CN1208501C - 带活性气体/液体分隔的膜电解电池 - Google Patents

带活性气体/液体分隔的膜电解电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学半电池(1)，它至少由膜(4)、还可有作为阳极或阴极的释放气体的电极(3)、还可有气体出口(8；16)和支承结构(12)组成，该支承结构还可使释放气体的电极与半电池后壁(15)联接，其特征在于，支承结构(12)将半电池(1)的内部空间(13)分隔成一些垂直排列的通道(5，9)，而且电解质(14)在朝向电极(3)的电极通道(9)中向上流动，并在背向电极(3)的通道(5)中向下流动，而且电极通道(9)和背向电极(3)的通道(5)在其上端和其下端是相互联接的。

Description

带活性气体/液体分隔的膜电解电池
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***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EP 0579910A1提出了一种激发内部自然循环的***，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EP 0599363A1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。
实验经验表明，特别有利的是整个结构(直到最下部的联接开口和最上部的型板上面数毫米宽的联接缝隙)皆由一个功能装置构成，以完成下列功能：
-  通过上面的所谓的“气泡喷嘴”将气泡从电解质中分离，以便能使电解质和气体产物分开或呈相分离地一起导出，但首先应无任何压力波动。
-  通过整个高度剧烈自然循环使垂直温度分布均匀，以使膜的功能最佳化。
-  通过相同的机制使垂直浓度分布均匀，以使膜功能最优化。
-  在NaCl-电解时有目的的使盐水酸化，使垂直pH分布均匀，以改进氯的利用率和质量。盐水的局部过度酸化对膜有害。
除了水力学功能之外，支承结构还完成电极的机械支承功能，以及电极和电池后壁低欧姆连接的功能。
在一个优选方案中，支承结构与电极通道和下流通道至少充填半电池内部空间的90％。
支承结构宜是导电的，并与电极和特别是半电池的后壁有导电联接。
电极宜与半电池的支承结构有导电联接，并安装在支承结构上。
为了调节电解质的温度，电解质的入口宜接有换热器，通过该换热器新鲜的电解质及还可有从出口返回的经除气的电解质引入半电池，这样可能形成调温的电解质循环。
垂直装入半电池的结构部件宜与电极呈电接触，并以如下方式支承电极，即导流结构被***到结构部件之间，并由电极保持住。导流结构宜由金属或塑料构成，且导流结构，包括型板结构，宜以整件置于整个部件平面上。
无压力冲击和气泡的完全分离，加上均匀的温度分布、浓度分布和pH分布均匀对于气体扩散电极在半电池中的应用具有特殊的意义，不管它在阳极侧或在阴极侧，在膜的另一侧进行的气体释放过程皆是如此。在这些情况下，欧姆热损失的导出在很大程度上或全部经电解池的气体释放侧的电解质实现，这取决于气体扩散电极的工作方式。
在阳极室转化的电解质例如可是氯化钠水溶液或者盐酸溶液，在这种情况下作为阳极气体释放出氯。对电极是一种耗氧阴极。
如在NaCl电解时，阴极侧是使用一种带狭窄阴极电解液间隔的耗氧阴极，如EP 0717130B1及其后继专利报导那样，则阴极侧的热导出只通过活塞式流动而不通过湍流实现，这样使热平衡更多地转移到阳极侧，人们不希望在过高的阴极侧的加热范围下运行，因为这种情况会不利于膜。这样必须采用简单方式供应冷却的电解质，或者还可用冷却的阳极电解液循环，以便使电池内部的温度分布保持最优化的水平。
如果采用安放的耗氧阴极进行NaCl电解或HCl电解，则阴极侧的热导出是勉强够格的；热实际上完全经过阳极电解液带出。这通常需要带冷却的外部阳极电解液循环。
在所有这些情况下，温度、浓度、还有pH值的内部均匀分布将具有特别重要的意义，因为向电池供应的电解质的量与内循环相比有所增加，这样内循环应特别剧烈，以避免仅局部不均匀。这特别适用于NaCl-电解时盐水的特别希望的强烈的酸化，这种酸化在一般情况应按最低的局部pH值进行。
如果在耗氧阴极之前采用带有限的阳极电解液的半电池，则部分热损失在阴极侧将通过这个阴极电解液间隙的穿流和外部冷却而得到消散，同时大部分热损失将随阳极电解液流排出。
如果相反，在膜上安置有耗氧电极(零间隙)的半电池，则总的热损失将经阳极电解液流导出。
本发明半电池的其它优点也在于其电解质温度的垂直方向的均匀和电解质浓度的垂直方向的均匀。
本发明的半电池总的说来可应用于所有的释放气体的电解。对于电解质和气体难于相互分离的电解，更具有特殊的意义。
本发明将在下面借助附图举例详细说明，但这并不限制本发明。
图1表示本发明的半电池在无电流导入的情况下的截面图，它相当于图3中B-B′横截面。
图2表示本发明的半电池相当于图3中A-A′线的纵截面。
图3表示本发明的去除电极的半电池的前视图。
图4表示本发明半电池流经的另一种结构。
实施例
在半电池1中导电地焊接流动结构和支承结构12(图1)。它支承电极结构3，再置膜4于其之上或者与电极结构3保持小的距离。
支承结构12由梯形金属薄板构成，这些板形成多个垂直通道，后者交替地朝向电极开口或者作为下流通道朝向后壁15。
新鲜的电解质17经入口管10通过多个开口11流入半电池的内部空间13，而且开口11的分布向每个朝向电极开口通道9供应电解液。根据用途，开口11(多个)亦可安排在下流通道5之下，以便改进新鲜的电解质和在下流通道5中向下流动的电解质之间的混合(参见图2)。
在电极3上气体释放使电解质上升入向电极开口的通道9。分散有气泡的向上流动的电解质14在来自梯形板的型板结构2上折向电极。它将在电极3和型板结构2之间的间隙中加速，再在型板结构上面的通道9的再扩大截面中膨胀。通过交替的加速和膨胀可以达到一种很有效的气泡分离，这样在型板的背面已经实现了电解质和电极气体最大程度的分离。型板结构只冲入上流通道9中，但它朝下流通道5开口。这样除气的重电解质将向下流入下流通道5，与下面流动的新鲜电解质混合，并由于在电极结构上的气体释放重新变为向上流的物流，这样就实现了一种剧烈的自然对流(参见图3)。
多余的电解质18与在型板2后面分离出的气体一道或者经过直立管8，如图1和图3所示，或者经侧面出口16，如图2以及图3所示的另一种方式流出半电池1。
可用代替梯形板形成的流动结构的另一种方案也能取得相当的效果(参看图4)。在作为阳极或阴极的气体释放电极3经垂直***的结构部件29与半壳1的背面联接的情况下，可在这些结构部件之间使用带有气泡上升流区20和下降流区21的半圆形的导流结构28，作为有气泡上升流区24和下降流区25的对角部件27，或者作为有气泡上升流区22和下降流区23的平行的沿背面延伸的分离部件26。特别是分离部件26亦可作为贯通板以合适的方式穿过结构部件29，并沿整个部件的宽度伸展。如果在电极3焊入之前和分离部件固定之前将这些分离部件单个***结构部件29之间，这种方式亦是有利的。
重要的是各个流动通道以类似于梯形结构沿部件的整个高度延伸并在上部区域内以类似于型板结构2使气泡上流区(这里未示出)变窄，以在通过收缩处之后引发电解质的脱气。由于分离部件26、27、28不具有任何导电功能，所以它们不仅可用金属制造，亦可由不导电的合适塑料制成，它们只需具有合适的化学稳定性和耐热性。根据其应用，这里建议采用如EPDF；Halar或Telene。
实施例1
NaCl实验性电解电池具有4个双极部件，其面积各为1224×254mm2，而且其高相当于全工业规模高度，在阳极半电池1的深度为31mm的情况下，实现两个全上流通道和两个半上流通道9，以及3个下流通道5，以折褶金属薄板12作为支承结构，支承结构将半电池的内部空间分隔(图1表示一种带有4个半的完整上流通道9和4个半的完整的下流通道5)。阳极3的电流接触由半电池后壁15经支承结构12实现。型板结构2在上端呈大约60°覆盖上流通道9，并使流动截面收缩窄到宽度为6mm的朝向电极3的间隙7。型板2的弯曲部件6使一8mm的间隙朝向半电池1的上棱，使两相物流自由贯通至其后面(参见图2)。通向下流通道5贯通孔是开口的使脱气的电解质14不受阻的向下流动。在下端保留宽约20mm的间隙，通过这个间隙向下流动的脱气盐水14与从导管10的开口11送入的新鲜盐水16一道重新流入上升通道9，在那里它重新富集阳极气体。多余的阳极电解液盐水通过直立管8取出，该管在稍低于型板2的上棱的地方终止，并向下从电池1流出。在未示出的阴极-半电池中，采用耗氧电极，其方式为有限间隙模式，阴极电解液间隙为3mm。
在一个长时间的实验中曾经试验在多大程度上能实现相分离，是否电池能在无压力波动下工作。结果表明，半电池在3-7kA/m2的工作范围内能使气体与电解质完全分离，即是说，流出的阳极电解液完全无气泡，并且完全均匀流动，无任何可感和可见的波动。
实施例2
曾经试验了一种运行方式，这种方式中通过匹配的阴极电解液循环以预冷的盐水以这种方式调节热平衡，即使进入温度限为85℃。根据所设定的电流密度得到下列加热范围：
    电流密度(kA/m2)   盐水(℃)   碱液(℃)     碱液泵送率(l/h)     盐水泵送率(l/h)
    3   77-85   77-85     250     -
    4.5   68-85   75-85     250     -
    6   44-85   77-86     400     50
结果表明，在电流密度很高的情况下，为导出热量需补加一带预冷却的中等的阳极电解液循环。只有这样在工业规模盐水流入温度下，才可将阴极电解液侧的加热范围压到＜10K。

Claims (21)

1.一种电化学半电池(1)，它至少包含膜(4)、作为阳极或阴极的释放气体的电极(3)、气体出口(8；16)和支承结构(12)，该支承结构使该电极(3)与半电池后壁(15)联接，其特征在于，支承结构(12)将半电池(1)的内部空间(13)分隔成一些垂直排列的通道(5，9)，而且电解质(14)在朝向电极(3)的电极通道(9)中向上流动，并在背向电极(3)的通道(5)中向下流动，而且电极通道(9)和背向电极(3)的通道(5)在其上端和其下端是相互联接的，并且相互交替地一个接一个排列，电极通道(9)的上端有截面收缩区(7)，其中该收缩区(7)由成角度的导向结构(2)形成并且导向结构(2)和支承结构(12)形成一体。
2.权利要求1的半电池，其特征在于，流向向下的通道(5)和电极通道(9)具有梯形截面。
3.权利要求1-2之一的半电池，其特征在于，流向向下的通道(5)和电极通道(9)由折褶金属薄板作为支承结构(12)来形成。
4.权利要求3的半电池，其特征在于所述金属薄板是导电的。
5.权利要求1-4之一的半电池，其特征在于，电极通道(9)在收缩区(7)的截面积与电极通道(9)在收缩区(7)以下的截面面积之比为1∶2.5-1∶4.5。
6.权利要求1-5之一的半电池，其特征在于，电极通道(9)的收缩区(7)具有截面保持不变的区域，而且这个区域的高度与活性膜面高度的比值最高可达1∶100。
7.权利要求1-6之一的半电池，其特征在于，成角度的导向结构(2)以流动转向型板的形式形成。
8.权利要求7的半电池，其特征在于，以流动转向型板的形式形成的成角度的导向结构(2)向电极弯曲。
9.权利要求1-8之一的半电池，其特征在于，电极通道(9)在收缩区(7)之上具有截面的扩大区(6)。
10.权利要求1-9之一的半电池，其特征在于，支承结构(12)在电极通道(9)和流向向下的通道(5)的整个高度内呈整体的。
11.权利要求1-10之一的半电池，其特征在于，半电池具有用于脱气的电解质和在电解中生成的任何气体的出口(8；16)，该出口刚好位于电极通道(9)的上端。
12.权利要求11的半电池，其特征在于所述出口(8)是直立管。
13.权利要求11的半电池，其特征在于所述出口(16)是安置在电池侧壁的侧面出口。
14.权利要求1-13之一的半电池，其特征在于，支承结构(12)连同电池通道(9)和下流通道(5)至少充满半电池(1)的内部空间(13)的90％。
15.权利要求1-14之一的半电池，其特征在于，支承结构(12)是导电的，并且与电极(3)和半电池(1)的后壁(15)有导电联结。
16.权利要求1-15之一的半电池，其特征在于，电极(3)与半电池(1)的支承结构(12)有导电联接，并固定在支持结构(12)上。
17.权利要求1-16之一的半电池，其特征在于，电解质(14)是氯化钠水溶液或盐酸溶液，而且电极(3)是释放氯的阳极，而相关阴极作为耗氧阴极运行。
18.权利要求1-17之一的半电池，其特征在于，电解质(14)的入口(10，11)的上游有换热器，新鲜电解质和还可有从出口(8；16)再循环的脱气的电解质通过换热器送入半电池(1)。
19.权利要求1-18之一的电化学半电池，其特征在于，垂直装入半电池(1)的结构部件(29)与电极(3)呈电接触，并以如下方式支承电极(3)，即导流结构(26)，(27)或(28)被***到结构部件之间，并由电极保持住。
20.权利要求19的半电池，其特征在于，导流结构(26)，(27)或(28)由金属或塑料构成。
21.权利要求19或20的半电池，其特征在于，导流结构(26)，包括型板结构，是以整件置于整个部件平面上。
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