[发明专利]耗氧性电极

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求2010年7月20日申请的德国专利申请No.102010031571.0的权益，其在此以其全部通过引用结合进来用于所有有用的目的。

技术领域

本发明是从本身已知的耗氧性电极上发展而来的，这些已知的耗氧性电极被配置成片状气体扩散电极形式，并且通常包含导电载体和具有催化活性成分的气体扩散层。

背景技术

用于在工业规模上在电解电池中运行耗氧性电极的不同方案基本上是现有技术中公知的。基本的理念是用耗氧性电极(阴极)来置换电解(例如氯碱电解中)的析氢阴极。对于可能的电池设计和方案的概述可以在公开文献Moussallem等人，“Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes：History，Present Status and Future Prospects”，J.Appl.Electrochem.38(2008)1177-1194中找到。

耗氧性电极(下文也简称为OCE)必须满足一系列的要求，以便能够用于工业电解器中。因此，所用的催化剂和全部其他材料必须对大约32重量%浓度的氢氧化钠溶液和典型的处于80-90℃温度的纯氧是化学稳定的。高度的机械稳定性同样是需要的，这是因为该电极是在通常具有大于2m2(工业尺寸)的电极面积的电解器中安装和运行的。另外的性能是：高电导率，低的层厚度，高的内表面积和高的电催化剂的电化学活性。合适的疏水性和亲水性的孔和相应的孔结构同样是必需的，目的是引导气体和电解质，以及气密性，以使得气体和液体彼此隔开保持。长期稳定性和低生产成本是另外特别需要的，其是工业上可用的耗氧性电极必须满足的。

对于在氯碱电解中使用OCE工艺来说，另外一个发展方向是离子交换隔膜，其将电解电池中的阳极空间与阴极空间隔开，而没有与OCE直接接触的氢氧化钠溶液间隙。这种排列在现有技术中也称作零间隙排列。这种排列通常还用于燃料电池工艺中。这里的缺点是所形成的氢氧化钠必须穿过OCE传输到气体侧，随后在OCE处向下流动。这里，必须不能有氢氧化钠堵塞OCE 中的孔或者氢氧化钠在孔中的结晶。已经发现这里还会出现非常高的氢氧化钠浓度，并且离子交换膜对于这些高浓度来说在长期上是不稳定的(Lipp等人，J.Appl.Electrochem. 35（2005）1015- Los Alamos National Laboratory “Peroxide formation during chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC”)。

常规的耗氧性电极典型由导电载体元件组成，该元件上已经施涂了具有催化活性成分的气体扩散层。作为疏水性部件，通常所用的是由聚四氟乙烯(PTFE)制成的，其另外充当了催化剂的聚合物粘合剂。在具有银催化剂的电极的情况中，该银充当了亲水性成分。在带有碳载体的催化剂的情况中，使用具有亲水性孔的碳作为载体，液体能够通过该亲水性孔来进行传输。

氧气的还原是在三相区域中进行的，气相、液相和固体催化剂同时存在于该三相区域中。

气体通过所述孔传输到疏水性基质中。该亲水性孔被液体填充，并且经由这些孔来将水传输到催化中心和将氢氧化物离子传输离开该催化中心。因为氧在水相中仅仅具有有限的溶解度，因此必须具有足够的无水孔来传输氧。

已经描述了许多化合物，作为催化剂用于还原氧。

因此，已经报告了使用钯、钌、金、镍、过渡金属的氧化物和硫化物、金属卟啉和金属酞菁、和钙钛矿作为催化剂，用于耗氧性电极。

但是，仅仅铂和银作为催化剂用于在碱溶液中还原氧已经获得了实际价值。

铂对于还原氧来说具有非常高的催化活性。由于铂高的成本，它仅仅以带有载体的形式来使用。优选的载体材料是碳。碳将电流导向铂催化剂。碳粒子中的孔可以通过表面氧化来制成亲水性的，并因此变得适于传输水。具有带有碳载体的铂催化剂的OCE表现出良好的性能。但是，带碳载体的铂电极在长期操作中的耐受性是不令人满意的，推测是因为铂还催化了载体材料的氧化。碳另外促进了不期望的H₂O₂的形成。

已经描述了铂含量为5g/m²-50g/m²的OCE。尽管是低浓度，但是铂催化剂的成本仍然是如此的高，以至于阻碍了工业上的应用。银同样对于还原氧来说具有高的催化活性。