CN103492615B - 气体扩散电极到具有渗滤器技术的电化学电池内的选装 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电化学电池，其包括：正极半壳（12）和负极半壳（11），它们通过膜片（5）彼此分离，具有相应的电极；而且所述正极半壳（12）和所述负极半壳（11），它们分别具有外壁（13），而且该正极半壳和负极半壳分别在两个半壳的接触区域中具有框架式构造的法兰区域（14a，14b，15a，15b）；和气体扩散电极（3），该气体扩散电极包括液体能穿透的支架，该支架涂覆有催化剂材料，气体扩散电极（3）在其下边缘（17）处具有未涂覆催化剂的区域，该未涂覆催化剂的区域在电化学电池的下端部（16）在两个半壳的接触区域中伸到负极半壳的外壁的法兰区域（15b）与正极半壳的外壁的法兰区域（14b）之间，而且多孔媒质（8）并行地设置在气体扩散电极（3）与膜片（5）之间，以及用于引入气体的设施和用于引出气体的设施（20，21）以及用于引入电解液的设施和用于引出电解液的设施（9，10），其中，气室（22）通过相应的机构（23）而与电解液室（7）隔开。特别地本发明的特征在于：在负极半壳（11）中的电解液室（7）内设置有成型嵌入件（1），气体扩散电极（3）的上边缘（19）伸入到这些成型嵌入件内，在所述上边缘上安置有密封件（2），该密封件将气体扩散电极（3）固定在成型嵌入件（1）内，其中，气体扩散电极（3）具有相对张紧的该气体扩散电极的竖直线＜90度的弯曲范围α。

Description

气体扩散电极到具有渗滤器技术的电化学电池内的选装
技术领域
本发明可以分类在电化学仪器的技术领域中。
本发明涉及一种电化学装置。其中的装置是指在其内进行电化学反应的装置，如在电解装置、电池、蓄电池或燃料电池中进行的那样。
背景技术
例如在电解时，电能转换为化学能。这是在电流的作用下通过化学化合物的分解得以实现的。用作电解液的溶液含有带正电荷的和带负电荷的离子。因此作为电解液主要采用酸、碱或盐溶液。
例如在从水状的碱金属卤化物溶液－此处以氯化钠示出－中电解制造卤素气体时在正极侧产生如下反应：
4NaCl→2Cl2+4Na++4e-
变得自由的碱离子到达负极并且与那里产生的氢氧化物离子构成碱液。另外构成氢气：
(2)4H2O+4e-→2H2+4OH-
在此，产生的碱液通过阳离子交换膜而与被引向正极侧的碱金属卤化物分开并且通过这种方式彼此分离。这样的膜片属于现有技术并且在市场上可以从不同的供应商处获得。
在上述反应过程中产生的正极处的标准电势(Standardpotential)在生成氯的情况中为﹢1.36V，其中，在上述反应过程中负极处的标准电势为﹣0.86V。例如由WO98/55670已知了一种这样的电池设计。由这两个标准电势的差引起极大的能量输入，为了实施这些反应所述极大的能量输入是必要的。为了将这个差值最小化，现在将气体扩散电极(以下缩写为GDE)安装在负极侧上，使得氧通过这个系统输入并且由此造成在负极处不再进行反应(2)，而是如下反应：
(3)O2+2H2O+4e-→4OH-
在此，氧可以作为纯气体或通过空气输入。由此如下地产生基于利用气体扩散电极的氯碱电解的整个反应：
(4)4NaCl+O2+2H2O→4NaOH+2Cl2
由于反应(3)的标准电势为﹢0.4V，与传统的生成氢的电解相比，GDE－技术产生明显的能量节约。
多年以来气体扩散电极就应用在电池、电解装置和燃料电池中。在这些电极内部，电化学转换仅仅在所谓的三相边界(Drei-Phasen-Grenze)处发生。气体、电解液和金属导体互相聚集在一起的区域被称为三相边界。为了使GDE有效地工作，金属导体应该同时是用于所期望的反应的催化剂。碱性系统中的典型的催化剂为银、镍、二氧化锰、碳和铂。为了使催化剂特别有效，它们的表面必须大。这通过具有内表面的精细的或多孔的粉末得以实现。
采用这样的气体扩散电极时的问题，如由US4614575公开的那样，由于如下原因而产生：电解液由于毛细作用而渗入到这些微孔结构中并且将这些微孔结构填满。这个作用的结果是氧不再能通过孔渗出，因此预期的反应停止进行。
为了使三相边界上的反应能够有效进行，必须通过相应地选择压力比来避免上述问题。在静止的液体中形成液柱，如这在电解液溶液的情况中那样，例如造成了：柱的下端部处的静压压力最大，这将增强上面介绍的现象。
如在有关的文献中可以看到的那样，这个问题以降膜蒸发器的形式得以解决。在此，使电解液－例如氢氧化钠溶液NaOH或钾碱液KOH－在膜片与GDE之间流过多孔媒质，通过这种方式阻止形成静压柱。人们也称之为渗滤器技术。
在WO03/42430中对一种这样的电解电池进行了描述，该电解电池将这个原理用于伴随有耗氧反应(Sauerstoffverbrauchsreaktion)的氯碱电解反应。在此，氧通过气体扩散电极而与多孔媒质分开并且被挤压穿过有传导能力的支撑结构和带有多孔媒质－渗滤器－的有传导能力的、柔性的弹簧元件。
例如在DE102004018748中也出现了这样的原理。此处介绍了一种电化学电池，该电化学电池包括至少一个具有正极的正极半电池、一个具有负极的负极半电池和一个设置在正极半电池与负极半电池之间的离子交换膜，其中，正极和/或负极是气体扩散电极，在该气体扩散电极与离子交换膜之间设置有间隙，在该间隙上方设置有电解液流入口而在该间隙下方设置有电解液流出口以及设置有进气口和出气口，其中，电解液流入口与电解液容器相连接并且具有溢流口。
但是气体扩散电极在所介绍的电解装置中的应用不仅仅具有能够实现催化的耗氧反应的目的。此外，电极还应该保障在GDE的两侧的电解液与气体的分开。为此，由于所选的固定方法而强制性地需要气体扩散电极的气密的或者液密的密封，以便在电解液进入电池之后特别保障电解液按规定沿着气体扩散电极被引导而且不经过非密封的区域并且由此不经过到电解液出口的备选的路径而从电化学电池中流出而且由此不用于反应。
因为气体扩散电极遭受老化过程并且由此遭受磨损，所以这些气体扩散电极在一定的运行时间之后必须被更换。现有技术规定：气体扩散电极焊接在负极半壳内，这使得更换很昂贵。
这例如在DE10330232A1中实施。此处介绍了一种电化学半电池，在该电化学半电池中，GDE具有未涂层的边缘区域，该边缘区域与一保持结构相连接，该保持结构设有导电板。因为可能损伤渗滤器材料和封锁通过渗滤器的电解液流，所以GDE的这样的、同时实现对电解液室相对气室的密封的固定在与渗滤器的相互配合中更确切地说是不利的。另外，在这类设置结构的组装中必要的是：GDE在电化学电池的整个宽度上被绝对均匀地推到导电板3之下，这是因为否则的话电板使并行设置的渗滤器的自由液体横截面不统一地变化，这样电化学电池的完美的运行所需的液体的均匀分布得不到保障。在这样的结构中保障这一点是非常困难的。
在DE10152792中对气体扩散电极的一种备选的固定可能性进行了阐述。此处介绍了如下的方法：借助折边咬合式环绕的框架使气体扩散电极与电解装置的基本结构相连接。作为纯的夹紧方法，这个方法在可更换性方面优于在DE10330232中所介绍的方法。但是因为在这种情况中为了将欧姆损失最小化也通过焊接或钎焊方法来实施框架与基本结构的连接，所以由于焊接区域既保持存在困难的可更换性，还保持存在活性的电解面的损失。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种气体扩散电极在电化学电池中的备选的固定可能性，这种固定可能性保障简单的安装和拆卸，该固定可能性使气室相对电解液室充分密封并且在该固定可能性中尽可能大的电极面可以活性地用于电化学反应。
这个目的通过一种电化学电池得以实现，该电化学电池包括：正极半壳(12)和负极半壳(11)，它们通过膜片(5)彼此分离，具有相应的电极，而且正极半壳(12)和负极半壳(11)分别具有外壁(13)，它们分别在两个半壳的接触区域内具有框架式构造的法兰区域(14a，14b，15a，15b)；和气体扩散电极(3)，该气体扩散电极包括液体可穿透的支架，该支架涂覆有催化剂材料，其中，气体扩散电极(3)在其下边缘(17)处具有未涂覆催化剂的区域，该未涂覆催化剂的区域在电化学电池的下端部(16)在两个半壳的接触区域中伸到负极半壳的外壁的法兰区域(15b)与正极半壳的外壁的法兰区域(14b)之间，而且多孔媒质(8)并行地设置在气体扩散电极(3)与膜片(5)之间；以及用于引入和引出气体的设施(20，21)和用于引入和引出电解液的设施(9，10)，其中，气室(22)通过相应的机构(23)而与电解液室(7)隔开。
特别地，本发明的出众之处在于：在负极半壳(11)中的电解液室(7)内设置有成型嵌入件(Profileinbauten)(1)，气体扩散电极(3)的上边缘(19)伸入到这些成型嵌入件内，在所述上边缘上安置有密封件(2)，该密封件将气体扩散电极(3)固定在成型嵌入件(1)内，其中，气体扩散电极(3)具有相对张紧的该气体扩散电极的竖直线＜90度的弯曲范围α。
通过根据本发明的在电解电池内的这种固定，气室(22)通过气体扩散电极(3)的弯曲而相对电解液室(7)被充分密封。另外保障了成型嵌入件如下地构造，即，它不损伤用作渗滤器的多孔媒质(8)。因为可以完全放弃用于固定电极的、要求耗费昂贵的拆卸的方法如焊接，所以也保障了简单的膜片更换。
在有利的设计中，气体扩散电极(3)的伸入到负极半壳(11)的成型嵌入件(1)内的上边缘(19)具有相对张紧的该气体扩散电极的竖直线55至75度的弯曲范围α。
可选地，在气体扩散电极(3)的借助密封件(2)固定在成型嵌入件(1)内的上边缘(19)之下设置有另外的层，其中，该另外的层优选由与所述气体扩散电极相同的材料构成。这个层可以有利地理解为气体扩散电极的另外的具有或没有涂层的部分，该部分为了进一步稳定和密封而被推到原来的气体扩散电极之下。
根据本发明可能的是：负极半壳(11)的成型嵌入件(1)具有任意的几何形状，并且优选具有V形或梯形形状，特别优选具有U形形状。
有利的是：在成型嵌入件(1)中设置在气体扩散电极(3)的上边缘(19)上的密封件(2)是空腔式密封件。在优选的实施方式中，这些密封件(2)由直到约100℃的温度耐碱和耐氧的材料构成。
另外，本发明还要求保护根据本发明的电化学电池的应用可能性。首先，电化学电池应该用在电化学组块(elektrochemischerBlock)中，在该电化学组块内堆叠状地设置大量的电化学电池。
电化学组块理解为一种装置，该装置包括多个并排设置在一个叠堆中的并处于电接触的板状的电化学电池，具有用于所有需要的和产生的电解液和气体的入口和出口。也就是说涉及的是多个单个元件的串联，这些单个元件分别具有电极，这些电极通过适当的膜片彼此分开，而且这些电极配合到用于容纳这些单个元件的壳体中。这在电解时例如通过采用电解装置得以实现，电解电池在该电解装置中堆叠状地设置。
本发明的电化学电池有益地被用作这样的电池，在该电池中，化学能通过电化学的氧化还原反应转换成电能。
电化学电池的另一种应用可能性在于用作燃料电池，在该燃料电池内，化学能通过引入燃料和氧化剂而转换为电能。
附图说明
下文将参照附图1、2和3来进一步阐述本发明的实施变型。
图1示出根据本发明的电化学电池的全貌的示意性工艺图；
图2示出根据本发明的电化学电池的头部区域(上部区域)的示意性工艺图；
图3示出根据本发明的电化学电池的底部区域(下部区域)的示意性工艺图。
具体实施方式
图1、2和3示出的是根据本发明的电化学电池，该电化学电池包括正极半壳12和负极半壳11，它们通过膜片5分离。两个半壳11、12具有外壁13和框架式构造的法兰区域14a、14b、15a、15b。负极半壳的法兰区域15a、15b和正极半壳的法兰区域14a、14b在电解电池的上端部19和电解电池的下端部16构成接触区域，内部部件(Interieur)如膜片5、多孔媒质8、框架密封件6以及其它可能的部件夹紧在这些接触区域之间。通过这个夹紧例如可以实现对膜片5和多孔媒质8的固定。多孔媒质在电化学电池运行中用作渗滤器，其中，使通过电解液流入口9流入电化学电池的电解液在膜片5与气体扩散电极3之间从电化学电池的上端部19流向电化学电池的下端部16。借助这个电解液流在本说明书中还定义“上”或者头部区域和“下”或者底部区域的概念。
气体扩散电极3由支撑元件4保持在电解电池内。气体扩散电极3本身由液体可穿透的支架构造而成，该支架涂覆有催化剂材料。在此，气体扩散电极3的涂覆有催化剂的区域构成活性区域，负极的电化学反应在该区域上进行。这个活性区域包括除了下边缘17之外的整个气体扩散电极，在该下边缘处不再能进行电化学反应。气体扩散电极3的这个下边缘17在电解电池的下端部16处被夹紧在两个半壳11、12的框架式的法兰区域14b和15b的接触区域中。图3详细地示出这种设置结构。因为催化剂材料的支架是液体可穿透的，所以电解液可以通过该支架被引向一个装置，由此电解液离开电化学电池。气体扩散电极3的上端部19以涂层的形式存在并且为了固定而被引入成型嵌入件，该上端部通过密封件2固定在这些成型嵌入件中。图2详细地示出了这种设置结构。在此，气体扩散电极3具有＜90度的弯曲范围α。这个数据以张紧的气体扩散电极3的竖直线为基准，该气体扩散电极在其上端部18处和在其下端部17处固定并夹紧在电解电池中。在此，气体扩散电极3通过密封件2张紧在位于电解液室7内的成型嵌入件1中。电解液室7通过用于将该电解液室与气室隔开的机构23构成。气体扩散电极3在成型嵌入件1中的可随时拆卸的固定还通过该气体扩散电极3的弯曲实现了电解液室7在电化学电池的头部区域内相对气室22的充分密封。
本发明实现的优点在于：
－气体扩散电极的简单的安装和拆卸；
－通过气体扩散电极的根据本发明的固定保障了气室相对电解液室的充分密封；
－具备能够用于电化学反应的大的活性的电极表面。
附图标记列表
1成型嵌入件
2密封件
3气体扩散电极
4支撑系统
5膜片
6框架密封件
7电解液室
8多孔媒质
9用于电解液流入的设施
10用于电解液流出的设施
11负极半壳
12正极半壳
13外壁
14a，b正极半壳的法兰区域
15a，b负极半壳的法兰区域
16电化学电池的下端部
17气体扩散电极的下边缘
18电化学电池的上端部
19气体扩散电极的上边缘
20用于引入气体的设施
21用于引出气体的设施
22气室
23用于将电解液室与气室隔开的机构

Claims (12)

1.电化学电池，包括：
·正极半壳(12)和负极半壳(11)，它们通过膜片(5)彼此分离，具有相应的电极，
·所述正极半壳(12)和所述负极半壳(11)，它们分别具有外壁(13)，而且该正极半壳和负极半壳分别在两个半壳的接触区域中具有框架式构造的法兰区域(14a，14b，15a，15b)，
·气体扩散电极(3)，该气体扩散电极包括液体能穿透的支架，该支架涂覆有催化剂材料，其中，气体扩散电极(3)在其下边缘(17)处具有未涂覆催化剂的区域，该未涂覆催化剂的区域在电化学电池的下端部(16)在两个半壳的接触区域中伸到负极半壳的外壁的法兰区域(15b)与正极半壳的外壁的法兰区域(14b)之间，而且多孔媒质(8)并行地设置在气体扩散电极(3)与膜片(5)之间，
·用于引入气体的设施和用于引出气体的设施(20，21)以及用于引入电解液的设施和用于引出电解液的设施(9，10)，其中，气室(22)通过相应的机构(23)而与电解液室(7)隔开，
其特征在于：
在负极半壳(11)中的电解液室(7)内设置有成型嵌入件(1)，气体扩散电极(3)的上边缘(19)伸入到这些成型嵌入件内，在所述上边缘上安置有密封件(2)，该密封件将气体扩散电极(3)固定在成型嵌入件(1)内，其中，气体扩散电极(3)具有相对张紧的该气体扩散电极的竖直线＜90度的弯曲范围α。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：气体扩散电极(3)的伸入到负极半壳(11)的成型嵌入件(1)内的上边缘(19)具有相对张紧的该气体扩散电极的竖直线55至75度的弯曲范围α。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：在气体扩散电极(3)的借助密封件(2)固定在成型嵌入件(1)内的上边缘(19)之下设有另外的层。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述另外的层由与所述气体扩散电极相同的材料构成。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：负极半壳(11)的成型嵌入件(1)具有任意的几何形状。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：负极半壳(11)的成型嵌入件(1)具有具有V形或梯形形状。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于：负极半壳(11)的成型嵌入件(1)具有U形形状。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：在成型嵌入件(1)内设置在气体扩散电极(3)的上边缘(19)上的密封件(2)是空腔式密封件。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：密封件(2)由直到约100℃的温度耐碱和耐氧的材料构成。
10.如权利要求1所述的电化学电池作为电解电池在电解装置内的应用，在该电解装置内堆叠状地设置大量的电解电池。
11.如权利要求1所述的电化学电池作为电池的应用，在该电池内化学能通过电化学的氧化还原反应转换为电能。
12.如权利要求1所述的电化学电池作为燃料电池的应用，在该燃料电池内化学能通过引入燃料和氧化剂转换为电能。
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