專利名稱：具有壓力補(bǔ)償?shù)碾娀瘜W(xué)半電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(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分別的開口，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，并且使電解過程中斷。另一方面，如果液壓太高，則三相界面將被迫離開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)隔膜電解單元沒有吸引力。
為了解決壓力補(bǔ)償問題，在現(xiàn)有技術(shù)中提出了各種結(jié)構(gòu)。
根據(jù)美國專利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各自的閥門分別調(diào)節(jié)。
尚未公開的德國專利申請(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，并且其下部有與電解液相通的開口，以使每個(gè)氣腔通過與電解液相通的開口而與置于氣體擴(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與電解液相通的開口進(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)于德國專利申請(qǐng)4444114.2的壓力補(bǔ)償原理的簡化方案。摘要No.949的

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)氣腔的自由開口流入。通過將氣體室垂直細(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。
通過與氣腔的與電解液相通的一開口進(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。
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)的本發(fā)明的目的是開發(fā)一種電化學(xué)半電池，它具有簡單的壓力補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但同時(shí)沒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。
本發(fā)明的這一目的是通過一種作為本發(fā)明主題的電化學(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，該氣腔相互分開并且每個(gè)氣腔具有通電解液的開口，因此每個(gè)氣腔中的壓力通過通電解液的開口與位于氣體擴(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”，特別是在擴(kuò)散型電極的膜結(jié)構(gòu)上結(jié)晶出來。
由此阻止了由電解質(zhì)晶體造成的電極的不可逆損壞。
在本發(fā)明的具體實(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。過剩的電極氣體從氣腔另一側(cè)的端部通過浸漬于壓力補(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)償通過氣體流出而達(dá)到。與簡單結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，通過上述結(jié)構(gòu)的半電池，在氣腔中發(fā)生快速氣體交換，該交換可通過設(shè)定過剩氣體的量來控制。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。
在本發(fā)明優(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)本發(fā)明的半電池可以設(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可保持很小。
在本發(fā)明的一種方案中，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口于電解液中。該汽泡通道例如設(shè)置于較低氣腔開口的上部，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，其較低的開口被制成U形管狀，伸出的臂中之一伸出較長，并且伸向汽泡通道的開口中。
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)向通過管道到達(dá)開口。
這導(dǎo)致特別有效的清除噴霧。任何由氣泡破裂所產(chǎn)生的波動(dòng)不會(huì)被傳遞到氣腔中。
每個(gè)氣腔的氣體輸入口可以設(shè)計(jì)成不同的。除了使用簡單的開口外，可以使用多個(gè)疊置開口或一個(gè)或多個(gè)至多延伸于氣腔高度上的狹長入口，以向例如電極背面的整個(gè)高度上提供新鮮的電極氣體。
為了捕集噴霧，可用作為阻斷裝置的擋板覆蓋面對(duì)電極壁的開口，在其上隨氣流夾帶的電解液可沉積下來并且可以流回。
本發(fā)明另一壓力補(bǔ)償半電池的方案具有以氣體輸入管線的形式向各個(gè)疊置氣腔輸入氣體單個(gè)輸入裝置以代替電極氣流從氣腔流向疊置在其上的氣腔，根據(jù)不同情況，該輸入管線裝配有各自的控制閥和關(guān)閉閥。
在每種情況下，各個(gè)氣腔通過氣腔的浸入電解液中的氣體流出口而形成壓力補(bǔ)償。
如果例如在電極反應(yīng)中生成阻礙該反應(yīng)的有害氣體，并且該有害氣體在從最低的氣腔流向最高的氣腔的曲折氣流過程中可能聚集的情況下，采用這一優(yōu)選的布置是有利的。
這一布置也可通過用惰性氣體(例如稀有氣體)沖洗選定的氣腔而使部分氣體擴(kuò)散型電極表面“斷開”。這樣當(dāng)半電池運(yùn)行時(shí)，按此方式可以控制和監(jiān)控“斷開”電極表面的單獨(dú)效能。
在所有上述本發(fā)明的實(shí)施方案中，每個(gè)氣腔中的氣壓相應(yīng)于各個(gè)出口的液柱或在串聯(lián)氣腔和電解池后壁之間氣泡彎月面的較低邊緣至液柱的上部邊緣的液柱。這一壓力通過電極室內(nèi)的液柱而得以補(bǔ)償，當(dāng)各室所注入的液柱高度相同時(shí)(例如，各室水力學(xué)連通時(shí))，在各個(gè)氣體出口或上述氣泡彎月面的較低邊緣處存在該平衡。由于在各個(gè)氣腔中均勻的壓力占優(yōu)勢(shì)，平均看在氣側(cè)存在略微的過壓，就最佳功能而言這也正是所希望的，例如催化氧還原。
在本發(fā)明的又一優(yōu)選變化中，如果將電極室和后面的電解液室在水力學(xué)上分開，則對(duì)所有室均相同的各自的壓差可以通過兩室中不同的液面或流出口高度按需調(diào)節(jié)。
例如，可控的過壓可以通過分離的氣體排除進(jìn)行調(diào)節(jié)，該氣體排除是通過使用向上通到氣體排放管線的管道以及可選擇地提供布置在其上的電解液接收器而進(jìn)行的，相對(duì)于電極室，該過壓對(duì)所有氣腔均一樣。
另一方面，如果從電池流出的電解液優(yōu)選向下流過豎立的管道或也可從電池的側(cè)壁流出，則可通過使電解液從電極室僅向上流過氣腔電極進(jìn)入電解室后壁，在此處與過剩氧氣一起從電池向下流過豎管而直接將電解液和過剩的氣體一起排除，或者在側(cè)向流出的情況下，則流向側(cè)壁。豎管的不同高度產(chǎn)生不同的壓差，此時(shí)液壓高于氣壓，這對(duì)如布式的氣體擴(kuò)散型電極的全表面置于電流分配柵板上時(shí)特別有益。如果需要，可以省略電極的夾持和緊固裝置。在極其類似于通過豎管同時(shí)排除電解液和過剩氣體的方法中，該排除也可通過在半電池中側(cè)面安置的排放管進(jìn)行，這時(shí)，氣體和電解液的分離例如在收集器中進(jìn)行，也可在電池中進(jìn)行。而且，按此方法可將氣體擴(kuò)散型電極上的液壓調(diào)節(jié)得高于氣壓。
本發(fā)明的半電池可以通過使用適當(dāng)數(shù)量的氣腔而擴(kuò)展到任何工業(yè)上可行的尺寸。由于典型的電解負(fù)荷所需的氣體(例如氧氣)的量為例如0.7-1標(biāo)準(zhǔn)立方米/平方米陰極表面每小時(shí)，所需的氣體輸送可以通過選擇氣泡開口的適當(dāng)尺寸而沒有任何困難地獲得，正如水力試驗(yàn)所證明的。
氣體擴(kuò)散型電極的固位和電連接，特別是在隔膜電解設(shè)備的半電池中，基本上是公知的。當(dāng)使用幾個(gè)電極段作為氣體擴(kuò)散型電極時(shí)，氣體擴(kuò)散型電極段相互之間以及與電極室之間以氣密方式安裝。
氣體擴(kuò)散型電極的夾緊元件可以設(shè)計(jì)成例如接線板或適當(dāng)包封的磁性接線板，所有這些均作為安裝輔助裝置。
在插有離子交換膜的電解池的情況中，組裝后，緊固元件可通過在其后安置的對(duì)應(yīng)電板結(jié)構(gòu)上的離子交換膜支撐，并因此提供足夠的壓向氣體擴(kuò)散型電極的壓力，從而也達(dá)電連接。
在電解池情況下，該緊固元件可以在面向離子交換膜的電池一側(cè)具有與流動(dòng)方向成一直線的凹槽，當(dāng)電解池在固緊狀態(tài)時(shí)，凹槽允許電解液在電極室的隔區(qū)之間均勻流通。
內(nèi)流凹口的適當(dāng)分布，例如從下向上增加凹口數(shù)，可避免較下部電極隔區(qū)的額外液壓負(fù)荷。
在本發(fā)明特別優(yōu)越的結(jié)構(gòu)中，用彈性隔板填充窄的電極室，該彈性隔板不僅作為電解液流的隔板湍流發(fā)生器，而且還可安裝在上述緊固元件上并與其彼此夾緊，從而形成用于氣體擴(kuò)散型電極的加壓和密封的又一彈性部件。
在另一實(shí)施方案中，氣體擴(kuò)散型電極和膜之間的隔板由鎧裝線保證，該鎧裝線垂直穿過各個(gè)隔區(qū)并且在緊固元件的凹槽中被夾緊。
氣體擴(kuò)散型電極段的固位也可通過T形夾緊裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置較長的臂終止于夾板的適當(dāng)部位，該夾板以此種方式插在緊固結(jié)構(gòu)中即使得后者可以從后部被緊固，例如通過置入適當(dāng)排列的孔中的緊固楔。氣體擴(kuò)散型電極以及還可需要的密封通過用T形夾緊裝置的短臂與作為低阻抗電流輸入的夾緊結(jié)構(gòu)壓緊，確保氣密和良好的電連接。
電流可以通過已經(jīng)公知的裝置提供給氣體擴(kuò)散型電極。優(yōu)選的，電流通過氣體擴(kuò)散型電極的夾緊裝置輸入，該裝置依次以低阻抗方式與電解池后側(cè)一起連接到外部電源上，附加的金屬柵板結(jié)構(gòu)安裝在夾緊裝置上，依賴于電解液側(cè)和氣側(cè)之間的壓差，氣體擴(kuò)散型電極與柵板結(jié)構(gòu)在氣側(cè)或電解液側(cè)相接觸，并且該柵板結(jié)構(gòu)提供短的電流路徑。在氣體擴(kuò)散型電極帶有一體化金屬柵板的情況下，如果擴(kuò)散型電極在氣體室方向可以由其它簡單支柱件支撐，則夾緊裝置上的分開的金屬柵板結(jié)構(gòu)還可被省略。
電流也可優(yōu)選通過與半電池后面的低阻抗連接提供。
根據(jù)本發(fā)明半電池的優(yōu)選實(shí)施方案，其特征在于，氣腔電極的整個(gè)結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成可以從半電池例如電解半電池中可拆卸的。
本發(fā)明的半電池基本上可被用于氣體擴(kuò)散型電極直接與液體電解質(zhì)相接觸的所有電化學(xué)過程。例如本發(fā)明的半電池包括下列用途電解重鉻酸鈉；這時(shí)例如使用耗氫陽極；在陰極上的氫產(chǎn)物可以被耗氧陰極上的氧的還原所代替；在氣體擴(kuò)散型陰極上通過氧還原而生產(chǎn)過氧化氫；在堿性燃料電池中使用，例如用于濃縮氫氧化鈉溶液。這時(shí)燃料電池可以采用本發(fā)明的半電池進(jìn)行操作，用作氫轉(zhuǎn)化的陽極與用作氧還原的陰極。
市售的用于堿金屬鹵化物溶液電解的常規(guī)隔膜電解池，只要具有足夠深的陰極室，即可通過使用本發(fā)明的半電池基本上能轉(zhuǎn)換成用例如耗氧陰極的節(jié)能運(yùn)行。
特別也適用于具有垂直肋結(jié)構(gòu)或具有垂直或水平內(nèi)結(jié)構(gòu)肋的電池類。
原則上所有公知的氣體擴(kuò)散型電極可用于本發(fā)明的半電池中，例如具有一體化金屬支撐柵板或電流分布柵板的類型，或者安裝在碳?jí)K或其它導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的電極。
本發(fā)明半電池的又一優(yōu)選的實(shí)施方案公開在從屬權(quán)利要求中。
將借助附圖更詳細(xì)的說明本發(fā)明，然而該說明并不限制本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明半電池的一種方案圖，該半電池包括有汽泡通道作為耗氧陰極，該圖所示為平行于氣體擴(kuò)散型電極表面的截面圖。
圖2為圖1所示半電池沿B-B’線的截面圖。
圖3為圖1所示半電池沿C-C’線的截面圖。
圖4為圖1所示具有附加氣體輸入的半電池方案詳圖。
圖5為本發(fā)明具有側(cè)向延伸氣體收集擋板的半電池實(shí)例的截面圖。
圖6為本發(fā)明具有各個(gè)氣腔的直接氣體輸入的半電池截面圖。
圖7為圖6的半電池沿A-A’線的截面圖。
圖7a為圖7的放大詳圖。
圖8為圖6的半電池沿B-B’線的截面圖。
圖9為圖6的半電池的一種方案的截面圖，向氣腔的氣體輸入通過插入式管道進(jìn)行。
圖10為圖9的半電池沿A-A’線的截面圖。
實(shí)施例實(shí)施例1裝有耗氧陰極的電化學(xué)半電池具有下述基本結(jié)構(gòu)(參見圖2)。
半電池1與另一半電池(未示出)通過膜13相互分開。將電解液100(在此情況下為NaOH水溶液)通過輸入管線9加入到電極室20中，并且在膜13與氣體擴(kuò)散型電極14之間通過電解液間隙15流到達(dá)收集室5。電極14通過低阻抗電連接(未示出)與外部電源相連。
擴(kuò)散型電極14后面的氣體室2被細(xì)分為疊置的氣腔2a、2b、2c和2d。且氣腔2a-2d后面的后部室3含有電解液100，該電解液通過收集室5與電解液間隙15中的電解液100呈壓力平衡。
各種實(shí)施例相互之間所遵循的基本區(qū)別在于氣腔2a-2d的氣體流入和氣體流出的特殊結(jié)構(gòu)。
當(dāng)在最低的氣腔2a直接輸入氣體后，過剩的氣體通過浸入管12a導(dǎo)入到汽泡通道3a中，如圖1所示。汽泡通道3a在其頂部開口并因此與后部室3的壓力補(bǔ)償電解液100相連。氣泡通道3a的側(cè)壁和頂部是封閉，直到下一個(gè)較高的氣腔2b的開口7處。汽泡通道3a的后側(cè)或者由電化學(xué)半電池1(參見圖2:B-B’截面圖)的后壁構(gòu)成或者由單獨(dú)的外壁(未示出)構(gòu)成。后一種結(jié)構(gòu)使例如插入的氣腔可以獨(dú)立安裝和拆除。考慮到汽泡通道中的氣泡效應(yīng)，上升的氣泡在汽泡通道3a上部區(qū)域中的電解液在彎月面處分離，該汽泡通道達(dá)到浸入管12b的端部，在考慮到在氣泡通道3a中的氣泡效應(yīng)，將剩余氣體排到下一個(gè)較高氣腔2b另一側(cè)。在壓力補(bǔ)償回流液體，在此情況下為參與反應(yīng)的電解液100中的壓力平衡可通過后部結(jié)構(gòu)元件6a-6d上的孔19(參見圖3C-C’截面圖)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)置于后部室3和電解液分布室20之間的擋板18保證了穿過位于膜13和氣體擴(kuò)散型電極14之間的電解液間隙15的快速流動(dòng)，在上部收集室5中電解液間隙15和后部室3相互連通以實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償。
實(shí)施例2在示于圖1并且更詳細(xì)地示于圖4的特別優(yōu)選的半電池方案中，汽泡通道3a-3d沒有直接通向各個(gè)氣腔2a、2b、2c、2d的開口，而在汽泡通道3a-3d旁，用在區(qū)域22中僅向下開口的收集氣泡的上部區(qū)域中的側(cè)面連接件21。經(jīng)噴射而破裂的靜止氣泡從區(qū)域22穿過孔23而進(jìn)入下一個(gè)氣腔2b-2d，如圖4所示。水平布置的汽泡通道3a-3d是任意的，并且僅視各個(gè)電化學(xué)半電池的結(jié)構(gòu)邊界條件來確定。在每種情況下，快速流過氣腔2a、2b、2c和2d的決定因素僅為每個(gè)氣腔2a-2d的氣體流入和氣體流出口側(cè)面位置，在氣體流出的情況下，還可通過在與氣體流入相對(duì)一側(cè)的內(nèi)置的將氣體導(dǎo)向側(cè)面的氣體收集管(未示出)來實(shí)現(xiàn)。
在兩種情況下，外加的電極氣體通過類似的子組件以串級(jí)方式從較低氣腔2a-2c進(jìn)入下一較高氣腔2b-2d，并達(dá)未被消耗電極氣體的排放處，例如與電解液一起通過管道11被排出。
該變化特別適用于具有垂直布置結(jié)構(gòu)的電解槽。
實(shí)施例3獲得壓力補(bǔ)償?shù)牧硪豢商娲椒?，其特征在于下列因素如?shí)施例1所述，當(dāng)最低的氣腔2a充入氣體后，過剩的氣體通過相應(yīng)于圖5的開口30a離開所有側(cè)壁均為封閉的氣腔2a，并且在側(cè)擋板31a處收集，該側(cè)擋板本身分別在后側(cè)封閉或與電化學(xué)半電池的后壁形成氣密。過剩的電極氣體通過下部開口并且與壓力補(bǔ)償液體相連的側(cè)擋板31a冒泡，進(jìn)入側(cè)擋板32a，該側(cè)擋板的結(jié)構(gòu)類似于擋板31a。側(cè)擋板32a側(cè)向延伸足夠的距離以使從氣腔31a上升的氣泡更可靠地被捕獲。在此收集電極氣體并且通過開口30b進(jìn)入下一較高氣腔2b。過剩的氣體通過開口30c離開氣腔2b，溢流，并且被側(cè)擋板32b收集。與實(shí)施例1所描述的方式相類似，該過程以串級(jí)方式重復(fù)直至氣體離開電池。主要特征是側(cè)擋板外的區(qū)域和氣腔2a-2d后面的區(qū)域總是充滿壓力補(bǔ)償液體。此種結(jié)構(gòu)可以建造特別扁平的半電池。
實(shí)施例4對(duì)于特殊用途，例如在有害氣體聚集的情況下，這在氣腔2a-2d的串級(jí)布置中，特別是在上部氣腔中是無法避免的，則需要直接向各個(gè)氣腔2a-2d中輸入新鮮的電極氣體。在圖6的實(shí)施方案中，用于氣體流出的汽泡通道42a至42d其設(shè)計(jì)與實(shí)施例1中相似。然而，與實(shí)施例1中相反，各個(gè)氣體流入通道40a、40b、40c和40d直接伸向各個(gè)氣腔，并且通過相應(yīng)的開口，如圖7中的A-A’截面圖的41c所示，而進(jìn)入氣腔2c。重要的是汽泡通道40a-40d在底部開口，并且直接與壓力補(bǔ)償液體(電解液100)連通。汽泡通道通過分布管44充入氣體，它通過每一個(gè)噴嘴45將氣體輸送到相應(yīng)的汽泡通道40a-40d中。由于與壓力補(bǔ)償液體直接連通，所以各個(gè)噴嘴45為等壓條件，其結(jié)果導(dǎo)致均勻輸入到相應(yīng)的汽泡通道中。為了防止電解液100回流入噴嘴45，后者覆蓋有鐘罩形帽46(見圖7a中A-A’截面圖的詳圖A)。受控的氣泡釋放發(fā)生在帽46較低端部的狹縫47處。電極氣體流過氣腔并離開氣腔例如氣腔2c，并在其對(duì)面經(jīng)過浸入管42c如圖8中帶壓力補(bǔ)償?shù)腂-B’截面圖所示。后部結(jié)構(gòu)元件6a-6e中的空隙19依次保證氣泡的自由上升以及所需壓力平衡。
實(shí)施例5本發(fā)明的又一方案示于圖9中此處氣體通過直接插入管50a、50b、50c和50d被輸入到各個(gè)氣腔2a-2d中。在此情況下，為了能夠確保均勻地給氣腔2a-2d供氣，每個(gè)管50a-50d必須根據(jù)所屬氣腔中的壓力關(guān)系利用輸入管道51上的節(jié)流閥52a-52d來調(diào)節(jié)。然而，調(diào)節(jié)器可是一次性方式或永久安裝方式。如圖10中的A-A’截面圖所示，按照與前述實(shí)施例相同的方式，未消耗的電極氣體流過所述氣腔2c后通過浸液管42c離開氣腔2c。在兩種情況下，后部結(jié)構(gòu)元件6a-6e具有空隙以確保氣泡自由地輸送及壓力平衡。
特別是，最后的方案使得特殊的扁平半電池結(jié)構(gòu)成為可能。
權(quán)利要求
1.一種電化學(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)，該氣腔相互分開并且具有與電解液(100)連通的開口(7)，以使每個(gè)氣腔(2a,2b,2c,2d)中的壓力通過連通電解液(100)的開口(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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半電池，其特征在于，氣體流入口(7)和氣體流出口(12a,12b,12c,12d)在各個(gè)氣腔(2a,2b,2c,2d)中相互之間側(cè)向布置，以使氣腔(2a,2b,2c,2d)中的電極氣體呈側(cè)向流動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2的半電池，其特征在于，通過將較低氣腔(2a,2b,2c)的氣體流出口(12a,12b,12c,12d)與疊置在上的氣腔(2b,2c,2d)的氣體流入口(3a,3b,3c,3d)相連，而使疊置的氣腔(2a,2b,2c,2d)以串級(jí)式相互連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-2的半電池，其特征在于，氣腔(2a,2b,2c,2d)中的每個(gè)均具有直接氣體流入口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4的半電池，其特征在于，氣腔(2a,2b,2c,2d)具有用于從氣腔(2a,2b,2c,2d)中排除過剩氣體的浸入管(42a,42b,42c,42d)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5的半電池，其特征在于，氣腔(2a,2b,2c,2d)具有用于接受流入的電極氣體的汽泡通道(3a,3b,3c,3d)，該通道直接或間接與開口(7)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6的半電池，其特征在于，氣腔(2a,2b,2c,2d)具有作為氣體流入的側(cè)向氣體收集擋板(32a,32b,32c,32d)和/或作為氣體流出的側(cè)向擋板(31a,31b,31c,31d)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7的半電池，其特征在于，氣腔(2a,2b,2c,2d)有供電解液(100)用的開放汽泡通道(40a,40b,40c,40d)以用于直接獨(dú)立氣體輸入。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半電池，其特征在于，向汽泡通道(40a,40b,40c,40d)的氣體輸入通過節(jié)流噴嘴(45)進(jìn)行，該噴嘴還可以用具有側(cè)壁狹縫的鐘罩(46)覆蓋。
10.根據(jù)權(quán)利要求4的半電池，其特征在于，氣腔(2a,2b,2c,2d)具有用于直接氣體流入的插入管(50a,50b,50c,50d)，還可附加控制閥(52a,52b,52c,52d)以調(diào)節(jié)流入氣腔(2a,2b,2c,2d)的氣流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10的半電池，其特征在于，疊置氣腔(2a,2b,2c,2d)的氣體流入口(7)和氣體流出口(12a,12b,12c,12d)位于交替?zhèn)然蛭挥谙嗤瑐?cè)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11的半電池，其特征在于，氣體擴(kuò)散型電極(14)前面區(qū)域和后面區(qū)域之間的壓差可以通過將電解液間隙(15)和電解液后部室(3)的水力學(xué)分離進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12的半電池，其特征在于，流入最低氣腔(2a)的氣體流入(10)與電解液流入(9)一起同軸地通過連接管(10)進(jìn)入電極室(3,15)中，和/或過剩氣體與電解液一起通過流出管(11)而排放。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13的半電池，其特征在于，電解液間隙(15)在頂部與氣腔(2a,2b,2c,2d)后面的電解液后部室(3)水力學(xué)連通，并溢流入氣腔,過剩氣體與電解液(22)一起排出是通過在氣腔(2a,2b,2c,2d)后面區(qū)域中的豎管向下進(jìn)行或者通過帶有位于同樣高度的氣體-液體分離器的側(cè)向布置的管道進(jìn)行。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的半電池，其特征在于，電解液(100)的液位可相應(yīng)于電解液間隙(15)中的電解液(100)液位作不同的調(diào)節(jié)，它是通過氣腔(2a,2b,2c,2d)后面的電解液后部室(3)中的豎管的高度或者通過側(cè)向布置管道的高度來調(diào)節(jié)，由此，對(duì)所有氣腔(2a,2b,2c,2d)來說，氣體室(2)與電解液間隙(15)之間的壓差可同樣改變。
全文摘要
本發(fā)明涉及電化學(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分別的開口(7)和(12a,12b,12c,12d)進(jìn)行,并且電極(14)的電解液側(cè)的壓力通過各個(gè)氣腔(2a,2b)中通電解液的開口而得到補(bǔ)償。
文檔編號(hào)H01M4/86GK1221461SQ97195317
公開日1999年6月30日 申請(qǐng)日期1997年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者F·蓋斯特曼, H·D·平特 申請(qǐng)人:拜爾公司