耗氧电极及其制造方法技术

本发明专利技术涉及耗氧电极及其制造方法，更具体地涉及一种耗氧电极，其包括片状结构形式的载体和具有气体扩散层和催化活性组分的涂覆层，其中载体是基于在20℃下测定导电性小于1000S/cm的材料。在耗氧电极的生产中，载体易于生产，并具有低重量和良好的加工性。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用要求2010年10月21日提交的德国专利申请No.102010402729的优先权，出于所有有益的目的，其所公开的内容以参考的形式全部引用到本申请中。
本专利技术的领域涉及耗氧电极，尤其是用于氯碱电解中的耗氧电极，其具有新颖的载体，还涉及电解装置。本专利技术的领域进一步涉及在氯碱电解或燃料电池技术中该耗氧电极的应用。本专利技术从本身已知的耗氧电极出发，这些耗氧电极被设置成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。
技术介绍
从现有技术的原理中能够知晓工业尺寸的电解槽中使用耗氧电极的不同方案。基本思路是以耗氧电极(阴极)替换电解中(如在氯碱电解中)的释氢阴极。关于可能的槽设计和解决方法的综述可以在Moussallem等发表的文章“具有氧去极化阴极的氯碱电解：过去、现状和将来的前景”，应用电化学杂志，38(2008)1177-1194中找到。耗氧电极，为了简洁之后也以OCE来表达，必须符合很多要求才能在工业电解槽中使用。因此，所使用的催化剂和所有其它材料必须在一般80-90℃的温度下对于大约为32wt％浓度的氢氧化钠溶液和对于纯氧是化学稳定的。由于电极被安装和操作于具有通常超过2m2面积(工业尺寸)的电解槽中，因此同时也需要高机械稳定性。进一步的性能是：高导电性，低层厚，高的内表面积和电催化剂的高电化学活性。用于气体和电解液传输的适合的憎水和亲水孔以及适合的孔结构同样是必要的，同样需要非渗透性，以便于气体空间和液体空间彼此隔离。工业上使用的耗氧电极必须符合长期稳定性和低生产成本的进一步的特定要求。传统的耗氧电极一般由导电载体组成，在其上面施涂了具有催化活性组分的气体扩散层。做为憎水性组分，使用例如还用做催化剂的聚合物粘合剂的聚四氟乙烯(PTFE)。在电极具有银催化剂的情况下，银做为亲水性组分。金属、金属化合物、非金属化合物，或金属化合物或非金属化合物的混合物，一般用做催化剂。然而，施加在碳载体上的金属，尤其是铂族金属，也是已知的。已经发现对于使用耗氧电极的碱金属氯化物的电解，银催化剂特别有用。在具有银催化剂的OCE的生产中，可以至少部分地以银(I)或银(II)氧化物的形式引入银，然后将它们还原成金属银。还原或者在电解的初始阶段进行，此时银化合物的还原占主导地位，或者在单独的步骤中进行，在电极运行前以电化学、化学或本领域技术人员熟知的其它方式进行。银化合物的还原也导致微晶排列的改变，尤其导致独立的银颗粒间桥联的形成。这在总体上导致结构的强化。在耗氧电极的生产中，在干和湿制造方法之间具有原理上的区别。在干法中，催化剂和聚合物组分的混合物被研磨成细颗粒，其随后被分散在导电载体部件上，并在室温下压制。EP1728896A2记载了该方法。EP1728896A2记载了银，银(I)氧化物，银(II)氧化物或其混合物作为优选催化剂，聚四氟乙烯(PTFE)作为粘合剂并且直径为0.1-0.3mm的镍线制成的网作为载体，网孔为0.2-1.2mm。在湿法制造方法中，使用催化剂和聚合物组分的糊料或悬浮体。在糊料或悬浮体的生产中可以加入表面活性物质，以增加前者的稳定性。通过丝网印刷或压延机将糊料涂覆到载体部件上，而不太粘的悬浮体通常喷涂到载体部件上。在冲洗掉乳化剂后，将糊料或悬浮体缓慢地干燥，并且之后在聚合物熔点区域的温度下煅烧。这类方法记载在例如US20060175195A1中。早期的出版物也公开了在第一个步骤中将催化剂和聚合物的混合物压实形成片状结构(“轧制片”)并将该结构压到载体部件中的方法。该方法的例子记载在DE10148599A1或EP0115845B1中。由于这些片状结构机械稳定性低，发现这些方法在工业实践中用处极小。因此优选方法中首先将催化剂和聚合物的混合物涂覆到载体部件上，并且在进一步的步骤中进行压实和强化。载体部件是导电材料的织造网，例如镍线、银线或涂银的镍线的织造网。也可以使用其它结构诸如导电材料制成的针织物，编织物，非织造织物，膨胀金属(expanded metals)，多孔金属片，泡沫或其它可渗透的结构。碳同样地以不同的形式使用在载体部件中，例如碳纤维制成的织造织物或纸。为了增加导电性，可以将碳与金属组分组合，例如通过在碳上沉积金属或借助于由碳纤维和金属纤维和长丝制成的混合混合织物。WO2008006909A2记载了以银线网作为导电载体部件的OCE的生产。EP1728896A2记载了以镍线网作为导电载体部件的OCE的生产。EP1033419B1记载了具有由涂银泡沫镍构成的导电载体部件的OCE的生产。US4578159A1公开了可用于耗氧电极的载体部件的涂覆金属的纤维。US20060175195A1记载了具有各种碳-基载体的OCEs的生产。根据现有技术，载体部件具有两个基本功能：其首先在电极生产过程中和之后作为含催化剂层的机械载体，其次用来将电流分散到反应位点。传统的载体具有很多缺陷。由金属构成的织物/网，非织造织物，海绵状结构或其它结构的生产非常复杂。金属具有高的比重，因此由金属制成的载体部件也具有相对高的固有重量，这使得处理和运输更加困难。碳纤维的生产和将其加工以制造诸如织造织物的片状结构同样是复杂的。碳纤维具有其它的缺陷，其促进过氧化氢的形成，由此降低了电极的性能。进一步的缺陷是根据现有技术优选使用的其它载体全部由银组成或至少被银涂覆。高价格的银增加了相应的耗氧电极的生产成本，这对它们使用的经济性具有不利的影响。因此，本专利技术提供一种耗氧电极，尤其是用于氯碱电解的耗氧电极，其克服了上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术提供了一种避免已知载体缺陷的耗氧电极，其基于可以简单和便宜地生产并且容易处理的载体。这可以通过基于载体的耗氧电极来实现，所述载体基于具有高电阻或非导电性的材料并且能够简单和便宜地制造和易于处理。已经惊奇地发现具有高电阻或非导电性的这类材料高度适合用作耗氧电极的载体部件，不对耗氧电极的性能产生不利影响。耗氧电极(OCE)可以包含片状结构形式的载体和含有气体扩散层和催化活性组分的涂层，其中载体是基于在20℃下测定导电性小于1000S/cm、优选地小于100S/cm的材料。用于OCE载体的材料的导电性显著地低于金属(银的导电性：62MS/cm(兆西门子/厘米)，镍的导电性：14.5MS/cm)以及碳纤维(导电性：103-104S/cm)的导电性。这些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.10.21 DE 102010042729.21.一种耗氧电极，其包括片状结构形式的载体和具有气体扩散层和催化活
性组分的涂层，其中载体是基于在20℃下测定导电性小于1000S/cm的材料。
2.根据权利要求1的耗氧电极，其中所述载体是基于导电性小于100S/cm
的材料。
3.根据权利要求1的耗氧电极，其中所述载体是基于聚合物。
4.根据权利要求2的耗氧电极，其中所述聚合物选自由聚丙烯，氟化烯烃
的聚合物，聚氟乙烯，聚苯硫和它们的混合物组成的组。
5.根据权利要求2的耗氧电极，其中所述聚合物包括聚四氟乙烯。
6.根据权利要求2的耗氧电极，其中所述聚合物包括聚丙烯。
7.根据权利要求1的耗氧电极，其中所述载体是基于矿物纤维。
8.根据权利要求7的耗氧电极，其中所述载体是基于玻璃纤维。
9.根据权利要求7的耗氧电极，其中所述载体是基于玻璃纤维，该玻璃纤
维包括选自由E玻璃、E-CR玻璃、R玻璃、S玻璃、A玻璃、C玻璃、D玻璃、
AR玻璃和它们的混合物组成的组的玻璃。
10.根据权利要...

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