JP5735028B2 - 電気液浸透セル - Google Patents
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Description
本発明は電解セル(電解槽)の分野に関し、特に電解液浸透型電解セルに関する。
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2
の代替として、下記の全体的反応:
4NaCl + 2H2O + O2 → 4NaOH + 2Cl2
が達成される。
発明の範囲
本発明の目的は、先行技術の限界を克服する電解セル用のガス拡散電極構造を提供することである。特に本発明の目的は、電解液浸透型電気化学セルに使用するのに適切な、そしてまた侵食性の電解液、特にアルカリ性の電解液と共に使用するのに適切な、先行技術の限界を克服する基体を含むガス拡散電極を提供することである。
本発明は、電解液流の浸透を支持するのに適切な疎水性多孔質基体の一方の面に触媒組成物を付けることによって得られたガス拡散電極からなる。触媒組成物を付けることは、基体の一部だけに侵入するように実行されるので、基体は未使用(非占有)の体積部分でパーコレーターとして働くことができる。それによって電極のパーコレーター自体の構造内への一体化が得られ、二つの機能が単一の部品に組み合わされるので、コストは実質的に低減され、関連セルの組立ても容易になる。このようにして得られた電極は特に、触媒活性化とパーコレーターの間に介在する何らかの金属メッシュ又はその他の網状材料を必要としない。本発明の一つの好適な態様において、触媒組成物は金属触媒と適切なポリマーバインダとの混合物であり、好ましくは炭素質材料を含まない。このことは、酸素が強塩基性電解液と共に存在する場合に特に重要である。食塩電解用のガス拡散陰極の場合、金属触媒は、好ましくは、銀、ニッケル及び関連酸化物、所望によりそれらの混合物から選ばれ、ポリマーバインダは、好ましくは過フッ素化ポリマー、例えばPTFEなどである。一つの好適な態様によれば、金属触媒とバインダは、所望により水性の溶液、分散液又は懸濁液中でペーストが得られるまで混合される。このペーストは、パーコレーターとして働くのに適切な多孔質基体に対して直接的に、例えばカレンダリングによって圧着することができる。次に、十分な機械的安定性を得るために、所望により、低温での予備乾燥ステップとその後の高温でのステップを含む熱処理を実施する。
20gの市販PTFE水性懸濁液(Hostaflon TF 5003、40重量%)及び136mlの35%ホルムアルデヒド溶液(Fluka)を800mlの脱イオン水に撹拌下で徐々に加え、該混合物を0〜10℃の温度で冷蔵保存した。1時間後、連続撹拌下で80gのAgNO3(Aldrich、金属として表すと63.6重量%のAg)と800mlの10重量%苛性カリ溶液を含有する溶液を、pH7.5〜10及び温度15℃未満に常に維持しながら滴下添加した。操作には2時間弱を要した。溶液は引き続き2時間激しい撹拌下に維持した。反応が完了したら得られた沈殿物をデカントして上清を除去した。真空下でろ過した固体を2リットルの脱イオン水と600mlの石油エーテルで濯いだ。生成物を空気中120℃で一晩乾燥させた。このようにして約87重量%のAgを有する触媒材料が得られた。200cm2のガス拡散電極の製造に十分すぎる量であった。
実施例1で製造した触媒材料30gを90mlの2−プロパノール中に懸濁させた。該懸濁液を中多孔度のろ過膜に注ぎ、真空下で過剰のアルコールを除去した。次に得られたケーキをカレンダーで40メッシュの銀ネット(厚さ0.3mm)に表面を完全に覆うまで数回圧着した。100℃での乾燥ステップ後、電極を空気中250℃で15分間マッフル炉で処理した。
実施例1で製造した触媒材料30gを90mlの2−プロパノール中に懸濁させた。該懸濁液を中多孔度のろ過膜に注ぎ、真空下で過剰のアルコールを除去した。次に得られたケーキをカレンダーでPTFEパーコレーター(呼称厚1.5mm)に表面を完全に覆うまで数回圧着した。ただし、その体積への侵入は一部のみで、少なくとも1mm厚の未使用(非占有)部分を残した。100℃での乾燥ステップ後、電極を空気中250℃で15分間マッフル炉で処理した。
[発明の態様]
[1]
電気化学セル用のガス拡散電極であって、疎水性多孔質基体の一方の面に付けた触媒組成物を含み、前記電極は、前記疎水性多孔質基体内部の電解液下方流の浸透を支持することができるガス拡散電極。
[2]
前記触媒組成物が、少なくとも一つの金属粉と少なくとも一つのポリマーバインダを含む、1に記載の電極。
[3]
前記少なくとも一つの金属粉が、銀、ニッケル、又はそれらの酸化物を含む、2に記載の電極。
[4]
前記少なくとも一つのポリマーバインダが、過フッ素化ポリマー、所望によりPTFEを含む、2又は3に記載の電極。
[5]
前記多孔質基体が0.7mm以上の厚さを有する、前記のいずれか1項に記載の電極。
[6]
前記疎水性多孔質基体が、ポリマー材料のメッシュ又はクロスである、前記のいずれか1項に記載の電極。
[7]
前記ポリマー材料が過フッ素化ポリマー、所望によりPTFEである、6に記載の電極。
[8]
前記触媒組成物が、介在する網状金属材料なしに前記疎水性基体の一方の面に直接付けられている、前記のいずれか1項に記載の電極。
[9]
下方への電解液流によって内部縦断される1〜8のいずれか1項に記載の少なくとも一つのガス拡散電極を含む電解液浸透型セル。
[10]
前記電解液が苛性溶液である、9に記載のセル。
[11]
1〜8のいずれか1項に記載の電極の製造法であって、
−前記触媒組成物の成分を含有するペーストを、所望により水溶液、分散液又は懸濁液から出発して調製するステップと、
−前記ペーストを前記疎水性多孔質基体の一方の面に圧着するステップと、
−最大温度200〜380℃まで熱処理を実行するステップと
を含む方法。
[12]
前記圧着のステップがカレンダリングによって実施される、11に記載の方法。
[13]
1〜8のいずれか1項に記載の電極の製造法であって、
−前記触媒組成物をデカール転写支持体に触媒シートが得られるまで付けるステップと、
−前記触媒シートを前記疎水性多孔質基体の一方の面に加圧融解するステップと、
−最大温度200〜380℃まで熱処理を実行するステップと
を含む方法。
[14]
1〜8のいずれか1項に記載の電極の、食塩電解プロセスにおける酸素供給ガス拡散陰極としての使用。
[15]
1〜8のいずれか1項に記載の電極の、電解液浸透型アルカリ型燃料電池における酸素供給ガス拡散陰極又は水素供給ガス拡散陽極としての使用。
Claims (15)
- 少なくとも1つのガス拡散電極を備えた電解液浸透セルであって、
単一の部品からつくられた疎水性多孔質基体と該部品の一方の面に付けた触媒組成物とを含み、該多孔質基体の一部に該触媒組成物が侵入しており、該多孔質基体の該触媒組成物が侵入していない部分を電解液流が縦断する、前記の電解液浸透セル。 - 前記触媒組成物が、少なくとも一つの金属粉と少なくとも一つのポリマーバインダを含む、請求項1に記載のセル。
- 該少なくとも一つの金属粉が、銀、ニッケル、又はそれらの酸化物を含む、請求項2に記載のセル。
- 該少なくとも一つのポリマーバインダが、過フッ素化ポリマーを含む、請求項2に記載のセル。
- 該多孔質基体が0.7mm以上の厚さを有する、請求項1に記載のセル。
- 該疎水性多孔質基体が、ポリマー材料のメッシュ又はクロスである、請求項1に記載のセル。
- 該ポリマー材料が過フッ素化ポリマーである、請求項6に記載のセル。
- 該触媒組成物が、介在する網状金属材料なしに該疎水性基体の一方の面に直接付けられている、請求項1に記載のセル。
- 該電解液が苛性アルカリ溶液である、請求項1に記載のセル。
- 該ガス拡散電極が
−触媒組成物の成分を含有するペーストを調製するステップと、
−該ペーストを単一の部品からつくられた疎水性多孔質基体の一方の面に圧着して、該疎水性多孔質基体へ該ペーストを部分的に侵入させるステップと、
−最大温度200〜380℃まで熱処理を実行するステップと
を含む方法によって製造されている、請求項1に記載のセル。 - 該触媒組成物の成分を含有するペーストを、水溶液、分散液又は懸濁液から出発して調製する、請求項10に記載のセル。
- 該圧着のステップがカレンダリングによって実施される、請求項10又は11に記載のセル。
- 該ガス拡散電極が
−該触媒組成物をデカール転写支持体に触媒シートが得られるまで付けるステップと、
−該触媒シートを疎水性多孔質基体の一方の面に加圧融解するステップと、
−最大温度200〜380℃まで熱処理を実行するステップと
を含む方法によって製造されている、請求項1に記載のセル。 - 該ガス拡散電極が、食塩電解プロセスにおける酸素供給ガス拡散陰極を含む、請求項1に記載のセル。
- 該ガス拡散電極が、電解液浸透型アルカリ型燃料電池における酸素供給ガス拡散陰極又は水素供給ガス拡散陽極を含む、請求項1に記載のセル。
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