[发明专利]三电极固体电解质电化学反应器

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及三电极固体电解质电化学反应器。

背景技术

固体电解质电化学反应器(包括电池和电解池)是一种结构紧凑的能量转换装置。其核心功能单元包括阴极、阳极和固体电解质膜等三个部分，且阴阳极催化剂和膜一般以三合一的形式(即膜电极组件8复合体)来使用。为了评估和优化阴极和阳极各自的贡献，为了防止阴阳极过载、腐蚀或其他损坏，在反应器工作过程中，除了监控阴阳极之间的电位差(反应器电压)外，还需实时准确地监控阴极和阳极各自的电位。这需要在反应器中引入参比电极，亦即在反应器中构建三电极体系。

在固体电解质反应器中构建三电极体系遇到的难点在于反应器紧凑的结构和薄的膜厚度。为了规避这一点，实践中往往采用两电极体系。也即直接将阴阳极其中一个电极作为参比电极，通过通氢、电化学析氢或其他方式来锚定参比电极的电位。尽管这种两电极体系构造简单、操作方便，但仅能监控一个电极的电位，且监控错时、容易失真(监控的并非两极同时工作的状态)。

构建三电极体系的首要问题是选择合适的参比电极。在实践上可作为参比电极的例子包括标准氢电极、各类动态电极、空气电极和各种市售电极(如甘汞电极、汞/硫酸亚汞电极等)。标准氢电极电位定义明确，但安装和使用不便，还易受到吸附的毒性物种的影响。空气电极尽管使用方便，但电位定义不明确，仅能做粗糙估计。而动态电极具有电位漂移和长期稳定性方面的问题。相比之下，各类市售参比电极可更好地作为指示电极，但如何接入成为关键。

构建三电极体系的第二个问题是确定参比电极的接入位置。这实际上与选择的参比电极的尺寸和种类有关。实践上使用较多的是将很细的金属丝插入膜的截面中间，或者采用两层膜，将金属丝夹在其间，作为动态参比电极。这些方案可以实时监控工作电极的电位，但工作电极的电位和参比电极的电位容易相互影响，并影响反应器的密封性及内阻，并/或对参比电极的安装具有很高的技术要求。

发明内容

本发明提供一种三电极固体电解质电化学反应器，包括：膜电极组件，包括能够发生电化学反应的活性区和非活性区，所述非活性区位于所述活性区的外围，所述非活性区域为固体电解质膜的裸露区域；流场板，包括阴极流场板板和阳极流场板，所述膜电极组件夹设于所述阴极流场板和阳极流场板之间；密封垫，设置于所述膜电极组件与所述流场板之间，位于所述膜电极组件的非活性区；和参比电极，所述参比电极的接入点设置于所述密封垫外。

其中，所述电化学反应器在所述参比电极的接入点处设置有参比电极安装孔，露出所述接入点处的固体电解质膜；所述电化学反应器还包括参比电极管，所述参比电极管一端与所述接入点处的固体电解质膜接触，所述参比电极管内盛有电解质溶液，所述电解质溶液与所述接入点处的固体电解质膜直接接触且不漏液，所述参比电极安装于所述参比电极管内。如果直接插入参比电极不方便，可以借用一个盐桥将参比电极引入，即将盐桥的一端插入参比电极管内的电解质溶液中，另一端则插入一个盛放有电解质溶液、安装有参比电极的容器内。

其中，所述固体电解质膜的裸露部分包括向所述电化学反应器一个方向以长线或长条延长至所述反应器外部形成的膜长尾，所述膜长尾的尾部和所述参比电极安装于盛有电解质溶液的容器内。使用外延形式接入膜长尾对膜的裁切、膜电极组件的制备和安装均不方便，且在经济上造成浪费，为此可采用嫁接形式：裁切膜和制备膜电极组件时，在膜电极组件的密封区外仅保留少许裸露部分，同时另外裁切长线或长条状的膜长尾，在膜电极组件安装时，叠压至所述电化学反应器的固体电解质膜的裸露部分形成。

其中，所述参比电极的接入点设置于阴极面或阳极面。

其中，所述参比电极的接入点是点接入或面接入。

其中，所述参比电极为任何适合的电势稳定的电极，例如市售甘汞电极、汞/硫酸亚汞电极、汞/氧化汞电极、银/氯化银电极等。

其中，所述电化学反应器是电池或电解池。

本发明还提供一种包括上述电化学反应器的电池堆。

本发明还提供一种包括上述电化学反应器的电解池堆。

本发明的固体电解质电化学反应器具有安装、使用和维护方便，能够实时、准确、稳定监控，能够随时开始或撤销监控，且不影响阴阳两极的工作状态、不影响反应器的结构和密封性的优点。本发明的固体电解质电化学反应器，还可以用于电池堆和电解池堆，实现对电堆中任一单片及任一电极的监控。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1固体电解质电化学反应器结构；