具有壓力補(bǔ)償?shù)碾娀瘜W(xué)半池制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及電化學(xué)半電池（１），它包括至少一個(gè)用于容納電解液（１００）的電極室（３，１５）、氣體室（２），以及至少一個(gè)作為陽(yáng)極或陰極并分隔氣體室（２）與電極室（３，１５）的氣體擴(kuò)散型電極（１４），其中該氣體室（２）被細(xì)分為兩個(gè)或更多個(gè)疊置的氣腔（２ａ，２ｂ），其中氣體流入和氣體流出通過(guò)分別的開(kāi)口（７）和（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）進(jìn)行，并且電極（１４）的電解液側(cè)的壓力通過(guò)各個(gè)氣腔（２ａ，２ｂ）中通電解液的開(kāi)口而得到補(bǔ)償。（*該技術(shù)在2017年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及電化學(xué)半電池，包括至少一個(gè)用于容納電解液的電極室、氣體室、以及至少一個(gè)作為陽(yáng)極或陰極并分隔氣體室與電極室的氣體擴(kuò)散型電極，其中該氣體室被細(xì)分為兩個(gè)或更多個(gè)疊置的氣腔，在氣腔中氣體流入和氣體流出是通過(guò)分別的開(kāi)口，并且當(dāng)與電極氣側(cè)的壓力相比時(shí)，電極電解液側(cè)的壓力得到氣腔中通電解液的開(kāi)口的補(bǔ)償。基于氣體擴(kuò)散型電極，例如在堿金屬鹵化物電解中用作耗氧陰極，的電化學(xué)槽的操作基本上是公知的并在例如美國(guó)專利US 4657651中進(jìn)行了描述。氣體擴(kuò)散型電極是一種位于電解液和氣體室之間的開(kāi)孔膜，它具有含催化劑的導(dǎo)電層并且能夠引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，例如在該膜中的電解液、催化劑和反應(yīng)氣體之間的三相界面處發(fā)生氧的還原。一般該界面層通過(guò)與膜上的電解液靜壓力相對(duì)的疏水電極材料上的電解液表面張力限制在膜內(nèi)。然而，就此而論，在膜的氣側(cè)和液側(cè)之間僅能允許少量的壓力降。如果氣側(cè)的壓力太高，氣體就會(huì)最終穿透膜并且擾亂這一區(qū)域電極的操作，并且使電解過(guò)程中斷。另一方面，如果液壓太高，則三相界面將被迫離開(kāi)膜中含有催化劑的區(qū)域，這也將擾亂陰極的操作，并且如果壓力再次升高，則將導(dǎo)致電解液滲入氣體室。例如，對(duì)于需要電極垂直排列的具有隔膜的電解槽，為了能夠有效地排出所需的產(chǎn)物氯，這將限制氣體擴(kuò)散型電極的結(jié)構(gòu)高度，否則的話，在電極的頂部，氣體將滲入陰極室，并且在電極的底部，電解液將滲入氣體室。因此，技術(shù)上可行的結(jié)構(gòu)高度被限制在約20-30cm，這對(duì)于常規(guī)工業(yè)隔膜電解單元沒(méi)有吸引力。為了解決壓力補(bǔ)償問(wèn)題，在現(xiàn)有技術(shù)中提出了各種結(jié)構(gòu)。根據(jù)美國(guó)專利US4657651，在氣體擴(kuò)散型電極兩側(cè)的氣體室和電解液室之間的壓力補(bǔ)償是通過(guò)將陰極再分成分別充氣的單獨(dú)的水平室而達(dá)到的，氣壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)使每個(gè)室中流出的氣流以這種方式流入垂直的室，即其深度與各室中的電解液的高度相應(yīng)。這種布置的缺點(diǎn)在于高的設(shè)備成本，這阻礙了工業(yè)的實(shí)用性。而且在每個(gè)氣體室中的壓力必須通過(guò)各自的閥門(mén)分別調(diào)節(jié)。尚未公開(kāi)的德國(guó)專利申請(qǐng)P 4444114.2中描述了一種具有氣體擴(kuò)散型電極的電化學(xué)半電池，其中氣體擴(kuò)散型電極兩側(cè)的氣體室和電解液室之間的壓力補(bǔ)償是通過(guò)將氣體室細(xì)分為兩個(gè)或多個(gè)串聯(lián)疊置的氣腔而獲得的，該氣腔之間相互分開(kāi)，并且其下部有與電解液相通的開(kāi)口，以使每個(gè)氣腔通過(guò)與電解液相通的開(kāi)口而與置于氣體擴(kuò)散型電極前面的電極室相應(yīng)部分的電解液液柱的壓力相平衡，并且其中任何氣體流入和氣體流出均通過(guò)與電解液相通的開(kāi)口進(jìn)行。在“電化學(xué)學(xué)會(huì)”的出版物“會(huì)議摘要96-1，摘要No.949，春季會(huì)議五月5-10/1996”中，公開(kāi)了用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模氯堿電解的具有氣體擴(kuò)散型電極的電池，它相應(yīng)于德國(guó)專利申請(qǐng)4444114.2的壓力補(bǔ)償原理的簡(jiǎn)化方案。摘要No.949的附圖說(shuō)明圖1示出了氧陰極前面的氣體室被細(xì)分為兩個(gè)疊置的氣腔，其中電解槽底部的氧氣氣泡經(jīng)氣腔的自由開(kāi)口流入。通過(guò)將氣體室垂直細(xì)分為兩個(gè)疊置的氣腔而獲得壓力補(bǔ)償。施加給膜的最大壓力相當(dāng)于與各氣腔高度相對(duì)應(yīng)的靜壓力。上述電解池的結(jié)構(gòu)具有許多缺點(diǎn)，有礙于擴(kuò)散型電極的操作。通過(guò)與氣腔的與電解液相通的一開(kāi)口進(jìn)行氣體流入和流出。由于向氣腔中輸入的氣體在氣腔較下部的邊緣向下一個(gè)較高處的氣腔連續(xù)、均勻地冒泡，從而顯著地?cái)_亂了含于各氣腔中的反應(yīng)氣的交換。由于電極后面氣體室中氣泡的破裂而僅發(fā)現(xiàn)一定程度的混合。在公知的電池中，使不希望的雜質(zhì)氣體從電池的氣體室中快速流出和排除是不可能的。而且，上升的氣泡只能在一定程度上被與較上部氣腔同樣寬的突出收集擋板所充分捕獲。簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)顯示大多數(shù)氣泡在公知的電解池較上部的收集擋板旁流過(guò)。而且，在各自的氣腔中的電解液的彎月面處破裂的氣泡還導(dǎo)致在氣體室中形成不希望的電解液滴噴霧，該噴霧在擴(kuò)散型電極上沉積并妨礙其功能。為改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的本專利技術(shù)的目的是開(kāi)發(fā)一種電化學(xué)半電池，它具有簡(jiǎn)單的壓力補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但同時(shí)沒(méi)有上述公知的電池的缺點(diǎn)，特別是可使擴(kuò)散型電極后面的氣體室快速排氣。本專利技術(shù)的這一目的是通過(guò)一種作為本專利技術(shù)主題的電化學(xué)半電池而實(shí)現(xiàn)的，包括至少一個(gè)用于容納電解液的電極室、氣體室、以及至少一個(gè)作為陽(yáng)極或陰極并分隔氣體室和電極室的氣體擴(kuò)散型電極，其中氣體室被細(xì)分為兩個(gè)或多個(gè)疊置的氣腔，該氣腔相互分開(kāi)并且每個(gè)氣腔具有通電解液的開(kāi)口，因此每個(gè)氣腔中的壓力通過(guò)通電解液的開(kāi)口與位于氣體擴(kuò)散型電極前面的電極室中相應(yīng)部分的液柱壓力相平衡，其特征在于，各個(gè)氣腔中的氣體流入和氣體流出在空間上是彼此分開(kāi)的。特別是，氣腔中的氣體流入口和氣體流出口相互間在側(cè)向上交錯(cuò)排列，因此在氣腔中電極氣體呈側(cè)流。由于電極氣體的強(qiáng)制流動(dòng)，促進(jìn)了各個(gè)氣腔中的氣體交換，并且避免了所不希望的雜質(zhì)氣體的積聚，例如在公知的電池結(jié)構(gòu)中發(fā)生的積聚。另外，電極氣體與電解液之間的直接等溫接觸意味著，擴(kuò)散型電極氣側(cè)的氣體總是處于溫飽和，從而避免了電解質(zhì)“結(jié)晶出來(lái)”，特別是在擴(kuò)散型電極的膜結(jié)構(gòu)上結(jié)晶出來(lái)。由此阻止了由電解質(zhì)晶體造成的電極的不可逆損壞。在本專利技術(shù)的具體實(shí)施方案中，氣腔形成為環(huán)形封閉室，其界壁之一為氣體擴(kuò)散型電極，并且在其一側(cè)的端部具有用于電極氣體的氣體流入口。過(guò)剩的電極氣體從氣腔另一側(cè)的端部通過(guò)浸漬于壓力補(bǔ)償?shù)牟涣鲃?dòng)的電解液中的浸液管而被排出。由于氣腔中氣體輸入在一側(cè)而多余氣體的排出在另一側(cè)的此種結(jié)構(gòu)，而使電極氣體可以在氣腔中快速受迫側(cè)向流動(dòng)。根據(jù)此種電池結(jié)構(gòu)，氣體室與電極室之間的壓力補(bǔ)償通過(guò)氣體流出而達(dá)到。與簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，通過(guò)上述結(jié)構(gòu)的半電池，在氣腔中發(fā)生快速氣體交換，該交換可通過(guò)設(shè)定過(guò)剩氣體的量來(lái)控制。這將阻止氣腔中干擾的雜質(zhì)氣體的任何可能的富集。而且，可以使用較不純的電極氣體或者根據(jù)半電池的用途還可移除可能由電極反應(yīng)生成的產(chǎn)物氣體。在本專利技術(shù)優(yōu)選的另一種變化中，具有電極氣體的半電池的受迫側(cè)向排氣是通過(guò)從一個(gè)氣腔至下一個(gè)較高位置的氣腔交替設(shè)置氣體流入口和氣體流出口以使氣腔的氣體流出口位于下一個(gè)較高氣腔的下部而達(dá)到。氣腔可以具有安裝于氣腔后壁的收集擋板。在最簡(jiǎn)單的形式中，用于收集從較低氣腔出口上升的氣泡的導(dǎo)向板垂直地設(shè)置在氣腔后壁上，并且側(cè)向突出于位于其下的氣腔流出口之上。與氣體收集擋板構(gòu)成氣腔部分后壁的具有疊置氣腔的現(xiàn)有技術(shù)所公知的結(jié)構(gòu)相比，上述結(jié)構(gòu)具有下列優(yōu)點(diǎn)本專利技術(shù)的半電池可以設(shè)計(jì)并建造得更細(xì)，這是因?yàn)楣Y(jié)構(gòu)的氣體收集擋板從氣體擴(kuò)散型電極向后伸出一段，而從電極表面看，側(cè)向設(shè)置的氣體收集擋板的垂直伸長(zhǎng)可保持很小。在本專利技術(shù)的一種方案中，可以使用汽泡通道代替?zhèn)认驓怏w收集擋板作為氣腔的氣體流入口，該汽泡通道向下伸出并開(kāi)口于電解液中。該汽泡通道例如設(shè)置于較低氣腔開(kāi)口的上部，因此出口的電極氣冒泡入汽泡通道中。汽泡通道在其較低的端部可以具有側(cè)向變寬的氣泡收集器。在另一種方案中，其較低的開(kāi)口被制成U形管狀，伸出的臂中之一伸出較長(zhǎng)，并且伸向汽泡通道的開(kāi)口中。上述各方案允許電極氣體從氣腔流向氣腔，以致達(dá)電解液的彎月面的電極氣體的汽泡仍在本氣腔以外的區(qū)域破裂。這避免了擴(kuò)散型電極的背面噴灑上電解液。特別是，這一有利特點(diǎn)在汽泡通道或氣體收集擋板為側(cè)向設(shè)置時(shí)也可獲得，例如移至半電池的中間，與氣腔室的開(kāi)口相對(duì)。在此情況下，收集于汽泡通道或氣體收集擋板中的氣體側(cè)向通過(guò)管道到達(dá)開(kāi)口。這導(dǎo)致特別有效的清除本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種電化學(xué)半電池（１），包括至少一個(gè)用于容納電解液（１００）的電極室（３，１５）、氣體室（２）、以及至少一個(gè)作為陽(yáng)極或陰極并分隔氣體室（２）與電極室（３，１５）的氣體擴(kuò)散型電極（１４），其中該氣體室（２）被細(xì)分為兩個(gè)或更多個(gè)疊置的氣腔（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ），該氣腔相互分開(kāi)并且具有與電解液（１００）連通的開(kāi)口（７），以使每個(gè)氣腔（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）中的壓力通過(guò)連通電解液（１００）的開(kāi)口（７）與氣體擴(kuò)散型電極（１４）前面的電極室（３，１５）的相應(yīng)部分（１５）中的液柱壓力相等，其特征在于，各個(gè)氣腔（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）的氣體流入口（７）和氣體流出口（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）在空間上彼此分開(kāi)。

【技術(shù)特征摘要】
...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：F蓋斯特曼，HD平特，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：拜爾公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：DE[德國(guó)]