CN103620090B - 电化学电池及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学电池，包括：阳极半壳（14）和阴极半壳（15），其通过隔膜（8）彼此分开，具有相应的电极；阳极半壳（14）和阴极半壳（15）分别具有外壁（12、13），其分别在两个半壳的接触区域中具有凸缘区域（16、17），凸缘区域框架状地构造，并且凸缘区域（16和17）具有安装孔（4），所述安装孔标明电化学电池的内部区域（23）和外部区域（24）；气体扩散电极（6），所述气体扩散电极放置在支承系统（7）上；多孔介质（9），放置在气体扩散电极（6）上；以及用于输送和导出气体（18、19）和电解质（20、21）的装置。尤其是，本发明的特征在于，至少一个环绕的框架密封件（3）在两个半壳的接触区域中设置在两个半壳的外壁（12和13）的框架状凸缘区域（16和17）之间，其放置在隔膜（7）上，其中，多孔介质（9）和气体扩散电极（6）放置在框架状阴极凸缘区域（17）上并且环绕的框架密封件（3）在该区域中与多孔介质（9）和气体扩散电极（6）交叠，其中，交叠区域（2）具有至少两个轮廓部（1），其中，环绕的框架密封件在两个半壳的接触区域中在多孔介质（9）与气体扩散电极（6）的交叠区域外的、框架状、所述凸缘区域（16和17）之间具有至少一个另外的轮廓部（22），和/或布置至少一个可形变的密封绳（5），其中，所述另外的轮廓部（22）和/或所述可形变的密封绳（5）布置在所述电化学电池的内部区域（23）中。

Description

电化学电池及其应用
技术领域
本发明可以使用在电化学设备的技术领域中。
本发明涉及一种电化学设备、即电化学电池。在此，理解为如下设备，在该设备中进行电化学反应，譬如在电解器、电池、蓄电池或燃料电池中。本发明还涉及按照本发明的电化学电池的应用。
背景技术
例如，在电解中将电能转换成化学能。这通过在电流作用下分解化合物而实现。用作电解质的溶液包含带正电离子和带负电离子。因此主要使用酸、碱或盐溶液作为电解质。
例如在由含水的碱卤化物溶液(在此以氯化钠来描述)电解制备卤素气体时，在阳极侧上进行如下反应：
(1)4NaCl→2Cl2+4Na++4e-
自由的碱离子到达阴极并且与在那里产生的氢氧化物离子一起形成碱性溶液。此外，形成氢气。
(2)4H2O+4e-→2H2+4OH-
在此，形成的碱液从输送到阳极侧的碱卤化物经由阳离子交换器隔膜分离，并且由此彼此离析。这种隔膜是现有技术并且在商业上可从不同的提供商获得。
在上述反应进行时形成的在阳极上的标准电势在形成氯的情况下为+1.36V，其中，在进行上述反应时，在阴极上的标准电势为-0.86V。这种电池设计例如在WO 98/55670中公开。根据这两种标准电势之差导致极大的能量输入，其需要来进行这些反应。为了使该数值差最小，现在在阴极侧上使用气体扩散电极(以下缩写为GDE)，使得通过该系统带入氧气并且由此有条件地在阴极上不再进行反应(2)，而是进 行如下反应：
(3)O2+H2O+4e-→4OH-
氧气在此情况下可以作为纯气体或通过空气被带入。基于利用氧气扩散电极的氯碱电解的总反应如下：
(4)4NaCl+O2+2H2O→4NaOH+2Cl2
由于反应(3)的标准电势在+0.4V左右，所以与利用形成氢气的传统电解相比，GDE技术使得能量节约显著。
数年来，气体扩散电极使用在电池、电解器和燃料电池中。电化学转换在这些电极内仅在所谓的三相边界处进行。气体、电解质和金属导体彼此相交的区域称作三相边界。为了GDE有效地工作，金属导体同时应为所期望的反应的催化剂。在碱族中的典型催化剂是银、镍、二氧化锰、碳和铂。为了催化剂特别有效，其表面必须大。这通过带有内表面的精细或多孔粉末来实现。
如例如在US 4614575中公开的这种气体扩散电极应用中的问题在于：电解质由毛细作用引起会侵入微孔结构中并且填充该结构。该效应会导致，氧气不再会通过孔扩散，由此所预期的反应进入静止状态。
为了能够在三相边界处有效进行反应，必须避免上述问题，其方式是相应地选择压力关系。如在电解质溶液中情况那样在静止液体中形成液柱例如导致：静液压压力在柱的下端部处最高，这会增强上面所描述的现象。
该问题如相关文献中可找到的那样以降膜蒸发器形式来解决。在此，电解质(例如苛性钠NaOH或苛性钾KOH)在隔膜与GDE之间可穿过多孔介质，由此防止静液压柱形成。也谈及了渗滤器技术。
在WO 03/42430中，描述了这种电解质电池，其利用氯碱电解质反应与氧消耗反应的原理。氧气在此从多孔介质通过气体扩散电极分离并且通过导电支承结构和导电的柔性弹性元件与多孔介质(渗滤器)挤压在一起。
这种原理例如也在DE102004018748中找到。在此，描述了电化 学电池，其至少包括带有阳极的阳极半电池、带有阴极的阴极半电池和在两个半电池之间布置的离子交换隔膜，其中，阳极和/或阴极是气体扩散电极，在气体扩散电极与离子交换器隔膜之间布置有间隙，间隙之上的电解质入口和在间隙之下的电解质出口以及气体入口和气体出口，其中，电解质入口与电解质储存容器连接并且具有溢出口。
但，气体扩散电极在所描述的电解设备中的使用不仅有实现催化氧消耗反应的任务。此外，电极也应确保在GDE两侧电解质和气体的分离。为此，通过所选的固定方法对气体扩散电极的气体或液体密封的密封件一定是必须的，以便尤其在电解质进入半电池之后保证电解质沿着气体扩散电极符合规定地被引导并且不经由非充分密封的区域并且由此在(渗滤器的)多孔介质之外可替选的路径从电化学半电池到达电解质出口并且因此不再提供给该反应。
由于气体扩散电极经受老化过程并且由此经受磨损，所以气体扩散电极在确定的工作时间之后必须被更换。现有技术规定，气体扩散电极焊入阴极半壳中，这使更换非常费事。
这例如在DE 103 30 232 A1中予以介绍。在此，描述了电化学半电池，其中，GDE具有无涂层的边缘区域，与保持结构连接，该保持结构与导电的板焊接。除了困难的可更换性之外，该技术的另一主要缺点在于，由于形成的焊缝而失去了非常多的活性电极表面，由此降低了电解质电池的效率。
在DE 101 52 792中阐述了气体扩散电极的一种可替选的固定可能性。在此，描述了一种方法，借助折叠状围绕的框架将气体扩散电极与电解设备的基本结构连接。与在DE103 30 232中所描述的纯粹夹持方法相比，该方法在可更换性方面更为有利。但，由于在此情况下为了使欧姆损耗最小通过焊接方法或钎焊方法实施框架与基本结构的连接，所以不仅保留了困难的可更换性的缺点而且活性电解质面由于焊接区域而损失的缺点仍旧存在。
在DE 103 21 681 A1中公开了用于电解质电池装置的密封件，其包括第一膜表面和第二膜表面以及承担基本的间隔保持器功能的绳状 第一密封件件和绳状第二密封件件，其彼此间隔地分布在第一膜表面与第二膜表面之间。该电池中的布置设计为，密封件与隔膜交叠，之后是钻孔并且随后在电解质电池的外部区域中设置第二密封件件，其仅还具有间隔保持作用而不再具有密封作用。缺点是，以此方式和方法不能实现完全的密封并且会发生经由钻孔的泄漏。
US 4 721 555 A描述了电化学电池，其中，在隔膜与电池框架的交叠区域中安置有环绕的框架密封件，其具有多个轮廓部。在此同样始终存在泄漏风险。
发明内容
因此，本发明的任务是，找到一种技术解决方案，其首先保证尤其气体室对电解质室的充分密封，以便防止电解质经由非充分密封的区域如在气体扩散电极与隔离框架密封件之间的垂直边缘区域会到达电解质出口并且由此不用于电化学反应。此外，同时气体扩散电极要固定在电化学电池中，以便保证气体扩散电极的简单安装和拆卸并且由此提供尽可能大的活性电极面以用于电化学反应。此外，密封件要确保阳极与阴极的电绝缘，以便能够实现电化学电池的符合规定的工作。
该任务通过如下电化学电池来解决，其包括：阳极半壳和阴极半壳，其通过隔膜彼此分开，它们具有相应的电极；以及阳极半壳和阴极半壳，分别具有外壁，其分别在两个半壳的接触区域中具有凸缘区域，所述凸缘区域框架状地构造，并且凸缘区域具有安装孔，安装孔标明电化学电池的内部区域和外部区域；并且气体扩散电极，其放置在支承系统上；以及多孔介质，所述多孔介质放置在气体扩散电极上；以及用于输送和导出气体和电解质的装置。
尤其是，本发明的特征在于，至少一个环绕的框架密封件在两个半壳的接触区域中设置在两个半壳的外壁的框架状凸缘区域之间，所述框架状密封件放置在隔膜上，其中，多孔介质和气体扩散电极放置在框架状阴极凸缘区域上并且环绕的框架密封件在该区域中与多孔介 质和气体扩散电极交叠，其中，交叠区域具有至少两个轮廓部，其中，环绕的框架密封件在两个半壳的接触区域中在多孔介质与气体扩散电极的交叠区域之外的框架状凸缘区域之间具有至少一个另外的轮廓部，其中，在电化学电池的内部区域中布置所述另外的轮廓部，其中，所述另外的轮廓部到达框架状的、阴极的凸缘区域并且使隔膜弯曲并压靠到框架状的、阴极的凸缘区域上。
通过所要求地将密封件放置在电化学电池中可以实现充分的密封并且可以避免现有技术的缺点。
在有利的扩展方案中，该装置具有轮廓部，其具有任意几何构型，并且优选具有三角形、梯形或半球形。
在优选的实施形式中，框架密封件在大约100℃的温度以下由耐碱和耐氧的材料构建。
此外，本发明要求保护根据本发明的电化学电池作为电解器中的电解质电池的应用可能性，在电解器中堆叠状地布置多个电解质电池。
有利地，此电化学电池使用在电池中，在该电池中化学能通过电化学氧化还原反应转换成电能。
电化学半电池的另一应用可能性在于使用在燃料电池中，其中化学能通过输送燃料和氧化剂转换成电能。
附图说明
以下借助图1至图6详细地阐述了本发明的实施方案。
图1：以从上部剖切的总视图示出了根据本发明的电化学电池的示意性方法概图
图2a-b：向外示出了部件在根据本发明的带有密封变型结构的电化学电池的凸缘区域中的原理性布置的示意性方法概图
图3a-b：向外示出了根据本发明的处于安装好的状态中的电化学电池的凸缘区域的示意性方法概图，用于示出带有密封变型结构的框架密封件的作用原理
图4：示出了带有或不带用于旋紧根据本发明的电化学电池的安 装孔的框架密封件的示意性方法概图
图5：示出了根据本发明的电化学电池的框架密封件的角部区域的示意性方法概图
图6a-f：根据本发明的电化学电池的框架密封件的轮廓部的构型的示意性方法概图
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电化学电池，其包括阳极半壳14和阴极半壳15，它们通过隔膜8彼此分开。两个半壳14、15具有外壁12和13以及框架状构造的凸缘区域16和17。在阴极半壳16的框架状的凸缘区域与阳极半壳17的凸缘区域之间可以夹持有隔膜8、多孔介质9、用于将阳极与阴极电绝缘的框架密封件3和可能夹持有其他部件。通过夹持例如可以实现隔膜8和多孔介质9的固定，以及实现电化学电池对外的密封。多孔介质9在电化学电池工作时用作渗滤器，其中，电解质在隔膜8与气体扩散电极6之间被引导通过电解室10(渗滤器)。电化学反应所需的气体以及电解质通过相应的装置输送18、20以及导出19、21。
气体扩散电极6通过支承元件7保持在电解质电池中。气体扩散电极6本身由液体可透过的载体构建，该载体以催化剂材料涂覆。在此，气体扩散电极6的以催化剂涂覆的区域形成活性区域，在该活性区域上进行阴极的电化学反应。该活性区域包括整个气体扩散电极，除了密封区域之外，该密封区域在结构上实施得尽可能小，以便使气体扩散电极6获得尽可能大的活性面积用以电化学反应。
密封区域通过在两个半壳的外壁12和13的框架状凸缘区域16和17之间的两个半壳的接触区域限定，其中，安装孔4标明电化学电池的内室23和外室24。在图2a-b中详细地示出了部件的原理布置：气体扩散电极6和多孔介质9在阴极的凸缘区域17上，其中，环绕的框架密封件3在该区域中具有至少两个轮廓部，其与气体扩散电极6和多孔介质9交叠并且两个部件与布置在其间的隔膜8在安装好的状 态中被挤压在一起。至少一个另外的轮廓部22设置在多孔介质9和气体扩散电极6的交叠区域之外，但该气体扩散电极始终在电化学电池的内部区域23中。在此也谈及框架密封件的轮廓化的外部区域。在电化学电池24的外部区域中，框架密封件3楔形地构造并且绝对没有附加的轮廓部。通过将框架密封件布置在电化学电池中的方式，泄漏率可以被减低至最小值。
用于改善地密封电化学电池以免电解质或气体向外逸出的另一实施变型方案在图2b中示出。图2b示出了附加的可形变的密封绳的布置，该密封绳在框架状凸缘区域16和17之间的两个半壳的接触区域中处于电化学电池的多孔介质9与内室23中的气体扩散电极6的交叠区域之外。
图3a-b示出了处于安装好且被挤压的状态中的框架状凸缘区域16和17之间的两个半壳的接触区域，用于阐明对多孔介质环绕内部密封以免边缘泄漏。这通过至少两个轮廓部的共同作用而实现，所述轮廓部在多孔介质9与气体扩散电极6的交叠区域2中，但至少一个另外的轮廓部22布置在电化学电池的内部区域23中，所述另外的轮廓部处于多孔介质9和气体扩散电极6的交叠区域之外。框架密封件3的内部轮廓部1将隔膜8和多孔介质9压到通过阴极的凸缘区域17支承的气体扩散电极6上，而所述另外的轮廓部22将隔膜8压到凸缘区域17上。通过设置在框架密封件3上的至少两个内部轮廓部防止液体穿过轮廓部逸出。对外的密封通过将隔膜8挤压在阴极的凸缘区域17与框架密封件3的所述另外的轮廓部22之间来实现，如在图3a中所示。在此，隔膜8直接按压在框架状的阴极凸缘区域17上。
图3b示出用于改善地密封电化学电池以免电解质或气体向外逸出的另一实施变型方案。在图3b中，示出了附加的可形变的密封绳的应用，该密封绳在框架状的凸缘区域16与17之间的两个半壳的接触区域中在多孔介质9与气体扩散电极6的交叠区域之外处于电化学电池的内部区域23中，并且在安装好的状态中被挤压在隔膜8与阴极的凸缘区域17之间，并且通过改进的密封来确保并且替换所述另外的轮 廓部22或与其组合地使用。
图4示出了带有轮廓化的内部区域2的框架密封件3的总视图，该框架密封件包括两个内部的轮廓部1，用于充分地液体密封，所述轮廓部处于多孔介质9与气体扩散电极6的交叠区域中，但处于交叠区域之外的至少一个另外的附加轮廓部布置在电化学电池的内室中。对框架密封件的挤压通过经过安装孔4的旋紧来实现。
图5详细地示出了带有安装孔4的框架密封件3的构型，其中，安装孔居中均匀间隔布置并且在角部区域中形成直角。
图6以变型方案a)至f)示出了轮廓部1和另外的轮廓部22的示例性构型，其可以具有任意几何构型，例如三角形(图6a和图6d)、梯形(图6b和图6e)或半球形(图6c和6f)。轮廓部的制造在此可以通过直接压印轮廓部(图6a-6c)或通过去除围绕轮廓部的材料(图6d-6f)来实现。
从本发明的得到如下优点：
通过根据本发明地将框架密封件轮廓化以将多孔介质和隔膜与气体扩散电极挤压和固定来在一起来确保对电解室(多孔介质)充分密封，
使阳极和阴极电绝缘
简单地安装和拆卸气体扩散电极
由于无活性密封面小而提供了大的活性电极表面，活性电极表面可以用于电化学反应
可防止电解质通过一方面为气体扩散电极和多孔介质与另一方面为用于外部密封的密封绳之间的边缘区域而泄漏电解质，并且由此不用于电化学反应
附图标记表
1 轮廓部
2 框架密封件的被轮廓化的内部区域
3 框架密封件
4 用于旋紧的安装孔
5 密封绳
6 气体扩散电极
7 支承系统
8 隔膜
9 多孔介质
10 电解室
11 气体室
12 阳极半壳的外壁
13 阴极半壳的外壁
14 阳极半壳
15 阴极半壳
16 阳极半壳的边缘区域
17 阴极半壳的边缘区域
18 输送气体的装置
19 导出气体的装置
20 输送电解质的装置
21 导出电解质的装置
22 其他轮廓部
23 电化学电池的内部区域
24 电化学电池的外部区域

Claims (9)

1.电化学电池，包括：
阳极半壳(14)和阴极半壳(15)，它们通过隔膜(8)彼此分开，它们具有相应的电极，
阳极半壳(14)和阴极半壳(15)分别具有外壁(12、13)，所述外壁分别在两个半壳的接触区域中具有凸缘区域(16、17)，所述凸缘区域框架状地构造，并且所述凸缘区域(16、17)具有安装孔(4)，所述安装孔标明电化学电池的内部区域(23)和外部区域(24)，
设置气体扩散电极(6)，所述气体扩散电极放置在支承系统(7)上，
多孔介质(9)，其放置在气体扩散电极(6)上，
用于输送和导出气体的装置(18、19)和用于输送和导出电解质的装置(20、21)，
其中，至少一个环绕的框架密封件(3)在两个半壳的接触区域中设置在两个半壳的外壁(12、13)的框架状凸缘区域(16、17)之间，所述框架密封件放置在隔膜(8)上，其中，多孔介质(9)和气体扩散电极(6)放置在框架状的、阴极的所述凸缘区域(17)上并且环绕的所述框架密封件(3)在该区域中与多孔介质(9)和气体扩散电极(6)交叠，其中，交叠区域(2)具有至少两个轮廓部(1)，从而气体扩散电极(6)和多孔介质(9)与隔膜(8)在安装好的状态中被挤压在一起，
其中，环绕的所述框架密封件在两个半壳的接触区域中在多孔介质(9)和气体扩散电极(6)的交叠区域外的、框架状的所述凸缘区域(16、17)之间具有至少一个另外的轮廓部(22)，其中，所述另外的轮廓部(22)将隔膜(8)压到凸缘区域(17)上，所述另外的轮廓部(22)布置在所述电化学电池的内部区域(23)中，其中，所述另外的轮廓部(22)到达框架状的、阴极的凸缘区域(17)并且使隔膜(8)弯曲并压靠到框架状的、阴极的凸缘区域(17)上。
2.根据权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述轮廓部(1)具有任意几何构型。
3.根据权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述轮廓部(1)具有三角形、梯形或半球形。
4.根据权利要求1至3之一所述的电化学电池，其特征在于，所述框架密封件(3)在100℃以下由耐碱和耐氧的材料构建。
5.根据权利要求1至3之一所述的电化学电池，其特征在于，所述另外的轮廓部(22)具有任意几何构型。
6.根据权利要求5所述的电化学电池，其特征在于，所述另外的轮廓部(22)具有三角形、梯形或半球形。
7.根据权利要求1所述的电化学电池作为电解质电池在电解器中的应用，在电解器中堆叠状地布置有多个电解质电池。
8.根据权利要求1的电化学电池作为电池的应用，在电池中化学能通过电化学氧化还原反应转换成电能。
9.根据权利要求1所述的电化学电池作为燃料电池的应用，在该燃料电池中化学能通过输送燃料和氧化剂而转换成电能。
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