ELECTRODE STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL CELLS

Abstract: 1. Electrode for electrochemical cells, in particular for diaphragm or membrane cells, having a structure permitting optimum gas transport out of the region of the electro chemical reaction, which contains a plate-like carrier (1) of sheet metal of a thickness of at least 0,4 mm and acting as a current distributor, wherein the carrier (1) has on both sides at least two corrugations (3) extending over each if its top and bottom surfaces and on the top and bottom surfaces of which at least one plate-like electrode element (2) is welded in bridge-like manner on to the crest of the corrugation (3), characterized in that the side surfaces of the corrugations (3) subtend an acute angle and act as welding humps for the plate-like electrode elements (2), that for the purpose of forming a lamellar structure, a plurality of plate-like electrode elements (2) are welded by their narrow lateral edges on to the crest of the corrugations (3) and are arranged with the planes of their wide lateral surfaces at right angles to the top and bottom surfaces, respectively, of the carrrier (1).

Description: Elektrodenstruktur für elektrochemische Zellen Die Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur für elektrochemische Zellen, insbesondere Diaphragma- oder Membranzellen, die einen als Stromverteiler dienen plattenförmigen Träger aus Metallblech in einer Stärke von wenigstens 0,4 mm besitzt, wobei der Träger beidseitig wenigstens jeweils zwei sich über seine Ober- und Unterfläche erstreckende Ausbuchtungen aufweist und auf dessen Ober- und Unterfläche wenigstens ein plattenförmiges Elektrodenteil brückenartig auf dem Kamm aufgeschweisst ist. Aus der US-PS 4,482,448 ist eine Elektrodenstruktur für gaserzeugende Elektroden - das heisst Anode oder Kathode - bekannt, welche einen zentralen plattenförmigen Stromverteiler mit beidseitigen wellenförmigen Ausbuchtungen enthält. Auf den Kämmen der wellenförmigen Ausbuchtungen sind Elektrodenteile, beispielsweise in Form von perforierten Platten oder Streckmetall,durch Verschweissen befestigt. Beim Einsatz in Elektrolysezellen verlaufen die Kämme der Ausbuchtungen in vertikaler Richtung, so dass die im Elektrodenbereich entstehenden Gase zur Oberkante der Elektrode abgeführt werden können. Es ist somit möglich, die an den Aussenteilen der Elektrode erzeugten Gase aufgrund der porösen bzw. perforierten Struktur der Elektrodenteile in die zum Innenbereich der Elektrode gehorenden Ausbuchtungen abzuführen. Aufgrund ihrer einfachen Struktur soll die Elektrode in preisgünstigen Verfahrensschritten, wie beispielsweise Walzen, Stanzen und Schweissen, herzustellen sein. Als nachteilig erweist es sich, dass nur die unmittelbar an der Membran anliegenden äusseren Teile der Elektrode zur elektrochemischen Umsetzung beitragen welche zudem durch Porosität bzw. Perforation in ihrer wirksamen Oberfläche reduziert sind. Durch Gasbildung infolge elektrochemischer Reaktion im Bereich der Auflage der Membran auf der Elektrodenoberfläche wird die Ionenwanderung - und damit die Effektivität der elektrochemischen Umsetzung - erheblich behindert. Weiterhin erfordert die Aufteilung des Elektrodenraumes durch die vertikal verlaufenden Ausbuchtungen in einzelnen Strömungskammern eine äusserst gleichmässige Anströmung dieser elektrolytführenden Kammern, was zu aufwendigen Strömungssystemen in der Praxis führt. Aufgrund des seitlich angebrachten Stromanschlusses erhöht sich der elektrische Widerstand insbesondere für die auf der gegenüberliegenden Seite befindlichen Teile der Elektrodenfläche; hieraus ergibt sich eine ungleichmässige Stromverteilung auf der Elektrodenfläche; dies führt zu einer höheren Zellenspannung. Weiterhin ist aus der US-PS 4,013,525 bekannt, die Gitterstruktur von Anoden als flache Streifen, Bänder oder Kanäle in U-Form oder umgekehrter U-Form auszubilden. An den Verbindungsbogen der umgekehrten U-Profile werden die einzelnen kanalartigen Teile zusammengeschweisst. Dabei ist ein ausreichender Spalt zwischen den Bändern jedes kanalartigen Elementes vorzusehen, um den Zugang eines Punktschweiss-Werkzeugkopfes zu ermöglichen, da die kanalartigen Elemente mit einem Leiter durch Punktschweissen verbunden werden müssen. Hierdurch wird andererseits die von der Stromverteilung her erwünschte grosse Anzahl von einzelnen Leiterelementen begrenzt. Ausserdem müssen auf der Oberseite der Elemente mit umgekehrtem U die Bögen zwischen den Verbindungsstegen entfernt werden, so dass relativ grosse Mengen an Titan zu Abfall werden. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Elektroden aus verhältnismässig einfachen Grundstrukturen in ökonomischer Weise aufzubauen, welche möglichst grosse aktive Flächen aufweisen, so dass sie auch in elektrochemischen Zellen des Filterpresstyps einsetzbar sind. Sie sollen in unmittelbarer Nähe des Separators eine möglichst grosse aktive Fläche erzielen und gleichzeitig einen optimalen Gastransport aus dem Bereich der elektrochemischen Umsetzung gewährleisten. Die plattenförmigen Stromverteiler sollen durch ihre Struktur ein möglichst einfaches Aufschweissen der Elektrodenteile ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Erhöhungen eine Höhe von 1 bis 10 mm. Der Träger weist dabei eine rechteckige Grundform auf, wobei die Erhöhungen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen und durch gerade verlaufende Kanten gebildet sind, welche eine durchgehende Linie zwischen zwei sich gegenuberliegenden Plattenkanten bilden. Die aufgeschweissten Elektrodenteile sind als Flachprofile mit Rechteckquerschnitt ausgeführt aus im jeweiligen Elektrolyseverfahren resistenten, elektrisch leitenden Metallen oder deren Legierungen, wie auch der Träger selbst. Das Breitenzu Höhenverhältnis liegt zwischen 1:5 und 2:3. Der Spalt zwischen benachbarten Elektrodenteilen wird so gewählt, dass die an den aktiven Oberflächen der Flachprofile im Betrieb entstehenden Gasabzugsfahnen im- Bereich des Spaltes nicht miteinander in Berührung kommen und verwirbeln, sondern getrennt bleiben, so dass die Ionen, die an der Elektrodenflache entladen werden, weitestgehend von Gasblasen ungehindert an die aktiven Flächen gelangen können. Nach der Erfindung erweist es sich als vorteilhaft, dass Elektrodenteile und Träger aus einfachsten geometrischen Formen aus vorgefertigten Blechen geschnitten werden können und nach Aufbringen der durchgehenden Schweissbuckel, wie sie beispielsweise durch Biege- oder Abkantverfahren hergestellt werden können, alle Elektrodenteile jeweils einer Trägerseite gleichzeitig mit einem Schweissbuckel durch Widerstandsschweissen verbunden werden können. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind. 1. Günstige Stromverteilung über zwei Leiterebenen mit optimal dimensionierten Flachprofilen (Rechteckprofilen), 2. hohe Stabilität der Elektrode sowohl mechanisch (verwindungs steif), insbesondere wegen des günstigeren Widerstandsmoments von Rechteckprofilen im Vergleich zu Rundprofilen und quadratischen Profilen, aber auch deshalb, weil alle Flach profile (Rechteckprofile) der einzelnen Ebenen jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet sind, 3. gute Planität der ebenen Aktivfläche der Elektrode bleibt nicht nur nach der Herstellung, dem Transport, sondern auch nach dem Einbau (Montage und Demontage) sowie im Betrieb erhalten, was zu einer Senkung der Betriebskosten führt, weil ein günstigerer, gleichmässiger Abstand zu der Gegenelektrode eingehalten wird 4. Sicherheit gegen thermischen Verzug beim Reaktivieren. Dies ermöglicht die verwindungssteife Konstruktion der erfindungsgemässen Elektrode, 5. gute Stoffaustauschkinetik nicht nur durch die rundum beschichteten, senkrecht stehenden Flachprofile (Recht eckprofile), sondern auch durch deren günstige gegenseitige Beabstandung und Zahl der Leiter pro Fläche, 6. trotzdem gute Schweissbarkeit wegen der gegenseitigen Zu ordnung der Leiterebenen, 7. nicht zuletzt eine sehr hohe Materialersparnis bezogen auf eine Elektrode gleicher Fläche an hochwertigen Materialien, wie Titan, 8. ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil ist die einfache Form des Materials der Leiter (Flachprofil bzw. Rechteck profil), die die Verwendung von Standardvormaterial zu optimalen Einkaufsbedingungen und günstige Lagerhaltung erlaubt, 9. die gute Parallelität der einzelnen Flachprofile ist eine Folge der grossen Verwindungssteifigkeit der erfindungs gemässen Elektrodenkonstruktion bzw. ihres Aufbaus. Der mittlere Abstand zwischen Anode und Kathode im Elektrlyseur wird unbeeinflusst durch geringe Planitätsabweichungen optimal klein gehalten. Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren la, Ib und 2 näher erläutert. Figur la zeigt eine Elektrode mit einem Träger, der auf zwei Seiten mit Flachprofilen versehen ist. Figur 1b zeigt als Ausschnitt eine Kante dieser Elektrode. Figur 2 zeigt im Querschnitt einen Elektrolyseur, welcher mit den erfindungsgemässen Elektroden versehen ist. Gemäss Figur la besteht die erfindungsgemässe Elektrode aus einem plattenförmigen Träger 1, welcher auf beiden Seiten als Schweissbuckel dienende Ausbuchtungen3 aufweist, auf denen als Elektrodenteile 2 dienende Flachprofile aufgeschweisst sind. Der aus elektrisch leitfähigem Material bestehende plattenförmige Träger 1 hat neben der stabilen Halterung der aktiven Fläche die Aufgabe, in allen als Flachprofile ausgeführten Elektrodenteile 2 den elektrischen Strom zu verteilen; er dient somit zur Stromverteilung und Halterung der aktiven Flächen. Der Träger 1 besteht aus Metallblech einer Blechstärke von 0,4 bis 5 mm, vorzugsweise in einer Plattenstärke von 1 bis 3 mm. Die Ausbuchtungen 3 bestehen aus wechselweise angeordneten Erhöhungen bzw. Vertiefungen in den Ober- bzw. Unterflächen des Trägers 1, welche durchlaufende Kanten 4 aufweisen, deren Kantrichtungen senkrecht zu den Längsachsen der langgestreckten Flachprofile 2 verlaufen. Zur besseren übersicht wird auf Figur 1b verwiesen, welche bruchstückhaft einen Teil der in Figur la dargestellten Elektrode wiedergibt. Figur 1b zeigt im vergrösserten Ausschnitt beispielsweise den rechten unteren Teil der in Figur la dargestellten Elektrode. Der plattenförmige Träger 1 ist auf seiner Oberfläche mit einer dachförmigen Ausbuchtung 3 versehen, auf der mittels Schweissungen 5 die aufliegenden Flachprofile 2 fest verbunden sind. Die Kanten 4 dieser Erhöhung verlaufen parallel zur Vorderkante 6 des rechteckförmigen plattenförmigen Trägers 1. Die auf der Oberkante der Ausbuchtung 3 befindlichen Schweissungen 5, welche die Flachprofile 2 mit der Ausbuchtung 3 verbinden, befinden sich auf einer durchgehenden Linie; dies hat wesentliche fertigungstechnische Vorteile, da mit einer einzigen Widerstandsschweissung viele zueinander parallel angeordnete Flachprofile 2 mit einer solchen - als Schweissbuckel dienenden - Ausbuchtung 3 verbunden werden können. Durch die hochkant nebeneinander in vorgegebenem Abstand parallel angeordneten Flachprofile 2 ergibt sich ein besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren der Elektroden durch Widerstandsschweissung. Die einzelnen Flachprofile 2 werden durch ein oder mehrere drahtförmige Stabilisierungselemente 7 mittels Widerstandsschweissung zu einem stabilen Gesamtelement zusammengefÜgt. Dieses Gesamtelement wird wiederum durch Widerstandsschweissung mit den Schweissbuckeln in Form von dachförmigen Ausbuchtungen 3 verbunden. Da das drahtförmige Stabilisierungselement 7 sich auf der zum Träger l gerichteten Seite der Flachprofile 2 befindet, bildet es auch keinerlei Hindernisse für die Elektrolytströmung auf der den Membranen bzw. Diaphragma zugekehrten äusseren Seiten der Flachprofile 2. Das Verhältnis von Flachprofilhöhe zum Mittenabstand benachbarter Flachprofile liegt im Bereich von 0,8:1 bis 1,6:1. Das Verhältnis von Flachprofilstärke zu Flachprofilhöhe beträgt zwischen 1:5 und 2:3. In der Praxis haben sich Flachprofilhöhen von 3 bis 5 mm sowie Flachprofilstärken von 1 bis 2 mm besonders gut bewährt. Die Blechstärke des Trägers 1 liegt im Bereich von 0,4 bis 3 mm, während die Ausbuchtungen jeweils eine Höhe von 4 bis 8 mm aufweisen. Das bevorzugte Verhältnis zwischen der Blechstärke des Trägers 1 und der Höhe der Erhöhungen liegt im Bereich von 0,05:1 bis 3:4. In der Praxis hat sich ein Verhältnis von 1:5 als besonders gut bewährt herausgestellt, wobei die Blechstärke 1 mm beträgt. Im oberen Teil der Figur 1b ist die auf der Unterfläche des Trägers 1 befindliche Ausbuchtung 3 als Vertiefung erkennbar. Die durch Abkantwerkzeug herstellbare Ausbuchtung verläuft über die gesamte Fläche, wobei hier jedoch nur ein Ausschnitt dargestellt ist. Die auf der Unterseite befindliche Ausbuchtung 3 und die mit ihr durch Widerstandsschweissen fest verbundenen Flachprofile 2 entsprechend in ihrem Aufbau und in ihrer Wirkung den zur oberen Seite der Elektrode gemachten Ausführungen. Die unterhalb des Trägers 1 befindlichen Flachprofile 2 sind durch ein drahtförmiges Stabilisierungselement 7 entsprechend den Flachprofilen 2 der oberen Seite - elektrisch und mechanisch miteinander fest verbunden. Figur 2 zeigt den Einsatz der erfindungsgemässen Elektrode in einer Elektrolyseanordnung nach dem Prinzip der Filterpressenbauweise. Zwischen den Endplatten 16 befinden sich mit den endständigen Kathoden 9 beginnend, abwechselnd beidseitig mit Flachprofilen bestückte Anoden 10 und Kathoden 11. Die beidseitig bestückten Elektroden entsprechen den aus Figur la und 1b bekannten Darstellungen, während die endständigen Elekroden nur einseitig bestückt sind; sie entsprechen ansonsten in ihrem Aufbau den beidseitig bestückten Elektroden. Als Material für die Anoden 10 kommen Metalle in Frage, die chemisch beständig gegenüber dem Anolyten sind, vorzuqsweise Titan und Titanlegierungen, weiterhin sind die Flachprofile mit einer elektrokatalytisch aktiven Beschichtung versehen. Die Kathoden 9 und 11 sind entsprechend den Anoden aufgebaut und bestehen aus einem Metall, das chemisch beständig gegenüber dem Katholyten ist, vorzugsweise aus Nickel bzw. Nickellegierungen oder rostfreiem Stahl. Die Flachprofile auf der Kathode können eine elektrokatalytisch aktive Beschichtung, beispielsweise Raney-Nickelbeschichtung, aufweisen. Der Anolytraum und der Katholytraum sind durch ein Diaphragma 12 oder eine ionenselektive Membran getrennt. Zur Verwendung der erfindungsgemässen Elektroden in einem Elektrolyseur nach dem Filterpressenprinzip werden diese in einem Rahmen 17, der vorzugsweise aus dem gleichen Material bestehen soll wie die zugehörigen Elektroden, eingeschweisst. Der Rahmen 17 ist mit Durchbrüchen 18 verstehen, die dem Zubzw. Ablauf des Anolyt bzw. Katholyt dienen. Zur Abdichtung der einzelnen Räume werden auf jeder Seite des Diaphragmas oder der Membran Dichtungen 15 eingebracht, die ausserdem der Isolierung der benachbarten Elektroden, die naturgemäss entgegengesetzte Polarität haben, dienen. Ein wesentliches Kriterium der erfindungsgemässen Anordnung bilden die Strömungskanäle zwischen den Flachprofilen, die z.B. bei gasentwicklenden Elektroden einen sicheren Abtransport der Gasblasen gewährleistet und in denen eine gute Durchmischung des Elektrolyten stattfindet. Die Halterungsmassnahmen zur Filterpressenbauweise sind zwecks besserer übersicht in Figur 2 nicht dargestellt.

Claims: "Elektrodenstruktur für elektrochemische Zellen" Patentansprüche 1. Elektrodenstruktur für elektrochemische Zellen, insbesondere für Diaphragma- oder Membranzellen, die einen als Strom verteiler dienenden plattenförmigen Träger aus Metallblech in einer Stärke von wenigstens 0,4 mm besitzt, wobei der Träger beidseitig wenigstens jeweils zwei sich über seine Ober- und Unterfläche erstreckende Ausbuchtungen aufweist, und auf dessen Ober- und Unterfläche wenigstens ein platten förmiges Elektrodenteil brückenartig auf dem Kamm der Ausbuchtung aufgeschweisst ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen der Ausbuchtungen (3) einen spitzen Winkel einschliessen und als Schweissbuckel für die platten förmigen Elektrodenteile (2) dienen, dass zur Bildung einer Lamellenstruktur eine Vielzahl von plattenförmigen Elektroden teilen (2) mit ihren schmalen Seitenkanten jeweils auf dem Kamm der Ausbuchtungen (3) aufgeschweisst sind und mit den Ebenen ihrer breiten Seitenflächen senkrecht zur Ober- bzw. Unterfläche des Trägers (1) angeordnet sind. 2. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (3) im Verlauf ihrer Linie die Ebenen der Elektrodenteile (2) in einem Winkel schneiden, der zwischen 30 und 90" liegt. 3. Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (3) eine Höhe von 1 bis 10 mm aufweisen. 4. Elektrodenstruktur nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbuchtungen (3) durch gerade verlaufenden Kanten gebildet sind. 5. Elektrodenstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) eine rechteckige Grundform aufweist, wobei die Ausbuchtungen (3) eine durchgehende Linie zwischen zwei sich gegenüberliegenden Plattenkanten bilden. 6. Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenteile (2) einen rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis von 1 : 1,5 bis 1 : 5 aufweisen. 7. Elektrodenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Mittenabstandes benachbarter Elektro denteile (2) zur Höhe der Elektrodenteile im Bereich von 1:1,6 bis 1:0,8 liegt. 8. Elektrodenstruktur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, dass alle Elektrodenteile (2) einer Trägerseite jeweils durch wenigstens zwei drahtförmige Stabilisierungs elemente (7) aus Metall durch Verschweissen miteinander verbunden sind.

Inventors: FABIAN, PETER, GERHARDT, WOLFGANG, KOCH, REINHARD, SIMON, HEINRICH
Applicants: HERAEUS ELEKTRODEN GMBH
Application year: 1985
Main classification: C25B11
IPC codes: C25B11, H01M4