减小体积的电氯化电池及其制造方法技术

电化学电池包括外壳和阳极‑阴极对，所述外壳具有入口、出口和中心轴，所述阳极‑阴极对围绕中心轴被同心地设置在外壳内并且界定在阳极‑阴极对的阳极和阴极之间的有效面积。阳极和阴极中的至少一个的有效表面积具有比外壳的内表面的表面积大的表面积。阳极‑阴极对被配置且被布置成引导穿过电化学电池的所有流体轴向地通过有效面积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】减小体积的电氯化电池及其制造方法相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2015年2月17日提交的题为“ELECTROCHLORINATIONCELLSWITHSPIRALELECTRODESANDMETHODSOFMANUFACTURINGSAME”的美国临时申请序号62/116,979和于2015年5月6日提交的题为“ELECTROCHLORINATIONCELLSWITHMULTI-TUBEELECTRODESANDMETHODSOFMANUFACTURINGSAME”的美国临时申请序号62/157,504的优先权。为了所有的目的，这些申请的每个都通过引用以其整体并入本文。背景1.专利
本文公开的方面和实施方案总体上涉及电化学装置，并且更具体地涉及电氯化电池(electrochlorinationcell)和电氯化装置、制造其的方法以及利用其的系统。2.相关技术的讨论基于在电极处的化学反应的电化学装置被广泛地应用于工业实施和市政实施。反应的实例包括：A.电氯化，其中从氯化钠和水产生次氯酸钠。在阳极处的反应：2Cl-→C12+2e-在阴极处的反应：2Na++2H2O+2e-→2NaOH+H2在溶液中：C12+2OH-→ClO-+Cl-+H2O总反应：NaCl+H2O→NaOCl+H2B.从氯化钠和水产生氢氧化钠和氯气，其中阳离子交换膜将阳极和阴极隔开：在阳极处的反应：2Cl-→C12+2e-在阴极处的反应：2H2O+2e-→2OH-+H2总反应：2NaCl+2H2O→2NaOH+C12+H2C.用于能量储存的钒氧化还原电池，质子可渗透膜将电极隔开：在充电期间：在第1电极处的反应：V3++e-→V2+在第2电极处的反应：V4+→V5++e-在放电期间：在第1电极处的反应：V2+→V3++e-在第2电极处的反应：V5++e-→V4+本公开内容描述了电氯化电池和电氯化装置的各种实施方案，然而，本公开内容不限于电氯化电池或电氯化装置，并且本文公开的方面和实施方案可应用于被用于多种目的中的任何一种的电解电池和电化学电池。当前商业上的电氯化电池通常基于两种电极布置(同心管(CTE)和平行板(PPE))中的一个。图1A和图1B示出由ElectrocatalyticLtd.制造的具有同心管102、104的电氯化电池100的实例。外管102的内表面和内管104的外表面是有效电极面积(activeelectrodearea)。在电极之间的间隙是约3.5mm。对于以海水作为进料的海洋应用和离岸应用，在间隙中在轴向方向上的液体速度可以为约2.1m/s，这导致了减小用于在电极表面上变污和结垢的电势的高度湍流流动。图2A-2C示出在CTE电化学电池中的电极的某些可能的布置。图2A图示其中在一个通道(pass)中电流从阳极流动至阴极的布置。两个电极通常均由钛制成，其中阳极涂覆有铂或混合的金属氧化物(MMO)。该电极被称为“单极性的(mono-polar)”。图2B图示其中在两个通道中电流流过具有两个外电极和一个内电极的装置的布置。外电极中的一个被涂覆在内表面上以充当阳极；另一个未被涂覆。内电极的外表面的一部分被涂覆，也充当阳极，而剩余部分未被涂覆。电流从涂覆的外电极流过电解质至内电极的未涂覆的部分，沿着内电极流动至涂覆的部分，然后最终穿过电解质流动回至未涂覆的外电极。内电极还被称为“双极性”电极。图2C图示其中在多个通道中电流流过具有多个外电极和一个内电极的装置的布置。通过使涂覆的和未涂覆的外电极交替并且以匹配的间隔涂覆内电极，电流可以在多个通道中反复地流过电解质。多个通道的基本原理在于，可用于在表面处的电化学反应的总电极面积以及因此的消毒剂(例如，次氯酸钠)的总产生速率可以增加，而施加的电流不成比例增加。增加电流将需要从DC电源至电氯化电池的较长的电线或母线、在电池上的较大的电连接器(在图1A中的实例中的外电极的外表面上的凸耳(lug))以及用于电极的较厚的钛。对于相同的电流，多通道装置(multiplepassdevice)将具有比单通道电池(singlepasscell)更大的生产率，但是总电压降将是更高的(约与通路的数目成正比)。对于相同的生产率，多通道电池将需要较小的电流(约与通道的数目成反比)。对于相同的功率输出(kW)，电源成本可以对输出电流比输出电压是更敏感的，从而喜好多通道电池。事实上，存在与多通道电池相关的低效率。例如，电流的一部分，被称为“旁路电流”，可以直接从阳极流动至阴极，而不穿过在外部电极和内部电极之间的间隙中的电解质(见图2B和图2C)。旁路电流消耗功率，但不导致产生消毒剂。多通道电池对于制造和装配也是更复杂的。例如，在剩余部分被涂覆之前，内电极的外表面的部分必须被掩蔽。图3示出平行板电氯化(PPE)电池，而图4是具有多组平行布置的平的电极的多通道电池的示意图。该组电极在每个端部处被平行地电连接，一组被连接至来自DC电源的正输出，而其他组被连接至负输出。在之间中的电极是双极性的。多通道平行板设计相对于同心管状设计的一个优点是有效电极面积每单位体积装置的较高填充密度(packingdensity)，因为每个电极的两侧均暴露于电解质溶液，并且因此参与电极反应。较紧密的填充和多通道导致在PPE电池中比在CTE电池中更高的压降。在板之间的平均流速可以被减小以降低的压降低并且增加液压停留时间；增加下侧的变污和结垢的风险并且因此例如用酸更频繁清洁。在PPE电池中需要框架结构以机械地支撑多个板并且保持在相邻的电极之间的指定间距。在每个端部处至多个板的电连接也可以是挑战。在CTE电池和PPE电池两者中，除去在阴极处产生的H2气体是在设计装置和总系统中的主要挑战。气体必须在管道中选定的位置处或在产品罐处被安全地放出。概述根据本专利技术的方面，提供了电化学电池。电化学电池包括外壳和阳极-阴极对，所述外壳具有入口、出口和中心轴，所述阳极-阴极对围绕中心轴被大体上同心地设置在外壳内并且界定在阳极-阴极对的阳极和阴极之间的有效面积(activearea)，阳极和阴极中的至少一个的有效表面积具有大于外壳的内表面的表面积的表面积，阳极-阴极对被配置且被布置成引导穿过电化学电池的所有流体轴向通过有效面积。在某些实施方案中，电化学电池具有至少约2mm-1的总电极填充密度。在某些实施方案中，电化学电池还包括中心芯元件，所述中心芯元件被设置在电化学电池内并且被配置成阻止流体沿着中心轴流过电化学电池的一部分，中心芯元件未连接至阳极-阴极对的至少一个电极。在某些实施方案中，阳极-阴极对螺旋缠绕中心轴。在某些实施方案中，电化学电池还包括一个或更多个螺旋缠绕的双极性电极。在某些实施方案中，阳极沿着电化学电池的长度从阴极横向地位移。在某些实施方案中，阳极和阴极中的至少一个是刚性电极。阳极和阴极可以各自包含钛板，并且阳极的表面可以涂覆有选自由以下组成的组的耐氧化涂层：铂和混合的金属氧化物。阳极和阴极可以各自包含镍、钛以及铝中的一种或更多种。阳极的表面可以涂覆有选自由以下组成的组的耐氧化涂层：铂、混合的金属氧化物、磁铁矿、铁素体、钴尖晶石、钽、钯、铱、金以及银。阳极和阴极中的至少一个可以是流体可渗透的和/或可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学电池，包括：外壳，所述外壳具有入口、出口和中心轴；以及阳极‑阴极对，所述阳极‑阴极对围绕所述中心轴被大体上同心地设置在所述外壳内并且界定在所述阳极‑阴极对的阳极和阴极之间的有效面积，所述阳极和所述阴极中的至少一个的有效表面积具有比所述外壳的内表面的表面积大的表面积，所述阳极‑阴极对被配置且被布置成引导穿过所述电化学电池的所有流体轴向地通过所述有效面积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.17 US 62/116,979;2015.05.06 US 62/157,5041.一种电化学电池，包括：外壳，所述外壳具有入口、出口和中心轴；以及阳极-阴极对，所述阳极-阴极对围绕所述中心轴被大体上同心地设置在所述外壳内并且界定在所述阳极-阴极对的阳极和阴极之间的有效面积，所述阳极和所述阴极中的至少一个的有效表面积具有比所述外壳的内表面的表面积大的表面积，所述阳极-阴极对被配置且被布置成引导穿过所述电化学电池的所有流体轴向地通过所述有效面积。2.如权利要求1所述的电化学电池，具有至少约2mm-1的总电极填充密度。3.如权利要求1所述的电化学电池，还包括中心芯元件，所述中心芯元件被设置在所述电化学电池内并且被配置成阻止流体沿着所述中心轴流过所述电化学电池的一部分，所述中心芯元件未连接至所述阳极-阴极对的至少一个电极。4.如权利要求3所述的电化学电池，其中所述阳极-阴极对螺旋缠绕所述中心轴。5.如权利要求4所述的电化学电池，还包括一个或更多个螺旋缠绕的双极性电极。6.如权利要求5所述的电化学电池，其中所述阳极沿着所述电化学电池的长度从所述阴极横向地位移。7.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述阳极和所述阴极中的至少一个是刚性电极。8.如权利要求7所述的电化学电池，其中所述阳极和所述阴极各自包含钛、镍和铝中的一种或更多种。9.如权利要求7所述的电化学电池，其中所述阳极的表面涂覆有选自由以下组成的组的耐氧化涂层：铂、混合的金属氧化物、磁铁矿、铁素体、钴尖晶石、钽、钯、铱、金以及银。10.如权利要求8所述的电化学电池，其中所述阳极和所述阴极中的至少一个是流体可渗透的。11.如权利要求4所述的电化学电池，还包括隔板，所述隔板被配置成保持在所述阳极和所述阴极之间的间隙距离，所述隔板是开放的以使电解质溶液流过所述有效面积。12.如权利要求10所述的电化学电池，其中所述隔板包括具有轮辐的轮毂，所述轮辐具有接合所述阳极和所述阴极中的至少一个的边缘的狭槽。13.如权利要求11所述的电化学电池，其中所述轮毂还包括电连接器，所述电连接器被配置成将所述阳极和所述阴极中的一个电连接至电源。14.如权利要求4所述的电化学电池，还包括轮毂，所述轮毂包括与所述阳极和所述阴极中的一个电接触的轮辐。15.如权利要求13所述的电化学电池，其中所述轮辐包括狭槽，所述狭槽接合所述阳极和所述阴极中的一个的边缘并且保持在所述螺旋缠绕的阳极-阴极对的匝之间的间隙。16.如权利要求4所述的电化学电池，其中所述中心芯元件包括被设置在所述阳极-阴极对的最内侧绕组内的非导电芯。17.如权利要求1所述的电化学电池，其中所述阳极-阴极对包括多个同心电极管和被界定在相邻的电极管之间的间隙。18.如权利要求16所述的电化学电池，其中所述多个同心电极管包括多个阳极电极管和多个阴极电极管中的一种。19.如权利要求17所述的电化学电池，其中所述多个阳极电极管和所述多个阴极电极管中的一种是刚性电极。20.如权利要求17所述的电化学电池，其中所述多个同心管电极包括多个阳极电极管和多个阴极电极管。21.如权利要求17所述的电化学电池，被配置成能够在单通道中使电流从阳极电极管流过电解质溶液至阴极电极管。22.如权利要求17所述的电化学电池，还包括双极性电极管，所述双极性电极管被设置在阳极电极管和阴极电极管之间。23.如权利要求21所述的电化学电池，还包括电极管，所述电极管包括阳极半和阴极半。24.如权利要求21所述的电化学电池，还包括多个双极性电极管，所述双极性电极管被设置在各自同心地布置的相邻的具有阳极半和阴极半的电极管的对之间。25.如权利要求21所述的电化学电池，其中所述多个阳极电极管和所述多个阴极电极管中的至少一个是流体可渗透的。26.如权利要求16所述的电化学电池，还包括至少一个隔板，所述隔板被定位在相邻的电极管之间，所述至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·贝多斯，梁荔乡，安德鲁·格林，J·特莱普恰克，约书亚·W·格里菲斯，西蒙·杜克斯，
申请(专利权)人：伊沃夸水处理技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US