[发明专利]耗氧电极及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

要求2010年10月21日提交的德国专利申请No.102010402729的优先权，出于所有有益的目的，其所公开的内容以参考的形式全部引用到本申请中。

技术领域

本发明的领域涉及耗氧电极，尤其是用于氯碱电解中的耗氧电极，其具有新颖的载体，还涉及电解装置。本发明的领域进一步涉及在氯碱电解或燃料电池技术中该耗氧电极的应用。

本发明从本身已知的耗氧电极出发，这些耗氧电极被设置成气体扩散电极并通常包含导电载体和含有催化活性组分的气体扩散层。

背景技术

从现有技术的原理中能够知晓工业尺寸的电解槽中使用耗氧电极的不同方案。基本思路是以耗氧电极(阴极)替换电解中(如在氯碱电解中)的释氢阴极。关于可能的槽设计和解决方法的综述可以在Moussallem等发表的文章“具有氧去极化阴极的氯碱电解：过去、现状和将来的前景”，应用电化学杂志，38(2008)1177-1194中找到。

耗氧电极，为了简洁之后也以OCE来表达，必须符合很多要求才能在工业电解槽中使用。因此，所使用的催化剂和所有其它材料必须在一般80-90℃的温度下对于大约为32wt％浓度的氢氧化钠溶液和对于纯氧是化学稳定的。由于电极被安装和操作于具有通常超过2m²面积(工业尺寸)的电解槽中，因此同时也需要高机械稳定性。进一步的性能是：高导电性，低层厚，高的内表面积和电催化剂的高电化学活性。用于气体和电解液传输的适合的憎水和亲水孔以及适合的孔结构同样是必要的，同样需要非渗透性，以便于气体空间和液体空间彼此隔离。工业上使用的耗氧电极必须符合长期稳定性和低生产成本的进一步的特定要求。

传统的耗氧电极一般由导电载体组成，在其上面施涂了具有催化活性组分的气体扩散层。做为憎水性组分，使用例如还用做催化剂的聚合物粘合剂的聚四氟乙烯(PTFE)。在电极具有银催化剂的情况下，银做为亲水性组分。

金属、金属化合物、非金属化合物，或金属化合物或非金属化合物的混合物，一般用做催化剂。然而，施加在碳载体上的金属，尤其是铂族金属，也是已知的。已经发现对于使用耗氧电极的碱金属氯化物的电解，银催化剂特别有用。

在具有银催化剂的OCE的生产中，可以至少部分地以银(I)或银(II)氧化物的形式引入银，然后将它们还原成金属银。还原或者在电解的初始阶段进行，此时银化合物的还原占主导地位，或者在单独的步骤中进行，在电极运行前以电化学、化学或本领域技术人员熟知的其它方式进行。银化合物的还原也导致微晶排列的改变，尤其导致独立的银颗粒间桥联的形成。这在总体上导致结构的强化。

在耗氧电极的生产中，在干和湿制造方法之间具有原理上的区别。

在干法中，催化剂和聚合物组分的混合物被研磨成细颗粒，其随后被分散在导电载体部件上，并在室温下压制。EP1728896A2记载了该方法。EP1728896A2记载了银，银(I)氧化物，银(II)氧化物或其混合物作为优选催化剂，聚四氟乙烯(PTFE)作为粘合剂并且直径为0.1-0.3mm的镍线制成的网作为载体，网孔为0.2-1.2mm。

在湿法制造方法中，使用催化剂和聚合物组分的糊料或悬浮体。在糊料或悬浮体的生产中可以加入表面活性物质，以增加前者的稳定性。通过丝网印刷或压延机将糊料涂覆到载体部件上，而不太粘的悬浮体通常喷涂到载体部件上。在冲洗掉乳化剂后，将糊料或悬浮体缓慢地干燥，并且之后在聚合物熔点区域的温度下煅烧。这类方法记载在例如US20060175195A1中。

早期的出版物也公开了在第一个步骤中将催化剂和聚合物的混合物压实形成片状结构(“轧制片”)并将该结构压到载体部件中的方法。该方法的例子记载在DE10148599A1或EP0115845B1中。由于这些片状结构机械稳定性低，发现这些方法在工业实践中用处极小。因此优选方法中首先将催化剂和聚合物的混合物涂覆到载体部件上，并且在进一步的步骤中进行压实和强化。

载体部件是导电材料的织造网，例如镍线、银线或涂银的镍线的织造网。也可以使用其它结构诸如导电材料制成的针织物，编织物，非织造织物，膨胀金属(expanded metals)，多孔金属片，泡沫或其它可渗透的结构。

碳同样地以不同的形式使用在载体部件中，例如碳纤维制成的织造织物或纸。为了增加导电性，可以将碳与金属组分组合，例如通过在碳上沉积金属或借助于由碳纤维和金属纤维和长丝制成的混合混合织物。

WO2008006909A2记载了以银线网作为导电载体部件的OCE的生产。