CH645552A5 - CATALYST. - Google Patents

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CH645552A5
CH645552A5 CH1242078A CH1242078A CH645552A5 CH 645552 A5 CH645552 A5 CH 645552A5 CH 1242078 A CH1242078 A CH 1242078A CH 1242078 A CH1242078 A CH 1242078A CH 645552 A5 CH645552 A5 CH 645552A5
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CH
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reduced
oxides
catalyst
iridium
metal oxide
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CH1242078A
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Conti Anthony Basil La
Thomas George Coker
Russell Mason Dempsey
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Gen Electric
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    • C25B9/23Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Katalysator, auf seine Verwendung sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Katalysatoren und Elektroden, die für die Elektrolyse von Halogeniden besonders brauchbar sind. The invention relates to a catalyst, to its use and to a process for its production. More particularly, the invention relates to catalysts and electrodes that are particularly useful for the electrolysis of halides.

Gaserzeugung durch Elektrolyse einer chemischen Verbindung in ihre Elemente, von denen eines ein Gas sein kann, ist selbstverständlich eine alte und bekannte Technik. Gas generation by electrolysis of a chemical compound into its elements, one of which can be a gas, is of course an old and well known technique.

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Eine kürzlich entwickelte Form eines solches Gas entwik-kelnden Elektrolysators schliesst die Verwendung einer Zelle ein, die einen Elektrolyt in Form einer festen Ionen austauschenden Polymermembran benutzt. In einer Anordnung dieser Art sind katalytische Elektroden mit einem geeigneten Katalysator auf den gegenüberliegenden Seiten der Ionen transportierenden Membran, wie einer sulfonierten Perfluor-kohlenstoff-Ionenaustauschermembran angeordnet.Durch eine Oxidationsreaktion wird die ionische Form eines der die Verbindung bildenden Elemente an einer Elektrode erzeugt, wofür Wasserstoffionen als Beispiel genannt seien, wenn H20 oder HCl elektrolysiert werden und Natriumionen ein anderes Beispiel sind, wenn ein Natriumhalogenid, wie Natriumchlorid, elektrolysiert wird. Das Ion wird durch die Ionen austauschende Membran zu der anderen Elektrode transportiert, wo es unter Bildung eines Elektrolyseproduktes, wie molekularen Wasserstoffes, der NaOH reduziert wird. Elektrolysatoren mit festen Ionenaustauscher-Polymermembranen sind besonders vorteilhaft, da sie wirksam, klein sind und keine korrosiven flüssigen Elektrolyten benutzen. A recently developed form of such a gas evolving electrolyser involves the use of a cell that uses an electrolyte in the form of a solid ion-exchanging polymer membrane. In an arrangement of this type, catalytic electrodes with a suitable catalyst are arranged on the opposite sides of the ion transport membrane, such as a sulfonated perfluorocarbon ion exchange membrane. An oxidation reaction produces the ionic form of one of the elements forming the compound on an electrode for what Hydrogen ions are given as an example when H20 or HCl are electrolyzed and sodium ions are another example when a sodium halide such as sodium chloride is electrolyzed. The ion is transported through the ion exchange membrane to the other electrode, where it is reduced to form an electrolysis product, such as molecular hydrogen, the NaOH. Electrolysers with solid ion exchange polymer membranes are particularly advantageous because they are effective, small and do not use corrosive liquid electrolytes.

In der Vergangenheit sind verschiedene Metalle und Legierungen als Teil der katalytischen Elektroden solcher elek-tro-chemischen Elektrolysezellen benutzt worden. Die Leistungsfähigkeit des Katalysators an den gasentwickelnden Elektroden ist offensichtlich von grundlegender Bedeutung bei der Bestimmung der Wirksamkeit und Leistungsfähigkeit der Zelle und somit der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die Auswahl eines Katalysators für eine elektro-chemische Zelle und seine Wirksamkeit hängt von einem komplexen Satz von Variablen ab, wie der Oberfläche des Katalysators, der Erreichbarkeit der Oxide davon an der Katalysatoroberfläche, Verunreinigungen in den Reaktanten und der Art der in der Zelle stattfindenden Umwandlung. Infolgedessen ist es und war es immer schwierig, die Anwendbarkeit eines Katalysators, der in einer elektro-chemischen Zelle brauchbar war, für ein anderes System vorherzusagen. Various metals and alloys have been used in the past as part of the catalytic electrodes of such electro-chemical electrolysis cells. The performance of the catalyst on the gas-generating electrodes is obviously of fundamental importance in determining the effectiveness and performance of the cell and thus the economy of the process. The selection of a catalyst for an electrochemical cell and its effectiveness depends on a complex set of variables such as the surface area of the catalyst, the accessibility of the oxides thereof at the catalyst surface, impurities in the reactants and the type of conversion taking place in the cell . As a result, it is and has always been difficult to predict the applicability of a catalyst that was useful in an electrochemical cell to another system.

In der US-PS 3 992 271 ist eine verbesserte Sauerstoff entwickelnde katalytische Elektrode beschrieben, bei der eine Platin/Iridium-Legierung benutzt wird, die eine sehr verbesserte Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit ergibt. In der US-PS 4 039 490 ist eine andere katalytische Elektrode zum Entwickeln von Wasserstoff beschrieben, bei der reduzierte Oxide von Platin/Ruthenium benutzt werden. Der Pla-tin/Ruthenium-Katalysator ist nicht nur beträchtlich billiger als der reduzierte Platin/Iridium-Katalysator, weil er ein billigeres Material, wie Ruthenium, zum Legieren mit dem Platin benutzt, sondern er ist auch wirksamer, da er eine geringere Sauerstoff-Überspannung hat, als eine Platin-Iridi umElektrode. US Pat. No. 3,992,271 describes an improved oxygen-generating catalytic electrode using a platinum / iridium alloy which provides very improved performance and effectiveness. US Pat. No. 4,039,490 describes another catalytic electrode for developing hydrogen, in which reduced oxides of platinum / ruthenium are used. The platinum / ruthenium catalyst is not only significantly cheaper than the reduced platinum / iridium catalyst because it uses a cheaper material, such as ruthenium, to alloy with the platinum, but it is also more effective because it uses less oxygen. Surge voltage, as a platinum Iridi around the electrode.

Versuche, reduzierte Rutheniumoxid-Elektrokatalysato-ren zur Entwicklung von Halogenen durch Elektrolyse wäss-riger Halogenidlösungen einzusetzen, waren jedoch nicht gänzlich erfolgreich, da in solchen Zellen rauhe Elektrolysebedingungen herrschen. Es kann dabei ein beträchtlicher Verlust an Katalysator von der Membran während der Chlorentwicklung auftreten, da diese reduzierten Platinmetalloxide einer Auflösung in saurer Umgebung zugänglich sind, wie sie bei der Elektrolyse von Wasserstoffhalogeniden oder bei der Elektrolyse von Alkalimetallhalogenid-Lösun-gen anzutreffen sind, die häufig sauer werden. Und es gibt nicht nur diese Tendenz zur Auflösung der Platinmetalle, was zu einem Verlust an katalytischem Material führt, sondern die Überspannung der Elektroden nimmt auch zu, so dass die Wirksamkeit der Zelle abnimmt und in vielen Fällen längere Betriebszeiten nicht gestattet. Attempts to use reduced ruthenium oxide electrocatalysts for the development of halogens by electrolysis of aqueous halide solutions have not been entirely successful, however, since the electrolysis conditions in such cells are harsh. There may be a significant loss of catalyst from the membrane during chlorine evolution because these reduced platinum metal oxides are amenable to dissolution in an acidic environment, such as are encountered in the electrolysis of hydrogen halides or in the electrolysis of alkali metal halide solutions, which are common become angry. And there is not only this tendency to dissolve the platinum metals, which leads to a loss of catalytic material, but the overvoltage of the electrodes also increases, so that the efficiency of the cell decreases and in many cases does not permit longer operating times.

Zur Überwindung dieser Nachteile ist der erfindungsge-mässe Katalysator gekennzeichnet durch die in Anspruch 1 To overcome these disadvantages, the catalyst according to the invention is characterized by that in claim 1

angegebenen Merkmale. Ein Verfahren zu seiner Herstellung wird in Anspruch 26 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Katalysators und Ausführungsarten des Verfahrens sowie Verwendungen des Katalysators ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. specified characteristics. A method for its manufacture is given in claim 26. Advantageous further developments of the catalyst and types of implementation of the method and uses of the catalyst result from the dependent claims.

Das elektrokatalytische Material kann ein einzelnes reduziertes Platingruppenmetalloxid sein, wie Rutheniumoxid oder Platinoxid oder Iridiumoxid. Es wurde jedoch festgestellt, dass Mischungen oder Legierungen thermisch stabilisierter, reduzierter Platingruppenmetalloxide noch stabiler sind. Eine solche Mischung oder Legierung des Rutheniumoxides enthält bis zu 25 Gew.-% Iridiumoxid, wobei der bevorzugte Bereich von 5 bis 25 Gew.-%, berechnet auf Metallbasis, reicht, obwohl Iridium etwas teurer ist als Ruthenium allein. The electrocatalytic material can be a single reduced platinum group metal oxide, such as ruthenium oxide or platinum oxide or iridium oxide. However, it has been found that mixtures or alloys of thermally stabilized, reduced platinum group metal oxides are even more stable. Such a mixture or alloy of the ruthenium oxide contains up to 25% by weight of iridium oxide, the preferred range being from 5 to 25% by weight, calculated on a metal basis, although iridium is somewhat more expensive than ruthenium alone.

Elektrisch leitende Streckmittel, wie Graphit, haben geringe Überspannungen für Halogene und sind beträchtlich billiger als Platinmetalloxide, und sie können leicht eingearbeitet werden, ohne die Wirksamkeit des Katalysators zu verringern. Zusätzlich zu Graphit können Oxide von Ventilmetallen (der Begriff «Ventilmetall» ist in der US-PS 3 948 451 definiert, und er bezeichnet eine Untergruppe von Übergangsmetallen, die z.B. Ti, Ta, Zr, Mo, Nb und W umfasst. Diese Ventilmetalle leiten den Strom in der anodischen Richtung und widerstehen dem Stromdurchgang in kathodischer Richtung. Sie sind gegenüber dem Elektrolyten und den Bedingungen in einer Elektrolytzelle, z. B. zur Herstellung von Chlor und NaOH, ausreichend beständig, um dafür als Elektrodenmaterial benutzt zu werden), wie Titan, Tantal, Niob, Wolfram, Vanadium, Zirkonium und Hafnium hinzugegeben werden, um den Elektrokatalysator weiter zu stabilisieren und seine Beständigkeit gegenüber beeinträchtigenden Elektrolysebedingungen zu erhöhen. Electrically conductive extenders, such as graphite, have low halogen overvoltages and are considerably cheaper than platinum metal oxides and can be easily incorporated without reducing the effectiveness of the catalyst. In addition to graphite, oxides of valve metals (the term "valve metal" is defined in U.S. Patent No. 3,948,451 and refers to a subset of transition metals that includes, for example, Ti, Ta, Zr, Mo, Nb, and W.) Conducts these valve metals the current in the anodic direction and resist the passage of current in the cathodic direction, they are sufficiently resistant to the electrolyte and the conditions in an electrolytic cell (e.g. for the production of chlorine and NaOH to be used as electrode material), such as Titanium, tantalum, niobium, tungsten, vanadium, zirconium and hafnium can be added to further stabilize the electrocatalyst and to increase its resistance to adverse electrolysis conditions.

Die thermisch stabilisierten, reduzierten Platinmetalloxide und die Streckmittel werden durch Verbindungen mit Fluorkohlenstoff-Harzteilchen, wie das von DuPont unter der Handelsbezeichnung Teflon verkaufte Material, zu einer Elektrode geformt. Die katalytischen Teilchen und die Harzteilchen werden vermischt, die Mischung in einer Form angeordnet und das Ganze erhitzt, bis die Masse zu einer geeigneten Form gesintert ist, die mit mindestens einer Oberfläche der Membran durch Anwendung von Wärme und Druck verbunden wird, um eine Elektrodenstruktur und eine einheitliche Struktur aus Membran und Elektrode zu schaffen. The thermally stabilized, reduced platinum metal oxides and the extenders are formed into an electrode by bonding with fluorocarbon resin particles, such as the material sold by DuPont under the trade name Teflon. The catalytic particles and the resin particles are mixed, the mixture is placed in a mold and the whole is heated until the mass is sintered into a suitable shape which is bonded to at least one surface of the membrane by application of heat and pressure to form an electrode structure and to create a uniform structure of membrane and electrode.

Der Elektrokatalysator, der die thermisch stabilisierten, reduzierten Oxide eines Platingruppenmetalles zusammen oder in Kombination mit anderen Platingruppenmetallen oder wahlweise Ventilmetallen einschliesst, kann in irgendeiner geeigneten Weise hergestellt werden, durch die ein Oxid-Katalysator dauerhaft, partiell reduziert und thermisch stabilisiert wird. The electrocatalyst, which includes the thermally stabilized, reduced oxides of a platinum group metal together or in combination with other platinum group metals or optionally valve metals, can be made in any suitable manner by which an oxide catalyst is permanently, partially reduced and thermally stabilized.

Eine bevorzugte Art der Reduktion erfolgt durch eine Modifikation des Adams-Verfahrens der Platinherstellung durch die Zugabe eines thermisch zersetzbaren Platinhaloge-nids, wie Rutheniumchlorid, entweder allein oder, wenn erwünscht, zusammen mit einer geeigneten Menge anderer thermisch zersetzbarer Halogenide von Platinmetallen oder Ventilmetallen zu einem Überschuss von Natriumnitrat. Das Adams-Verfahren der Platinherstellung ist in einem Artikel im «Journal of the American Chemical Society», Band 45, Seite 217 (1923) beschrieben. Es ist zweckmässig, die feinverteilten Halogenidsalze der Platinmetalle, wie die Chlorplatinsäuren im Falle des Platins, das Rutheniumchlorid im Falle des Rutheniums, Titanchlorid, Tantalchlorid im Falle von Titan und Tantal, im gleichen Gewichtsverhältnis der . Metalle zu vermischen, wie es in der abschliessenden Legierungsmischung erwünscht ist. Ein Überschuss an Natriumnitrat wird eingearbeitet und die Mischung in einer Silizium5 A preferred mode of reduction is by modifying the Adams platinum manufacturing process by adding a thermally decomposable platinum halide, such as ruthenium chloride, either alone or, if desired, together with an appropriate amount of other thermally decomposable platinum metal or valve metal halides Excess of sodium nitrate. The Adams process of platinum production is described in an article in the Journal of the American Chemical Society, Volume 45, page 217 (1923). It is appropriate to use the finely divided halide salts of platinum metals, such as the chloroplatinic acids in the case of platinum, the ruthenium chloride in the case of ruthenium, titanium chloride, tantalum chloride in the case of titanium and tantalum, in the same weight ratio. Mix metals as desired in the final alloy mix. An excess of sodium nitrate is incorporated and the mixture in a silicon5

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dioxidschale für 3 Stunden bei einer Temperatur von 500 bis 600 °C geschmolzen. Der Rest wird gründlich gewaschen, um die noch vorhandenen Nitrate und Halogenide zu entfernen, wonach ein Rest des gewünschten Platinmetalloxides zurückbleibt, z.B. Rutheniumoxid, Platin-Rutheniumoxid, Ruthenium-Iridiumoxid, Ruthenium-Titanoxid usw. Die erhaltene Suspension der vermischten und legierten Oxide wird dann teilweise reduziert. Die Reduktion der Platingruppen-metalloxide kann nach irgendeinem geeigneten bekannten Reduktionsverfahren ausgeführt werden, wie durch elektrochemische Reduktion, oder durch Hindurchleiten von Wasserstoff durch die Mischung bei Zimmertemperatur, so lange die Oxide nicht vollständig zum Metall reduziert werden sollen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Oxide elektro-chemisch in einem sauren Medium reduziert. Das Produkt, das ein reduziertes Platinmetalloxid entweder allein oder ein gemischtes Legierungsoxid ist, wird gründlich getrocknet, z.B. durch Anwendung einer Heizlampe, gemahlen und dann durch ein Nylonsieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,037 mm (entsprechend 400 mesh) gesiebt, um ein feines Pulver aus dem reduzierten Platinmetalloxid herzustellen. Dioxide shell melted for 3 hours at a temperature of 500 to 600 ° C. The rest is washed thoroughly to remove any nitrates and halides still present, leaving a residue of the desired platinum metal oxide, e.g. Ruthenium oxide, platinum-ruthenium oxide, ruthenium-iridium oxide, ruthenium-titanium oxide etc. The suspension of the mixed and alloyed oxides obtained is then partially reduced. The reduction of the platinum group metal oxides can be carried out by any suitable known reduction method, such as by electrochemical reduction, or by passing hydrogen through the mixture at room temperature, as long as the oxides are not to be reduced completely to the metal. In a preferred embodiment, the oxides are reduced electrochemically in an acidic medium. The product, which is a reduced platinum metal oxide either alone or a mixed alloy oxide, is thoroughly dried, e.g. by using a heating lamp, ground and then sieved through a nylon sieve with a mesh size of about 0.037 mm (corresponding to 400 mesh) to produce a fine powder from the reduced platinum metal oxide.

' Die erhaltenen reduzierten Platinmetalloxide werden dann durch Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff für eine ausreichende Zeit thermisch stabilisiert, um ein katalytisches Material zu erhalten, das in der sauren Halogenwasserstoffumgebung und in Gegenwart der Halogene stabil ist. Bei einer in der nachfolgend beschriebenen Art ausgeführten thermischen Stabilisierung des Katalysators erhält man sehr viel bessere Korrosionseigenschaften in Halogenen, wie Chlor usw. sowie in Gegenwart von Halogenidlösungen, wie Chlorwasserstoffsäure usw. Es wird angenommen, dass die thermische Stabilisierung zur Bildung eines katalytischen Teilchens mit einem grossen mittleren Porendurchmesser und einem stabilen dünnen Oxidfilm auf der Aussenseite des reduzierten Oxidteilchens führt. Dies stabilisiert die reduzierten Oxidteilchen, so dass sie bessere mechanische Eigenschaften zum Verbinden mit der festen Polymerelektrolytmembran haben, und ihr Widerstand gegenüber der Auflösung in Chlorwasserstoffsäure oder anderen Halogenidsäu-ren oder gegenüber entwickelten Halogenen ist ebenfalls erhöht. Die reduzierten Oxide werden vorzugsweise für eine Dauer von 30 Minuten bis zu 6 Stunden auf eine Temperatur von 350 bis 750 °C erhitzt, wobei die bevorzugte thermische Stabilisierung durch Erhitzen der reduzierten Oxide für eine Stunde auf eine Temperatur von 550 bis 600 °C erfolgt. The resulting reduced platinum metal oxides are then thermally stabilized by heating in the presence of oxygen for a sufficient time to obtain a catalytic material which is stable in the acidic hydrogen halide environment and in the presence of the halogens. When the catalyst is thermally stabilized as described below, much better corrosion properties are obtained in halogens, such as chlorine, etc. and in the presence of halide solutions, such as hydrochloric acid, etc. It is believed that the thermal stabilization to form a catalytic particle with a large average pore diameter and a stable thin oxide film on the outside of the reduced oxide particle. This stabilizes the reduced oxide particles so that they have better mechanical properties for connection to the solid polymer electrolyte membrane, and their resistance to dissolution in hydrochloric acid or other halide acids or to developed halogens is also increased. The reduced oxides are preferably heated to a temperature of 350 to 750 ° C. for a period of 30 minutes to 6 hours, the preferred thermal stabilization being carried out by heating the reduced oxides to a temperature of 550 to 600 ° C. for one hour.

Es wurde auch festgestellt, dass die elektrokatalytische Aktivität des Katalysators und der Elektrode mit dem Katalysator dadurch optimalisiert wird, dass man die katalytischen Teilchen in feinstmöglicher Pulverform herstellt. So wurde festgestellt, dass die Oberfläche der Teilchen, wie mittels der BET-Stickstoffabsorptions-Methode beobachtet wurde, mindestens 25 mz/g Katalysator sein sollte. Der bevorzugte Bereich der Oberfläche liegt zwischen 50 und 150 m2/g. It has also been found that the electrocatalytic activity of the catalytic converter and the electrode with the catalytic converter is optimized by producing the catalytic particles in the finest possible powder form. Thus, it was found that the surface area of the particles, as observed by the BET nitrogen absorption method, should be at least 25 mz / g catalyst. The preferred surface area is between 50 and 150 m2 / g.

Die gasdurchlässige Elektrodenstruktur der katalytischen Teilchen und der Fluorkohlenstoffpolymer-Teilchen wird erzeugt durch Vermengen der katalytischen Teilchen mit einer Teflon-Dispersion, um in der in der US-PS 3 297 484 beschriebenen Weise eine gebundene Elektrodenstruktur herzustellen. Bei dem Verfahren des Verbindens der Elektrode ist es zweckmässig, den Katalysator mit Teflon-Dispersion in einer Weise zu vermengen, dass die Dispersion wenig oder keine Kohlenwasserstoffe enthält. Wenn die Fluorkohlenstoffpolymer-Zusammensetzung oberflächenaktive Kohlenwasserstoffe enthält, dann führt das zu einer vermindernden Oberfläche bei dem reduzierten Oxid-Katalysa-tor. Jede Verringerung der Oberfläche des Katalysators ist augenscheinlich unerwünscht, da dies eine potentiell nachteilige Wirkung auf die Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit des Katalysators hat. Die Herstellung der Elektrode sollte daher unter Verwendung einer Polytetrafluoräthylenteil-chen-Zusammensetzung erfolgen, die, wenn überhaupt, wenig Kohlenwasserstoffe enthält. Eine geeignete Form dieser Teilchen zur Herstellung der Elektrode ist von DuPont unter der Handelsbezeichnung Teflon T-30 erhältlich. The gas permeable electrode structure of the catalytic particles and the fluorocarbon polymer particles is created by blending the catalytic particles with a Teflon dispersion to produce a bonded electrode structure in the manner described in U.S. Patent 3,297,484. In the method of connecting the electrode, it is appropriate to mix the catalyst with Teflon dispersion in such a way that the dispersion contains little or no hydrocarbons. If the fluorocarbon polymer composition contains hydrocarbon surfactants, the surface area of the reduced oxide catalyst is reduced. Any reduction in the surface area of the catalyst is apparently undesirable because it has a potentially adverse effect on the performance and effectiveness of the catalyst. The electrode should therefore be made using a polytetrafluoroethylene particle composition that contains little, if any, hydrocarbons. A suitable form of these particles for the manufacture of the electrode is available from DuPont under the trade name Teflon T-30.

Die Mischung aus den Edelmetallteilchen und Teflonteilchen oder von Graphit und den reduzierten Oxidteilchen wird in einer Form angeordnet und erhitzt, bis die Masse zu einem Abziehbild geformt ist, das dann durch Anwendung von Druck und Hitze in die Oberfläche eingebettet und mit dieser verbunden wird. Wie zum Beispiel in der US-PS 3 297 484 beschrieben, wird die Elektrodenstruktur mit der Oberfläche der ïonenaustauschermembran verbunden, wodurch die gasabsorbierende Teilchenmischung integral verbunden und in einigen Fällen vorzugsweise in die Oberfläche der Membran eingebettet wird. The mixture of the noble metal particles and Teflon particles or of graphite and the reduced oxide particles is placed in a mold and heated until the mass is formed into a decal which is then embedded in and bonded to the surface by application of pressure and heat. For example, as described in U.S. Patent 3,297,484, the electrode structure is bonded to the surface of the ion exchange membrane, thereby integrally bonding the gas absorbing particle mixture and, in some cases, preferably embedding it in the surface of the membrane.

Die so hergestellte neue Membran/Elektroden-Sturktur umfasst eine feste Polymerelektrolytmembran, die zu einem selektiven Ionentransport fähig ist, wobei mit mindestens einer Seite der Membran eine dünne poröse gasdurchlässige Elektrode aus den oben beschriebenen elektrokatalytischen reduzierten Platingruppenmetalloxiden verbunden ist. Eine zweite Elektrode kann mit der anderen Seite der Membran verbunden werden, und diese Elektrode kann entweder das gleiche elektrokatalytische Material oder irgendein anderes geeignetes kathodisches Material aufweisen. Die selektive, Ionen transportierende Membran ist vorzugsweise eine stabile, hydrierte, kationische Membran, die durch Ionentransport-Selektivität charakterisiert ist. So gestattet die Kationenaustauschermembran den Durchgang positiv geladener Kationen, wie Wasserstoffionen im Falle der Elektrolyse eines Halogenids, wie Hydrogenchlorid oder von Natriumionen im Falle der Elektrolyse wässriger Natriumhalogenide. Der Durchgang negativ geladener Anionen durch eine Kationenaustauschermembran ist minimal gehalten. The new membrane / electrode structure thus produced comprises a solid polymer electrolyte membrane which is capable of selective ion transport, a thin porous gas-permeable electrode composed of the electrocatalytic reduced platinum group metal oxides described above being connected to at least one side of the membrane. A second electrode can be connected to the other side of the membrane, and this electrode can either have the same electrocatalytic material or any other suitable cathodic material. The selective ion transport membrane is preferably a stable, hydrogenated, cationic membrane characterized by ion transport selectivity. The cation exchange membrane thus allows the passage of positively charged cations, such as hydrogen ions in the case of the electrolysis of a halide, such as hydrogen chloride or sodium ions in the case of the electrolysis of aqueous sodium halides. The passage of negatively charged anions through a cation exchange membrane is kept to a minimum.

Es gibt verschiedene Arten von Ionenaustauscher-Harzen, die zu Membranen verarbeitet werden können, die den selektiven Transport der Kationen gestatten. Zwei Klassen solcher Harze sind die sogenannten Sulfonsäure-Kationenaustauscher-Harze und die Carboxyl-Kationenaus-tauscher-Harze. Sulfonsäure-Austauscherharze, die bevorzugt werden, schliessen Ionen austauschende Gruppen in Form hydratisierter Sulfonsäurereste (S03H x H20) ein, die mit der Polymerkette durch Sulfonieren verbunden sind. Die Ionen austauschenden Säurereste in der Membran sind fest mit der Polymerkette verbunden, wodurch sichergestellt ist, dass sich die Elektrolytkonzentration nicht verändert. Die Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Kationenaustauschermem-branen sind bevorzugt. Eine spezifische Klasse von Kationen austauschenden Polymermembranen dieser Art wird von DuPont unter der Handelsbezeichnung Nafion vertrieben. Diese Nafion-Membranen sind hydrierte Copolymere von Polytetrafluoräthylen und Polysulfonylfluoridvinyl-äther, die seitenständige Sulfonsäuregruppen enthalten. There are various types of ion exchange resins that can be made into membranes that allow the selective transport of the cations. Two classes of such resins are the so-called sulfonic acid cation exchange resins and the carboxyl cation exchange resins. Sulfonic acid exchange resins that are preferred include ion-exchanging groups in the form of hydrated sulfonic acid residues (S03H x H20) that are attached to the polymer chain by sulfonation. The ion-exchanging acid residues in the membrane are firmly connected to the polymer chain, which ensures that the electrolyte concentration does not change. The perfluorocarbon sulfonic acid cation exchange membranes are preferred. A specific class of cation exchange polymer membranes of this type is sold by DuPont under the trade name Nafion. These Nafion membranes are hydrogenated copolymers of polytetrafluoroethylene and polysulfonyl fluoride vinyl ether, which contain pendant sulfonic acid groups.

Die Ionenaustauschkapazität einer gegebenen Sulfon-säure-KationenaustauschermembranhängtabvomMilliäqui-valentgewicht der C03-Reste pro Gramm des trockenen Polymers. Je grösser die Konzentration der Sulfonsäurereste ist, um so grösser ist die Ionenaustauscherkapazität und somit die Fähigkeit der Membran, Kationen zu transportieren. In dem Masse, wie die Ionenaustauschkapazität der Membran zunimmt, nimmt aber auch der Wassergehalt zu und damit die Fähigkeit der Membran, Salz abzuweisen ab. Bei der Elektrolyse von Alkalimetallhalogenid-Lösungen wird Alkali an der Kathodenseite erzeugt und die Geschwindig5 The ion exchange capacity of a given sulfonic acid cation exchange membrane depends on the milliequivalent weight of the C03 residues per gram of dry polymer. The greater the concentration of the sulfonic acid residues, the greater the ion exchange capacity and thus the ability of the membrane to transport cations. However, as the ion exchange capacity of the membrane increases, so does the water content, and with it the ability of the membrane to repel salt. In the electrolysis of alkali metal halide solutions, alkali is generated on the cathode side and the speed5

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keit, mit der das Natriumhydroxid von der Kathode zur Anodenseite wandert, nimmt mit der Ionenaustauschkapazität zu. Eine solche Rückwanderung verringert die Wirksamkeit des Kathodenstromes und führt auch zur Sauerstofferzeugung an der Anode, was unerwünschte Konsequenzen in seiner Wirkung auf die katalytische Anode hat. Die bevorzugte Ionenaustauschermembran zur Verwendung bei der Salzlaugen-Elektrolyse ist daher ein Schichtstoff, der aus einem dünnen Film (von etwa 0,05 mm Dicke) mit einem Mil-liäquivalentgewicht von 1500 und einem geringen Wassergehalt (von etwa 5 bis 15%) mit hoher Salzabweisung, verbunden mit einem Film einer Dicke von etwa 0,1 mm mit hoher Ionenaustauschkapazität, einem Milliäquivalentgewicht von 1100, verbunden mit einem Teflongewebe, besteht. Eine Form einer solchen Schichtkonstruktion wird von DuPont unter der Handelsbezeichnung Nafion 315 vertrieben. Andere Formen von Schichtstoffen oder Konstruktionen, in denen die Kathodenseitenschicht aus einer dünnen Harzfilm-schicht geringen Wassergehaltes (etwa 5 bis 15%) besteht, um die Salzabweisung zu optimalisieren, sind auch erhältlich. Typisch für solche anderen Schichtstoffe sind die unter den Handelsbezeichnungen Nafion 355, 376, 390,227 und 214 erhältlichen. Im Falle einer Schichtstoffmembran, die mit einem Teflongewebe verbunden ist, kann es erwünscht sein, die Membran und das Teflongewebe zusätzlich zum Tränken in Alkali, wie es bisher bevorzugt wurde, zur Reinigung noch in 70%iger Salpetersäure für 3 bis 4 Stunden am Rückfluss zu erhitzen. The rate at which the sodium hydroxide migrates from the cathode to the anode side increases with the ion exchange capacity. Such migration back reduces the effectiveness of the cathode current and also leads to the generation of oxygen at the anode, which has undesirable consequences in its effect on the catalytic anode. The preferred ion exchange membrane for use in brine electrolysis is therefore a laminate made from a thin film (about 0.05 mm thick) with a mil equivalent weight of 1500 and a low water content (from about 5 to 15%) with high Salt repellency combined with a film approximately 0.1 mm thick with high ion exchange capacity, a milliequivalent weight of 1100 combined with a Teflon fabric. One form of such a layer construction is marketed by DuPont under the trade name Nafion 315. Other forms of laminates or constructions in which the cathode side layer consists of a thin resin film layer of low water content (about 5 to 15%) in order to optimize salt rejection are also available. Typical of such other laminates are those available under the trade names Nafion 355, 376, 390, 227 and 214. In the case of a laminate membrane connected to a Teflon fabric, it may be desirable to reflux the membrane and the Teflon fabric in addition to soaking in alkali, as was previously preferred, for cleaning in 70% nitric acid for 3 to 4 hours heat.

Im Falle der Elektrolyse von Halogenwasserstoffen, wie Chlorwasserstoffsäure, gibt es das Probelm der Rückwanderung von Alkali oder anderen Salzen nicht, so dass einfachere Membranformen, wie Nafion 120, als Ionen transportierendes Medium benutzt werden können. In the case of the electrolysis of hydrogen halides, such as hydrochloric acid, there is no problem with the migration of alkali or other salts back, so that simpler membrane forms, such as Nafion 120, can be used as the ion-transporting medium.

Im Falle von Salzlaugenelektrolyse kann die Nationen-seitensperrschicht, die durch einen geringen Wassergehalt charakterisiert sein muss, Schichtstoffe einschliessen, in denen die Kathodenseitenschicht ein dünner (0,05 bis 0,1 mm dicker) chemisch modifizierter Film mit Sulfonamidgruppen oder Carboxylsäuregruppen ist. In the case of brine electrolysis, the nation-side barrier layer, which must be characterized by a low water content, can include laminates in which the cathode side layer is a thin (0.05 to 0.1 mm thick) chemically modified film with sulfonamide groups or carboxylic acid groups.

Im folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der In the following reference is made to the drawing in which

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsge-mässen Elektrolysezelle unter Verwendung einer festen Polymerelektrolytmembran und des mit der Oberfläche der Membran verbundenen neuen Katalysators gibt und 1 shows a schematic representation of an electrolytic cell according to the invention using a solid polymer electrolyte membrane and the new catalyst connected to the surface of the membrane

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Reaktionen ist, die in den verschiedenen Teilen der Zelle während der Elektrolyse einer wässrigen Halogenidlösung stattfinden. Figure 2 is a schematic representation of the reactions that take place in the various parts of the cell during the electrolysis of an aqueous halide solution.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Halogen-Elektrolysezelle bezeichnet, die aus einem Kathodenraum 11 und einem Anodenraum 12 besteht, die durch eine feste Polymerelektrolytmembran 13 voneinander getrennt sind, wobei die Membran vorzugsweise eine hydratisierte, durchlässigkeitsselektive Kationenaustauschermembran ist. Mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Membran 13 sind Elektroden verbunden, die Teilchen aus einem Fluorkohlenstoff, wie Teflon, umfassen, die mit thermisch stabilisierten, reduzierten Oxiden von Ruthenium (RuOx) oder Iridium (IrOx) oder stabilisierten, reduzierten Oxiden von Ruthenium-Iridium (Rulr), Ruthenium-Titan (RuTi), Ruthenium-Tantal (RuTa), Ruthenium-Tantal-Iridium (RuTalr) odei Ruthenium-Graphit oder Kombinationen der vorgenannten Oxide mit Graphit und anderen Ventilmetalloxiden verbunden sind. Die Kathode 14 ist mit einer Seite der Membran verbunden und vorzugsweise in dieser eingebettet, und eine nichtdargestellte katalytische Anode ist mit der gegenüberliegenden Seite der Membran verbunden und vorzugsweise in dieser eingebettet. Stromkollektoren in Form von Metallsieben 15 und 16 werden gegen die Elektroden gepresst. Die ganze Einheit aus Membran und Elektrode wird fest durch die Gehäuseelemente 11 und 12 vermittels der Dichtungen 17 und 18 abgestützt, wobei die Dichtungen aus irgendeinem Material hergestellt sind, das gegenüber der Zellenumgebung, nämlich Alkali, Chlor, Sauerstoff, wässrigem Natriumchlorid im Falle der Elektrolyse von Salzlauge und HCl, HBr im Falle anderer Halogenwasserstoffe, beständig oder inerf. ist. Eine Form einer solchen Dichtung ist eine gefüllte Kautschukbzw. Gummidichtung, die von der Irving Moore Company, Cambridge, Mass. unter der Handelsbezeichnung EPDM vertrieben wird. In Fig. 1, 10 denotes a halogen electrolysis cell, which consists of a cathode compartment 11 and an anode compartment 12, which are separated from one another by a solid polymer electrolyte membrane 13, the membrane being preferably a hydrated, permeability-selective cation exchange membrane. Connected to the opposite surfaces of membrane 13 are electrodes comprising particles of fluorocarbon such as Teflon coated with thermally stabilized, reduced oxides of ruthenium (RuOx) or iridium (IrOx) or stabilized, reduced oxides of ruthenium-iridium (Rulr ), Ruthenium titanium (RuTi), ruthenium tantalum (RuTa), ruthenium tantalum iridium (RuTalr) or ruthenium graphite or combinations of the aforementioned oxides with graphite and other valve metal oxides. The cathode 14 is connected to and preferably embedded in one side of the membrane, and a non-illustrated catalytic anode is connected to and preferably embedded in the opposite side of the membrane. Current collectors in the form of metal sieves 15 and 16 are pressed against the electrodes. The entire membrane and electrode assembly is firmly supported by the housing members 11 and 12 by means of the seals 17 and 18, which seals are made of any material that is resistant to the cell environment, namely alkali, chlorine, oxygen, aqueous sodium chloride in the case of electrolysis of brine and HCl, HBr in the case of other hydrogen halides, stable or inert. is. One form of such a seal is a filled rubber. Rubber seal made by the Irving Moore Company, Cambridge, Mass. is marketed under the trade name EPDM.

Ein wässriges Alkalimetallhalogenid, wie Salzlauge oder ein Halogenwasserstoff, wie HCl wird durch einen Elektro-lyteinlass 19 eingeführt, der mit der Kammer 20 in Verbindung steht. Verbrauchter Elektrolyt und Halogene, wie Chlor, werden durch eine Auslassleitung 21 entfernt. Eine Kathodeneinlassleitung 22 ist für den Fall der Salzlaugen-Elektrolyse vorgesehen und steht in Verbindung mit der Kathodenkammer 11, um die Einführung von Kathodenkammer-Elektrolyt, im folgenden abgekürzt «Katholyt» genannt, Wasser oder wässriger NaOH, die verdünnter ist, als die elektro-chemisch an der Grenzfläche-Elektrode/Elektro-lyt gebildete, zu gestatten. Im Falle der Elektrolyse von Halogenwasserstoffen, wie HCL, ist kein Katholyt erforderlich, und die Kathodeneinlassleitung 22 kann daher weggelassen werden. An aqueous alkali metal halide such as brine or a hydrogen halide such as HCl is introduced through an electrolyte inlet 19 which communicates with the chamber 20. Used electrolyte and halogens, such as chlorine, are removed through an outlet line 21. A cathode inlet line 22 is provided for the case of brine electrolysis and is connected to the cathode chamber 11 in order to introduce cathode chamber electrolyte, hereinafter abbreviated «catholyte», water or aqueous NaOH, which is more dilute than the electrolytic one. allow chemically formed at the interface electrode / electro-lyt. In the case of electrolysis of hydrogen halide such as HCL, no catholyte is required, and the cathode inlet line 22 can therefore be omitted.

In einer Salzlaugen-Elektrolysezelle dient das Wasser zwei getrennten Funktionen. Ein Teil des Wassers wird unter Erzeugung von Hydroxyl-Anionen elektrolysiert und diese Hydroxyl-Anionen verbinden sich mit den durch die Membran transportierten Natriumkationen unter der Bildung von Laugen (NaOH). Das Wasser spült aber auch über die poröse gebundene Kathodenelektrode, um die an der Mem-bran/Elektroden-Grenzfläche gebildete hochkonzentrierte Lauge zu verdünnen und so eine Diffusion der Lauge durch die Membran zurück in die Anoden-Elektrolyt (im nachfolgenden kurz «Anolyt» genannt)-Kammer möglichst gering zu halten. Die Kathodenauslassleitung 21 steht in Verbindung mit der Kathodenkammer 11 zur Entfernung überschüssigen Katholyts und der Elektrolyseprodukte, wie Lauge, im Falle der Salzlaugen-Elektrolyse plus irgendwelcher Wasserstoffabgabe an der Kathode sowohl bei der Elektrolyse von Salzlauge als auch von Chlorwasserstoff. Ein energieführendes Kabel 23 wird in die Kathodenkammer eingebracht, und ein vergleichbares, nichtdargestelltes Kabel wird in die Anodenkammer eingebracht. Diese Kabel verbinden die stromleitenden Siebe 16 bzw. 15 oder irgendeine andere geeignete Art von Kollektor mit der Stromquelle. In a brine electrolytic cell, the water serves two separate functions. Part of the water is electrolyzed to produce hydroxyl anions, and these hydroxyl anions combine with the sodium cations transported through the membrane to form lyes (NaOH). However, the water also rinses through the porous bound cathode electrode in order to dilute the highly concentrated lye formed at the membrane / electrode interface and thus diffuse the lye through the membrane back into the anode electrolyte (hereinafter referred to as «anolyte») ) Chamber to be kept as small as possible. The cathode outlet line 21 is in communication with the cathode chamber 11 for removing excess catholyte and the electrolysis products such as alkali in the case of brine electrolysis plus any hydrogen release at the cathode in both the electrolysis of brine and hydrogen chloride. An energized cable 23 is inserted into the cathode chamber and a comparable cable, not shown, is inserted into the anode chamber. These cables connect the current carrying screens 16 or 15 or any other suitable type of collector to the power source.

Fig. 2 veranschaulicht diagrammartig die in der Zelle während der Elektrolyse einer wässrigen Alkalimetallhaloge-nid-Lösung, wie Salzlauge stattfindenden Reaktionen, und dient dem Verstehen des Elektrolyseprozesses in der Weise, in der die Zelle arbeitet. Eine wässrige Lösung von Natriumchlorid wird in die Anodenkammer eingebracht, die durch die kationische Membran 13 von der Kathodenkammer getrennt ist. Die Membran 13 ist eine Verbundmembran mit einer Schicht 26 hohen Wassergehaltes (20 bis 35%, bezogen auf das Trockengewicht der Membran) auf der Anodenseite und einer Schicht 27 geringen Wassergehaltes (5 bis 15%, bezogen auf das Trockengewicht der Membran) und hohen Milliäquivalentgewichtes auf der Kathodenseite, die beide durch ein Teflongewebe 28 voneinander getrennt sind. Figure 2 diagrammatically illustrates the reactions taking place in the cell during the electrolysis of an aqueous alkali metal halide solution, such as brine, and is used to understand the electrolysis process in the manner in which the cell operates. An aqueous solution of sodium chloride is introduced into the anode chamber, which is separated from the cathode chamber by the cationic membrane 13. The membrane 13 is a composite membrane with a layer 26 of high water content (20 to 35%, based on the dry weight of the membrane) on the anode side and a layer 27 of low water content (5 to 15%, based on the dry weight of the membrane) and high milliequivalent weight on the cathode side, both of which are separated from one another by a Teflon fabric 28.

Die kathodenseitige Schicht kann auf der Kathodenseite auch chemisch modifiziert werden, um eine dünne Schicht eines Polymers mit einem geringen Wassergehalt zu bilden. In einer Ausführungsform erfolgt dies durch Modifizieren des The cathode side layer can also be chemically modified on the cathode side to form a thin layer of a polymer with a low water content. In one embodiment, this is done by modifying the

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10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

645 552 645 552

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Polymers unter Bildung einer substituierten Sulfonamid-Membranschicht. Durch Umwandeln der Kathodenseitenschicht in eine schwache Säureform (Sulfonamid) wird der Wassergehalt dieses Teiles der Membran verringert und die Fähigkeit des Filmes zur Salzabweisung erhöht. Infolgedessen wird die Rückdiffusion von Natriumhydroxid durch die Membran zur Anode minimal gehalten. Während bei der Salzlaugen-Elektrolyse schichtartige Membrankonstruktionen bevorzugt sind, um die Rückwanderung des Natriumhydroxids zu blockieren, können auch andere homogene Filme mit geringem Wassergehalt benutzt werden, wie Nafion 150, Perfluorcarboxylate usw. Im Falle der Elektrolyse von Halogenwasserstoffen, wie HCl, HBr usw. kann die Ionen transportierende Membran offensichtlich ein einfacher homogener Film sein, wie Nafion 120. Polymers to form a substituted sulfonamide membrane layer. By converting the cathode side layer to a weak acid form (sulfonamide), the water content of this part of the membrane is reduced and the film's ability to repel salt is increased. As a result, the back diffusion of sodium hydroxide through the membrane to the anode is minimized. While layered membrane constructions are preferred in brine electrolysis to block the back migration of sodium hydroxide, other homogeneous films with low water content can also be used, such as Nafion 150, perfluorocarboxylates etc. In the case of electrolysis of hydrogen halides such as HCl, HBr etc. the ion transport membrane can obviously be a simple homogeneous film, such as Nafion 120.

Die Teflon-gebundenen Katalysatoren aus reduzierten Edelmetalloxiden enthalten mindestens ein thermisch stabilisiertes, reduziertes Platinmetalloxid, wie eins von Ruthenium, Iridium oder Ruthenium-Iridium mit oder ohne Zusatz reduzierter Oxide von Titan, Niob oder Tantal und Teilchen von Graphit. Diese Katalysatoren sind in die Oberfläche der Membran 13 eingepresst. Die Stromkollektoren 15 und 16, die der Klarheit halber in Fig. 2 nur teilweise gezeigt sind, sind gegen die Oberfläche der katalytischen Elektroden gepresst und mit dem positiven bzw. negativen Anschluss der Energiequelle verbunden, um das Elektrolysepotential zwischen den Zellenelektroden zu schaffen. Die wässrige Ha-logenidionenlösung, wie wässrige Natriumchloridlösung, die in die Anodenkammer eingebracht ist, wird an der Anode 29 unter Erzeugung von Chlor, wie durch die Bläschen 30 in Fig. 2 veranschaulicht, elektrolysiert. Das Chlor wird prinzipiell an der Grenzfläche von der Elektrode zur Membran entstehen, gelangt jedoch durch die poröse Elektrode zur Elektrodenoberfläche, die dem Elektrolyt zugewandt ist. Die Natriumionen Na+ werden durch die Membran 13 zur Kathode 14 befördert. In die Kathodenkammer wird ein mit 31 bezeichneter Strom von Wasser oder wässrigem NaOH eingebracht und wirkt als Katholyt. Dieser wässrige Strom spült die Oberfläche der Teflon-gebundenen katalytischen Kathode 14, um die an der Grenzfläche von Membran zur Kathode gebildete Lauge zu verdünnen und dadurch die Rückdiffusion der Lauge durch die Membran zur Anode zu vermindern. The Teflon-bound catalysts made from reduced precious metal oxides contain at least one thermally stabilized, reduced platinum metal oxide, such as one of ruthenium, iridium or ruthenium-iridium with or without the addition of reduced oxides of titanium, niobium or tantalum and particles of graphite. These catalysts are pressed into the surface of the membrane 13. The current collectors 15 and 16, which are only partially shown in FIG. 2 for the sake of clarity, are pressed against the surface of the catalytic electrodes and connected to the positive or negative connection of the energy source in order to create the electrolysis potential between the cell electrodes. The aqueous halide ion solution, such as aqueous sodium chloride solution, which is introduced into the anode chamber, is electrolyzed at the anode 29 to produce chlorine, as illustrated by the bubbles 30 in FIG. 2. The chlorine will in principle arise at the interface from the electrode to the membrane, but will reach the electrode surface through the porous electrode, which is facing the electrolyte. The sodium ions Na + are transported through the membrane 13 to the cathode 14. A stream of water or aqueous NaOH, designated 31, is introduced into the cathode chamber and acts as a catholyte. This aqueous stream rinses the surface of the Teflon-bound catalytic cathode 14 to dilute the caustic formed at the membrane to cathode interface and thereby reduce the back diffusion of the caustic through the membrane to the anode.

Ein Teil des Wasserkatholyten wird an der Kathode unter Bildung von Hydroxylionen und gasförmigen Wasserstoffes elektrolysiert. Die Hydroxylionen kombinieren sich mit den durch die Membran transportierten Natriumionen unter Bildung von Natriumhydroxid an der Grenzfläche von der Membran zur Elektrode. Das Natriumhydroxid benetzt den Teflonteil der gebundenen Elektrode leicht und wandert zur Oberfläche, wo es durch den über die Oberfläche der Elektrode spülenden wässrigen Strom verdünnt wird. Selbst unter Anwendung der Wasserspülung der Kathode wird an der Kathode konzentriertes Natriumhydroxid im Bereich von 4,5 bis 6,5 molar gebildet. Etwas von dem Natriumhydroxid, das durch den Pfeil 33 angedeutet ist, wandert jedoch durch die Membran 13 zur Anode zurück. Diese NaOH-Wanderung ist ein Diffusionsverfahren, das durch den Konzentrationsgradienten und den elektro-chemischen Transport negativer Ionen zur Anode verursacht wird. Das zur Anode transportierte Natriumhydroxid wird unter Erzeugung von Wasser und Sauerstoff, wie durch die Blasenbildung 34 dargestellt, oxidiert. Dies ist eine parasitäre Reaktion, die die Wirksamkeit des Kathodenstromes vermindert und durch Verwendung von Membranen möglichst gering gehalten werden sollte, die auf der Kathodenseite eine starke Salzabweisung aufweisen. Neben der Wirkung auf die Stromwirksamkeit ist die Sauerstofferzeugung an der Anode unerwünscht, da dies nachteilige Wirkungen auf die Elektrode und die Membran haben kann, insbesondere wenn die Elektrode Graphit enthält. Ausserdem verdünnt der Sauerstoff das an der Anode erzeugte Chlor, so dass eine zusätzli-s che Behandlung erforderlich ist, um den Sauerstoff zu entfernen. Die Sauerstoffbildung kann dadurch weiter vermindert werden, dass man den wässrigen Anolyten ansäuert, so dass das zurückwandernde Hydroxid eher durch Neutralisation in Wasser umgewandelt wird, als dass es unter Sauer-io stoffbildung oxidiert wird. Die Reaktionen in den verschiedenen Teilen der Zelle bei der Elektrolyse von NaCl sind die folgenden: Part of the water catholyte is electrolyzed at the cathode to form hydroxyl ions and gaseous hydrogen. The hydroxyl ions combine with the sodium ions transported through the membrane to form sodium hydroxide at the interface from the membrane to the electrode. The sodium hydroxide slightly wets the Teflon portion of the bound electrode and migrates to the surface where it is diluted by the aqueous stream rinsing over the surface of the electrode. Even using the cathode's water rinse, concentrated sodium hydroxide in the range of 4.5 to 6.5 molar is formed on the cathode. However, some of the sodium hydroxide, which is indicated by the arrow 33, migrates back through the membrane 13 to the anode. This NaOH migration is a diffusion process caused by the concentration gradient and the electrochemical transport of negative ions to the anode. The sodium hydroxide transported to the anode is oxidized to produce water and oxygen as shown by bubble 34. This is a parasitic reaction which reduces the effectiveness of the cathode current and should be kept as low as possible by using membranes which have a strong salt repellency on the cathode side. In addition to the effect on current efficiency, oxygen generation at the anode is undesirable because it can have adverse effects on the electrode and membrane, especially if the electrode contains graphite. In addition, the oxygen dilutes the chlorine generated at the anode, so additional treatment is required to remove the oxygen. The formation of oxygen can be further reduced by acidifying the aqueous anolyte, so that the hydroxide which migrates back is converted into water by neutralization rather than being oxidized with the formation of oxygen. The reactions in the different parts of the cell during the electrolysis of NaCl are as follows:

15 Anodenreaktion: 15 anode reaction:

(Prinzip) (Principle)

Membran Transport: Kathodenreaktion: Membrane transport: cathode reaction:

20 Anodenreaktion: Gesamtreaktion: 20 anode reaction: overall reaction:

2 Cl-*Cl2î+2e~ (1) 2 Cl- * Cl2î + 2e ~ (1)

2Na++H20 (2) 2Na ++ H20 (2)

2H20->20H~+H2T-2e- (3) 2H20-> 20H ~ + H2T-2e- (3)

2Na+ +20H-->2Na0H (4) 2Na + + 20H -> 2Na0H (4)

40H~->02 + 2H20 + 4e~ (5) 2NaCl + 2H20->2Na0H + 40H ~ -> 02 + 2H20 + 4e ~ (5) 2NaCl + 2H20-> 2Na0H +

C12Î + H2Î (6) C12Î + H2Î (6)

Bei der Elektrolyse von Halogenwasserstoff, wie HCl, sind 25 die Elektrolysereaktionen sehr ähnlich: In the electrolysis of hydrogen halide, such as HCl, the electrolysis reactions are very similar:

Anodenreaktion: 2HC1-»2H+ + C12Î+ 2e~ (1) Membran-Transport: 2H+(H20, HCl) (2) Anode reaction: 2HC1- »2H + + C12Î + 2e ~ (1) membrane transport: 2H + (H20, HCl) (2)

Kathodenreaktion: 2H+ + 2e~->H2î (3) Cathode reaction: 2H + + 2e ~ -> H2î (3)

Gesamtreaktion: 2HCl->H2t + C12Î (4) Overall reaction: 2HCl-> H2t + C12Î (4)

30 30th

Die neue Anordnung zur Elektrolyse von wässrigen Lösungen von Salz oder HCl, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, ist durch die Tatsache charakterisiert, dass sich die katalytischen Stellen der Elektroden in direk-35 tem Kontakt mit der Kationenaustauschermembran und den Ionen austauschenden Säureresten, die mit der Polymerkette verbunden sind, befinden, wobei diese Säure austauschenden Reste Sulfonsäurereste S03H x H20 oder Carb-oxylsäurereste COOH x H20 sind. Es gibt daher weder in 40 der Anolyt- noch der Katholytkammer irgendeinen bemerkenswerten Spannungsabfall. Ein solcher Elektrolyt-Span-nungsabfall ist charakteristisch für die existierenden Systeme und Verfahren, in denen Elektrode und Membran voneinander getrennt sind, und er kann dort in der Grössenordnung 45 von 0,2 bis 0,5 Volt liegen. Die Beseitigung oder doch beträchtliche Verminderung dieses Spannungsabfalles ist einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung, da er einen sehr deutlichen Effekt auf die Gesamtzellenspannung und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hat. The new arrangement for the electrolysis of aqueous solutions of salt or HCl, which is described in the present application, is characterized by the fact that the catalytic sites of the electrodes are in direct contact with the cation exchange membrane and the ion-exchanging acid residues are connected to the polymer chain, these acid-exchanging residues being sulfonic acid residues S03H x H20 or carboxylic acid residues COOH x H20. There is therefore no significant voltage drop in either the anolyte or catholyte chamber. Such an electrolyte voltage drop is characteristic of the existing systems and methods in which the electrode and membrane are separated from one another, and it can be of the order of magnitude 45 from 0.2 to 0.5 volts. Eliminating or significantly reducing this voltage drop is one of the main advantages of the present invention because it has a very significant effect on the overall cell voltage and the economics of the process.

so Da Chlor direkt an der Grenzfläche der Anode zur Membran erzeugt wird, gibt es auch keinen Spannungsabfall aufgrund der sogenannten «Blasenwirkung», die ein Gasmisch-und Massentransport-Verlust aufgrund der Unterbrechung oder Blockierung des Elektrolytpfades zwischen der Elektro-55 de und der Membran ist. so Since chlorine is generated directly at the interface of the anode to the membrane, there is also no voltage drop due to the so-called “bubble effect”, which means a loss of gas mixture and mass transport due to the interruption or blocking of the electrolyte path between the electrode and the membrane is.

In Systemen nach dem Stand der Technik ist die Chlor abgebende katalytische Elektrode von der Membran getrennt. Das Gas wird direkt an der Elektrode gebildet und ergibt eine Gasschicht im Raum zwischen Membran und 6o Elektrode. Dies unterbricht den Elektrolytpfad zwischen dem Elektrodenkollektor und der Membran und blockiert den Durchgang von Na+-Ionen und erhöht auf diese Weise den Spannungsabfall. In systems according to the prior art, the chlorine-releasing catalytic electrode is separated from the membrane. The gas is formed directly on the electrode and results in a gas layer in the space between the membrane and the 6o electrode. This interrupts the electrolyte path between the electrode collector and the membrane and blocks the passage of Na + ions and thus increases the voltage drop.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Te-65 flon-gebundene Edelmetallelektrode reduzierte Oxide von Ruthenium, Iridium oder Ruthenium-Iridium, um die Chlorüberspannung an der Anode möglichst gering zu halten. Die reduzierten Rutheniumoxide sind gegenüber Chlor- In a preferred embodiment, the Te-65 flon-bound noble metal electrode contains reduced oxides of ruthenium, iridium or ruthenium-iridium in order to keep the chlorine overvoltage at the anode as low as possible. The reduced ruthenium oxides are compared to chlorine

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und Sauerstoff-Entwicklung stabilisiert, damit man eine stabile Anode erhält. Die Stabilisierung erfolgt anfänglich durch Temperaturstabilisierung, d.h. durch Erhitzen der reduzierten Rutheniumoxide für eine Stunde bei Temperaturen im Bereich von 550 bis 600 °C. Die Teflon-gebundenen reduzierten Oxide der Ruthenium-Anode werden weiter stabilisiert durch Vermischen mit Graphit und/oder Legierungen oder Mischen mit den reduzierten Oxiden von Iridium IrOx in einem Bereich von 5 bis 25% Iridium, wobei 25% bevorzugt sind oder mit reduzierten Oxiden von Titan TiOx, wobei 25 bis 50% von TiOx bevorzugt sind. Es wurde auch festgestellt, dass eine ternäre Legierung reduzierter Oxide von Titan, Ruthenium und Iridium (Ru, Ir, Ti)Ox oder Tantal, Ruthenium und Iridium (Ru, Ir, Ta)Ox die mit Teflon gebunden ist, sehr wirksam ist bei der Herstellung einer stabilen langlebigen Anode. Im Falle der ternären Legierung besteht die Zusammensetzung vorzugsweise aus 5 bis 25 Gew.-% reduzierter Oxide des Iridiums, etwa 50 Gew.-% reduzierter Oxide des Rutheniums und der Rest ist ein Ventilmetall, wie Titan. Für eine binäre Legierung reduzierter Oxide aux Ruthenium und Titan enthält die bevorzugte Elektrode eine Menge von 50 Gew.-% Titan und der Rest ist Ruthenium. Titan hat den zusätzlichen Vorteil, dass es sehr viel billiger ist, als Ruthenium oder Iridium und dass es somit ein wirksames Streckmittel ist, welches die Kosten reduziert, während es gleichzeitig die Elektrode in einer sauren Umgebung und gegen HCl, Chlor- und Sauerstoff-Entwicklung stabilisiert. Andere Ventilmetalle, wie Niob, Tantal, Zirkonium oder Hafnium können in der Elektrodenstruktur anstelle von Titan eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Ventilmetallen können auch Ventilmetall-Karbide, -Nitride und -Sulfide als Katalysator-Streckmittel eingesetzt werden. and oxygen evolution stabilized to get a stable anode. The stabilization takes place initially through temperature stabilization, i.e. by heating the reduced ruthenium oxides for one hour at temperatures in the range from 550 to 600 ° C. The Teflon-bonded reduced oxides of the ruthenium anode are further stabilized by mixing with graphite and / or alloys or mixing with the reduced oxides of iridium IrOx in a range from 5 to 25% iridium, with 25% being preferred or with reduced oxides of Titanium TiOx, with 25 to 50% of TiOx being preferred. It has also been found that a ternary alloy of reduced oxides of titanium, ruthenium and iridium (Ru, Ir, Ti) Ox or tantalum, ruthenium and iridium (Ru, Ir, Ta) Ox bonded with Teflon is very effective in that Production of a stable, long-life anode. In the case of the ternary alloy, the composition preferably consists of 5 to 25% by weight of reduced oxides of iridium, about 50% by weight of reduced oxides of ruthenium and the rest is a valve metal such as titanium. For a binary alloy of reduced oxides aux ruthenium and titanium, the preferred electrode contains 50% by weight titanium and the rest is ruthenium. Titanium has the additional advantage that it is much cheaper than ruthenium or iridium, making it an effective extender that reduces costs while keeping the electrode in an acidic environment and against HCl, chlorine and oxygen evolution stabilized. Other valve metals such as niobium, tantalum, zirconium or hafnium can be used in the electrode structure instead of titanium. In addition to the valve metals, valve metal carbides, nitrides and sulfides can also be used as catalyst extenders.

Die Legierungen der reduzierten Edelmetalloxide werden zusammen mit den reduzierten Oxiden von Titan oder anderen Ventilmetallen mit Teflon zu einer homogenen Mischung vermengt. Der Gehalt der Anode an Teflon kann im Bereich von 15 bis 50 Gew.-% liegen, obwohl 20 bis 30 Gew.-% bevorzugt sind. Das eingesetzte Teflon ist das von der DuPont Corporation unter der Handelsbezeichnung T-30 vertriebene Material, obwohl auch andere Fluorkohlenstoffe gleicher-massen benutzt werden können. Typische Edelmetallmengen für die Anode liegen bei 0,6 mg/cm2 der Elektrodenoberfläche, wobei der bevorzugte Bereich von 1 bis 2 mg/cm2 reicht. Der Stromkollektor für die Anode kann ein platiniertes Niobnetz mit feinen Maschen sein, mit dem ein guter Kontakt zur Elektrodenoberfläche erhalten wird. Es kann aber auch ein gerecktes Titannetz, das mit Rutheniumoxid, Iridiumoxid, Ventilmetalloxid oder deren Mischungen überzogen ist, als Kollektorstruktur für die Anode benutzt werden. Noch eine weitere mögliche Anodenkollektorstruktur kann eine Titan-Palladiumplatte mit einem durch Schweis-sen oder Verbinden daran befestigten platin-plattierten Netz sein. The alloys of the reduced noble metal oxides are mixed with the reduced oxides of titanium or other valve metals with Teflon to form a homogeneous mixture. The anode content of Teflon can range from 15 to 50% by weight, although 20 to 30% by weight is preferred. The Teflon used is the material sold by DuPont Corporation under the trade name T-30, although other fluorocarbons can also be used equally. Typical amounts of noble metal for the anode are 0.6 mg / cm 2 of the electrode surface, the preferred range being from 1 to 2 mg / cm 2. The current collector for the anode can be a platinized niobium mesh with fine mesh, with which a good contact to the electrode surface is obtained. However, an expanded titanium mesh, which is coated with ruthenium oxide, iridium oxide, valve metal oxide or mixtures thereof, can also be used as the collector structure for the anode. Yet another possible anode collector structure can be a titanium-palladium plate with a platinum-plated mesh attached to it by welding or joining.

Die Kathode ist vorzugsweise eine gebundene Mischung aus Teflonteilchen und Platinschwarz mit einer Platin-schwarzmenge von 0,4 bis 4 mg/cm2. Die Kathode ist ähnlich wie die Anode mit der Oberfläche der Kationenaustauschermembran verbunden und in diese eingebettet. Die Kathode wird sehr dünn mit einer Dicke von etwa 0,05 bis 0,075 mm oder weniger und vorzugsweise mit etwa 0,012 mm Dicke hergestellt, sie ist porös und weist einen geringen Teflongehalt auf. The cathode is preferably a bound mixture of Teflon particles and platinum black with a platinum black amount of 0.4 to 4 mg / cm 2. Similar to the anode, the cathode is connected to and embedded in the surface of the cation exchange membrane. The cathode is made very thin with a thickness of about 0.05 to 0.075 mm or less and preferably with a thickness of about 0.012 mm, it is porous and has a low teflon content.

Die Dicke der Kathode kann recht bedeutsam sein, da die Kathode in reduziertem Wasser oder durch das Spülen und Eindringen wässriger NaOH in die Kathode reflektiert werden kann, was die Wirksamkeit des Kathodenstromes verringert. Die Zellen wurden mit dünnen Kathoden von etwa 0,012 bis 0,05 mm Dicke aus Platinschwarz mit 15% The thickness of the cathode can be quite significant since the cathode can be reflected in reduced water or by flushing and penetrating aqueous NaOH into the cathode, reducing the effectiveness of the cathode current. The cells were made with thin cathodes of approximately 0.012 to 0.05 mm thick made of platinum black with 15%

Teflon hergestellt. Die Stormwirksamkeiten von Zellen mit dünnen Kathoden betrugen etwa 80% bei 5molarer NaOH, bei 88 bis 91 °C und einer Zuführung von 290 g/1 zur Anode. Mit einer 0,075 mm dicken Kathode aus Ruthenium und Graphit war die Stromwirksamkeit auf 54% mit 5molarer NaOH verringert. Die folgende Tabelle A zeigt die Beziehung der Stromwirksamkeit zur Dicke und lässt erkennen, dass Dicken, die 0,05 bis 0,075 mm nicht übersteigen, die beste Leistungsfähigkeit haben. Teflon manufactured. The storm efficiencies of cells with thin cathodes were about 80% with 5 molar NaOH, at 88 to 91 ° C. and a feed of 290 g / l to the anode. With a 0.075 mm thick cathode made of ruthenium and graphite, the current efficiency was reduced to 54% with 5 molar NaOH. The following Table A shows the relationship of current efficiency to thickness and indicates that thicknesses that do not exceed 0.05 to 0.075 mm have the best performance.

Tabelle A Table A

Zelle Kathode Kathodendicke Stromwirksamkeit Cell cathode cathode thickness current efficiency

(mm) in % (bei n-NaOH) (mm) in% (with n-NaOH)

1 1

Platinschwarz Platinum black

0,05-0,075 0.05-0.075

64 (4,0) 64 (4.0)

2 2nd

Plantinschwarz Plantin black

0,05-0,075 0.05-0.075

73 (4,5) 73 (4.5)

3 3rd

Platinschwarz Platinum black

0,025-0,05 0.025-0.05

75(3,1) 75 (3.1)

4 4th

Platinschwarz Platinum black

0,025-0,05 0.025-0.05

82 (5) 82 (5)

5 5

Platinschwarz Platinum black

0,012 0.012

78 (5,5) 78 (5.5)

6 6

5% Platinschwarz 5% platinum black

0,075 0.075

78 (3,0) 78 (3.0)

auf Graphit on graphite

7 7

15% Ru Ox auf 15% Ru Ox on

Graphit graphite

0,075 0.075

54 (5,0) 54 (5.0)

8 8th

Platiniertes Platinized

Graphitgewebe Graphite fabric

0,25-0,37 0.25-0.37

57(5) 57 (5)

Die Elektrode ist gasdurchlässig hergestellt, damit die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Membran entwik-kelten Gase leicht entweichen können. Sie ist porös hergestellt, um das Eindringen des Spülwassers zur Grenzfläche zwischen Elektrode und Membran, an der die NaOH gebildet wird, und den Zugang der zugeführten Salzlauge zur Membran und den katalytischen Elektrodenstellen zu gestatten. Dies unterstützt das Verdünnen der gebildeten hochkonzentrierten NaOH, bevor sie das Teflon benetzt und an die Elektrodenoberfläche gelangt, wo sie durch das über die Elektrodenoberfläche strömende Wasser weiter verdünnt wird. Es ist wichtig, die NaOH an der Grenzfläche zwischen Membran und Elektrode zu verdünnen, da dort die Konzentration am grössten ist. Um die Wassereindringung der Kathode maximal zu machen, sollte der Teflongehalt 15 bis 30 Gew.-% nicht übersteigen, da Teflon hydrophob ist. Mit einer guten Porosität, einem begrenzten Teflongehalt, einem dünnen Querschnitt und einer Spülflüssigkeit aus Wasser oder verdünnter Lauge wird die NaOH-Konzentration gesteuert, um die Wanderung von NaOH durch die Membran zu vermindern. The electrode is made permeable to gas so that the gases developed at the interface between the electrode and the membrane can easily escape. It is made porous in order to allow the rinsing water to penetrate to the interface between the electrode and membrane at which the NaOH is formed and to allow the supplied brine to access the membrane and the catalytic electrode sites. This supports the dilution of the highly concentrated NaOH formed before it wets the Teflon and reaches the electrode surface, where it is further diluted by the water flowing over the electrode surface. It is important to dilute the NaOH at the membrane-electrode interface, as the concentration is greatest there. In order to maximize the water penetration of the cathode, the teflon content should not exceed 15 to 30% by weight, since teflon is hydrophobic. With a good porosity, a limited teflon content, a thin cross-section and a rinsing liquid made of water or dilute alkali, the NaOH concentration is controlled in order to reduce the migration of NaOH through the membrane.

Der Stromkollektor für die Kathode muss sorgfältig ausgewählt werden, da die an der Kathode vorhandene hochkorrosive Lauge viele Materialien angreift, insbesondere während die Zelle nicht arbeitet. Der Stromkollektor kann ein Nickelnetz sein, da Nickel Lauge gegenüber beständig ist. Der Stromkollektor kann aber auch aus einer Platte aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellt werden, auf das ein Netz aus korrosionsbeständigem Stahl geschweisst ist. Eine andere Stromkollektorstruktur für die Kathode, die gegenüber alkalischer Lösung beständig oder inert ist, ist Graphit oder Graphit in Kombination mit einem Nickelnetz, das auf die Platte und gegen die Oberfläche der Elektrode gepresst ist. The current collector for the cathode must be carefully selected because the highly corrosive alkali present on the cathode attacks many materials, especially while the cell is not working. The current collector can be a nickel network because nickel is resistant to alkali. However, the current collector can also be made from a plate made of corrosion-resistant steel, onto which a mesh made of corrosion-resistant steel is welded. Another current collector structure for the cathode that is resistant or inert to alkaline solution is graphite or graphite in combination with a nickel mesh that is pressed onto the plate and against the surface of the electrode.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the aid of examples.

Beispiele Examples

Es wurden Zellen gebaut und getestet, die Ionenaustauschermembranen und Teflon-gebundene Elektroden mit reduziertem Edelmetalloxid aufwiesen, die in die Membran s Cells were built and tested, which had ion exchange membranes and Teflon-bound electrodes with reduced noble metal oxide, which s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

645 552 645 552

eingebettet waren, um den Effekt der verschiedenen Parameter auf die Wirksamkeit der Zelle bei der Salzlaugen-Elektro-lyse zu zeigen und insbesondere, um die Betriebsspannungs-charakteristika der Zelle zu veranschaulichen. were embedded to show the effect of the various parameters on the effectiveness of the cell in brine electrolysis and in particular to illustrate the operating voltage characteristics of the cell.

Die Tabelle I veranschaulicht die Wirkung der verschiedenen Kombinationen reduzierter Edelmetalloxide auf die Zellenspannung. Die Zellen wurden mit Elektroden ausgerüstet, die verschiedene spezifische Kombinationen reduzierter Edelmetalloxide aufwiesen, die mit Teflonteilchen gebunden und in eine 0,15 mm dicke kationische Ionenaustauschermembran eingebettet waren. Die Zelle wurde mit einer Stromdichte von etwa 325 mA/cm2 bei 90 °C, Zuführungsgeschwindigkeiten von 200 bis 2000 ml/min und einer Konzentration des Zugeführten von 5 Mol betrieben. Table I illustrates the effect of the various combinations of reduced noble metal oxides on the cell voltage. The cells were equipped with electrodes which had various specific combinations of reduced noble metal oxides, which were bound with Teflon particles and embedded in a 0.15 mm thick cationic ion exchange membrane. The cell was operated with a current density of approximately 325 mA / cm 2 at 90 ° C., feed rates of 200 to 2000 ml / min and a concentration of the feed of 5 mol.

8 8th

Eine Zelle war nach dem Stande der Technik konstruiert und enthielt eine abmessungsmässig stabilisierte Anode im Abstand von der Membran und ein Kathodennetz aus korrosionsbeständigem Stahl in ähnlicher Weise beabstandet, s Diese Kontrollzelle wurde unter gleichen Bedingungen betrieben. One cell was constructed according to the prior art and contained a dimensionally stabilized anode at a distance from the membrane and a cathode network made of corrosion-resistant steel in a similar manner, s This control cell was operated under the same conditions.

Aus der in der Tabelle I angegebenen Daten ergibt sich, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Zellenbetriebspotentiale im Bereich von 2,9 bis 3,6 Volt lagen. Vergli-lo chen mit einer Zelle nach dem Stande der Technik, der Kontrollzelle Nr. 4, unter den gleichen Betriebsbedingungen wurde eine Spannungsverbesserung von 0,6 bis 1,5 V realisiert. Die sich daraus ergebenden Betriebswirksamkeiten und wirtschaftlichen Vorteile sind deutlich ersichtlich. It can be seen from the data given in Table I that the cell operating potentials in the process according to the invention were in the range from 2.9 to 3.6 volts. Compared to a cell according to the state of the art, control cell No. 4, under the same operating conditions a voltage improvement of 0.6 to 1.5 V was realized. The resulting operational efficiencies and economic benefits are clearly evident.

Tabelle I Table I

Zell- Cellular

Anode anode

Kathode zugefiihrte Salz Salt supplied to the cathode

Stromdichte Current density

Zellspannung Cell voltage

Temp. °C Temp. ° C

Stromwirk Current effect

Membran membrane

Nr. No.

lauge m A/cm2 alkali m A / cm2

(V) (V)

samkeit totality

(5 molare NaOH) (5 molar NaOH)

1 1

6 mg/cm2 (Ru, 25% lr)0* 6 mg / cm2 (Ru, 25% lr) 0 *

4 mg/cm2 Platinschwarz 4 mg / cm2 platinum black

5 molar (290g/l 5 molar (290g / l

323 323

3,2-3,3 3.2-3.3

90 90

85% 85%

Dupont Nafion 315 Laminat Dupont Nafion 315 laminate

2 2nd

6 mg/cm2 (Ru, 25% Ir)Ox 6 mg / cm2 (Ru, 25% Ir) Ox

4 mg/cm2 Platinschwarz 4 mg / cm2 platinum black

5 molar (290 g/1) 5 molar (290 g / 1)

323 323

3,3-3,6 3.3-3.6

90 90

78% 78%

'DuPont 1500 EW Nafion 'DuPont 1500 EW Nafion

3 3rd

6 mg/cm2 (Ru, 25% lr)0. 6 mg / cm2 (Ru, 25% lr) 0.

4 mg/cm2 Platinschwarz. 4 mg / cm2 platinum black.

5 molar (290 g/1) 5 molar (290 g / 1)

323 323

2,9 2.9

90 90

66% 66%

Dupont 1500 EW Nafion Dupont 1500 EW Nafion

4 4th

dimensionsmässig dimensionally

Netz aus korro Corro mesh

5 molar 5 molar

323 323

4,2-4,4 4.2-4.4

90 90

81% 81%

DuPont 1500 DuPont 1500

stabile Netzanode sionsbeständigem (290 g/1) stable mesh anode sion resistant (290 g / 1)

EW Nafion EW Nafion

im Abstand von at a distance of

Stahl im Abstand Steel in the distance

der Membran von der Membran the membrane from the membrane

5 5

4 mg/cm2 4 mg / cm2

4 mg/cm2 4 mg / cm2

5 molar 5 molar

323 323

3,6-3,7 3.6-3.7

90 90

85% 85%

DuPont DuPont

(Ru, 50% Ti)Ox (Ru, 50% Ti) Ox

Platinschwarz Platinum black

(290 g/1) (290 g / 1)

Nafion 315 Nafion 315

Laminat Laminate

6 6

4 mg/cm2 4 mg / cm2

4 mg/cm2 4 mg / cm2

5 molar 5 molar

323 323

3,5-3,6 3.5-3.6

90 90

86% 86%

DuPont DuPont

(Ru, 25% Ir-25% (Ru, 25% Ir-25%

Platinschwarz Platinum black

(290 g/1) (290 g / 1)

Nafion 315 Nafion 315

Ta)Ox Ta) Ox

Laminat Laminate

7 7

6 mg/cm2 6 mg / cm2

2 mg/cm2 2 mg / cm2

5 molar 5 molar

323 323

3,0 3.0

90 90

89% 89%

DuPont DuPont

(RuOjt-Graphit) (RuOjt graphite)

Platinschwarz Platinum black

(290 g/1) (290 g / 1)

Nafion 315 Nafion 315

Laminat Laminate

8 8th

6 mg/cm2 6 mg / cm2

4 mg/cm2 4 mg / cm2

5 molar 5 molar

323 323

3,4 3.4

80 80

83% 83%

DuPont DuPont

(Rucg (Rucg

Platinschwarz Platinum black

(290 g/1) (290 g / 1)

1500 EW 1500 PE

Nafion Nafion

9 9

6 mg/cm2 6 mg / cm2

4 mg/cm2 4 mg / cm2

5 molar 5 molar

323 323

3,4-3,7 3.4-3.7

90 90

73% 73%

DuPont DuPont

Ru - 5Ir)Ox Ru - 5Ir) Ox

Platinschwarz Platinum black

(290 g/1) (290 g / 1)

1500 EW 1500 PE

Nafion Nafion

10 10th

2 mg/cm2 2 mg / cm2

4 mg/cm2 4 mg / cm2

5 molar 5 molar

323 323

3,1-3,5 3.1-3.5

90 90

80% 80%

DuPont DuPont

(Ir O*) (Ir O *)

Platinschwarz Platinum black

(290 g/1) (290 g / 1)

Nafion 315 Nafion 315

Laminat Laminate

11 11

2 mg/cm2 2 mg / cm2

(Ircg (Ircg

4 mg/cm2 Platinschwarz 4 mg / cm2 platinum black

5 molar (290 g/1) 5 molar (290 g / 1)

323 323

3,2-3,6 3.2-3.6

90 90

65% 65%

DuPont Nafion 315 DuPont Nafion 315

Laminat Laminate

Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 7 der Tabelle I konstruiert und bei 90° unter Zuführung gesättigter Salzlauge betrieben. Das Zellpotential (V) als Funktion der Stromdichte ist in der folgenden Tabelle II angegeben. A cell similar to cell No. 7 of Table I was constructed and operated at 90 ° with the addition of saturated brine. The cell potential (V) as a function of the current density is given in Table II below.

Tabelle II Table II

Zellspannung (V) Slromdichte (mA/cm2) Cell voltage (V) Slrom density (mA / cm2)

3,2 430 3.2 430

2,9 323 2.9 323

2,7 215 2.7 215

2,4 108 2.4 108

ss Diese Ergebnisse zeigen, dass das Zellbetriebspotential mit verringerter Stromdichte kleiner wird. Die Beziehung von Stromdichte zur Zellspannung bestimmt jedoch die Beziehung zwischen Betriebs- und Kapitalkosten bei einer Chlorelektrolyse. Es wird jedoch deutlich, dass selbst bei 6o sehr hohen Stromdichten (etwa 325 und 430 mA/cm2) deutliche Verbesserungen in der Zellspannung bei dem erfindungsgemässen Verfahren zur Chlorherstellung realisiert werden. ss These results show that the cell operating potential decreases with reduced current density. However, the relationship between current density and cell voltage determines the relationship between operating and capital costs in chlorine electrolysis. However, it becomes clear that even at 6 o very high current densities (about 325 and 430 mA / cm 2), significant improvements in the cell voltage are realized in the process for chlorine production according to the invention.

Die Tabelle III veranschaulicht den Effekt der kathodi-65 sehen Stromwirksamkeit auf die Sauerstoffentwicklung. Eine Zelle mit Teflon-gebundener katalytischer Anode und Kathode mit reduzierten Edelmetalloxiden, eingebettet in eine Kationenaustauschermembran wurde bei 90 °C unter Table III illustrates the effect of cathodic current efficiency on oxygen evolution. A cell with Teflon-bound catalytic anode and cathode with reduced noble metal oxides, embedded in a cation exchange membrane, was at 90 ° C below

9 9

645 552 645 552

Zuführung einer gesättigten Salzlauge mit einer Stromdichte von 323 mA/cm2 und einer Zuführungsgeschwindigkeit von 2 bis 5 ml/min/6,25 cm2 der Elektrodenfläche betrieben. Der Volumenprozentgehalt des Sauerstoffes im Chlor wurde als Funktion der kathodischen Stromwirksamkeit bestimmt. Supply of a saturated brine with a current density of 323 mA / cm2 and a feed rate of 2 to 5 ml / min / 6.25 cm2 of the electrode area operated. The volume percent of oxygen in the chlorine was determined as a function of the cathodic current efficiency.

Tabelle III Table III

Kathodische Sauerstoff- Cathodic oxygen

Stromwirksamkeit (%) Entwicklung (Vol-%) Current efficiency (%) development (vol%)

89 2,2 89 2.2

86 4,0 86 4.0

84 5,8 84 5.8

80 8,9 80 8.9

Die Tabelle IV veranschaulicht die steuernde Wirkung des Ansäuerns der Salzlauge auf die Sauerstoffentwicklung. Der Volumenprozentgehalt des Sauerstoffes im Chlor wurde für verschiedene HCl-Konzentrationen in der Salzlauge bestimmt. Table IV illustrates the controlling effect of the acidification of the brine on the evolution of oxygen. The volume percentage of oxygen in the chlorine was determined for different HCl concentrations in the brine.

Tabelle IV Table IV

Säure (HCl)- 02 (Vol-%) Acid (HCl) - 02 (vol%)

Konzentration (Mol) Concentration (moles)

0,05 2,5 0.05 2.5

0,075 1,5 0.075 1.5

0,10 0,9 0.10 0.9

0,15 0,5 0.15 0.5

0,25 0,4 0.25 0.4

Aus diesen Daten wird deutlich, dass die Sauerstoffentwicklung aufgrund der elektro-chemischen Oxidation des zurückgewanderten OH" durch bevorzugtes Umsetzen des OH~ mit dem H+ unter Bildung von H20 verringert wird. From these data it is clear that the oxygen evolution due to the electro-chemical oxidation of the migrated OH "is reduced by preferential reaction of the OH ~ with the H + with the formation of H20.

Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 1 der Tabelle I konstruiert und bei 323 mA/cm2 betrieben unter Zuführung gesättigter NaCl-Lösung, die mit 0,2n HCl angesäuert worden war. Die Zellspannung wurde bei verschiedenen Betriebstemperaturen von 35 bis 90 °C gemessen. A cell similar to cell # 1 of Table I was constructed and operated at 323 mA / cm2 with the addition of saturated NaCl solution which had been acidified with 0.2N HCl. The cell voltage was measured at various operating temperatures from 35 to 90 ° C.

Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 7 der Tabelle I konstruiert und bei 215 mA/cm2 betrieben unter Zuführung einer 290 g NaCl/1 enthaltenden Lösung (etwa 5molar), die nicht angesäuert war. Die Zellspannung wurde bei verschiedenen Betriebstemperaturen von 35 bis 90 °C gemessen. Die Ergebnisse wurden auf eine Stromdichte von 323 mA/cm2 umgerechnet. A cell similar to cell No. 7 of Table I was constructed and operated at 215 mA / cm2 with the addition of a solution (approximately 5 molar) containing 290 g NaCl / 1, which was not acidified. The cell voltage was measured at various operating temperatures from 35 to 90 ° C. The results were converted to a current density of 323 mA / cm2.

Tabelle V Table V

Zelle Nr. 1 Zelle Nr. 7 Spannung (V) Temperatur ° C Cell # 1 Cell # 7 Voltage (V) temperature ° C

Spannung (V) umgerechnet auf 323 mA/cm* Voltage (V) converted to 323 mA / cm *

(gemessen bei 215 mA/cm2) (measured at 215 mA / cm2)

3,65 3,50(3,15) 35 3.65 3.50 (3.15) 35

3,38 3,30(2,98) 45 3.38 3.30 (2.98) 45

3,2 3,20 (2,9) 55 3.2 3.20 (2.9) 55

3,15 3,12(2,78) 65 3.15 3.12 (2.78) 65

3,10 3,05(2,72) 75 3.10 3.05 (2.72) 75

3,05 2,97 (2,65) 85 3.05 2.97 (2.65) 85

3,02 2,95 (2,63) 90 3.02 2.95 (2.63) 90

Diese Ergebnisse zeigen, dass die beste Betriebsspannung im Bereich von 80 bis 90 °C erhalten wird. Es ist jedoch daraufhinzuweisen, dass selbst bei 35 °C die Spannung mit dem erfindungsgemässen Katalysator und Elektrolysator mindestens um 0,5 Volt besser ist, als bei den Chlor-Elektrolysato-ren nach dem Stande der Technik, die bei 90 °C betrieben wurden. These results show that the best operating voltage is obtained in the range of 80 to 90 ° C. However, it should be pointed out that even at 35 ° C. the voltage with the catalyst and electrolyser according to the invention is at least 0.5 volt better than with the chlorine electrolysers according to the prior art, which were operated at 90 ° C.

Wird die NaCl-Elektrolyse in einer Zelle ausgeführt, in der beide Elektroden mit der Oberfläche einer Ionen transportierenden Membran verbunden sind, dann erhält man eine maximale Verbesserung. Die verbesserte Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird jedoch für alle Strukturen erzielt, in denen zumindest eine der Elektroden mit der Oberfläche der Ionen transportierenden Membran verbunden ist. Eine solche Zelle nennt man eine Hybridzelle. Die Verbesserung in einer solchen Hybridzelle ist etwas geringer als bei einer Zelle, in der beide Elektroden mit der Membran verbunden sind. Nichtsdestoweniger ist die Verbesserung in einer Hybridzelle deutlich, nämlich 0,3 bis 0,5 Volt besser als bei den Zellen nach dem Stande der Technik. If the NaCl electrolysis is carried out in a cell in which both electrodes are connected to the surface of an ion-transporting membrane, a maximum improvement is obtained. However, the improved performance of the method is achieved for all structures in which at least one of the electrodes is connected to the surface of the ion-transporting membrane. Such a cell is called a hybrid cell. The improvement in such a hybrid cell is somewhat less than in a cell in which both electrodes are connected to the membrane. Nevertheless, the improvement in a hybrid cell is clear, namely 0.3 to 0.5 volt better than in the cells according to the prior art.

Es wurde eine Reihe von Zellen konstruiert und eine Salzlaugen-Elektrolyse darin ausgeführt, um die Ergebnisse von Zellen mit zwei mit der Membran verbundenen Elektroden mit den Ergebnissen in Hydridzellen, in denen entweder nur die Anode oder nur die Kathode mit der Membran verbunden war, und mit einer Zelle nach dem Stande der Technik zu vergleichen, bei der keine der Elektroden mit der Membran verbunden war. A series of cells were constructed and brine electrolysis performed therein to compare the results of cells with two electrodes connected to the membrane with the results in hydride cells in which either only the anode or only the cathode was connected to the membrane to be compared with a cell according to the prior art, in which none of the electrodes was connected to the membrane.

Alle diese Zellen waren mit Membranen aus Nafion 315 hergestellt, die Zellen wurden bei 90 °C betrieben, und es erfolgte eine Laugenzuführung mit einer Konzentration von etwa 290 g/1. Die Katalysatormenge der gebundenen Elektrode betrug für Platinschwarz an der Kathode 2 g/930 cm2 und an der Anode für RuOx-Graphit und RuOx 4 g/930 cm2. Die Stromwirksamkeit bei 323 mA/cm2 war für alle Zellen im wesentlichen gleich (84 bis 85% für 5molare NaOH). Die Tabelle VI zeigt die Zellspannungen für die verschiedenen Zellen. All of these cells were made with membranes from Nafion 315, the cells were operated at 90 ° C., and an alkali was introduced at a concentration of about 290 g / l. The amount of catalyst in the bound electrode for platinum black was 2 g / 930 cm2 at the cathode and 4 g / 930 cm2 at the anode for RuOx graphite and RuOx. The current efficiency at 323 mA / cm2 was essentially the same for all cells (84 to 85% for 5 molar NaOH). Table VI shows the cell voltages for the different cells.

Tabelle VI Table VI

Zelle Anode Kathode Zellspannung (V) Cell anode cathode cell voltage (V)

bei 323 mA/cm2 at 323 mA / cm2

1 1

Ru-Graphit Ru graphite

Platinschwarz Platinum black

2,9 2.9

(gebunden) (bound)

(gebunden) (bound)

2 2nd

Platiniertes Platinized

Platinschwarz Platinum black

3,5 3.5

Niobnetz Niobium net

(gebunden) (bound)

(nicht gebunden) (not bound)

3 3rd

Platiniertes Platinized

Platinschwarz Platinum black

3,4 3.4

Niobnetz Niobium net

(gebunden) (bound)

(nicht gebunden) (not bound)

4 4th

Ru-Graphit Ru graphite

Nickelnetz Nickel mesh

3,5 3.5

(gebunden) (bound)

(nicht gebunden) (not bound)

5 5

Ru Ox Ru Ox

Nickelnetz Nickel mesh

3,3 3.3

(gebunden) (bound)

(nicht gebunden) (not bound)

6 6

Platiniertes Platinized

Nickelnetz Nickel mesh

3,8 3.8

Niobnetz Niobium net

(nicht gebunden) (not bound)

(nicht gebunden) (not bound)

Die Zellspannung der mit zwei Teflon-gebundenen Elektroden ausgerüsteten Zelle Nr. 1 ist fast um 1 Volt besser als die Zelle nach dem Stand der Technik, in der keine der Elektroden eine Teflon-gebundene Elektrode war und die unter Zelle Nr. 6 aufgeführt ist. Die Hybridzellen mit gebundener Kathode Nr. 2 und 3 und die Hybridzellen mit gebundener The cell voltage of cell # 1 equipped with two Teflon-bound electrodes is almost 1 volt better than the prior art cell in which none of the electrodes was a Teflon-bound electrode and which is listed under cell # 6. The hybrid cells with bound cathode Nos. 2 and 3 and the hybrid cells with bound

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

645 552 645 552

10 10th

Anode Nr. 4 und 5 sind um 0,4 bis 0,6 Volt schlechter als die mit zwei gebundenen Elektroden, aber immer noch um 0,3 bis 0,5 Volt besser als die Zelle Nr. 6 ohne eine Teflongebundene Elektrode. Anode # 4 and 5 are 0.4 to 0.6 volts worse than those with two bonded electrodes, but still 0.3 to 0.5 volts better than cell # 6 without a Teflon bonded electrode.

Durch die Verwendung katalytischer Elektroden, die direkt mit der Kationenaustauschermembran verbunden und in dieser eingebettet sind, ist ein stark verbessertes Verfahren zum Herstellen von Chlor und anderen Halogenen aus Salzlauge und, wie im folgenden gezeigt wird, aus HCl und anderen Halogenwasserstoffen möglich. By using catalytic electrodes that are directly connected to and embedded in the cation exchange membrane, a greatly improved process for producing chlorine and other halogens from brine and, as will be shown below, from HCl and other hydrogen halides is possible.

Durch die genannte Anordnung der katalytischen Elektroden befinden sich die katalytischen Stellen der Elektroden in direkter Berührung mit der Membran und den Kationen austauschenden Säureresten in der Membran, und dies führt zu einem Verfahren, das hinsichtlich des erforderlichen Zellpotentials beträchtlich besser ist (bis zu 1 Volt oder mehr) als die bekannten Verfahren. Die Verwendung der sehr wirksamen Fluorkohlenstoff-gebundenen, thermisch stabilisierten, reduzierten Edelmetalloxid-Katalysatoren, wie der Fluorkohlenstoff/Graphit-reduzierten Edelmetalloxid-Katalysatoren mit den geringen Überspannungen hat die Wirksamkeit des Verfahrens weiter verstärkt. Es wurden Elektroden gebaut und getestet, die die thermisch stabilisierten, reduzierten Edelmetalloxide und so weiter, eingebettet in Ionenaustauschermembranen, aufwiesen um die Wirkung der verschiedenen Parameter auf die Wirksamkeit der Zelle und des Katalysators bei der Elektrolyse von Chlorwasserstoffsäure zu veranschaulichen. With the aforementioned arrangement of the catalytic electrodes, the catalytic sites of the electrodes are in direct contact with the membrane and the cation-exchanging acid residues in the membrane, and this leads to a process which is considerably better in terms of the required cell potential (up to 1 volt or more) than the known methods. The use of the very effective fluorocarbon-bound, thermally stabilized, reduced noble metal oxide catalysts, such as the fluorocarbon / graphite-reduced noble metal oxide catalysts with the low overvoltages, has further increased the effectiveness of the process. Electrodes were built and tested that had the thermally stabilized, reduced noble metal oxides and so on embedded in ion exchange membranes to illustrate the effect of the various parameters on the effectiveness of the cell and catalyst in the electrolysis of hydrochloric acid.

Die Tabelle VII zeigt die Wirkung verschiedener Kombi-5 nationen reduzierter Edelmetalloxide auf die Zellspannung. Die Zellen wurden mit Teflon-gebundenen Graphit-Elektro-den versehen, die verschiedene spezifische Kombinationen thermisch stabilisierter, reduzierter Platinmetalloxide und reduzierter Oxide von Titan, eingebettet in eine hydratisierte io kationische Membran mit einer Dicke von 0,3 mm enthielten. Die Zelle wurde mit einer Stromdichte von 430 mA/ cm2 bei 30 °C und einer Zuführungsgeschwindigkeit von 70 ml/min bei einer Normalität der zugeführten Lösung von 9 bis 11 betrieben. Die aktive Zellfläche betrug 46,5 cm2. 15 Die Tabellen VIII und IX zeigen für die gleichen Zellen und unter den gleichen Bedingungen die Auswirkung der Betriebszeit auf die Zellbetriebsspannungen. Table VII shows the effect of different combinations of reduced noble metal oxides on the cell voltage. The cells were provided with Teflon-bonded graphite electrodes, which contained various specific combinations of thermally stabilized, reduced platinum metal oxides and reduced oxides of titanium, embedded in a hydrated ionic membrane with a thickness of 0.3 mm. The cell was operated at a current density of 430 mA / cm 2 at 30 ° C. and a feed rate of 70 ml / min with a normality of the solution supplied from 9 to 11. The active cell area was 46.5 cm2. 15 Tables VIII and IX show the effect of the operating time on the cell operating voltages for the same cells and under the same conditions.

Die Tabelle X zeigt die Wirkung der Säurekonzentration der zugeführten Lösung im Bereich von 7,5 bis 11,5 n. Es 20 wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 5 in Tabelle I konstruiert mit reduziertem (Ru, 25% Ir)Ox, die zu der Teflongebundenen Graphit-Elektrode hinzugegeben wurde. Die Zelle wurde bei einer festen Zuführungsrate von 150 ml/min bei 30 °C und 430 mA/cm2 betrieben. Die aktive Zelloberflä-25 che betrug 46,5 cm2. Table X shows the effect of the acid concentration of the supplied solution in the range from 7.5 to 11.5 n. A cell similar to cell No. 5 in Table I was constructed with reduced (Ru, 25% Ir) Ox, the was added to the Teflon bonded graphite electrode. The cell was operated at a fixed feed rate of 150 ml / min at 30 ° C and 430 mA / cm2. The active cell surface was 46.5 cm2.

Tabelle VII Table VII

Zell-Nr. Cell no.

Betriebszeit (h) Operating time (h)

Anode-Graphit/ Anode graphite /

Oxid oxide

Kathode-Graphit/ Cathode graphite /

Oxid oxide

Normalität der Normality of

Strom electricity

Zell Cell

Fluorkohlenstoff plus menge Fluorocarbon plus quantity

Fluorkohlenstoff plus menge zugeführten dichte spannung Fluorocarbon plus amount of supplied voltage

mg/cm2 mg / cm2

mg/cm2 mg / cm2

Lösung mA/cm2 MA / cm2 solution

(V) (V)

1 1

6300 6300

(Ru)Ox (Ru) Ox

0,6 0.6

(Ru)Ox (Ru) Ox

0,6 0.6

9-11 . 9-11.

430 430

2,10 2.10

wärmestabilisiert heat stabilized

wärmestabilisiert heat stabilized

2 2nd

5300 5300

(Ru, Ti)Ox (Ru, Ti) Ox

0,6 0.6

(Ru, Ti)Ox (Ru, Ti) Ox

0,6 0.6

9-11 9-11

430 430

2,01 2.01

wärmestabilisiert heat stabilized

wärmestabilisiert heat stabilized

3 3rd

4900 4900

(Ru, Ti)Ox (Ru, Ti) Ox

1,0 1.0

(Ru, Ti)Ox (Ru, Ti) Ox

1,0 1.0

9-11 9-11

430 430

1,97 1.97

wärmestabilisiert heat stabilized

wärmestabilisiert heat stabilized

4 4th

1800 1800

(Ru Ti)Ox (Ru Ti) Ox

1,0 1.0

(Ru)Ox (Ru) Ox

1,0 1.0

9-11 9-11

430 430

1,91 1.91

wärmestabilisiert heat stabilized

wärmestabilisiert heat stabilized

5 5

4000 4000

(Ru, 25% lr)0 (Ru, 25% lr) 0

1,0 1.0

(Ru, 25% Ir)Ox (Ru, 25% Ir) Ox

1,0 1.0

9-11 9-11

430 430

2,07* 2.07 *

wärmestabilisiert* heat stabilized *

wärmestabilisiert heat stabilized

(1,9) (1.9)

6 6

200 200

(Ru, Ti, 5% lr)0 (Ru, Ti, 5% lr) 0

2,0 2.0

(Ru, Ti, 5% Ir)Ox (Ru, Ti, 5% Ir) Ox

2,0 2.0

9-11 9-11

430 430

1,80 1.80

wärmestabilisiert heat stabilized

wärmestabilisiert heat stabilized

7 7

100 100

(Ru, 25% Ta)Ox (Ru, 25% Ta) Ox

2,2 2.2

(Ru, 25% Ta)Ox (Ru, 25% Ta) Ox

2,0 2.0

9-11 9-11

430 . 430.

1,64 1.64

* Die Zellspannung dieser Zelle betrug nach 3800 Stunden etwa 1,9 Volt, Wegen Undichtigkeit wurde sie aus dem Test herausgenommen. * The cell voltage of this cell was around 1.9 volts after 3800 hours. It was removed from the test due to leakage.

Tabelle VIII Table VIII

50 50

Tabelle IX Table IX

Zell- Cellular

Zellspannung Cell voltage

Zellspannung Cell voltage

Stromdichte Current density

Zell- Cellular

Zwischen Between

Stromdichte Current density

Zellspannungen Cell voltages

Nr. No.

(V) nach 100 h (V) after 100 h

(V) für die Be (V) for the Be

(mA/cm2) (mA / cm2)

Nr. No.

betriebszeit (h) operating time (h)

(mA/cm2) (mA / cm2)

(V) (V)

Betriebszeit triebszeit von Operating time drive time from

55 1 55 1

Tabellen Tables

3900 3900

108 108

1,70 1.70

215 215

1,93 1.93

1 1

1,85 1.85

2,10 2.10

430 430

323 323

2,00 2.00

2 2nd

1,84 1.84

2,01 2.01

430 430

2 2nd

3400 3400

108 108

1,57 1.57

3 3rd

1,78 1.78

1,97 1.97

430 430

60 60

215 215

1,70 1.70

4 4th

1,80 1.80

1,91 1.91

430 430

323 323

1,83 1.83

5 5

1,75 1.75

2,07* 2.07 *

430 430

3 3rd

1900 1900

108 108

1,58 1.58

(1,9) (1.9)

215 215

1,70 1.70

430 430

323 323

1,81 1.81

6 6

1,70 1.70

1,80 1.80

65 65

4 4th

1000 1000

108 108

1,47 1.47

215 215

1,60 1.60

* Siehe Fussnote bei Tabelle VII. * See footnote in Table VII.

323 323

1,72 1.72

11 11

645 552 645 552

Tabelle IX (Fortsetzung) Table IX (continued)

Zell-Nr. Cell no.

Zwischenbetriebszeit (h) Intermediate operating time (h)

Stromdichte (mA/cm2) Current density (mA / cm2)

Zellspannungen (V) Cell voltages (V)

5 5

1200 1200

108 108

5 5

1,32 1.32

215 ' 215 '

1,45 1.45

323 323

1,55 1.55

Tabelle X Table X

10 10th

Normalität der zugeführten Lösung Normality of the solution supplied

7 7

7,5 7.5

10 10th

10,5 10.5

11,5 11.5

Vol.-% Vol .-%

02 02

0,4 0,15 0,04 0,015 0.4 0.15 0.04 0.015

0,007 0,004 0,003 0.007 0.004 0.003

Aus den obigen Beispielen ergibt sich, dass HCl zu Chlorgas elektrolysiert wird, das im wesentlichen frei ist von From the examples above it follows that HCl is electrolyzed to chlorine gas which is essentially free of

Sauerstoff. Der in der Elektrolysezelle benutzte Katalysator ist durch eine geringe Zellspannung und eine geringe Betriebstemperatur (etwa 30 °C) charakterisiert, was einen wirtschaftlichen Betrieb solcher Elektrolysezellen ermöglicht. Weiter zeigen die Daten die ausgezeichnete Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Stromdichten, insbesondere bei 323 bis 430 mA/cm2. Dies hat eine positive und nützliche Wirkung auf die Kapitalkosten für die Chlor-Elektrolysato-ren nach der vorliegenden Erfindung. Oxygen. The catalyst used in the electrolysis cell is characterized by a low cell voltage and a low operating temperature (approximately 30 ° C.), which enables such electrolysis cells to be operated economically. Furthermore, the data show the excellent performance at different current densities, especially at 323 to 430 mA / cm2. This has a positive and beneficial effect on the cost of capital for the chlorine electrolysers according to the present invention.

Um die Wirkung der thermischen Stabilisierung auf reduzierte Edelmetall- und Ventilmetalloxide zu zeigen, wurden verschiedene Tests ausgeführt. Diese Tests zeigen den Einfluss auf die Beständigkeit des Katalysators gegenüber rauhen Elektrolysebedingungen. Es wurden thermisch stabilì lisierte als auch nicht stabilisierte, reduzierte Oxid-Katalysatoren hochkonzentrierten HCl-Lösungen ausgesetzt, die die ausserordentlich rauhen Bedingungen repräsentieren. Es wurde die Farbe der Lösung beobachtet, da ein Dunkelwerden der Lösung Katalysatorverlust anzeigte. Ein zunehmen-2o der Verlust von Katalysator wurde von ausgeprägteren Farbänderungen begleitet. Various tests were carried out to show the effect of thermal stabilization on reduced precious metal and valve metal oxides. These tests show the influence on the resistance of the catalyst to rough electrolysis conditions. Thermally stabilized and non-stabilized, reduced oxide catalysts were exposed to highly concentrated HCl solutions, which represent the extremely harsh conditions. The color of the solution was observed since darkening of the solution indicated loss of catalyst. Increasing loss of catalyst was accompanied by more pronounced color changes.

Die Tabelle XI zeigt die Ergebnisse dieser Korrosionsbe-ständigkeits- und Stabilitätstests für Katalysatormischungen von 0,5 bis 20 g. Table XI shows the results of these corrosion resistance and stability tests for catalyst mixtures of 0.5 to 20 g.

Tabelle XI Table XI

Katalysator catalyst

Behandlung treatment

Temp. Temp.

Korrosions- Corrosion

Zeit beobachtete Watching time

Stabilitätsauswertung Stability evaluation

°C ° C

Medium medium

(h) (H)

Farbe colour

RuOx keine RuOx none

24 24th

12n HCl 12n HCl

24 24th

leicht braun mässige Korrosion slightly brown moderate corrosion

für 1 Std. bei 550 °C for 1 hour at 550 ° C

24 24th

12n HCl 12n HCl

744 744

sehr blassgelb sehr geringe Korrosion, very pale yellow very little corrosion,

thermisch stabilisiert thermally stabilized

gute Stabilität good stability

(Ru 25Nb)Ox keine (Ru 25Nb) Ox none

24 24th

12n HCl 12n HCl

24 912 24 912

leicht braun bernsteinfarben mässige Korrosion light brown amber color moderate corrosion

(Ru 50Ta)Ox keine (Ru 50Ta) Ox none

24 24th

12n HCl 12n HCl

168 168

blass-bern-steinfarben mässige Korrosion pale amber stone color moderate corrosion

für 1 Std. bei 550 °C for 1 hour at 550 ° C

24 24th

12n HCl 12n HCl

96 96

sehr blassgelb völlig stabil very pale yellow, completely stable

thermisch stabilisiert thermally stabilized

für 1 weitere Std. bei for 1 more hour at

72 72

keine Farb völlig stabil no color completely stable

550 °C thermisch 550 ° C thermal

änderung modification

stabilisiert stabilized

(Ru 5Ir)Ox keine (Ru 5Ir) Ox none

24 24th

12n HCl 12n HCl

168 168

bernstein beträchtliche Korrosion, amber considerable corrosion,

farben instabil colors unstable

für 1 Std. bei 550 °C for 1 hour at 550 ° C

24 24th

12n HCl 12n HCl

96 96

keine Farb völlig stabil no color completely stable

thermisch stabilisiert thermally stabilized

änderung modification

(Ru 25Ir)Ox keine (Ru 25Ir) Ox none

24 24th

12n HCl 12n HCl

168 168

bernstein beträchtliche Korrosion, amber considerable corrosion,

farben instabil colors unstable

für 1 Std. bei 550 °C for 1 hour at 550 ° C

24 24th

12n HCl 12n HCl

96 96

sehr blassgelb völlig stabil very pale yellow, completely stable

thermisch stabilisiert thermally stabilized

für 1 weitere Std. bei for 1 more hour at

24 24th

12n HCl 12n HCl

72 72

keine Farb- no color

völlig stabil completely stable

550 °C thermisch änderung stabilisiert 550 ° C thermal change stabilized

Aus diesen Daten ergibt sich, dass die thermische Stabilisierung der reduzierten Oxide die Korrosionsbeständigkeit des Katalysators in sehr konzentrierter HCl verbessert und eine sehr gute Stabilität ergibt. Die Beständigkeit der Katalysatoren in sehr viel weniger korrosiver Chlor- oder Salzlaugenumgebung ist ausgezeichnet und der thermischen Stabilisierung der reduzierten Oxid-Katalysatoren zuzuschreiben. From these data it follows that the thermal stabilization of the reduced oxides improves the corrosion resistance of the catalyst in very concentrated HCl and gives very good stability. The durability of the catalysts in much less corrosive chlorine or brine environments is excellent and is due to the thermal stabilization of the reduced oxide catalysts.

Nach Beobachtung der verbesserten Korrosionseigenschaften der thermisch stabilisierten, reduzierten Platingrup- After observing the improved corrosion properties of the thermally stabilized, reduced platinum

60 penmetalloxide wurden physikalische und chemische Tests ausgeführt, um die Wirkung der thermischen Stabilisierung auf verschiedene Eigenschaften der Katalysatoren zu bestimmen, die für die verbesserten Korrosionseigenschaften bestimmend sein könnten. So wurden der Oxidgehalt, die 65 Oberfläche in m2/g des Katalysators, das Porenvolumen, die Porengrössenverteilung des Katalysators gemessen, nachdem man ihn mit dem modifizierten Adams-Verfahren hergestellt hatte. Und zwar nach der Reduktion des Katalysa- 60 penmetall oxides were subjected to physical and chemical tests to determine the effect of thermal stabilization on various properties of the catalysts, which could determine the improved corrosion properties. The oxide content, the surface area in m2 / g of the catalyst, the pore volume and the pore size distribution of the catalyst were measured after it had been produced using the modified Adams process. After the reduction of the catalytic converter

645 552 645 552

12 12

tors und nach der thermischen Stabilisierung der reduzierten Katalysators. Die Ergebnisse dieser Tests, die im folgenden näher aufgeführt werden, zeigen, dass die Oberfläche des Katalysators nach dem Reduzieren etwas vermindert ist, und dass sie beträchtlich vermindert ist nach der thermischen Stabilisierung. Eine Verminderung des Oxidgehaltes nach der Reduktion wird teilweise für die Abnahme der Oberfläche verantwortlich gemacht. Eine beträchtliche Veränderung der inneren Porengrössenverteilung des Katalysators nach der thermischen Stabilisierung oder eine entsprechende Veränderung des Porenvolumens scheint für die beträchtliche Abnahme (Verhältnis von 2:1) der Oberfläche verantwortlich zu sein, die die thermische Stabilisierung begleitet, und dies würde die verbesserten Korrosionseigenschaften erklären, da die Korrosion in direkter Beziehung zu der Fläche steht, die dem Angriff durch die Korrosionsmittel ausgesetzt ist. tors and after the thermal stabilization of the reduced catalyst. The results of these tests, which are detailed below, show that the surface area of the catalyst is somewhat reduced after the reduction and that it is considerably reduced after the thermal stabilization. A reduction in the oxide content after the reduction is partly responsible for the decrease in the surface. A significant change in the internal pore size distribution of the catalyst after thermal stabilization or a corresponding change in pore volume appears to be responsible for the significant decrease (2: 1 ratio) of the surface that accompanies thermal stabilization, and this would explain the improved corrosion properties, since the corrosion is directly related to the area that is exposed to the attack by the corrosion agents.

Zuerst wurde die Probe Nr. 1, ein Katalysator aus Ruthenium mit 25 Gew.-% Iridium nach dem modifizierten Adams-Verfahren hergestellt. Ein Teil dieses Katalysators wurde zur Bildung der Probe Nr. 2 elektro-chemisch reduziert. Eine Probe des reduzierten (Ru 25Ir)Ox wurde für eine Stunde bei 550 bis 600 °C thermisch stabilisiert. Die Oberfläche des nichtreduzierten Katalysators der Probe Nr. 1, des reduzierten Katalysators der Probe Nr. 2 und des thermisch stabilisierten, reduzierten (Ru 25 Ir)Ox-Katalysators der Probe Nr. 3 wurden nach dem Dreipunkt-BET-Stickstoffab-sorptions-Verfahren gemessen. Die Ergebnisse folgen in der Tabelle XII. First, Sample No. 1, a ruthenium-25% by weight iridium catalyst was prepared by the modified Adams method. Part of this catalyst was electrochemically reduced to form Sample No. 2. A sample of the reduced (Ru 25Ir) Ox was thermally stabilized for one hour at 550 to 600 ° C. The surface of the non-reduced catalyst of Sample No. 1, the reduced catalyst of Sample No. 2, and the thermally stabilized, reduced (Ru 25 Ir) Ox catalyst of Sample No. 3 were prepared by the three-point BET nitrogen absorption method measured. The results follow in Table XII.

Tabelle XIII Table XIII

Tabelle XII Table XII

Katalysator (Ru 25 Ir) Catalyst (Ru 25 Ir)

Behandlung treatment

Oberfläche surface

Probe Nr. 1 Probe Nr. 2 Probe Nr. 3 Sample No. 1 Sample No. 2 Sample No. 3

keine reduziert reduziert und 1 Std. bei 550-600 °C thermisch stabilisiert none reduced reduced and thermally stabilized for 1 hour at 550-600 ° C

127,6 m2/g 123,5 m2/g 62,3 m2/g 127.6 m2 / g 123.5 m2 / g 62.3 m2 / g

Dann wurde der Oxidgehalt der Proben Nr. 1,2 und 3 gemessen ebenso wie der einer Probe Nr. 4, die für eine Stunde bei 700 bis 750 °C thermisch stabilisiert worden waren. Zusätzlich wurde der Oxidgehalt von Piatin-Iridium-Katalysatoren mit 5 bis 50 Gew.-% Iridium gemessen. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle XIII. Then, the oxide content of Sample Nos. 1,2 and 3 was measured as well as that of Sample No. 4 which had been thermally stabilized at 700 to 750 ° C for one hour. In addition, the oxide content of piatin-iridium catalysts with 5 to 50 wt .-% iridium was measured. The results can be found in the following Table XIII.

Katalysator (Ru 25 Ir) Catalyst (Ru 25 Ir)

Behandlung treatment

% Oxidgehalt % Oxide content

Probe Nr. 1 Probe Nr. 2 Probe Nr. 3 Sample No. 1 Sample No. 2 Sample No. 3

io Probe Nr. 4 io Sample No. 4

(Pt-50Ir) Probe Nr. 5 i5 Probe Nr. 6 Probe Nr. 7 (Pt-50Ir) Sample No. 5 i5 Sample No. 6 Sample No. 7

keine 24,4 no 24.4

Reduktion 24,3 Reduction 24.3

thermische Stabilisierung 22,6 thermal stabilization 22.6

1 Std. bei 550-600° C 1 hour at 550-600 ° C

Reduktion und thermische 21,5 Reduction and thermal 21.5

Stabilisierung für 1 Std. bei 700-750 °C Stabilization for 1 hour at 700-750 ° C

keine 16,5 no 16.5

Reduktion 15,2 Reduction 15.2

Reduktion und thermische 13,0 Reduction and thermal 13.0

Stabilisierung für 1 Std. bei 550-600 °C Stabilization for 1 hour at 550-600 ° C

20 Die Ergebnisse dieser Tabelle XIII zeigen eine Abnahme des Oxidgehaltes mit der Reduktion und der thermischen Stabilisierung ebenso wie die Oberfläche nach der Reduktion und der thermischen Stabilisierung abnimmt. 20 The results of this table XIII show a decrease in the oxide content with the reduction and the thermal stabilization, just as the surface after the reduction and the thermal stabilization decreases.

Die Abnahme des Oxidgehaltes hat eine entsprechende 25 Wirkung auf die Oberfläche, da die Oberfläche von Oxiden normalerweise grösser ist als die der nichtoxidischen Form. Diese Verminderung des Oxidgehaltes erklärt teilweise die Verminderung der Oberfläche, nicht jedoch voll die dramatische Verringerung der Oberfläche nach der thermischen Sta-30 bilisierung. The decrease in the oxide content has a corresponding effect on the surface, since the surface of oxides is normally larger than that of the non-oxide form. This reduction in oxide content partly explains the reduction in surface area, but not fully the dramatic reduction in surface area after thermal stabilization.

Die Porosität des Katalysators wurde daher gemessen, um festzustellen, ob die thermische Stabilisierung des Katalysators eine Veränderung in der Porosität verursacht und damit eine Verminderung der Oberfläche und eine Erhöhung 35 der Korrosionsbeständigkeit. Aus den gleichen Mischungen wie die Proben Nr. 1,2 und 3 wurden Katalysator-Proben genommen und die Porosität dieser Proben sowie deren Teil-chengrössenverteilung gemessen. Die Teilchengrössen Verteilung wurde mit einem Sedimentations-Verfahren bestimmt 4o und ergab, dass der äquivalente Kugeldurchmesser bei 50% Massenverteilung 3,7 jim nach der Reduktion des Katalysators und 3,1 (im nach der thermischen Stabilisierung betrug. Dies zeigt, dass die äussere Oberfläche der Teilchen verringert ist, gibt jedoch keine ausreichende Grundlage für die ge-45 samte Oberflächenverminderung nach der Stabilisierung. The porosity of the catalyst was therefore measured to determine whether the thermal stabilization of the catalyst caused a change in the porosity and thus a reduction in the surface and an increase in the corrosion resistance. Catalyst samples were taken from the same mixtures as samples No. 1, 2 and 3 and the porosity of these samples and their particle size distribution were measured. The particle size distribution was determined using a sedimentation method 4o and found that the equivalent sphere diameter at 50% mass distribution was 3.7 µm after reduction of the catalyst and 3.1 µm after thermal stabilization. This shows that the outer surface the particle size is reduced, but does not provide a sufficient basis for the overall reduction in surface area after stabilization.

Das gesamte Porenvolumen in ml/g wurde durch Kapi-larkondensation und Quecksilbereinführungsverfahren gemessen. Die Ergebnisse für die Proben Nr. 1, 2 und 3 sind in der Tabelle XIV zusammengefasst. The total pore volume in ml / g was measured by capillary condensation and mercury introduction methods. The results for Sample Nos. 1, 2 and 3 are summarized in Table XIV.

Tabelle XIV Table XIV

Katalysator (Ru-25 Ir) Catalyst (Ru-25 Ir)

Behandlung treatment

Bereich Area

Gesamtes Porenvolumen in ml/g Total pore volume in ml / g

Probe Nr. 1 Probe Nr. 2 Probe Nr. 3 Sample No. 1 Sample No. 2 Sample No. 3

keine 40 Â-lOp. no 40 Â-lOp.

Reduktion 40 A-lOp. Reduction 40 A-lOp.

Reduktion und thermische 40 Â-lOjt Stabilisierung für 1 Std. bei 500-600°C Reduction and thermal 40 Â-loyt stabilization for 1 hour at 500-600 ° C

0,80 0,72 0,76 0.80 0.72 0.76

Diese Ergebnisse zeigen, dass das gesamte Porenvolumen relativ unverändert bleibt. Die Porosität in g/ml oder, wenn sie bei Kenntnis der Kugelgrösse und der Dichte in das Hohlraumvolumen umgerechnet wird, ist daher im wesentlichen die gleiche und liegt im Bereich von 0,7 bis 0,8 g/ml für Ru-25 Ir. These results show that the total pore volume remains relatively unchanged. The porosity in g / ml or, if it is converted into the void volume with knowledge of the sphere size and density, is therefore essentially the same and is in the range from 0.7 to 0.8 g / ml for Ru-25 Ir.

Gleichzeitig wurde die Porengrössenverteilung gemessen, um die Porendurchmesserverteilungen im Bereich von 40 65 Angstrom bis 10 um zu erhalten. Im Bereich von 40 bis 500 Angstrom wurde die Kapillarkondensation benutzt. Bei diesem Verfahren wird die Flüssigkeitskondensation bei einem gegebenen Dampfdruck gemessen, um die Porengrössenver- At the same time, the pore size distribution was measured in order to obtain the pore diameter distributions in the range from 40 65 angstroms to 10 μm. Capillary condensation was used in the range of 40 to 500 angstroms. In this method, the liquid condensation is measured at a given vapor pressure to determine the pore size

teilung zu bestimmen. Die Kapillarkondensationsmethode hat eine untere Auflösungsgrenze von 40 Angstrom und eine obere Grenze von 500 Angstrom. Für Poren von mehr als 500 Angstrom (z.B. von 500 Angstrom bis 10 um) wird zur to determine division. The capillary condensation method has a lower resolution limit of 40 angstroms and an upper limit of 500 angstroms. For pores of more than 500 angstroms (e.g. from 500 angstroms to 10 µm) is used for

645 552 645 552

Bestimmung der Porengrössenverteilung ein Quecksilbereindringverfahren benutzt. Die Ergebnisse für beide Bereiche von Porengrössen sind in den folgenden Tabellen XV und XVI zusammengefasst. Determination of the pore size distribution uses a mercury penetration method. The results for both ranges of pore sizes are summarized in Tables XV and XVI below.

Tabelle XV Table XV

Katalysator Behandlung Catalyst treatment

Grössenbereich Size range

Porendurchmesserverteilung Pore diameter distribution

Probe Nr. 1 keine 40-500 A Sample No. 1 no 40-500 A

Probe Nr. 2 Reduktion 40-500 A Sample No. 2 reduction 40-500 A.

Probe Nr. 3 Reduktion und thermische 40-500 A Stabilisierung für 1 Std. bei 500-600°C Sample No. 3 Reduction and thermal 40-500 A stabilization for 1 hour at 500-600 ° C

Porenverteilung unterhalb von 40 A Pore distribution below 40 A

Porendurchmesserverteilung unterhalb von 40 A Verteilung im Bereich von 100-300 A mit einem Maximum bei 200 A Pore diameter distribution below 40 A Distribution in the range of 100-300 A with a maximum at 200 A

Tabelle XVI Table XVI

Katalysator Behandlung Catalyst treatment

Grössenbereich Size range

Porendurchmesserverteilung (50% Punkt bei der Verteilung) Pore diameter distribution (50% point in the distribution)

Probe Nr. 1 keine Probe Nr. 2 Reduktion Probe Nr. 3 Reduktion und thermische Stabilisierung für 1 Std. bei 500-600°C Sample No. 1 no sample No. 2 reduction Sample No. 3 reduction and thermal stabilization for 1 hour at 500-600 ° C

500 A-10 um 500 A-10 um 500 A-10 [im 500 A-10 around 500 A-10 around 500 A-10 [im

0,46 Jim 0,82 um 1,5 [im 0.46 Jim 0.82 by 1.5 [im

Diese Ergebnisse zeigen, dass die thermische Stabilisierung das Katalysators zu einer Veränderung des Porendurchmessers führt. Diese Veränderung scheint von einer Veränderung der Porenzahl begleitet zu sein, so dass sich die Gesamtoberfläche vermindert. Da das Porenvolumen im wesentlichen konstant bleibt und sich die Porendurchmesserverteilung ändert, so dass die Verteilung ein Maximum bei 200 Angstrom und 1,5 um zeigt, scheint es recht klar, dass viele der Poren mit einem Durchmesser unterhalb von 40 Angstrom verschmelzen und so die Gesamtzahl der Poren verringern. Oberhalb von 500 Angstrom nimmt der Porendurchmesser zu. Der Porengrössendurchmesser und die innere Porenoberfläche verändert sich somit mit der thermischen Stabilisierung. Insgesamt wird die innere Porosität und damit die Porenoberfläche beim thermischen Stabilisieren des Katalysators verringert. Es wird angenommen, dass dies ein Ergebnis der Veränderung der Morphologie ist, um eine kleinere Porenzahl mit einer grösseren Porendurchmesserverteilung zu schaffen. Da das Porenvolumen relativ unverändert bleibt und eine Veränderung der Porendurchmesserverteilung zu einem grösseren Porendurchmesser hin stattfindet, scheint es klar zu sein, dass die Oberflächenver-ringerung, die mit der thermischen Stabilisierung des Katalysators einhergeht, der Veränderung der inneren Porenoberfläche zuzuschreiben ist. These results show that the thermal stabilization of the catalyst leads to a change in the pore diameter. This change appears to be accompanied by a change in the number of pores, so that the total surface is reduced. Since the pore volume remains essentially constant and the pore diameter distribution changes, so that the distribution shows a maximum at 200 angstroms and 1.5 µm, it seems quite clear that many of the pores with a diameter below 40 angstroms merge and so the total number reduce the pores. The pore diameter increases above 500 angstroms. The pore size diameter and the inner pore surface thus change with the thermal stabilization. Overall, the internal porosity and thus the pore surface is reduced when the catalyst is thermally stabilized. This is believed to be a result of changing the morphology to create a smaller pore number with a larger pore diameter distribution. Since the pore volume remains relatively unchanged and there is a change in the pore diameter distribution towards a larger pore diameter, it seems to be clear that the reduction in surface area which is associated with the thermal stabilization of the catalyst is attributable to the change in the inner pore surface.

Die Porosität, ausgedrückt im Porenvolumen in ml/g des Katalysators, des thermisch stabilisierten, reduzierten Platinmetalloxid-Katalysators liegt im Bereich von 0,4 bis The porosity, expressed in pore volume in ml / g of the catalyst, of the thermally stabilized, reduced platinum metal oxide catalyst is in the range from 0.4 to

1,5 ml/g, wobei die bevorzugte Porosität für einen thermisch stabilisierten Ru-25 Ir-Katalysator bei 0,7 bis 0,8 ml/g liegt. 1.5 ml / g, the preferred porosity for a thermally stabilized Ru-25 Ir catalyst being 0.7 to 0.8 ml / g.

Die Porendurchmesserverteilung des thermisch stabilisierten Katalysators zeigt die prinzipielle Verteilung unterhalb von 500 Angstrom als im 100 bis 300 Angström-Bereich liegend mit einem Maximum bei 200 Angstrom. Oberhalb von 500 Angstrom zeigt die Porendurchmesserverteilung das grösste Porenvolumen und also die Hauptverteilung im Bereich von 0,4 bis 9 um, wobei ein Maximum bei 1,5 um liegt, das den 50% Punkt bei der Verteilung repräsentiert. The pore diameter distribution of the thermally stabilized catalyst shows the basic distribution below 500 angstroms as in the 100 to 300 angstroms range with a maximum at 200 angstroms. Above 500 angstroms, the pore diameter distribution shows the largest pore volume and therefore the main distribution in the range from 0.4 to 9 μm, with a maximum being 1.5 μm, which represents the 50% point in the distribution.

Der Oberflächenbereich für die thermisch stabilisierten, reduzierten Platinmetalloxid-Katalysatoren sollte derart sein, dass für irgendein gegebenes Platinmetall oder eine Kombination von Platinmetallen mit oder ohne Ventilmetalle usw. die Oberfläche so gering als möglich sein sollte (um die Korrosion zu verringern (für die erforderliche katalytische Aktivität. Die Oberfläche sollte daher bei mehr als 10 m2/g liegen, wobei 24 bis 165 m2/g ein bevorzugter Bereich sind und für einen thermisch stabilisierten Ru-25-Ir-Katalysator der Bereich 60 bis 70 m2/g ist. Die Katalysatoren mit den reduzierten thermisch stabilisierten Platingrup-penmetalloxiden sind verglichen mit Pulvern, Russen usw. grossflächige Katalysatoren, die normalerweise eine Oberfläche von 10 bis 15 m2/g haben. The surface area for the thermally stabilized, reduced platinum metal oxide catalysts should be such that for any given platinum metal or combination of platinum metals with or without valve metals, etc., the surface area should be as small as possible (to reduce corrosion (for the required catalytic The surface area should therefore be more than 10 m2 / g, with 24 to 165 m2 / g being a preferred range and for a thermally stabilized Ru-25-Ir catalyst the range being 60 to 70 m2 / g with the reduced, thermally stabilized platinum group metal oxides, compared to powders, soot, etc., are large-area catalysts that normally have a surface area of 10 to 15 m2 / g.

Der Oxidgehalt des Katalysators kann im Bereich von 2 bis 25 Gew.-% und vorzugsweise von 13 bis 23 Gew.-% liegen. The oxide content of the catalyst can range from 2 to 25% by weight and preferably from 13 to 23% by weight.

40 40

45 45

50 50

55 55

s s

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (29)

645 552645 552 1. Katalysator, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens ein elektrisch leitendes, thermisch stabilisiertes, reduziertes Metalloxid der Platingruppe enthält. 1. Catalyst, characterized in that it contains at least one electrically conductive, thermally stabilized, reduced metal oxide of the platinum group. 2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Ruthenium- oder Iridiumoxid ist. 2. Catalyst according to claim 1, characterized in that the metal oxide is ruthenium or iridium oxide. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zusätzlich zu dem thermisch stabilisierten Metalloxid elektrisch leitenden Graphit enthält. 3. Catalyst according to claim 1 or 2, characterized in that it contains electrically conductive graphite in addition to the thermally stabilized metal oxide. 4. Katalysator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ausserdem thermisch stabilisierte Oxide eines Ventilmetalles enthält. 4. Catalyst according to claims 1 to 3, characterized in that it also contains thermally stabilized oxides of a valve metal. 5. Katalysator nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Rutheniumoxid ist, das mindestens ein weiteres thermisch stabilisiertes, reduziertes Metalloxid von Iridium, Tantal, Titan, Niob, Zirkonium oder Hafnium einschliesst. 5. Catalyst according to claims 2 to 4, characterized in that the metal oxide is ruthenium oxide, which includes at least one further thermally stabilized, reduced metal oxide of iridium, tantalum, titanium, niobium, zirconium or hafnium. 6. Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er 5 bis 25 Gew.-% reduzierter Iridiumoxide enthält. 6. Catalyst according to claim 5, characterized in that it contains 5 to 25 wt .-% reduced iridium oxides. 7. Katalysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass er 25 Gew.-% reduzierter Iridiumoxide enthält. 7. Catalyst according to claim 5 or 6, characterized in that it contains 25% by weight of reduced iridium oxides. 8. Katalysator nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er reduzierte Oxide von Iridium und entweder Tantal oder Titan enthält. 8. Catalyst according to claim 5 to 7, characterized in that it contains reduced oxides of iridium and either tantalum or titanium. 9. Katalysator nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid Iridiumoxid ist, das reduzierte Oxide von Tantal oder Titan enthält. 9. Catalyst according to claims 2 to 4, characterized in that the metal oxide is iridium oxide, which contains reduced oxides of tantalum or titanium. 10 m2/g einschliesst, wobei die Porosität des Katalysators im Bereich von 0,4 bis 1,5 cm3/g des Katalysators liegt. 10 m2 / g includes, the porosity of the catalyst in the range of 0.4 to 1.5 cm3 / g of the catalyst. 10. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator eine Oberfläche im Bereich von 24 bis 165 m2/ghat. 10. A catalyst according to claim 1, characterized in that the catalyst has a surface area in the range from 24 to 165 m2 / g. 11. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator eine Oberfläche von mehr als 11. A catalyst according to claim 1, characterized in that the catalyst has a surface area of more than 12. Katalysator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Porendurchmesserverteilung ein Maximum bei 20 nm aufweist und einen 50% Porenverteilungspunkt bei 1,5 um hat. 12. Catalyst according to claim 11, characterized in that the pore diameter distribution has a maximum at 20 nm and has a 50% pore distribution point at 1.5 µm. 13. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Katalysators mindestens 60 m2/ g beträgt. 13. A catalyst according to claim 1, characterized in that the surface of the catalyst is at least 60 m2 / g. 14. Verwendung des Katalysators nach Anspruch 1 in einer kombinierten Elektrolyt- und Elektrodenstruktur mit einer Ionen transportierenden Membran, mit deren einer Oberfläche mindestens eine gasdurchlässige katalytische Elektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässige katalytische Elektrode mindestens ein thermisch stabilisiertes, elektrisch leitendes, reduziertes Metalloxid von der Platingruppe umfasst. 14. Use of the catalyst according to claim 1 in a combined electrolyte and electrode structure with an ion-transporting membrane, to the surface of which at least one gas-permeable catalytic electrode is connected, characterized in that the gas-permeable catalytic electrode has at least one thermally stabilized, electrically conductive, reduced Metal oxide covered by the platinum group. 15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdurchlässige katalytische Elektrode eine Mehrzahl teilchenförmiger, thermisch stabilisierter, elektrisch leitender reduzierter Metalloxide der Platingruppe umfasst. 15. Use according to claim 14, characterized in that the gas-permeable catalytic electrode comprises a plurality of particulate, thermally stabilized, electrically conductive reduced metal oxides of the platinum group. 16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der gasdurchlässigen katalytischen Elektrode die Oxide mindestens von zwei Metallen der Gruppe einschliessen, die aus thermisch stabilisierten, elektrisch leitenden, reduzierten Metalloxiden der Platingruppe und reduzierten Ventilmetalloxiden besteht, wobei mindestens eines ein reduziertes Metalloxid der Platingruppe ist. 16. Use according to claim 15, characterized in that the particles of the gas-permeable catalytic electrode include the oxides of at least two metals of the group consisting of thermally stabilized, electrically conductive, reduced platinum group metal oxides and reduced valve metal oxides, at least one of which is a reduced metal oxide the platinum group. 17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der gasdurchlässigen, katalyti-schen Elektrode thermisch stabilisierte, elektrisch leitende, reduzierte Rutheniumoxide einschliessen. 17. Use according to claim 16, characterized in that the particles of the gas-permeable, catalytic electrode include thermally stabilized, electrically conductive, reduced ruthenium oxides. 18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der gasdurchlässigen, kataly-tischen Elektrode thermisch stabilisierte, elektrisch leitende, reduzierte Oxide von Ruthenium und mindestens ein reduziertes Metalloxid einschliessen, das ausgewählt ist aus den reduzierten Oxiden von Iridium, Tantal, Titan, Niob, Zirkonium oder Hafnium. 18. Use according to claim 16 or 17, characterized in that the particles of the gas-permeable, catalytic electrode include thermally stabilized, electrically conductive, reduced oxides of ruthenium and at least one reduced metal oxide which is selected from the reduced oxides of iridium, tantalum , Titanium, niobium, zirconium or hafnium. 19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch stabilisierten, elektrisch leitenden Teilchen der gasdurchlässigen, kataly tischen Elektrode reduzierte Oxide von Ruthenium und reduzierte Oxide von Iridium sind. 19. Use according to claim 18, characterized in that the thermally stabilized, electrically conductive particles of the gas-permeable, catalytic electrode are reduced oxides of ruthenium and reduced oxides of iridium. 20. Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der gasdurchlässigen, katalyti-schen Elektrode 5 bis 25 Gew.-% reduzierter Iridiumoxide einschliessen. 20. Use according to claim 19, characterized in that the particles of the gas-permeable, catalytic electrode include 5 to 25% by weight of reduced iridium oxides. 21. Verwendung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der gasdurchlässigen, kataly-tischen Elektrode 25 Gew.-% Iridium einschliessen. 21. Use according to claim 18 or 19, characterized in that the particles of the gas-permeable, catalytic electrode include 25 wt .-% iridium. 22. Verwendung nach Anspruch 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Teilchen der gasdurchlässigen, katalytischen Elektrode thermisch stabilisierte, elektrisch leitende Teilchen reduzierter Platinmetalloxide und reduzierter Oxide von Titan oder Tantal einschliessen. 22. Use according to claim 16 to 19, characterized in that the majority of the particles of the gas-permeable, catalytic electrode include thermally stabilized, electrically conductive particles of reduced platinum metal oxides and reduced oxides of titanium or tantalum. 23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das reduzierte Platinmetalloxid reduziertes Iridiumoxid ist. 23. Use according to claim 22, characterized in that the reduced platinum metal oxide is reduced iridium oxide. 24. Verwendung nach den Ansprüchen 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen der gasdurchlässigen, katalytischen Elektrode zusätzlich elektrisch leitende Graphitteilchen einschliessen. 24. Use according to claims 14 to 23, characterized in that the particles of the gas-permeable, catalytic electrode additionally include electrically conductive graphite particles. 25. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der gasdurchlässigen, katalytischen Elektrode mindestens 60 m2 pro Gramm Teilchen beträgt. 25. Use according to claim 14, characterized in that the surface of the gas-permeable, catalytic electrode is at least 60 m2 per gram of particles. 26. Verfahren zum Herstellen des Katalysators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens ein Metalloxid aus der Platingruppe herstellt, man die Oxide zu einem partiell oxidierten Zustand reduziert, die reduzierten Oxide in Gegenwart von Sauerstoff auf eine Temperatur und für eine Dauer erhitzt, die ausreicht, die reduzierten Oxide zu stabilisieren. 26. A process for producing the catalyst according to claim 1, characterized in that at least one metal oxide from the platinum group is produced, the oxides are reduced to a partially oxidized state, the reduced oxides are heated to a temperature and for a period in the presence of oxygen, which is sufficient to stabilize the reduced oxides. 27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass dem Metalloxid der Platingruppe zusätzlich ein Ventilmetalloxid beigefügt wird und dass nach dem Stabilisieren der reduzierten Oxide bis zu 50% Graphit zugesetzt wird. 27. The method according to claim 26, characterized in that a valve metal oxide is additionally added to the metal oxide of the platinum group and that up to 50% graphite is added after the reduced oxides have been stabilized. 28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten Oxide auf 300 bis 750 °C erhitzt werden. 28. The method according to claim 26 or 27, characterized in that the reduced oxides are heated to 300 to 750 ° C. 29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten Oxide auf 550 bis 600 °C erhitzt werden. 29. The method according to claim 28, characterized in that the reduced oxides are heated to 550 to 600 ° C.
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