BR0210536B1 - processo para produção de um eletrodo de difusão de gás de um catalisador de prata sobre substrato de ptfe. - Google Patents

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM ELETRODO DE DIFUSÃO DE GÁS DE UM CATALISADOR DE PRATA SOBRE SUBSTRATO DE PTFE".
A presente invenção refere-se a um processo para produção de eletrodos de difusão de gás porosos da espécie indicada na reivindicação 1. Um eletrodo de difusão de gás desse tipo pode basear-se, por exemplo, em uma prata ativa ou ligas de prata, para uso em células eletroquímicas, parti- cularmente da eletrólise de cloro-álcali, ou células de combustível alcalinas.
Em células eletroquímicas é realizada a redução de oxigênio em platina, prata ou também carbono. Platina pode ser usada tanto em meio ácido como também alcalino, enquanto prata e carbono só são estáveis à corrosão em eletrólitos alcalinos. Porém, no caso do catalisador de prata, também em meios alcalinos ocorre uma rápida desativação, que é explicada pela conversão da superfície oxídica da prata (Texas Instruments, US 35 05 120). Têm sido feito várias tentativas para reduzir o ataque corrosivo da pra- ta por parceiros de liga apropriados. Nesse caso, são conhecidas ligas tanto com materiais mais nobres, platina, paládio, ouro e mercúrio (DE 20 21 009), como também com materiais menos nobres, tal como níquel (DE 15 46 728), cobre e outros. Também tem sido tentado obter uma estabilização da prata, tanto por beneficiamento como também por proteção anti-corrosão anódica (elemento local). Na corrosão, primeiramente forma-se uma superfície de óxido de prata. Como óxido de prata é relativamente bem solúvel em lixívias, desse modo pode ocorrer uma transformação do cristal de prata. Nas figuras
2 e 3 estão representadas imagens REM de eletrodos de prata, antes e de- pois do uso. Pode ser identificada muito nitidamente a redução da estrutura
de poros interna. A atividade catalítica diminui.
Além da estabilização, o processo para produção de um catali- sador de prata ativa também precisa garantir que a superfície ativa da prata seja suficientemente grande, isto é, que o tamanho de grão da prata seja o menor possível. Desse modo, é conhecido, por exemplo, do documento (US
3668 101) que são obtidos catalisadores de prata muito ativos em diâmetros de partícula de 5 a 10 μιη de tamanho. Além disso, são conhecidos processos, nos quais é tentado pro- duzir partículas mínimas de ligas de prata estáveis. Partículas de prata sufi- cientemente pequenas são produzidas em procedimentos de precipitação.
Além do controle do valor de pH, da temperatura e da supersaturarão, ger- mes de cristalização desempenham um papel destacado para que sejam produzidas partículas de prata mínimas. É conhecido um processo (EP 0 115 845), no qual uma mistura de nitrato de prata e nitrato de mercúrio é precipitada sobre uma dispersão de PTFE, por adição de lixívia de potássio. Desse modo, é produzida uma amálgama de prata com diâmetro de partícula mínimo.
Para produzir os chamados eletrodos de difusão de gás desses catalisadores, tal como são necessários em células de combustível ou na eletrólise de cloro-álcali, os pós precisam ser processados para um eletrodo homogêneo, plano. Esse eletrodo precisa ser eletricamente condutor e pos- sibilitar a entrada tanto de eletrólito como também de gás. Portanto, regiões do eletrodo precisam poder ser umectadas, enquanto outras regiões preci- sam ser protegidas contra umectação. Uma solução desse problema foi ob- tida com uma estrutura de poros biporosa. O eletrólito inicialmente pode pe- netrar, sem esforço, tanto nos poros pequenos como também nos grandes.
Por uma sobrepressão do gás ou pela força de gravitação, o eletrólito é no- vamente removido dos poros maiores. Essas estruturas biporosas só funcio- nam de modo satisfatório se puder haver uma diferença de pressão entre a câmara de gás e a câmara de eletrólito. É duvidoso que essas diferenças de pressão possam formar no eletrólito uma membrana que separa o anódio do catódio. Desse modo, esses eletrodos não podem ser usados na eletrólise de cloro-álcali ou em células de combustível com membranas alcalinas.
Por esse motivo foi tentado criar um sistema de poros biporoso através das propriedades de material. Isto é, são necessários materiais hi- drófilos e hidrófobos. Materiais hidrófobos apropriados são alguns termoplas- tos - tal como, por exemplo, politetrafluoretileno. Os catalisadores citados e também a prata são sempre hidrófilos. Misturando-se, portanto, prata e PT- FE e moldando-se com isso um eletrodo plano, então o mesmo apresenta regiões diferentes com propriedades hidrófilas e hidrófobas. Na maioria das vezes é integrado um descarregador metálico adicional, para obter proprie- dades elétricas melhores.
São conhecidos alguns processos para produzir um chamado eletrodo de difusão de gás de misturas de PTFE (politetrafluoretileno) e cata- lisador. Desse modo, por exemplo, no documento (EP 0 115 845) é proposto que os materiais sejam suspensos de tal modo que seja obtida uma pasta, que pode ser despejada em um molde, comprimida e secada. Desvantajosa nesses eletrodos "de pasta" é a distribuição não homogênea do material - facilmente podem resultar pequenos furos, pelos quais o gás ou eletrólito pode então passar. Para evitar isso, os eletrodos são produzidos com uma espessura de, no mínimo, 0,8 mm. Desse modo, encontram-se grandes quantidades de prata no eletrodo (em torno de 2 kg/m2), de modo que a van- tagem de preço da prata foi novamente perdida. Pois são conhecidos eletro- dos de oxigênio comerciais com aproximadamente 4-40 g/m2 de plati- na/carbono.
São conhecidos dois processos, nos quais é laminado um ele- trodo de difusão de gás fino, homogêneo, desses materiais hidrófo- bos/hidrófilos. De acordo com o processo (EP 0 144 002, US 4 696 872), em um misturador especial as partículas de catalisador e o PTFE são mistura- dos um ao outro de tal modo que um sistema reticular hidrófobo, de malhas finas, se precipita sobre o catalisador. Em um cilindro para pó, a massa sol- ta, despejada, é laminada para um filme de aproximadamente 0,2 mm de espessura. Esse processo mostrou-se conveniente para misturas de PTFE e carbono ou PTFE e níquel de Raney. Também é possível laminar desse mo- do uma liga de prata de Raney, com 80% de alumínio, para um filme poroso. Um Iaminador de calandragem desse tipo está representado na Figura 1. No entanto, não é possível trabalhar a prata dúctil, à pressão de compressão necessária - aproximadamente, 0,01 a 0,6 t/cm2 - nesses cilindros para pó PTFE e prata são comprimidos para um filme compacto, impermeável a gás e eletrólito. A linha característica de corrente-tensão de um eletrodo desse tipo pode ser vista na Figura 5. Para, não obstante, poder produzir eletrodos de prata, primeira- mente uma mistura de óxido de prata/PTFE é processada no cilindro para pó e, subseqüentemente, reduzida eletroquimicamente (DE 37 10 168). O óxido de prata é suficientemente estável para resistir à pressão de compressão dos cilindros. Além disso, na transição de óxido de prata para prata, o volu- me é reduzido, de modo que se formam poros adicionais no eletrodo de di- fusão de gás. Pelos parâmetros na redução, o tamanho de grãos das partí- culas pode ser ajustado de modo bastante bom. Desvantajoso nesse pro- cesso é o fato de que até o presente não é conhecido como ligas de prata com propriedades catalíticas podem ser reduzidas. Desse modo, portanto, não é possível produzir através da redução eletroquímica eletrodos de prata estáveis por longo prazo.
A tarefa da presente invenção consiste no fato de obter um pro- cesso para produção de um eletrodo de difusão de gás, com o qual não só as desvantagens do estado da técnica são evitadas, mas no qual se apre- sentam, particularmente, resultados reprodutíveis no produto de processo.
Com um processo do tipo indicado inicialmente, essa tarefa é solucionada de acordo com a invenção pelo fato de que
- o sistema de poros do catalisador de prata é enchido com um líquido umectante,
- um sólido de dimensões estáveis, com um tamanho de grão acima do tamanho do catalisador de prata, é misturado com o catalisador de prata,
- essa massa, desse modo estável à compressão, é moldada em uma calandra para uma fita de catalisador homogênea e
- em uma segunda etapa de calandragem, um material de des- carga eletricamente condutor é estampado na fita de catalisador.
A particularidade do processo de acordo com a invenção reside então no fato de encher o sistema de poros interno dos materiais dúteis com um líquido. Como esse líquido não pode ser compactado e, por outro lado, está ligado fixamente no sistema de poros através das forças capilares, tam- bém na pressão existente de, no máximo, 600 kg/cm2, o líquido não pode ser removido dos microporos. Uma outra adição de um pouco de pó de car- bono ou de carbonato de amônio volátil pode absorver adicionalmente a pressão mecânica dos cilindros para pó. Por esses aditivos de grãos grossos de, tipicamente, 10 - 100 μητι de diâmetro de grão, o sistema de poros com diâmetro de poros maior é protegido contra compactação. Por uma etapa de têmpera subsequente, tanto o líquido como também o sólido, carbonato de amônio, podem ser eliminados do eletrodo. Desse modo, podem ser obtidos poros grandes no eletrodo de difusão de gás, que asseguram o transporte rápido de gás, e poros menores no catalisador, que permitem um aproveita- mento homogêneo do catalisador.
Uma realização preferida desse processo é descrita tal como se segue: primeiramente, é produzida prata ou uma liga de prata por um pro- cesso de precipitação. Nesse caso, é vantajoso realizar a precipitação sobre uma dispersão de PTFE. Os melhores resultados são obtidos com uma mis- tura de 15% de teflon e 85% de prata. Pela adição de formaldeído na precipi- tação, o hidróxido de prata transforma-se no meio alcalino imediatamente em um cristal de prata. A massa de precipitação é lavada e secada. Uma têmpera subsequente a 200° aperfeiçoa o contato elétrico entre as partículas de prata e elimina os líquidos restantes.
A esse pó é adicionada uma quantidade de aproximadamente 5% - 40%, preferivelmente, porém, 8%, de um líquido, que pode penetrar no sistema de poros do PTFE e da prata. Devido ao caráter hidrófobo do PTFE, para esse fim são de interesse apenas isopropanol, etanol e metanol. Quan- do o pó estiver umectado e enchido com esses solventes, então pode se- guir-se a isso uma troca dos líquidos. Se, por exemplo, um pó embebido em isopropanol for levado a um banho de água ou glicerina, então, no espaço de algumas horas, os líquidos são trocados através de difusão. Desse modo, chega ao sistema de poros do PTFE um líquido que normalmente é repelido pelo PTFE. O material umectado desse modo comporta-se como um pó visto por fora, porque o líquido só se encontra no sistema de poros interno.
Uma outra espécie dos umectantes são os chamados tensoati- vos, preferencialmente o etoxilato de 4-(1,1,3,3-tetrametilbutil) fenol a 5% (Triton Χ100). Os mesmos tanto penetram no sistema de poros como tam- bém recobrem a superfície do catalisador e, desse modo, diminuem a aspe- reza de superfície do mesmo. Essa aspereza de superfície menor leva, en- tão, no processo de laminação ao fato de que o catalisador de prata pode desviar-se da zona de compactação, enquanto outros componentes de pó, que não foram tratados, permanecem na zona de compactação e, desse modo, produzem a composição de eletrodo, no qual está embutido o catali- sador de prata (Figura 4). Como um pó desse tipo pode ser usado carbonato de amônio ou carvão ativo, que são então misturados com o catalisador de prata para uma massa homogênea em um moinho, tal como está descrito no documento EP 0 144 002. Subseqüentemente, a massa solta, despejada, é laminada por meio de um cilindro para pó para um filme com uma espessura de aproximadamente 0,2 mm.
Em um segundo par de cilindros pode ser laminada uma estrutu- ra de apoio na forma de redes tecidas ou metais estirados e, desse modo, aperfeiçoar a estabilidade mecânica e a condutibilidade elétrica. Depois des- se procedimento, o eletrodo de difusão de gás é secado. Depois, o eletrodo tem uma cobertura de prata entre 0,2 kg/m2 e 1,5 kg/m2. Normalmente, é visado um peso de aproximadamente 0,5 kg/m2. Desse modo, podem ser economizados até 75% da prata necessária até agora. Apesar do peso de prata reduzido, com esses eletrodos são obtidas linhas características de corrente-tensão tal como podem ser vistas na Figura 6.
Esse processo, naturalmente, também pode ser combinado com outros. Desse modo, também pode ser dispensado o formaldeído prejudicial ao meio ambiente na precipitação e, em vez disso, a redução depois da pro- dução do GDE pode ser realizada por meio eletroquímico. Também podem ser produzidas ligas realizando-se uma co-precipitação de prata e mercúrio, titânio, níquel, cobre, cobalto ou bismuto.
Especialmente para a eletrólise de cloro-álcali, podem ser reali- zadas modificações no eletrodo de difusão de gás acabado, que possibilitam um melhor transporte da lixívia de sódio formada. Para esse fim, seria reco- mendável, por exemplo, a estampagem de um sistema de descarga grosso. Isto é possível se sobre o eletrodo acabado for comprimida uma rede e sub- seqüentemente for novamente desprendida. A impressão em negativo da rede forma canais, nos quais o eletrólito pode escoar posteriormente, parale- lamente à superfície do eletrodo.
Outras características, detalhes e vantagens da invenção evi- denciam-se com base nas figuras abaixo. As mesmas mostram
Figura 1: um diagrama de função de uma instalação de acordo com a invenção, onde os números de referência relativos a cada uma das partes da instalação são como indicados a seguir: (1) distribuidor giratório; (2) reservatório; (3) moinho de percussão; (4) funil de pó; (5) batedora; (6) barreira luminosa; (7) cilindro enrolador; (8) enrolamento de eletrodo; (9) tri- lho de guia; (10) cilindro de rede; (11) rolo de rede; (12) polia de desvio; (13) rede de descarga; (14) separador de bordas; (15) bobina para fita de eletro- do; (16) motor de acionamento,
Figura 2: uma imagem microscópica de um eletrodo de prata, antes do uso,
Figura 3: na mesma forma de representação, um eletrodo de prata, depois do uso,
Figura 4: uma armação de PTFE embutida em um catalisador de prata,
Figura 5: um diagrama de corrente/tensão de uma eletrólise de cloro-álcali, bem como
Figura 6: a mesma curva, de acordo com indicação da invenção.

Claims (6)

1. Processo para produção de um eletrodo de difusão de gás de um catalisador de prata sobre substrato de PTFE1 caracterizado pelo fato de que - o sistema de poros do catalisador de prata é preenchido com um líquido umectante, - um sólido de dimensões estáveis, com um tamanho de grão acima do tamanho do catalisador de prata, é misturado com o catalisador de prata, - essa massa, desse modo estável à compressão, é moldada em uma calandra para uma fita de catalisador homogênea e - em uma segunda etapa de calandragem, um material de des- carga eletricamente condutor é estampado na fita de catalisador.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que como líquido umectante é usado 5% de isopropanol e como sóli- do, 30% de carbonato de amônio ou hidrocarbonato de amônio e esses dois materiais de enchimento são eliminados após a produção do eletrodo por uma etapa de têmpera, preferivelmente, a 110°C.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende o uso de um tensoativo como liquido umectante.
4. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende utilizar, como tensoativo, etoxilato de 4-(1,1,3,3- tetrametilbutil) fenol a 5%.
5. Processo, particularmente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que na primeira etapa de calandragem é produzi- da uma fita de catalisador homogênea, com uma espessura de 0,2-0,5 μιη.
6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -5, caracterizado pelo fato de que a fenda de cilindro é ajustada para 350 μιτι e o avanço dos cilindros, para aproximadamente 2 metros por minuto.
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