JPH10140385A - 電極および電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタン等を使用した電気化学用途の電解槽及
び電極に構造において、電気接触溶接方法、例えば、抵
抗溶接を充分に使用する。また、電極の損傷領域は電極
表面上の電流分布の大きな差異をもたらし、これが膜を
分解する。膜を損傷しないために、例えば、膜方法にお
いてとがった端部を含まない平滑かつ一様な電極表面を
有する。また、溶接条件は溶接すべき片の間の良好な接
触に非常に依存する。 【解決手段】 下にあるベース構造に付着された電極構
造を含む電極の製造方法であって、その方法が(a) ベー
ス構造に電極構造を適用し、ベース構造と電極構造の間
に、接点フィラメントを適用する工程、及び(b) ベース
構造、電極構造及び接点フィラメントを電気溶接により
接合部で一緒に接合する工程を含むことを特徴とする電
極の製造方法、その方法により製造された電極、その電
極を含む電解槽、及び電解におけるこのような電極の使
用。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は構造の間に電気溶接
された接点フィラメントの助けにより下にあるベース構
造にフィットされた電極構造を含む電極、このような電
極の製造方法、本発明の電極を含む電解槽、および電解
におけるこのような電極の使用に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】今日、
チタンはその優れた材料特性のために最新の電気化学用
途で電解槽および電極に使用される最も普通の材料であ
る。しかしながら、チタンは不十分な導電体であり、ア
ノードとして操作される時に不動態化される。不動態化
はチタンの好適な活性化により工業用電解槽中で解決さ
れる。膜が多くの電気化学方法に使用される。膜は非常
に薄く、かつ脆性である。また、膜は電流密度の変化に
感受性である。更に、膜を損傷しないためにきれいな、
平滑かつ一様な電極表面を有することが重要である。

【０００３】電極の活性被覆物はしばしばセラミック材
料の種類であり、これは実際には溶接を目的とせず、例
えば、溶接接合部およびその付近に、融解および変形を
もたらす。それ故、被覆物は、被覆された電極表面が溶
接される時にしばしば損傷されるであろう。被覆物が電
極の表面で損傷された領域は、電流が損傷された領域付
近で別の方向をとることを意味する。今日の電解槽中の
高い電流密度およびアンペア数のために、これらの損傷
された領域のために電極表面上の電流分布に大きな差異
があるであろう。薄く、かつ降伏性の膜は電極表面上の
電流分布の大きな差異により損傷されるであろう。

【０００４】今までのところ、膜品質は電解槽中の可能
な電流密度を制限していた。しかし、開発中の膜および
近い将来の膜は今日の膜の面積単位当たり２倍程度に大
きい電流まで耐久性を失わないであろうから、電解槽の
品質、電極構造の品質および電流分布の変化に対する要
求がそれに応じて増大するであろう。

【０００５】多くの電解方法において、下にある構造に
溶接されたネット、エキスパンデッドメッシュ、ワイヤ
−ゲージ、グリッド、スレッド、ロッド等の形状の電極
表面を含む電極が使用される。これらは通常スポット溶
接（抵抗溶接方法）の使用により溶接される。抵抗溶接
操作およびその他の接触溶接操作（電気）により行われ
る溶接操作において、電源は異なる型の交流（A.C.）お
よび直流（D.C.）であってもよい。溶接の品質は幾つか
の条件、例えば、電流強さおよび電源の型に依存する。
また、溶接時間および電極の機械圧力が重要なパラメー
ターである。

【０００６】溶接接合部の品質は接続すべき表面間の電
気接点に依存する。それは、電極が通常不十分な導電性
を有する触媒活性物質で覆われるという事実のために、
常に溶接操作における多少不十分な電気接点の問題であ
る。不十分な電気接点は電気アークを生じることがあ
り、表面の損傷をもたらし得る。弱い接点は更に長い溶
接時間を必要とすることがあり、これが増大された熱の
ために張力および変形をもたらす。接点を改良する一つ
の方法は電極への機械圧力、即ち、溶接すべき材料上に
おかれた電極への応力を増大することである。しかしな
がら、電極の増大された圧力は溶接接合部の周囲の材料
の表面の損傷を生じる。溶接時の条件が上記のように不
正確である場合、それは生の不均一な表面（例えば、溶
接スパークのため）をもたらし、これが膜を損傷し、ま
たそれが電極表面の被覆物の損傷をもたらし得る。

【０００７】米国特許第5,373,134 号明細書は、前面が
チャンネル形成スレッドでフィットされる電極を開示し
ている。スレッドは夫々のスレッドに沿った多数の無接
触溶接された固定点により下にある構造に溶接される。
しかしながら、例えば、レーザー溶接等によるベース構
造へのスレッドの溶接はかなり複雑で、時間を浪費し、
かつ困難な操作である。

【０００８】DE-B-2538000号はベースプレートおよびグ
リッド状電極を含む双極性電極構造を開示している。電
極として利用できるロッドは、許される機械強度を有す
るグリッドを形成し、グリッドを一緒に保つために、下
にある安定化ロッドに接続される。グリッドがベース構
造に溶接される前に、組み立てが行われる。電極は膜電
解槽中の使用を目的としていない。

【０００９】EP-B1-0044035 号は有孔平面状電極支持体
に溶接されるネット型金属シートを含む電極を開示して
いる。EP-A1-0080288 号は突出部を備えたシート材料を
含む電極に関するものであり、この場合、前記突出部
が、例えば、溶接により有孔シートに付着される。

【００１０】更に、大きく、かつ粗大な連結細部が下に
ある表面へのスレッドの接合に使用し得ることが当業者
に公知である。溶接時に接合部に使用されるこのような
大きく、かつ粗大な連結細部は良く特定され、かつ良好
な接点に利用できない。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による解決は、上
記の欠点の全てが最小に減少される、電極の製造方法を
提供する。本発明により、最適の電気接点が溶接順序で
確立されて、均一な電流分布および高品質の信頼できる
接合部をもたらす。溶接操作が簡素化され、容易に自動
化され、低い電力インプットを必要とする。本発明によ
れば、溶接時の電流分布の種々の源が選択し得る。ま
た、溶接時間が短縮されるであろう。

【００１２】請求項に記載の本発明は、下にあるベース
構造に付着された電極構造を含む電極の製造方法であっ
て、その方法が(a) ベース構造に電極構造を適用し、前
記ベース構造と前記電極構造の間に、接点フィラメント
を適用する工程、および(b) 前記ベース構造、電極構造
および接点フィラメントを電気溶接により接合部で一緒
に接合する工程を含むことを特徴とする電極の製造方法
に関する。

【００１３】

【発明の実施の形態】接点フィラメントは、高い機械強
度を有する平滑かつ耐久性の溶接接合部が形成されるこ
とに利用できる。接点フィラメントは原則としてあらゆ
る順序で適用し得る。接点フィラメントは最初にベース
構造に、または最初に電極構造に適用される。接点フィ
ラメントは最初にベース構造に適用されることが好まし
い。

【００１４】“フィラメント”に関する別の表示は接触
スレッドであろう。何となれば、それらが一緒に溶接さ
れた表面間の良く特定された接点に利用できるからであ
る。“フィラメント”という用語の使用により、薄いス
レッドまたはワイヤが意味され、これは本発明によれば
約0.05mmから約5mm までの範囲の厚さを有することがで
きる。好適には、接点フィラメントは約0.1mm から約2m
m まで、更に好適には約0.1mm から約0.8mm まで、好ま
しくは約0.2mm から約0.8mm まで、最も好ましくは約0.
3mm から約0.6mm までの厚さを有する。接点フィラメン
トが円形ではない場合、フィラメントの最も広い部分の
厚さは電極の長さに平行に測定される。接点フィラメン
トはあらゆる延長を有することができる。

【００１５】接点フィラメントの幾何学的断面は重要で
はなく、たとえ、それらが経済的な理由から実質的に円
形であることが好ましいとしても、それらは、例えば、
円形、正方形、楕円形、矩形または三角形であってもよ
い。接点フィラメントが狭く、かつ薄い場合に、最適の
機械安定性が得られるが、充分な安定性が得られる限
り、接点フィラメント間の距離は重要ではない。しかし
ながら、適用し得る接点フィラメントの数はまた電流密
度に関係する。電流密度が高い場合、接点フィラメント
の数が増加し得る。電流密度が低い場合、接点フィラメ
ントの数が減少されてもよい。

【００１６】電極が容易に損傷し得る膜を伴う使用を目
的とする場合、電極の表面は平滑であり、かつ、例え
ば、溶接スパークにより生じ得るとがった部分を実質的
に含まないことが好適である。

【００１７】本発明の方法は不動態化された電極の修復
に使用でき、この場合、新しい電極構造が古い不動態化
された電極に溶接し得るが、また新しい電極を製造する
のに使用し得る。新しい電極を本発明の方法で製造する
場合、接点フィラメントの断面領域は電極構造の厚さよ
り更に大きくし得る。古い電極を新しい電極構造で修復
する場合、断面領域は電極構造の厚さ以下であることが
好ましい。

【００１８】本発明の方法は、特に古い、不動態化さ
れ、消耗した電極の修復において、電気化学方法の電極
に好適であり得る。本発明により、新しい活性電極表面
が電気化学プラントの現場で溶接し得る。これは、プラ
ントが電極製造業者の工場からはるかに離れて位置され
る場合に特に有利である。

【００１９】電気溶接は、溶接電極と溶接すべき片の電
気接触が起こる溶接操作を意味する。それ故、無接触溶
接方法、例えば、レーザー溶接および電子線溶接が除外
される。抵抗溶接が使用されることが好ましい。

【００２０】接点フィラメントの使用により、良く特定
され、かつ信頼できる接点表面が小さく、かつとがった
伝送領域のために確立される。平滑な溶接接合部を得る
ために、接触表面は均一であるべきであり、またニード
ルのようにとがっている(needle-sharp)ことが好まし
い。これらの条件は溶接操作における優れた接触に利用
できる。接触が不十分であり、または表面が良く特定さ
れておらず、例えば、粗い表面である場合、電流はその
領域付近の別の方向に進むであろう。

【００２１】電極構造は長さ方向または横方向のスレッ
ドからつくることができ、ネット、ワイヤ−ゲージ、メ
ッシュ、グリッドまたは同様の形状を有することができ
る。また、電極構造は多孔板またはエキスパンデッドメ
タルシート（メッシュを形成する）であってもよい。

【００２２】ベース構造とも称される、下にある構造は
通し開口部を含んで電解質の循環を促進することが好ま
しい。

【００２３】電極構造は接点フィラメントに直接適用さ
れるスレッドの形状を有することができ、または好まし
い実施態様におけるように、スレッドは支持スレッドに
連結されてもよく、ネット、ワイヤ−ゲージ、メッシ
ュ、グリッドまたは同様の形状の電極構造をもたらし、
これらが接点フィラメントに溶接される。スレッドは接
点フィラメントの延長と横向きまたは平行であってもよ
い。電極は下にある構造および接点フィラメントとの電
気接点に付着される導電性材料の実質的に平行のスレッ
ドを備えていることが好適である。好ましい実施態様に
おいて、これらの電極スレッドは米国特許第5,290,410
号および同第5,373,134 号（これらは参考として本明細
書に含まれる）に記載されるようなチャンネルを形成す
る。こうして、スレッドはチャンネル形成スレッドにな
り、電解質の循環および生成されたガスの有効な除去の
ための多数の非分解チャンネルをもたらす。

【００２４】下にあるベース構造（その上に、電極構造
および接点フィラメントが溶接される）はあらゆる形状
および構造を有していてもよい。下にあるベース構造は
先の電極表面であることが好ましい。改良し得る従来技
術の構造および電極の例として、普通の金属シート、多
孔板電極、エキスパンデッドメタルの電極、長さ方向も
しくは横方向のロッド、スレッドもしくはワイヤを有す
る電極、または普通の金属シートから打ち抜かれた曲が
った、または真っ直ぐのラメラ（そのラメラは垂直また
は水平に延びることができる）を含む電極、例えば、ル
ーバー型電極が挙げられる。これらの型の電極は当業者
に公知であり、例えば、上記EP 415,896号およびGB 1,3
24,427号に記載されている。本発明の電極の一つの好ま
しい実施態様はルーバー型電極である。一実施態様にお
いて、下にあるベース構造は通し開口部を有する。

【００２５】全電極、即ち、電極構造、接点フィラメン
トおよび下にある構造は同じ材料、例えば、Ti、Ｖ、C
r、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Ag、Pt、Ta、Pb、Al
またはこれらの合金からつくられることが好適である。
電極がアノードとして機能する場合、TiまたはTi合金が
好ましく、一方、電極がカソードとして機能する場合、
Fe、Niまたはこれらの合金が好ましい。また、電極構
造、接点フィラメントおよび下にあるベース構造は、ア
ノードまたはカソードとしての目的とする用途に応じ
て、幾つかの好適な触媒活性物質により活性化されるこ
とが好ましい。また、電極構造のみが活性化される電極
が使用されてもよい。有益な触媒物質は周期律表の8B族
からの金属、金属酸化物またはこれらの混合物、即ち、
Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、またはPtであり、そ
の中でもIrおよびRuが特に好ましい。

【００２６】本発明は、接点フィラメントが夫々のフィ
ラメントに沿った多数の溶接された固定点により電極構
造および下にある構造の両方に付着される電極の製造方
法に関する。本発明の溶接操作中の条件は、特にことわ
らない限り、当業者に公知の通常の条件内で変化され
る。

【００２７】上記の好ましい電気溶接方法を操作する際
に、結果は実際の接触点における小さい、良く特定され
た接合部であり、一方、フィラメントの残部は実質的に
影響されず、その方法を好ましくは約0.1mm から約2mm
まで、更に好ましくは約0.1mm から約0.8mm までの厚さ
を有する、非常に薄い接点フィラメントに特に適するよ
うにする。電気接点は良好であり、同時に接点フィラメ
ントが下にある構造を損傷しないで機械的に引っ張き剥
せる。続いて、電極が更に別の加工（これは不動態化さ
れた電極の再生を促進する）を必要としないで再度接点
フィラメントを備えることができる。その溶接方法は電
極の製造に通常使用される全ての金属の溶接に使用で
き、とりわけ、接点フィラメントおよび／または下にあ
る構造がチタンまたは幾つかのチタン合金からつくられ
る場合に高度に有利と判明した。例えば、抵抗溶接にお
ける高い容量のために、製造の時間が短くし得る。

【００２８】その方法は電極を製造する場合および既存
の電極を改良する場合の両方に適用し得る。電極の製造
において、触媒被覆物による活性化は、実用上の理由の
ために、電極構造の適用の前に行われることが好まし
い。しかしながら、既存の活性化された電極は、活性被
覆物を溶接中に損傷しないで電極構造を備えることがで
きる。また、活性化されていない電極または活性が長時
間にわたって使用された後に失われた電極に活性化され
た電極構造を与えることが可能である。好ましい寸法お
よび材料に関して、本発明の電極の記載が参考にされ
る。

【００２９】接点フィラメントは弾性であることが好ま
しく、プラスチックフィルムの上にコイルにされること
が好適である。接点フィラメントはこのようにリールと
して容易に輸送し得る。プラスチックフィルムは一面に
グルーまたはペーストを備えていてもよい。また、プラ
スチックフィルムは接着（粘着）テープの形態であって
もよい。それ故、接点フィラメントは夫々のフィラメン
トの間の所定の距離でプラスチックフィルム上にコイル
にされ、テープまたはグルーの上で捕獲される。接点フ
ィラメントを表面に溶接する際に、リールが容易に巻き
出され、同時に接点フィラメントが表面に溶接される。

【００３０】また、本発明は、電極構造および下にある
ベース構造を含む、本発明の方法により得られる電極を
含み、この場合、接点フィラメントが電気溶接により接
合部で前記電極構造と前記の下にあるベース構造の間に
付着される。電極は膜電解槽中の塩素酸塩、または塩素
およびアルカリの電解製造に特に有利であり得るが、ま
た金属の電気化学的回収または希釈溶液からのガスの回
収にも非常に有益であり得る。

【００３１】更に、本発明は本発明の接点フィラメント
でフィットされた少なくとも一つの電極を含む電解槽に
関する。また、それは本発明の電極構造とかみ合うよう
にアノードとカソードの間に配置されたイオン選択膜を
含むことが好ましい。その他に、電解槽は当業者に公知
の通常の技術に従って設計し得る。

【００３２】最後に、本発明は、電極の少なくとも一つ
が本発明の接点フィラメントで付着された電極である電
解方法に関する。その方法は、膜と面する平滑かつ一様
な表面をもたらす、材料および被覆物に対する極めて小
さい影響のために、膜電解槽中の電解、特にアルカリ金
属塩化物溶液（例えば、塩素およびアルカリの製造のた
めの塩化ナトリウムまたは塩化カリウム溶液）の電解に
特に適し得る。

【００３３】本発明が添付図面を参考にして更に詳しく
説明される。しかしながら、本発明は説明された実施態
様に限定されず、多くのその他の変化が請求の範囲内で
実施可能である。

【００３４】図１は電極の略平面側面図であり、この場
合、接点フィラメントが下にあるベース構造に付着さ
れ、また電極構造および接点フィラメントの種々の断面
が示される。図２は接点フィラメントおよび電極構造を
備えた中空ベース構造の側断面図である。図３はスレッ
ド電極の構造を示す略平面側面図であり、一方、図４は
図３中のスレッド電極の側断面図を示し、図５〜６は電
極構造として利用できるスレッドを備えた仕上げ電極の
側断面図を示す。

【００３５】図１中、接点フィラメント２は下にある構
造１に付着されてもよい。異なる種類の電極構造がまた
示される。電極構造はメッシュ３ａ、グリッド３ｂ（ま
たはチャンネル形成スレッド）または打ち抜かれた金属
シート３ｃ（例えば、ルーバー電極）の形状を有するこ
とができる。接点フィラメントは異なる幾何学的断面を
有することができる。断面は正方形２ａ、円形２ｂ、三
角形２ｃまたは矩形２ｄであってもよい。

【００３６】図２（Ａ）はシートの表面に開放中空構造
を形成する打ち抜かれた断面フラップ４を有する金属シ
ート１を示す。フラップ４の上端部に、接点フィラメン
ト２が溶接される。電極構造３が接点フィラメント２に
溶接される。図２（Ｂ）はフラップ５を示し、これらは
金属シートを打ち抜くことにより形成され、所謂ルーバ
ー電極を形成する。接点フィラメント２がフラップ５に
溶接され、電極構造３が接点フィラメント２に付着され
る。図２（Ｃ）中、接点フィラメント２が構造中の開口
部と平行なフラップ５の上部に沿って配置される。電極
構造３は、それらがルーバー構造中のへこみに従う点
で、波の形状を有する。図２（Ｄ）中、接点フィラメン
トが構造中のスリットに対し横方向に再度配置される。
接点フィラメントおよび電極構造の両方が波形にされ
る。

【００３７】図３および４は安定化横スレッド１３に付
着されたチャンネル１６を形成する多数の平行なスレッ
ド１４を示し、この場合、安定化スレッド１３が下にあ
るベース構造１１に適用された下にある接点フィラメン
ト１２に垂直に適用され、延びる。図４中、溶接点１５
の位置（これらは通常上から見られない）がマークされ
ている。

【００３８】図５〜６はスレッド１４により形成された
チャンネル１６、即ちチャンネル形成スレッド（これら
は溶接された接触点を介して安定化横スレッド１３に付
着される）を含む電極を示す。図５中、安定化スレッド
１３が接点フィラメント１２に平行に延び、それにより
チャンネル形成スレッド１４がまた接点フィラメント１
２により支持される。この設計により、実質的に完全に
分解されていないチャンネル１６が電極の前面に沿って
形成される。図６中の実施態様において、安定化スレッ
ド１３が横接点フィラメント１２に付着される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電極の略平面側面図である。

【図２】 接点フィラメントおよび電極構造を備えた中
空ベース構造の側断面図である。

【図３】 スレッド電極の構造を示す略平面側面図であ
る。

【図４】 図３中のスレッド電極の側断面図を示す。

【図５】 電極構造として利用できるスレッドを備えた
仕上げ電極の側断面図を示す。

【図６】 電極構造として利用できるスレッドを備えた
仕上げ電極の側断面図を示す。

【符号の説明】

１，１１：下にあるベース構造、２，１２：接点フィラ
メント、３，１４：電極構造、３ａ：メッシュ、３ｂ：
グリッド、３ｃ：打ち抜かれた金属シート、４，５：フ
ラップ、１３：安定化スレッド、１５：溶接点、１６：
チャンネル。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下にあるベース構造（１、１１）に付着
   された電極構造（３、１４）を含む電極の製造方法であ
   って、その方法が(a) ベース構造（１、１１）に電極構
   造（３、１４）を適用し、前記ベース構造と前記電極構
   造の間に、接点フィラメント（２、１２）を適用する工
   程、および(b) 前記ベース構造、電極構造および接点フ
   ィラメントを電気溶接により接合部（１５）で一緒に接
   合する工程を含むことを特徴とする電極の製造方法。
2. 【請求項２】 接点フィラメントが約0.1mm から約2mm
   までの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の
   方法。
3. 【請求項３】 接点フィラメントが約0.1mm から約0.8m
   m までの厚さを有することを特徴とする請求項２に記載
   の方法。
4. 【請求項４】 下にあるベース構造（１、１１）が多孔
   板、エキスパンデッドメタル、ロッド、スレッドもしく
   はワイヤ、または普通の金属シートから打ち抜かれたラ
   メラの形状の有孔構造であることを特徴とする請求項１
   に記載の方法。
5. 【請求項５】 電極構造がエキスパンデッドメタル（３
   ａ）でつくられることを特徴とする請求項１に記載の方
   法。
6. 【請求項６】 電極構造が長さ方向または横方向のスレ
   ッド（３ｂ、１６）でつくられることを特徴とする請求
   項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 接点フィラメントが円形の幾何学的断面
   を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】 電極構造（３、１４）および下にあるベ
   ース構造（１、１１）を含む、その方法により得られる
   電極であって、接点フィラメント（２、１２）が前記電
   極構造と前記の下にあるベース構造の間に電気溶接によ
   り接合部（１５）で付着されることを特徴とする電極。
9. 【請求項９】 接点フィラメントが約0.1mm から約2mm
   までの厚さを有することを特徴とする請求項８に記載の
   電極。
10. 【請求項１０】 接点フィラメントが約0.1mm から約0.
    8mm までの厚さを有することを特徴とする請求項９に記
    載の電極。
11. 【請求項１１】 請求項８〜１０のいずれか一項に記載
    の接点フィラメント（２、１２）を有する少なくとも一
    つの電極を含むことを特徴とする電解槽。
12. 【請求項１２】 アノード、カソードおよび前記アノー
    ドと前記カソードの間に配置されたイオン選択膜を含む
    ことを特徴とする請求項１１に記載の電解槽。
13. 【請求項１３】請求項８〜１０のいずれか一項に記載の
    接点フィラメント（２、１２）を有する電極が使用され
    ることを特徴とする電解方法。
14. 【請求項１４】 膜電解槽が使用されることを特徴とす
    る請求項１３に記載の方法。
15. 【請求項１５】 塩素およびアルカリへのアルカリ金属
    塩化物溶液の電解を含み、アノードが請求項８〜１０に
    記載の接点フィラメント（２、１２）を有する電極であ
    ることを特徴とする請求項１４に記載の方法。