本发明专利技术涉及气体扩散电极和生产它的方法，所述气体扩散电极包括导电性载体，和以电化学活性催化剂和疏水性材料为基础的多孔涂层。其中该电极具有面对含氧气体的第一侧和面对碱性电解质的第二侧。其中催化剂包括贵金属作为催化活性组分，其中疏水性材料包括疏水性聚合物，和其中包含催化剂的涂层具有10-500mm3/g的孔隙容积，和在100-10，000nm范围的孔隙直径。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及气体扩散电极，尤其涉及用于在碱性条件下氧的还原的耗氧电极，尤其适合用于氯碱电解，具有新的特定的催化剂形态，以及涉及电解装置。本专利技术进一步涉及耗氧电极的生产方法和涉及它在氯碱电解或燃料电池技术中的使用。本专利技术是从本身已知的耗氧电极出发，这些电极构造为气体扩散电极并且典型地包括导电性载体和气体扩散层和催化活性组分。
技术介绍
耗氧电极，下面称作0CE，是气体扩散电极的一种形式。气体扩散电极是这样的电极，其中三种状态的物质一固体、液体和气态物质一彼此接触，并且固体的导电性催化剂催化在液相和气相之间的电化学反应。固体催化剂典型地压制成多孔膜，典型地具有超过 200 μ m的厚度。关于耗氧电极在工业规模的电解槽中的操作的各种建议原则上是现有技术中已知的。基本思想是用耗氧电极(阴极)替代该电解(例如在氯碱电解)的氢气放出阴极。可能的电解槽设计和技术方案的概述能够在Moussallem等的出版物“Chlor-Alkali Electrolysis with Oxygen Depolarized Cathodes: History, Present Status and Future Prospects" , J. App 1. Electrochem. 38 (2008) 1177—1194 中见到。耗氧电极一下面也简称OCE —必须满足一系列的基本要求以便可用于工业电解槽中。例如，所使用的催化剂和全部其它材料在典型80-90°C的温度下对于约32wt%氢氧化钠溶液和对于纯氧必须是化学稳定的。类似地，需要高度的机械稳定性，以使得该电极能够在具有典型大于2m2面积的尺寸的电解槽(工业规模)中被安装和操作。其它性能是电催化剂的高导电性，低层厚度，高的内表面积和高的电化学活性。气体和电解质的传导用的合适的疏水性和亲水性孔隙和相应的孔隙结构同样是需要的，正是该不透过性 (imperviosity)使得气体和液体空间保持彼此分开。长时间稳定性和低生产成本是对于工业上可使用的耗氧电极的进一步特殊要求。关于在氯碱电解中OCE技术的利用的进一步研究方向是零-缝隙技术。在这种情况下，OCE与离子交换膜直接接触，它在电解槽中分开阳极空间和阴极空间。这里没有留出供氢氧化钠溶液的缝隙。这一排列典型地也用于燃料电池技术中。这里的缺点是所形成的氢氧化钠溶液需要穿过OCE到达气体侧，和然后向下流在OCE上。在这一过程中，必须要求在OCE中的孔隙没有被氢氧化钠溶液引起任何阻塞或在孔隙中没有氢氧化钠溶液的结晶。已经发现的是，非常高的氢氧化钠溶液浓度也会在其中出现，在这种情况下离子交换膜对于这些高浓度不具有长时间稳定性(Lipp等，J. Appl. Electrochem. 35 (2005) 1015-Los Alamos National Laboratory "Peroxide formation during chlor-alkali electrolysis with carbon-based 0DC，，)o 气体扩散电极的操作用的重要的必要条件是液相和气相同时存在于电极的孔隙体系中。由杨-拉普拉斯方程(Young-Laplace equation)揭示了如何实现这一点气体压力P因此通过孔隙半径r，液体的表面张力σ和润湿角θ来与孔隙体系中的液体关联。然而，该方程式应该仅仅理解为供参考，因为太多的参数是未知的或难于确定 对于表面张力，需要考虑固体和液体的表面张力的差异。催化剂例如披钼碳或银的表面张力，然而，是勉强可测量的。· 润湿角能够在平整的表面上测定。相反，单个孔隙不能检验，因为在这种情况下将测定整个电极的孔隙体系。·该润湿角在电场和温度的影响下也发生变化；在电极内也不能测量。为了在OCE中产生气体和液体空间，需要产生具有不同的孔隙半径或不同表面张力的孔隙。除该湿润性之外，该OCE必须具有良好的导电性，以便电子能够以最低的欧姆电阻被传输。在有限缝隙排列中的氯碱电解中，例如，OCE将电解质空间与气体空间分开。在这种情况下，如上所述，气体必须不从气体空间通入到电解质空间中，电解质不从电解质空间通入到气体空间。在工业的电解槽中，耗氧阴极应该承受在工业电解槽的底部存在的流体静压力，例如170毫巴。因为气体扩散电极具有孔隙体系，少量的液体总是通入到气体空间中，和气体通入到液体空间中。该量取决于电解槽的槽的构造。OCE应该在气体空间与液体空间之间的在10-60毫巴范围内的压差下是不能透过的。这里“不能透过的”是指用肉眼不能观察到气泡进入到电解质空间中。“液体-不能透过的”意指，不超过10 g/(h * cm2) 的液体量穿过OCE (其中g表示液体的量，h表示一个小时和cm2表示几何电极表面面积)。 然而，当太多的液体穿过OCE时，它能够仅仅向下流在面向气体侧的那一侧上。在这种情况下，能够形成液体膜，它阻碍气体进入到OCE并且因此对于OCE的性能具有极端不利影响 (氧供应不足)。当太多的气体进入电解质空间时，必须能将气泡从电解质空间中引出。在各情况下，气泡遮蔽电极面积和膜面积的一部分，这导致电流密度位移和因此，在电解槽的静电操作中，导致电流密度的局部提高和导致在电解槽上槽电压的不希望有的提高。另一可能性是使用烧结电极的方案。在这种情况下，例如可能在OCE的不同层中使用三种不同的颗粒尺寸。例如，由细粒材料组成的顶层，不同级分的工作层，和粗糙材料的气体传导层(DE 1219553)。这些电极的缺点是电极是比较厚的和重的一典型的厚度是约2 mm.各个层必须是非常薄的并且无缺陷。这一类型的电极的金属的成本是较高的，并且不可能在连续性生产过程中生产电极。这一类型的气体扩散电极的其它缺点是它们对于压力变化是非常敏感的并且不能用于例如工业电解槽中，因为，由于构造高度，在电解槽的底部电解质在这里具有高的静压力，该压力作用于气体扩散电极和因此充溢孔隙体系。此类电极是通过散射施加和后续的烧结或热压来生产的。为了生产多层电极，细粒材料因此首先散布到模板中，然后光滑化。随后，其它材料以彼此叠加的多层方式施加和然后压制。该生产不仅仅易于出错而且费时和难以自动化。EP797265 (Degussa)描述气体扩散电极和气体扩散电极的生产方法，其导致在电极层中的双模态孔隙分布。在这种情况下，催化剂用质子传导性离聚物进行分散。电极的总孔隙度是40 - 75%并且由具有至多500 nm平均直径的小孔隙和具有1000 — 2000 nm的平均直径的大孔隙组成。在将涂层分散体喷涂到热膜上之后，随着溶剂蒸发而形成小的孔隙。 当预先添加的孔隙形成剂分解或浸出时，形成大的孔隙。孔隙的平均直径能够因此受到所使用的孔隙形成剂的粒度所影响。双模态孔隙分布旨在用于导致在电极层中质量转移的改进。穿过该大孔，反应气体能够快速地深入到电极层中，所形成的反应水能够被除去。小的孔隙然后开始在离子传导性聚合物中的运输，运输得和该催化剂颗粒一样远。这里覆盖的距离仅仅是短的，并且在小的孔隙中减缓的运输不会显著地损害电极的性能。在常规涂层上在电极层中的运输上的明显改进是仅仅在超过40%的总孔隙度下才观察到。随着提高孔隙度，电催化剂与反应介质一起的供应会增加。然而，随着提高孔隙度，在涂层中可利本文档来自技高网...
【技术保护点】
１． 气体扩散电极，包括 导电载体，和 以电化学活性催化剂和疏水性材料为基础的多孔涂层，其中该电极具有面对含氧气体的第一侧和面对碱性电解质的第二侧，其中所述催化剂包括贵金属作为催化活性组分，其中所述疏水性材料包括疏水性聚合物，和其中包含所述催化剂的所述涂层具有１０－５００ ｍｍ３／ｇ的孔隙容积和在１００－１０，０００ ｎｍ范围的孔隙直径。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A布兰，J金特鲁普，R韦伯，
申请(专利权)人：拜尔材料科学股份公司，
类型：发明
国别省市：DE
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