耗氧电极制造技术

本发明专利技术涉及耗氧电极，该电极包括片状结构的支撑体和含有气体扩散层和催化活性成分的涂层，其中该支撑体是基于能够至少部分通过溶解、分解、熔化和/或蒸发来除去的材料。此外，阐述了这种耗氧电极在氯碱电解或燃料电池技术中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术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。
技术介绍
本专利技术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0CE，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°C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 0DC〃 )。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齐U。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，特别是钼族金属，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，本专利技术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。
技术实现思路
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。本专利技术可提供耗氧电极，其避免了由于已知的支撑体元件所导致的缺点，并且特别是避免由支撑体元件导致的传质受阻。这可以通过耗氧电极(所述耗氧电极基于由能够至少部分通过溶解、分解、熔融和/或蒸发而去除的材料构成的支撑体元件)并且通过溶解或分解所述支撑体元件而操作该耗氧电极来实现。本专利技术的实施方案提供了耗氧电极，该耗氧电极包括片状结构形式的支撑体以及含有气体扩散层和催化活性成分的涂层，其中该支撑体是基于能够至少部分通过溶解、分解、熔化和/或蒸发来除去的材料。因此，对于施加催化成分和制备气体扩散层而言最初所需要的支撑体可以至少部分地从成品电极中再次除去，以便使所得孔隙更容易的传质，例如电解质到催化活性成分的传质。本专利技术的实施方案采用气体扩散层的自支撑性能代替所述支撑体的机械性能。本文所述制备的耗氧电极具有足够的机械稳定性并令人惊奇地显示出优于传统氧电极的性能。对于支撑体而言适合的材料原则上是选择的聚合物、无机纤维和金属。在本专利技术的实施方案中，支撑体材料能够从电极中溶出或者被水或水溶液，特别是酸性或碱性溶液分解。优选的水溶性材料实例是聚乙烯醇和聚乙烯机吡咯烷酮。支撑体的除去能够通过溶解、熔化、蒸发和/或分解来实施。对于所述分解/溶解而言合适的介质是水、碱、酸、有机溶剂。所述分解能够通过额外的加热或辐射或者加热和 /或辐射来辅助。对于在碱性介质中的溶解来说，在所有情况下，有可能采用于其中溶解所述支撑体的各个材料的试剂。耗氧电极的一种变形特征在于支撑体材料能从电极中溶出或者被pH至少为9的碱性水溶液分解，优选通过选自氢氧化钠、氢氧化钾组成的组中的苛性碱，优选氢氧化钠， 的作用。特别地，可能使用对碱不稳定的金属，例如铝、锡、锌、铍。因此也优选能够被碱侵蚀的支撑体材料，特别是选自以下物质组成的组的材料 聚酯，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯及其共聚物，聚偏二氟乙烯； 铝；无机纤维，特别是E玻璃、R玻璃、S玻璃、A玻璃、C玻璃、D玻璃制成的纤维。对于在酸性介质中溶解来说，在所有情况下，有可能采用于其中溶解所述支撑体的各个材料的试剂。也可能同时使用无机酸和有机酸。在不用担心被负面影响催化剂的阴离子污染的情况下优选是酸。因此优选酸为硫酸。支撑体材料能够优选从电极中溶出或者被pH不超过5的酸性水溶液分解，特别优选通过无机酸，特别优选通过硫酸来分解。特别地，能使用对酸不稳定的金属，例如，铝、锌或铁。特别优选如下耗氧电极的实施方案其中，支撑体材料基于选自由铝和锌及其合金和聚酰胺组成的组中的材料。对于通过溶剂进行溶解来说，在每一情况下采用于其中溶解支撑体中的各个材料的溶剂是可能的。可能使用例如甲苯或二氯甲烷溶出聚苯乙烯或聚碳酸酯基质，或者使用碳酸亚乙酯溶出聚丙烯腈基质。对于各个材料合适的溶剂对于本领域技术人员而言原理上是已知的。耗氧电极的另一种变形特征在于支撑体材料是能从电极中溶出或者被有机溶剂分解的材料。因此也优选能够被有机溶剂侵蚀的支撑体材料，特别是选自由以下物质组成的组的支撑体材料聚丙烯腈、聚碳酸酯和聚苯乙烯。合适的聚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·布兰，J·金特鲁普，H·莫尔亨，
申请(专利权)人：拜尔材料科学股份公司，
类型：发明
国别省市：