DE4325941A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode sowie Elektrode und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit im wesentlichen ebener Oberfläche für elektrochemische Zwecke, insbesondere für Oxidations- und Reduktionsprozesse, wobei wenigstens ein im wesentlichen plat­ tenförmiges Elektrodenelement in seinem Randbereich mit einem den Rand U-för­ mig umfassenden Rahmen versehen wird, sowie eine Elektrode und deren Verwen­ dung.

Aus der DE-OS 40 03 516 ist ein Elektrodenelement für elektrolytische Zwecke bekannte das eine in mit zwei Seitenteilen versehenen U-förmigen Rahmen einge­ brachte platten- oder kastenförmige Elektrode aufweist, die zusammen mit dem in einen flüssigen Ionenleiter eintauchbaren unteren Teil des Rahmens von einer taschenförmigen Ionenaustauscher-Membran umgeben ist. In einem unterhalb der Elektrode angeordneten Steg des Rahmens sind Öffnungen zum Austritt des Ionenleiters in Richtung Elektrode vorgesehen, während in einem oberen Steg eine Öffnung zur Abfuhr des Ionenleiters angeordnet ist.

Es handelt sich hierbei um eine verhältnismäßig komplexe Anordnung, die einen kostengünstigen Aufbau elektrochemischer Zellen als problematisch erscheinen läßt; insbesondere ist es schwierig, einen raschen Elektrodenwechsel vorzuneh­ men, da hier die komplexe Gehäusestruktur zunächst demontiert werden muß. Weiterhin ist es nicht ohne weiteres möglich, eine Vielzahl von Elektroden gleicher Polarität, wie sie beispielsweise in Metallrückgewinnungszellen ein­ gesetzt werden, zu verwenden.

Weiterhin ist aus der DE-PS 39 36 964 eine Elektrodenanordnung zur elektroly­ tischen Abscheidung von Metallen aus Metallionen enthaltender Flüssigkeit mit einer plattenförmigen Anode bekannt, die in einem Rahmen aus elektrisch iso­ lierendem, korrosionsbeständigem Kunststoff, mit parallelen Seitenflanken eingeschoben ist; die Anode ist beidseitig im vorgegebenen Abstand von einer Kathode umgeben, wobei die Kathode an den im wesentlichen parallel geführten Seitenteilen des Rahmens gehaltert ist. Auch diese Elektrodenanordnung weist einen verhältnismäßig komplexen Aufbau auf, die einen einfachen Elektrodenaus­ tausch nicht ohne weiteres zuläßt. Weiterhin ist es nicht möglich, mehrere aktive Elektrodenflächen in einer Ebene nebeneinander anzuordnen.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur einfachen kosten­ günstigen Ausgestaltung von Elektroden anzugeben, wobei neben einem verhält­ nismäßig einfachen Aufbau auch die Möglichkeit einer weitgehend automatisier­ ten Fertigung angestrebt werden sollte. Weiterhin sollen die Elektroden trotz ihrer einfachen Konstruktion eine hohe Dauerstandsfestigkeit und leichte Aus­ tauschbarkeit erzielen; die erfindungsgemäßen Elektroden sollen insbesondere als Mehrfach-Zellanordnungen verwendet werden.

Die Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beschichtung aus Kunststoff über den gesamten Plattenumfang aufgebracht und dann mit einem den Rand der Platte U-förmig umgreifenden Rahmen aus Kunststoff verschweißt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere Keramikplatten, vorzugsweise vier Keramikplatten in einem zusammenhängenden Rahmen so eingebracht, daß ihre Oberflächen in einer Ebene liegen und beispielsweise wie eine gemeinsame Elek­ trode wirken können.

Vorrichtungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst; in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Elektrodenelement aus Titanoxid der Formel Ti_nO_(2n-1), wobei für n 4 gilt (Magnelli-Phase); weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Elektrode sind den Ansprüchen 5 bis 9 zu entnehmen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrode ist diese auf ihrem gesam­ ten Umfang von einem U-förmigen Rahmen umgeben, welcher mit den auf dem Rand­ bereich aufgebrachten Kunststoff verschweißt ist; in einer weiterhin bevorzug­ ten Ausführungsform besteht der U-förmige Rahmen aus zueinander rechtwinklig angeordneten Teilen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind wenigstens zwei, vorzugs­ weise vier oder sechs Elektrodenelemente in einer gemeinsamen Ebene so einge­ bracht, daß die Wirkung einer stark vergrößerten Elektrodenfläche erzielt wird.

Eine vorteilhafte Verwendung als bipolare Elektrode ist in Anspruch 10 ange­ geben.

Als vorteilhaft erweist sich bei den erfindungsgemäßen Elektroden die einfache kostengünstige Abdichtungsmöglichkeit der Keramikplatten in einer elektroche­ mischen Zelle sowie die praktische Möglichkeit der Herstellung großflächiger Elektroden durch Einsatz mehrerer Einzel-Elektroden, die in einer Ebene in einem Kunststoff-Rahmen zusammengeschweißt sind. Weiterhin kann durch Einsatz von bipolaren Elektroden eine erhebliche Vereinfachung der Konstruktion von elektrochemischen Zellen erzielt werden.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Randbereich einer gebrochen darge­ stellten Elektrode, bei der die Verbindung des Elektrodenrandes mit der Kunst­ stoffumrahmung erkennbar ist;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt gemäß Linie A-B der Fig. 1, wobei die umlau­ fende Kunststoffrahmung des Elektrodenelements erkennbar ist; in

Fig. 3 ist eine vollständige Elektrode mit ihrer für elektrochemische bzw. elektrolytische Prozesse zur Verfügung stehenden freien Fläche dargestellt;

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine zusammengesetzte Elektrode, die aus einem zusammenhängenden Rahmen mit insgesamt 6 Einzelelektroden besteht.

Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht den Einsatz erfindungsgemäßer Elektroden als Bipolar-Elektroden in einer Mehrfachzellenanordnung.

Gemäß Fig. 1 wird das Elektrodenelement 1 in einem ersten Verfahrensschritt in seinem Randbereich 2 oberflächenseitig aufgerauht, sofern nicht bereits im Herstellungsverfahren des Elektrodenelementrohlings eine Aufrauhung durch den Fertigungsprozeß im Randbereich erfolgt ist, wie dies z. B. durch einen Preß­ vorgang möglich ist. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die plattenförmi­ ge Keramik (Metallkeramik) auf eine Temperatur von 300°C erwärmt und bei die­ ser Temperatur mit einer Kunststoffbeschichtung 3 versehen. Die Kunststoffbe­ schichtung 3 kann dabei in mehreren Schichten aufgetragen werden, als Verfah­ ren wird beispielsweise das Wirbel-Sinter-Verfahren angewendet. Die Kunst­ stoffbeschichtung 3 kann dabei in einem oder mehreren Verfahrensschritten auf­ gebracht werden, so daß sich ggf. ein Schichtenaufbau ergibt.

Nach Abkühlung und Aushärtung wird die mit Kunststoffbeschichtung 3 im Randbe­ reich versehene Elektrodenelementplatte 1 in einen mit U-Profil ausgestatteten Kunststoffrahmen 4 eingebracht, und mittels einer an der Oberkante des Rah­ mens 4 gebildeten Schweißstelle 5 miteinander gas- und flüssigkeitsdicht ver­ bunden. Wie anhand der Schnittdarstellung nach Fig. 1 zu erkennen ist, han­ delt es sich um eine Profildarstellung, wobei in der Praxis die Schweiß­ stelle 5 beidseitig über den gesamten Umfang des Plattenrandes geführt wird. Rahmen 4 weist eine umlaufende Nut 7 zur Aufnahme eines elektrolytbeständigen Dichtelements 8 aus.

Gemäß Fig. 2 befindet sich das aus dem Rahmen 4 der Fig. 1 herausragende Teil des Elektrodenelements 1 entlang der Schnittlinie A-B der Fig. 1 gesehen noch im Bereich der Kunststoffbeschichtung 3, welche hier jedoch über dem oberhalb der hier nicht gezeigten Schweißstelle liegenden Bereich schematisch dargestellt ist. Von der Kunststoffbeschichtung wird - im Profil gesehen - in diesem Falle die gesamte Platte des Elektrodenelements 1 umgeben. Als Werk­ stoff für die als Elektrodenelement 1 dienende Platte wird eine elektrisch leitende Metallkeramik, insbesondere unterstöchiometrisches Titanoxid einge­ setzt, dessen Zusammensetzung sich nach folgender Formel ergibt:

Ti_nO_2n-1 mit 4 n 6
Dabei ist es möglich sowohl im inneren des Elektrodenelements zusätzliche Leitmaterialien, bzw. Leitelemente einzusetzen, als auch die freiliegende Elektrodenfläche des Elektrodenelements 1 so zu aktivieren, daß sie sowohl als Anode als auch als Kathode, bzw. auch als Bipolar-Elektrode einsetzbar ist.

Fig. 3 zeigt eine Elektrode im Rahmen mit einem einzigen Elektrodenelement 1. Gemäß Fig. 3 befindet sich Elektrodenelement 1 mit seinem hier nicht sicht­ baren Randbereich in einem umlaufenden Kunststoffrahmen 4, welcher an seinen äußeren Enden wiederum mit der ebenfalls umlaufenden Kunststoffbeschichtung 3 der Elektrodenelemente 1 durch Verschweißen verbunden ist. Als Werkstoff für die Kunststoffbeschichtung im Randbereich der Elektrode als auch als Kunst­ stoffrahmen haben sich insbesondere Polyäthylen bzw. Polypropylen bewährt; es ist jedoch möglich, andere Kunststoffe, wie z. B. PVDF, bzw. Kunststoffkombina­ tionen einzusetzen. Um eine möglichst große freie Elektrodenfläche des Elek­ trodenelements 1 zu erhalten, wird ggf. die über die Schweißstelle 5 hinausra­ gende Kunststoffbeschichtung wieder von der Beschichtung befreit, wobei das Abtragen der Kunststoffbeschichtung 3 im Randbereich durch Abziehen bzw. durch Abziehen einer vorher aufgebrachten Schutzfolie oder Schutzschicht erfolgt. Die freie Fläche einer solchermaßen behandelten Elektrode wird durch Abtragen der Kunststoffbeschichtung außerhalb des Rahmens 4 und der Schweißstelle 5 merklich vergrößert, so daß auch trotz hoher Stabilität mittels Kunststoffbe­ schichtung bzw. Kunststoffumrahmung ein erhöhter elektrolytischer Umsatz mög­ lich ist.

Rahmen 4 besteht zwecks Einbringung des mit Kunststoffbeschichtung 3 versehe­ nen Elektrodenelements aus einem U-förmigen Basisteil 4′, das nach Einbringung des Elektrodenelements 1 mit einem Jochteil 4′′ durch Verschweißung verbunden wird, so daß ein geschlossener Rahmen 4 entsteht.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 3, wobei jedoch der Kunst­ stoffrahmen 4 insgesamt sechs Elektrodenelemente U-formig umfaßt, wie dies prinzipiell anhand der Fig. 1, 2 und 3 erläutert ist; auch ist hier analog zu Fig. 3 eine Einbringung in U-förmige Ausnehmungen des Rahmens möglich, wobei der Abschluß wiederum durch Jochteile mittels Verschweißung erfolgt.

Gemäß Fig. 4 wird die Gesamtfläche der Elektrode durch die freien Flächen der einzelnen Elektrodenelemente 1 gebildet, wobei ggf. bipolare Elektrodenelemen­ te eingesetzt werden können, so daß beispielsweise der sichtbare Teil der Elektrodenelemente 1 als Anode wirkt, während der nicht sichtbare rückwärtige Teil dieser Elektrodenelemente 1 als Kathode einer benachbarten Zelle einge­ setzt wird.

Fig. 5 zeigt den Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode als Bipolar-Elektro­ de in einer Mehrfachzellenanordnung, wobei die Elektrodenelemente 1 mittels der elastisch aufblasbaren Dichtungen 8 gegenüber der Wand 9 des Gehäuses 10 so abgedichtet sind, daß die U-förmig verlaufenden Dichtungen 8 die jeweiligen Zellenräume 11 flüssigkeitsdicht voneinander trennen. Die elektrochemisch aktiven Oberflächen 12 und 13 der Elektrodenelemente 1 sind zwecks besserer Übersicht mit symbolischen Vorzeichen versehen und bilden jeweils den ano­ dischen und kathodischen Elektrodenteil der bipolaren Elektroden; die Ober­ flächen 12, 13 sind senkrecht zu der parallel zu den Zellenwänden 9 verlaufen­ den Gehäuseachse 14 des Gehäuses 10 ausgerichtet, wobei die beiden an den Stirnflächen 15 und 16 befindlichen Elektroden 17, 18 jeweils als monopolare Elektroden ausgebildet sind, so daß an der Stirnfläche 15 eine Anode vorge­ sehen ist, während an der Stirnfläche 16 sich eine Kathode 18 befindet, wobei deren aktive Oberflächen ebenfalls senkrecht zu der Achse 14 verlaufen.

Die zwischen den aktiven Flächen befindliche Elektrolytflüssigkeit wird bei­ spielsweise von oben eingeführt und auch wieder abgeführt, wobei dies symbo­ lisch durch die Querschnitte von Rohrleitern 19 und 20 dargestellt ist.

Weiterhin ist es möglich, durch Einsatz einer Ionenaustauscher-Membran zwischen benachbarten Elektroden jeweils einen geschlossenen Anolyt- und Ka­ tholytraum zu erhalten, wobei diese Möglichkeit zwecks besserer Übersicht zeichnerisch nicht dargestellt ist.

Die Zelle gemäß Fig. 5 Ist insbesondere für Prozesse der Cer-Oxidation geeig­ net.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode mit im wesentlichen ebener Ober­ fläche für elektrochemische Zwecke, insbesondere für Oxidations- und Re­ duktionsprozesse, wobei wenigstens ein im wesentlichen plattenförmiges Elektrodenelement in seinem Randbereich mit einem den Rand U-förmig um­ fassenden Rahmen versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenelement eine aus Keramik be­ stehende Platte mit elektronenleitender Oberfläche eingesetzt wird, die in einem ersten Schritt im Randbereich aufgerauht, und in einem zweiten Schritt wenigstens im Randbereich erwärmt wird, wobei anschließend wenig­ stens eine Beschichtung aus Kunststoff in deren Randbereich aufgebracht und die Keramikplatte in einen Rahmen aus Kunststoff mit U-förmigem Profil eingesteckt und dieser mit der aufgebrachten Kunststoffbeschichtung gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus Kunststoff über den gesamten Plattenumfang umlaufend aufgebracht und mit einem umlaufenden Kunststoff-Rahmen verschweißt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Keramikplatten in einen zusammenhängenden Kunststoff-Rahmen so eingebracht werden, daß ihre Oberflächen in einer Ebene liegen.

4. Elektrode mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche für elektrolytische Zwecke, insbesondere für Cer- oder Chrom-Prozesse, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein im wesentlichen plattenförmiges Elektrodenelement (1) überwiegend aus einer Keramik mit elektronenleitender Oberfläche vorge­ sehen ist, und das Elektrodenelement an seinem Rand eine Kunststoffbe­ schichtung (3) aufweist, die mit einem das Elektrodenelement umfassenden Rahmen (4) aus Kunststoff mit U-förmigem Profil gas- und flüssigkeitsdicht verschweißt ist.

5. Elektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik im wesentlichen aus einem Oxid eines Ventilmetalls besteht.

6. Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik aus unterstöchiometrischem Titanoxid Ti_nO_2n-1 der Magnet 11-Phase besteht, wobei n im Bereich von 4 bis 6 liegt.

7. Elektrode nach einem der Anspruche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektronenleiter Platinmetall oder Platinmetallverbindungen auf die Oberfläche des Elektrodenelements (1) aufgebracht ist.

8. Elektrode nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Elektrodenelemente (1) in einem zusammenhängenden Kunst­ stoffrahmen (4) so aufgebracht sind, daß ihre Oberflächen sich in einer gemeinsamen Ebene befinden.

9. Elektrode nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Elektrodenelement (1) als bipolare Elektrode ausgebildet ist, wobei einander abgekehrte Oberflächen als Anode und als Kathode aus­ gebildet sind.

10. Verwendung der Elektrode nach Anspruch 9 als bipolare Elektrode in einer Mehrfachzellenanordnung.