TWI359523B - Electrochemical cell - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種電化學電池，其至少係由 ，陽極半電池、—帶有陰極之陰極半電池和配 半電池與陰極半電池之間的離子交換薄膜所組成’其中 極及/或陰極為氣體擴散電極。本發明進—步係^一 電解鹼性氣化物之水溶液的方法。 楂 【先前技術】 W0 01/57·揭示-種帶有氣體擴散電極之電 池’其中在氣體擴散電極與離子交換薄膜之間的間隙被供 以多孔層。在重力作用τ ’電解質由上向下流動，經由多' 孔層穿過間隙。根據WO-A 01/57290之多孔層可由泡 體、金屬線網或類似物所組成。 θ ' US 6，117,286同樣描述一種帶有氣體擴散電極之電 電池，用以電解氯化鈉溶液，其中一層親水性材料位於 體擴散電極與離子交換薄膜之間的間隙中。該層親水性材 料較佳具有多孔結構，其包含一耐腐蝕之金屬或樹脂。金 屬網、編織織物或泡沫體可被用作多孔結構。氫氧化納了 電解質、在重力下向下流動，經由親水性材料層至電解電 池底部。 EP-A 1 033 419進-步揭示一種帶有氣體擴散電極作 為陰極之電解電池，用以電解氣化鈉溶液。在陰極半電池 中（其中電解質（其藉氣體擴散電極與氣體空間分離)向下流 動），被提供親水性、多孔性材料，其間有電解質流過。 可思及之多孔性材料為金屬、金屬氧化物或有機材料，前 提是彼等為财腐姓的。 於此技藝中已知之帶有氣體擴散電極之電解電池中， 由於多孔性材料之故，並未確保在氣體擴散電極與離子交 換薄膜之間的間隙可完全被電解質填滿。這是不利的，因 為在間隙中必然會形成有氣體存在及蓄積之區間。在此等 區間中沒有電流流動。電流專門流過間隙中充滿電解質之 區間，導致較高之局部電流密度，這將產生一種較高的電 解電壓。若氣體收集於離子交換薄膜上，結果是薄膜不再 完全濕潤且可能因缺乏電解質而受損。 另外，多孔層有其缺點，即任何已進入多孔結構之氣 體反而很困難地再次返回。氣體可蓄積在多孔層内，所以 產生上述之缺點。在操作環境下，由氣體空間而來之氣體 亦由氣體空間出來通過氣體擴散電極而進入間隙。氣體擴 散電極另具有在未濕潤點容許增加量之氣體通過的傾向， 所以可增強作用。 【發明内容】 因此，本發明之目的在於提供一種可避免習知技藝缺 點之電解電池。 本發明提供一種電化學電池，其至少係由一帶有陽極 之陽極半電池、一帶有陰極之陰極半電池和配置在陽極半 電池與陰極半電池之間的離子交換薄膜所組成，陽極及/ 或陰極為氣體擴散電極且安排出一介於氣體擴散電極與離 子交換薄膜之間的間隙’在間隙上方之電解質進料口與在 間隙下方之電解質流出口帶有氣體入口及氣體出α，其特 徵在於電解質進料口與電解質容納槽連接且包含溢^件 (overflow) 〇 當根據本發明之電化學電池在運作中時，電解質在介 於氣體擴散電極與離子交換薄膜間之間隙中由上向下地流 過半電池。因此，在根據本發明之電解電池中有一在間 隙上方之電解質進料口與在間隙下方之電解質流出口。此 完全充滿流動之電解質。在氣體擴散電極後方之半 空間’亦即在遠離(_te)離子交換薄膜之氣 ，由氣體入口被供應至氣體空間且經:氣體二 整個Him㈣上方形成水平通道，該通道延伸 下，電解^田之寬度。在通道型電解質進料口之辅助 1而致地由上方被供應遍及整個寬度，而 擴散電極與離子交換薄膜之間的間隙。為此 、、也運2 料口例如有無數面财之孔σ，當電解電 孔口流入間隙。可提供狹長型或細 質經由電解m二二其延伸過整個間隙寬度。電解 = Γ浸潰於電解質收集槽中，為的是要避免 質收集槽在電池間不受控制地流動（於複數 1359523 電解電池被連接在-如形·㈣之情況下）。 根據本發明之電化#電池亦已 池。其之簡易的操作相當依賴於是否提供電極有 =;在電解電池的情況中二二 散電極被用作電極，則由氣體空間而來 交：C體擴散電極進入介於氣體擴散電極與離子 隙，、ίΐί的間隙。其必須儘可能確實地將氣體排出間 、，，必須避免間隙中之任何氣體的蓄積。 於氣體擴散電極有一致的電解質供應量（其在介 擴政電極與離子交換薄膜之間的間隙中由上方向下 於根據本發明之電解電池中，藉由電解質進料 具體2 槽連接且具有溢流件予以達^於一第一 15 财’電解質容納槽較佳被安置於電解質進料口 容細播^ 200公分處。當電解槽為在運作中時，電解質由 口;：中流出而進入電解質進料口。電解質由電解質進料 =經由狹長孔口進入介於氣體擴散電極與離子交換薄 眠义間的間隙。 質推ί又r具體實施例中’電解質容納槽經由一栗與電解 可安;罢I連接。於此具體實施例中，電解質容納槽原則上 =置在任何期望位置，例如，在電化學電池之下方。藉 料^。輔助’電解質在所欲之進氣壓力下被哪入電解質進 電解質容納槽原則上可在任何期望點與電解質進料口 20 連接，因此例如在電解質進料口之尾端。 若兩或多個根據本發明之電解電池被連接以形成—電 解器’則可使用單一電解質容納槽以供應電解器之所有的 電解電池。替代的方式是，各電解電池可配設有個別之容 納槽。 根據本發明，電解質進料口具有溢流件。溢流件較佳 -、有0至19〇公分之高度，特佳在進入間隙之入口上方1 至190公分。原則上’溢流件高度可低於1公分；於此情 =下，溢流件為與進入間隙之入口相同高度。溢流件確保 二，解電池於運作時，某量之電解質經常蓄積於電解質進 口。有關溢流件高度之決定性因素為溢流件引起某量之 ^解質堆積於電解質進料口，其足錢供_在其之整個 寬，上有連續之電解質供應。為此目的，電解質以實質正 15 ，里由#納槽流出而進人電解質進料口，使溢流件正好溢 =可在連接電解質容納槽與電解質進料口之供應管線中 ，供㈤膜（例如以有孔盤形式）或類似物。電解 =電解質進料口之有目的的溢流使其可以電解質一致地 :.、、間隙’遍及電極之整個寬度並確實地由間隙排氣。溢 20 、:防止電解質進料口中之電解質量下降過多，而導致電解 ^下降薄膜在_中破裂。尤其，溢流件進—步確保由 :隙產生而進入電解質進料口之氣泡與電解質-起被輸送 離開》 溢流件原則上可位在沿著電解f進料口之任何期望 點，其可被提供例如於電解質進料口之一末端。 -9 . 溢流件可例如採用溢流通道之形式。此一溢流通、首。 被安置於陰極半電池之外侧或内側。過量之電解質（=可 會向下流入間隙）由電解質進料口流出而進入溢流通、首不 並由溢流通道自電解電池排出，進入電解質收集槽。^ 通道例如可採用蛇管或管之形式，選擇性地帶有一有 臈或類似物。溢流通道被例如引導向下。該通道可被構5 例如為U形通道，使過量之電解質先充填與電解質進料f 連接之U形溢流通道之一腳’然後經由第二腳流出。 若溢流通道為尚上引導（例如U形）者，則介於向上 引導之溢流通道之上部頂點與電解質進料口之間的言戶 (後文表示為g)較佳為〇至190公分，特佳為1至 公分。同樣類似地適用於任何溢流件形狀。 於又一具體實施例中’溢流通道亦可被構成為一種在 電解半電池内之立管或垂直軸、通道或類似物。過量之電 解質藉此方式由電解電池排出並予以引導例如進入—收集 槽中。進入立管之入口較佳在間隙之高度以上1公分，使 間隙就整個電池寬度均可被一致地供應。 經由溢流件排出之電解質較佳被引導進入一收集槽 中。此例如可藉一配置在電解電池外側之通道（例如一蛇 管或管），收集槽可與容納槽連接則使電解質可由收集槽 被唧入容納槽且被重覆供應至電解電池。 由容納槽流動進入電解質進料口之電解質之量視介於 在谷納槽中之電解質液面與在電解質進料口中之液面之間 的高度差而定。依此方式所定義之高度差於後文被表示為 丄妁9523 咖斷•定，其 槽卿入電解質進料口，被==進=質由容納 之量視栗之傳送壓頭h而定電㈣進如中之電解質 地^根據本發明之電解電池之又—具體實施例中，另外 外：：了向上引導之溢流通道或立管、軸、通道或類似物 暂J/、亦可提供—種實質上水平之溢流通道。過量之電解 質由此—水平配置之溢流通道而自電解電池排出。 10 15 如果添加之電解質多於經由例如u形溢流通道及間隙 可流出者，則在間隙上方之通道形電解質進料口卜電解 質之愿^會增加。在電解質進料口中之壓力可藉選擇溢流 通道之尚度g予以調整。在一較高壓力下，更多之電解質 2通過間隙。於此方式中，間隙可在不同電流密度下被曝 路於不同量之電解質中。這是有利的，舉例來說，如果在 兩電流密度下’電解質將被高度濃縮，其可能會導致離子 交換薄膜損害。然而，若電解質在較高體積流速下通過間 隙’則可予以避免。在電解質進料口中之壓力可有目的地 藉改變相互之高度差之比例，亦即h對g之比例，予以調 整。必須小心確定g為低於或等於h。 根據本發明之電解電池之優點在於，由於自由溢流件 之簡單原理’可一致地供應介於氣體擴散電極與離子交換 薄膜之間的間隙，且確實地由間隙排出氣體。再者，在間 隙中之流速可藉溢流件直接予以控制。此外，亦町避免在 介於氣體擴散電極與離子交換薄膜之間的間隙中之麼力的 .11 - 20 動態增加，J: f + A g u p兩/、對軋體擴散電極是有害的，且可处> me,, 如在無電解質推把 j此起因於例 接供應電解質所致。 卜，错由泵直 容器（亦氧空氣（後文為簡化起見稱為氧）由一 應而進人體收集槽，較佳在氣體空間下方）被供 經由-氣體八^擴散電極之半電池之氣體空間。供應物 之啓個官许刀官作為氣體入口一致地前進而遍及半電池 立X任何未消耗之氧經由一氣體出口由在半電池 之上方冲刀之氣體空間排出。另外，氣體亦可被供應於上 部且在電解半電池之下部排出。 、 於一第一具體實施例中，氣體出口與電解質容納槽連 接’使電解質容納槽同時充作過量氧之氣體收集槽。於此 情況中’使未消耗之氧經由氣體管線（作為氣體出口）通 過氣體空間而至電解質容_，氣體管、雜佳被沒入電解 質之液面以下。若氣體管線被浸入電解質容納槽中且電解 質排放官線亦同時被浸入電解質收集槽中，則氣體管線被 浸入於電解質容納槽中者必須不比氣體排放管線被浸入收 集槽中者深。過量氧可被循環以有最佳利用。 此較佳具體實施例（其中電解質容納槽同時充作一氣 體收集槽）具有之優點為對氧及電解質而言僅需要一個容 納槽。然而，亦可對氧及電解質各自提供一獨立之容器。 於此情況+，電解質容納槽亦可被配置在電解電池之下 方，其中電解質藉一泵由電解質容納槽被傳送進入電解質 進料口，前提是過量之電解質可自由地經由溢流通道流動 -12 - 1359523

ίο 15

20 (藉由在溢流通道中之自由容量之證實^。 於另一具體實施例中’氣體出口與氣體收 且氣體空間與間隙隔離。此意味著即使在氣體二槽連接， (於該處電解質由間隙流出），電解質無法空，之下部 並於其間蓄積。氣體空間例如可藉一平;te 入氣體空間 T炊Q例如 與間隙隔離。於此具體實施例中，氣體收集样m屬敬； 集槽，過量之氧經由一作為氣體出口之氣體别之收 中。依此方式，氧壓可予以調整，不受間隙中I、厂進入其 所支配。於此具體實施例中，氣體空間在其下端有排 於一較佳具體實施例中’在間隙中提供一槽板。槽板 防止電解質在間隙中自由下降，使得流速相對於自由^體 為降低。然而，同時’檔板必須不能導致間隙中之電解質 堆積。檔板係經選擇，以致能補償間隙中之流體靜力之液 體管柱(hydrostatic fluid column)之壓降。槽板之實例可由 WO 03/042430 及 W0 01/ 57290 獲知。 槽板亦可由薄板、薄膜或類似物所組成，其包含孔口 以容許電解質流過。彼等之配置橫向（亦即垂直或傾斜） 於間隙中之電解質之流動方向。平板型之檔板較佳相對於 水平面而傾斜，其中彼等傾斜於單一韩線或兩軸線。若樓 板對流動方向傾斜配置，則彼等可傾斜於離子交換薄膜之 方向及於氣體擴散電極之方向。檔板可另外傾斜蓋過電化 學電池之整個寬度。 本發明亦提供一種於根據本發明之電化學電池中電解 .13 - 1359523 鹼性南化物水溶液之方法。此方法不 過量由電解質容納槽被供應至電解質進料口，電電 間隙及由間隙進入電解質流出口並經由溢 流件由電解質進料口流出。 ^本發明目的而言，在電解質進料 =著電解質進料口之整個寬度持續-致地被填充= 薄膜。因此，當電解電浈左、宙^_〇士 饥具兄电解負 間隙流出，但在電解質進料在口運中作之 同時持續存在’遍及整:電二之二 電解質不僅經由間隙，亦 ： >果某董之 口者，這是最容易被確定的 4持續流出電解質進料 、、’·！由溢流件排出之過量電 (順，尤佳為U20體積％。較佳為〇.5至30體積 15 供無故障操作之下降_薄膜電 解 僅視下降·薄膜電池之設計而定，而不是;，2質 度而定，這是重要的特徵 ^電“ 開始時僅須被調整一欠，且^L電解質過置在電解運作 運作所ίΓζ彡轉，使得供電解電池之最適 運作所3之電解質濃度在間隙中被建立。 中至:據=月之電化學電池可供不同電解過程使用，其 -降搞電極為氣體擴散電極。氣體擴散電極較佳充作 =體為特佳作為一耗氧陰極，其中被供應至電化學電池 =為-含氧氣體（例如空氣）、富氧空氣或氧本身。 據本發明之電池較佳被用於鹼性齒化物（特別是氣化鈉） 20 1359523 水溶液之電解。 在氣化鈉水溶液之電解情况 10 15 下列結構：氣體擴散電極至少係’氣體擴散電極為例如 塗覆物所組成。導電支標較佳二由導電支_及電化學活性 鑛銀之錄）所製成之網、紡織=金屬（尤其是鎳、銀或 泡沫體。電化學活性塗覆物係由編Φ、編織或非織織物或 化銀(1))，及-種黏著劑（例如ί少1催化劑（例如氧 成。電化學活性塗覆物可包含—广氟乙稀(PTFE))所組 f體擴散層，例如由碳二=層。可額外提供一種 敷至支撐上。 虱乙烯所組成者，其係被塗 由鈦所製成之電_ 釕-銥-鈦氧化物或舒 皮用作陽極，該電極以例如 習知脔腺-鈦氧化物予以塗覆。 NX20K)，可用作離子交^自杜邦DuP⑽）’如Nafion® 根據本發明之雷乂、'膜。 在氣體擴散電極與2電池（其適合氯化納水溶液之電解） 佳為0.2至5毫米4交換薄膜之間具有間隙，其寬度較 特佳為0.5至3毫米。 實施方式】 =參照附隨之圖式更詳細地說明如下。 縱載本料之電化學電池之—具體實施例之 流入帶有氣體擴敢m容納槽7經由電解質進料管線8 料口 10。電解質容細扭（圖2)之電解半電池之電解質進 辦槽7被配置在電解質進料口 1〇之上 20 方。電解質進料Π 1G縱向流動遍及随n (圖2)上 電解半電池之整個寬度。在容_ 7中之液面與在 進料口1G之_之_高度差敎為h。 質 電解質經由電解質進料口 10-致地流過電解半電池之 個寬度，由上方進入間隙11 (圖2) »於間隙U中，電 解質向下流人電解質流出口 2G (圖2)，及由電解質流出 電解f #放管線15進人祕質㈣槽14，且該 質流出口 20係通向氣體空間5(圖2卜 之金= 實施例中，氣體空間5藉-作為隔離物 =氧容器(未顯示）（其不同於容器7)連接下1調 心極隙11中之壓力狀況所支配’及建立氣體 2電極之最仙作條件。流出開Π (未顯示）可排放任 何在乳體擴散電極之反面上所產生之凝結物。 根據本發明，電解半電池包含—溢流通道13 (歸所 rtrjr為㈣）’其中υ-形通道之頂▲指向 ΐ ，提供—額外之溢流通 k 12其實質為7jc平配置。過量之電解質（在間隙η中 不會==流通道12流入副通道21，其被配置實 質上賣直於電解半電池之侧並向下排出過量之電解質。過 量之電解質被收集於電解質收集槽14中。 un之過量太大，使其無法僅經由間隙11及溢 流通道12捕出，則一部分之電解質流出，㈣a形溢 流通道13向下進人副通道21。介於溢流通道13之頂點與 1359523 在電解質進料口 10中之液面之間的高度差被定為g。 在間隙11之下方，具孔口 19之氣體配送管18同樣沿 著電解半電池縱向流動，氧由氣體容納槽17流經該開口進 入電解半電池之氣體空間5。氣體配送管18藉此形成進入 5 電解半電池之氣體入口。未消耗之氧可經由一作為氣體出 口之氣體管線9離開氣體空間5並流入電解質容納槽7 中。於所示之具體實施例中，電解質容納槽7同時充作氣 ^ 體收集槽。 於根據圖1之具體實施例中，另提供一泵30，其由收 ίο 集槽14泵送電解質進入電解質容納槽7。 圖2顯示根據圖1之電解電池之橫截面。其係由一帶 有陽極6之陽極半電池1與一帶有氣體擴散電極4作為陰 極之陰極半電池22所組成。兩個半電池1、22藉離子交換 薄膜3互相分離。間隙11位在離子交換薄膜3和氣體擴散 15 電極4之間。氣體空間5被配置在氣體擴散電極4之後方。 氣體空間5藉此形成在氣體擴散電極4後方之背後空間。 ^ 如圖2所示，電解質由電解質進料口 10流入間隙11， 並由間隙11進入電解質流出口 20，一直到經由電解質排 放管線15通過之電解質最後被收集於電解質收集槽14為 2〇 止。經由氣體配送管18流入氣體空間5之氣體可經由氣體 出口 9流入在電解電池上方之電解質容納槽7。一金屬板 23分隔氣體空間5與電解質流出口 20。 -17 - 1359523 【圖式之簡單說明】 圖1 為根據本發明之電解電池之一具體實施例之縱 截面示意圖。 圖2 為圖1之根據本發明之電解電池之橫截面示意 圖。 【主要元件符號說明】

1 陽極半電池 3 離子交換薄膜 4 氣體擴散電極 5 氣體空間 6 陽極 7 電解質容納槽 8 電解質進料管線 9 氣體管線 10 電解質進料口 11 間隙 12 ； 13 溢流通道 14 電解質收集槽 15 電解質排放管線 17 氣體容納槽 18 氣體配送管 19 孑匕口 -18- 1359523 20 電解質流出口 21 副通道 22 陰極半電池 23 金屬片 30 泵

Claims (1)

1. 公告本I 專利申請案第94丨丨丨922號 ^ ^ ^aten! ΑΡΡ,Π· No. 941! 1922 後無勤線申請專利範团替換本-附件(二） 一 A^£ndcd Claims in Chin^-Fncl ΠΠ

   1359523 . . » ✓ -Λ 十、申請專利範圍：

   10. 】5

   ,種電化學電池，其至少係由一帶有陽極(6)之陽極半 電池（1)、一帶有陰極(4)之陰極半電池(22)和配置在陽 極半電池（1)與陰極半電池(22)之間的離子交換薄膜(3) 所組成’陽極(6)及/或陰極(4)為氣體擴散電極且配置 一介於氣體擴散電極(4)與離子交換薄膜(3)之間的間 隙（11)，在間隙（丨丨）上方之電解質進料口（1〇)與在間隙 (Η)下方之電解質流出口（2〇)帶有氣體入口（18)及氣體 出口（9) ’其特徵在於電解質進料口（10)與電解質容納 槽(7)連接且包含溢流件。 2.如申請專利範圍第1項之電化學電池，其特徵在於電 解質容納槽(7)被配置於電解質進料口（1〇)上方30至 200公分處。 3. 如申請專利範圍第1頊之電化學電池，其特徵在於電 解質容納槽(7)經由一泵與電解質進料口（10)連接。 4. 如申請專利範圍第1炱3項之任一項之電化學電池， 其特徵在於溢流件之高度總計為0至190公分。 5·如申請專利範圍第1或2項之電化學電池，其特徵在 於溢流件採用溢流通道（12 ; 13)之形式。 6.如申請專利範圍第1戒2項之電化學電池，其特徵在 於溢流通道為一 U-形通道（13)，其頂點指向上方。 7·如根據申請專利範圍第1或2項之電化學電池，其特 徵在於溢流通道採用；管或坑道(shaft)之形式。 8.如根據申請專利範圍第1或2項之電化學電池，其特 • 2〇 _ 一哪 20 135.9523 徵在於氣體出口（9)與電解質容納槽(7)連接。 9. 如申請專利範圍第1或2項之電化學電池，其特徵在 於氣體出口（9)與氣體收集槽連接，且氣體空間（5)與間 隙（11)隔離。

   10. —種於如申請專利範圍第1至9項之任一項之電化學 電池中電解一鹼性鹵化物水溶液之方法，其特徵在於 電解質由電解質容納槽(7)被過量供應至電解質進料口 (10)，電解質由電解質進料口（10)流入間隙（11)且由間 隙（11)流入電解質流出口（20)，及由電解質進料口（10) 經由溢流件流出。 11.如申請專利範圍第10項之方法，其特徵在於電解質之 過量總計達0.5至30體積％，較佳達1至20體積％。 -21 ·