[发明专利]用微间隙布置的耗氧电极电解碱金属氯化物的方法

说明书

本发明涉及借助于耗氧电极（oxygen-consuming electrodes）同时依照特定工作参数电解碱金属氯化物水溶液的方法。

本发明来源于本身已知的借助于耗氧电极电解碱金属氯化物水溶液的电解方法，所述耗氧电极采取气体扩散电极的形式并且通常包括导电性载体和包含催化活性组分的气体扩散层。

原则上从现有技术中获知操作工业尺寸电解池（electrolysis cell）中的耗氧电极的各种提议。其中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(hydrogen-evolving cathode)。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-以下也简称为OCE-必须满足一系列需求才用于工业电解装置中。例如，使用的催化剂和所有其它材料必须相对于浓缩碱金属氢氧化物溶液和通常80-90℃温度下的纯氧化学稳定。类似地，需要高机械稳定性，使得可以在面积通常超过2 m²的尺寸的电解装置中安装和操作电极。其它所需的性能为：高导电性，低层厚，高内表面积和电催化剂的高电化学活性。需要对于传导气体和电解液合适的疏水性和亲水性孔隙以及适当孔隙结构。长期稳定性和低生产成本是对工业上可用的耗氧电极的进一步特殊需求。

在阴极元件中布置OCE，其中电解液间隙存在于膜和OCE之间的情况下，由于以下事实产生了问题：在阴极电解液侧，流体静压形成沿电极高度的压力梯度，这在气体侧由于沿着所述高度的恒压而是相反的。其影响可以为在电极的下部区域，疏水性孔隙也被浸没，和液体到达（gets onto）气体侧。另一方面，在OCE的上部气压非常高的情况下，液体能够被从亲水性孔隙中排出，氧气可到达阴极电解液侧。两个影响降低了OCE的性能。在实践中，其影响为，除非采取其它措施，OCE的构造高度被限制到约30 cm。在工业电解装置中，电极通常构造为1 m或更高的高度。为了实现这种构造高度，已经描述了各种技术。

WO2001/57290 A1描述一种池，其中液体以自由下降液膜（free-falling liquid film），简称降膜形式，沿着OCE (有限间隙排列)从顶部向下引导通过被称为渗滤器的安装在OCE和离子交换膜之间的平坦多孔元件。在该布置中，在OCE的液体侧没有液柱，沿着该池的构造高度没有形成流体静压分布。但是，WO2001/57290A1中描述的构造很复杂。为了保证均匀的碱流（alkali flow）和OCE与阴极电解液的均匀接触，渗滤器、离子交换膜和OCE必须极精确地设置。

在另一个实施方案中，在电解池中将阳极区（anode space）与阴极区分隔的离子交换膜直接邻接OCE，没有碱金属氢氧化物溶液引入其中和该碱金属氢氧化物溶液从其中去除的插入区（intervening space）(阴极电解液间隙)。这种布置也称为零间隙布置。零间隙布置通常还用于燃料电池技术。这里缺点是形成的碱金属氢氧化物溶液必须经过OCE到达气体侧，然后在OCE向下流动。在该过程中，OCE中的孔隙必须不能被碱金属氢氧化物溶液阻塞，孔隙中必须不能有碱金属氢氧化物的任何结晶。现已发现这里可以产生很高的碱金属氢氧化物溶液浓度，但是据称在该高浓度下，离子交换膜缺少长期稳定性(Lipp等人，J. Appl. Appl. Electrochem. 35 (2005) 1015-Los Alamos National Laboratory“Peroxide formation during chlor-alkali electrolysis with carbon-based ODC”)。