[发明专利]耗氧电极

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2010年10月21日提交的德国专利申请号10 2010 042730.6的优先权，处于其所有的有用目的将该申请全文通过引用形式结合进来。

技术领域

本发明的领域涉及耗氧电极，该电极具有片状结构形式的支撑体，特征在于该片状结构基于可溶解的材料。本发明的领域进一步涉及生产耗氧电极的方法，以及该耗氧电极在氯碱电解或燃料电池技术中的应用。

背景技术

本发明是从如下本身已知的耗氧电极发展而来的：所述耗氧电极被构造成气体扩散电极并且通常包括导电支撑体和具有催化活性成分的气体扩散层。

用于在工业规模的电解池中操作耗氧电极的各种提案从原理上从现有技术中是已知的。基本思想是使用耗氧电极(阴极)代替电解(例如氯碱电解)中的析氢阴极。在Moussallem等的“Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes：History，Present Status and Future Prospects”，J.Appl.Electrochem.，38(2008)1177-1194中综述了可能的池设计和解决方案。

为了能够用于工业电解槽中，耗氧电极，以下也简称OCE，必须满足许多要求。这样，所用催化剂和所有其他材料必须在浓度为约32重量％的氢氧化钠溶液中和在典型地80-90℃温度的纯氧中保持稳定。同样需要高的机械稳定性，因为电极安装和操作在通常具有大于2m²面积(工业规模)的电解槽中。其他性能是：高导电性、低层厚、高内表面积和电催化剂的高电化学活性。合适的疏水和亲水的孔以及适当的孔隙结构对于气体和电解质的传导是同样必要的，不渗透性也同样必要以使得气体空间和液体空间保持相互分离。长期稳定和生产成本低是工业上可用的耗氧电极还必须满足的特别要求。

OCE技术在氯碱电解中使用的进一步发展方向是离子交换膜，其在电解池中分隔出阳极空间和阴极空间同时氢氧化钠间隙不直接和OCE相邻。在现有技术中这种配置也被称为零间隙配置。这种配置通常也应用在燃料电池技术中。这里的缺点就是生成的氢氧化钠必须通过OCE输送到气体侧并且随后在OCE处向下流。由于孔中的氢氧化钠溶液或氢氧化钠的结晶导致OCE中孔隙堵塞的现象绝不能发生在这里。人们已经发现也可能出现氢氧化钠浓度非常高的情况，并且长期下离子交换膜在这些高浓度中是不稳定的(Lipp等，J.Appl.Electrochem.35(2005)1015-Los Alamos National Laboratory″Peroxide formation during chloralkali electrolysis with carbon-based ODC″)。

常规的耗氧电极典型地包括导电支撑体元件，在其上施加有具有催化活性成分的气体扩散层。使用例如聚四氟乙烯(PTFE)作为疏水成分，其也作为催化剂的聚合物粘结剂。在电极具有贵金属催化剂的情况下，贵金属作为亲水成分。

通常，金属、金属化合物、非金属化合物、或者金属化合物或非金属化合物的混合物作为催化剂。然而，施加在碳支撑体上的金属，特别是铂族金属，也是已知的。

依据现有技术的支撑体元件通常是导电材料的织造网，例如，镍丝、银丝或者镀银镍丝的织造网。

碳同样以多种形式用作现有技术的支撑体元件，例如碳纤维制成的机织织物或纸。为了增加导电性，碳可与金属成分结合，例如通过在碳上沉积金属或者通过碳纤维和金属纤维和长丝制成混合机织织物。

在现有技术中，支撑体元件具有两种重要的功能：它们首先在电极的制作期间和之后作为含有催化剂的层的机械支撑体，其次确保电流分布到反应位点。

现有技术中已知的支撑体元件的缺点是他们很大程度上是无催化活性的并且降低了耗氧电极每单位体积的活性。此外，支撑体元件降低了通过耗氧电极传质可用的自由面积。这阻碍了传质进行并且因此降低了耗氧电极的性能。

因此，本发明可提供克服上述缺点的耗氧电极，特别是用于氯碱电解的耗氧电极。

发明内容

在此，单数形式“某(a)”和“某个(an)”是同义的并且可以与“一个或多个”和“至少一个”替换使用，除非在语言和/或上下文中清楚地指示出其他含义。因此，例如，在文中或所附的权利要求中提及“涂层”可以指单个涂层或多于一个涂层。此外，除非另有特别说明，全部数值理解为被“约”修饰。