CN1537972A - 从气体扩散电极放出电流的方法 - Google Patents
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Abstract
为从包含气体室之单元电解池中的气体扩散电极放出电流，通过与气体扩散电极部分接触的电连接元件，使气体扩散电极与具有导电性的气体室的壁表面电连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种从气体扩散电极放出电流(discharging current)的方法，所述电极的气体室表面上具有导电性，并用于离子交换膜盐水电解或芒硝电解。
背景技术
安装气体扩散电极并从它放出电流的传统方法粗略地分为：(1)从气体扩散电极四周排放电流的方法；以及(2)使用固结电流收集框的气体扩散电极的方法。
在方法(1)中，调整气体扩散电极的尺寸，使以阴极元件的垫圈密封表面或阴极电流收集框稍微覆盖气体扩散电极的外周，以使气体扩散电极的外周与垫圈密封表面相接触，从而自气体扩散电极的外周向阴极电流收集框放出电流。
另一方面，在方法(2)中，将气体扩散电极的催化剂层放置于网格片(电连接元件)上，以制成配备有阴极电流收集框的气体室，并使用压力机，在高温高压下烧结，以使网格片与催化剂层固结，从而形成固结了电流收集框的气体扩散电极。通过使用这种固结元件，可以从气体扩散电极向阴极电流收集框或阴极元件放出电流。
但是，在这些用于放出电流的传统方法中，在实际的单元电解池(electrolytic unit cell)中出现以下问题。
在方法(1)中，尽管在小尺寸的单元电解池中能够相对于反应面积确保适当的电接触面积，但在具有大约3m2反应面积的实际单元电解池中，不能确保适当的电接触面积，从而使后者的接触电流密度增大，为的是提高电接触电阻。另外，在这种方法中，随着气体扩散电极尺寸的增大，导体电阻增加，从而造成操作效率以及经济效率低下的缺陷。
此外，按照方法(2)，实际单元电解池的反应面积大约为3m2。当固结气体扩散电极和阴极电流收集框时，需要巨大的压力机和巨大的压模，这是不经济的。
为了解决实际单元电解池中的这些问题，提出一种放出电流的方法(JP-A-2000-199094)，其中通过到焊接阴极电流收集框上而直接固定气体扩散电极。但是，这个方法具有以下问题。
为了焊接气体扩散电极，需要把气体扩散电极中所用的导电件(金属网格元件)暴露出来，而这种工作需要大量的劳动。将气体扩散电极焊接于阴极电流收集框的工作也需要大量的劳动，可操作性较差。随着气体扩散电极尺寸的增大，使可操作性得到改善。但是，增大了导电件(金属网格元件)的电阻，从而几乎不可能使气体扩散电极的尺寸增加到超过特定的范围。
发明内容
作为有力调查的结果，本发明人得到本发明，其中，通过与所述气体扩散电极部分接触的电连接元件，使气体扩散电极与单元电解池中具有导电性的气体室壁表面电连接，以便从所述气体扩散电极放出电流。
考虑到上述方面，本发明的目的在于，提供一种在实际单元电解池中易于操作的自气体扩散电极放出电流的方法。
本发明提供一种用于在单元电解池中从气体扩散电极放出电流的方法，包括以下步骤：通过与所述气体扩散电极部分接触的电连接元件，使气体扩散电极与所述单元电解池中具有导电性的气体室壁表面电连接，并从所述气体扩散电极放出电流。
依照本发明，即使从实际尺寸较大的气体扩散电极放出电流，实际上也不使电阻增大。此外，可以将传统的现有单元电解池转变为安装了气体扩散电极的电解池。
用在本发明中的单元电解池包括：采用气体扩散电极作为阴极的氯代碱性单元电解池，以及芒硝单元电解池。
虽然将会借助氯代碱性(盐水)电极而形成的苛性碱(氢氧化钠)的反应作为示例来描述本发明，但本发明的反应并不限制于向阴极室提供作为反应物的含氧气体。
此外，所述单元电解池可以是双室单元电解池，具有使用离子交换膜分隔的阳极室和阴极室。其中所述阴极室包括并未分隔成阴极液体室和阴极气体室的一个室，或者所述单元电解池可以是具有阳极室和通过气体扩散电极被分为阴极液体室和阴极气体室的阴极室的三室单元电解池。本发明的单元电解池可以是单极的或双极的。
按照本发明，所述双室或三室单元电解池中的气体扩散电极与阴极电流收集框之间填充有电连接元件，以便通过所述电连接元件使所述气体扩散电极与所述阴极室的所述壁表面电接触，从而通过所述电连接元件在所述气体扩散电极中从外部放出电流。
将所述电连接元件形成网格片，用于制成气体室。在放出电流期间，电连接元件与气体扩散电极和阴极气体室的内壁表面的简单电接触可能是不够的，还需要适当的表面压力，以增加电接触。
由于实质上不需要所述电连接元件具有将所述气体扩散电极压向所述离子交换膜的功能，所以，并不需要所述电连接元件本身是弹性的。但是，具有弹性的所述电连接元件产生对所述气体扩散电极和所述阴极室的所述壁表面的压力，从而增加了作为排斥力而产生的接触力。
为了在所述阴极气体室中确保所述气体扩散电极与所述电连接元件之间的电接触，需要从所述离子交换膜一侧向所述气体扩散电极施加力。可以使用填充在阴极液体室中(在三室的情况下)或填充在阳极室中(在双室的情况下)的填充材料产生这种力，而所述填充材料将所述气体扩散电极压向所述电极连接元件，以确保二者之间的电接触。
在三室单元电解池的情况下，可以通过按照所述离子交换膜、所述阴极液体室中的所述填充材料、所述气体扩散电极、用以制成所述阴极气体室的所述网格片，以及所述阴极电流收集框的次序施加力，来确保电连接。在双室单元电解池的情况下，可以通过按照所述阳极室中的所述填充材料、所述阳极、所述离子交换膜、所述气体扩散电极、用于制成所述阴极气体室的所述网格片，以及所述阴极电流收集框的次序施加力，来确保电连接。
所述阳极室与所述阴极室之间的压力差可以用于确保所述气体扩散电极与所述电极连接元件之间的接触。在三室单元电解池的情况下，可以通过使所述阴极液体室的压力大于所述阳极室的压力(阴极气体室的压力)，来获得按照所述离子交换膜、所述阴极液体室中的所述填充材料、气体扩散电极、用于制成所述阴极气体室的所述网格片以及所述阴极电流收集框的次序而施加的力。在其阳极室中具有盐水的双室单元电解池的情况下，利用所述盐水的液压来获得按照所述离子交换膜、所述气体扩散电极、用于制成所述阴极气体室的所述网格片以及所述阴极电流收集框的次序而施加的力。
可以单独使用所述填充材料和所述压力差中的任何一个，或者可以同时使用所述填充材料和所述压力差。
当所述电连接元件的材料具有导电性并且是耐碱的时，并不特别限制所述材料，而碳或者比如镍和银等金属是优选的。
并不限制本发明中可以采用的气体扩散电极，可以毫无限制地采用传统的气体扩散电极。气体扩散电极的举例包括分层气体扩散电极，这是把气体扩散层附着在反应层中而形成的，其中所述气体扩散层是通过混合并煅烧催化剂颗粒支撑碳颗粒和碳氟化合物树脂颗粒而制备的，所述反应层是通过混合并煅烧以催化剂颗粒支撑的碳颗粒和碳氟化合物树脂颗粒而制备的；以及气体扩散电极，它的制备方式是，把包含银微细颗粒及碳氟化合物树脂微细颗粒的混合物注入由镀银的金属泡沫制成的基片中，并随后进行热压。
由于在本发明中，从暴露于气体室一侧的气体扩散电极的导电件(或基片)向电连接元件放出电流，所以不需要针对放出电流，而将导电件焊接到阴极电流收集框。通过使用耐碱胶水，只把气体扩散电极部分粘贴于用于制成气体室的网格片或用于固定的阴极电流收集框中的任何一个，以进行这种安装。从而，可以省略暴露气体扩散电极的导电件的外周的传统过程。即使在气体扩散电极的尺寸变大时，仍然可以通过从暴露于气体室一侧的气体扩散电极的导电件，向网格片放出电流，而相对于反应面积确保合适的电接触面积。
可将耐碱树脂或多孔元件制成的网格片用作在阴极液体室中的填充材料，用来挤压气体扩散电极。用作填充材料的材料示例包括：碳、如聚丙烯或碳氟化合物树脂等塑料材料、如乙烯基丙稀橡胶等以橡胶为基础的材料，以及比如不锈钢和镍等金属材料。用在阴极液体室中的填充材料可以是可向上渗透，并有较低流体阻力的弹性结构，其形状示例包括网格、织物和泡沫。但是，如果阴极液体室的填充材料覆盖率变大，则因屏蔽离子交换膜或气体扩散电极表面而使电解电压增大，所以，阴极液体室中填充材料的体积屏蔽率最好为50％或更小。为使与阴极液体室中的填充材料的接触不损坏离子交换膜和气体扩散电极，填充材料最好不具有锐角凸起。
在向阳极室提供如盐水等电解液的同时，在具有上述结构的离子交换膜单元电解池中的两个电极之间提供电流的情况下，向阴极液体室提供氢氧化钠水溶液，并向阴极气体室提供含氧气体，电极连接元件沿朝向阴极室壁表面的方向传输气体扩散电极中的电流，以便在系统外部放出电流。
即使在将气体扩散电极压在网格片上以排放电流的方法中，气体室中的压力变得大于阴极液体室中的压力时，同样可以期待防止因气体扩散电极向阴极液体室的运动而造成损坏的效果。
通过以下描述，本发明的上述和气体目的、特征和优点将更加显而易见。
附图说明
图1是表示本发明一种实施例的装有气体扩散电极的盐水单元电解池的纵剖面图；
图2是表示在接触电流密度为3kA/m2情况下，气体扩散电极对网格片每单位面积的表面压力与由于气体扩散电极及网格片之间的电接触电阻所引起的电压降之间的关系曲线；
图3是表示例1所用阴极液体室中的填充材料的示意图；
图4是表示图3所示填充材料的侧视图。
具体实施方式
以下参照附图更为具体地描述本发明的实施例。但是，本发明并不局限于此。
如图1所示，本发明的实施例是针对盐水电解的单元电解池20，安装有气体扩散电极10，其中通过使气体扩散电极10与用于制成气体室11的网格片(电连接元件)12部分接触，实现电连接。
单元电解池20包括：阳极室1，它的底部具有阳极液体提供口3，顶部具有阳极液体排出口4；阴极室，由气体扩散电极10将其分为阴极液体室6和阴极气体室11。阳极室1与阴极液体室6被离子交换膜5所分隔，阳极室1中的阳极2与离子交换膜5紧密接触。阴极液体室6包括位于其底部的阴极液体提供口8和位于其顶部的阴极液体排出口9，而所述阴极气体室包括位于其顶部侧表面的气体提供口13和位于其底部侧表面的气体排出口14。阴极气体室11的侧壁表面构成了阴极电流收集框。
通过在由譬如银或镍等具有优良导电性的金属网格材料或海绵状材料制成的导电件上形成催化剂层，制备气体扩散电极10，并使导电件暴露于气体扩散电极的气体室一侧。用于制成气体室11的网格片12也由譬如银或镍等具有优良导电性的金属网格材料或海绵状材料制成，并通过焊接安装在阴极电流收集框架15上。
通过使用耐碱胶水将暴露于气体室之气体扩散电极的导电件部分粘贴于网格片12上，将气体扩散电极10固定于网格片12。图1中，借助填充在阴极液体室6中的填充材料7和阴极液体室6的液压，或者借助二者之一，将气体扩散电极10压向网格片12。由此，使导电件与网格片12彼此接触，从而通过网格片12从气体扩散电极10向阴极电流收集框15放出电流。虽然可以只通过阴极液体室6的液压将气体扩散电极压向网格片，但在除阴极液体室6的液压之外通过填充于阴极液体室6中之填充材料7挤压气体扩散电极10的情况下，使导电件与网格片12之间的电阻减小，并更为稳定。
气体扩散电极10与网格片12之间的接触表面压力最好在每单位面积5kPa和20kPa之间，包括5kPa和20kPa。图2中示出在接触电流密度为3kA/m2的情况下，气体扩散电极10对于网格片12每单位面积的表面压力与因气体扩散电极10和网格片12之间的电接触电阻所引起的电压降之间关系的举例。当由镀银的镍泡沫制成导电件时，在气体扩散电极10对于网格片12每单位面积的表面压力略高于5kPa时，气体扩散电极10与网格片12之间的电接触电阻突然下降；并且在每单位面积的表面压力超过20kPa时，电接触电阻几乎是稳定的。
尽管上述每单位面积的表面压力的增大，使气体扩散电极10与网格片12之间的电接触面积稳定，但过度的增大是不经济的，因为必须增大阳极、阴极电流收集框和单元电解池的强度。因此，上述表面压力适于从使电接触电阻下降的5kPa到使电接触电阻稳定的20kPa。
图2的曲线图还示出在由银制成所述导电件时，表面压力与电压降之间的关系。
电接触表面的接触表面压力大于每单位面积的平均表面压力，因为气体扩散电极10与网格片12在该网格片12最后的交点处电接触。即使气体扩散电极10对网格片12每单位面积的表面压力较小，二者之间的电接触表面的接触表面压力仍然变得较大，使电接触电阻减小。这意味着可以减小气体扩散电极10与网格片12之间的电接触电阻，而不需要增加阳极、阴极电流收集框和单元电解池的强度。
尽管将对本发明从气体扩散电极对电流进行放电的方法进行示例的描述，但本发明并不应当被认为局限于此。
[示例1]
装配如图1所示的离子交换膜单元电解池。
把从Permelec Electrode，Ltd.获得的尺寸稳定的电极用为阳极，而将能够渗透液体的气体扩散电极用为阴极。通过将碳黑、银微细颗粒和PTFE微细颗粒注入由镀银的镍泡沫制成的基片中，并且随后借助热压予以烧结，制备气体扩散电极。将阳极和气体扩散阴极的反应表面的各个尺寸调整为宽2480mm、高1220mm。
把从Asahi Kasei Corporation获得的Aciplex F-4203用为离子交换膜。
把从Katurada Grating Kabushiki Kaisha获得的由镍制成并且厚度为10微米的电镀银波纹网格用作形成气体室所需的网格片(电连接元件)。
把由聚丙烯制成的网格状片用为填充材料。如图3所示，所述网格状片的形状是以相同距离平行设置的多根纤维重叠在平行设置的另外多根纤维上，形成许多菱形开口。如图4所示，交点处的厚度是最大的。开口的短宽度(SW)是25mm，而开口的长宽度(LW)是37mm。交点处的厚度是2.7mm，体积屏蔽率约为20％，面积屏蔽率约为40％，而开口率约为60％。
通过堆叠各个部件，并使用螺栓扣紧这些部件，以装配离子交换膜单元电解池。在电流密度为3kA/m2、电解温度为85℃、氢氧化钠重量百分浓度为32％的条件下，使单元电解池进行工作。经校正的电解电压为2.20V。经校正的电解电压表示，在电解温度为90℃而氢氧化钠的重量百分浓度为32％的条件下转换的电压。
[示例2]
除气体扩散电解具有支撑催化剂层的Ag网格，并通过焊接固定于阴极电流收集框外，在与示例1相同的条件下进行电解。经校正的电解电压类似于示例1的经校正之电解电压。
由于只是针对示例对上述实施例进行描述，本发明并不局限于上述实施例，本领域的技术人员在不偏离本发明范围的前提下，可以容易地对其进行多种修改或替代。
Claims (5)
1.一种用于在包含气体室之单元电解池中从气体扩散电极放出电流的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过与所述气体扩散电极部分接触的电连接元件，使气体扩散电极与所述单元电解池中具有导电性的气体室壁表面电连接；以及
从所述气体扩散电极放出电流。
2.按照权利要求1所述的放出电流的方法，其特征在于，使用耐碱胶水将所述气体扩散电极固定于所述电连接元件。
3.按照权利要求1所述的放出电流的方法，其特征在于，所述电解单元电池分为三个室，包括：阳极室、阴极液体室和阴极气体室，并将可渗透液体且耐碱的填充材料填充在所述阴极液体室中，以将所述气体扩散电解压向所述电连接元件，从而使所述气体扩散电解与所述电连接元件电接触。
4.按照权利要求1所述的放出电流的方法，其特征在于，所述电解单元电池分为三个室，包括：阳极室、阴极液体室和阴极气体室，并借助所述阴极液体室中的液压，将所述气体扩散电解压向所述电连接元件，从而使所述气体扩散电解与所述电连接元件电接触。
5.按照权利要求1所述的放出电流的方法，其特征在于，所述电解单元电池分为两个室，包括使用隔膜分隔的阳极室和阴极室，并将可渗透液体的填充材料填充在所述阳极室中，以通过所述隔膜，将所述气体扩散电解压向所述电连接元件，从而使所述气体扩散电解与所述电连接元件电接触。
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