[发明专利]电化学电池及其应用

说明书

技术领域

本发明可以使用在电化学设备的技术领域中。

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分中所描绘的电化学设备。在此，理解为如下设备，在该设备中进行电化学反应，譬如在电解器、电池、蓄电池或燃料电池中。

背景技术

例如，在电解中将电能转换成化学能。这通过在电流作用下分解化合物而实现。用作电解质的溶液包含带正电离子和带负电离子。因此主要使用酸、碱或盐溶液作为电解质。

例如在由含水的碱卤化物溶液（在此以氯化钠来描述）电解制备卤素气体时，在阳极侧上进行如下反应：

（1）4NaCl→2Cl₂+4Na⁺+4e^-

自由的碱离子到达阴极并且与在那里产生的氢氧化物离子一起形成碱性溶液。此外，形成氢气。

（2）4H₂O+4e^-→2H₂+4OH^-

在此，形成的碱液从输送到阳极侧的碱卤化物经由阳离子交换器隔膜分离，并且由此彼此离析。这种隔膜是现有技术并且在商业上可从不同的提供商获得。

在上述反应进行时形成的在阳极上的标准电势在形成氯的情况下为+1.36V，其中，在进行上述反应时，在阴极上的标准电势为-0.86V。这种电池设计例如在WO98/55670中公开。根据这两种标准电势之差导致极大的能量输入，其需要来进行这些反应。为了使该数值差最小，现在在阴极侧上使用气体扩散电极（以下缩写为GDE），使得通过该系统带入氧气并且由此有条件地在阴极上不再进行反应（2），而是进行如下反应：

（3）O₂+H₂O+4e^-→4OH^-

氧气在此情况下可以作为纯气体或通过空气被带入。基于利用氧气扩散电极的氯碱电解的总反应如下：

(4)4NaCl+O₂+2H₂O→4NaOH+2Cl₂

由于反应（3）的标准电势在+0.4V左右，所以与利用形成氢气的传统电解相比，GDE技术使得能量节约显著。

数年来，气体扩散电极使用在电池、电解器和燃料电池中。电化学转换在这些电极内仅在所谓的三相边界处进行。气体、电解质和金属导体彼此相交的区域称作三相边界。为了GDE有效地工作，金属导体同时应为所期望的反应的催化剂。在碱族中的典型催化剂是银、镍、二氧化锰、碳和铂。为了催化剂特别有效，其表面必须大。这通过带有内表面的精细或多孔粉末来实现。

如例如在US4614575中公开的这种气体扩散电极应用中的问题在于：电解质由毛细作用引起会侵入微孔结构中并且填充该结构。该效应会导致，氧气不再会通过孔扩散，由此所预期的反应进入静止状态。

为了能够在三相边界处有效进行反应，必须避免上述问题，其方式是相应地选择压力关系。如在电解质溶液中情况那样在静止液体中形成液柱例如导致：静液压压力在柱的下端部处最高，这会增强上面所描述的现象。

该问题如相关文献中可找到的那样以降膜蒸发器形式来解决。在此，电解质（例如苛性钠NaOH或苛性钾KOH）在隔膜与GDE之间可穿过多孔介质，由此防止静液压柱形成。也谈及了渗滤器技术。

在WO03/42430中，描述了这种电解质电池，其利用氯碱电解质反应与氧消耗反应的原理。氧气在此从多孔介质通过气体扩散电极分离并且通过导电支承结构和导电的柔性弹性元件与多孔介质（渗滤器）挤压在一起。

这种原理例如也在DE102004018748中找到。在此，描述了电化学电池，其至少包括带有阳极的阳极半电池、带有阴极的阴极半电池和在两个半电池之间布置的离子交换隔膜，其中，阳极和/或阴极是气体扩散电极，在气体扩散电极与离子交换器隔膜之间布置有间隙，间隙之上的电解质入口和在间隙之下的电解质出口以及气体入口和气体出口，其中，电解质入口与电解质储存容器连接并且具有溢出口。

但，气体扩散电极在所描述的电解设备中的使用不仅有实现催化氧消耗反应的任务。此外，电极也应确保在GDE两侧电解质和气体的分离。为此，通过所选的固定方法对气体扩散电极的气体或液体密封的密封件一定是必须的，以便尤其在电解质进入半电池之后保证电解质沿着气体扩散电极符合规定地被引导并且不经由非充分密封的区域并且由此在（渗滤器的）多孔介质之外可替选的路径从电化学半电池到达电解质出口并且因此不再提供给该反应。