NO163334B

NO163334B - PROCEDURE FOR MANUFACTURING A BIPOLAR ELECTRODE.

Info

Publication number: NO163334B
Application number: NO84842469A
Authority: NO
Inventors: Peter Fabian; Waltraud Werdecker
Original assignee: Heraeus Elektroden
Priority date: 1982-10-26
Filing date: 1984-06-19
Publication date: 1990-01-29
Also published as: NO163334C; BR8307589A; NO842469L; AU2075583A

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Oppfinnelsen angår fremstilling av en bipolar elektrode for anvendelse i elektrokjemiske prosesser, spesielt i celler for kloratelektrolyse. The invention relates to the production of a bipolar electrode for use in electrochemical processes, particularly in cells for chlorate electrolysis.

Teknikkens stand State of the art

Hittil er for slike elektrolyseceller fremfor alt to løsninger blitt favorisert: a) Anode- og katodedel består begge av det samme materiale, og anodedelen oppviser et elektrokatalytisk aktivt over-trekk eller begge deler består av legeringer med de samme hovedbestanddeler (se f.eks. vest-tysk utlegningsskrift 2435185). b) Anode og katode ligger parallelt og i avstand fra hverandre og er via ryggplater av to-lagsmetallstrimler forbundet med hverandre (se vest-tysk tilgjengeliggjort patentsøknad 2656110). Up until now, two solutions have been favored above all for such electrolysis cells: a) Anode and cathode parts both consist of the same material, and the anode part exhibits an electrocatalytically active coating or both parts consist of alloys with the same main constituents (see e.g. West German interpretation document 2435185). b) Anode and cathode lie parallel and at a distance from each other and are connected to each other via back plates of two-layer metal strips (see West German made available patent application 2656110).

For bipolare elektroder hvor anode- og katodedelene er anordnet parallelt og i avstand fra hverandre, er en til-strekkelig flate for å forbinde delene med hverandre til-gjengelig, og denne er derfor lett gjennomførbar ved hjelp av vanlige metoder. For bipolar electrodes where the anode and cathode parts are arranged in parallel and at a distance from each other, a sufficient surface to connect the parts to each other is available, and this is therefore easily feasible using common methods.

Oppfinnelsens formål Purpose of the invention

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en bipolar elektrode som er utformet i ett stykke og likeledes spesielt plateformig og består av to helt forskjellige materialer som skal settes sammen .i ett plan. The invention aims to provide a bipolar electrode which is designed in one piece and is likewise particularly plate-shaped and consists of two completely different materials which are to be assembled in one plane.

Oppfinnelsens løsning The solution of the invention

Denne oppgave løses ved hjelp av de særtrekk som er angitt i hovedkravet. Ytterligere utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av underkravene. This task is solved using the special features specified in the main requirement. Further embodiments of the invention appear from the subclaims.

Fordeler ved oppfinnelsen Advantages of the invention

Spesielle fordeler ved oppfinnelsen er den enkle produserbarhet, lav spenning, spesielt hydrogenoverspenning, unngåelsen av hydriddannelse på katodesiden, spesielt i kloratceller. Special advantages of the invention are the simple manufacturability, low voltage, especially hydrogen overvoltage, the avoidance of hydride formation on the cathode side, especially in chlorate cells.

Derved at ved løsningen ifølge op<p>finnelsen også normalt ikke sammensveisbare materialer kan anvendes som tilfreds-stiller de elektrokjemiske egenskaper som er ønskede for anoden eller katoden, lar også betingelsene for den angjel-dende elektrokjemiske prosess seg optimalisere på ønsket måte. By the fact that in the solution according to the invention normally non-weldable materials can also be used which satisfy the electrochemical properties that are desired for the anode or cathode, the conditions for the relevant electrochemical process can also be optimized in the desired way.

Ytterligere fordeler og særtrekk ved oppfinnelsen fremgår for fagmannen av den påfølgende beskrivelse og tegningene av utførelseseksemplene uten at oppfinnelsen skal begrenses til disse. Further advantages and distinctive features of the invention are apparent to the person skilled in the art from the subsequent description and drawings of the exemplary embodiments without the invention being limited to these.

Utførelsesformer av oppfinnelsen i sin alminnelighet Embodiments of the invention in its generality

På On

Fig. 1 er vist et riss sett ovenfra av den sammensatte bipolare elektrode og på Fig. 2 et lengdesnitt gjennom elektroden ifølge Fig.l. Fig. 1 shows a view seen from above of the composite bipolar electrode and in Fig. 2 a longitudinal section through the electrode according to Fig.l.

Den bipolare elektrode oppviser en anodedel 1 og en katodedel 2. Begge er forbundet med hverandre i ett plan via et mellomstykke 3, som vist på figurene. Me11omstykket 3 består for den dels 5 vedkommende som er vendt mot anoden, av et anodisk materiale og for den sides 6 vedkommende som er vendt mot katoden, av et katodisk materiale. Begge områder er skilt fra hverandre ved hjelp av en grense- eller støtflate 4 som utenfra bare kan ses som en linje og hvis tykkelse i det vesentlige overensstemmer med anoden og katoden. Mellomstykket 3 som er utformet som et komposittlegeme, er mot til-støtningsstedene anordnet på de smale sider av anoden og katoden som er vendt mot hverandre, og blir forbundet med disse ved hjelp av sveising. Foretrukne er vanlige smelte-sveiseprosesser, nemlig motstands- og punktsveising,WIG- eller NIG-sveising, sveising ved hjelp av laserstråler eller lignende. Som anodemateriale kommer såkalte ventilmetaller på tale som vanlig anvendt for dimensjonsstabile anoder,nemlig titan, tantal, zirkonium, niob eller wolfram. Et slikt grunnlegeme av anodematerialet oppviser også en elektrisk ledende flate av f.eks. et platinametall, et platinametalloxyd eller et ledende metalloxyd eller en oxydblanding som er bestandig overfor anolytten. VentiImetalier er metaller som danner ikke ledende oxyder som er motstandsdyktige overfor anolytten. En strekkmetall-, nettverks- eller gitter-anode foretrekkes på grunn av den større elektrokatalytiske virksomme flate og de gode strømningsmuligheter for elektrolytten . The bipolar electrode has an anode part 1 and a cathode part 2. Both are connected to each other in one plane via an intermediate piece 3, as shown in the figures. The outer part 3 consists of an anodic material on the part 5 that faces the anode, and on the side 6 that faces the cathode, of a cathodic material. Both areas are separated from each other by means of a boundary or impact surface 4 which can only be seen from the outside as a line and whose thickness essentially corresponds to the anode and cathode. The intermediate piece 3, which is designed as a composite body, is arranged against the contact points on the narrow sides of the anode and cathode which face each other, and is connected to these by means of welding. Common fusion welding processes are preferred, namely resistance and spot welding, TIG or NIG welding, welding using laser beams or the like. As anode material, so-called valve metals are commonly used for dimensionally stable anodes, namely titanium, tantalum, zirconium, niobium or tungsten. Such a basic body of the anode material also exhibits an electrically conductive surface of e.g. a platinum metal, a platinum metal oxide or a conductive metal oxide or an oxide mixture which is resistant to the anolyte. Venti metals are metals that do not form conductive oxides that are resistant to the anolyte. An expanded metal, network or grid anode is preferred due to the larger electrocatalytic active surface and the good flow possibilities for the electrolyte.

Katoden er likeledes fortrinnsvis perforert og er, The cathode is likewise preferably perforated and is,

som anoden, fremstilt av et jevnt blikk eller av plater og består bare av et elektrisk ledende materiale som er mot-standsdyktig overfor katolytten, som stål, nikkel, jern eller legeringer av disse materialer. Katoden er med fordel på as the anode, made of a smooth sheet or of plates and consisting only of an electrically conductive material which is resistant to the catholyte, such as steel, nickel, iron or alloys of these materials. The cathode is advantageously on

sin overflate belagt med nikkel eller en nikkellegering eller its surface coated with nickel or a nickel alloy or

-forbindelse. -connection.

Ett spesielt ptoblem har hittil forbindelsen mellom såkalte uforlikelige materialer, som f.eks. tantal og stål hhv. titan og stål eller andre, vært som normalt ikke lar seg sveise til hverandre. Man har benyttet et mellomstykke av et materiale, som f.eks. kobber, som feilfritt lar seg forbinde med begge materialer, dvs. anodematerialet og katode-materialet. Det er imidlertid kjent at spesielt korrosjons-bestandigheten, eller generelt motstandsdyktigheten overfor elektrolytten, ikke sikres med kobber. A particular problem has so far been the connection between so-called incompatible materials, such as e.g. tantalum and steel respectively. titanium and steel or others, which normally cannot be welded to each other. An intermediate piece of a material has been used, such as copper, which can be flawlessly connected to both materials, i.e. the anode material and the cathode material. However, it is known that corrosion resistance in particular, or resistance to the electrolyte in general, is not ensured with copper.

Dersom det er ønsket å fremstille et bimetall fra to metaller som normalt ikke lar seg sveise til hverandre, gjøres dette vanligvis ved valseplettering. En slik plet-teringsforbindelse tåler imidlertid ikke de betingelser som settes til smelte-sveiseprosessen, på grunn av de nødvendige høye temperaturer for de vanlige anode- og katodematerialer. If it is desired to produce a bimetal from two metals that normally cannot be welded to each other, this is usually done by roller plating. However, such a plating connection does not withstand the conditions set for the fusion welding process, due to the necessary high temperatures for the usual anode and cathode materials.

Oppfinnelsen går her en annen vei: The invention here goes a different way:

Foretrukken utførelsesform av op<p>finnelsen Preferred embodiment of the invention

Mellomstykker av et komposittlegeme fremstilles,f.eks . hver gang halvveis av anode- og katodemateriale og butt-støtende mot hverandre over den i det vesentlige plateformige elektrodes breddé og tykkelse. Kom<p>osittlegemene blir før de forbindes med elektrodedelene, i det vesentlige strimmelformig utformet og tilnærmet med elektrodens bredde. De blir fremstilt f.eks. som følger: Et titan- og et stålblikk ble i et kammer med argon-atmosfære innsveiset fortrinnsvis i en kapsel av det samme stål, idet den ene side av stålkapselen allerede oppviste den ønskede tykkelse for forbindelsesstykkets ståldel, efter at den var blitt forhåndsrenset, spesielt beiset og/eller av-fettet. Kapselen ble isostatisk varmpresset ved et trykk mellom 800 og 2000 bar og en temperatur innen området mellom 780 og 820°C og holdt under trykk og temperatur i en tid av 30-80, spesielt 60-120, minutter med forhåndsoppvarming og påfølgende avkjøling. Det således fremstilte "komposittlegeme ble derefter befridd for kapselen, f.eks. ved fjerning ad mekanisk eller kjemisk vei. Det pressede legeme kan likeledes derpå oppdeles til sluttformen - små strimler. Intermediate pieces of a composite body are produced, e.g. each time halfway through anode and cathode material and butt-butting against each other across the width and thickness of the essentially plate-shaped electrode. The composite bodies are, before they are connected to the electrode parts, essentially strip-shaped and approximated to the width of the electrode. They are produced e.g. as follows: A titanium and a steel sheet were welded in a chamber with an argon atmosphere, preferably in a capsule of the same steel, one side of the steel capsule already having the desired thickness for the steel part of the connector, after it had been pre-cleaned, especially stained and/or degreased. The capsule was isostatically hot-pressed at a pressure between 800 and 2000 bar and a temperature within the range between 780 and 820°C and held under pressure and temperature for a time of 30-80, especially 60-120, minutes with pre-heating and subsequent cooling. The "composite body" thus produced was then freed from the capsule, e.g. by removal by mechanical or chemical means. The pressed body can also then be divided into the final form - small strips.

Det er av vesentlig betydning at det således fremstilte komposittlegeme oppvisar en intermetallisk faseforbindelse med god finkornethet for materialene og spesielt høy tetthet, dvs. uten feilsteder, som hårriss eller lignende. Derved er det mulig å oppnå en god strømgjennomgang og derved også lave spenningstap. It is of significant importance that the composite body produced in this way exhibits an intermetallic phase connection with good fineness for the materials and a particularly high density, i.e. without defects, such as hairline cracks or the like. Thereby, it is possible to achieve a good current flow and thereby also low voltage losses.

Den isostatiske varmpresseprosess ble utført på The isostatic hot pressing process was carried out on

kjent måte. known way.

De'€ er selvfølgelig at sammensatte elektroder av den bipolare type også kan være sammensatt av en rekke parvis sammensatte anode- og katodedeler med mellomstykker for å danne en plan, spesielt plateformig, elektrode i ett stykke. Elektrodens utformning er bare avhengig av cellens størrelse og av anordningen i denne og dessuten av den ønskede elektro-lyttstrøm og strømtilførsels- hhv. -vekkledningsledningene. They are, of course, that composite electrodes of the bipolar type can also be composed of a series of pairwise composite anode and cathode parts with spacers to form a planar, especially plate-shaped, electrode in one piece. The design of the electrode is only dependent on the size of the cell and the device in it and also on the desired electrolytic current and current supply, respectively. - the lead wires.

Anvendelser av oppfinnelsen Applications of the invention

De bipolare elektroder ifølge oppfinnelsen kan anvendes i elektrokjemiske celler, og spesielt er de velegende for elektrolyse av vandige oppløsninger av alkaliklorider. En bipolar elektrode er ikke direkte forbundet med strømtil-førselen, men en flate virker som anode og den annen som katode når strømmen passerer gjennom cellen. For strømtilførselen er klemmer egnede som alle forbinder de deler av elektrodene som har den samme polaritet. De nye bipolare elektroder kan med fordel anordnes slik i cellen The bipolar electrodes according to the invention can be used in electrochemical cells, and in particular they are suitable for the electrolysis of aqueous solutions of alkali chlorides. A bipolar electrode is not directly connected to the current supply, but one surface acts as anode and the other as cathode when the current passes through the cell. For the current supply, clamps are suitable which all connect the parts of the electrodes that have the same polarity. The new bipolar electrodes can advantageously be arranged in this way in the cell

(horisontalt eller vertikalt) at ett katodeområde befinner seg overfor hvert anodeområde. (horizontally or vertically) that one cathode area is opposite each anode area.

Elektrolyttens strømningsretning kan være mellom The direction of flow of the electrolyte can be between

de plateformige elektroder, dvs. langs deres plan, eller gjennom elektrodenes perforering. En elektrolyttsirkuler-ing finner eventuelt sted mellom cellens inn- og utløp. the plate-shaped electrodes, i.e. along their plane, or through the electrodes' perforation. An electrolyte circulation possibly takes place between the cell's inlet and outlet.

Claims

1. Method for producing a bipolar electrode which is suitable for use in chlorate electrolysis, whereby two electrode components consisting of titanium and steel are connected by means of a meHom piece which consists of two materials which are not normally weldable to each other, characterized in that the intermediate piece which has been produced by hot isostatic pressing of titanium and steel with a pressure between 800 and 2000 bar and a temperature between 780 and 820 °C, with its largest dimension welded to the titanium-respectively the steel plates to be connected to each other, in the plane of the plate-shaped electrode.

2. Method according to claim 1, characterized in that the electrode components consisting of titanium and steel are perforated and/or provided with elevations or depressions.

3. Method according to claim 1, characterized in that the titanium which acts as anode is at least partially coated with a platinum metal, a platinum metal oxide or a conductive metal oxide or oxide mixture which is resistant to the anolyte.