CN110536868A - 具有改善的电气保护的用于废水处理的电化学电池 - Google Patents

Abstract

用于废水处理的电化学电池包括催化剂涂覆的膜、被放置在催化剂涂覆的膜的每一侧面上的开孔网格以及紧接每个开孔网格放置的压缩框架。每个压缩框架具有在由框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，以通过紧固件施加均匀的压缩力，所述紧固件突出穿过压缩臂、开孔网格和催化剂涂覆的膜。每个开孔网格包括平坦表面和压花表面。压花表面可以包括围绕开孔网格中的孔的压花区域、在组装的电池中紧接压缩框架的压缩臂放置的横向压花区域以及沿着开孔网格的周边的外围压花区域。压花表面提供改善的针对电路的保护。

Description

具有改善的电气保护的用于废水处理的电化学电池

技术领域

本发明涉及具有增加的污染物去除速率的用于废水处理的电化学电池(electrochemical cell)，并且特别地本发明涉及用于去除有机污染物和无机污染物的电化学电池，所述电化学电池包括固体聚合物电解质膜和具有改善的电气保护的电流收集和电池压缩系统。

背景

由于人口增长和增加的所产生的废水的体积、更严格的废水质量法规、增加的清洁水的成本和水短缺、对保护清洁水源的意识以及更换老化的废水处理基础设施的驱动，对新型废水处理的需求存在大幅增长。工业特别地受更严格的排放标准和成本压力所迫，以在排放之前消除其顽固的废水污染物，并且采用现场水再利用和再循环系统来避免增加供水(rising water supply)和流出物排放成本。要求的是不需要添加化学品并且不产生二次污染的成本有效的、可持续的水处理系统，所述水处理系统符合严格的水质标准并且具有最低的操作和维护要求。

工业废水可以含有有机化合物，其中许多是有毒的、持久性的并且抵抗常规的生物的和化学的废水处理。处理顽固的废水的优选的方法是通过可以使污染物矿化并降低废物的有机负载和毒性的非化学氧化技术例如电化学氧化。电化学氧化是可持续的、安全的并且具有高的处理效力，消除各种各样的污染物例如持久性的有机污染物、二噁英、氮物质(例如氨)、药物、病原体、微生物、大多数优先污染物和农药。在废水的电化学处理的领域中，存在两种主要的用于氧化废水中的污染物的方法。第一种方法是直接在阳极表面上直接电化学氧化有机污染物和/或无机污染物。第二种方法是通过原位产生化学氧化物质(例如羟基、氯、氧或高氯酸根基团或化合物例如次氯酸盐、臭氧、或过氧化氢)间接电化学氧化有机污染物和/或无机污染物。这些化学氧化物质直接在阳极表面上产生并且随后氧化废水溶液中的污染物。

已经开发了多种包括流通式平行板、分隔室、填充床电极、堆叠式盘、同心圆筒、移动床电极和压滤机的电池配置，用于直接和间接电化学废水处理。然而，所有这些电化学电池配置的共同点在于差的操作效率和性能，导致高能量消耗和/或低的污染物去除速率。

为了提高用于废水处理的电解池的性能，公布的PCT申请WO9901382公开了例如向待处理的流体中添加一种或更多种化学物质(例如酸、二氧化碳、碱、过氧化氢或盐。)

消除对添加支持电解质(supporting electrolyte)的要求的方法是在电解池中使用固体聚合物电解质(SPE)。SPE技术已经被开发用于其他目的，包括用于通过水电解生产氢气或者用于使用聚合物电解质膜燃料电池产生能量。

通常，用于废水处理的采用固体聚合物电解质(SPE)的电化学电池包括由膜分隔开的阳极和阴极以及两个用于将废水分别进料至阳极和阴极的流场板(flow fieldplate)。这样的布置与用于燃料电池和电解器(electrolyser)中的电池设计相似。在燃料电池和电解池中，膜必须将在阳极侧面上流动的电解质与在阴极侧面上流动的电解质分开。用于废水处理的电化学电池与用于氢气产生的燃料电池和电解器的区别在于，它们不一定需要阳极侧面和阴极侧面的完全分离。在燃料电池和电解器中，避免膜穿孔以防止阳极流和阴极流的混合，并且应该防止在阳极隔室和阴极隔室之间的气体泄漏。燃料电池和电解器的另一个特性是，在这样的电池中需要组件的气体密封性和液体密封性，以便确保流体可以移动通过或跨越电池的活性区域(active area)而不损失压力。

使用固体聚合物电解质(SPE)的用于废水处理的电解池的一种配置例如在申请人的专利公布WO2012167375中描述。该系统包括电解池，该电解池包括具有阴极气体扩散层和阴极催化剂层的阴极、具有阳极扩散层和阳极催化剂层的阳极以及分隔阳极层和阴极层的固体聚合物膜电解质。通过引导废水通过设置在阳极流场板中的流场通道，废水被均匀地递送到阳极流体递送层和从该阳极流体递送层中递送出，所述阳极流场板紧接阳极流体递送层放置。在废水的电化学处理期间产生的氢气从阴极收集，并且经由设置在紧接阴极流体递送层放置的流场板中的流场通道被引导出电解池。该系统可以包括以堆叠(stack)并且以串联布置和/或并联布置的多个电解池，并且可以在没有阴极电解质或其他支持电解质的情况下操作。

在WO 2005095282/US7,704,353中公开了另一种用于处理低电导率废水而不使用支持电解质的方法。该系统使用夹在被放置在低电导率废水的单个室中的阳极电极和阴极电极之间的固体聚合物电解质。例如，电极是涂覆有掺杂的金刚石层的膨胀的金属栅格(grid)，并且它们通过放置在组件的四个角部区域处的螺栓被夹持在聚合物固体电解质的方向上，所述组件由电极和其间的聚合物固体电解质形成，所述螺栓在电池的边缘处突出穿过电极和固体电解质。在一些实施方案中，电极是涂覆有掺杂的金刚石层的金属板，并且聚合物电解质被形成为垂直条带，所述垂直条带彼此相距一定距离布置并且放置在电极之间。在该现有技术文献中使用的系统依赖于施加在聚合物固体电解质上的电极的相对低的接触压力以及依赖于电极的相对低的机械稳定性。通过经由被定位在组件的四个角部区域处的螺栓沿聚合物固体电解质的方向夹持两个电极来施加压力。这种布置存在缺点，即聚合物固体电解质和电极之间的接触不能在某些区域(例如在组件的中心)被保持，这不利地影响该系统的操作效率。此外，涉及聚合物固体电解质材料的条带的解决方案还通过提供减小的导电区域来降低系统的操作效率。由于所需的高电压，用于该设置(setup)的污染物矿化的能量消耗高，这表明在该电池组件中的高电阻损失，这是该申请人未认识到的事实。

Goncalves等人在Electrochimica Acta 121(2014)1-14中公开了来自现有技术的用于处理废水的电化学电池的另一个实例，其描述了采用Sb-SnO₂电极的SPE(固体聚合物电解质)压滤式电池，其中氧化物层被支撑在不锈钢细网格基底上。为了获得用于SPE电池的所需配置，将不锈钢网格放置在电极(阳极和阴极)之间并且使用由不锈钢制成的穿孔的集电器以确保通过固定在集电器的边缘处的弹簧施加在SPE上的压力的均匀分布。通过紧固被固定在集电器中的弹簧加载的螺钉来施加0.5kgf cm^-2的压力，以便促进在电极/SPE/水界面处的足够的机械/电气接触。将弹簧加载的螺钉固定在集电器的边缘，包围活性区域。该公开内容指出“该程序确保SPE的充分压缩，为零间隙提供必要的条件”并且“这也防止膜破裂”。将该组件浸没在水中。该现有技术文献得出结论：使用SPE压滤反应器不能防止电极失活，即，电极通过在氧化物本体内的电导率的逐渐降低而失活。

在该压滤机中使用的金属支撑物是不锈钢而不是钛，这可能已导致电极失活和差的性能。作者没有认识到的这种电池的差的性能的另一个原因可能是使用穿孔的集电器，该穿孔的集电器类似于燃料电池样组件或电解器样组件中的流场，由于在板的实心部分(solid section)下方的催化剂反应位点的阻塞，可以导致高水平的催化剂失活。由Goncalves等人提出的压滤机由于其仅在活性区域的边缘处采用弹簧加载的螺钉的压缩系统而无法被扩大以实现较高体积的废水的处理。这样做是为了防止膜破裂的目的。在扩大的系统中，这样的压缩系统将在活性区域的远离边缘的部分中(例如，在活性区域的中心)的电极之间引起更大的间隙。

申请人还已经开发了一种系统，如国际专利公布WO2017123969中所公开的，其中电化学电池的堆叠被浸没在容纳待处理的废水的反应器罐中，其中每个电化学电池包括固体聚合物电解质(SPE)膜以及阳极催化剂层和阴极催化剂层，每个催化剂层邻近固体聚合物电解质膜的一个侧面，并且每个电化学电池还包括开孔网格(open pore mesh)，每个开孔网格邻近催化剂层。该系统还包括压缩框架，每个框架邻近开孔网格并且具有在由其周边界定的区域内展开(spread)的压缩臂，该压缩臂在连接部位处彼此连接。该系统还包括紧固件，该紧固件突出穿过在压缩框架的臂中在连接部位处设置的孔、穿过在开孔网格中设置的孔以及穿过催化剂涂覆的膜，以压缩在两个压缩框架之间的固体聚合物电解质膜、催化剂层和开孔网格。由于流场板和随机的、不均匀的多孔介质(气体扩散层)的去除，该系统已经被证明以较低的操作成本实现较高的污染物去除速率。该系统提供低的电压操作和能量消耗，并且可以在可变的流出物流量(flow rate)操作。

在申请人的未决专利申请中描述的系统中，为了电流收集的目的，电化学电池的开孔网格和压缩框架由导电材料制成。在这样的系统中，必须防止电池部件之间的任何电流短路，例如在催化剂涂覆的膜的两个侧面上的两个开孔网格之间的电流短路。

尽管有在申请人的未决申请中描述的电化学电池的堆叠的系统性能的显著改善，但是仍然存在对通过提供电池免受电流短路的更安全保护来进一步改善系统的需求。

发明概述

本发明描述了用于废水处理的电化学电池，所述电化学电池包括固体聚合物电解质膜、邻近固体聚合物电解质膜的第一侧面的阳极催化剂层和邻近固体聚合物电解质膜的与第一侧面相对的第二侧面的阴极催化剂层。电化学电池还包括邻近阳极催化剂层的第一开孔网格和邻近阴极催化剂层的第二开孔网格以及邻近第一开孔网格的第一压缩框架和邻近第二开孔网格的第二压缩框架，压缩框架中的每个具有在由框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接。紧固件突出穿过在第一压缩框架和第二压缩框架的压缩臂中在连接部位处设置的孔并且进一步突出穿过在第一开孔网格和第二开孔网格中设置的孔以及突出穿过固体聚合物电解质膜和阳极催化剂层和阴极催化剂层。紧固件提供力以压缩在两个压缩框架之间的固体聚合物电解质膜、催化剂层和开孔网格。每个开孔网格包括平坦表面和从平坦表面凸起的压花表面(embossed surface)。

第一开孔网格和第二开孔网格中的每个的压花表面包括不同的压花区域，每个压花区域围绕被设置在开孔网格中的孔。第一开孔网格和第二开孔网格的压花表面还可以包括横向压花区域，每个横向压花区域将围绕开孔网格中的孔的两个压花区域连接，并且紧接在组装的电化学电池中的压缩框架的压缩臂放置。第一开孔网格和第二开孔网格的压花表面也可以包括外围压花区域(peripheral embossed area)，该外围压花区域沿每个开孔网格的周边放置在每个开孔网格的外围处。

围绕被设置在开孔网格中的孔的第一开孔网格和第二开孔网格的每个压花区域、装配在组装的电化学电池中的压缩臂下方的横向压花区域和/或沿开孔网格的外围放置在开孔网格的外围的外围压花区域包括凸起的平坦区域和将压花区域的凸起的平坦区域连接至开孔网格的平坦表面的倾斜区域。

在一些实施方案中，电化学电池包括被放置在围绕面向阳极的开孔网格中的孔的压花区域与阳极催化剂层之间的间隔物(spacer)，和/或被放置在围绕面向阴极的开孔网格中的孔的压花区域与阴极催化剂层之间的间隔物。间隔物可以由橡胶制成，所述橡胶例如EPDM(乙烯丙烯二烯单体)、布纳-N(丁腈橡胶)或Viton^TM。

在优选的实施方案中，固体聚合物电解质膜设置有孔以允许紧固件的穿透。开孔网格中的孔优选地大于固体聚合物膜中的孔和/或大于压缩臂中的孔。

开孔网格的压花表面基于开孔网格的材料的弹性、基于由紧固件施加到由CCM、由开孔网格和由压缩框架形成的组件上的压缩力以及基于开孔网格的厚度来确定尺寸。开孔网格的压花表面被确定尺寸使得在由紧固件施加的压缩力下，两个开孔网格不彼此接触。

在优选的实施方案中，电化学电池的每个压缩框架包括在框架的一个侧面上的外围区域，该外围区域延伸超过电化学电池的相对的压缩框架并且设置有至少一个孔，使得当电化学电池被安装在反应器罐的壁中的槽中时，待处理的废水可以通过孔从电化学电池的一个侧面流动到另一侧面。在组装的电化学电池中，一个压缩框架的外围区域在与电池中的另一个压缩框架的外围区域相反的方向延伸，使得两个外围区域都装配在被设置在反应器罐的相对壁上的槽中。

在一些实施方案中，电化学电池的每个压缩框架包括在框架的两个相对侧面的每个上的外围区域，该外围区域装配在反应器罐的槽中，并且每个外围区域设置有至少一个孔，使得当这样的电化学电池的堆叠被浸没在反应器罐中时，罐中的废水溶液可以通过设置在压缩框架的外围区域中的孔从电化学电池的一个侧面流动到相对的侧面。

在优选的实施方案中，阳极催化剂层和阴极催化剂层各自被沉积在固体聚合物电解质膜的一个侧面上以形成催化剂涂覆的膜(CCM)。

在其他实施方案中，阳极催化剂层被沉积在固体聚合物电解质膜的一个侧面上，并且阴极催化剂层被沉积在开孔网格的面向膜的相对侧面的侧面上。类似地，在其他实施方案中，阴极催化剂层可以被沉积在固体聚合物电解质膜的一个侧面上，并且阳极催化剂层被沉积在开孔网格的面向膜的相对侧面的侧面上。此外，在其他实施方案中，阳极催化剂层被沉积在第一开孔网格的一个侧面上，并且阴极催化剂层被沉积在第二开孔网格的一个侧面上，其中涂覆有催化剂层的开孔网格的每个侧面向膜的相对侧面。

在本发明的优选的实施方案中，固体聚合物电解质膜具有外围部分，所述外围部分延伸超过催化剂层并且在第一压缩框架和第二压缩框架之间突出以在两个框架之间提供电气隔离。

被用于压缩由在压缩框架之间的膜、催化剂层和开孔网格形成的组件的紧固件由非导电材料制成。

本发明的电化学电池的压缩框架和开孔网格由导电材料制成。例如，压缩框架由金属材料或陶瓷材料制成。

在本发明的电化学电池中，开孔网格具有孔隙率(porosity)，所述孔隙率允许待处理的废水容易进入催化剂反应位点，并且还允许产物气体的容易去除。在优选的实施方案中，开孔网格具有在约30％至约95％之间的孔隙率。

在一些实施方案中，固体聚合物电解质膜是阴离子固体聚合物电解质。在其他实施方案中，固体聚合物电解质膜是阳离子固体聚合物电解质。

本发明还涉及用于废水处理的电化学电池的堆叠，所述堆叠包括至少一个本文描述的电化学电池。对于一些小规模应用，堆叠可以包括六个或更少的电化学电池。优选地，用于废水处理的电化学电池的堆叠包括50个具有本文所述的架构的电化学电池。通常，用于废水处理的电化学电池的堆叠可以包括高达500个电化学电池。

堆叠中的电化学电池通过至少一个杆连接并且被定位成在两个相邻的电化学电池之间产生空间，此空间允许产物气体在电池之间流动。对于包括电化学电池的堆叠，其中电化学电池的每个压缩框架都设置有外围区域，所述外围区域设置有至少一个孔，电化学电池通过将压缩框架的外围区域安装在设置在反应器罐的相对壁中的槽中而不是通过杆连接电池被定位在反应器罐中。槽以彼此相距一定距离放置，并且这确保堆叠中相邻的电化学电池之间的足够的间隔，以允许产物气体在堆叠中的电化学电池之间流动。

在一些实施方案中，堆叠包括若干个电化学电池，其中一个电化学电池的阳极侧面面向堆叠中的相邻的电化学电池的阳极侧面。在一些其他实施方案中，堆叠中的一个电化学电池的阳极侧面面向相邻的电化学电池的阴极侧面。

本发明还涉及用于处理废水的系统，该系统包括电化学电池的至少一个堆叠，该堆叠被浸没在容纳待处理的废水的反应器罐中，堆叠中的电化学电池具有本文所描述的部件和配置。堆叠可以串联或并联连接。

本系统的反应器罐包括具有排气端口的盖，在堆叠操作期间产生的产物气体通过所述排气端口流动到反应器罐的外部。优选地，反应器罐包括液位传感器。

还描述了用于废水处理的方法，该方法包括以下步骤：

a.提供具有本文所描述的构造的电化学电池，所述电化学电池被浸没在容纳待处理的废水的反应器罐中，

b.提供跨越电化学电池的电压，以及

c.以预定的电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物，

其中废水在所述压缩框架的所述压缩臂之间流动并且流动通过所述开孔网格以到达所述催化剂层并且产生降解所述废水中的污染物的反应。

在优选的实施方案中，该方法包括提供跨越电化学电池的约1.3V至约10V的电压。此外，在一些实施方案中，该方法还包括以在约0.05A/cm²至约1.0A/cm²之间的操作电流密度操作电化学电池。

本发明的方法还包括在电化学电池的操作期间在预定的时间从反应器罐中的废水中取出样品并且当所述样品满足水纯度要求时将废水排放到排放罐。用于从反应器罐中的废水中取出样品的预定的时间可以基于待处理的废水的体积以及基于可以实验上确定的污染物去除速率来确定。

还公开了组装用于废水处理的电化学电池的方法，并且该方法包括以下步骤：

a.提供固体聚合物电解质膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层邻近固体聚合物电解质膜的第一侧面，所述阴极催化剂层邻近固体聚合物电解质膜的与第一侧面相对的第二侧面；

b.将第一开孔网格定位成邻近所述阳极催化剂层并且将第二开孔网格定位成邻近所述阴极催化剂层，其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中的每个包括平坦表面和从所述平坦表面凸起的压花表面；

c.将第一压缩框架定位成邻近第一开孔网格，并且将第二压缩框架定位成邻近第二开孔网格，压缩框架中的每个都由导电材料制成并且具有压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接并且在由框架的周边界定的区域内展开；

d.将紧固件插入穿过在第一压缩框架和第二压缩框架的压缩臂中在连接部位处设置的孔、穿过在第一开孔网格和第二开孔网格中设置的孔以及穿过固体聚合物电解质膜和阳极催化剂层和阴极催化剂层，以及

e.通过由紧固件提供的压缩力，在连接部位处压缩固体聚合物膜、第一开孔网格、第二开孔网格、第一压缩框架和第二压缩框架，

其中连接部位被分布在由框架的周边界定的区域内，以在电化学电池的由压缩框架界定的区域上提供基本上均匀的压缩力。

附图简述

附图图示出了本发明的具体的优选实施方案，但不应该被认为以任何方式限制本发明的精神或范围。

图1图示出了根据本发明的用于废水处理的电化学电池的分解图。

图2示出了处于其组装的状态的电化学电池的示意图，其中电池部件被压缩在两个压缩框架之间并且使用螺纹螺栓和螺母被组装在一起。

图3图示出了沿穿过图2中所示的电化学电池组件的线A-A的横截面。

图4图示出了穿过本发明的另一个实施方案的横截面，该实施方案包括用于支撑在紧固件附近的压花的开孔网格的间隔物。

图5示出了本发明的电化学电池的另一个实施方案，该实施方案包括压花的开孔网格和压缩框架，所述压花的开孔网格具有围绕孔的压花区域、横向压花区域和外围压花区域，所述压缩框架仅具有一个导电引线。

图6图示出了根据图5中所示的实施方案的压花的开孔网格。

图7图示出了沿穿过图5中所示的电化学电池的线B-B的横截面。

图8图示出了具有根据本发明的构造的电化学电池的堆叠的示意图。

图9图示出了用于废水处理的模块的分解图，所述模块包括反应器罐和具有根据本发明的构造的电化学电池的堆叠。

详细描述

某些术语被用于本描述中并且意图根据下文提供的定义来解释。另外，例如“一(a)”和“包括(comprise)”的术语应被视为开放式的。此外，本文引用的所有美国专利公布和其他参考文献意图通过引用以其整体并入。

本文中SPE代表固体聚合物电解质并且可以是任何合适的离子导电离聚物(阴离子的或阳离子的，有机形式或无机形式)，例如因此，SPE电化学电池是包括作为电解质的SPE的电池，向所述SPE供应电能以实现期望的电化学反应(其中正电压被施加至电池的阳极)。

在本文中，除非另外说明，否则当提及数值时，术语“约”意图被解释为包括在被提及的值的正或负10％内的值的范围。

根据本发明的用于废水处理的示例性电化学电池在图1中以其分解图被图示。电化学电池100包括催化剂涂覆的膜102(CCM)，该膜102由固体聚合物电解质膜104组成，该固体聚合物电解质膜104在其两个侧面的每个上都涂覆有催化剂层106。在图1中仅示出了膜的第一侧面上的一个催化剂层106，例如这可以是阳极催化剂层，但是本领域技术人员将容易地理解，膜的相对侧面也涂覆有催化剂层，在该实施例中该催化剂层将是阴极催化剂层，并且可以具有与阳极催化剂层基本上相同的面积。在此上下文中，在本公开内容中，电化学电池的阳极活性区域被定义为在阳极侧面上涂覆有催化剂层的膜的(或如在可选择的实施方案中在下文进一步描述的开孔网格的)区域并且阴极活性区域被定义为在阴极侧面上涂覆有催化剂层的膜的(或开孔网格的)区域。在图示的实施方案中，固体聚合物电解质膜104设置有孔105，孔105允许紧固件122在电化学电池的组装期间穿透通过膜，如下文进一步描述的。在可选择的实施方案中，固体聚合物电解质膜104未被预制有孔，并且在这种情况下，紧固件在电化学电池的组装过程期间穿透膜。

电化学电池还包括在CCM的每个侧面上紧接催化剂涂覆的膜102放置的开孔网格108和110；以及各自分别紧接开孔网格108和110放置的压缩框架112和114。开孔网格108和110是设置有开孔的网格以允许网格的相对大的孔隙率，分别具有孔115和孔116，孔115和孔116允许在电化学电池的组装期间紧固件122的穿透并且分别设置有围绕这些孔的压花区域150和160。包括不同压花区域的开孔网格108和110的更详细的图示在下文描述的图3中表示。开孔网格108和110中的每个的面积分别地与电化学电池的作为膜的催化剂涂覆的区域的阳极活性区域和阴极活性区域基本上相同。在CCM(102)的外围的区域128沿其周边没有涂覆催化剂，并且具有电气隔离功能。

在图示的实施例中具有带有四个侧面的矩形的形状的压缩框架112和压缩框架114各自分别设置有压缩臂107和压缩臂118，压缩臂107和压缩臂118在连接部位120、121处彼此连接并且在压缩框架的四个侧面之间的区域内展开。孔119和孔123分别在连接部位120、121处设置在压缩框架中，用于允许在电化学电池的组装期间紧固件122的穿透。连接部位被分布在每个压缩框架的四个侧面之间的区域内。压缩框架112和压缩框架114分别设置有引线130和引线131，用于将电池与电源连接，电源通常是DC电源。本领域技术人员将理解，压缩框架112和压缩框架114可以具有与本图中所图示的矩形形状不同的形状，并且压缩臂107、118和连接部位120、121针对每个压缩框架被分布在由压缩框架的周边界定的区域内。在矩形形状的压缩框架的情况下，框架的周边由框架的侧面界定。

在图1、图2、图3、图8和图9中，紧固件122被图示为与螺母126配合以确保所需的压缩力的螺纹螺栓，但是本领域技术人员将容易地理解，任何其他紧固件，例如铆钉，如图4中所图示的，可以被用于提供由压缩框架施加在开孔网格上和施加在CCM上的压缩力，并且这样的紧固件可以不需要的任何另外的元件用于确保所需的压缩力。

开孔网格108和开孔网格110具有相对高的孔隙率，以允许污染的水和处理的水易于进出催化剂层上的反应位点，并且易于去除紧接催化剂层形成的气体。在本发明的上下文中，孔隙率被定义为网格的开放区域(open area)和体积之间的比率。可以使用的网格的类型包括但不限于由Bekaert供应的烧结的钛纤维网格和由Dexmet供应的膨胀的金属网格，所述烧结的钛纤维网格具有在250微米至550微米之间的网格厚度、在22微米至50微米之间的纤维直径和50％至85％的孔隙率，所述膨胀的金属网格具有在10微米至5,000微米之间的网格厚度、在0.04英寸至0.055英寸之间的线宽度、和在30％和95％之间的孔隙率，其中每平方英寸具有约33个至493个开口并且其中菱形形状的开口对于LWD(菱形的长道(long way))具有在0.075英寸至0.289英寸之间的尺寸以及对于SWD(菱形的短道(shortway))具有在0.032英寸至0.2英寸之间的尺寸，其中LWD和SWD是菱形形状的开口的对角线的尺寸，如例如在供应商的网站上所解释的。优选地，开孔网格由导电金属或陶瓷制成，所述导电金属或陶瓷具有在10微米至5,000微米之间的厚度和在约30％至95％之间的孔隙率。

电化学电池通过使用紧固件122将CCM 102压缩在开孔网格108和开孔网格110之间以及压缩在压缩框架112和压缩框架114之间被组装在一起，所述紧固件122穿过在压缩臂107、118中在连接部位120、121处设置的孔119、123，穿过被设置在开孔网格108和开孔网格110中的孔115、116，穿过催化剂层106并且穿过被设置在固体聚合物电解质膜104中的孔105。当固体聚合物电解质膜104不包括任何孔时，紧固件122可以在组装电化学电池时直接穿透膜。紧固件122可以设置有垫圈124，垫圈124将压缩力从紧固件扩展到压缩臂107，或者可选择地可以具有允许压缩力的扩展的形状。

紧固件122、垫圈124和螺母126由非导电材料制成。在本发明的电化学电池中，紧固件122穿透分布在压缩框架的整个区域上的连接部位、穿透开孔网格并且穿透CCM以确保压缩力跨越电化学电池的整个活性区域的基本上均匀的分布，并且保持电极之间的减少的间隙。这与现有技术中描述的压缩系统不同，在现有技术中，电化学电池的压缩仅通过经由放置在电池的外围的弹簧加载的螺栓对框架的外围压缩来实现，以避免任何压缩装置穿透SPE膜。

由于本压缩系统，SPE膜104提供在电极(在膜的阳极侧面和阴极侧面上的催化剂层)之间的减小的间隙。所图示的电化学电池不包括支撑(support)催化剂层的任何气体扩散层，并且电极仅包括阳极催化剂层和阴极催化剂层106，在本实施方案中，每个催化剂层被沉积在膜的一个侧面上，这也有助于较低的操作成本。在其他实施方案中，催化剂层中的每个可以分别沉积在开孔网格108和开孔网格110的一个侧面上，更具体地，沉积在开孔网格的面向膜104的侧面上。开孔网格108和开孔网格110提供局部电流收集。压缩框架112和压缩框架114允许对于开孔网格108和开孔网格110的周边电流收集，并且它们的压缩臂107、118实现开孔网格、膜和催化剂层分别跨越整个阳极活性区域和阴极活性区域的基本上均匀的压缩，这主要是由于压缩臂的分布和相应地连接部位的分布。例如，压缩框架112和压缩框架114由具有0.5mm至5mm的厚度的导电金属或导电陶瓷制成。本领域技术人员将理解，连接部位的数目和压缩框架的纵横比可以变化并且可以被配置为允许开孔网格的和CCM的基本上均匀的压缩，并且适应可商购的固体聚合物膜的不同的尺寸。例如，图5示出了与图1、图2、图8和图9中所示的压缩框架的纵横比不同的纵横比的矩形压缩框架，以及不同的连接部位的分布。

在图2中以其组装的状态示出了图1的电化学电池。未涂覆有催化剂的固体聚合物电解质膜的区域128在压缩框架之间突出，并且由此膜在压缩框架之间提供电气隔离。

在图3中图示出了穿过来自图2的电化学电池组件的横截面A-A。催化剂涂覆的膜(CCM)102被定位在开孔网格108和开孔网格110之间。紧固件122突出穿过压缩框架112和压缩框架114中的孔119、123，穿过开孔网格108和开孔网格110中的孔115、116以及穿过CCM102中的孔105，并且与螺母126配合，确保整个组件的压缩。

开孔网格108的压花区域150和开孔网格110的压花区域160分别包括凸起的平坦区域154和164以及倾斜区域156和166，所述倾斜区域156和166分别将凸起的平坦区域154和164与开孔网格的平坦表面142和152连接。开孔网格的凸起的平坦区域154和164设置有孔115、116。压花区域150和160的凸起的平坦区域以及倾斜区域的绝对尺寸和相对尺寸可以基于开孔网格的材料的弹性并且还基于由紧固件施加到组件上的压缩力来计算，同时考虑开孔网格的厚度。在任何情况下，压花区域的尺寸都应当基于由紧固件施加的压缩力和开孔网格的材料的弹性来计算，使得在CCM的一个侧面上的开孔网格不突出穿过在CCM和紧固件之间的空间，并且其不接触在CCM的相对侧面上的开孔网格。

如图3中看到的，因为开孔网格108和110的压花区域150和160分别从平坦表面142和152凸起，因此开孔网格108和110不靠近CCM 102并且在围绕紧固件122的区域中彼此分开一定距离。这防止了如果两个开孔网格的端部接触或靠近CCM或者它们通过设置在CCM中的孔105彼此接触可能发生的电气短路。本领域技术人员将容易地理解，图3、图4和图7示出了处于其组装的状态的电化学电池，其中通过紧固件向由CCM、开孔网格和压缩框架形成的组件施加所需的压缩力。

图4图示出了穿过电化学电池的另一个实施方案的横截面A-A，该电化学电池包括本发明的压花的开孔网格。该实施方案图示出了包括与图3中所示相同的部件的电化学电池，具有相似的参考数字。电化学电池包括放置在两个开孔网格208和210之间以及两个压缩框架212和214之间的CCM 202。紧固件222确保电化学电池的部件的压缩。在该实施方案中，紧固件222是铆钉，并且因此不需要其他部件用于确保电化学电池的压缩。类似于图3中所示的实施方案，每个开孔网格分别包括平坦表面242和252以及压花区域250和260，所述压花区域250和260各自分别包括凸起的平坦区域254和264以及倾斜区域256和266，所述倾斜区域256和266各自将开孔网格的平坦表面连接至凸起的平坦区域。图4中所示的实施方案还包括被放置在开孔网格208和CCM 202之间的间隔物270以及被放置在CCM的相对侧面上、在另一个开孔网格210和CCM 202之间的间隔物272。间隔物270和间隔物272将开孔网格保持在离CCM一定距离处，并且因此当压缩力被施加至组件时，防止两个开孔网格之间的意外接触。当开孔网格由薄的和/或非常柔性的材料制成时，这尤其有用。间隔物270和间隔物272由橡胶制成，所述橡胶例如EPDM(乙烯丙烯二烯单体)、布纳-N(丁腈橡胶)或Viton^TM。紧固件222突出穿过开孔网格208和210中的孔215、216、穿过间隔物270和间隔物272中的孔213和孔217、穿过CCM中的孔205以及穿过压缩框架212和214中的孔219、223，并且确保电化学电池在其组装的状态中的压缩。

在本发明的所有实施方案中，开孔网格中的孔被图示为大于催化剂涂覆的膜中的孔和压缩框架中的孔。本领域技术人员将容易地理解，用于允许紧固件的穿透的开孔网格中的孔可以具有与CCM中的孔和/或与压缩框架中的孔相同的尺寸。

在图5中图示出了根据本发明的电化学电池的另一个实施方案的正视图。该实施方案在CCM、开孔网格和压缩框架的总体相对布置方面与图1和图2中所示的实施方案类似，但在压缩框架的设计、开孔网格的设计、在开孔网格中和在CCM中的紧固件突出穿过的孔的数目以及用于每个压缩框架的导电引线方面不同于图1和图2中所示的实施方案，所述压缩框架的设计包括压缩臂及其连接部位的数目和分布。

电化学电池300包括两个设置有压缩臂(例如307)和紧固件322的压缩框架312和314，所述紧固件能够实现在两个开孔网格(在图5所示的视图中仅一个孔网格作为开孔网格308可见)之间以及在压缩框架312和压缩框架314之间对CCM 302的所需的压缩。铆钉被用作紧固件，用于确保该电化学燃料电池的压缩。

在该实施方案中，压缩框架312、314中的每个分别仅设置有一个引线330和引线332，而不是图1中所示的分别两个引线130和引线131。用于该可选择的实施方案的每个压缩框架的引线330和引线332优选地宽于图1中所示的引线130、131中的每个。

此外，每个压缩框架312和压缩框架314分别包括外围区域311和外围区域313，每个外围区域位于相应的压缩框架的一个侧面上并且分别设置有孔343和孔345。如图5中所示，当组装电化学电池时，框架312的外围区域311延伸超过压缩框架314，并且压缩框架314的外围区域313延伸超过压缩框架312。电化学电池300可以通过在被设置在反应器罐的两个相对壁上的槽中滑动其压缩框架的外围区域而被安装在反应器罐中。当多于一个的电化学电池被安装在反应器罐中时，反应器罐的两个相对壁中的每个中的槽被定位成彼此相距一定距离，以提供堆叠中电化学电池之间的间隔。在压缩框架的外围区域中的孔343和孔345分别允许罐中的废水溶液从电化学电池的一个侧面循环到另一侧面，使得电化学电池基本上被罐中的废水溶液围绕。本领域技术人员将容易地理解，在一些实施方案中，适当地确定尺寸的、在电化学电池的压缩框架的每个外围区域中的仅一个孔足以实现期望的效果。此外，在一些实施方案中，每个压缩框架312和314可以在框架的两个相对侧面中的每个上具有外围区域，并且在压缩框架的外围区域中的孔允许废水从电化学电池的一个侧面到达另一侧面。

在图6中更详细地图示出了图5中作为电化学电池的一部分示出的开孔网格308。开孔网格308包括平坦表面342和压花表面344。压花表面344包括沿开孔网格308的周边的外围压花区域346、在组装的电化学电池中紧接压缩框架312的压缩臂307放置的横向压花区域348、以及围绕设置在开孔网格中的孔315的压花区域350。横向压花区域将围绕孔315的压花区域彼此连接并且连接至外围压花区域。

围绕孔315的开孔网格308的压花区域350看起来与图3或图4中所示的压花区域150、160、250或260相同，包括凸起的平坦区域和倾斜区域。图1中所示的开孔网格108与图6中所示的开孔网格308之间的区别在于，开孔网格308还包括沿开孔网格的周边的横向压花区域348和外围压花区域346。外围压花区域346还包括用于紧固件的穿透的孔315，如图6中所示。

在图7中示出了穿过来自图5的电化学电池300的区域的横截面B-B，其包括开孔网格的横向压花区域，该横向压花区域位于紧接压缩框架的压缩臂。该横截面分别图示出了紧接压缩框架312和314的压缩臂307、318放置的横向压花区域348和368。CCM 302被放置在两个开孔网格308和310之间，开孔网格308和310被放置在两个压缩框架312和314之间。每个开孔网格308和310分别包括平坦表面342和352以及横向压花区域348和368，每个横向压花区域分别包括凸起的平坦区域354和364以及倾斜区域356和366，所述倾斜区域356和366围绕横向压花区域的凸起的平坦区域并且将其连接至开孔网格的平坦表面。

沿着开孔网格308的周边在开孔网格308的外围的外围压花区域346还包括凸起的平坦区域和倾斜区域，所述凸起的平坦区域和倾斜区域类似于图7中所示的凸起的区域和倾斜区域，并且本领域技术人员将容易地理解，外围压花区域346包括凸起的平坦区域，该凸起的平坦区域沿着开孔网格的周边伸展并且还通过倾斜区域连接至开孔网格的平坦表面。

在一些实施方案中，每个开孔网格仅包括围绕设置在网格中的孔的不同压花区域以及外围压花区域，并且在其他实施方案中，每个开孔网格可以仅包括围绕设置在网格中的孔的不同压花区域以及连接围绕孔的不同压花区域的横向压花区域。在所有的实施方案中，外围压花区域还包括用于紧固件的穿透的孔。

在图8中示出了图1中所示的根据本发明的第一实施方案的电化学电池的堆叠。堆叠400包括多个电化学电池100，电化学电池100具有与上文描述的图1和图2中所图示的配置相同的配置。电池通过至少一个杆403彼此连接，所述杆提供个体电池100之间所需的间隔409。在所图示的堆叠中，提供了两个杆用于将电化学电池定位在所需的间隔处。所图示的堆叠包括6个电化学电池，但是本领域技术人员将容易地理解，根据本发明的堆叠可以包括更多的电化学电池，或者对于一些非常小规模的应用，少于6个电化学电池。在优选的实施方案中，一个堆叠包括50个电池，但是堆叠可以包括高达约500个个体电化学电池。当放置在反应器罐中的堆叠中的电化学电池具有图5中所示的电化学电池300的配置时，制造堆叠的电化学电池300中的每个将被放置在设置在反应器罐的相对壁中的相应槽中，以提供电池之间所需的间隔，使得废水溶液可以流动穿过电池之间的间隔以及穿过被设置在压缩框架的外围区域中的孔，并且每个电池基本上浸没在反应器罐中的废水溶液中。

当被组装成堆叠时，电化学电池可以被布置成使得一个电化学电池的阳极侧面面向相邻电池的阴极侧面，或者使得一个电化学电池的阴极侧面面向相邻电池的阴极侧面并且一个电化学电池的阳极侧面面向相邻电化学电池的阳极侧面。

用于废水处理的模块500包括被浸没在反应器罐中的电化学电池的堆叠400，如在图9中的分解图中所图示的。具有与图8中所示的堆叠的设计相似的设计的堆叠400被容纳在反应器罐502内，使得堆叠中的电化学电池中的每个的电极被直接暴露于废水和污染物。模块500还包括设置有进料端口(feed port)(未图示出)和排气端口514的外盖504以及也设置有进料端口(未图示出)和排气端口516的内盖506，内盖和外盖两者在反应器罐502的上部部分均覆盖反应器罐502以容纳废水和堆叠400并且控制来自模块的排放物。模块500还设置有液位传感器508以确保当水位低于期望的阈值时停止堆叠操作，这为膜和电极系统提供保护免受电阻性烧坏(resistive burnout)和不均匀的水合。在反应器罐内，用于监测反应器罐内的水位的液位传感器508被容纳在管510内。模块500还设置有液位开关512，用于当罐内的液位达到预定的液位时停止废水流入反应器罐中。

在使阳极和阴极两者直接暴露于废水、更特别地直接暴露于含有氨的废水的电化学电池的堆叠中在个体电化学电池液位处发生的反应的示意性回顾中，阳极上的电化学氧化过程分为直接的、间接的表面介导的、和间接的二次氧化剂介导的氧化的类别，其中特定的反应取决于所使用的SPE的类型、催化剂的选择以及废水溶液的组成。正电荷载流子(carrier)使用阳离子SPE转移，而负电荷载流子使用阴离子SPE转移。在阳极侧面上，污染的废水被暴露于阳极催化剂层并且发生逐步氧化过程，其涉及直接的、间接的表面介导的或间接的二次氧化剂介导的氧化，分别地对于阳离子SPE如在反应式(Equation)1至反应式3中所示的以及对于阴离子SPE如在反应式6和反应式7中所示的。

对于基于阳离子SPE的电池，其中废水(例如具有氨污染物的废水)被暴露于阳极催化剂层，在阳极处发生逐步氧化过程，涉及如在反应式1中所示的直接氧化、或者如在反应式2(a)和反应式2(b)中所示的或者如在反应式3(a)和反应式3(b)中所示的间接氧化：

反应式1：氨的直接氧化(阳极半反应)：

反应式2：经由(a)由水产生羟基表面物质和(b)经由表面羟基物质氧化氨的氨的间接氧化(阳极半反应)：

(a)

(b)

反应式3：经由(a)由NaCl产生次氯酸盐物质和(b)经由次氯酸盐间接氧化氨的氨的间接二次氧化剂介导的氧化(阳极半反应)：

(a)

(b)

对于其中阳极半反应在反应式1或反应式2中示出的基于阳离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及由跨越SPE输送的质子直接产生氢气，如在反应式4中所示的：

对于其中阳极半反应在反应式3中示出的基于阳离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及经由跨越SPE的钠离子的输送直接产生氢氧化钠，如在反应式5(a)中所示出的。氢氧化钠然后经历在溶液中与阳极反应的产物的后续反应以再形成盐和水，如在反应式5(b)中所示出的。

反应式5：

(a)

(b)

可选择地，对于其中废水(在这种情况下为氨污染物)被暴露于阳极催化剂层的基于阴离子SPE的电化学电池，在阳极处发生逐步间接氧化过程，涉及羟基表面物质或次氯酸盐，分别如在反应式6和反应式7中所示出的：

反应式6：经由表面羟基物质的氨的间接氧化(阳极半反应)：

反应式7：经由(a)由跨越SPE输送的Cl离子产生次氯酸盐物质以及(b)经由次氯酸盐间接氧化氨的氨的间接氧化(阳极半反应)：

(a)

(b)

对于其中阳极半反应在反应式6中示出的基于阴离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及由水产生羟基电荷载流子和氢气，如在反应式8中所示出的：

对于其中阳极半反应在反应式7中示出的基于阴离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及由NaCl和水产生氯离子电荷载流子和氢气，如在反应式9中所示出的：

分别在反应式1至反应式3以及在反应式6和反应式7中示出的反应是阳极半反应，并且如本领域技术人员将已知的，在许多情况下，在反应中可以存在许多中间步骤，并且因此可以存在许多中间物质。然而，这样的中间物质也被氧化成最终产物，所述最终产物典型地包括用于含碳污染物的CO₂、用于含氮污染物的N₂以及用于含硫污染物的SO_x。

在阴极处，当与阴极催化剂层接触时污染物也可以被还原，并且这样的还原反应也可以有助于逐步去除废水污染物及在阳极处形成的其氧化中间化合物。

如在上述反应中看到的，在废水处理期间，在阳极和阴极两者处均产生气体，并且具有高浓度的污染物的废水可以产生大量的气体。在使用流动板的常规的废水处理系统中，在电化学电池操作期间产生的产物气体可以积聚在流场通道中，并且因此它们阻止废水进入到催化剂反应位点，产生电极失活的区域。

在本发明中，在阳极和阴极处产生的产物气体可以自由地流过在个体电化学电池之间的空间409，例如在图8中图示的，并且它们可以积聚在被设置在反应器罐502内的顶部空间中以随后被排出或捕获。在一些实施方案中，反应器罐可以包括再循环泵或搅拌机构或者可以使用产物气体来帮助在罐内混合废水。

废水处理系统可以包括多于一个模块500。污染的废水被储存在容纳罐中，污染的废水从容纳罐被泵送到模块500，污染的废水在模块500中被处理用于去除污染物。如果系统包括多于一个模块500，则模块500中的堆叠可以被串联或并联连接，如例如在申请人的共同拥有的美国专利公布号2015/0298998中所示出的。

在此提出的实施方案中，电化学电池100和300分别包括催化剂涂覆的膜(CCM)102和302。在可选择的实施方案中，当电化学电池被组装在一起时，阳极催化剂层和阴极催化剂层可以例如被沉积在开孔网格的面向膜的侧面上。此外，在其他实施方案中，当电化学电池被组装在一起时，阳极催化剂层可以被沉积在膜的一个侧面上并且阴极催化剂层可以被沉积在开孔网格的面向膜的另一侧面的侧面上；或者当电化学电池被组装在一起时，阴极催化剂层可以被沉积在膜的一个侧面上并且阳极催化剂层可以被沉积在开孔网格的面向膜的另一侧面的侧面上。在又另一个实施方案中，膜是阳离子固体聚合物电解质，由此反应式1、反应式2或反应式3中所示的反应可以在阳极处发生，并且反应式4或反应式5中所示的反应可以在阴极处发生，并且在其他实施方案中，膜可以是阴离子固体聚合物电解质，由此反应式6或反应式7中所示的反应可以在阳极处发生，并且反应式8或反应式9中所示的反应可以在阴极处发生。

电化学电池的阳极活性区域和阴极活性区域分别可以在从约5cm²至3,500cm²的范围内。

在所有的实施方案中，阳极催化剂和阴极催化剂可以包括各种催化剂材料，包括但不限于铂，包括铱、钌、铑、钯、钴、镍、铁和铁合金的铂衍生的合金，铜和铜合金，混合的金属氧化物，金刚石，和陶瓷衍生的催化剂。如本领域中已知的，使用负载型催化剂可以改善催化材料的分散，并从而提高利用率，并且某些催化剂和载体(support)之间的相互作用也可以提高催化活性和耐久性。可以与本发明中的催化剂材料的清单组合使用的催化剂载体的实例包括钛、铌、镍、铁、石墨、混合的金属氧化物和陶瓷。阳极催化剂和阴极催化剂还可以包括不锈钢或石墨。

还公开了用于操作本发明的电化学电池的方法。该方法包括以下步骤：

a.将污染的废水的流供应至电化学电池，例如供应至上述图1和图2中所示的电化学电池100或者供应至上述图5中所示的电化学电池300，由此电化学电池被浸没在类似于容纳污染的废水的反应器罐502的反应器罐中，并且废水被供应至电化学电池的阳极侧面和阴极侧面两者，

b.提供跨越电化学电池的电压，以及

c.操作电化学电池至预定的电流密度，从而降解废水中的污染物，

其中废水在压缩框架的压缩臂之间流动并且流动通过开孔网格的开孔以到达催化剂层并且以从而产生降解废水中的污染物的反应。

在电化学电池堆叠操作期间在预定的时间从容纳在反应器罐中的废水中取出样品，并且如果反应器罐中的取样的水满足预定的纯度值，则将水从反应器罐中移除到排出罐中。用于从反应器罐中取出水样品的预定的时间基于例如在实验测试期间针对特定的废水组成所获得的污染物去除速率，并且还取决于待被处理的废水的体积。可以通过泵送系统分别地完成废水和处理的水向反应器罐的供应和从反应器罐中的排出。

在优选的实施方案中，用于单个电化学电池的操作电压在约1.3V至约10V之间的范围，并且操作电流密度在约0.05A/cm²和约1.0A/cm²之间。

还提供了组装用于废水处理的电化学电池(如关于图1或图5所描述的电化学电池)的方法，并且该方法包括以下步骤：

a.提供固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质膜具有沉积在固体聚合物电解质膜的第一侧面上的阳极催化剂层和沉积在固体聚合物电解质膜的与第一侧面相对的第二侧面上的阴极催化剂层；

b.将第一开孔网格定位成邻近所述阳极催化剂层并且将第二开孔网格定位成邻近所述阴极催化剂层，其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中的每个包括平坦表面和从所述平坦表面凸起的压花表面；

c.将第一压缩框架定位成邻近第一开孔网格，并且将第二压缩框架定位成邻近第二开孔网格，压缩框架中的每个具有压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接并且在由框架的周边界定的区域内展开；

d.将紧固件插入穿过在第一压缩框架和第二压缩框架的压缩臂中在连接部位处设置的孔、穿过在第一开孔网格和第二开孔网格中设置的孔以及穿过固体聚合物电解质膜和阳极催化剂层和阴极催化剂层，以及

e.通过由紧固件提供的压缩力，在连接部位处压缩固体聚合物膜、第一开孔网格、第二开孔网格、第一压缩框架和第二压缩框架，

其中连接部位被分布在由框架的周边界定的区域内，以在电化学电池的由压缩框架界定的区域上提供基本上均匀的压缩力。

与来自现有技术的解决方案相比，用于废水处理的本电化学电池及操作本电化学电池的方法的优点很多。因为电化学电池不包含任何流场板，并且允许废水更容易地进出催化剂反应位点以及产物气体通过个体电池流向反应器罐的顶部，所以由于气体积聚引起的电极失活被基本上降低，这增加了在催化剂层的表面处的污染物的浓度，并且因此允许更高的电气系统效率和更高的污染物去除速率，并且消除了对高压泵送的需求。此外，本电化学电池的优点在于防止了由电化学电池的导电部件之间的意外连接引起的电气短路的风险。

下文的表1总结了用于处理废水以去除不同类型的污染物的本发明的电化学电池的性能。

表1.

注释：PGM代表铂族金属催化剂；EG代表乙二醇。相比之下，使用常规流场板的电化学电池的平均污染物去除速率对于氨为约6,000mg/m²小时，并且对于甲醇为约200,000mg/m²小时。

由于在电化学电池的外围处的常规压缩硬件已经被本发明的压缩框架替代，其中压缩臂和连接部位分别分布在电化学电池的整个阳极活性区域和阴极活性区域上，所以实现基本上均匀的压缩，这允许在约25微米至约50微米之间的一致的减小的电极间隙和与固体聚合物电解质接触的催化剂层的高表面积，这导致该架构的高的电气效率，该架构也可以被扩大至更大的电化学电池，这些电化学电池可以以在若干毫升至几千升之间的可变的流出物流量操作。

由于电气隔离是通过延伸超过催化剂层的活性区域的SPE膜的部分来完成的，因此在压缩框架之间不需要另外的隔离层，这消除了由于隔离层材料与正在被处理的废水的不相容性引起的先前的故障模式。

总体来说，由于去除流场板和气体扩散层，本系统具有低的操作成本、低的能量消耗、较低的电压操作以实现相同的污染物去除水平并且可以以可变的流出物流量操作。

2017年4月20日提交的美国临时专利申请序列第62/487,827号的公开内容以其整体并入本文。

虽然已经示出和描述了本发明的特定的要素、实施方案和应用，但是当然将理解的是，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，特别是根据上述教导做出修改。这样的修改将被视为在附于此的权利要求的权限和范围内。

Claims (33)

1.一种用于废水处理的电化学电池，包括：

a.固体聚合物电解质膜；

b.阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的第一侧面，所述阴极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的与所述第一侧面相对的第二侧面；

c.第一开孔网格和第二开孔网格，所述第一开孔网格邻近所述阳极催化剂层，所述第二开孔网格邻近所述阴极催化剂层；

d.第一压缩框架和第二压缩框架，所述第一压缩框架邻近所述第一开孔网格，所述第二压缩框架邻近所述第二开孔网格，所述压缩框架中的每个具有在由所述框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接；

e.紧固件，所述紧固件突出穿过在所述第一压缩框架和所述第二压缩框架的所述压缩臂中在所述连接部位处设置的孔、穿过在所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中设置的孔以及穿过所述固体聚合物电解质膜和所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层，

其中所述紧固件提供力以压缩在两个压缩框架之间的所述固体聚合物电解质膜、所述催化剂层和所述开孔网格，并且其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中的每个包括平坦表面和从所述平坦表面凸起的压花表面。

2.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格的每个压花表面包括压花区域，每个压花区域围绕在所述开孔网格中设置的孔。

3.如权利要求2所述的电化学电池，其中围绕所述开孔网格中的孔的所述压花区域包括凸起的平坦区域和倾斜区域，所述倾斜区域将所述凸起的平坦区域连接至所述开孔网格的所述平坦表面。

4.如权利要求3所述的电化学电池，还包括被放置在围绕所述第一开孔网格中的孔的压花区域和所述阳极催化剂层之间的间隔物和/或被放置在围绕所述第二开孔网格中的孔的所述压花区域和所述阴极催化剂层之间的间隔物。

5.如权利要求2所述的电化学电池，其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格的每个压花表面还包括横向压花区域，每个横向压花区域连接各自围绕孔的两个压花区域并且在组装的电化学电池中紧接所述压缩臂放置。

6.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述开孔网格的每个横向压花区域包括凸起的平坦区域和倾斜区域，所述倾斜区域将所述凸起的平坦区域连接至所述开孔网格的所述平坦表面。

7.如权利要求2或5所述的电化学电池，其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格的每个压花表面还包括外围压花区域，所述外围压花区域沿着所述开孔网格的周边被放置在所述开孔网格的外围，所述外围压花区域包括凸起的平坦区域和倾斜区域，所述倾斜区域将所述凸起的平坦区域连接至所述开孔网格的所述平坦表面。

8.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述固体聚合物电解质膜设置有孔以允许所述紧固件的穿透。

9.如权利要求8所述的电化学电池，其中所述开孔网格中的所述孔大于所述固体聚合物膜中的所述孔和/或所述压缩臂中的所述孔。

10.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述压花表面基于所述第一开孔网格和所述第二开孔网格的材料的弹性、基于由所述紧固件施加至所述组件的压缩力以及基于所述第一开孔网格和所述第二开孔网格的厚度来确定尺寸。

11.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述第一压缩框架包括在所述框架的一个侧面上的第一外围区域，并且所述第二压缩框架包括在所述框架的一个侧面上的第二外围区域，每个外围区域设置有至少一个孔，并且其中，在组装的电化学电池中，所述第一外围区域在与所述第二外围区域相反的方向上延伸，并且每个外围区域延伸超过相对的压缩框架。

12.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述间隔物由橡胶制成。

13.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极催化剂层被沉积在所述固体聚合物电解质膜的一个侧面上，并且所述阴极催化剂层被沉积在所述固体聚合物电解质膜的相对的侧面上。

14.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极催化剂层被沉积在所述固体聚合物电解质膜的所述第一侧面上，并且所述阴极催化剂层被沉积在所述第二开孔网格的面向所述固体聚合物电解质膜的所述第二侧面的侧面上。

15.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阴极催化剂层被沉积在所述固体聚合物电解质膜的所述第二侧面上，并且所述阳极催化剂层被沉积在所述第一开孔网格的面向所述固体聚合物电解质膜的所述第一侧面的侧面上。

16.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极催化剂层被沉积在所述第一开孔网格的面向所述固体聚合物膜的所述第一侧面的侧面上，并且所述阴极催化剂层被沉积在所述第二开孔网格的面向所述固体聚合物膜的所述第二侧面的侧面上。

17.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述固体聚合物电解质膜具有外围部分，所述外围部分延伸超过所述催化剂层并且在所述第一压缩框架和所述第二压缩框架之间突出以在两个框架之间提供电气隔离。

18.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述紧固件由非导电材料制成。

19.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述压缩框架由导电材料制成。

20.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述开孔网格由导电材料制成。

21.如权利要求20所述的电化学电池，其中所述开孔网格由金属材料或陶瓷材料制成。

22.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述固体聚合物电解质膜是阴离子固体聚合物电解质。

23.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述固体聚合物电解质膜是阳离子固体聚合物电解质。

24.一种用于废水处理的电化学电池的堆叠，包括至少一个如权利要求1所述的电化学电池。

25.如权利要求24所述的堆叠，其中所述电化学电池通过至少一个杆连接并且被定位成在两个相邻的电化学电池之间产生空间，所述空间允许产物气体在所述电化学电池之间流动。

26.如权利要求24所述的堆叠，其中一个电化学电池的阳极侧面面向所述堆叠中的相邻的电化学电池的阳极侧面。

27.如权利要求24所述的堆叠，其中一个电化学电池的阳极侧面面向所述堆叠中的相邻的电化学电池的阴极侧面。

28.一种用于处理废水的系统，包括至少一个如权利要求24所述的电化学电池的堆叠，所述堆叠被浸没在容纳待处理的废水的反应器罐中。

29.一种用于处理废水的系统，包括电化学电池的至少一个堆叠，每个堆叠包括至少一个被浸没在反应器罐中的权利要求11所述的电化学电池，其中在所述堆叠中的电化学电池的所述压缩框架的外围区域位于在所述反应器罐的相对壁中设置的槽中，以将所述电化学电池定位在与在任一侧上紧接所述电化学电池放置的电化学电池相距预定距离处，以从而在相邻的电化学电池之间产生空间，所述空间允许产物气体在所述电化学电池之间流动。

30.一种用于处理废水的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个如权利要求1所述的电化学电池，所述电化学电池被浸没在容纳待处理的废水的反应器罐中，

b.提供跨越所述电化学电池的电压，以及

c.以预定的电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物，

其中废水在所述压缩框架的所述压缩臂之间流动并且流动通过所述开孔网格以到达所述催化剂层并且产生降解所述废水中的所述污染物的反应。

31.如权利要求30所述的方法，包括提供跨越所述电化学电池的约1.3V至约10V的电压。

32.如权利要求30所述的方法，包括以在约0.05A/cm²至约1.0A/cm²之间的操作电流密度操作所述电化学电池。

33.一种组装用于废水处理的电化学电池的方法，包括以下步骤：

a.提供固体聚合物电解质膜、阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的第一侧面，所述阴极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的与所述第一侧面相对的第二侧面；

b.将第一开孔网格定位成邻近所述阳极催化剂层并且将第二开孔网格定位成邻近所述阴极催化剂层，其中所述第一开孔网格和所述第二开孔网格各自包括平坦表面和从所述平坦表面凸起的压花表面；

c.将第一压缩框架定位成邻近所述第一开孔网格，并且将所述第二压缩框架定位成邻近所述第二开孔网格，所述压缩框架中的每个具有压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接并且在由所述框架的周边界定的区域内展开；

d.将紧固件插入穿过在所述第一压缩框架和所述第二压缩框架的所述压缩臂中在所述连接部位处设置的孔、穿过在所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中设置的孔以及穿过所述固体聚合物电解质膜和所述阳极催化剂层和所述阴极催化剂层，以及

e.通过由所述紧固件提供的压缩力，在所述连接部位处压缩在所述第一压缩框架和所述第二压缩框架之间的所述固体聚合物膜、所述第一开孔网格、所述第二开孔网格，

其中所述连接部位被分布在由所述框架的周边界定的区域内，以在所述电化学电池的由所述压缩框架界定的区域上提供基本上均匀的压缩力。