[发明专利]利用氧阴极体系电解碱金属卤化物盐水的方法

说明书

本发明涉及一种在电解池中电解碱金属卤化物盐水的方法，更具体地说，涉及在氯-碱电解池中氧阴极膜组件的用途和与之靠近的流场结构的用途。

在电化学方面，氯-碱电解池将金属卤化物盐水溶液转变成卤素气体和碱金属氢氧化物。以美国专利号4,191,618(发明人Coker等)(简称“618专利”)为代表的一种电解池利用一种膜电极组件(“MEA”)，该MEA有一层膜和与膜连接的氧去极化阴极以便形成单元结构。膜本身作为一种电解质，阴极是一种与膜连接的导电的催化材料。优选地用多孔的憎水层覆盖在催化剂层上以阻止在所说的电极上形成水膜，该水膜可阻止氧渗入电催化剂中。虽然”618专利”对先前技术有所改进，但据报道仅有0.5至0.6伏的改进，部分原因可能是由于苛性物质在电极上的聚集。

更近一些，美国专利4,919,791(发明人Miles等)(简称“791专利”)报道了利用亲水多孔电极使水通过膜流经阴极以帮助除去阴极形成的苛性物质。在水流有利于除去苛性物质时，它会阻碍氧到达阴极的能力。

因此，在氯-碱电解中仍需要适用的氧阴极MEA以便既迅速除去在阴极产生的苛性物质又容许含氧气体与电极良好接触。

本发明的一个方面是一种在电解池中电解碱金属卤化物盐水的方法，其中电解池有阳极室(至少有一个阳极)、阴极室(至少有一个阴极)和将阳极室与阴极室分开并与阴极接触的膜(由此形成膜电极组件)。本方法包括(a)将碱金属卤化物盐水加入阳极室；(b)电解碱金属卤化物盐水产生卤素气体和碱金属离子；(c)碱金属离子和水通过膜进入阴极室；和(d)将含氧气体加入阴极室以便在阴极还原氧气和产生浓缩的碱金属氢氧化物溶液。本方法更进一步的特征在于有靠近阴极便于传输氧气至阴极和碱金属氢氧化物远离阴极的流场，该流场包括孔率至少30％和平均孔径至少10微米的导电材料。

本发明的另一个方面是一种在电解池中电解碱金属卤化物盐水的方法，其中膜在阴极一侧包括至少一个活性层，活性层包括(a)催化活性粒子和(b)当量在650至950之间的离聚物，在100℃以下，该离聚物基本不溶于水。

本发明的另一个方面是一种在电解池中电解碱金属卤化物盐水的方法，其中膜阴极组件进一步包括邻接活性层的流场，活性层包括具有平均孔径不同的至少两个部分的导电多孔材料层，其中该层的第一部分邻接膜阴极组件，孔率不大于邻接膜阴极组件另一侧的该层第二部分；该层第二部分的孔率为至少30％，平均孔径为至少4微米，并且比第一部分的平均孔径大至少两倍。

本发明的另一个方面是一种在电解池中电解碱金属卤化物盐水的方法，其中阴极在膜的一侧包括至少两个含催化活性粒子的墨层，其中至少两个含催化活性粒子的墨层包括含侧磺酸基团的聚四氟乙烯聚合物，当量相差50以上。

图1说明在本发明第一方面的电解池中有用的膜电极组件和流场的实施方案。

图2说明重复单元的构型，该重复单元可用于制备由许多电解池串联而成的电解池组，电解池包括图1所示的膜电极组件和流场。

图3说明在膜的同一侧有两个活性层的膜电极组件。

图4说明含多孔层和与之邻接的流场的膜电极组件。

图5和6描述在实施例1和2中的电解池的特性曲线。

图7示出在实施例1中所述的实验装置。

一方面，本发明是一种在电解池中电解碱金属卤化物盐水的方法，其中电解池具有膜电极组件和靠近膜电极组件的流场，该流场包括孔率至少50％和平均孔径至少35微米的多孔导电材料。

据发现，本发明第一方面的电解池能在更低气体流速的条件下能以比较高的电流密度和比较低的池电压进行操作。

通常情况下，在电解池中，为了得到充分的离子传导，膜和含金属催化活性粒子的聚合物层(“活性层”)必须进行水合。在电解池的操作中，水从阳极室通过膜到阴极。水也可由于含氧进料气体的加温而存在。但是，如果太多的水冷凝或积累在活性层附近或其中，电解池的效率将降低，因为气体扩散通过液态水比扩散通过水蒸汽慢。