"Bipolare Elektrode"

Technisches Sachgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine bipolare Elektrode zur Verwendung in elektrochemischen Prozessen, insbesondere in Zellen bei der Chloratelektrolyse.

Stand der Technik

Bisher wurde bei derartigen Elektrolysezellen vorallem zwei Lösungen favorisiert: a) Anoden- und Kathodenteil bestehen beide aus dem gleichen Material und das Anodenteil weist einen elektrokatalytisch aktiven Überzug auf oder beide Teile sind aus Legierungen mit gleichen Hauptbestandteilen bestehend (vergleiche zum Beispiel DE-AS 24 35 185); b) Anode und Kathode liegen parallel und im Abstand zueinander und sind über Rückenplatten aus zweilagigen Metallstreifen miteinander verbunden (vergleiche DE-OS 26 56 110) .

Bei bipolaren Elektroden, deren Anoden- und Kathodenteile parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind, steht für die Verbindung der Teile untereinander eine ausreichende Fläche zur Verfügung, weshalb sie mit üblichen Methoden leicht durchführbar ist.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine bipolare Elektrode zu schaffen, die einstückig und eben insbesondere plattenförmig ausgebildet ist und aus zwei ganz verschiedenen Materialien besteht, die in einer Ebene zusammenzusetzen sind.

Lösung der Erfindung Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Hauptanspruch enthal¬ tenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteraπsprüchen zu entnehmen.

Vorteile der Erfindung Besondere Vorteile der Erfindung sind die einfache Herstell¬ barkeit, ein niedriges Potential, insbesondere Wasserstoff¬ überspannung, die Vermeidung der Hydridbildung auf der Katho¬ denseite, insbesondere in Chloratzellen.

Dadurch daß bei der erfindungsgemäßen Lösung auch normalerweise nicht verschweißbare Materialien verwendet werden können, sie entsprechen den für die Anode oder Kathode gewünschten elektrochemischen Eigenschaften, lassen sich auch die Be¬ dingungen des jeweiligen elektrochemischen Prozesses in ge¬ wünschter Weise optimieren.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen der Ausführungsbeispiele, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre.

Ausführunqsformen der Erfindung im Allgemeinen

Es zeigen

Figur 1 eine Draufsicht auf die zusammengesetzte bipolare Elektrode,

Figur 2 einen Längsschnitt durch die Elektrode nach Figur 1.

Die bipolare Elektrode weist ein Anodenteil 1 und ein Kathoden¬ teil 2 auf. Beide sind in einer Ebene miteinander verbunden über ein Zwischenstück 3, wie in den Figuren dargestellt. Das Zwischenstück 3 besteht in seinem der Anode zugekehrten Teil 5 aus anodischem Material und in seiner der Kathode zugekehrten Seite 6 aus ath uu-r ¹ _^ .--. ^'• *-*t :: εla1. Beide Bereiche

f _OMH

/fa O

sind getrennt durch eine Grenz- oder Stoßfläche 4, von außen nur sichtbar als Linie und deren Dicke der Anode und Kathode im wesentlichen entspricht. Das als Verbundkörper ausgebildete Zwischenstück 3 ist zwischen den StoOstellen an den Schmalseiten der Anode und Kathode, die einander zugekehrt sind, angeordnet und wird durch Schweißen mit diesen verbunden. Bevorzugt sind übliche Schmelz-Schweißverfahren, nämlich Widerstands¬ und Punktschweißen, WIG- oder NIG-Schweißen, Schweißen mittels Laserstrahlen und dergleichen. Als Anodenmaterial kommen sogenannte Ventilmetalle in Frage, wie sie üblicherweise für dimensioπsstabile Anoden verwendet, nämlich Titan, Tantal, Zirkonium, Niob, Wolfram. Ein solcher Grundkörper des Anoden¬ materials besitzt noch eine elektrischleitende Fläche aus zum Beispiel einem Platinmetall, einem Platinmetalloxid oder einem leitenden, gegenüber dem Anolyt beständigen Metalloxyd oder Oxydgemisch. Ventilmetallε sind Metalle, welche nicht¬ leitende Oxyde bilden, die gegenüber dem Anolyt widerstandsfähig sind. Eine Streckmetall-, Netz- oder Gitteranode wird wegen der größeren elektrokatalytisch wirksamen Fläche und den guten Strömuπgsmöglichkeiten des Elektrolyten bevorzugt.

Die Kathode ist ebenfalls vorzugsweise perforiert und aus ebenem Blech oder Platten hergestellt wie die Anode _ lediglich aus einem elektrischleitenden gegenüber dem Katolyt wider¬ standsfähigen Stoff wie Stahl, Nickel, Eisen oder Legierungen dieser Materialien bestehend. Mit Vorteil wird die Kathode auf ihrer Oberfläche beschichtet mit Nickel oder einer Nickel¬ legierung oder -Verbindung.

Ein besonderes Problem stellte bisher die Verbindung sogenannter unverträglicher Materialien, wie zum Beispiel Tantal und Stahl bzw. Titan und Stahl und andere, dar, welche normalerweise nicht miteinander verschweißbar sind. Man hat dann ein Zwischen¬ stück aus einem Material, wie zum Beispiel Kupfer, vorgesehen,

welches mit beiden Mur stet fer., das heißt dem der Anode und der Kathode, einwandfrei verbunden werden konnte. Es ist aber bekannt, daß insbesondere die Korrosionsbeständigkeit, ja allgemein die Widerstandfähigkeit gegenüber dem Elektrolyt von Kupfer nicht gegeben ist.

Wollte man aus zwei normalerweise miteinander nicht verschwei߬ baren Metallen ein Bimetall herstellen, so geschieht das üblicherweise durch Walzplattieren. Ein solcher Plattierverbund hielt jedoch den Bedingungen an das Schmelz-Schweißverfahren wegen der benötigten hohen Temperaturen für die üblichen Anoden- und Kathodenmaterialien nicht stand.

Die Erfindung geht hier einen anderen Weg:

Bevorzugte Ausführung der Erfindung Es werden Zwischenstücke aus einem Verbundkörper hergestellt, zum Beispiel jeweils zur Hälfte aus Anoden- und Kathodenmaterial und stumpf aneinanderstoßend über die Breite und Dicke der im wesentlichen plattenförmigen Elektrode. Die Verbundkörper sind im wesentlichen vor dem Verbinden mit den Elektrodenteilen streifenför ig gestaltet und von etwa der Breite der Elektrode. Sie werden zum Beispiel wie folgt hergestellt:

Ein Titan- und ein Stahlblech wurden in einer Kammer mit Argonatmosphäre, vorteilhafterweise in einer Kapsel aus gleichem Stahl eingeschweißt, wobei die eine Seite der Stahlkapsεl bereits die gewünschte Dicke des Stahlteiles des Verbindungs¬ stückes aufweist, nachdem sie vorgereinigt, insbesondere gebeizt und/oder entfettet, waren. Die Kapsel wurde bei einem Druck zwischen 800 und 2000 bar und einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 780 und 820°C heißisostatisch gepresst und unter Druck und Temperatur gehalten für eine Zeitdauer von etwa 30 - 180, insbesondere 60 - 120, Minuten mit vorherigem Aufheizen und nachfolgendem Abkühlen. Der so hergestellte Verbundkörper wurde danach von der Kapsel befreit, zum Beispiel durch mechanisches oder chemisches Entfernen. Der gepresste Körper kann gegebenenfalls anschließend in die Endform kleine Streifen - zer eilt /-.-T.;JΠ.

Wesentlich ist, daß der so hergestellte Verbundkörper eine intermetallische Phasenverbindung aufweist, mit guter Fein¬ körnigkeit der Materialien und besonders hoher Dichte, das heißt ohne Fehlstellen wie Haarrisse und dergleichen mehr. Dadurch ist es möglich einen guten Stromdurchfluß zu erzielen und damit auch geringe Potentialverluste.

Das heißisostatische Pressverfahren wurde in bekannter Weise in einer Anlage der W.C. Heraeus GmbH, Hanau durchgeführt. Anstelle des heißisostatischen Pressverfahrens kann auch eine intermetallische Verbindung zwischen den zwei normaler¬ weise nicht schweißbaren Materialien durch Sprengplattieren oder ein übliches Diffusionsschweißverfahren hergestellt werden, jedoch wird das heißisostatische Pressen bevorzugt.

Es ist selbstverständlich, daß zusammengesetzte Elektroden des bipolaren Typs auch aus einer Vielzahl von paarweise zusammengesetzten Anoden- und Kathodenteilen mit Zwischen¬ stücken zur Bildung einer einstückigen ebenen, insbesondere plattenförmigen Elektrode zusammengesetzt werden können. Die Konfiguration der Elektrode ist lediglich abhängig von der Größe der Zelle und der Anordnung darin sowie dem ge¬ wünschten Elektrolytfluß und den Stromzu- bzw. ableitungen.

Anwendungen der Erfindung Die erfindungsgemäßen bipolaren Elektroden sind anwendbar in elektrochemischen Zellen, insbesondere sind sie gut ge¬ eignet für die Elektrolyse von wässrigen Lösungen der Alkali¬ chloride. Eine bipolare Elektrode ist nicht direkt mit der Stromzuführung verbunden, sondern eine Fläche wirkt als Anode und die andere als Kathode, wenn der Strom durch die Zelle fließt. Für die Stromzuführung sind Klammern geeignet, die jeweils die gleichpoligen Teile der Elektroden verbinden. Mit Vorteil können die neuen bipolaren Elektroden in der

Zelle so angeordnet werden (horizontal oder vertikal), daß je ein Kathodεnbereich -j e. ns;- ^* -nodc*nbcre ^' ich gegenüber liegt.

- fa -

Die Strömungsrichtung der Elektrolyten kann zwischen den platteπförmigen Elektroden hindurch, das heißt entlang deren Ebene sein, oder jeweils durch die Perforierung der Elektroden hindurch. Zwischen Ein- und Außlaß der Zelle erfolgt gegebenen¬ falls ein Elektrolytumlauf.

Weitere Abwandlungen der Ausführungsbeispiele können vorgenommeti werden, ohne hierdurch den allgemeinen Erfinduπgsgedanken, der sich insbesondere in den Ansprüchen niederschlägt, zu verlassen.