專利名稱：電化學(xué)半電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)半電池，尤其是用于電解堿金屬氯化物水溶液的電化學(xué)半電池。
由DE-A-44 44 114已知一種用于電解堿金屬氯化物水溶液的電化學(xué)半電池，其具有多個相互疊置的氣體袋，其中在每個氣體袋和電解液室之間均存在氣體擴散電極(GDE)。氣體擴散電極借助支撐元件固定和密封到半電池的結(jié)構(gòu)元件上，該支撐元件例如被設(shè)計為夾板。夾具連接的一個重要缺陷在于其不能長時間確保氣體室和電解液室間足夠的密封性。對于工業(yè)實現(xiàn)來說要求超過三年的使用壽命，因為否則就得不到經(jīng)濟的利用。此外在電解池中還會發(fā)生輕微的壓力增大，這可以使GDE的夾具連接變松。由此損害了該連接的密封性，使得氣體從氣體袋漏到電解液室或者電解液流到氣體袋中。
EP-A-1 029 946中記載了一種氣體擴散電極，其由活性層、氣體擴散層和收集板(例如銀網(wǎng))構(gòu)成。涂層未完全覆蓋收集板，而是讓不含涂層的邊沿凸出。將薄的框形金屬板(優(yōu)選由銀制成)施加到所述氣體擴散電極上，使得金屬框覆蓋電化學(xué)活性涂層的盡可能小的表面。在氣體擴散電極上凸出的框的作用在于例如借助焊接連接氣體擴散電極和半電池外殼。這種連接方法是復(fù)雜的并且覆蓋了GDE表面的一部分，由此自由GDE表面的局部電流密度上升且電解池的性能由于較高的電解電壓而下降。此外復(fù)雜的結(jié)構(gòu)還意味著電解池的高制造成本。
EP-A-1 041 176同樣記載了具有不含涂層的邊沿的氣體擴散電極，其中該氣體擴散電極在不含涂層的邊沿區(qū)域借助焊接與陰極半電池的電流收集框相連。處于兩個相鄰氣體擴散電極之間的空腔借助耐堿材料密封。這種構(gòu)造方法的缺點在于為了足夠的密封性需要密封材料。密封效果在電解池的操作期間下降，使得從經(jīng)濟的角度來看使用壽命不夠長。
由于必須將氣體擴散電極和電解池相連接，尤其在工業(yè)實施時注重低電阻連接。即使最低的結(jié)電阻也會在工業(yè)電解池導(dǎo)致已經(jīng)過于明顯的經(jīng)濟缺點。如在DE-A-44 44 114中所述，低電阻連接通?？梢酝ㄟ^短的電流路徑來產(chǎn)生。當(dāng)兩種金屬通過焊縫或者焊接進行連接時，低電阻連接尤其是通過金屬-金屬接觸得到。由此所述GDE的基材最好和電解池的支撐結(jié)構(gòu)借助焊接或者焊縫低電阻連接。其還必須起到密封作用。
本發(fā)明的任務(wù)在于在電化學(xué)半電池中低電阻地(即以盡可能低的歐姆電阻)安裝氣體擴散電極并同時提供氣體室和電解液室之間的密封作用。氣體擴散電極的安裝必須設(shè)計為可以既不使氣體從氣體袋中進入到電解液室中也不使電解液從電解液室中進入到氣體袋中。同時應(yīng)當(dāng)通過所述安裝僅損失盡可能低的氣體擴散電極的電化學(xué)活性表面。此外這種安裝在工業(yè)上應(yīng)可盡可能簡單地進行。
本發(fā)明的主題在于一種電化學(xué)半電池，其至少由氣體室、電解液室和作為陰極或陽極的將氣體室和電解液室分開的氣體擴散電極組成，該氣體擴散電極至少包括一個導(dǎo)電基材和一個電化學(xué)活性涂層，其中所述氣體擴散電極具有不含涂層的邊沿區(qū)域并與支撐結(jié)構(gòu)相連接，其特征在于，所述氣體擴散電極在不含涂層的邊沿區(qū)域借助導(dǎo)電板與支撐結(jié)構(gòu)相連接，該導(dǎo)電板至少覆蓋了不含涂層的邊沿區(qū)域和電化學(xué)活性涂層的邊沿區(qū)域。
本發(fā)明的電化學(xué)半電池至少由氣體室構(gòu)成，該氣體室被分隔為多個相互疊置的氣體袋。每個氣體袋通過氣體擴散電極與電解液室分離。所述半電池尤其作為陰極半電池用于堿金屬氯化物水溶液的電解。電解液室用電解液例如堿金屬氫氧化物水溶液填充。在此氣體擴散電極用作耗氧陰極。所述氣體袋用氣體例如空氣或氧氣流過，其中所述氣體通入到最下面的氣體袋并由此以串聯(lián)方式流過置于其上的氣體袋。過量氣體從最上面的氣體袋流出。具有氣體擴散電極的電解電池的按照壓力補償原理進行的運行方式例如記載在DE-A-4444114中。
所述氣體擴散電極至少由導(dǎo)電基材和電化學(xué)活性涂層構(gòu)成。該導(dǎo)電基材優(yōu)選是金屬、尤其是由鎳、銀或者鍍銀的鎳構(gòu)成的網(wǎng)、織物、編織物、針織物、無紡織物或者泡沫材料。電化學(xué)活性涂層優(yōu)選至少由催化劑例如銀(I)氧化物和粘合劑例如聚四氟乙烯(PTFE)構(gòu)成。電化學(xué)活性涂層可以由一層或者多層涂層構(gòu)成。此外可以向基材施加氣體擴散涂層(例如由碳和聚四氟乙烯的混合物形成)。
一種用于制備這種氣體擴散電極的方法例如由DE-A-37 10 168已知。在施加所述涂層時，涂層組合物滲入基材的空腔并覆蓋在該基材上。
本發(fā)明的電化學(xué)半電池的氣體擴散電極沿著其四條邊具有不含涂層的邊沿區(qū)域。不含涂層的邊沿區(qū)域優(yōu)選為2-10mm，尤其優(yōu)選為4-8mm。為了制備不含涂層的邊沿區(qū)域，從邊沿區(qū)域除去電化學(xué)活性涂層和如果存在的其他涂層。
為了在半電池中安裝氣體擴散電極，將氣體擴散電極放置到支撐結(jié)構(gòu)上。該支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)選由用來制備電解半電池半殼的相同材料構(gòu)成，在堿金屬氯化物電解的情況下尤其由鎳構(gòu)成。由DE-A-44 44 114已知，該支撐結(jié)構(gòu)為框形并與氣體擴散電極和氣體袋的后壁一起構(gòu)成氣體袋的空間限定。
氣體擴散電極的導(dǎo)電性基材位于支撐結(jié)構(gòu)上，并且使得所述基材不僅在不含涂層的邊沿區(qū)域中，而且在涂層的邊沿區(qū)域內(nèi)均覆蓋在支撐結(jié)構(gòu)上。氣體擴散電極優(yōu)選直到2-8mm，尤其優(yōu)選2-5mm的涂層邊沿區(qū)域位于支撐結(jié)構(gòu)上。由此氣體擴散電極的基材優(yōu)選總共有4-18mm，尤其優(yōu)選2-13mm的區(qū)域位于支撐結(jié)構(gòu)上。
為了將氣體擴散電極和支撐結(jié)構(gòu)連接到一起，將優(yōu)選由金屬、尤其優(yōu)選由鎳構(gòu)成的導(dǎo)電板置于不含涂層的邊沿區(qū)域(即不含涂層的導(dǎo)電基材)和涂層的邊沿區(qū)域上。用導(dǎo)電板覆蓋的涂層的邊沿區(qū)域優(yōu)選為1-10mm。此外所述板可視需要在最高5mm，優(yōu)選最高3mm的區(qū)域從氣體擴散電極的基材凸出。由此該板可以與支撐結(jié)構(gòu)接觸。因而導(dǎo)電板的寬度優(yōu)選為3-21mm。將該板緊密地壓制在氣體擴散電極和支撐結(jié)構(gòu)上，因為由于密封性和流通性必須確保氣體擴散電極和支撐結(jié)構(gòu)充分接觸。
所述氣體擴散電極通過板優(yōu)選借助焊接和支撐結(jié)構(gòu)進行連接。該焊接在氣體擴散電極的不含涂層的區(qū)域進行。優(yōu)選使用激光焊接或者超聲焊接。在此一方面要考慮板的密度和板與基材間的距離的比率。尤其是在激光焊接時該比率優(yōu)選小于0.5，尤其優(yōu)選小于0.2。如果板和基材之間的距離較大，例如在基材上具有較厚涂層的情況下，那么其可以通過較厚的板補償。另一方面需要考慮的是施加到導(dǎo)電基材的涂層厚度。如果位于基材上的涂層部分大于0.5mm，以及如果板和基材之間的距離不能通過壓制板來降低到優(yōu)選小于1mm，尤其優(yōu)選小于0.5mm，那么有利的是在板和基材間插入楔形隔墊?？商鎿Q地，也可以使用較厚的板而不使用隔墊。
導(dǎo)電板優(yōu)選具有0.05-2mm的厚度。
所述板優(yōu)選以框形圍繞氣體擴散電極延伸?？商鎿Q地，也可以插入多個條狀板，這些條狀板例如在其末端疊置或者對接或斜接。通過這種方式它們同樣圍繞氣體擴散電極形成完整的框架以密封。
在一個優(yōu)選實施方式中在導(dǎo)電基材上氣體擴散電極的支承面區(qū)域或者支撐結(jié)構(gòu)的位置設(shè)有密封。所述密封處于支撐結(jié)構(gòu)和基材之間。
在另一個優(yōu)選實施方式中額外或者可替換地為了進行密封而對所述板覆蓋的邊緣區(qū)域的涂層進行親水化，以產(chǎn)生氣密性連接。所述親水化作用例如通過向涂層表面施加含有表面活性劑的溶液而進行，由此使電解液滲入到涂層中和通過毛細作用起到密封作用。
本發(fā)明的半電池的優(yōu)點在于，借助導(dǎo)電板導(dǎo)電地連接氣體擴散電極和支撐結(jié)構(gòu)，并同時實現(xiàn)氣體室對電解液室的密封，使得電介質(zhì)不能進入氣體室和氣體不能進入電解液室。由此通過所述安裝損失盡可能小的氣體擴散電極的電化學(xué)活性表面。電化學(xué)活性表面的過大損失會導(dǎo)致陽極面積和氣體擴散電極的面積差異過大，因而尤其在GDE操作的膜裝置改型的情況下必須以提高的電流密度和由此以提高的電壓操作電解電池，如果生產(chǎn)能力不相應(yīng)降低的話。
下面參照附圖進行詳細說明。


圖1為本發(fā)明的半電池的第一實施方式的示意圖。
圖2為具有密封件的第二實施方式的示意圖。
圖3具有楔形隔墊的第三實施方式的示意圖。
圖1示出了在氣體室2邊沿具有支撐結(jié)構(gòu)1的電化學(xué)半電池的氣體室2。氣體擴散電極6(由導(dǎo)電基材5和電化學(xué)活性層4構(gòu)成)位于支撐結(jié)構(gòu)1上。支撐結(jié)構(gòu)1、氣體擴散電極6和后壁11以氣體袋形式構(gòu)成氣體室2。
氣體擴散電極6具有不含涂層的邊緣區(qū)域8，在此去掉涂層并露出基材5。涂層4滲透通過基材5并位于其上。氣體擴散電極6的不含涂層的邊沿8和涂層4的邊沿區(qū)域7位于支撐結(jié)構(gòu)1上。導(dǎo)電板3位于氣體擴散電極6上，從而覆蓋不含涂層的邊沿8和涂層4的邊沿區(qū)域7。此外，該導(dǎo)電板凸出于不含涂層的邊沿8之外，使得其位于支撐結(jié)構(gòu)1上。在不含涂層的邊沿8的范圍內(nèi)，所述板3和氣體擴散電極6以及半電池1優(yōu)選借助焊接連接。
在圖2中提供了另一實施方式，其中相同或者相似的構(gòu)件具有相同的標(biāo)識數(shù)。該實施方式與圖1中提出的實施方式的區(qū)別在于，在支撐結(jié)構(gòu)1和氣體擴散電極6之間配備有密封件9。
圖3中的第三實施方式中相同或者相似的構(gòu)件同樣具有相同的標(biāo)識數(shù)。與圖1中示出的實施方式相比，區(qū)別在于在導(dǎo)電板3和不含涂層的邊沿8之間插入了楔形隔墊10。當(dāng)氣體擴散電極6的涂層4的厚度使得板3和基材5之間的距離過大時為了產(chǎn)生板3和氣體擴散電極6以及支撐結(jié)構(gòu)1的連接，配備了隔墊10。
實施例實施例1同質(zhì)的氣體擴散電極使用了由導(dǎo)電基材和電化學(xué)活性層構(gòu)成的氣體擴散電極，其中電化學(xué)活性層由銀(I)氧化物和PTFE的混合物構(gòu)成。氣體擴散電極的基材由鎳網(wǎng)構(gòu)成，其線厚度為0.14mm而網(wǎng)眼寬度為0.5mm。氣體擴散電極在4mm的邊沿區(qū)域露出含銀(I)氧化物/PTFE的層。在支撐結(jié)構(gòu)和氣體擴散電極之間插入PTFE密封件。放置具有1mm厚度和8mm寬度的鎳金屬條，使得完全覆蓋不含涂層的邊沿和覆蓋4mm的氣體擴散電極的邊沿區(qū)域。隨后將所述鎳條壓制到支撐結(jié)構(gòu)上并借助激光焊接與基材和支撐結(jié)構(gòu)連接。
實施例2雙層設(shè)計的氣體擴散電極使用了具有兩個層的氣體擴散電極，兩層為由PTFE和碳構(gòu)成的氣體擴散層，和由PTFE、碳和銀構(gòu)成的電化學(xué)活性層。氣體擴散電極的導(dǎo)電基材由鍍銀鎳網(wǎng)構(gòu)成，其線厚度為0.16mm而網(wǎng)眼寬度為0.46mm，該氣體擴散電極在4mm邊沿區(qū)域內(nèi)除去由氣體擴散層和電化學(xué)活性層組成的涂層。在支撐結(jié)構(gòu)和氣體擴散電極之間插入PTFE密封件。在氣體擴散電極的涂層的邊沿區(qū)域親水化該涂層。為此用含表面活性劑(Triton-X-100溶液，Merck公司)的溶液涂覆。放置具有1mm厚度和8mm寬度的鎳金屬條，使得完全覆蓋不含涂層的邊沿和覆蓋4mm的氣體擴散電極的邊沿區(qū)域。隨后將所述鎳條壓制到支撐結(jié)構(gòu)上并借助激光焊接與基材和支撐結(jié)構(gòu)連接。
權(quán)利要求
1.電化學(xué)半電池，其至少由氣體室(2)、電解液室和作為陰極或陽極的將氣體室(2)和電解液室分開的氣體擴散電極(6)組成，該氣體擴散電極至少包括導(dǎo)電基材(5)和電化學(xué)活性涂層(4)，其中所述氣體擴散電極(6)具有不含涂層的邊沿區(qū)域(8)并與支撐結(jié)構(gòu)(1)相連接，其特征在于，所述氣體擴散電極(6)在不含涂層的邊沿區(qū)域(8)借助導(dǎo)電板(3)與支撐結(jié)構(gòu)(1)相連接，該導(dǎo)電板至少覆蓋了不含涂層的邊沿區(qū)域(8)和電化學(xué)活性涂層(4)的邊沿區(qū)域(7)。
2.權(quán)利要求1的電化學(xué)半電池，其特征在于，所述不含涂層的邊沿區(qū)域(8)為2-10mm，優(yōu)選4-8mm。
3.權(quán)利要求1或2的電化學(xué)半電池，其特征在于，由導(dǎo)電板(3)覆蓋的電化學(xué)活性涂層(4)的邊沿區(qū)域(7)為2-8mm，優(yōu)選2-5mm。
4.權(quán)利要求1-3中任一項的電化學(xué)半電池，其特征在于，氣體擴散電極(6)與支撐結(jié)構(gòu)(1)經(jīng)導(dǎo)電板(3)借助焊接進行連接。
5.權(quán)利要求1-4中任一項的電化學(xué)半電池，其特征在于，所述導(dǎo)電板具有0.05-2mm的厚度。
6.權(quán)利要求1-5中任一項的電化學(xué)半電池，其特征在于，所述導(dǎo)電板由金屬構(gòu)成，優(yōu)選由鎳構(gòu)成。
7.權(quán)利要求1-6中任一項的電化學(xué)半電池，其特征在于，在上支撐結(jié)構(gòu)(1)氣體擴散電極(6)的支承面區(qū)域配備有密封件(9)。
8.權(quán)利要求1-7中任一項的電化學(xué)半電池，其特征在于，在涂層(4)的邊沿區(qū)域(7)施加含表面活性劑的溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電化學(xué)半電池，其至少由氣體室(2)、電解液室和作為陰極或陽極的將氣體室(2)和電解液室分開的氣體擴散電極(6)組成，該氣體擴散電極至少包括導(dǎo)電基材(5)和電化學(xué)活性涂層(4)，其中所述氣體擴散電極(6)具有非經(jīng)涂覆的邊沿區(qū)域(8)并與支撐結(jié)構(gòu)(1)相連接，其特征在于，所述氣體擴散電極(6)在不含涂層的邊沿區(qū)域(8)借助導(dǎo)電板(3)與支撐結(jié)構(gòu)(1)相連接，其至少覆蓋了不含涂層的邊沿區(qū)域(8)和電化學(xué)活性涂層(4)的邊沿區(qū)域(7)。
文檔編號C25B11/03GK1816649SQ200480019039
公開日2006年8月9日 申請日期2004年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者A·布蘭, F·格斯特爾曼, P·法比安 申請人:拜爾材料科學(xué)股份公司, 德諾拉德國有限責(zé)任公司