(57)【要約】本発明は、電気化学反応装置用のガス拡散電極（１０）を受容するガス拡散電極支持構造に関する。前記支持構造は基本構造（８）を持ち、そのフィン（１１）に接続要素が溶接線（２０）により導電的に接続される。接続要素は折曲構造として構成され、ガス拡散電極（１０）の縁領域（１５）を包封する。ガス拡散電極（１０）の縁領域（１５）は、外側部分（３２）はコーティングされず、内側部分（３３）は電気化学的に活性なコーティングが施される。
2005506459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本構造（８）と、
前記基本構造（８）によって支持されるガス拡散電極（１０）と、
を有する、電気化学反応装置用のガス拡散電極（１０）を受容するためのガス拡散電極支持構造であって、
前記基本構造（８）と前記ガス拡散電極（１０）との間に導電性接続要素（１２）が配置されること
を特徴とする、ガス拡散電極支持構造。
【請求項２】
前記接続要素（１２）が前記ガス拡散電極（１０）の縁領域（１５）を囲むことを特徴とする、請求項１に記載のガス拡散電極支持構造。
【請求項３】
前記ガス拡散電極の前記縁領域（１５）の外側部分（３２）には少なくとも部分的にコーティングが無く、前記縁領域（１５）の内側部分（３３）には電気化学的に活性なコーティング（１４）が設けられることを特徴とする、請求項２に記載のガス拡散電極支持構造。
【請求項４】
前記接続要素（１２）と前記縁領域（１５）、特に前記縁領域（１５）の前記内側部分（３３）との間にシール（１７）が設けられることを特徴とする、請求項１ないし３の一項に記載のガス拡散電極支持構造。
【請求項５】
シール作用を達成するために、前記接続要素（１２）が前記シール（１７）の領域で塑性変形されることを特徴とする、請求項４に記載のガス拡散電極支持構造。
【請求項６】
前記接続要素（１２）が前記ガス拡散電極（１０）をフレームの形状に囲むことを特徴とする、請求項１ないし５の一項に記載のガス拡散電極支持構造。
【請求項７】
前記接続要素（１２）が複数の接続部品（３５）を含み、前記シール（１７）が複数のシール部品（３４）を含み、前記接続部品（３５）の接続位置と前記シール部品（３４）の接続位置が相互に対して偏位していることを特徴とする、請求項１ないし６の一項に記載のガス拡散電極支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散電極用の支持構造に関する。該支持構造は、電気化学反応装置用のガス拡散電極を受容するために使用される。本発明は、特に電解槽または燃料電池用のガス拡散電極支持構造に関する。
【０００２】
ガス拡散電極を基本構造に一体化し、かつ／または電気化学反応装置のガス拡散電極と支持構造との間の電気的接触を行なう一つの方法として、例えばＤＥ−Ａ４４４４１１４に記載されているように、プレスフィット接続の形成がある。しかし、プレスフィット接続を使用する場合、それらの電気接触抵抗が装置の運転中に往々にして低下し、結果的に電気エネルギの消費が望ましくないほど増加することが明らかになってきた。
【０００３】
ガス拡散電極と電気化学反応装置との間の電気的により高い耐久性を有する接続は、例えばＥＰ−Ａ１０４１１７６に記載されているように、溶接プロセスの助けにより達成することができる。無孔金属囲縁を持つガス拡散電極を使用する場合、電極の基本構造に対する直接溶接が可能である。ＥＰ−Ａ１０４１１７６に示されている電極基本構造の連続縁は、支持構造として孔開きまたは溝付き金属薄板を必要とする。したがって、一体化される電極はしばしばその面積全体および以下でコーティングと呼ぶ電気的に活性な材料が埋め込まれた空洞内に開孔を持つ金属的導電性基本構造を含む。コーティングされた電極を直接溶接する試みは、コーティング材が高温の接合温度でしばしば分解するという事実のために、失敗してきた。
【０００４】
さらに、シール材として、加熱により可塑化し、冷却中に再び固化する材料の使用がＥＰ−Ａ１０２９９４６に記載されている。この場合、ＰＴＦＥのような化学的に不活性な物質を使用することができる。しかし、この物質が基本構造に永久的に接続するためには、２００ないし４００℃の高温を使用する必要がある。したがって、ＥＰ−Ａ１０２９９４６に記載されているプロセスを実行するには高価な装置および／または機械が必要である。
【０００５】
本発明は、ガス拡散電極が密封的に永久に保持されるガス拡散電極支持構造を提供する目的に基づく。
【０００６】
本発明によると、該目的は請求項１の特徴によって達成される。
【０００７】
電解槽または燃料電池などの電気化学反応装置のガス拡散電極を受容するための本発明に係る支持構造は、基本構造を有する。基本構造は、例えば電解槽のフレーム状ハウジング半体または類似物である。基本構造はガス拡散電極を支持する。本発明では、この目的のために、基本構造とガス拡散電極との間に電気的導電性接続要素を設ける。該接続要素は低抵抗の導電性であることが好ましい。接続要素を設けることにより、一方では基本構造に対し、他方ではガス拡散電極に対し、永久的な電気的導電性接続を生成することが可能になる。
【０００８】
接続要素は、それがガス拡散電極の縁領域を囲むように構成することが特に好ましい。これにより、ガス拡散電極は、覆われていない金属グリッドまたは類似物が存在するように、縁部領域にコーティング材を設けないことが可能になる。金属グリッドまたは金属支持構造に対し、優れた導電性の接続を実現することができる。この文脈でガス拡散電極は、フレームに似た狭幅の小片状外側領域のような縁領域の外側部分を少なくとも部分的に、好ましくは完全にコーティング無しに維持し、かつ、さらに縁領域の内側部分に電気化学的に活性なコーティングを設けることが特に好ましい。このコーティングはそれ以外では、ガス拡散電極に設けられる全体的コーティングと一致する。これは、接続要素によって取り囲まれる縁領域の一部分だけをコーティング無しにし、したがってこの領域に優れた電気的接触を実現できることを意味する。接続要素によって覆われるガス拡散電極の領域と自由ガス拡散電極（ｆｒｅｉｅｎ  Ｇａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｓｅｌｅｋｔｒｏｄｅ  ｅｒｆｏｌｇｔ）との間の遷移が存在する縁部領域の部分は、電気化学的に活性な材料で被覆することが好ましい。
【０００９】
溶接ゾーンにおけるコーティング材の不在は、完璧な品質の接続を達成することを可能にする。したがって、この領域では、ガス拡散電極の開孔触媒保持体にはコーティング材が無く、電気化学反応装置が動作しているときに、シール作用を達成する方策が無く、電極の両側に位置する媒体、すなわちガスおよび電解液が混合することが可能になる。例えば酸素消費カソードによるアルカリ金属塩化物の電解などのプロセスにおける望ましくないこの状況を打破するために、覆われていない溶接ゾーンに、塗布時には液体またはペースト状であるが、特定の時間後に固化し、この位置の開孔構造を密封する物質を提供することができる。シール材の固化は、例えば液体またはペーストの形状で塗布された物質の化学的硬化により発生することができる。電気化学反応装置に存在する化学的に一般的に高い攻撃的条件のため、この型のシールの実用寿命は非常に短く、数週間または数ヶ月の範囲であり、電気化学反応装置の効率的な長期使用を妨げる要因である。
【００１０】
接続要素の縁の優れた密封は、特に、ひだのようにガス拡散電極の縁領域を囲む接続要素を設けることによって達成することができ、好適な改良では、縁領域の一部にだけコーティングが無い。これは、好ましくは塑性変形可能な材料、特に金属薄板である接続要素を押圧することによって達成することができる。この場合、ガス拡散電極で比較的優れた密封を達成することを可能にする囲繞ショルダを設けることが可能である。しかし、接続要素とガス拡散電極の縁領域との間、特に縁領域の内側部分、すなわちコーティングが施された縁領域との間に、シールを設けることが特に好ましい。両側に配置された媒体は、電極および接続要素の接続領域でシールによって確実に分離され、それは弾性シールまたは塑性シールとすることができる。
【００１１】
シールは、反応装置に存在する液およびガス、特にアルカリ液に耐えることができることが好ましい。エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）から作られた弾性シール、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から作られた塑性シール、またはこれらの成分を含むシールを設けることが特に好ましい。
【００１２】
シールの領域では、接続要素はひだ状構成を有することが好ましい。特にこのひだは、接続要素の塑性変形によって封止を達成することを可能にする。この性質のひだを設ける場合、既存のシールの一つの代わりに、または追加的に、好ましくは粘着性であるシール剤を提供することが特に有利である。
【００１３】
接続要素を変形してシールに圧着させる力は、少なくとも１０ｋｇ／ｃｍ、好ましくは少なくとも５０ｋｇ／ｃｍ、特に好ましくは少なくとも１００ｋｇ／ｃｍの直線状の力によって行なうことが好ましい。
【００１４】
ガス拡散電極を囲むフレームは、好ましくは異なる長さの二対の開放金属異形材（Ｍｅｔａｌｌｐｒｏｆｉｌｅ）を溶接することによって作成される。短い方の異形材の端部は、全長にわたって同一形状であることが有利である。長い異形材は縁領域を切欠きを付ける。この領域でそれらは平坦な金属薄板の外観を有するだけである。溶接ヘッドの連続移動が電極における溶接に要する時間に有利な影響を持つ自動溶接プロセスを使用する場合、この異なる成形は溶接領域への高速入出を可能にする。
【００１５】
接続要素は複数の接続部品または異形材を含むことが好ましい。また、シールが複数のシール部品を含むことも可能である。この場合、接続位置同士の間に接触または交差がほとんどまたは全く無いように、接続部品間の接続位置はシール部品間の接続位置に対し偏位して配置される。接続部品または異形材同士の間の接続は、突合せ接合（９０°）として、または斜め継ぎ（４５°）として、行なうことができる。
【００１６】
完成したフレームは外側平坦領域および開放内側領域から構成される。平面領域はフレームを電気化学反応装置の基本構造に取り付けるために使用される一方、開放領域は電極を受容するために使用される。
【００１７】
フレームは、ニッケルまたはアルカリ液耐性ニッケル合金、特にニッケル−銀合金、または銀で被覆されたニッケル、またはいずれかの他のアルカリ液耐性金属合金から構成されることが好ましい。
【００１８】
電極を本発明に係るフレームに組み込むときに、連続的または断続的に延在する継ぎ目を形成するように、電極はコーティングの無いその縁をフレームの開放金属領域内に溶接される。次いで、弾性または塑性シールが導入され、圧力を加えることによってフレーム構造が閉じられる。したがって、構造が閉じられた後、折り曲げれた金属薄板のひだの弾性締付け力によってシール力が加えられる。完全に密封され、フレームによって囲まれた電極は、連続する溶接継ぎ目によって電気化学反応装置に組み込まれる。
【００１９】
本発明に係るフレーム構造のような基本構造の材料は、ニッケルまたはアルカリ液耐性ニッケル合金、特にニッケル−銀合金、または銀で被覆されたニッケル、または別のアルカリ液耐性金属合金から構成することが好ましい。本発明に係るフレーム構造を形成する金属薄板の厚さは、最大でも１ｍｍ、好ましくは０．１ないし１ｍｍ、特に好ましくは０．２ないし１ｍｍである。
【００２０】
ガス拡散電極の電気化学的に活性なコーティングは、触媒材の化合物、例えば酸化銀（Ｉ）および結合材、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのポリマを含む。さらに、コーティング材は、炭素または炭素含有化合物、とりわけ造孔剤として機能する添加剤、例えば炭酸水素アンモニウムを含むことができる。
【００２１】
触媒保持体は、適切な場合には銀メッキしたニッケル、またはニッケル合金、特にニッケル−銀合金から作成されたメッシュ、織布、編まれた布、不織布、または発泡体である。
【００２２】
従来のプロセス、例えばレーザ、抵抗、金属反応ガス、金属不活性ガス、燃料ガス、タングステン不活性ガス、プラズマ、または超音波溶接プロセスなどによって、ガス拡散電極を開放フレーム構造に溶接するために、連続する継ぎ目または溶接スポットまたはステッチ溶接のいずれかを使用することができる。代替的に、ガス拡散電極ははんだ付けプロセスによってフレーム構造に接合することもできる。
【００２３】
漏れを防止する必要性に鑑みて、電極がすでに設けられているフレームを電気化学反応装置の基本構造に溶接するには、連続する継ぎ目を生成することのできる溶接プロセスが特に適している。例として、レーザ、金属反応ガス、金属不活性ガス、燃料ガス、タングステン不活性ガス、およびプラズマ溶接プロセスは、この目的に特に適している。代替的に、はんだ付けプロセスを使用することも可能である。
【００２４】
上述した手順を適用する場合、電極を囲むフレームを使用すると、ひだによってシールに加えられる力は、電極をフレームに対して確実に密封するのに充分であることが明らかになった。フレーム構造に、例えばニッケルなどの軟質構造材を使用したときでも、これを実証することができた。
【００２５】
本発明に係るプロセスを使用して電気化学反応装置に組み込まれた電極は、好ましくは次のプロセスに使用することができるが、それらに限定されない。
【００２６】
−酸素消費カソードによるアルカリ金属塩化物の電解
−酸素消費カソードによる塩酸の電解
−廃棄物の電気化学的リサイクル
−有機または無機物質の電気合成
−燃料電池プロセスによるエネルギの発生
さらに、本発明は、ガス拡散電極の縁領域に導電接続される接続要素を有するガス拡散電極に関する。本発明に係るガス拡散電極は、上述した基本構造への接続に特に適する。接続要素の構成およびガス拡散電極への接続は同様に、上述したように構成することが好ましい。
【００２７】
本発明を以下で、好適な実施形態に基づき、かつ添付の図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。
【００２８】
実施例
本発明に係る支持構造の助けによるガス拡散電極のガスポケットへの接続について、下の実施例に関連して説明する。ガスポケットは、長さ１８００ｍｍおよび幅２５０ｍｍの半シェルの形の基本構造８を有する（図１）。まず第一にガス拡散電極１０（図２）が接続要素１２（図３）に、この場合はニッケルから作られた自己支持フレーム内に導入され、次いでそれは基本構造８のウェブ１１（図６、７）に接続される。この型のガスポケットはアルカリ金属塩化物電解槽で使用された。この場合、ガス拡散電極は酸素消費カソードとして作動した。
【００２９】
実施例１
ガス拡散電極１０と基本構造８との間の接続要素１２を形成するフレームを作製するために、ニッケル薄板（厚さ：１ｍｍ）から作られた４個の直線状異形材を、図１の拡大図２５に示すように斜め継ぎに切断し、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接によって隅領域２９を接合して長方形のフレームを形成した。ガス拡散電極１０を接続要素１２の開放異形材１３（図２）内に挿入した。該プロセスで、ガス拡散電極の縁領域１５を開放接続要素１２内に挿入した。ガス拡散電極１０の四方の側辺に沿って幅広く延在する縁領域１５は、電気化学的に活性なコーティングの無い外側部分３２、およびコーティングのある内側部分３３によって形成される。ガス拡散電極１０は、例えば超音波溶接によって、線１６（図３）に沿ってフレーム１２に溶接することができる。
【００３０】
電極の両側に位置する異なる媒体、すなわち酸素および電解液を分離するためのシール作用は、アルカリ液抵抗ＥＰＤＭから作られた弾性シール１７の使用によって引き起こされる。シール１７は、突合せ接合２４（図１）により相互に結合する四個の部品から組み立てられ、開放異形材１３（図４）内に挿入される。異形材１３は、２００ｋｇ／ｃｍの直線状の力により圧力を加えることによって閉ざされる（図５）。斜め継ぎとして切断された基本構造８と、斜め継ぎとしてではなく、むしろ直角突合せ接続として形成されるシール１７との組合せは、隅でもシールが生成されることを意味する。
【００３１】
第一の実施形態では、フレームによって完全に囲まれる電極１０は、ガス拡散電極１０部がひだによって囲まれたフレーム１２全体がウェブに着座するように、基本構造のウェブ１１上に配置される（図６）。この形の組込みは、フレームによって囲まれる電極１０の電気化学的に不活性な部分が基本構造８のウェブに重ね合わされるので、ガス拡散電極１０の不使用面積が最小化されるという利点を持つ。フレームは、縁領域のレーザ溶接継ぎ目２０によって基本構造８に接合される。この溶接プロセスの使用は、接合速度が高いこと、および構造に熱がほとんど導入されないので、シールまたは電極コーティングの熱的損傷を防止することができるという利点を有する。
【００３２】
実施例２
第二の好適な実施形態では、アルカリ金属塩化物の電解槽のガスポケットの基本構造への電極の組込みは、図１に記載した実施形態と同様であり、製作は図２〜５に記載された製作と同じである。二つの実施形態の相違はシールおよびその形状、ならびにフレーム１２が基本構造８のウェブ１１に接続される方法にある。
【００３３】
図示した例示的実施形態で四個のシール部品３４を備えたシール１７は、隅領域の突合せ接合２６によって一つに接合される（図１）。接続要素１２の四個の異形材３５は同様に、図１に示す拡大図２８で示すように、同様に突合せ接合によって相互に接続される。シール１７および接続要素１２の接合線は相互に直角に配置され、したがって相互に合致しない。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から作られた塑性シールが使用される。接続要素１２の隅はタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接によって縁３０に沿って溶接される。電極１０は溶接された後（実施例１参照）、４００ｋｇ／ｃｍの直線状の力を使用して閉ざされる。
【００３４】
フレームによって完全に囲まれた電極１０は、接続要素１２の縁領域１９だけがウェブ上に載置され、ひだによって囲まれるガス拡散電極の部分はガスポケット内に突出するように、基本構造８のウェブ１１上に配置される（図７）。接続要素１２は溶接継ぎ目１８に沿ってウェブ１１に溶接される。この型の位置付け、フレーム構造と、カソード半セルをアノード半セルから分離するイオン交換膜との間の接触を確実に防止することを可能にする。
【００３５】
実施例３
第三の実施形態では、実施例１で述べた実施形態と同様に、ＥＰＤＭから作られた弾性シールが使用され、相違はシールの四個の部品が斜め継ぎに切断される（図１の２７参照）一方、フレームの四個の部品が突合せ接合に切断されることである。
【００３６】
電極は開放異形材１３内に溶接された後（実施例１参照）、異形材１２は２５０ｋｇ／ｃｍの直線状の力で閉ざされる。
【００３７】
電極をアルカリ金属塩化物の電解槽の基本構造に組み込む方法は、実施例２で実行した変形例と同一である（図７参照）。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、シールと組み合わされた接続要素を示す。
【図２】図２は、本発明に係るガス拡散電極支持構造の作製に含まれる種々のプロセスステップを示す。
【図３】図３は、本発明に係るガス拡散電極支持構造の作製に含まれる種々のプロセスステップを示す。
【図４】図４は、本発明に係るガス拡散電極支持構造の作製に含まれる種々のプロセスステップを示す。
【図５】図５は、本発明に係るガス拡散電極支持構造の作製に含まれる種々のプロセスステップを示す。
【図６】図６は、本発明に係るガス拡散電極支持構造の第一の実施形態を示す。
【図７】図７は、本発明に係るガス拡散電極支持構造の第二の実施形態を示す。
【国際公開パンフレット】
2005506459.tif 000003
2005506459.tif 000004
2005506459.tif 000005
2005506459.tif 000006
2005506459.tif 000007
2005506459.tif 000008
2005506459.tif 000009
2005506459.tif 000010
2005506459.tif 000011
2005506459.tif 000012
2005506459.tif 000013
2005506459.tif 000014
2005506459.tif 000015
2005506459.tif 000016
2005506459.tif 000017
2005506459.tif 000018
2005506459.tif 000019
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005506459.tif 000020
2005506459.tif 000021
【国際調査報告】
2005506459.tif 000022
2005506459.tif 000023
2005506459.tif 000024
2005506459.tif 000025
2005506459.tif 000026
2005506459.tif 000027
2005506459.tif 000028
2005506459.tif 000029
2005506459.tif 000030
2005506459.tif 000031