氣體擴散電極到具有滲濾器技術的電化學電池內的選裝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種電化學電池，其包括：正極半殼（12）和負極半殼（11），它們通過膜片（5）彼此分離，具有相應的電極；而且所述正極半殼（12）和所述負極半殼（11），它們分別具有外壁（13），而且該正極半殼和負極半殼分別在兩個半殼的接觸區域中具有框架式構造的法蘭區域（14a，14b，15a，15b）；和氣體擴散電極（3），該氣體擴散電極包括液體能穿透的支架，該支架涂覆有催化劑材料，氣體擴散電極（3）在其下邊緣（17）處具有未涂覆催化劑的區域，該未涂覆催化劑的區域在電化學電池的下端部（16）在兩個半殼的接觸區域中伸到負極半殼的外壁的法蘭區域（15b）與正極半殼的外壁的法蘭區域（14b）之間，而且多孔媒質（8）并行地設置在氣體擴散電極（3）與膜片（5）之間，以及用于引入氣體的設施和用于引出氣體的設施（20，21）以及用于引入電解液的設施和用于引出電解液的設施（9，10），其中，氣室（22）通過相應的機構（23）而與電解液室（7）隔開。特別地本發明的特征在于：在負極半殼（11）中的電解液室（7）內設置有成型嵌入件（1），氣體擴散電極（3）的上邊緣（19）伸入到這些成型嵌入件內，在所述上邊緣上安置有密封件（2），該密封件將氣體擴散電極（3）固定在成型嵌入件（1）內，其中，氣體擴散電極（3）具有相對張緊的該氣體擴散電極的豎直線＜90度的彎曲范圍α。
【專利說明】氣體擴散電極到具有滲濾器技術的電化學電池內的選裝
【技術領域】
[0001]本發明可以分類在電化學儀器的【技術領域】中。
[0002]本發明涉及一種在權利要求1的前序部分中加以描述的電化學裝置。其中的裝置是指在其內進行電化學反應的裝置，如在電解裝置、電池、蓄電池或燃料電池中進行的那樣。
【背景技術】
[0003]例如在電解時，電能轉換為化學能。這是在電流的作用下通過化學化合物的分解得以實現的。用作電解液的溶液含有帶正電荷的和帶負電荷的離子。因此作為電解液主要采用酸、堿或鹽溶液。
[0004]例如在從水狀的堿金屬鹵化物溶液一此處以氯化鈉示出一中電解制造鹵素氣體時在正極側產生如下反應:
[0005]4NaCl — 2Cl2+4Na++4e_
[0006]變得自由的堿離子到達負極并且與那里產生的氫氧化物離子構成堿液。另外構成
氫氣: [0007](2 ) 4H20+4e — 2H2+40H
[0008]在此，產生的堿液通過陽離子交換膜而與被引向正極側的堿金屬鹵化物分開并且通過這種方式彼此分離。這樣的膜片屬于現有技術并且在市場上可以從不同的供應商處獲得。
[0009]在上述反應過程中產生的正極處的標準電勢(Standardpotential)在生成氯的情況中為+ 1.36V，其中，在上述反應過程中負極處的標準電勢為-0.86V。例如由W098/55670已知了一種這樣的電池設計。由這兩個標準電勢的差引起極大的能量輸入，為了實施這些反應所述極大的能量輸入是必要的。為了將這個差值最小化，現在將氣體擴散電極(以下縮寫為⑶E)安裝在負極側上，使得氧通過這個系統輸入并且由此造成在負極處不再進行反應(2)，而是如下反應:
[0010](3 ) 02+2H20+4e — 40H
[0011]在此，氧可以作為純氣體或通過空氣輸入。由此如下地產生基于利用氣體擴散電極的氯堿電解的整個反應:
[0012](4) 4NaCl+02+2H20 — 4Na0H+2Cl2
[0013]由于反應(3)的標準電勢為+0.4V,與傳統的生成氫的電解相比，⑶E —技術產生明顯的能量節約。
[0014]多年以來氣體擴散電極就應用在電池、電解裝置和燃料電池中。在這些電極內部，電化學轉換僅僅在所謂的三相邊界(Dre1-Phasen-Grenze)處發生。氣體、電解液和金屬導體互相聚集在一起的區域被稱為三相邊界。為了使GDE有效地工作，金屬導體應該同時是用于所期望的反應的催化劑。堿性系統中的典型的催化劑為銀、鎳、二氧化錳、碳和鉬。為了使催化劑特別有效，它們的表面必須大。這通過具有內表面的精細的或多孔的粉末得以實現。
[0015]米用這樣的氣體擴散電極時的問題，如由US4614575公開的那樣，由于如下原因而產生:電解液由于毛細作用而滲入到這些微孔結構中并且將這些微孔結構填滿。這個作用的結果是氧不再能通過孔滲出，因此預期的反應停止進行。
[0016]為了使三相邊界上的反應能夠有效進行，必須通過相應地選擇壓力比來避免上述問題。在靜止的液體中形成液柱，如這在電解液溶液的情況中那樣，例如造成了:柱的下端部處的靜壓壓力最大，這將增強上面介紹的現象。
[0017]如在有關的文獻中可以看到的那樣，這個問題以降膜蒸發器的形式得以解決。在此，使電解液一例如氫氧化鈉溶液NaOH或鉀堿液KOH —在膜片與GDE之間流過多孔媒質，通過這種方式阻止形成靜壓柱。人們也稱之為滲濾器技術。
[0018]在W003/42430中對一種這樣的電解電池進行了描述，該電解電池將這個原理用于伴隨有耗氧反應(Sauerstoffverbrauchsreaktion)的氯堿電解反應。在此,氧通過氣體擴散電極而與多孔媒質分開并且被擠壓穿過有傳導能力的支撐結構和帶有多孔媒質一滲濾器一的有傳導能力的、柔性的彈簧元件。
[0019]例如在DE102004018748中也出現了這樣的原理。此處介紹了一種電化學電池，該電化學電池包括至少一個具有正極的正極半電池、一個具有負極的負極半電池和一個設置在正極半電池與負極半電池之間的離子交換膜，其中，正極和/或負極是氣體擴散電極，在該氣體擴散電極與離子交換膜之間設置有間隙，在該間隙上方設置有電解液流入口而在該間隙下方設置有電解液流出口以及設置有進氣口和出氣口，其中，電解液流入口與電解液容器相連接并且具有溢流口。
[0020]但是氣體擴散電極在所`介紹的電解裝置中的應用不僅僅具有能夠實現催化的耗氧反應的目的。此外，電極還應該保障在GDE的兩側的電解液與氣體的分開。為此，由于所選的固定方法而強制性地需要氣體擴散電極的氣密的或者液密的密封，以便在電解液進入電池之后特別保障電解液按規定沿著氣體擴散電極被引導而且不經過非密封的區域并且由此不經過到電解液出口的備選的路徑而從電化學電池中流出而且由此不用于反應。
[0021]因為氣體擴散電極遭受老化過程并且由此遭受磨損，所以這些氣體擴散電極在一定的運行時間之后必須被更換。現有技術規定:氣體擴散電極焊接在負極半殼內，這使得更換很昂貴。
[0022]這例如在DE10330232A1中實施。此處介紹了一種電化學半電池，在該電化學半電池中，⑶E具有未涂層的邊緣區域，該邊緣區域與一保持結構相連接，該保持結構設有導電板。因為可能損傷滲濾器材料和封鎖通過滲濾器的電解液流，所以GDE的這樣的、同時實現對電解液室相對氣室的密封的固定在與滲濾器的相互配合中更確切地說是不利的。另外，在這類設置結構的組裝中必要的是:GDE在電化學電池的整個寬度上被絕對均勻地推到導電板3之下，這是因為否則的話電板使并行設置的滲濾器的自由液體橫截面不統一地變化，這樣電化學電池的完美的運行所需的液體的均勻分布得不到保障。在這樣的結構中保障這一點是非常困難的。
[0023]在DE10152792中對氣體擴散電極的一種備選的固定可能性進行了闡述。此處介紹了如下的方法:借助折邊咬合式環繞的框架使氣體擴散電極與電解裝置的基本結構相連接。作為純的夾緊方法，這個方法在可更換性方面優于在DE10330232中所介紹的方法。但是因為在這種情況中為了將歐姆損失最小化也通過焊接或釬焊方法來實施框架與基本結構的連接，所以由于焊接區域既保持存在困難的可更換性，還保持存在活性的電解面的損失。
【發明內容】
[0024]因此本發明的目的是，提供一種氣體擴散電極在電化學電池中的備選的固定可能性，這種固定可能性保障簡單的安裝和拆卸，該固定可能性使氣室相對電解液室充分密封并且在該固定可能性中盡可能大的電極面可以活性地用于電化學反應。
[0025]這個目的通過一種電化學電池得以實現，該電化學電池包括:正極半殼(12)和負極半殼(11)，它們通過膜片(5)彼此分離，具有相應的電極，而且正極半殼(12)和負極半殼
(11)分別具有外壁(13)，它們分別在兩個半殼的接觸區域內具有框架式構造的法蘭區域(14a，14b，15a，15b);和氣體擴散電極(3)，該氣體擴散電極包括液體可穿透的支架，該支架涂覆有催化劑材料，其中，氣體擴散電極(3)在其下邊緣(17)處具有未涂覆催化劑的區域，該未涂覆催化劑的區域在電化學電池的下端部(16)在兩個半殼的接觸區域中伸到負極半殼的外壁的法蘭區域(15b)與正極半殼的外壁的法蘭區域(14b)之間，而且多孔媒質(8)并行地設置在氣體擴散電極(3)與膜片(5)之間；以及用于引入和引出氣體的設施(20，21)和用于引入和引出電解液的設施(9，10)，其中，氣室(22)通過相應的機構(23)而與電解液室
(7)隔開。
[0026]特別地，本發明的出眾之處在于:在負極半殼(11)中的電解液室(7)內設置有成型嵌入件(Profileinbauten) (I),氣體擴散電極(3)的上邊緣(19)伸入到這些成型嵌入件內，在所述上邊緣上安置有`密封件(2)，該密封件將氣體擴散電極(3)固定在成型嵌入件
(I)內，其中，氣體擴散電極(3 )具有相對張緊的該氣體擴散電極的豎直線< 90度的彎曲范圍a。
[0027]通過根據本發明的在電解電池內的這種固定，氣室(22)通過氣體擴散電極(3)的彎曲而相對電解液室(7)被充分密封。另外保障了成型嵌入件如下地構造，即，它不損傷用作滲濾器的多孔媒質(8)。因為可以完全放棄用于固定電極的、要求耗費昂貴的拆卸的方法如焊接，所以也保障了簡單的膜片更換。
[0028]在有利的設計中，氣體擴散電極(3)的伸入到負極半殼(11)的成型嵌入件(I)內的上邊緣(19)具有相對張緊的該氣體擴散電極的豎直線55至75度的彎曲范圍a。
[0029]可選地，在氣體擴散電極(3 )的借助密封件(2 )固定在成型嵌入件(I)內的上邊緣
(19)之下設置有另外的層，其中，該另外的層優選由與所述氣體擴散電極相同的材料構成。這個層可以有利地理解為氣體擴散電極的另外的具有或沒有涂層的部分，該部分為了進一步穩定和密封而被推到原來的氣體擴散電極之下。
[0030]根據本發明可能的是:負極半殼(11)的成型嵌入件(I)具有任意的幾何形狀，并且優選具有V形或梯形形狀，特別優選具有U形形狀。
[0031]有利的是:在成型嵌入件(I)中設置在氣體擴散電極(3)的上邊緣(19)上的密封件(2)是空腔式密封件。在優選的實施方式中，這些密封件(2)由直到約100°C的溫度耐堿和耐氧的材料構成。
[0032]另外，本發明還要求保護根據本發明的電化學電池的應用可能性。首先，電化學電池應該用在電化學組塊(elektrochemischer Block)中，在該電化學組塊內堆疊狀地設置大量的電化學電池。
[0033]電化學組塊理解為一種裝置，該裝置包括多個并排設置在一個疊堆中的并處于電接觸的板狀的電化學電池，具有用于所有需要的和產生的電解液和氣體的入口和出口。也就是說涉及的是多個單個元件的串聯，這些單個元件分別具有電極，這些電極通過適當的膜片彼此分開，而且這些電極配合到用于容納這些單個元件的殼體中。這在電解時例如通過采用電解裝置得以實現，電解電池在該電解裝置中堆疊狀地設置。
[0034]本發明的電化學電池有益地被用作這樣的電池，在該電池中，化學能通過電化學的氧化還原反應轉換成電能。
[0035]電化學電池的另一種應用可能性在于用作燃料電池，在該燃料電池內，化學能通過引入燃料和氧化劑而轉換為電能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]下文將參照附圖1、2和3來進一步闡述本發明的實施變型。
[0037]圖1示出根據本發明的電化學電池的全貌的示意性工藝圖；
[0038]圖2示出根據本發明的電化學電池的頭部區域(上部區域)的示意性工藝圖；
[0039]圖3示出根據本發明的電化學電池的底部區域(下部區域)的示意性工藝圖。
【具體實施方式】
[0040]圖1、2和3示出的 是根據本發明的電化學電池，該電化學電池包括正極半殼12和負極半殼11，它們通過膜片5分離。兩個半殼11、12具有外壁13和框架式構造的法蘭區域14a、14b、15a、15b。負極半殼的法蘭區域15a、15b和正極半殼的法蘭區域14a、14b在電解電池的上端部19和電解電池的下端部16構成接觸區域，內部部件(Interieur)如膜片5、多孔媒質8、框架密封件6以及其它可能的部件夾緊在這些接觸區域之間。通過這個夾緊例如可以實現對膜片5和多孔媒質8的固定。多孔媒質在電化學電池運行中用作滲濾器，其中，使通過電解液流入口 9流入電化學電池的電解液在膜片5與氣體擴散電極3之間從電化學電池的上端部19流向電化學電池的下端部16。借助這個電解液流在本說明書中還定義“上”或者頭部區域和“下”或者底部區域的概念。
[0041]氣體擴散電極3由支撐元件4保持在電解電池內。氣體擴散電極3本身由液體可穿透的支架構造而成，該支架涂覆有催化劑材料。在此，氣體擴散電極3的涂覆有催化劑的區域構成活性區域，負極的電化學反應在該區域上進行。這個活性區域包括除了下邊緣17之外的整個氣體擴散電極，在該下邊緣處不再能進行電化學反應。氣體擴散電極3的這個下邊緣17在電解電池的下端部16處被夾緊在兩個半殼11、12的框架式的法蘭區域14b和15b的接觸區域中。圖3詳細地示出這種設置結構。因為催化劑材料的支架是液體可穿透的，所以電解液可以通過該支架被引向一個裝置，由此電解液離開電化學電池。氣體擴散電極3的上端部19以涂層的形式存在并且為了固定而被引入成型嵌入件，該上端部通過密封件2固定在這些成型嵌入件中。圖2詳細地示出了這種設置結構。在此，氣體擴散電極3具有<90度的彎曲范圍a。這個數據以張緊的氣體擴散電極3的豎直線為基準，該氣體擴散電極在其上端部18處和在其下端部17處固定并夾緊在電解電池中。在此，氣體擴散電極3通過密封件2張緊在位于電解液室7內的成型嵌入件I中。電解液室7通過用于將該電解液室與氣室隔開的機構23構成。氣體擴散電極3在成型嵌入件I中的可隨時拆卸的固定還通過該氣體擴散電極3的彎曲實現了電解液室7在電化學電池的頭部區域內相對氣室22的充分密封。
[0042]本發明實現的優點在于:
[0043]一氣體擴散電極的簡單的安裝和拆卸；
[0044]—通過氣體擴散電極的根據本發明的固定保障了氣室相對電解液室的充分密封；
[0045]一具備能夠用于電化學反應的大的活性的電極表面。
[0046]附圖標記列表
[0047]I 成型嵌入件
[0048]2 密封件
[0049]3 氣體擴散電極
[0050]4支撐系統
[0051]5膜片
[0052]6框架密封件
[0053]7電解液室
[0054]8多孔媒質
[0055]9用于電解液流入的設施
[0056]10用于電解液流出的設施
[0057]11負極半殼
[0058]12正極半殼
[0059]13外壁
[0060]14a, b 正極半殼的法蘭區域
[0061]15a, b 負極半殼的法蘭區域
[0062]16電化學電池的下端部
[0063]17氣體擴散電極的下邊緣
[0064]18電化學電池的上端部
[0065]19氣體擴散電極的上邊緣
[0066]20用于引入氣體的設施
[0067]21用于引出氣體的設施
[0068]22氣室
[0069]23用于將電解液室與氣室隔開的機構
【權利要求】
1.電化學電池，包括: ?正極半殼(12)和負極半殼(11)，它們通過膜片(5)彼此分離，具有相應的電極， ?所述正極半殼(12)和所述負極半殼(11)，它們分別具有外壁(13)，而且該正極半殼和負極半殼分別在兩個半殼的接觸區域中具有框架式構造的法蘭區域(14a，14b，15a，15b)， ?氣體擴散電極(3)，該氣體擴散電極包括液體能穿透的支架，該支架涂覆有催化劑材料，其中，氣體擴散電極(3)在其下邊緣(17)處具有未涂覆催化劑的區域，該未涂覆催化劑的區域在電化學電池的下端部(16)在兩個半殼的接觸區域中伸到負極半殼的外壁的法蘭區域(15b)與正極半殼的外壁的法蘭區域(14b)之間，而且多孔媒質(8)并行地設置在氣體擴散電極(3)與膜片(5)之間， ?用于引入氣體的設施和用于引出氣體的設施(20，21)以及用于引入電解液的設施和用于引出電解液的設施(9，10)，其中，氣室(22)通過相應的機構(23)而與電解液室(7)隔開， 其特征在于: 在負極半殼(11)中的電解液室(7)內設置有成型嵌入件(1)，氣體擴散電極(3)的上邊緣(19)伸入到這些成型嵌入件內，在所述上邊緣上安置有密封件(2)，該密封件將氣體擴散電極(3)固定在成型嵌入件(I)內，其中，氣體擴散電極(3)具有相對張緊的該氣體擴散電極的豎直線< 90度的彎曲范圍a。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于:氣體擴散電極(3)的伸入到負極半殼(11)的成型嵌入件(I)內的上邊緣(19)具有相對張緊的該氣體擴散電極的豎直線55至75度的彎曲范圍a。
3.如權利要求1或2之任一 項所述的裝置，其特征在于:在氣體擴散電極(3)的借助密封件(2)固定在成型嵌入件(I)內的上邊緣(19)之下設有另外的層，該另外的層優選由與所述氣體擴散電極相同的材料構成。
4.如權利要求1至3之任一項所述的裝置，其特征在于:負極半殼(11)的成型嵌入件(I)具有任意的幾何形狀，并且優選具有V形或梯形形狀，特別優選具有U形形狀。
5.如權利要求1至4之任一項所述的裝置，其特征在于:在成型嵌入件(I)內設置在氣體擴散電極(3)的上邊緣(19)上的密封件(2)是空腔式密封件。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于:密封件(2)由直到約100°C的溫度耐堿和耐氧的材料構成。
7.如權利要求1所述的電化學電池作為電解電池在電解裝置內的應用，在該電解裝置內堆疊狀地設置大量的電解電池。
8.如權利要求1所述的電化學電池作為電池的應用，在該電池內化學能通過電化學的氧化還原反應轉換為電能。
9.如權利要求1所述的電化學電池作為燃料電池的應用，在該燃料電池內化學能通過引入燃料和氧化劑轉換為電能。
【文檔編號】C25B9/02GK103492615SQ201280015318
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月7日 優先權日:2011年4月15日
【發明者】P·沃爾特林, R·基弗, R·韋伯, A·布蘭 申請人:烏德諾拉股份公司, 拜爾知識產權有限公司