[发明专利]在电化学槽中安装耗氧电极的方法和电化学槽

说明书

技术领域

本发明涉及在电解装置中安装耗氧电极的方法和电解装置，特别是用于氯碱电解的电解装置，其中损坏的区域用特别的密封糊剂密封。

背景技术

在工业规模上在电解槽中运行耗氧电极的各种建议是已知的。基本概念是用耗氧电极(阴极)替换电解(例如在氯碱电解中)的析氢阴极。可能的槽设计和技术方案的综述可见于Moussallem等的出版物“使用氧去极化的阴极的氯碱电解：历史、现状和前景”，J. Appl. Electrochem. 38(2008)1177-1194。

耗氧电极(在此也被称为“OCE”)为了在工业电解槽中使用必需满足许多要求。因此，使用的催化剂和所有其它材料必需在典型地80-90℃的温度下对浓度为大约32%重量的氢氧化钠溶液和纯氧是化学稳定的。同样，对于在具有通常大于2 m²面积的尺寸(工业尺寸)的电解槽中安装和操作的电极而言，高度的机械稳定性是需要的。

耗氧电极的其他希望的性能包括：高导电性、小的层厚度、高内表面积和电催化剂的高电化学活性。适当的疏水和亲水孔以及适当的孔结构对于气体和电解质的输送也是必要的，同样必要的是不泄漏，以便气体空间和液体空间保持彼此分离。长期稳定性和低生产成本是对工业上可用的耗氧电极的额外要求。

此外，OCE应该能以简单的方式在电解装置中安装和更换。对于安装，已经描述了各种方法。

例如，US7,404,878描述了使用包含全氟羧酸、全氟磺酰氟或者全氟羧酸烷基酯的层将两个OCE的邻接边缘连接。后续的层必需通过热处理连接到OCE。该方法是难以使用的，因为OCE在热处理期间可能被损坏。另外的缺点是：OCE在所得到的被覆盖的和电化学惰性的边缘和重叠区域中是不起作用的。当出现这种情况时，剩余区域因此以较高的电流密度运行，导致电压增大并且因此导致较高的能量消耗。

DE 4444114A1描述了通过形成夹具接触而与电化学反应装置的基础结构接触来安装OCE。然而，当使用夹具或者压力接触时，发现在该结构的运行期间，其电触点电阻经常劣化，这导致不希望的电能消耗的增大。另一个缺点是夹杆的区域是电化学惰性的，因此OCE面积减少。

在电极和电化学反应装置之间更耐久的电连接可以通过熔焊方法实现，如EP 1041176A1所描述的。当使用具有未穿孔的、环绕的金属边缘的气体扩散电极时，可以直接熔焊到电极的基础结构。然而，EP 1041176A1提到的电极基础结构的连续边缘要求穿孔的或者开槽的金属片作为支撑结构。因此，被集成的电极常常由金属导电性的基础结构组成，该基础结构在整个区域上是开放开孔的（open-pored），并且在其空隙中包埋了电化学活性成分组合物（以下称为涂层）。直接熔焊涂覆的电极的尝试发现在高连接温度下常常发生涂层组合物的分解。为了获得质量上没有缺陷的连接，涂层组合物必需在焊接区中不存在。因此，电极的开放开孔基础结构是在该区域中不含涂层组合物的。在电化学反应装置中在运行期间，这将允许存在于电极的两个侧面上的介质混合，而没有获得密封作用的措施。

为了避免介质的混合，在未涂覆的熔焊区上提供液体或者糊状材料，该材料在一段时间之后固化并且在应用的时候在该位置密封开放开孔结构。密封材料的固化可以例如通过液体或者糊状的施加物质的化学固化来进行。由于在电化学反应装置中普遍存在通常非常强的化学侵蚀性条件，已经发现用这种方法制造的已知密封的运行寿命是非常短的。因此，运行寿命从数周到几个月变化，阻碍了电化学反应装置的有效长期使用。

此外，在文献中已经描述了使用由于加热而变成塑性的和在冷却时再次固化的组合物作为密封材料，参见EP 1029946A2。虽然在此可以使用化学惰性物质，例如PTFE，但是为了实现该物质与基础结构的持久结合必需使用高温；按照所引用专利的教导，该方法的实施要求复杂的装置/机器。

DE 10152792A1描述了在电化学反应装置的气体扩散电极和基础结构之间形成连接的方法。在使用该方法期间，在电极的前面和后面存在的介质的分离可以通过以下措施得以保证：在电极的边缘和与该边缘配合的周边框架的金属折叠状（fold-like）构型之间形成低欧姆电连接，以及形成该周边框架与电化学反应装置的基础结构的低欧姆电连接。