[发明专利]带活性气体/液体分隔的膜电解电池

说明书

本发明涉及一种电池学半电池，该半电池至少由膜、还可有的作阳极或阴极释放气体的电极、还可有的气体出口和支承结构构成，该支承结构使释放气体的电极与半电池后壁连接。支承结构将半电池的内部空间分隔成垂直排列的通道，而且电解质在朝向电极的电极通道中向上流动，在背向电极的通道中向下流动，而且电极通道和背向电极的通道在它们的上端和下端是相互连接的。

当前技术领域内已知的电解电池上部区域内不完全或不正确实施的气体分离使这些位置上的膜得不到足够的浸润，从而使膜的电阻升高。这造成整个电池电压升高，还由于所谓的“起泡”而带来使膜局部损伤的危险。膜的损伤甚至可使电极气体穿透，有时生成能爆炸的气体混合物。此外，由于不当的气体分离而在电解质室引发脉动压力冲击，导致由于机械损伤会带来提前老化危险的膜的移动。

另一问题在于，要使电解电池在膜面前面的电解质室的区域内，温度分布以及浓度分布(电解质的盐浓度或pH-值)在垂直和水平方向上尽可能均匀，同时要避免过早的膜老化。这对所有释放气体的电解池的运行都是值得注意的，对于应用气体扩散电极的情况尤其如此，在这种情况下，热的排出(损失热的排出)应主要或完全通过在另一气体产生侧面的电解质循环实现，这取决于是否远离膜采用有限的电解质间隔或安放在上面的气体扩散电极。有时这取决于流入产气面的新鲜电解质的温度的降低，但不能导致局部过冷。

以前曾对减小这些问题提出了一些建议，虽然这些建议只针对经典的释放氢气的NaCl-电解。例如欧洲公开发明说明书EP0579910A1提出了一种激发内部自然循环的系统，特别是，使NaCl-电解的盐水酸化更有效，从而减少电解电池的上部过量生成泡沫。

欧洲公开发明说明书EP0599363A1涉及处理与工艺有关的起泡的各种方法，但没有举出决定性的要素，这些要素能在完全无脉动下使气体和电解质的完全分离，各分离相一道从电池流出，以及温度和浓度甚至在电池角亦达到均匀分布。

已知的电解半电池结构的这些问题是通过按照独立权利要求的有特征部分的前述部分的半电池解决的。

本发明针对一种电化学半电池，该半电池至少由膜、还可有的作阳极或阴极的释放气体的电极、和使气体释放电极和半电池后壁连接的支承结构、以及电解质的入口和电解质的出口，有时还有气体的出口构成，其特征在于，该支承结构将半电池内部空间隔成垂直排列的通道，而且电解质在朝向电极的电池通道中向上流动，在背向电极的通道中向下流动，该电极通道和背向电极的通道在它们的上端和下端是相互联接的。

特别是有向下物流的通道和电极通道是交替地并排排列或者前后排列。

有向下物流的通道和电极通道可具有梯形截面。

有向下物流的通道和电极通道宜由折褶的导电的金属薄板作为支承结构构成。

在一个半电池的特别有利的实施方案中，电极通道的上端有截面收缩。

一种垂直对齐的平行支承结构以一种特别的排列方式分开开口朝向电极的通道和开口朝向后壁的通道，前者中较轻的电解质-气体混合物上升，后者中除气的较重的电解质重又向下流动。对气体分离有实质性改进的是本文中在电极通道的上端的收缩，它是由类似机翼的流动转向型板形成的，后者向电极弯折。双相流动在电极和型板之间的收缩处得到加速，经向后弯的型板的上棱减压，再在型板的背面分相除气。在其背面型板的开口自由通向向下的通道，这样，因为除气而变得较重的电解质向下流动，并在半电池底经联接开口与新鲜送入的电解质一道重新作为吸收气体的馏分流入朝电极开口的通道，从而实现电解质的内部自然循环。

电极通道在收缩区的最窄处的截面面积与电极通道收缩下面的截面面积的比为1∶2.5-1∶4.5。

电极通道的收缩可通过一种倾斜的导向结构实现。

电极通道的收缩特别是具有一截面保持相等的区域，而且这个区域的高与活性膜表面的高的比值最高可达1∶100。

如果导向结构与支承结构形成一体，则半电池可以特别简单的方式制备。

同样，支承结构在电极通道和有向下物流的通道的整高上呈一块的半电池实施方案是有利的。

在收缩上面的电极通道有截面扩大的实施方案，对电解质的气体分离是有利的。

离开电池的多余的电解质可在流动转向型板后面或者侧面或者经直立管向下流出。

同样，这样一种半电池是特别有利的，该半电池具有经除气的电解质和在电解中可能产生的气体的出口，特别是在电池底有通孔的垂直管或安置在电池侧壁上的出口，该出口正好在电极通道的上端的上方。