DE10152792A1

DE10152792A1 - Methode zur Integration einer Gasdiffusionselektrode in einen elektrochemischen Reaktionsapparat

Info

Publication number: DE10152792A1
Application number: DE10152792A
Authority: DE
Inventors: Peter Weuta; Fritz Gestermann; Hans-Dieter Pinter; Walter Klesper
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Covestro Deutschland AG
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-08
Also published as: WO2003036284A3; KR20040048430A; WO2003036284A2; AU2002346921A1; JP2005506459A; HUP0501191A2; US20040251128A1; CN1592982A; EP1451885A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer Gasdiffusionselektrode und der Grundstruktur eines elektrochemischen Reaktionsapparates mittels eines falzartigen umlaufenden Rahmens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer Gasdiffusionselektrode und der Grundstruktur eines elektrochemischen Reaktionsapparates mittels eines falzartigen umlaufenden Rahmens.
Gleichzeitig kann mit der Integration der Elektrode nach dem beschriebenen Verfahren eine Verhinderung der Vermischung von auf der Vorder- und Rückseite der Elektrode befindlichen Medien, in der Regel Flüssigkeit auf der einen und Reaktionsgas auf der anderen Seite, erreicht werden.

Eine Methode der Integration von Elektroden in bzw. deren elektrische Kontaktierung an die Grundstruktur eines elektrochemischen Reaktionsapparates ist die Ausbildung eines Presskontaktes, s. DE-A 44 44 114. Bei Verwendung von Presskontakten stellte sich jedoch heraus, dass sich ihr elektrischer Übergangswiderstand im Verlauf des Betriebes der Anordnung häufig verschlechtert - hieraus ergibt sich ein unerwünschter Anstieg des Verbrauches elektrischer Energie.

Eine elektrisch dauerhaftere Verbindung zwischen Elektroden und elektrochemischem Reaktionsapparat ist mit Hilfe von Schweißprozessen zu erzielen - s. EP-A-1 041 176. Bei Verwendung einer Gasdiffusionselektrode mit einem nicht perforierten, umlaufenden, metallischen Rand kann eine direkte Verschweißung mit der Grundstruktur der Elektrode vorgenommen werden. Der in dieser Offenlegungsschrift erwähnte, durchgängige Rand der Elektrodengrundstruktur bedingt jedoch als Trägerstruktur ein Loch- oder Schlitzblech. Oftmals bestehen daher die zu integrierenden Elektroden aus einer metallisch leitenden, über den gesamten Bereich offenporigen Grundstruktur, in deren Hohlräume die elektrochemisch aktive Masse, im Folgenden Beschichtung genannt, eingebettet ist. Versuche die beschichtete Elektrode direkt zu verschweißen, scheiterten an der meist stattfindenen Zersetzung der Beschichtungsmasse bei hohen Fügetemperaturen. Um eine qualitativ einwandfreie Verbindung zu erreichen, ist in der Schweißzone eine Abwesenheit von Beschichtungsmasse notwendig: die offenporige Grundstruktur der Elektrode ist daher in diesem Bereich frei von Beschichtungsmasse und würde bei Betrieb in dem elektrochemischen Reaktionsapparat ohne Maßnahmen zur Erzielung einer Dichtwirkung eine Vermischung der auf beiden Seiten der Elektrode befindlichen Medien ermöglichen. Um diesem, bei Prozessen wie z. B. der Chlor-Alkalielektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode unerwünschten Umstand entgegen zu wirken, wird die unbeschichtete Schweißzone mit zum Zeitpunkt der Applikation flüssigen oder pastösen und sich nach einiger Zeit verfestigenden Materialien, welche die offenporige Struktur an dieser Stelle abdichten, versehen. Eine Verfestigung der Dichtmaterialien kann beispielsweise durch chemisches Aushärten einer flüssig oder pastenartig aufgebrachten Substanz erfolgen. Aufgrund der in dem elektrochemischen Reaktionsapparat vorhandenen, chemisch meist sehr aggressiven Bedingungen hat sich die Standzeit der derart erzeugten Abdichtungen als sehr kurz erwiesen - sie bewegte sich im Bereich von Wochen bzw. wenigen Monaten und steht somit einem effizienten Dauereinsatz des elektrochemischen Reaktionsapparates entgegen.

Weiterhin ist die Verwendung einer durch Erhitzen plastisch gewordenen Masse, welche bei Abkühlung wieder erstarrt, als Dichtmaterial in der Literatur, s. EP-A-1 029 946, beschrieben worden. Hierbei können zwar chemisch inerte Substanzen, wie PTFE, verwendet werden. Zur dauerhaften Verbindung dieser Substanz mit der Grundstruktur muss jedoch eine hohe Temperatur aufgewandt werden - die Durchführung der Prozesse nach der Lehre des zitierten Patentes erfordert demzufolge umfangreiche Vorrichtungen/Maschinen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung einer Gasdiffusionselektrode und Grundstruktur eines elektrochemischen Reaktionsapparates, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch niederohmige Verbindung hergestellt wird zwischen dem Rand der Elektrode und einer falzartigen, den Rand aufnehmenden Ausbildung eines umlaufenden Rahmens und der elektrisch niederohmigen Anbindung des umlaufenden Rahmens an die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates.

Hierbei wird selbstverständlich eine Trennung der auf Vorder- und Rückseite der Elektroden befindlichen Medien gewährleistet.

Unter einem elektrochemischen Reaktionsapparat im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat verstanden, der zur Durchführung einer Elektrolysen- oder Brennstoffzellenreaktion benutzt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gasdiffusionselektrode allseitig umrahmt. Im Randbereich ist sie nicht mit Beschichtungsmasse versehen, sondern weist ausschließlich die freiliegende, metallische Grundstruktur auf. Die Gasdiffusionselektrode wird mit Hilfe eines elektrisch niederohmigen Kontaktes mit dem Rahmen verbunden. Im Verbindungsbereich von Elektrode und Rahmen werden die auf beiden Seiten befindlichen Medien mit Hilfe der Wirkung einer elastischen oder plastischen Dichtung zuverlässig getrennt.

Der die Elektrode umgebende Rahmen wird durch Verschweißen zweier Paare, meist unterschiedlich langer, offenstehender Metallprofile hergestellt. Die Enden der kürzeren Profile weisen in vorteilhafter Weise über die gesamte Länge eine identische Form auf; die langen Profile sind im Randbereich ausgeklinkt - sie weisen in diesem Bereich nur das Erscheinungsbild eines flachen Bleches auf. Diese unterschiedliche Formgebung ermöglicht bei Verwendung eines automatisierten Schweißverfahrens, in welchem sich eine kontinuierliche Bewegung des Schweißkopfes vorteilhaft auf die zum Einschweißen der Elektrode benötigten Zeit auswirkt, ein zügiges Ein- und Austreten aus dem Schweißbereich.

Die Verbindung der Profile kann sowohl auf Stoß (90°) als auch auf Gehrung (45°) vorgenommen werden.

Der fertiggestellte Rahmen setzt sich aus einem äußeren flachen und einem offenstehenden, inneren Bereich zusammen. Der ebene Bereich dient der Anbindung des Rahmens an die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates, der offenstehende der Aufnahme der Elektrode (s. u.).

Bei erfindungsgemäßer Integration der Elektrode in den Rahmen wird sie an ihrem beschichtungsfreien Rand in den offenstehenden, metallischen Bereich des Rahmens unter Ausbildung einer kontinuierlich oder diskontinuierlich verlaufenden Naht eingeschweißt. Anschließend wird die elastische oder plastische Dichtung eingelegt und die Rahmenstruktur durch Verpressen geschlossen. Nach Schließen der Struktur wird die Dichtkraft somit durch die elastische Spannkraft der umgebogenen Blechfalze aufgebracht. Die komplett umrahmte und abgedichtete Elektrode wird mit einer kontinuierlichen Schweißnaht in den elektrochemischen Reaktionsapparat integriert.

Für das Aufschweißen der Elektrode auf eine offenstehende Rahmenstruktur mittels gängiger Verfahren wie z. B. Laser-, Widerstands-, Metall-Reaktivgas-, Metall-Inertgas-, Brenngas-, Wolfram-Inertgas-, Plasma-, Ultraschallschweißverfahren können sowohl eine durchgehende Naht als auch Schweißpunkte oder Steppnähte verwandt werden.

Für das Einschweißen des bereits mit einer Elektrode versehenen Rahmens in die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates sind aufgrund der Notwendigkeit Leckagen zu vermeiden, in besonderer Weise diejenigen Schweißverfahren geeignet, welche die Erzeugung einer durchgehenden Naht ermöglichen.

Bei Anwendung des oben beschriebenen Vorgehensweisen stellte sich heraus, dass bei Verwendung einer Umrahmung der Elektrode die von der Falz auf die Dichtung aufgebrachte Kraft für eine zuverlässige Abdichtung der Elektrode gegenüber dem Rahmen ausreicht. Dies konnte sogar bei Verwendung eines weichen Konstruktionsmaterials für die Rahmenstruktur, wie beispielsweise Nickel, nachgewiesen werden.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einen elektrochemischen Reaktionsapparat integrierte Elektrode kann bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich, bei folgenden Prozessen eingesetzt werden:

- Chloralkalielektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode
- Salzsäureelektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode
- Elektrochemisches Recycling von Abfallstoffen
- Elektrosynthesen organischer oder anorganischer Substanzen
- Energiegewinnung mittels Brennstoffzellenprozessen

Beispiele

Beispiel 1

Dichtung mittels elastischer Dichtung (s. Fig. 2, 3)

Es wird nachfolgend der Einbau einer Elektrode gemäß der erfindungsgemäßen Verfahrensweise in eine mit einer Gastasche ausgestattete Chlor-Alkali-Elektrolysezelle, welche mit Sauerstoffverzehrkathode betrieben wird, beschrieben. Die Gastasche weist eine Grundstruktur (Fig. 1) mit den äußeren Abmaßen 1800 mm × 250 mm auf. Bei dieser Variante wird die Elektrode 10 vor Verbindung mit einem Steg 11 der Grundstruktur (Fig. 2) der Chlor-Alkali-Elektrolysezelle in einen selbstragenden Rahmen 12 aus Nickel eingefügt.
Zur Herstellung des Rahmens werden vier lineare, aus Nickel-Blech (Dicke: 1 mm) gefertigte Profile auf Gehrung geschnitten und mittels WIG-Schweißverfahren in den Eckbereichen 29 zu einem rechteckigen Rahmen gefügt. In das offenstehende Profil 13 wurde die Sauerstoffverzehrkathode 10, welche eine elektrochemisch aktive Beschichtungsmasse 14 und eine beschichtungsfreie Zone 15 aufweist, eingelegt und mittels Ultraschallschweißverfahren mit diesem verschweißt 16. Die Dichtwirkung zur Trennung der auf beiden Seiten der Elektrode befindlichen unterschiedlichen Medien kommt durch die Verwendung einer elastischen, auf Stoß 24 geschnittenen Dichtung 17 aus laugebeständigem EPDM zustande; sie wird in das offenstehende Profil 13 eingelegt. Das Profil 13 wird durch Verpressen mit einer Linienkraft von 200 kg/cm geschlossen. Die Ecken des Profiles werden auf Gehrung geschnitten ausgeführt 25. Die Kombination einer auf Gehrung geschnittenen Rahmenstruktur 25 mit einer nicht auf Gehrung sondern auf rechtwinkeligen Stoß geschnittenen Dichtung 24 bewirkt die Dichtwirkung auch im Randbereich. Die fertig umrahmte Elektrode 18 wird in ihrem Randbereich 19 auf dem Steg 11 der Grundstruktur der Chlor-Alkali-Elektrolysezelle derart positioniert, dass der erhabene Teil der Umfalzung von der Gastasche abgewandt 22 ist. Diese Art der Integration weist den Vorteil einer minimalen Totfläche der Gasdiffusionselektrode auf, da der elektrochemisch inaktive Teil 18 der umrahmten Elektrode mit der Grundstruktur der Gastasche 11 überlappt. Der Rahmen wird mittels LASER-Schweißnaht 20 im Randbereich des Profiles mit der Gastaschenstruktur verbunden. Die Verwendung dieses Schweißverfahrens besitzt den Vorteil einer hohe Fügegeschwindigkeit und eines geringen Wärmeeintrages in die Struktur, so dass eine thermische Schädigung der Dichtung oder der Elektrodenbeschichtung vermieden werden kann.

Beispiel 2

Dichtung mittels plastischer Dichtung (s. Fig. 2, 3)

Die Integration der Elektrode in die Grundstruktur der Gastasche der Chlor-Alkali- Elektrolysezelle ähnelt Beispiel 1 bis auf Beschaffenheit der Dichtung 17/26 bzw. Gestaltung des Eckbereiches 28 des Rahmens. Es wird eine plastische, auf Stoß geschnittene Dichtung 17/26 aus PTFE verwandt. Die Ecken des Profiles werden auf Stoß ausgeführt 28 und mittels WIG-Verfahren verschweißt 30; nach Einschweißen der Elektrode (s. Bsp. 1) wird es mit einer Linienkraft von 400 kg/cm geschlossen. Dichtung 26 und Rahmenprofil 28 sind beide auf Stoß geschnitten, ihre Ansatzstellen überlappen jedoch nicht, so dass auf diese Weise eine zuverlässige Abdichtung erzielt wird. Die fertig umrahmte Elektrode 18 wird in ihrem Randbereich 19 auf dem Steg 21 der Grundstruktur (Fig. 1) der Chlor-Alkali-Elektrolysezelle derart positioniert, dass der erhabene Teil der Umfalzung der Gastasche zugewandt ist 23. Durch diese Art der Ausrichtung kann ein Kontakt zwischen Rahmenstruktur und Membran sicher vermieden werden. Die Integration in die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates findet statt wie in Beispiel 1 beschrieben.

Beispiel 3

Dichtung mittels elastischer Dichtung (s. Fig. 2, 3)

Die Integration der Elektrode in die Grundstruktur der Chlor-Alkali-Elektrolysezelle ähnelt Beispiel 2 bis auf die Verwendung einer elastischen, auf Gehrung geschnittenen Dichtung 17/27 aus laugebeständigem EPDM. Die Ecken des Profiles werden auf Stoß ausgeführt 28 und mittels WIG-Verfahren verschweißt 30; nach Einschweißen der Elektrode (s. Bsp. 1) wird es wird mit einer Linienkraft von 250 kg/cm geschlossen. Dichtung 27 und Rahmenprofil 28 sind zwar beide auf Stoß geschnitten, ihre Ansatzstellen überlappen jedoch nicht, so dass auf diese Weise eine zuverlässige Abdichtung erzielt wird. Die fertig umrahmte Elektrode 18 wird in ihrem Randbereich 19 auf dem Steg 21 der Grundstruktur 11 der Chlor-Alkali- Elektrolysezelle derart positioniert, dass der erhabene Teil der Umfalzung der Gastasche zugewandt ist. Durch diese Art der Ausrichtung kann ein Kontakt zwischen Rahmenstruktur und Membran sicher vermieden werden. Die Integration in die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates findet statt wie in Beispiel 1 beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einer Gasdiffusionselektrode und Grundstruktur eines elektrochemischen Reaktionsapparates, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch niederohmige Verbindung hergestellt wird zwischen dem Rand der Elektrode und einer falzartigen, den Rand aufnehmenden Ausbildung eines umlaufenden Rahmens und der elektrisch niederohmigen Anbindung des umlaufenden Rahmens an die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der gefalzte Teil des Rahmens aus Profilen gefertigt wird, die in den Eckbereichen auf Stoß- oder Gehrung geschnitten sind und mittels Laser-, Widerstands-, Metall- Reaktivgas-, Metall-Inertgas, Brenngas-, Wolfram-Inertgas-, Plasma- und Ultraschallschweißverfahren oder Lötverfahren miteinander verbunden sind.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Rahmen zu verschweißenden Profil-Typen unterschiedliche Längen aufweisen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Profil-Typ an den Enden keinen Falzbereich aufweist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke des zur Herstellung des Rahmens verwandten Blechs eine Dicke von maximal 1 mm aufweist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rahmenstruktur aus Nickel, einer laugenfesten Nickellegierung, insbesondere Nickel mit Silber, oder Nickel, das mit Silber beschichtet ist oder einer laugefesten Metall-Legierung besteht.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch niederohmige Verbindung von Elektrode und der sie umgebenden Rahmenstruktur mittels Laser-, Widerstands-, Metall-Reaktivgas-, Metall- Inertgas-, Brenngas-, Wolfram-Inertgas-, Plasma-, Ultraschallschweißverfahren, Klemm-, Löt- oder Nietverfahren ausgeführt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmungsstruktur elektrisch niederohmig mittels Laser-, Widerstands-, Metall-Reaktivgas-, Metall-Inertgas-, Brenngas-, Wolfram-Inertgas-, Plasma- und Ultraschallschweißverfahren, Klemm-, Löt-, Niet- oder Schraubverfahren an die Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates angebunden wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass zum elektrisch niederohmigen Verbinden von umlaufender Rahmenstruktur und Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates verwendet werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rahmenstruktur innerhalb des flachen Randbereiches oder an seinem Rand mit der Grundstruktur des elektrochemischen Reaktionsapparates verbunden ist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der erhabene Teil der Umrahmung der Gastaschenstruktur zu- oder abgewandt ist.

12. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer von der Gastasche abgewandten Ausrichtung des erhabenen Teils der Umrahmung der umfalzte Teil des Rahmens ganz oder teilweise mit dem Steg der Grundstruktur der Gastasche überlappt.

13. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektrode und umlaufendem Rahmen eine laugebeständige, elastische oder plastische Dichtung zur Erhöhung der Dichtwirkung verwandt wird.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer elastischen oder plastischen Dichtung diese zur Steigerung der Dichtwirkung durch die falzartige Ausbildung der Rahmenkonstruktion kraftbeaufschlagt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Dichtung aus EPDM besteht.

16. Verfahren gemäß Anspruch 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die plastische Dichtung aus PTFE besteht.

17. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass im Kontaktbereich zwischen Elektrode und falzartiger Ausbildung des umlaufenden Rahmens eine Dichtmasse zur Erhöhung der Dichtwirkung verwandt wird.

18. Verfahren gemäß Anspruch 13 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungsmaterial aus mehreren Stücken zusammengesetzt ist.

19. Verfahren gemäß Anspruch 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstellen des Dichtungsmaterials nicht mit denen der Falzecken des die Elektrode einrahmenden Profiles übereinstimmen.

20. Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass die bei Niederpressen des Profiles verwandte Linienkraft mindestens 10 kg/cm beträgt.

21. Gasdiffusionselektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist mit einer falzartigen, den Rand aufnehmenden Verbindung eines umlaufenden Rahmens.

22. Elektrode gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie niederohmig angebunden ist an die Grundstruktur eines elektrochemischen Reaktionsapparates.