DE3036066A1 - Verfahren zur herstellung eines elektroden-membran-verbundsystems - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines elektroden-membran-verbundsystems

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • 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

  • Verfahren zur Herstellung eines Elekirodetl-Membran-
  • Verbundsystems Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Verbundsystemen aus einer Kationenaustauscher-Membran und mindestens einer Elektrode, insbesondere solcher Systeme, die für die Elektrolyse wäßriger Alkalihalogenid-Lösungen einsetzbar sind.
  • Die Verwendung von Ionenaustauscher-Membranen bei der Alkalichlorid-ElekDrolyse zur erstellung von Chlor, Alkalilauge und'Wasserstoff als Ersatz für die üblicherweise verwendeten hsbestdiaphragmen ist seit längerem bekannt.
  • (F.Bergsma, Chem.Weekbl. 48 (1952) 361. J.Billiter, Die technische Elektrolyse der Nichtmetalle, Springer Verlag, Wien 1954).
  • Die zunächst herstellbaren Membranen, z.B. auf Polystyrolbasis mit Carboxyl- oder Sulfonylgruppen wurden jedoch durch die korrosiven Elektrolytprodukte (Chlor und Alkalilauge) stark angegriffen. -Erst mit der Entwicklung perfluorierter Ionenaustauscher-Membranen, die zunächst für Brennstoffzellen vorgeschlagen wurden (GB-PS 1 184 321), nahm das Membranverfahren der Alkalichlorid-Elektrolyse an Bedeutung zu. Der Aufbau der Membrane, geeignete Zellen zum Einsatz dieser Membranen, der Betrieb dieser Zellen und deren technischer Einsatz sind an anderer Stelle beschrieben worden. (D.Bergner, Chemiker-Ztg. 101 (1977) 433).
  • Bei den ersten Membranzellen hatten Anode und die Kathode einer Elektrolysezelle einen Abstand von 2 - 10 mm. Später wurden Anordnungen entwickelt, bei denen im Gegensatz dazu Elektroden und Membran eine Einheit bilden. Man spricht in diesen Fall von einem Festkörperelektrolyt-System (olid electrolyte"), oder abgckürzt von einem SPE-System, wobei es sich um ein Verbundsystem aus Elektrode(n) ut1d Membra handelt. Derartige SPE-Anordnun gen fanden Anwendung in Erennstoffzellen (Fuel Cells and Fuel Batteries, Chäp. 14, H.A. Liebhafsky u. E.J. Cairns (Herausg.), Verlag John Wiley & Sons, New York, 1968) und in Elektrolysezellen (W.A. Titterington u. J.F. Austin, Abstract 233, S. 576, The Electrochemical Society Extended Abstracts, Fall Meeting, New York, 13. - 17. Oktober 1974). Insbesondere bei der Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff wurden diese SPE-Zellen zunächst eingesetzt. Die Anwendung der SPE-Technologie wurde dann auf die Elektrolyse von Salzsäure (DE-OS 28 44 499) und Alkalichlorid-Lösungen (DE-OS 28 44 496) übertragen.
  • Im wesentlichen bestehen SPE-Zellen aus einer Anolytkammer, einer Katholytkammer und, zwischen die Kammern eingedichtet, der SPE-Anordnung. Auf mindestens einer Fläche der Kationenaustauscher-Membran ist ein elektrisch leitfähiges Elektrodenmaterial aufgebracht. Die Vorteile einer SPE-Zelle lassen sich, laut DE-OS 28 44 495, zumindest teilweise auch dann erreichen, wenn nur einc Seite der lonenaustauscher-Membran mit der zugehörigen Elektrode ein Verbundsystem bildet. Eine solche Zelle nennt man eine Hybrid-Zclle.
  • Es ist jedoch bevorzugt, wenn beide Seiten der Membran mit Elektrodenmaterial beschichtet sind. Solche Systeme sind z.B. i der DE-OS 28 44 499 beschrieben. Beim Einsatz der SPE-Anordnung zur Elektrolyse von wäßrigen Chloridlösungen ist es erwünscht, daß die Uberspanllullg zur Abscheidung von gasförmigem Chlor möglichst gering ist. In diesem Fall wird man daher für die Anode ein geeignetes elektrokatalytisches Elektrodenmaterial, beispielsweise TiO2/RuO2 verwenden. Ähnliches gilt für die Abscheidung von Wasserstoff an der Kathode oder die Abscheidung anderer Gase.
  • Als Kationenaustausch-Mcmbrall<?rl werden fluoricrt Polymere mit sauren Gruppen (Sulfonsaure-, Carbonsäure- oder Phosphonsäure-Resten) verwendet. Bevorzugt sind perfluorierte Polymere mit diesen sauren Gruppen. Handelsprodukte sind z.B. (R)Nafion (DuPont) mit Sulfonsäure oder Sulfonamid-(;ruppcn od(r ( )P'1emlion (Asahi Glass) mit Carbonsäure-oder Carbonsäurealkylester-Gruppen, die vom Anwender in die freie Carbonsäure- oder Carboxylat-Form überführt werden müssen.
  • Die Stromzuführung zu den Elektrokatalysatoren, die das Material der Anode und Kathode der Elektrolysezelle darstellen und an denen die Gasentwicklung stattfindet, erfolgt durch angepreßte Metallnetze, durchbrochene Metallplatten, Streckmetallplatten oder durch andere gasdurchläßige, elektrisch leitfähige Stoffe.
  • Die Vorteile des Elektroden-Membran-Verbundsystems bestehen darin, daß der ohmsche Widerstand zwischen den Elektroden weder durch den Widerstand der flüssigen Elektrolyte noch durch den Widerstand der Gasblasen erhöht wird, da sich im Gegensatz zu den herkömmlichen Membranzellen zwischen den Elektroden nur der Festpolymer-Elektrolyt befindet. Wenn die Elektroden der SPE-Anordnung aus elektrochemisch besonders aktiven Stoffen bestehen, lassen sich auch die Uberspannungen auf der Anoden- und auf'der Kathodenseite äußerst gering halten. Insgesamt äußern sich die Vorteile elner SPE-Zelle damit in einer geringeren Zellenspannung gegenüber den gebräuchlichen Membran-Zellen, d.h. in niedrigerem Energieverbrauch. Selbstverständlich erreicht man mit einer Hybrid-Zelle, bei der nur eine Elektrode mit der Membran verbunden ist, nur eine kleinere Spannungserniedrigung.
  • Als Elektrodenmaterialen können für SPE-Zellen praktisch alle Stoffe verwendet werden, die auch in konventionellen Elektrolyse-Zellen eingesetzt werden, um die Elektrolyseprodukte abzuscheiden. Zusätzlich können aber in SPE-Systemen auch noch solche Elektrodenmaterialien verwendet werden, deren Abscheidung und feste Haftung auf einem elektrisch Ic!itfahiien Substrat (ioiipicl: Titankcrn einer Anode) schwierig ist (Beispiel: nicht-stöchiornetrisches Natriumplatinat).
  • Die iu SPE-Systemen benutzten elektrokatalytisch aktiven Stoffe sind aus der Patentliteratur bekannt. In der DE-OS 28 44 496 werden für Chlorelektroden Rutheniumoxid oder Iridiumoxid zusammen mit Oxiden von Ventilmetallen wie z.B.
  • Titan, Tantal, Niob und für Wasserstoffelektroden fein zerteilte Metalle wie Platin, Palladium, Gold, Silber, Mangan, Kobalt oder Nickel, Spinelle oder reduzierte Platingruppenmetalloxide, wie Platin-Iridiumoxid, Platin-Rutheniumoxid oder Graphit und Kombinationen dieser Materialien genantlt.
  • Außer den Platinmetallen und den Platinmetalloxiden können auch platinmetallbaltige Verbindungen wie MPd304 (M = Na, Ca, Sr, Cd), MXPt304 (mit X zwischen 0 und 1 und M' = Na Li, K, Cu, Ag) oder Pb2Ru2O7 oder Co2RuO4 eingesetzt werden. Die verwendeten Stoffe müssen zu Ihrer Verarbeitung in Form feiner Pulver, d.h. mit einer Korngröße von unter 0,1 mm vorliegen.
  • Die eigentliche SPE-Anordnung also das Verbundsystem aus Anodenschicht, Kathodenschicht und Kationetlaustauscher-Membran läßt sich nach folgenden bekannten Verfahren herstellen: Nach einem Verfahren wird der pulverisierte Elektrokatalysator, z.B. Graphitpulver, mit etwa 20 Gew.-% Polytetrafluoroethylen-Teilchen (z.B. (R)Teflon T-30 der Firma E.I.
  • DuPont de Nemours & Co.), vermischt und zu einer Folie zusammengesintert. Durch Anwendung von Wärme und Druck wird diese Folie dann mit der Oberfläche der lonenaustauscher-Membran verbunden.
  • Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß ein Bindemittel, d.h. ein Haftvermittler, erforderlich ist, um den Elektrokatalysator auf der Ione!laustauscher-Membrarle zu befestigen. Einmal erfordert die Herstellung der Elektrodenfolie einen zusätzlichen Verfahrensschritt. Zum zweiten besitzt die fluorpolymerhaltige und damit antiadhäsiv wirkende Elektrodenfolie auf der Fluorpolymer-Ionenaustauscher-Membran nur eine sehr geringe Haftfestigkeit. Schließlich bewirkt sowohl die schlechte Leitfähigkeit der Polytetrafluorethylen-Schicht wie auch ihre hydrophoben Eigenschaftet die eine Ablösung voii Gasblasen erschweren, den Aufbau eities ohmschen Widerstandes auf der Oberfläche der Ionenaustauscher-Membran.
  • Nach einem anderen Verfahren (DE-OS 28 21 271) wird die Beschichtung, z.B. eine Nickelschicht, galvanisch auf die Oberfläche der Ionenausta-uscher-Membrall aufgebracht. Dazu wird die Membran in eine Nickelsalzlösung eingetaucht und das Nickel in metallischer Form unter verwendutlg einer anliegenden Kathode auf der Membranoberfläche abgeschieden.
  • An derart hergestellten Elektroden kann Wasserstoff oder Sauerstoff erzeugt werden.
  • Dieses galvanische Verfahren hat den Nachteil, daß die Ionenaustauscher-Membran in ein Metallsalzbad eingelegt werden muß.'Es ist unvermeidbar, daß Reste des Metallsalzes nach Beendigung der Elektrodenherstellung in der lonenaustauscher-Membran verbleiben. Dadurch werden bei Anwendung votl alkalischem Elektrolyt bei der SPE-Elektrolyse Ausfällunge des Hydroxids des verwendeten Metalls, also z.B..
  • Nickelhydroxid, innerhalb der Membran auftreten. Bei der Untersuchung der Alterungsvorgänge von lonenaustauscher-Membranen (vgl. Ch.J. Molnar u. M.M Dorio, Effects of Brine Purity on Chlor-Alkali-Membrane Cell Performance, Vortrag, Society of Chemical Industry, Electrochemical Technology Group, London 16. März 1978) wurde festgestellt, daß solche Ausfällungen in der Membran zur Zerstörung der Membranstruktur und damit zum Altern, d.h. zum Absinken der Stromausbeute mit zunehmender Elektrolysedauer führen. Aus diesem Grund wird auch die Kochsalzlösung, die bei der Natrium- chlorid-Elektrolyse nach dem Membranverfahren verwendet wird, derart gereinigt, daß alle mit Lauge fällbaren Metallsalze bis auf Gehalte unter 1 ppm entfernt werden. um einen Transport in die Membran und eine Fällung dort zu vermeiden.
  • Darüberhinaus lassen sich nach diesem Verfahren eine gallze Reihe von Elektrodenmaterialien, z.B. Oxide und Mischoxide entweder gar nicht elektrolytisch erzeugen oder nur schlecht haftend auf die Membran aufbringen.
  • Es ist daher wünschenswert, das Elektrodenmaterial auf die Ionenaustauscher-Membran ohne Bindemittel und ohne Verurreinigung der Membran durch Metallsalze aufzubringen.
  • Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines SPE-Systems zu entwickeln, das die beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren nicht aufweist.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems aus einer fluorhaltigen Kationenaustauscher-Membran und mindestens einer Elektrode für die Elektrolyse wäßriger Lösungell gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mall eine Membran verwendet, die plastisch oder thermoplastisch ist und aus einem fluorhaltigen Copolymeren besteht, das sauer dissoziierende Gruppen oder Gruppen, aus denen durch chemische Behandlung sauer dissoziierende Gruppen entstehen, enthält, man ein Elektrodenmaterial in Pulverform auf mindestens eine Seite der Membran aufbringt, mit dieser durch Anwendung von Druck, gegebenenfalls unter gleichzeitigem Erhitzen, verbindet, und man gegebenenfalls anschließend die sauer dissoziierenden Gruppen durch chemische Behandlung freisetzt.
  • Das Verbinden des Elektrodenmaterials mit dem Membranmaterial geschieht am besten durch Einpressen oder Einwalzen, unter Anwendung von D'' uck c,de 1 durch Druck uricl Wärme.
  • Die sauer dissozilerenden Gruppen sind Sulfonsäure-, Carbonsäure-, Sulfonamid- und Phosphonsäure-Gruppell. Sie lassen sich gegebenenfalls freisetzen aus Sulfonylchlorid-, Sulfonylfluorid-, Carbonsäurehalogenid- und Carbonsäurealkylester-Gruppen durch Hydrolyse.
  • Plastisch, bzw. thermoplastisch, sind im Fall von Sulfonsäure-Membranen deren Vorstufe in der Membranherstellung (Sulfonylfluorid-Form) oder die Sulfochlorid-Form, im Fall von Membranen mit Carbonsäure-Gruppen deren handelsübliche Lieferform mit Carbonsäure-Alkylestergruppen. In diesen Fällen ist eine hydrolytische Nachbehandlung des SPE-Svstem obligatorisch um die sauren Gruppen freizusetzen.
  • Membranen in der Sulfonsäure-Form (Sulfonat-Form) lassen sich in die plastische, bzw. thermoplastische Sulfonylchlorid-Form umwandeln durch Behandeln mit Phosphorpentachlorid, insbesondere in Gegenwart von Phosphoroxichlorid.
  • Dieses Verfahren ist in der DE-OS 26 30 584 beschrieben.
  • Aus Membat0en mit freien Carbonsäuregruppen lassen sich plastische Membranen erhalten durch Behandeln mit der Lösung einer Base eines Alkalimetalls (insbesondere Lithium) oder eines Metalls der zweiten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder eines Amins oder Ammoniak und nachfolgende Einwirkung eines polaren organischen Lösungsmittels.
  • Thermoplastische Membranen lassen sich erhalten aus Membranen mit freien Sulfonsäuregruppen durch Behandeln mit einem tcrtiären Amin, einer quartären Ammoniumbase oder Salzen dieser Verbindungen.
  • Die elekt rokatalytisch aktiven Pulver werden nach bekannten Verfahren, beispielsweise durch Aufstreichen oder Verteilen mittels eines Siebes, auf die Membranoberfläche aufgebracht und auf dieser gleichmäßig verteilt. Durch Einpreßen oder Einwalzen, gegebenenfalls durch Heißpressen, werden die Pulverteilchen in die Membranoberfläche eingebunden. Dieser Vorgang des Aufbringens des Pulvers und das Einpressen oder Einwalzen unter Druck oder die Anwendung von Druck und Wärme kann erforderlichenfalls mehrmals hintereinander ausgeführt werden. Dies kann beispielsweise notwendig werden, wenn größere Mengen Elektrodenmaterial aufzubringen sind.
  • Die Menge des Elektrodenmaterials im Verbund mit der ;-bran liegt zwischen 1 und 30 g/m2, insbesondere zwischen 3 und 25 g/m2. Bei Edelmetallpulvern, z.B. Platin, werden etwa 5 bis 15 g/m2, insbesondere 8 bis 12 g/m2 auf die Membran aufgebracht. Die notwendige Menge des Elektrodenrnatrials hängt auch von der Feinverteilung des Materials ab.
  • Es ist bevorzugt, wenn der Raumdurchmesser des Pulvers unter 0,3 mm, insbesondere unter 0,1 mm liegt. Von grobem Pulver wird mehr gebraucht als von sehr feinem Pulver.
  • Beim Einpressen der Pulverkörner ist darauf zu achten, daß weder Durchbrüche durch die gesamte Schicht der Membran, noch Brücken der Elektrodenmaterialien von der einen zur anderen Seite der Membran entstehen. Dadurch würde die Funktionsfähigkeit der Ionenaustauseher-Membran entscheidend verschlechtert. Daher sollen auch die gröbsten oanteile des Elektrodenmaterials noch kleiner sein als der Durchmesser der zu beschichtenden Membran. Die optimalen Bedingungen für die Herstellung der Verbundsysteme lassen sich durch einfache Versuche ermitteln, bei denen die Menge des Pulvers, der Druck, die angewandte Temperatur und die Dauer der Druck- und Wärmeanwendung variiert werden.
  • Nach Zurücknahme des Preßdrucks und gegebenenfalls nach Abkühlen werden die Ionenaustauscher-Membranen wenn nötig noch in die gebrauchsfertige Form überführt, die im alle meinen das Alkalisalz darstellt. Dies geschieht durch Behandeln mit Alkalilauge.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt einge- setzt perfluorierte Kationenaustauscher-Membranen mit Sulfonsäure und/oder Carboxylgruppen. Die Herstellung solcher Polymere ist dem Fachmann bekannt. Beispielsweise läßt sich ein Copolymerisat durch Sulfonsäuregruppen nach dem Stand der Technik aus Tetrafluoräthylen und einem fluorsulfonierten Perfluorvinyläther der Formel 2 = CF- - 0 - CF2 - (CF3)CF -O CF2 CF2 - S02F herstellen, wobei die Austauscherform der Membran mit-freien Sulfonat-Gruppen anschließend durch Behandlung mit Alkalilauge erhalten wird.
  • Anstelle der Gruppe S02F könnte im Monomeren auch die Gruppe -COOR vorhanden sein wobei R eine organische Gruppe bedeutet.
  • Derartige Kationenaustauscher-Membranen sind im Handel verfügbar und z.B. Gegenstand der DE-OS 28 17 344, 28 17 373 und 26 46 821. In der für die Elektrolyse gebrauchsfertigen Form, in der das Copolymerisat vollständig durchpolymerisiert ist, enthalten die Membranen SO3H- und/oder COOH-Gruppen. Sie sind in dieser Form nicht thermoplastisch. Hicgegen sind die Membranen in der zwar völlig durchpolymerisierten aber noch nicht hydrolysierten Form, in der also noch Sulfotlylhalogenid- oder Carbonsäurealkylester-Gruppen vorliegen thermoplastisch. Wenn das Kationenaustauscher-Material bereits hydrolysiert worden ist, so kann es häufig wieder in eine thermoplastische Form überführt werden. Beispielsweise kann man eine an und für sich gebrauchsfertige, nicht-thermoplastische, fluorhaltige Membran, die die austauschenden Gruppen S03H-, SO3Na-, oder NH2SO2- enthält, gemäß DE-OS 24 37 161 durch Behandeln mit einem tertiären Amin, einer quartären Ammoniumbase oder dem Salz des genanntell Amins oder der Base behandeln, um sie in eine thermoplastische Form zu überführt. Sie enthalten dann als Kationen quartäre Ammoniumionen oder Ionen der Form [HNR3]+, wobei R gleiche oder verschiedene organische Reste bedeutet.
  • Fluorierte Polymere mit einem hohen Gehalt an gebundenen stark sauren Sulfonylgruppen (Sulfonsäuregruppen, Sulfonatgruppen, Sulfonamidgruppen) können nach dem Verfahren der DE-PS 19 59 142 durch polare organische Lösungsmittel, wie z.B. Dimethylacetamid aufgelöst werden. Bei Verwendung von wenig Lösungsmittel und nur kurzer Einwirkungszeit kommt es nur zu einem Anlösen der Membranoberfläche, die dadurch also plastisch wird. Durch Aufbringen des pulverförmigen Elektrodenrnaterials auf die angelöste Oberliche, gegebenen is 1 s unter Einwirkung von Druck, ko es zu einer festen Velbindung von Elektrode und Membran. Das polare Lösungsmittel kann entfernt werden durch Trocknen oder Abspülen mit einem flüchtigen, nicht-lösenden aber mischbaren Lösungsmittel.
  • Neutralisierte Sulfonsäuren (Alkalisulfonat-Form) erfordern eine Behandlung mit den Salzen der quartären Ammoniumbasen oder der tertiären Amine. Die quartären AmmoniumbGsen haben die allgemeine Formel /R)N7Oi, die tertiären Amine die Formel R3N, wobei R für gleiche oder verschieden org.-iniai h E Reste, insbesondere Alkyl- und Arylgruppen steht. Bevorzugt sind Verbindungen die gleichzeitig Alkyl- und Arylgruppen oder nur Alkylgruppen enthalten.
  • Fluorhaltige Membranen die nach den genannten Methoden thermoplastisch gemacht wurden, lassen sich erfindungsgemäß mit pulverförmigem Elektrodenmaterial beschichten und mit diesem durch Einwirkung von Druck und erhöhter Temperatur verbinden.
  • Fluorierte Polymere die Carboxylgruppen oder eine Carboxylestergruppe enthalten, lassen sich nach dem Verfahren der DE-OS 29 05 457 auflösen. Dazu wird das Polymere in ein Salz überführt, wobei das Kation ein Alkalimetallion oder ein Ion der zweiten Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems oder das Ammoniumion oder ein substituiertes Ammoniumion mi t mindestens einem an Stickstoff gebundenen Wasserstoffatom sein soll. Hierzu diene Lösungen einer Base eines Alkalimetalls oder eines Metalls der zweiten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder eines Amins oder von Ammoniak. Anschließend läßt man auf das nun löslich gewordene Polymere ein hochpolares organisches Lösungsmittel einwirken. Demgemäß betrifft eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems aus einer fLuorierten Kationenaus-, tauscher-Membran das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Membran bestehend aus einem fluorhaltigen Copolymeren, das Carbonsäuregruppen enthält, die ganz oder teilweise neutralisiert sind und als Kation Alkalimetalle oder Metalle der zweiten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder ein Kation der Form [HNR3]+, wobei R gleiche oder verschiedene organische Reste oder Wasserstoff bedeutet, an der Oberfläche mit einem hochpolaren-organischen Lösung mittel angelöst wird, das Elektrodenmaterial in Pulverform auf die angelöste Oberfläche aufgetragen und mit der Oberfläche durch Einwirkung von Druck verbunden wird. Bevorzugt werden für diesen Zweck einwertige Kationen benutzt.
  • Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen SPE-Systeme werden bevorzugt für die Natriumchlorid-Elektrolyse eingesetzt. Sie können aber auch für andere Zwecke, z.B.
  • für die Elektrolyse von Kaliumchlorid- und Salzsäurelösungen oder von Wasser verwendet werden, sofern nur geeignete Elektrodenmaterialien eingesetzt werden.
  • Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung ter Erfindung.
  • Beispiel 1 Platin(IV)-chlorid (58 Ge.- Platin) wurde nach G.
  • Brauer, Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, 1954, durch Zersetzen bei 6000C an Luft in Platinschwamm überführt und in einem Achatmörser fein zerrieben.
  • Eine wäßrige Lösung von 0,8 mol/l Butylammoniumhydroxid und 0,07 mol/l Butylammoniumbromid wurde mit dem gleicllcn Volumen Methanol verdünnt. In diese Lösung wurde ein quadratisches 100 cm2 großes Stück einer Nafion 110-Membran der Fa. DuPont mit S03H-Gruppen 48 Stunden lang eingetaucht. Anschließend wurde die Membran aus dem Bad entfernt und durch Abtupfen mit Filtrierpapier getrocknet.
  • Die untere Druckplatte einer beheizbaren Presse wurde mit dem Platinschwamm mit Hilfe eines Siebes mit 0,1 mm Masch,-enweite gleichmäßig dünn beschichtet. Auf diese Platinschwammschicht wurde die behandelte Nafion 110 Membran gelegt. Danach wurde ebenfalls mittels Durchstreichens durch das Sieb mit O, 1 mm Maschenweite die obere Seite der Membran mit dem Platlnschwamm in einer gleiche mäßigen Schicht versehen.
  • Danach wurde die obere Druckplatte der beheizbaren Presse abgesenkt und ein Druck von 4 kg/cm2 ausgeübt. Ueber 6 Minuten bei diesem Druck wurde bis auf 2300C aufgeheizt und 1 Minute wurde der Druck bei 2300C gehalten. Danach wurde die Presse entlastet und abgekühlt. Der Platinschwamm war von beiden Seiten in die Membran eingepreßt worden.
  • Nach Uberführung der Membran des so hergestellten Elektroden-Membran-Verbundsystems in die Natriumform durch 12 Stunden Eintauchen in Natronlauge (12 % NaOH) wurde dieses in eine SPE-Zelle eingebaut. Es handelt sich dabei um eine Zweikammer-Elektrolysezelle, die durch das Elektroden-Membranverbundsystem in eine Anoden- und eine Kathodenkammer unterteilt wird. Der Anode des Verbundsystems wird Strom zugeführt durch Anpressen einer ebenen Titanstreckmetallplatte, deren Oberfläche mit einem platinierten Stromübergang versehen ist. Auf die Kathode des Verbundsystems wird eine ebene Edelstahl-Streckmetallplatte als Stromzuführung aufgedrückt, so daß das Elektroden-Membran-Verbundsystem fest zwischen den beiden als Stromzuführungen dienenden Streckmetallen eingepreßt ist.
  • Nach dem Füllen des Anodenraums der SPE-Zelle mit Natriumchloridsole (310 g/l NACI) und des Kathodenraums mit Natronlauge (12 % NaO) wurde ein Elektrolysestrom mit 2 einer Stromdichte von 3,0 kA/m eingestellt. Bei regelmäßiger Zufuhr von Sole zum Anodenraum und Wasser zum Kathodenraum der Zelle wurde über 28 Stunden Chlor, Wasserstoff und Natronlauge hergestellt. Bei einer Elektrolyttemperatur von 800C betrug die Zellenspannung konstant 3,0 Volt.
  • Beispiel 2 Ruthenium(III)-chloridhydrat (38 Gew.-% Ruthenium) wurde bei 6000C an Luft unter Bildung von Ru02 zerssetzt.
  • Rutheniumdioxid ist als geeignetes Anodenmaterial für die elektrolytische Chlorentwicklung bekannt. Als Kathodenmaterial wurde handelsübliches Nickel-Pulver mit 5 - 23 jum Korngröße verwendet.
  • Wie in Beispiel 1 beschrieben wurde eine Nafion 110-Menbran in die Butylammonium-Form überführt.
  • Das Einpressen der Pulver in die Membranoberfläche wurde wie in ldeisl)i(L L vorgenommen . ftl lerding wurden die Vorgänge des Aufbringens der Pulver auf die untere Druckplatte der beheizbaren Presse und die obere Fläche der Membran und das Heißpressen selbst insgesamt zweimal durchgeführt, um mehr Elektrodenmaterial in rl die Membranoberfläche einzubringen. Auch in diesem Fall 1 entstand n Elektrodcn-Membran-Verbundsytem mit gut haftenden Elektroden.
  • Das Verbundsystem enthielt ca. 12 mg/cm² RuO2 unc etwa die gleiche Menge Nickel.
  • Mit der erhaltenen Zelle wurde wie in Beispiel 1 eine NaCl-Elektrolyse durchgeführt. Bei 3 KA/m2 Stromdichte wurden über 21 Stunden Chlor, Natronlauge und Wasserstoff erzeugt, wobei eine Änderung der Eigenschaften des Elektroden-Membran-Verbundsystems nicht beobachtet wurde.

Claims (10)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems aus einer fluorhaltigen Kationenaustauscher-Mcmbran und minbestens einer Elektrode für die Elektrolyse wal3rilrcr Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Membran verwendet, die plastisch oder thermoplastisch ist und aus einem fluorhaltigen Copolymeren besteht, das sauer dissoziierende Gruppen oder Gruppen, aus denen durch chemische Behandlung sauer dissoziierende Gruppen entstehen, enthält, man ein Elektrodenmaterial in Pulverform auf mindestens eine Seite der Membran aufbringt, mit dieser durch Anwendung von Druck, gegebenfalls unter gleichzeitigem Ritzen, verbindet und man gegebenenfalls anschließend die sauer dissoziierenden Gruppen durch chemische Behandlung freisetzt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenzeichnet, daß man auf mindestens eine Seite einer Membran bestehend aus einem fluorhaltigen Copolymeren, das Sulfonylcillorid- oder Sulfonylfluoridgruppen enthält, pulverförmiges Elektrodenmaterial aufbringt, mit der Membran durch Anwendung von Druck und gegegebenenfalls Wärme verbindet und man anschließend durch Hydrolyse die Membran in die Kationenaustauscherform mit freien Sulfonsäure-Gruppen überführt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die durch Sulfonylchlorid-Gruppen substituierte Membran herstellt aus einer fluorhaltigen Membran mit Sulfonsäuregruppen durch Behandlung mit Phosphorpentachlorid.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Membran, bestehend aus einem fluorhaltigen Copolymeren, das durch Carbonsäurealkylestergruppen iUb- stituiert ist; wobei die Alkylgruppen 1 bis 4 Kohlenstoffatome enthalten, mindestens auf einer Seite mit einem pulverförmigen Blektrodenmaterial beschichtet, man das Elektrodenmaterial mit der Membran durch Einwirkung von Druck, gegebenenfalls unter gleichzeitigem Erhitzen, verbindet und man anschließend durch Hydrolyse se die Membran in die Kationenaustauscherform mit freien Carbonsäuregruppen überführt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran, bestehend aus einem fluorhaltigen Copolymuren, das Carbonsallregruppcn enthält, die ganz oder teilweise neutralisiert sind und als Kationen- Alkalimetalle oder Metalle der zweiten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder ein Kation der Form /gHR3 7+enthalten, wobei R gleiche oder verschiedene organische Reste oder Wasserstoff bedeutet, an der Oberfläche mit einem hochpolaren organischen LösungsmIttel anlöst, das Elektrodenmaterial in Pulverform auf die angelöste Oberfläche aufträgt und mXt der Oberfläche durch Einwirkung von Druck verbindet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die fluorhaltige Ionenaustauschermembran in der Neutral form herstellt aus einer Membran in der Carbonsäureform oder Carbonsäurealkylester-Form durch Behandeln mit der Lösung einer Base eines Alkalimetalls oder eines Metalls der zweiten Haupt- oder Nebengruppe des Periodensystems oder eines Amins oder Ammoniak.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Membran, bestehend aus einem fluorhaltigen Copolymeren, das freie Sulfonsäure- oder Sulfonamid-Gruppen enthält, an der Oberfläche mit einem hochDolaren organisehen Lösungsmittel anlöst, das Elektrodenmaterial in Pulverform auf die angelöste Oberfläche auf- trägt urld mit der Oberfläche durch LjJinwirkung von Druck verbindet.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Membran, bestehend aus einem fluorhaltigen Copolymeren, das Sulfonsäure- oder Sulfonamid-Gruppen enthält, die ganz oder teilweise neutralisiert sind und als Kationen quartäre Ammoniumionerl oder Ionen der Form /NHR 7+ enthalten, wobei R gleiche oder verschiedene - 3-organische Reste bedeutet, auf mindestens einer Seite mit pulverförmigem Elektrodenmaterial beschictt und mit diesem durch Einwirken voii Druck, gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur, verbindet.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Membran in der Neutralform herstellt aus eier Membran in der Sulfonsäure- oder Sulfonamid-Form durch Behandeln mit einem tertiären Amin, einer quartären Ammoniumbase oder Salzen dieser Verbindungen.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Membran in der Neutralform herstellt aus einer Membran mit Alkalisulfonat-Grupperl durch Behandeln mit Salzen einer quartären Ammoniumbase oder eines t;ertiären Amins.
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