[发明专利]气体扩散电极到具有渗滤器技术的电化学电池内的选装

说明书

技术领域

本发明可以分类在电化学仪器的技术领域中。

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中加以描述的电化学装置。其中的装置是指在其内进行电化学反应的装置，如在电解装置、电池、蓄电池或燃料电池中进行的那样。

背景技术

例如在电解时，电能转换为化学能。这是在电流的作用下通过化学化合物的分解得以实现的。用作电解液的溶液含有带正电荷的和带负电荷的离子。因此作为电解液主要采用酸、碱或盐溶液。

例如在从水状的碱金属卤化物溶液－此处以氯化钠示出－中电解制造卤素气体时在正极侧产生如下反应：

4NaCl→2Cl₂+4Na⁺+4e^-

变得自由的碱离子到达负极并且与那里产生的氢氧化物离子构成碱液。另外构成氢气：

（2）   4H₂O+4e^-→2H₂+4OH^-

在此，产生的碱液通过阳离子交换膜而与被引向正极侧的碱金属卤化物分开并且通过这种方式彼此分离。这样的膜片属于现有技术并且在市场上可以从不同的供应商处获得。

在上述反应过程中产生的正极处的标准电势（Standardpotential）在生成氯的情况中为﹢1.36V，其中，在上述反应过程中负极处的标准电势为﹣0.86V。例如由WO98/55670已知了一种这样的电池设计。由这两个标准电势的差引起极大的能量输入，为了实施这些反应所述极大的能量输入是必要的。为了将这个差值最小化，现在将气体扩散电极（以下缩写为GDE）安装在负极侧上，使得氧通过这个系统输入并且由此造成在负极处不再进行反应（2），而是如下反应：

（3）   O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

在此，氧可以作为纯气体或通过空气输入。由此如下地产生基于利用气体扩散电极的氯碱电解的整个反应：

（4）   4NaCl+O₂+2H₂O→4NaOH+2Cl₂

由于反应（3）的标准电势为+0.4V，与传统的生成氢的电解相比，GDE－技术产生明显的能量节约。

多年以来气体扩散电极就应用在电池、电解装置和燃料电池中。在这些电极内部，电化学转换仅仅在所谓的三相边界（Drei-Phasen-Grenze）处发生。气体、电解液和金属导体互相聚集在一起的区域被称为三相边界。为了使GDE有效地工作，金属导体应该同时是用于所期望的反应的催化剂。碱性系统中的典型的催化剂为银、镍、二氧化锰、碳和铂。为了使催化剂特别有效，它们的表面必须大。这通过具有内表面的精细的或多孔的粉末得以实现。

采用这样的气体扩散电极时的问题，如由US4614575公开的那样，由于如下原因而产生：电解液由于毛细作用而渗入到这些微孔结构中并且将这些微孔结构填满。这个作用的结果是氧不再能通过孔渗出，因此预期的反应停止进行。

为了使三相边界上的反应能够有效进行，必须通过相应地选择压力比来避免上述问题。在静止的液体中形成液柱，如这在电解液溶液的情况中那样，例如造成了：柱的下端部处的静压压力最大，这将增强上面介绍的现象。

如在有关的文献中可以看到的那样，这个问题以降膜蒸发器的形式得以解决。在此，使电解液－例如氢氧化钠溶液NaOH或钾碱液KOH－在膜片与GDE之间流过多孔媒质，通过这种方式阻止形成静压柱。人们也称之为渗滤器技术。

在WO03/42430中对一种这样的电解电池进行了描述，该电解电池将这个原理用于伴随有耗氧反应（Sauerstoffverbrauchsreaktion）的氯碱电解反应。在此，氧通过气体扩散电极而与多孔媒质分开并且被挤压穿过有传导能力的支撑结构和带有多孔媒质－渗滤器－的有传导能力的、柔性的弹簧元件。

例如在DE102004018748中也出现了这样的原理。此处介绍了一种电化学电池，该电化学电池包括至少一个具有正极的正极半电池、一个具有负极的负极半电池和一个设置在正极半电池与负极半电池之间的离子交换膜，其中，正极和/或负极是气体扩散电极，在该气体扩散电极与离子交换膜之间设置有间隙，在该间隙上方设置有电解液流入口而在该间隙下方设置有电解液流出口以及设置有进气口和出气口，其中，电解液流入口与电解液容器相连接并且具有溢流口。