[发明专利]用具有小孔的耗氧电极电解碱金属氯化物的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种耗氧电极，尤其是用于氯碱电解的耗氧电极，涉及其制备、涉及电解装置和涉及根据特别的操作参数电解碱金属氯化物水溶液的方法。本发明进一步涉及此耗氧电极在氯碱电解或燃料电池技术中的用途。

背景技术

本发明起始于本身已知用于通过耗氧电极电解碱金属氯化物水溶液的方法，该电极采用气体扩散电极形式，并且通常包括导电载体和包含催化活性组分的气体扩散层。

工业规模电解池中耗氧电极操作的各种方案原则上都是现有技术中已知的。基本思路就是使用耗氧电极(阴极)替代电解(例如氯碱电解)中的析氢阴极。在Moussallem等人的出版物“Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes：History，Present Status and Future Prospects”, J.Appl.Electrochem.38(2008) 1177-1194中可以找到可能的电池设计和解决方案的概述。

为了能够应用在工业电解槽中，耗氧电极-下文也简称为OCE-必须满足一系列要求。例如，在通常80至90℃的温度下，所使用的催化剂和所有其他材料对于浓的碱金属氢氧化物溶液和纯氧必须是化学稳定的。同样地，还要求有高度的机械稳定性，从而使得该电极能够在具有面积通常大于2 m²的尺寸大小的电解槽(工业规模)中安装和操作。其它需要的性能是：高电导率、低层厚度、高内表面积和电催化剂的高电化学活性。合适的疏水孔隙和亲水孔隙以及用于传导气体和电解液的适当的孔隙结构也是必要的。对于工业应用的耗氧电极，还要特别满足长期稳定性和低生产成本的要求。

在其中在膜和OCE之间存在电解液间隙的阴极元件中OCE的排列情况下，出现的问题源自于这样的事实：在阴极电解液一侧，流体静压力随着电极高度形成压力梯度，这与在气体一侧随着高度压力恒定情况是相反的。这样的结果会是，在电极的较低区域，疏水性孔隙也被淹没和液体进入气体一侧。另一方面，在OCE上部气压极高的情况下，液体可以从亲水孔隙排出而氧可以进入到阴极电解液一侧。这两种结果降低了OCE的性能。实践中，这种结果是OCE的构造高度被限制到大约30 cm，除非采取进一步措施。在工业电解槽中，电极一般构造为1m或更高的高度。为了实现该构造高度，已经描述了各种技术。

WO2001/57290 A1描述了一种电解池，其中液体沿着OCE(有限间隙排列)以自由下落的液体膜-简称为降膜-的形式从上向下通过装在OCE和离子交换膜之间的平板多孔元件-所谓的渗滤器-进行传导。在此排列中，在OCE的液体侧上没有负载液体柱，沿着电解池构造高度没有建立流体静压力分布（profile）。然而，WO2001/57290A1中描述的构造是非常复杂的。为了确保均匀的碱（alkali）流动和OCE与阴极电解液的均匀接触，渗滤器、离子交换膜和OCE必须非常精确地定位。

在另一个实施方案中，在电解池中，将阳极室与阴极室分开的离子交换膜直接与OCE毗邻而没有碱金属氢氧化物溶液被引入其中并从其中除去的间隔区(阴极电解液间隙)。此排列也称之为零间隙排列。零间隙排列一般也用于燃料电池技术中。这里不利之处在于形成的碱金属氢氧化物溶液必须穿过OCE到气体一侧和然后在OCE上向下流动。在此过程中，OCE中的孔隙必须不能被碱金属氢氧化物溶液堵塞，并且孔隙中必须不能有碱金属氢氧化物的任何结晶。已经发现，这里可产生非常高的碱金属氢氧化物浓度，但是据说在此高浓度下的离子交换膜缺乏长期稳定性(Lipp等，J. Appl. Electrochem. 35 (2005)1015 – Los Alamos National Laboratory “Peroxide formation during chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC“)。