气体扩散电极组件及其生产方法

专利名称：气体扩散电极组件及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一些气体扩散电极组件，该组件包括气体扩散电极和与其粘合的金属接头、金属镶边材料、树脂镶边材料或连接结构，本发明还涉及这些电极组件的生产方法。更具体地说，本发明涉及一些气体扩散电极组件，这些组件具有连接的金属接头、镶边材料或连接结构，当其用作气体扩散电极来电解氯化钠时，它容易和电极底座连接并容易收集电子。本发明还涉及生产该电极组件的方法以及将银材料结合到作为气体扩散电极一个组成部分的收集层片材上的方法。
背景技术：
在氯化钠电解工业中，当用气体扩散电极作为氧阴极时，常规方法是将电极和填料一起夹在电解槽框架之间来防止电解液或分解气体从阴极部分的泄漏。
然而，实际应用的电解槽采用尺寸为1.2m×2.4m的大的电极板作为阴极。已经发现，大小为1m2或更大的电极板存在一些问题例如，很难获得这种以单个电极板形式的大电极；由于气体扩散电极的机械强度低，它很难操作，因此容易因其自身重量而变形；很难仅通过其周边将足够的电荷提供给气体扩散电极。
已经研究了关于将两个或多个分开的小电极板连接到电极底座上的技术。该技术是采用一些气体扩散电极，其每个电极各具有伸出电极周边的收集层丝网，用激光将丝网的伸出部分焊接到电极底座上，向丝网的焊接部分施加密封材料来密封气体扩散电极的周边部分。
然而，上述技术是不切实际的，因为没有一种密封材料能在高温高浓度碱性苏打水中长期稳定工作，因此，长期操作后还是会有液体渗漏。液体渗漏不仅降低了电解性能，而且还导致电极寿命缩短。
所以，需要有一种消除液体渗漏的方法，即，一种能牢固结合于电解槽馈电装置(feeder part)、容易和电解槽连接、且有助于收集电子和密封的气体扩散电极。
气体扩散电极和电解槽馈电装置之间的结合部位，尤其是结合强度低的气体扩散电极部分，在高温高浓度碱性苏打溶液中长期操作后容易发生液体渗漏。因此，需要有一种将作为镶边材料的银片材结合到气体扩散电极上的技术，特别是需要有一种使银片材和收集层表面的银材料更牢固结合的技术。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种气体扩散电极组件，该电极具有令人满意的电极板可操作性，容易密封，没有液体泄漏。
本发明的另一个目的是提供一种制造该电极组件的方法。
本发明还有一个目的是提供一种将气体扩散电极的一个组成物与银材料结合的方法，以获得电极性能长期稳定且寿命长的气体扩散电极。
本发明的其它目的和效果将从下列描述中明显看出。
本发明的上述目的通过提供下列一些气体扩散电极组件(1)至(8)和制造这些气体扩散电极组件的方法(9)至(16)来实现。
(1)一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；和与电极周边部分结合的金属镶边材料。
(2)根据(1)项所述的气体扩散电极，其中金属镶边材料包含选自银、银合金、金、铂和钯的金属或包含涂覆了任一种这些金属的镍或以镍为基的合金。
(3)一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；和一个与电极结合的金属接头。
(4)根据上述(3)项所述的气体扩散电极组件，其中金属接头包含选自银、银合金、金、铂和钯的金属或包含涂覆了任一种这些金属的镍或以镍为基的合金。
(5)一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；和与电极周边部分结合的树脂镶边材料。
(6)根据上述(5)项所述的气体扩散电极，其中树脂镶边材料包含氟树脂或聚苯硫。
(7)一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；和一个连接结构，该结构包括薄银片和包含韧性金属为基的补强材料的组合，该连接结构和气体扩散电极的周边部分结合。
(8)根据上述(7)项所述的气体扩散电极组件，其中补强材料包含选自镍、不锈钢和铜的金属。
(9)一种生产气体扩散电极组件的方法，该方法包括；使金属镶边材料和气体扩散电极的一个周边部分接触，该电极由气体扩散电极的一些组成部件叠置而成，这些组成部件包括反应层片材、进气层片材和收集层片材，该电极含有氟树脂；和在从氟树脂熔点至400℃的温度下，用5千克/cm2或更高的压力热压装配件，使镶边材料和气体扩散电极结合。
(10)根据上述(9)项所述的方法，其中金属镶边材料包含选自银、银合金、金、铂和钯的金属或包含涂覆了任一种这些金属的镍或以镍为基的合金。
(11)一种制造气体扩散电极组件的方法，该方法包括将金属接头叠置到气体扩散电极的一部分上，该电极由气体扩散电极的一些组成部件叠置而成，这些组成部件包括反应层片材、进气层片材和收集层片材，该电极含有氟树脂；和在从氟树脂熔点至400℃的温度下，用5千克/cm2或更高的压力热压装配件。
(12)根据上述(11)所述的方法，其中金属接头包含选自银、银合金、金、铂和钯的金属或包含涂覆了任一种这些金属的镍或以镍为基的合金。
(13)一种制造气体扩散电极组件的方法，该方法包括使一种银材料和收集层片材结合；在结合前，将细的银颗粒施加到收集板和银材料至少一个的结合表面上；然后将该银材料热压在收集层片材上。
(14)根据上述(13)所述的方法，该方法还包括使收集板和银材料至少一个的结合表面变粗糙。
(15)根据上述(13)所述的方法，其中热压在200-400℃的温度，压力为5千克/cm2或更高的条件下进行。
(16)一种制造气体扩散电极组件的方法，该方法包括将树脂镶边材料叠置到气体扩散电极的反应层和进气层中至少一层的周边部分上；和在不低于树脂熔点的温度下以10千克/cm2或更高的压力对装配件进行热压。
附图简述

图1是一个气体扩散电极的截面图。
图2是本发明气体扩散电极组件一个实施方案的截面图。
图3是通过焊接点与阴极底座焊接的电极组件的截面图。
图4是具有粗糙表面的界面的截面图。
图5是本发明气体扩散电极一个实施方案的截面图，该电极有一个金属接头连接在其上面。
图6显示了图5所示本发明实施方案的另一个例子。
图7是本发明气体扩散电极组件的一个实施方案的截面图，该电极具有树脂镶边材料。
图8是本发明的树脂镶边的气体扩散电极相对于电极底座固定方式一个实例的截面图。
图9是本发明连接结构一个实施方案的截面图。
图10是显示两个扩散电极片用厚度小于气体扩散电极片的补强材料相互连接的截面图。
图11是显示通过热压方法用补强材料连接的气体扩散电极片截面图。
具体实施例方式
图1是一个气体扩散电极的截面图。气体扩散电极一个重要的组成部件是收集层。通常，气体扩散电极1由反应层2、进气层3和收集层4组成。生产该气体扩散电极的方法包括将收集层4夹在反应层片材5和进气层片材6之间，然后热压该装配件使各组成部件结合。
气体扩散电极中的收集层是一层银丝网、银涂覆的镍网、镀银的泡沫(foamed)镍网等，它包埋在进气层内。在气体扩散电极1中，银丝网的表面已经通过热压和碳黑与聚四氟乙烯的混合物(后称“PTFE”)结合。
在本发明的具有金属镶边材料的气体扩散电极组件中，金属镶边材料覆盖气体扩散电极的范围宜为电极的周边部分。其理由是，当气体扩散电极支撑在电解槽框架上时，只有电极的周边部分与电解槽框架接触受力。由于这个原因，金属镶边材料通常具有对应于气体扩散电极周边部分的框架形状。然而，从组件结构的角度或其它角度来看，金属镶边材料可以排列成不覆盖全部的周边部分，而只是电极四边中的两边。另外，金属镶边材料的大小可以大于对应于气体扩散电极周边部分的框架形状，即伸出气体扩散电极的四个边。在这种情况下，当气体扩散电极组件与电解槽连接时，镶边材料的那些伸出部分与电解槽的框架接触，伸出部分就能接受将电极组件固定到电解槽上所施加的力，从而避免这个力作用于气体扩散电极的周边部分(即作用于气体扩散电极本身)。因此减少了低强度气体扩散电极断裂的问题。
金属镶边材料宜具有这样的形状，其覆盖在气体扩散电极上的部分应尽可能小，因为用镶边材料覆盖气体扩散电极的中央部分会导致电解面积减少。即，较佳的是覆盖部分与气体扩散电极面积之比应较小。
下面将说明本发明中具有金属镶边材料的气体扩散电极。
图2是本发明的气体扩散电极组件的一个实施方案的截面图。该组件采用的气体扩散电极1与图1所示的气体扩散电极1相同。在该组件中，银丝网收集层4伸出进气层3一端的那部分已被折叠起来，覆盖在反应层2上。
在本发明中采用镶边材料7。例如，该镶边材料7从厚0.2毫米、每边大小比气体扩散电极1大10毫米的银片制得，在片材中央形成每边长度比气体扩散电极1小大约10毫米的窗口。将具有窗口的该镶边材料7置于气体扩散电极1上，使得镶边材料7的部分(内部部分)覆盖在银丝网4的折叠部分上(如图2所示)。在250℃下以100千克/cm2的压力(施加于覆盖部分的压力)热压所得的处于该状态下的装配件。这样，框形镶边材料7与气体扩散电极1结合。从上述描述可以明显看出，图2所示组件中的周边部分8具有5毫米的宽度，在此处进行结合。该周边部分8恰巧对应于银丝网4折叠覆盖反应层2的那一部分。
气体扩散电极1的收集层宜为银丝网、多孔的银材料、涂覆银的镍网、或镀银的多孔性镍材料。用作镶边材料7的银片厚度宜为0.05至0.3毫米。尽管希望该镶边材料是纯银，但是也可以采用各种银合金，只要这些合金能耐受高温高压即可。可采用其它金属例如金、铂和钯，只要它们耐腐蚀并且可延展。还可采用镀银的镍或镍合金以及包银的镍片。这是因为镶边材料和气体扩散电极1之间插入软银丝网等使结合得以实现。
热压条件宜包括从所用氟树脂熔点到400℃的温度。不希望温度低于200℃，因为所得结合强度低，同时也不希望温度高于400℃，因为PTFE将开始分解。高压是优选的，因为压力太低会导致结合强度太低。实用的压力范围大约为20至100千克/cm2。
待结合的镶边材料7可以具有框形，形成一个金属框架，即，覆盖气体扩散电极1的整个四个边，或可以作为收集层结合到气体扩散电极的周边部分上。
用激光可将该组件焊接到阴极底座(即电极底座9)上，从而可通过焊接点10牢牢地固定该组件。图3是通过焊接点10焊接到阴极底座9上的电极组件的截面图。除了激光焊接外，还可用其它方式来结合，例如电阻加热压粘、加热压粘或填缝技术。
下面将描述本发明中将作为气体扩散电极一个组成部分的收集层片材与镶边材料结合的方法。
当气体扩散电极1的收集层片材4与银片7结合时，将细小的银颗粒8施加到银片7的内表面上。然后在200至400℃下用10千克/cm2或更高的压力将银片7热压到收集层片材4上。本发明者已经发现，这种结合方法能通过细小银颗粒所在界面使结合更牢固，这不仅显著减少了液体渗漏出界面，而且还提高了电导性。在这种情况下，气体扩散电极的面不是指一个组成部碱(如其层的一部分)，而是指整个气体扩散电极。因此，本发明中的术语“气体扩散电极的组成部件”不仅指气体扩散电极层的一部分，而且还指整个气体扩散电极，并包括诸如结合于气体扩散电极的框架等部件。
电极底座9的周边部分11的结合表面与气体扩散电极1直接结合，作为气体扩散电极1的一个组成部件，该结合表面已经先用喷砂处理糙化并镀上一层银(见图3)。
图4的截面图描述了具有糙化表面的界面。在用作气体扩散电极1组成部件的镍片4结合银片7之前，使其具有粗糙面9。利用其锚位效应能使结合更牢。
下面是在处理收集层片材时的一种特殊结合方法。将收集层片材浸在直径约为1微米的银颗粒8的乙醇淤浆中，然后干燥，获得其上粘附有细银颗粒8的收集层片材4。还可用喷雾来施加并粘附细银颗粒。分散介质最好是能完全挥发的介质，例如水或醇。当已经加入表面活性剂等时，可以采用这样的方法，该方法包括；将收集层片材夹在反应层片材和进气层片材之间，冷压使它们结合在一起，随后除去表面活性剂等，然后再热压此联合的结构，制得一个电极。细银颗粒8的粒径宜为10-0.1微米，可以是球形、板形或线形。
为了获得更牢固的结合，宜在细银颗粒8将在的界面(即在气体扩散电极和银材料(如银片7)中至少一个的表面)上产生一个粗糙面，如图4所示。结合表面上粗糙度的形成使得细银颗粒能进入糙化材料的表面凹陷内，该结构能产生锚定效应，获得牢固的结合。银和镍片的结合可这样来实现使镍片的表面变粗糙，将细银颗粒8施加于其上，再将银颗粒热压到镍片上。
热压条件宜包括200℃到400℃的温度。不希望温度低于200℃，因为所得结合强度太低，同时也不希望温度高于400℃，因为PTFE将开始分解。高压是优选的，因为压力太低会导致结合强度太低。实用的压力范围大约为20至100千克/cm2。
下面将描述本发明的具有连接结构的气体扩散电极组件。
在制造大电极时，有一个问题是结合部分中的薄银片由于连接部分长度增加而强度不够。为了提高该薄银片的强度，可用镍、不锈钢或其它材料作为补强物。
在本发明中采用了一个连接结构，该结构包括一种连接补强物，它具有优秀的形状保持性和令人满意的可操纵性，例如用银涂覆刚性和韧性的金属基材(如镍)获得的补强物；以及与该补强物相连的连接用薄银片。涂覆在镍基材上的银是涂覆层，其目的是使薄银片结合连接到镍基材上。
图9是用来相互连接气体扩散电极片的连接结构的截面图。整个连接结构19的组成如下补强物20，它是包银的镍材料，它包含厚0.5毫米、宽5毫米的镍基材21以及包覆镍基材21的厚0.05毫米的银材料22；以及连接用的薄银片7。
具体地说，连接补强物19所具有的结构是这样形成的将补强物20的上下面夹在两片厚0.1毫米、宽15毫米的连接用薄银片7之间，从上下两面热压装配件，使银片7和补强物20结合，形成边缘部分。这样，连接用薄银片7形成的边缘部分以对于补强物20呈直角地延伸，形成了具有H形截面的连接结构19。边缘部分没有特别的限制，只要厚度各自为0.1毫米的连接用薄银片7被连接成伸出补强物20的上下面大约10毫米，形成字母“U”的形状。
从耐腐蚀角度出发，补强物20的基材宜为镍或不锈钢。然而，基材也可由本身耐腐蚀性稍稍不足的材料(如铜)制成，只要该基材的整个表面被银材料完全涂覆即可。尽管包银的镍材料、镀银的镍材料等是最佳的，但是镍合金也是较佳的。
当用结构19将气体扩散电极片相互连接在一起时，连接可用下列方式来实现。将连接用薄银片7的一个伸出部分(例如左上部分)(它和补强物20一起形成了横放的“H”形)向上弯成如图9虚线所示，以提高上下伸出部分之间的距离。将一个气体扩散电极片的边缘部分放在用于连接的薄银片7之间所得的扩大空间内，将薄银片的上弯部分向下弯到原来的位置。这样，该气体扩散电极片的边缘部分被夹在用于连接的薄银片7之间。在250℃和50千克/cm2下热压该装配件，结合于银片7，形成气体扩散电极片用的银框架。当所有这些气体扩散电极片均被压制时，施加的压力首先集中于连接部分上，然后对整个装配件进行压制。这样就获得了一个包含紧密连接的一些气体扩散电极片的平的气体扩散电极。若只对气体扩散电极片之间的连接部分进行热压，气体扩散电极容易变形。通过均匀地施加压力可以防止变形。
热压温度宜从200℃到400℃。不希望温度低于200℃，因为所得结合强度太低，同时也不希望温度高于400℃，因为PTFE将开始分解。热压时宜采用较高的压力，因为压力太低会导致结合强度太低。然而，也不希望压力太高，因为其结果将是电极结构改变，电极性能降低。热压压力的实用范围大约为20至100千克/cm2。
由气体扩散电极片相互结合获得的气体扩散电极可利用激光焊接或点焊通过其连接部分牢牢固定在电极底座、馈电肋(feed rib)、电解槽框架上。
图10的截面图显示了用厚度小于气体扩散电极片1的包银镍材料(补强物20)相互连接两个气体扩散电极片1的方法。
用作为补强物20的包银镍材料置于下面的连接用薄银片7上。在该薄银片7上还放置了两个气体扩散电极片1的边缘部分，使边缘部分分别接触补强物20的两侧。将厚度为0.1毫米的另一个薄银片7置于这两个气体扩散电极片1的边缘部分上，热压该装配件。此时，压力施加在补强物20的正上方，因此，上面那块连接用薄银片7与初始阶段中的补强物20结合(如图11所示)。
随后，随着热压的进行，气体扩散电极的边缘部分由于压力变成和补强物20几乎一样的厚度。因此，包银的镍材料、连接用薄银片7以及气体扩散电极片1被结合在一起，形成了联合的结构。
利用包含高强度镍材料的补强物20和连接用薄银片7的组合，电极片1能通过长的连接部分相互连接，就容易制得一个大的气体扩散电极。通过将电极的金属部分焊接到(例如)电解槽的馈电肋上，就能制造出容易收集电子的电解槽。
下面将描述本发明的结合有金属接头的气体扩散电极装配件。
图5是本发明中结合有金属接头的气体扩散电极组件一个实施方案的截面图。该组件包括具有多层结构的气体扩散电极1，该多层结构包括收集层(为银丝网)4、反应层2和进气层3；以及金属接头12，该接头各为银圆片(直径为10毫米；厚度为0.2毫米)，它通过在260℃、80千克/cm2的区域压力(施加到圆片所覆盖的区域上的压力)下的热压结合到气体扩散电极1上下表面的一个角上。
图6的截面图描述了这样一个实施方案，它包括具有通孔13的气体扩散电极1以及通过热压结合到电极1上的金属接头12。通孔13的直径为5毫米，它们分布在气体扩散电极1中。将银圆片(金属接头12)覆盖在通孔13上，以相同方式热压来固定之。金属接头12可以置于气体扩散电极1的上面或下面，例如保持水平。金属接头12不必是板状的，例如可以是具有边缘的针形。金属接头12的形状可以改变成任何所需的形状，例如圆形或矩形。
热压条件包括从所用氟树脂熔点到400℃的温度。较佳的温度范围例如是200至400℃。不希望压制温度低于200℃，因为所得结合强度低，同时也不希望温度高于400℃，因为PTFE将开始分解。压制压力宜为5千克/cm2或更高，因为压力太低会导致结合强度太低。实用的压力范围大约为20至100千克/cm2。
与气体扩散电极1结合的金属接头12可以通过激光焊接、点焊或螺钉牢固固定在电极底座上。
下面将描述本发明具有树脂镶边材料的气体扩散电极组件。
将树脂片材与气体扩散电极的周边部分连接，所得组件通过作为镶边材料的树脂片材支撑在电解槽框架上，此时，该镶边材料就起密封部分的作用。这样，气体扩散电极固定到电解槽框架上时，免得电极的一个周边部分直接夹在电解槽框架之间。
使树脂片材与气体扩散电极接触，在不低于树脂片材熔点的温度以及10千克/cm2或更高的压力条件下，将树脂片材的接触面热压到电极上，从而使树脂片材牢固结合于气体扩散电极上。其上结合有树脂片的气体扩散电极具有令人满意的可操作性。当所用的电极底座中有预先形成的用于配合的合适沟槽时，在装配时有部分树脂片材和填料一起挤入沟槽中，能几乎完全防止液体渗漏。当两个或多个气体扩散电极与较大的电极底座连接时，通过将各气体扩散电极的收集层丝网焊接到电极底座上，然后将连接于各气体扩散电极上面的树脂镶边材料相互连接，就可获得几乎完美的密封。
采用的树脂片材14(例如PTFE片材)其厚度为0.05毫米，每边长度比气体扩散电极大大约10毫米。在PTFE片材中央形成每边长度比气体扩散电极小大约10毫米的窗口。将具有窗口的该PTFE片材14置于反应层2上。在350℃和50千克/cm2的区域压力(施加于片层覆盖部分的压力)下热压所得装配件。这样，由PTFE片材构成的框架与气体扩散电极1结合(图7)。该片材的厚度宜为大约0.05毫米。不希望片材厚度太小，因为这样片材强度就不够。另一方面，不希望片材厚度为0.2毫米或更大，因为这种厚度的片材不能适应片材与气体扩散电极之间热膨胀系数的差别，结果会在其结合气体扩散电极1的部分发生变形。
树脂片材14不一定由单层组成，其形状也没有特别限制，只要它是板状框形即可。从这个角度出发，树脂片材14可以不通过加工一个单层来形成，而是通过将四条细长片材的端部相互结合在一起形成具有给定大小的框形。
尽管较佳的树脂片材14是实心片材，但是用多孔性片材(如GORE-TEX)也可能很适宜。在多孔性片材(如GORE-TEX)的情况下，其厚度可以高达0.2毫米或更大，较佳的范围是0.02-0.3毫米。
树脂片材14的材料例子包括氟树脂。氟树脂的例子包括聚四氟乙烯、聚四氟乙烯/全氟烷基乙烯基醚共聚物、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、聚偏1，1-二氟乙烯、聚四氟乙烯/乙烯共聚物、和聚氯三氟乙烯/乙烯共聚物。除了这些氟树脂外，具有耐热性和耐化学性的其它树脂，如聚丙烯、PPS和PES也可用作结合在气体扩散电极上的树脂片材材料。
为了增强导电性，银丝网、银片、镀银的镍材料、包银的镍材料等都可以和树脂片材一起同时压制结合。
热压条件根据所用树脂片材料的熔点或多层结构中所含氟树脂的熔点而不同。然而，压制温度通常较佳的范围为150℃至400℃。不希望压制温度太高，因为待结合到气体扩散电极上的(例如)PTFE片材会开始分解。用于热压的温度和压力根据各个树脂的可流动性来决定。压制压力的实用范围大约为10至100千克/cm2。
待结合的树脂框架可能具有覆盖气体扩散电极1的整个周边的形状。银片可以夹在部分气体扩散电极1的组成层之间作为收集层。
下面将更详细地描述本发明，但是本发明不应被理解成局限于这些实施例。
实施例1在200重量份(后文的份数均用重量表示)的4％(重量)(后文的百分数均用重量表示)的TRITONX-100(表面活性剂)中加入2份疏水性碳黑(Denka Black；平均粒径为390，由Denki Kagaku Kogyo K.K.生产)。搅拌所得混合物，使碳黑分散。用超声分散器(BRANSON生产；500W)处理该碳黑分散液5分钟并用水冷却，以进一步分散碳黑。结果，该分散液中的颗粒分散成平均粒径为1.6微米。在该分散液中加入10份银溶胶(Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.生产的试验产品；平均粒径为0.1微米)。搅拌该混合物使其匀化。然后，加入1.5份PTFE分散液D-1(平均粒径为0.3微米；由DaikinIndustries，Ltd.生产)并搅拌该混合物使其均匀。在分散液中加入300份异丙醇，以引起自组织化。过滤所得混合物，获得用于形成反应层的材料。
用辊压法制成包含进气层3a与重叠在其上的反应层2的片层(见图2)。在80℃干燥该片层3小时后，用乙醇萃取器除去表面活性剂。然后80℃干燥片层5小时，获得反应层/气体扩散层的片层。将该反应层/气体扩散层的片层切成11厘米×21厘米的矩形形状。
以相同方式从疏水性碳黑以及PTFE(40％)制成进气层片材3b，将其切成同样大小。将纤维直径为0.1毫米的50目银丝网切成12厘米×22厘米的矩形形状。将反应层/气体扩散层片层、银丝网4和进气层片层3b以图1所示的次序叠置起来，在350℃下以50千克/cm2压制该装配件60秒，获得气体扩散电极1。将伸出气体扩散电极1周边的银丝网4部分向反应层2的一面弯曲。
从厚0.2毫米的13厘米×23厘米矩形银片中切下大小为10厘米×20厘米的内部，制得用作镶边材料7的银片框架，银片的周边部分保持宽度为1.5厘米。将该银框架层叠到气体扩散电极1的周边部分8上。用100千克/cm2的区域压力以及260℃的温度热压该装配件的层叠部分，获得其上连接有银框架的气体扩散电极组件。该组件具有图2所示的截面。
随后，通过激光焊接将上述所得气体扩散电极组件固定到电极底座9上。这样，就获得了一个电极组件，其中气体扩散电极结合到电极底座9的框架上(如图3所示)。
经确定，该电极组件没有液体渗漏，并能稳定地用于电解。用该电极组件作为氧阴极进行氯化钠的电解。结果，在90℃、32℃ NaOH和30A/dm2的条件下获得1.97V槽电压。
实施例2在实施例1中，通过热压产生气体扩散电极1，然后结合到银片7上(采用术语“银片7”是因为“银片”在这里用作镶边材料)。然而，在本实施例中，银镶边的气体扩散电极组件是这样获得的将反应层/进气层片材、作为收集层7的银丝网、银片7以及进气层片材3b以该次序层叠起来，在350℃下以50千克/cm2压制该装配件60秒。用该电极组件作为氧阴极进行氯化钠的电解。结果，在90℃、32％NaOH和30A/dm2的条件下获得1.96V的槽电压。
本实施例产生的电极组件具有这样的结构，其中镶边材料被插入进气层片材3a和进气层片材3b之间。
实施例3从厚0.2毫米的13厘米×23厘米矩形银片中切下大小为10厘米×20厘米的内部，使银片的周边部分保持宽1.5厘米的狭长条带形状，制得银框架。用实施例1的相同方法获得大小为11.5厘米×21.5厘米的气体扩散电极，其中银丝网的周边部分已经向反应层侧弯曲。将细的银颗粒施加到银丝网弯曲周边部分的表面上。将上述所得银框架叠加于其上。在100千克/cm2的区域压力和260℃下对层叠部分进行热压，获得有银框架的气体扩散电极。
银框架和气体扩散电极之间的电阻很低，只有未插入细银颗粒的对应常规组件电阻的大约一半。上述所得组件中银框架的剥离强度约为未插入细银颗粒组件中银框架剥离强度的1.6倍。
实施例4用#1,200碳化硅粉喷砂处理有待结合气体扩散电极的镍制电极底座表面，使该表面抛光。在该喷砂过的表面上镀上厚2微米的银层。用细银颗粒涂覆在所得银层的粗糙表面上。然后，将厚0.1毫米的银片以230℃和50千克/cm2的条件压在银层上60秒，使银片和电极底座结合。结果，发现降低常规的热压温度20至30℃就可获得相同的拉伸强度。
另外，还用细银颗粒涂覆经抛光但未镀银的镍表面，在380℃和200千克/cm2下将厚0.2毫米的银片压在镍表面上为时60秒，以使银片和该镍表面结合。结果，确定银片具有足够的结合强度。
实施例5将实施例1所述方法获得的反应层/进气层片材切成与该实施例相同的大小。将实施例1所述相同方法获得的进气层片材层叠于其上，以相同方式压制该装配件，获得一个电极。
将伸出气体扩散电极周边的那部分银丝网向反应层侧弯曲。在产生的气体扩散电极中，以长度和宽度方向上间隔5厘米的距离形成一些直径为5毫米的孔。将厚0.2毫米、直径为1厘米、且在其一边中央有突起物的银接头装配到孔内。
用厚0.2毫米、宽1厘米的银带形成内部有30厘米×120厘米窗口的银框架。将该银框架层叠在气体扩散电极上，在50千克/cm2的压力和300℃的温度下热压所得装配件，获得具有银框架和银接头的气体扩散电极。
随后，将周边的银框架和银接头激光焊接到电极底座上，从而使气体扩散电极与电极底座结合。通过将一些这样的电极并排焊接到电极底座上，可以获得更大的电极。
经确定，上述产生的电极组件不会发生液体渗漏，能稳定地用于电解。用该电极组件作为氧阴极进行氯化钠的电解。结果，在90℃、32％NaOH和30A/cm2的条件下获得1.98V的槽电压。
气体扩散电极和银接头能牢固地结合在电极底座上，不会引起液体或气体泄漏。因此，可以通过银接头来连接气体扩散电极和电极底座以及馈电装置。
已经结合到电极底座或电解槽上的银接头能通过激光焊接、电阻加热压粘、填缝等方式固定到馈电装置上。因此，获得了非常稳定的氧阴极，当其与电解槽连接并用于长时间进行电解时，它能使电解在低的馈电电阻下进行而没有液体渗漏。
实施例6在含4％TRITONX-100(表面活性剂)的200份水中加入7份亲水性碳黑(AB-12；平均粒径为390；由Denki Kagaku Kogyo K.K.生产)。搅拌所得混合物10分钟，以分散亲水性碳黑。在其中加入3份疏水性碳黑(第6号；平均粒径为490；由DenkiKagaku Kogyo K.K.生产)。搅拌所得混合物10分钟，以分散疏水性碳黑。在该分散液中加入4份银溶胶(Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K.生产的试验产品；平均粒径为0.1微米)。搅拌匀化该混合物。另外，再在其中加入4份PTFE分散液D-1(平均粒径为0.3微米；由Daikin Industries，Ltd.生产)，搅拌匀化该混合物。在含有PTFE的分散液中加入300份异丙醇，使其自组织化。过滤所得混合物，获得用于形成反应层的材料。
用下列方法制备用于形成进气层的材料。在含有4％TRITONX-100(表面活性剂)的200份水中加入6份疏水性碳黑(第6号；平均粒径为490；由Denki KagakuKogyo K.K.生产)。搅拌所得混合物，以分散疏水性碳黑。另外，在其中加入4份PTFE分散液D-1(平均粒径为0.3微米；由Daikin Industries，Ltd.生产)，搅拌该混合物混合之。在该分散液中加入200份异丙醇，以引起自组织化。
用这样获得的物质，以下列方式获得如图7所示的树脂镶边的气体扩散电极。用与实施例1相同的辊压方法制成包含进气层3a和反应层2的片材。在80℃干燥该片材3小时后，用乙醇萃取器除去表面活性剂。然后在80℃干燥该片材5小时，获得反应层/进气层的片材。将如此获得的两层片材切成11厘米×21厘米的矩形。
将用相同方法另行制得的进气层片材3b切成相同的大小。将纤维直径为0.1毫米的50目银丝网4切成12厘米×22厘米的矩形。
将两层的片材、银丝网4和进气层片材3b按该次序层叠起来，用50千克/cm2和350℃的条件热压该装配件60秒，获得其中部分银丝网4伸出进气层片材3周边的气体扩散电极1。
从厚0.05毫米、13厘米×23厘米矩形PTFE片材中切出大小为10厘米×20厘米的内部，使PTFE片材的周边部分保留1.5厘米的宽度。这样，产生了大小比气体扩散电极大且部分覆盖气体扩散电极部分的PTFE框架。随后，将PTFE框架置于气体扩散电极之上，使得PTFE框架沿其整个周边均匀地伸出气体扩散电极的四周。在50千克/cm2的压力(施加于叠加部分的压力)和340℃的温度下热压该装配件。这样，获得了有树脂边缘的气体扩散电极，其中PTFE框架(树脂片14)部分伸出进气层片材3的周边，具有如图7所示的结构。
图8是上述所得有树脂镶边的气体扩散电极1固定在电极底座(阴极底座)9上的一个部分的例子的截面图。
将电极底座9置于馈电肋15的上端。在电极底座9上平面排列气室多孔材料16。电极底座9有一个在相邻气室多孔材料16之间预先形成的深5毫米、宽3毫米的用于配合的沟槽17。在气室多孔材料16上叠置气体扩散电极1。对于每个气体扩散电极，将PTFE框架(树脂片材14)伸出进气层片材3周边的那部分与银丝网4的伸出部分置入沟槽17中。再将直径为3毫米的柱状填料18挤入沟槽17内。这样，就将气体扩散电极1固定在电极底座9上。
由于柱状填料有弹性，因此获得了防水密封性，消除了液体渗漏。由于银丝网4和电极底座9基本上相互表面接触，因此电极组件的电阻降低至可忽略的水平。
用该电极组件作为氧阴极来电解氯化钠。结果，在90℃、32％NaOH和30A/dm2的条件下获得2.05V的槽电压。经确定该电极组件没有液体渗漏并能稳定地用于电解。
在本实施例中显示了采用电极底座9的电极组件，该电极底座具有用于配合的沟槽17以及挤入沟槽17内的柱状填料18。然而，并不需要总是形成用于配合的沟槽17。
实施例7制成具有字母“H”形的连接结构19(如图9所示)，用包银的镍材料作为补强物20，该包银镍材料是由厚0.5毫米、宽5毫米的镍基材21以及覆盖该镍基材的厚0.05毫米银材料22组成。厚0.1毫米、宽15毫米的两片连接用薄银片7已经通过250℃下10千克/cm2的热压分别结合到补强物20的上下面上。边缘上采用的连接结构通过将厚0.1毫米、宽10毫米的连接用薄银片材7压合到补强物20的上下面形成字母“U”形来制得。
制成三个气体扩散电极片，每一片采用厚0.7毫米、大小为15厘米×23厘米的银丝网作为收集层。这些电极片并排排列。相邻的电极片用H形连接结构1来连接，而U形连接结构1则固定在外侧气体扩散电极片的外缘上。在260℃的温度和50千克/cm2的压力下热压所得装配件，获得大小为15厘米×70厘米的电极。该电极能用作氯化钠电解用的离子交换膜型电解槽中的单电极板。氯化钠能够稳定地进行电解。
金属镶边材料能牢固结合在气体扩散电极的周边部分上而不引起液体或气体渗漏。因此可以将该气体扩散电极通过镶边材料固定到电极底座或馈电装置上。因此，可以采用普通技术进行金属加工。即，可采用激光焊接、电阻加热压粘合、加热压粘合、填缝等技术将金属镶边的气体扩散电极固定到结合于电极底座或电解槽上的馈电装置上。另外，可以获得一个稳定的氧阴极，当该阴极和电解槽连接并用来长时间电解时，能获得低的馈电电阻，且没有液体渗漏。
当用细银颗粒来结合气体扩散电极与作为镶边材料的银片时，该气体扩散电极能更牢固地结合在银片材上。因此，所得电极组件具有显著改善的可操作性。特别是，预先使至少一个结合表面糙化可有效地降低电阻并改善电解性能，因为细银颗粒渗入电极的内部。
另外，利用本发明的连接结构，气体扩散电极容易相互连接，因此能获得大的气体扩散电极。这种连接结构还在馈入电流方面很有效，能通过激光焊接、电阻加热压粘、填缝等技术固定到结合于电解槽的馈电装置上。
具有金属接头的气体扩散电极在气体扩散电极和金属接头之间具有高的结合强度。可以装许多金属接头，以增强导电性。这种气体扩散电极能通过金属接头牢固地连接在电极底座等上，因此容易与例如电解槽连接。结果，获得了一个稳定氧阴极，即使用其进行长时间电解，也能获得低的馈电电阻，且没有液体渗漏。
用作镶边材料的树脂片材可以牢固结合在气体扩散电极的周边部分而不引起液体或气体渗漏。由于柔软的、拉伸强度高的树脂片材的周边部分伸出到气体扩散电极的周边以外，因此可用诸如卷曲和填缝的技术来固定电极。另外，通过这种气体扩散电极的树脂片材与另一电极的树脂片材熔融粘合，容易制得更大的电极。利用这种方法，可以完全防止液体渗漏。
尽管本发明已经参照其特定实例作了详细的描述，但是本领域技术人员显然能在不脱离其精神和范围下作各种变化和改动。
权利要求
1.一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；和一个与电极结合的金属接头。
2.根据权利要求1所述的气体扩散电极组件，其中金属接头材料包含选自银、银合金、金、铂和钯的金属或包含涂覆了任一种这些金属的镍或以镍为基的合金。
3.一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；和与电极周边部分结合的树脂镶边材料。
4.根据权利要求3所述的气体扩散电极，其中树脂镶边材料包含氟树脂或聚苯硫。
5.一种制造气体扩散电极组件的方法，该方法包括将金属接头叠置到气体扩散电极的一部分上，该电极由气体扩散电极的一些组成部件叠置而成，这些组成部件包括反应层片材、进气层片材和收集层片材，该电极含有氟树脂；和在从氟树脂熔点至400℃的温度下，用5千克/cm2或更高的压力热压装配件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中金属接头包含选自银、银合金、金、铂和钯的金属或包含涂覆了任一种这些金属的镍或以镍为基的合金。
7.一种制造气体扩散电极组件的方法，该方法包括使一种银材料和收集层片材结合；在结合前，将细银颗粒施加到收集层片材和银材料中至少一个的结合表面上；然后将该银材料热压在收集层片材上。
8.根据权利要求7所述的方法，该方法还包括使收集层片材和银材料中至少一个的结合表面变粗糙。
9.根据权利要求7所述的方法，其中热压在200-400℃的温度，压力为5千克/cm2或更高的条件下进行。
10.一种制造气体扩散电极组件的方法，该方法包括将树脂镶边材料叠置到气体扩散电极的反应层和进气层中至少一层的周边部分上；和在不低于树脂熔点的温度下以10千克/cm2或更高的压力对装配件进行热压。
全文摘要
一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极和结合在电极周边部分的金属或树脂镶边材料。本发明还涉及一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；以及与该电极结合的金属接头。本发明还涉及一种气体扩散电极组件，它包括一个气体扩散电极；以及一个连接结构，该结构包含薄银片和包含韧性金属为基的补强材料的组合，该连接结构连接在气体扩散电极的周边部分上。本发明还公开了用来产生这些气体扩散电极组件的方法。
文档编号C25B11/03GK1702198SQ20041002861
公开日2005年11月30日 申请日期2000年2月16日 优先权日1999年2月16日
发明者古屋长一 申请人:古屋长一, 东亚合成株式会社, 三井化学株式会社, 钟渊化学工业株式会社