TWI388696B - 釋出氣體用之電極及其應用 - Google Patents

Description

釋出氣體用之電極及其應用

本發明係關於電化製程所用圓柱形幾何形狀之電極，尤指包含中央金屬性導體經表面觸媒活化之圓柱形電極。

在電化學的若干塊面已知利用圓柱形幾何形狀之電極；圓柱形電極大部份情況是同心設置內部空心之圓柱形抗衡電極，現時用於電透析(US 20030010639號)、水電解(DE 196 36 171號)、臭氧製造(JP2001198574號)及其他申請案。使用圓柱型(大部份共軸)電極幾何形狀之最重要製程，是同時從水溶液回收金屬(例如參見US 6,451,183號或DE 197 49 445號)，以及廢水處理(工業費水、市民用水及其他)，俾從各種污染物加以淨化(例如參見US 5,635,040號)。圓柱形幾何形狀，尤其是對小型電化學電池，可提供實質優點，尤其是在流體分佈方面。視考慮中的製法，圓柱形電極可為陽極或陰極；大多數情況下，此等電極適用於釋放氣體的反應，例如陰極釋放氫，或陽極釋放氧化、臭氧或氯氣。釋放氣體反應，尤其是在陽極，必須加以催化，以便有充分之發生效率；所以，先前技術之圓柱形電極，包含金屬圓柱形導電性載體(就陽極而言，通常為鈦或其他閥金屬)，塗佈觸媒，往往以金屬氧化物為基本，視要釋放的氣體類型和所需電位而定，已眾所週知。對圓柱形載體塗佈觸媒之應用方法，提供以母質塗佈，並隨後利用高溫熱處理(350－700℃)把母質轉換。以母質溶液塗佈金屬性電極，最好以靜電噴撒方法進行；在此情況下，就應用之均勻性而言，圓柱形幾何形狀不若平坦者為優。此外，觸媒塗佈的操作使用壽命有限(大約1－5年，視應用上而定)。一旦原先塗佈耗竭，必須以機械方完全除去，並復原；除掉塗佈之作業對圓柱形幾何形狀特別負擔，尤其是小型者。在任何情況，恢復電極觸媒活性所需延長時間，導致工廠操作之不良限制，另外會暫時中斷生產，擴大整廠規模才能有計劃地周期性電極再活化，不然需儲存可觀數量之更換電極，就投資成本觀點言，誠為非常重要負擔的解決方案。

所以，本發明之目的，在於提供電化製法用之圓柱形電極，可克服先前技術之限制。在另一面向，本發明之目的在於提供一種圓柱形電極，提高觸媒塗佈應用或復原之容易性。在又一面向，本發明之目的就製法管理效率而言，在於提供圓柱形電極在觸媒再活化方面之改進方法。上述和其他目的，可由如下說明加以澄清，旨在說明本發明之用，並非限制其範圍。

在第一面向下，本發明係關於釋放氣體用之電極，包括導電性芯部，有集流器的作用，於此在外部固設可拆卸組件，例如網材，或實體、多孔性或拉撐式片材，由導電性材料製成。在最佳具體例中，可拆卸組件具有觸媒塗料，構成電極之活性元件。本發明電極幾何形狀特別適於構造陽極，以便在電冶金或水處理過程中，釋放氧氣、臭氧或氯氣。在此情況下，導電性圓柱形芯部宜由閥金屬製成，最典型情況為鈦。圓柱形芯部可有任何尺寸，最典型直徑為1－25 cm，是應用而定。可拆卸組件以金屬性網材或片材為佳，以導電性芯部同樣材料製成為宜，厚度以0.3和0.8 mm之間為佳，然而其他厚度同樣可用。

本發明第二面向係關於觸媒塗佈已耗竭的圓柱形陽極之再活化方法，包括應用可拆卸元件，外部具有觸媒塗料。

本發明參考舉例用之附圖即可更加明白。

第1A至1C圖表示本發明電極之第一具體例，尤其是第1A圖表示圓柱形導體(100)之平面圖，包含金屬桿或空心圓柱，例如鈦，若為陰極，可為不銹鋼。圓筒形導體(100)作為本發明電極組合後之導電性圓柱形芯部，亦可為先前技術之圓柱形電極，例如觸媒塗料耗竭之電極。

(200)表示波浪形金屬片材成卷之平面圖，本身閉合並熔接，形成瓦楞形圓柱，至少在其外表面具有表面上觸媒塗料。圖中波浪形片材之瓦楞不按真實比例尺繪製，而是大為誇大，使圖更易理解。在較遜具體例中，片材(200)可改用同等幾何形狀的波浪形網材。捲成圓柱之片材(200)直徑，比導電性芯部(100)稍低，但波浪形幾何形狀可賦予某些屈曲性，故可強制施加於芯部本身。厚度較低的波浪形片材，屈曲性更高(典型厚度為0.5 mm，任何情況下，介於0.3和1 mm之間)。第1B圖表示二件式組合後之平面圖，但插入波浪形片材(200)後，二件可進一步以點熔接加以固定。第1C圖以側視表示同樣組合。特別由第1B圖可見，與在圓柱形導體上直接可得之觸媒活化相較，使用波浪形片材明顯的優點是，敏銳提高活性表面。此外，觸媒塗料一旦耗竭，片材(200)可容易除去，在現場直接更換另一事先活化過者，停工時間減到最少，只需在現場保持活化片材存量即可，而不需一系列完整的電極。以此方式，在再活化情況下，亦可降低材料之處理成本。

第2A和2B圖表示本發明第二較佳具體例，更具體而言，第2A圖表示圓柱形導體(101)，在此情況下亦包含金屬桿或空心圓柱，例如陽極為鈦或其他閥金屬，陰極為鎳或不銹鋼。又在此情況下，圓柱形導體(101)可為先前技術之圓柱形電極，例如觸媒塗料耗竭之電極。

(201)表示具有觸媒塗料之網材，沿圓柱形導體(101)之母線加以旗型熔接；圖上表示二件接合成連續熔接(300)，例如可經由雷射而得，但亦可用不同方式的熔接，例如點熔接。網材(201)亦可改用拉撐或多孔式片材，或稍差具體例，可用實體片材。第2B圖表示隨後步驟，將網材回摺，把圓柱形芯部包圍，在相對立邊緣重搭後，利用點熔接(301)，對本身熔接。在較遜的具體例中，網材(201)可以有不重搭邊緣，二者熔接成導電性芯部(101)；點熔接(301)亦可改用另一種固定型式，例如連續熔接。又在此情況下，網材(201)之適當幾何形狀，相對於圓柱形導體之直接活化，可實質提高所得電極之活性表面；再者，在外部固定於圓柱形芯部(101)之金屬網(201)，一旦觸媒活性耗竭，即可容易換新。

實施例

如US 6,451,183號所揭示銅電極沉積管狀電池內所用電池之鈦圓柱形陽極，由厚15 cm的鈦空心圓柱組成，按技術上已知方式，在鈦和鉭氧化物為基本之中間層上面，用鈦和鉭氧化物為基本之塗料(總體16 g/m² )加以活化。陽極在溫度25℃和電流密度500 A/m2，於5%硫酸溶液內，經標準釋放氧氣測試。在8小時的測試過程中，測知穩定電壓3.30V(先前技術之電極)。

本發明電極之製法是，使用未經觸媒活化之一致鈦桿，固設厚0.5 mm的鈦網，與先前技術前述樣品之同樣組成物加以活化，利用第2圖所示造型；所以，活化網先沿圓柱母線，先利用連續熔接加以固定，再繞本身滾捲，並利用三熔接點固定。

電極經前述樣品之同樣釋放氧氣測試，在一致的製法狀態為之。在8小時的測試過程中，測得穩定電壓2.90V(本發明電極)。

由此可見本發明電極，除解決先前技術主要與耗竭圓柱形電極再活化相關的實際不便外，可能由於暴露表面較大，亦可以較高能量效率(較低電壓)操作，相當於較高之預期使用壽命。

凡技術專家顯而易知，實際上可就上述實施例進行其他變化或修飾。

上述說明無意限制本發明，本發明可按照不同具體例使用，不悖其範圍，而其程度純以所附申請專利範圍加以界定。

在本案說明書和申請專利範圍中，「包括」一辭及其變通用法，並不排出有其他元件或添加物存在。

100．．．圓柱形導體

200．．．波浪形片材

101．．．導電性芯部

201．．．金屬網

300．．．連續熔接

301．．．點熔接

第1A至IC圖表示本發明電極之第一具體例；第1A圖表示圓柱形導電芯部，以及分開組件之金屬性片材或網材；第1B和1C圖分別表示組成之組件平面圖和側視圖。

第2A和2B圖表示本發明電極之第二具體例；第2A圖表示金屬性片材或網材沿導電性芯部母線熔接；而第2B圖表示同樣金屬性片材或網材繞導電性芯部滾捲，並以熔接點加以固定。

100．．．圓柱形導體

200．．．波浪形片材

Claims (15)

1. 一種釋放氣體用之電極，包括導電性圓柱形芯部，以及固定在外部的金屬片材或網材，形成電氣接觸，其中該金屬片材或網材係對本身滾捲之波浪形片材，沿口對立側加以熔接，以形成原有直徑較該導電性圓柱形芯部為小之圓筒，以強制插套其上者。
2. 如申請專利範圍第1項之電極，其中滾捲成圓筒並插套於該導電性圓柱形芯部之上的該波浪形片材，係利用熔接點固定於該導電性圓柱形芯部者。
3. 如申請專利範圍第1或2項之電極，其中該波浪形片材之厚度介於0.3和1 mm之間者。
4. 一種釋放氣體用之電極，包括導電性圓柱形芯部，以及固定在外部的金屬片材或網材，形成電氣接觸，其中該金屬片材或網材之一側，沿母線熔接於該導電性圓柱形芯部，而該片材或網材係繞該導電性圓柱形芯部滾捲者。
5. 如申請專利範圍第4項之電極，其中該金屬片材或網材厚度介於0.3和1 mm之間者。
6. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該導電性圓柱形芯部，係由鈦或其他閥金屬製成者。
7. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該導電性圓柱形芯部直徑在1和25 cm之間者。
8. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該金屬片材或網材係以觸媒塗料加以活化，以供釋放氯氣、臭氧或氧氣者。
9. 如申請專利範圍第1項之電極，其中該金屬片材或網材係以觸媒塗料加以活化，以供釋放高度過電壓氧氣者。
10. 一種金屬電極沉積方法，包括在申請專利範圍第1至9項任一項之電極上以陽極釋放氧氣者。
11. 一種水處理方法，包括在申請專利範圍第1至9項任一項一電極上以陽極釋放氧氣、臭氧或氯氣者。
12. 一種具有耗竭觸媒塗料的圓柱形電極之再活化方法，包括把對本身滾捲的波浪形片材插套其上，沿二對立側熔接，以形成圓筒，該波浪形片材係具有觸媒塗料者。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中對本身滾捲形成圓筒之該波浪形片材，直徑較圓柱形電極為小者。
14. 如申請專利範圍第12或13項之方法，又包括利用熔接點，把該波浪形片材固定於圓柱形電極者。
15. 一種具有耗竭觸媒塗料的圓柱形電極之再活化方法，包括沿其母線把具有觸媒塗料的金屬片材或網材之邊緣加以熔接，把該金屬片材或網材繞圓柱形電極滾捲，視需要把該金屬片材或網材之對立邊，利用熔接點，固定於熔接邊和/或該圓柱形電極者。