具有可更换电极结构的电解槽以及用于替换这些电极的方法

专利名称：具有可更换电极结构的电解槽以及用于替换这些电极的方法
技术领域：
本发明涉及具有可更换电极结构的电解槽以及用于替换这些电极的方法。
背景技术：
对于电化学应用而言，人们非常熟悉由在大部分情况下涂覆有一种或多种电催化材料的有孔基板形成的平面电极的采用。以下描述主要参考这种类型的电极结构，无论是在薄膜电解槽中采用的阳极还是阴极，因为它们代表在工业电化学的本方案中尤其主要的情况；但显然，除了本领域之外，此发明还可应用于通常具有相同结构元件的其它类型的电解槽和电化学电池。
在美国专利US4767519中描述了利用具有电催化涂层的平面电极的薄膜电解槽的例子。其中描述的电极结构包括导电芯，此导电芯在双面上设置有凸出支撑结构、借助与其相配的冷压板抗腐蚀、并且设置有外围密封凸缘；将其表面基本上处于相同平面上的所述板在相应于所述支撑结构凸部的区域中粘接到设有电催化涂层的电极网上。通过以下方式获得凸出支撑结构对板加压成芯，或者根据更常规的实施例，通过例如焊接将导电间隔件固定粘接到芯本身。还知道，可将相同类型的构造仅设置在金属芯的一侧上，此金属芯带有支撑具有电催化涂层的一个单电极的凸部。这是例如这样一种情况例如根据在英国专利申请GB2010908中描述的工序，在盐酸的去极化电解中，电解槽在相反侧上设置有气体扩散电极。在德国专利申请DE19850071中描述了在这种类型的电化学工艺的情况下的特别有利结构在此情况下，为了形成通道以便于流体交替向上和向下循环，设置了由波纹状板制成的肋条。在DE19850071中作为半槽描述的结构显然还可以应用于相反侧以形成完整的双侧结构，这种情况可以应用于不包括气体电极的电解工艺中。当然，根据对应于电化学电池不同应用，上述实施例可以由许多替换；但在所有情况下，对于半槽，这是单独的，无论是阳极电解质室或阴极电解质室，共用元件是由凸起元件制成的背壁式支撑结构，这样至少各凸起的端部部分位于相同平面上，例如通过焊接将电极或电极的排列固定到位于相同平面的所述端面。电极通常设有孔或通常由孔构成的开口；例如电极可由网板、打孔板、泡沫(expanded)板或两种或多种所述元件的叠加和组合；但作为选择，电极可由整板或平行条制成，例如设置在平面上或相对于共用面倾斜，不重叠或部分重叠，在此情况下称作“百叶窗”或“软百叶帘”结构。本发明尤其适用于以下情况所述电极至少部分地设有催化涂层，例如电催化涂层，正如在下面描述的那样；但是，它也可以应用于需要偶然地或者定期地替换至少部分所述电极的任何情况。在前面引证的原有技术方案中，替换电极的问题相当麻烦。例如，在由设置有电催化涂层的导电非催化基板制成电极的情况下，由于耗用、从基板的脱离、或在接触电催化涂层的区域中基板自身的钝化或其它原因，所述涂层会随着时间钝化。例如，在氯化钠电解的情况下，阴极和阳极这两个电极都优选由涂覆有含贵金属的电催化膜的非贵和非催化导电金属构成。例如，在阳极基板由如钛等电子管(valve)金属制成的情况下，阳极涂层典型由有助于氯生成的电催化膜制成，例如贵金属及其氧化物。这种涂层的寿命通常在几年内，此后就需要替换电极或活化基板。并且在后一种情况下，需要从电解槽结构中拆除电极；实际上反应工序预测包括以下步骤基板的彻底清洗，催化剂前躯体的喷射，以及高温热处理，这些步骤在原有位置上不能进行。在某些情况下，当出现涂覆有镍和氧化钌的镍阴极时，反应可借助电处理进行；同样在此情况下，很显然，从槽结构中拆除电极是必要的。可以以不同的方式进行拆除工序；例如，在电极为薄网板形式的情况下，后者可从原来焊接到的支撑结构上拆除。但是，这种类型的方案简直是不可取的，因为在去除其一部分或变形其外形时存在着严重损坏支撑结构的凸起的危险。此外，难以避免当电极拆除时部分电极基板或焊接材料残留粘接到凸起，导致平整性的损失，这会引起在替换电极结构的后续应用中的某些严重问题，除非进行用于清洗和恢复电极结构的昂贵、少见的实际操作。
更为广泛的技术，尤其在重结构的情况下，存在于切去相应于邻接支撑结构的各凸起区域的电极。以此方式，典型以条状形式的非活性电极部分仍焊接或固定到凸起。替换的电极结构随后提供到电极的所述剩余部分，而不是直接提供到肋条上。以此方式，很显然，在各随后的再活化时，随着相应于电极厚度的厚度，在电极的活性表面和背壁之间的距离持续增加。以此推理，在各随后再活化时，需要提供各外围密封衬垫的替换；实际表明，为了确保最好的性能，电解槽设计需要使电极的外部平面相对于外部衬垫的平面以很好的确定水平。除了材料本身成本之外，衬垫的替换包括几个缺点；实际上需要有不同厚度的模子，并且每个都价格不菲。此外，在压缩下，衬垫越厚，越容易渗液(creep)。这尤其不适当，例如，在聚合物膜电解槽的情况下，增加了的渗液(creep)导致了在所述衬垫之间设置的膜上更高的压力，因此破裂的危险性更高。
在美国专利US5454925中描述了根据原有技术采取的各种工序的概要，用以在设置有凸部例如肋条的薄膜电解槽中替换网板电极。根据其中所述的在相关图1中所示的实施例，失去活性的网板以各种方式切除，留下剩余条，在条上焊接新的活性网板。换句话说，上述原有技术的特殊实施例由于增加了在电解槽背壁和电极板之间的距离而对各随后的再活化产生负面影响。必须注意，在膜电解槽的情况下，随着在背壁和电极板之间的距离以及随后各外围衬垫厚度的相应变化，在电解槽寿命期间影响各种再活化循环。根据选择性实施例，网板与固定其上的一部分凸部一起完全切掉，随后，正如在引证文献的图2、3和4所示，提供角元件，此角元件由带有以直角焊接的网板的预组装金属条制成，或者以直角弯曲的网板或打孔板制成。替代电极随后焊接到角元件上。很显然，这种类型的实施例既没有解决在背壁和电极板之间距离增加的问题，也没有切掉网板之一。并且还出现其它缺陷根据图中所示，角元件难以在必须邻接凸部的表面和支撑电极的表面之间形成90度的所需公差；在通过将网板焊接到金属条而获得预组装元件的情况下，根据所需公差的焊接工序显然要求非常精细。在网板或弯板的情况下，所得到的元件难以足够刚硬以确保维持完全的直角弯曲。此外，更重要的方面是为了将角元件粘接到凸部的剩余部分而进行的焊接的复杂性，这必须保持沿着后者的整个表面的完全连续，以确保充分的导电性。甚至更多的缺点和问题出现在引证文献的图5中所示的实施例，在此角元件以这样的方式组装它不采用在凸部上的预存在角作为导向，当拆除失去活性的电极时该角元件也被完全除去。以此方式，角元件对凸部的焊接变得更为困难，除了上述问题之外，对于非常严格的公差，在凸部的主轴和和角元件之间保持平行的问题必须予以考虑。换句话说，当将角元件的两个主平面不设置成正交时，存在于电极平面上的凸部的剩余部分的约束的去除意味着在电解槽背壁和电极平面之间的平行可以按两个方向偏离沿着上述凸部的主轴，和以相对于所述轴的垂直方向。在两种情况下，所述偏离最显著的后果是此膜一端的压缩、达到可能的穿孔以及在另一端过多的膜电极缝隙的危险。
作为最后的评论，必须注意，用于替换US5454925中所示的电极的工序仅当支撑结构的凸部由相互隔开的间隔件构成时才可以采用，而这不意味着对于其中凸部由连续齿廓制成的电解槽设计也能采用，此连续齿廓例如由导电芯的直接模塑实现，或者由在DE19850071中描述的波纹板形成的通道的直接模塑实现。

发明内容
本发明的目的是提供一种电化学电池的设计，该设计具有可更换的电极结构，克服了原有技术的缺陷。特别是，本发明的目的是提供一种电解槽，包括至少一个由设置有凸部排列的背壁构成的可更换电极结构，至少其端表面的一部分位于共用平面上，通过电极或电极排列的摆放，直接或借助中间元件，接触位于共用平面上的所述端表面，其特征在于所述电极或所述电极排列的至少部分电极利用基本上相当的电极可移除或可替换一或多次，并同时保持与背壁的原距离。在另一方面，本发明的目的是提供一种在电解槽内部替换电极的方法，包括废电极的完全去除和新电极的提供，其特征在于去除废电极来简单切除结构，将新电极焊接到原接触表面。
根据另一方面，本发明的目的是提供一种用于替换电解槽的电极的方法，包括废电极的全部去除和新电极的安装，该方法可以应用于设有凸部的电解槽的任何设计，可适用于维持在背壁和电极之间的固定距离，所述凸部由相互隔离件制成，或通过适当形状连续的齿廓制成。
根据另一方面，本发明的目的是提供一种在不需要替换任何外围衬垫的条件下或者在不需要修整其厚度的条件下通过替换外围衬垫而替换电解槽的电极的方法。
根据特别实施例，本发明的目的是提供一种无需切掉移除电极或对其进行其它损坏的条件下替换电极槽的电极的方法。
本发明中存在的电解槽包括至少一个可更换的电极结构，该结构在于背壁设置有至少一个凸部排列，该凸部排列通过位于相同平面上的端表面定界于相对于背壁的一侧上，以及通过与位于相同平面的所述端表面相接触的一个电极或一个电极排列，由此限定出接触表面的多重性，其特征在于，所述接触表面的各部分不受约束，电极或电极排列例如通过焊接固定到凸部的所述端表面，并仅在所述端表面的外围区域中固定。
在另一方面，本发明涉及一种用于在电解槽中利用替代电极或电极排列来替换电极或电极排列的方法，包括至少一个由设置有至少一个凸部排列的背壁构成的腔室，所述凸部排列通过位于相同平面上的端表面定界于相对于背壁的一侧，所述将被替换的电极与所述位于相同平面的所述端表面相接触，由此确定接触面，其中各所述接触表面的至少部分不受约束，例如通过焊接将被替换的所述电极固定到凸部的所述端表面，并仅在所述端表面的外围区域固定，其特征在于，它包括切掉凸部的所述端表面部分，以便移除固定到所述要替换的电极的部分，避免同时移除不受约束的端表面的主要部分；以及将所述替代电极放置在前述切掉过程中没有移除的凸部的端表面部分上，将所述替代电极固定到所述剩余端表面，优选在所述剩余端表面的外围部分中固定。
本发明的这些和其它方面在下述实施例中描述，但这不表示对本发明的任何限制，本发明仅由附加权利要求进行限定。


图1是本发明的电解槽的第一实施例的侧面图。
图2和3表示根据第一实施例用于替换本发明的电解槽的电极的方法的持续步骤；特别是，图2表示废电极结构的拆除，图3表示根据本发明替换电极的定位。
图4是本发明的电解槽的第二实施例的侧面图。
图5和6表示根据第二实施例用于替换本发明的电解槽的电极的方法的持续步骤；特别是，图5表示废电极结构的拆除，图6表示根据本发明替换电极的定位。
具体实施例方式
实施例1图1示出本发明的电解槽的第一实施例；在由背壁(1)定界的可更换电极结构中，平面电极(2)通过至少一个凸部(3)以预定距离固定，在于固定到背壁的间隔件，它构成重复支承元件。电极例如通过焊接借助约束件(4)固定到间隔件，这就在电极和间隔件的端面之间构成了接触面，这是相对于背壁的间隔件表面。如图所示，所述约束件位于所述端表面的外围区域，与电极接触的间隔件的端表面的剩余部分不固定到后者上，仅与其邻接。图1还示出设有外围衬垫(6)的电解槽元件的外围凸缘5。在最一般的情况下，凸缘和背壁是单独结构元件部分，成形为盘状；在另一实施例中，凸缘和背壁可以不集成在单独元件中，并且可以存在其它插入元件。电极不接触间隔件的那个外表面优选相对于外围衬垫的外表面处以明确的、预先确定的位置关系(level)。在另一优选实施例中，电极的外表面同样相对于凸缘以确定的位置关系，以便随后同样确定前面描述的衬垫的厚度。根据用于替代电极的本发明的方法，当电极(2)必须替换时，例如因为其催化涂层是失活性的或由于其它建议替换的原因，间隔件(3)沿着线(7)切断，因此允许除去电极。可以例如借助激光束通过沿着线(7)的延长线切除电极而从外部对电极进行切除。在图2中示出了在去除电极之后出现的情况。
图3示出了通过约束件(4’)将替代电极(2’)固定到间隔件的剩余端表面上，例如通过焊接的方式，优选在间隔件的端表面的外围区域中进行，在电极和不受约束的间隔件之间留下接触表面的主要部分；显然，以此方式，根据上述方法通过逐步地除去间隔件端表面的一小部分可以进行下一次替换。显然，间隔件的端表面越大，可以替换的次数越多。
图1、2和3示出了具有特定形状的间隔件，其外形类似于Z；显然，这种形状仅是允许实现本发明的特殊实施例的形状之一，间隔件的形状还可以采用T、C或返转的H等形状。
在某些情况下，间隔件的端表面可以更大，设置有相同的孔或开口例如孔或沟道通常是有利的，尤其当电极也打孔时，例如以网板、打孔板、多孔金属板的形式。以此方式，在间隔件和电极之间的大面积接触避免了负面影响电解槽的流体动力学(fluodynamics)，在膜电解槽的情况下，主要避免的薄膜的局部堵塞，由此形成了浓度和电流的危险梯度，这经常导致膜的局部失效。
实施例2图4示出了本发明的电解槽的第二实施例；在由背壁(1)定界的可更换电极结构中，平面电极(2)通过凸部(3)以预定距离固定，该凸部构成重复支承元件。凸部(3)有两个单独元件制成第一，固定到背壁，由压延件(8)制成，例如波纹状板，根据DE19850071中的描述，该波纹状板可以形成用于流体循环的通道。选择性地，压延件(8)可根据原有技术的不同工序利用不同的几何形状得到，例如通过板的冷压。第二元件是例如通过焊接固定到压延件(8)的凸出部分的平面元件(9)，它构成凸部的接触表面。所述平面接触元件(9)优选设有孔或开口，例如打孔或开槽，以避免在膜电极电解槽的情况下出现堵塞现象，根据前面所述那样，导致电解槽的流体动力学扰动。
电极借助约束件(4)例如通过焊接固定到各凸部，这经过在电极和凸部端表面之间的接触表面，这是在电极和平面接触元件(9)之间的接触表面。如图中所示，所述约束件设置在所述端表面的外围区域中；与电极相接触的平面接触元件(9)的剩余部分并不借助任何方式固定到后者，仅是简单地与其邻接。图4还示出设有外围衬垫(6)的槽元件的外围凸缘(5)。在此，在最多的情况下，凸缘和背壁也可以是单独结构元件的集成部分，可以成盘状；在另一实施例中，凸缘和背壁可以不集成在同一元件中，还可以存在插入元件。电极不与凸部接触的那个外表面优选相对于外围衬垫的外表面处以固定的预定确定的位置关系(level)。在优选实施例中，电极的外表面相对于凸缘同样处以固定的位置关系，以便随后向如前所述那样确定衬垫的厚度。根据用于替代本发明电极的方法，并且在此第二实施例的情况中，当电极(2)必须被替换时，例如由于其催化涂层失去活性或者由于要求或建议其替换的其它原因，凸部(3)沿着线(7)被切除，由此允许电极的去除。可以例如借助激光束通过沿着线(7)的延长线切除电极而从外部对电极进行切除。在图5中示出了在去除电极之后出现的情况。
图6示出了通过约束件(4’)将替代电极(2’)固定到与凸部的端表面相一致的平面接触元件(9)的剩余部分上，例如通过焊接的方式，优选在间隔件的端表面的外围区域中进行，在电极和不受约束的间隔件之间留下接触表面的主要部分；显然，以此方式，根据上述方法通过逐步地除去间隔件端表面的一小部分可以进行下一次替换。显然，间隔件的端表面越大，可以替换的次数越多。
权利要求
1.一种电解槽，包括至少一个可更换电极结构，该结构包括至少一个背壁，该背壁设置有由凸部制成的支撑元件，该凸部通过端表面在相对于背壁的一侧上定界，所述凸部的所述端表面位于相同平面上；至少一个与所述凸部的所述端表面接触的电极，由此限定接触表面；其特征在于所述接触表面的主要部分不受约束，至少一个电极仅在所述端表面的至少一个外围区域中固定到所述凸部的各所述端表面。
2.根据权利要求1的电解槽，其特征在于通过焊接将所述至少一个电极固定到所述凸部的所述端表面。
3.根据权利要求2的电解槽，其特征在于所述至少一个电极设有孔或开口。
4.根据权利要求3的电解槽，其特征在于所述至少一个电极包括从网板、多孔板和打孔板中选出的至少一种元件的组合和叠加。
5.根据权利要求2的电解槽，其特征在于所述至少一个电极包括通常平行条的组合。
6.根据前述权利要求的电解槽，其特征在于所述至少一个电极设有电催化涂层。
7.根据权利要求6的电解槽，其特征在于所述至少一个电极是阳极。
8.根据权利要求7的电解槽，其特征在于所述阳极包括涂覆有含贵金属及其氧化物的膜的钛基板。
9.根据权利要求6的电解槽，其特征在于所述至少一个电极是阴极。
10.根据权利要求9的电解槽，其特征在于所述阴极包括镍基板。
11.根据权利要求1至5的电解槽，其特征在于所述凸部是固定到背壁上的相互分隔的间隔件。
12.根据权利要求11的电解槽，其特征在于所述间隔件的所述端表面设置有孔、沟道、或任何其它方式的开口。
13.根据权利要求11的电解槽，其特征在于所述间隔件具有通常成形为Z、C、T或H的外形。
14.根据权利要求1至5的电解槽，其特征在于所述支撑元件由一系列凸部制成，该凸部包括至少一个压延件和至少一个平面接触元件，所述平面接触元件固定到所述压延件与背壁相反的表面。
15.根据权利要求14的电解槽，其特征在于所述压延件是波纹状板。
16.根据权利要求15的电解槽，其特征在于所述波纹状板形成用于流体循环的通道。
17.根据权利要求14、15或16的电解槽，其特征在于所述平面接触元件是打孔或开槽元件或者是设有孔或开口的其它元件。
18.根据权利要求17的电解槽，其特征在于所述平面接触元件是从网板、多孔板和打孔板中选出的。
19.根据权利要求14的电解槽，其特征在于所述平面接触元件通过焊接固定到所述压延件的表面。
20.一种用于利用替换电极来替代根据权利要求1至5所述的电解槽的电极的方法，包括在切掉所述凸部的一部分所述端表面时所述将被替换掉的电极的去除，其特征在于所述切除引起固定到所述电极的所述凸部的所述端表面的所述外围区域的去除，避免了不受约束的所述端表面的至少主要剩余部分的去除。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于所述凸部的所述端表面的所述切除与将被替换掉的电极的切除同时进行。
22.根据权利要求20或21的方法，其特征在于所述切除借助激光束进行。
23.根据权利要求20至22的方法，包括在所述要替换的电极去除之后，在所述凸部的所述端表面的所述剩余部分上采用替代电极。
24.根据权利要求23的方法，其特征在于相对于所述去除电极与所述背壁的原始距离，所述替代电极与背壁的距离基本上不变。
25.根据权利要求23或24的方法，其特征在于通过将所述替代电极固定到所述至少一个凸部的所述剩余端面并仅在所述端表面的至少一个外围区域固定，进行所述替代电极的所述应用。
26.根据权利要求25的方法，其特征在于所述替代电极向所述剩余端表面的所述固定包括焊接。
27.一种用替代电极替换权利要求11的电解槽的电极的方法，包括以切除所述间隔件的一部分所述端表面的方式去除将被替换掉的所述电极，其特征在于所述切除引起所述间隔件的所述端表面的所述外围区域的去除，避免了不受约束的所述端表面部分的至少主要剩余部分的去除。
28.根据权利要求27的方法，其特征在于所述间隔件的一部分所述端表面的所述切除与将被替换掉的电极的切除同时进行。
29.根据权利要求27或28的方法，其特征在于所述切除借助激光束进行。
30.根据权利要求27至29的方法，包括在所述要替换的电极的所述去除之后，在所述间隔件的所述端表面的所述剩余部分上采用替代电极。
31.根据权利要求30的方法，其特征在于相对于所述去除电极与所述背壁的原始距离，所述替代电极与背壁的距离基本上不变。
32.根据权利要求30或31的方法，其特征在于通过将所述替代电极固定到所述凸部的所述剩余端面并仅在所述剩余部分的至少一个外围区域中固定，进行所述替代电极的所述应用。
33.根据权利要求32的方法，其特征在于所述替代电极向所述剩余端表面的所述固定包括焊接。
34.一种用替代电极替换权利要求15的电解槽的电极的方法，包括以切除所述平面接触元件的一部分的方式去除所述电极，其特征在于所述切除引起所述平面接触元件的所述部分去除，避免了不受约束的平面接触元件的所述部分的至少主要剩余部分的去除。
35.根据权利要求34的方法，其特征在于所述间隔件的所述端表面部分的所述切除与将被替换掉的电极的切除同时进行。
36.根据权利要求34或35的方法，其特征在于所述切除借助激光束进行。
37.根据权利要求34至36的方法，包括在所述要替换的电极的所述去除之后，在所述平面接触表面的所述剩余部分上采用替代电极。
38.根据权利要求37的方法，其特征在于相对于所述电极与所述背壁的原始距离，所述替代电极与背壁的距离基本上不变。
39.根据权利要求37或38的方法，其特征在于通过将所述替代电极固定到所述平面接触元件的所述剩余部分并仅在所述剩余部分的至少一个外围区域固定中，进行所述替代电极的所述应用。
40.根据权利要求39的方法，其特征在于所述替代电极向所述平面接触元件的所述剩余部分的所述固定包括焊接。
41.电解槽，包括说明书和附图中所示的特征元件。
全文摘要
本发明涉及电解槽，该电解槽包括借助肋条(3)从背壁(1)分隔开的电极，其中在电极(2)和肋条(3)之间的一部分接触表面不受约束，以便于一旦电极必须仅由部分地去除原始接触表面的方式被去除时允许电极完全的去除，这样允许在剩余部分中设置替代电极。还公开了一种用于替换电解槽的电极的方法，该方法保持在电极表面和背壁之间的距离不变。
文档编号C25B11/00GK1471593SQ01818184
公开日2004年1月28日 申请日期2001年10月30日 优先权日2000年10月31日
发明者戴瑞欧·奥德尼, 安特尼欧·帕斯奎努奇, 基尔万尼·斯卡皮尼, 尼 斯卡皮尼, 戴瑞欧 奥德尼, 欧 帕斯奎努奇 申请人:德·诺拉电极股份公司, 德 诺拉电极股份公司