[发明专利]制造耗氧电极的方法

说明书

对相关申请的交叉引用 

要求2011年3月11日提交的德国专利申请No. 10 2011 005 454.5的优先权，其出于所有有用的目的全文经此引用并入本文。

背景 

本发明涉及通过使用特定辊将催化剂组合物压实在载体元件上来制造特别用在氯碱电解中的耗氧电极的方法。本发明还涉及通过这种方法制成的耗氧电极在氯碱电解或燃料电池技术中的用途。

本发明从构造为片状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的耗氧电极的本身已知的制造方法出发。 

原则上从现有技术中获知操作工业尺寸电解池中的耗氧电极的各种提议。基本理念是用耗氧电极（阴极）替换电解（例如在氯碱电解中）的析氢阴极。可能的池设计和解决方案的综述可见于Moussallem等人的出版物Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes: History, Present Status and Future Prospects, J. Appl. Electrochem. 38 (2008) 1177-1194。 

耗氧电极 – 下文也简称为OCE – 必须符合一系列要求才能用在工业电解装置中。因此，所用催化剂和所有其它材料必须对浓度大约32重量%的氢氧化钠溶液和对温度通常80-90℃的纯氧化学稳定。还需要高度机械稳定性，因为在尺寸通常大于2平方米面积（工业尺寸）电解装置中安装和操作该电极。另一些性质是：电催化剂的高电导率、低层厚度、高内表面积和高电化学活性。对气体和电解液传导而言合适的疏水和亲水孔隙和适当的孔隙结构也是必需的，还需要不渗透性以使气体空间和液体空间保持相互分离。长期稳定性和低制造成本是工业适用的耗氧电极必须符合的另外特定要求。 

在DE3710168A1中描述了制造耗氧电极的优选方法。在这种方法中，将催化剂和聚合组分的混合物研磨成细粒。随后将该粉末混合物压实形成片状结构，随后通过压制将该片状结构施加到导电载体元件上。 

例如借助辊压机或借助压延机将颗粒压实形成片状结构以及将片状结构压制到载体元件上。 

DE 10148599A1指出用于将催化剂和聚合物压实形成稳定片状结构的一系列特定条件： 

可以用0.2 N/cm至15 N/cm的辊闭合力使粉末混合物辊轧过程中的辊隙保持恒定；

辊的表面粗糙度可以为0.05至1.5 μm；

辊轧过程中辊的圆周速度可以为0.05至15 m/min；

在最多15 kN/cm的闭合力下辊直径可以达到30 cm；

设定的辊隙可以为0.005至0.45 mm；

辊可冷却。

根据DE 10148599A1的教导，通过这种方法可以制造30-40厘米宽和2-3米长的耗氧电极。 

EP 1728896 A2公开了另一方法，其中将催化剂和聚合组分的磨碎混合物直接施加到导电载体元件，随后与该载体元件一起压制。 

压制过程中的力在这种情况下应在0.01至7 kN/cm的范围内保持尽可能低。EP 1728896 A2指出，所述借助辊的制造方法不依赖于用于压制的辊的材料、表面粗糙度和直径。

借助辊进行制造的上述已知方法的缺点在于该压缩催化剂层容易粘附到辊表面上。因此，不得不相对频繁地中断辊轧过程。必须从辊上除去粘附的含贵金属的催化剂混合物，必须拣出有缺陷的电极且拣出的电极的有价值的涂层必须以复杂方式再循环。 

在实验室装置中小规模制造少量电极时可以在一定程度上容忍这样的缺陷。但是，频繁中断和具有高废品率的这些方法完全不适合以工业规模制造大面积电极。 

DE 10157521 A1公开了通过用特定有机化合物处理辊，可以在一定程度上避免催化剂组合物粘附在压辊上。根据该文献，用物质处理辊表面能够制造40厘米宽和2米长的耗氧电极。 

但是，工业规模的OCE制造需要宽度明显大于40厘米的电极。具有通常大于1米的宽度，有时达到2米的宽度的电极是常规膜电解装置常见的。如果可能，涂层长度也应不受制造方法限制。 

DE 10157521 A1中描述的方法已被发现对连续制造法而言过于复杂。必须频繁中断压制操作以用液体处理辊；所述辊必须用有机液体洗涤和干燥。有机组分的蒸发污染周围空气，因此又需要特殊的萃取和空气净化装置。