[发明专利]氧去极化电极及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧去极化电极，更具体而言是用于氯碱电解中的氧去极化电极，所述氧去极化电极包括基于催化剂金属的针晶的新型催化剂涂层，并涉及电解装置。本发明还涉及所述氧去极化电极的生产方法以及所述氧去极化电极在氯碱电解或燃料电池技术中的用途。

背景技术

本发明从本身已知的氧去极化电极出发，所述已知的氧去极化电极采取了气体扩散电极的形式，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。

氧去极化电极是气体扩散电极的形式。气体扩散电极是其中物质的三种状态-固态、液态和气态-与彼此接触并且固体的电子传导催化剂催化液相和气相之间的电化学反应的电极。通常将所述固体的催化剂压缩以形成具有约200μm量级的厚度的多孔膜。

针对工业规模的电解电池中的氧去极化电极的操作的多种提议原则上是从现有技术可知的。基本思路是用氧去极化电极（阴极）替换电解中（例如，在氯碱电解中）的析氢阴极。可能的电池设计和解决方案的概述可以在Moussallem等人的出版物“Chlor-AlkaliElectrolysiswithOxygenDepolarizedCathodes:History，PresentStatusandFutureProspects”，J.Appl.Electrochem.38（2008）1177-1194中找到。

氧去极化电极（在下文中也被简称为ODE）为了可用于工业电解器中必须满足一系列要求。例如，所用的催化剂和所有其它材料必须对按重量计约32％的氢氧化钠溶液以及对通常80至90℃的温度下的纯氧是化学稳定的。类似地，要求高度的机械稳定性，以使得该电极可以在具有面积上通常大于2m²的尺寸（工业规模）的电解槽中安装和操作。另外的特性是：高的电导率，低的层厚度，高的内表面积和高的电催化剂的电化学活性。合适的用于气体和电解液的传导的疏水性和亲水性的孔和相应的孔结构同样是必需的，使得气体和液体空间保持彼此分开的这样的抗渗性（imperviosity）也是必需的。长期稳定性和低生产成本是对工业上可用的氧去极化电极的进一步的具体要求。

对于在氯碱电解中利用ODE技术的进一步的发展趋势是：在不存在含有氢氧化钠溶液的间隙（即为氢氧化钠溶液穿过其流动的间隙形式的中间空间）下，将离子交换器膜直接应用于ODE，所述离子交换器膜使电解电池中的阳极空间与阴极空间隔开。这种排布在现有技术中也被称作为零间隙排布。这样的排布通常也被用于燃料电池技术中。此处的缺点是其形成的氢氧化钠溶液必须穿过ODE传递至ODE的气体侧，然后在ODE处向下流动。在此过程中，ODE中的孔不能被氢氧化钠溶液阻塞，并且在孔中不能有任何氢氧化钠的结晶。已发现，非常高的氢氧化钠溶液浓度也可在这样的电极排布的情况下产生，但已知的离子交换器膜对于这些高浓度缺乏长期稳定性（Lipp等人，J.Appl.Electrochem.35(2005)1015–LosAlamosNationalLaboratory“Peroxideformationduringchlor-alkalielectrolysiswithcarbon-basedODC”）。

根据具体的现有技术，ODE具有一种孔结构，在该结构中，通常在含氟聚合物、特别是PTFE（聚四氟乙烯，例如Teflon?）的基底上形成的良好分布的疏水性孔系统的使用使得ODE内的所有位点对于阴极侧上使用的气体而言是可进入的。另一方面，被电解液膜覆盖的亲水性催化剂也必须是足够良好分布的，从而可获得最大表面积用于电化学反应，这实现了低电池电压。在通常的制造方法中，特别是干法或湿法生产方法中，PTFE颗粒和催化剂颗粒被用于生产ODE。这些颗粒的混合和进一步处理总是在所述制造方法的过程中导致其中存在相对大的被电解液淹没的催化剂颗粒的附聚物的区域，该区域不含任何气孔。所述催化剂在这样的附聚物的内部是实质上失活的，原因是气体分子无法以足够的量扩散至所述催化剂。因此，大量的催化剂材料保持为未利用的。根据Pinnow等人（“Thin-filmfloodedagglomeratemodelforsilver-basedoxygendepolarizedcathodes”，J.Appl.Electrochem.41(2011)1053-1064），约90％的所用催化剂保持为未利用的。