[发明专利]耗氧电极及其生产方法

说明书

交叉引用的相关申请

本申请要求2010年12月3日申请的德国专利申请No.102010062421.7的优先权，其在此以全文引入，作为用于全部有用目的之参考。

发明背景

本发明涉及耗氧电极（oxygen-consuming electrode），特别是用于氯碱电解中，具有新类型的涂层以及电解设备。本发明另外涉及生产该耗氧电极的方法以及它在氯碱电解或者燃料电池技术中的用途。

本发明来源于本身已知的耗氧电极，其是作为片状气体扩散电极构造的，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。

在工业规模的电解池中运行耗氧电极的多种提议原则上是现有技术已知的。基本的理念是用耗氧电极(阴极)替代电解(例如氯碱电解)中形成氢气的阴极。可能的电池设计和方案的概述可以在文献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。

该耗氧电极(下文中为了简便也称作OCE)必须满足一系列要求，以便能够用于工业电解器中。因此，所用的催化剂和全部的其他材料必须对于浓度大约32重量%的氢氧化钠溶液和温度典型的为80-90℃的纯氧是化学稳定的。同样要求该电极具有高的尺寸的机械稳定性，以便能够在尺寸通常大于2m²面积(工业尺寸)的电解器中安装和运行。另外的性能是：高导电率，低的层厚度，电催化剂的高的内表面积和高的电化学活性。用于传导气体和电解质的合适的疏水性和亲水性孔和适当的孔结构同样是必需的，因为没有裂隙（as is freedom from leaks），使得气体空间和液体空间保持彼此隔开。长期稳定性和低生产成本是另外的具体要求，其是工业上可用的耗氧电极必须满足的。

许多化合物已经被描述为催化剂，用于氧的还原。但是，仅仅铂和银作为碱性溶液中的氧的还原中的催化剂获得了实际的意义。

铂具有用于氧还原的高的催化活性。归因于铂的高成本，这专门是以负载的形式来使用的。但是，碳负载的铂电极在长期使用中的稳定性是不令人满意的，这大概是因为铂还催化了载体材料的氧化。另外，碳促进了不期望的H₂O₂的形成。

银同样具有用于氧还原的高催化活性。

虽然碳负载的银催化剂比相应的铂催化剂更耐用，但是在耗氧电极中的条件下的长期稳定性，特别是用于氯碱电解时，是有限的。银催化剂因此优选以未负载的形式来使用。

在使用未负载的银催化剂的OCE的生产中，银可以至少部分的以氧化银的形式引入，其然后还原成金属银。该还原是在电解启动过程中进行的(在其中用于银化合物的还原的条件占优)或者是在分别的步骤中通过优选的电化学途径来进行的。

在具有未负载的银催化剂的耗氧电极的生产中，在干和湿生产方法之间原则上会有不同。

在干法中，通过混合器来加工催化剂和聚合物组分的混合物，该混合器具有快速运行的搅拌器来产生混合物，将该混合物施加到导电载体元件上，并且在室温下压制（press）。这样的方法描述在EP1728896A2中。EP1728896中所述的中间体由3-15份PTFE，70-95份氧化银和0-15份银金属粉末组成。

在湿生产方法中，使用含有细银粒子和聚合物组分的糊或者悬浮液形式的中间体。水通常用作悬浮介质，但是也可能使用其它液体例如醇或者其与水的混合物。表面活性物质可以加入到糊或者悬浮液的生产中，来提高它们的稳定性。该糊是通过丝网印刷或者压延来施加到载体元件上的，而较不粘稠的悬浮液通常喷雾于该载体元件上。干燥之后是在处于聚合物热熔点区域的温度下进行烧结。在这里除去所加入的助剂例如乳化剂或者增稠剂。这样的方法描述在例如US20060175195A1中。在该中间体中PTFE与银的比率对应于干法中常用的比率。