属製、又はカソードの場合にはニッケルやステンレス鋼製の金属ロッド又は中空円筒体をなしている。更に、この場合には、円筒体導体（１０１）は従来技術の円筒体電極であってもよく、例えば、消耗した触媒コーティングを備えた電極であってもよい。

参照番号（２０１）は、円筒形導体（１０１）の母線に沿って旗のように溶接した、触媒コーティングを備えたメッシュを示す。この図は、二つの部品の接合部を連続した溶接部（３００）として示す。この溶接部は、例えばレーザーで得ることができるが、スポット溶接等の別の種類の溶接も可能である。更に、メッシュ（２０１）の代わりに、エキスパンデッドシート又は有孔シートを使用してもよく、又は余り好ましくない実施例では、中実のシートを使用してもよい。図２Ｂは続いて行われる工程を示す。この工程では、メッシュ（２０１）を巻いて円筒形コアを包囲し、両縁部を重ねた後にスポット溶接（３０１）によってメッシュ自体に溶接する。余り好ましくない実施例では、メッシュ（２０１）の縁部が重なっていなくてもよく、メッシュの両縁部を導電性コア（１０１）に溶接してもよい。更に、スポット溶接（３０１）の代わりに、別の種類の固定方法、例えば連続溶接を使用してもよい。更に、この実施例では、メッシュ（２０１）の適当な形状により、結果的に得られた電極の活性面を、円筒形導体を直接的に活性化することに関して大幅に上昇できる。更に、円筒形コア（１０１）の外側に固定された金属メッシュ（２０１）は、触媒の活性が消耗した後、新たなものと容易に交換できる。
例
米国特許第６，４５１，１８３号に開示されたチューブ状銅電着セルで使用されるセル用の円筒形チタニウムアノードは、厚さが１５ｃｍのチタニウム製中空円筒体を含み、当該技術で周知のように、チタニウム及びチタニウム酸化物をベースとしたコーティング（全体として１６ｇ／ｍ2 ）によって、チタニウム及びチタニウム酸化物をベースとした中間層上で活性化される。アノードについて、２５℃の温度の５％の硫酸溶液で、５００Ａ／ｍ2 の電流密度で、酸素を発生する標準的な試験を行う。８時間に及ぶ試験中、３．３０ｖの標準的な電圧を検出した（従来技術による電極）。

本発明による電極は、触媒活性がない同じチタニウムロッドを使用して行われる。従来技術による従来の試料と同じ配合物で活性化した０．５ｍｍ厚のチタニウムメッシュを、チタニウムロッドに、図２に示す形体を使用して固定する。従って、最初に、活性化したメッシュを円筒体の母線に沿って連続溶接によって固定した後、ロッドに巻き付け、３か所の溶接スポットによって固定する。

電極に前の試料と同じ酸素発生試験を、同じプロセス条件で加える。８時間に及ぶ試験中、安定した２．９０ｖの電圧が検出された（本発明の電極）。
これによって、本発明の電極は、主に消耗した円筒形電極の再活性化と関連した従来技術の不便さを、非常に実際的な方法で解決することの他、恐らくは露呈された表面が大きいことにより、予想される比較的長い寿命と対応する比較的高いエネルギ効率（低電圧）で作動できる。

当業者には理解されるように、上述の例に関して様々な変型及び変更を行って、本発明を実施してもよい。
以上の説明は、本発明を限定しようとするものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な実施例に従って使用してもよく、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって一義的に定義される。

本願の説明及び特許請求の範囲に亘り、「含む」という用語、及びこの用語と同様の「有する」とか「備えている」という用語は、他のエレメントの存在又は追加を排除しようとするものではない。

図１Ａは、本発明の電極の第１実施例の円筒形導電性コア及び金属シート又はメッシュを別々の構成要素として示す図である。 図１Ｂは、本発明の電極の第１実施例の同じ構成要素を組み立てた状態で示す平面図である。 図１Ｃは、本発明の電極の第１実施例の同じ構成要素を組み立てた状態で示す側面図である。 図２Ａは、本発明の電極の第２実施例の、金属シート又はメッシュを導電性コアの母線に沿って溶接した図である。 図２Ｂは、本発明の電極の第２実施例の同じ金属シート又はメッシュを導電性コアに巻き付けて溶接スポットで固定した図である。

符号の説明

１００ 円筒形導体
２００ 金属シート

Claims (12)

1. 円筒形導電性コア及びこの円筒形導電性コアの外側に電気的に接触するように固定された金属シート又はメッシュを含む、ガス発生用電極において、
   前記金属シート又はメッシュは、波形シートであり、且つ触媒コーティングで活性化されており、該波形シートは、元来の直径が前記円筒形コアの直径よりも小さい円筒体を形成するように、前記波形シート自体を巻いて二つの両側に沿って溶接してあり、前記円筒形コアに取り外し自在に強制的に被せてある、電極。
2. 請求項１に記載の電極において、巻いて円筒体にし且つ前記導電性コアに被せた前記波形シートは、溶接スポットによって前記導電性コアに固定される、電極。
3. 請求項１又は２に記載の電極において、前記波形シートの厚さは、０．３ｍｍ乃至１ｍｍである、電極。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の電極において、前記導電性円筒形コアはチタニウム又は他のバルブ金属で形成されている、電極。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の電極において、前記円筒形コアの直径は、１ｃｍ乃至２５ｃｍである、電極。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の電極において、前記金属シート又はメッシュは、塩素、オゾン、又は酸素を発生するための触媒コーティングで活性化されている、電極。
7. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の電極において、前記金属シート又はメッシュは、高過電圧酸素を発生するための触媒コーティングで活性化されている、電極。
8. 金属電着プロセスにおいて、請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の電極をアノ
   ードとして酸素を発生する工程を含む、金属電着プロセス。
9. 水処理プロセスにおいて、請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の電極をアノードとして、酸素、オゾン、又は塩素を発生する工程を含む、水処理プロセス。
10. 消耗した触媒コーティングを備えたガス発生用円筒形電極を再活性化するための方法において、
    円筒体を形成するように丸めて二つの両側に沿って溶接した波形の金属シートを前記円筒形電極に取り外し自在に被せる工程を含み、前記波形の金属シートは、触媒コーティングを備えている、方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、前記丸めた波形の金属シートは、前記円筒形電極よりも小径の円筒体を形成する、方法。
12. 請求項１０又は１１に記載の方法において、更に、前記波形の金属シートを溶接スポットで前記円筒形電極に固定する工程を含む、方法。

Images