EP2385996A2 - Structured gas diffusion electrode for electrolysis cells - Google Patents

Structured gas diffusion electrode for electrolysis cells

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Publication number
EP2385996A2
EP2385996A2 EP09796978A EP09796978A EP2385996A2 EP 2385996 A2 EP2385996 A2 EP 2385996A2 EP 09796978 A EP09796978 A EP 09796978A EP 09796978 A EP09796978 A EP 09796978A EP 2385996 A2 EP2385996 A2 EP 2385996A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
polymer membrane
oxygen
electrically conductive
porous material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09796978A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Turek
Imad Moussallem
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Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Technology Services GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP2385996A2 publication Critical patent/EP2385996A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/34Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis
    • C25B1/46Simultaneous production of alkali metal hydroxides and chlorine, oxyacids or salts of chlorine, e.g. by chlor-alkali electrolysis in diaphragm cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B11/031Porous electrodes
    • 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
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making

Definitions

  • the invention relates to a novel gas diffusion electrode for the oxygen reduction, which is preferably used in the chlor-alkali electrolysis.
  • the reduction of oxygen by means of electrochemical processes and devices is an essential process, for example in the production of chlorine.
  • gas diffusion electrodes are used for the reduction of oxygen, which are generally known under the term of the oxygen-consuming cathode.
  • thermodynamic decomposition voltage for the oxidation and reduction according to the combination of formulas (I) and (II) to be applied at least over the electrolysis cell is then 2.19 V.
  • thermodynamically ideal limiting cases Since, as just described, the abovementioned potentials and reactions according to the formulas (I) to (III) are thermodynamically ideal limiting cases and thus The thermodynamic decomposition voltage to be applied via the electrolysis cell forms a thermodynamically ideal limiting case, the physicochemical effects such No account is taken of overvoltages on electrode surfaces, the aforementioned 1.23 V saved voltage can never be achieved in real processes.
  • US Pat. No. 5,733,430 discloses a gas diffusion electrode for use in sodium chloride electrolysis, in which case oxygen may be present in an alkaline solution, which is reduced by means of the disclosed electrode.
  • the disclosed gas diffusion electrode consists of a gas- and liquid-permeable layer of metal, on the surface of which a catalyst material is applied, and a gas- and liquid-permeable metal collector, which is connected to the gas- and liquid-permeable layer of metal.
  • the catalyst material is a mixture of silver and / or gold particles, as well as particles containing a fluorine compound to increase the hydrophobicity of the surface.
  • the aforementioned gas and liquid permeability is achieved according to US 5,733,430 by forming the layer of metal and the metal collector as a porous material, such as a screen or grid, or as a sintered structure.
  • a porous material such as a screen or grid
  • metal collector hole diameter 1 to 55 mm are disclosed.
  • Metal collector and layer of metal are usually in surface contact with each other and consist at least on their respective surface of silver and / or gold.
  • Such an electrode is disadvantageous because it can be assumed by an areal embodiment of an optionally lower chemical attack surface on the electrode material, but at the same time thereby a structurally disadvantageous, because necessarily large-area electrode results.
  • a possible reduction of oxygen is possible only with the use of a plurality of large-area electrodes according to the disclosure according to US Pat. No. 5,733,430, or alternatively under disproportionately increased current flow.
  • US 2007/0095676 A1 discloses another electrode and electrolysis cell construction in which the reactions according to formulas (I) and (II) can be carried out under the application of voltage.
  • the cathode is designed as an oxygen-consuming cathode similar to that disclosed in US 5,733,430.
  • the electrolytic cell according to US 2007/0095676 A1 using such oxygen-consuming cathodes can be designed in two types. Either there is a gap between the cathode and the polymer membrane located between cathode and anode, through which water and / or alkali is passed, or the cathode is directly on the aforementioned polymer membrane, on which in turn rests directly on the anode.
  • the electrode surfaces of US 2007/0095676 A1 are likewise not disclosed as being deliberately structured.
  • the first embodiment according to US 2007/0095676 Al is disadvantageous, because in this way a further ohmic resistance in the form of the aforementioned gap, through the water and / or Lye is guided, is present, but must be overcome, so that a current flow for the reduction of oxygen takes place.
  • the second embodiment according to US 2007/0095676 A1 is disadvantageous, because although the aforementioned ohmic resistance is no longer present, on the other hand, however, the oxygen-consuming cathode can no longer operate as efficiently, since now the influx of molecularly dissolved oxygen in the liquid, which is to be reduced, an electrolyte flow precludes that could be formerly behind the oxygen-consuming cathode.
  • US 2007/0095676 A1 discloses that in this embodiment the hydroxide ions formed from the oxygen have to be conducted away from the electrode surface in the form of sodium hydroxide solution. In order for a stronger driving force of the oxygen to the cathode surface is present, which may compensate for this disadvantage, in turn, a higher voltage must be applied, which in turn, as described above, is disadvantageous.
  • US Pat. No. 6,117,286, which refers to the aforementioned US 2007/0095676 A1 and in particular seeks to solve the technical disadvantage of the first embodiment with a gap between the oxygen-consuming cathode and the polymer membrane, discloses an arrangement which is similar to the second embodiment of US 2007/0095676 Al is, but differs in that there is another layer of a hydrophilic, liquid-permeable material between the oxygen-consuming cathode and the polymer membrane.
  • US Pat. No. 6,117,286 further discloses that the surface geometry of the cathode and anode sides can also be non-planar.
  • the variation in surface geometry of US 6,117,286 is performed to allow for better drainage of hydroxide ion-comprising liquid from the layer of a hydrophilic, liquid-permeable material. Therefore, the cathode surface is provided with recesses through which the layer of hydrophilic, liquid-permeable material passes.
  • This embodiment is disadvantageous in that it requires sacrificing electrode surface of the oxygen-consuming cathode, which, in turn, if one wishes to recover the original performance of the uninterrupted oxygen-consuming cathode, either in a necessary increase in the energy used (in the form of increased voltage and / or current) or in one necessary larger design results. Both variants are economically disadvantageous.
  • a certain advantage of structured surfaces in connection with electrolytic processes is disclosed in US Pat. No. 3,493,487.
  • US Pat. No. 3,493,487 discloses an electrolysis device which consists of anodes and cathodes which can also be separated from one another by means of coating the cathode surface.
  • the structuring of the cathode surface is done according to the US 3,493,487 by metal plates having small openings, which in turn are supported by a corrugated structure in their interior in terms of stability.
  • the disclosed arrangement clearly does not relate to membrane-supported electrolysis processes.
  • a device for the electrolytic reduction of oxygen comprising a first electrode (1) as anode, a polymer membrane (2) and a second gas and liquid-permeable electrode (3) as cathode, characterized in that the second electrode (3) rests on the polymer membrane (2) at punctiform and / or linear contact points, this task can be solved.
  • the first electrode (1) is usually designed in the form of a plate, a flat mesh, a flat grid or a flat fabric.
  • the first electrode (1) may also rest on punctiform and / or linear contact points on the polymer membrane (2).
  • the first electrode (1) is in the form of a plate, it may be porous or non-porous.
  • the first electrode (1) is designed in the form of a porous plate, a flat mesh, a flat grid or a flat fabric.
  • the first electrode (1) is designed in the form of a porous plate. If the first electrode (1) is made porous, it is at the same time also permeable to gas and liquids.
  • gas and liquid-permeable designates the property of the respective electrode that it does not prevent permeation of gas when high overpressures are applied.
  • these electrodes counteract such a permeation by Kapilardsche counterpressure, so that no gas permeation takes place in the process according to the invention for chloralkali electrolysis.
  • the preferred and particularly preferred embodiments of the first electrode (1) are advantageous because they have a particularly large specific surface area per component volume due to the porous or open-pored design.
  • the particularly preferred embodiment of the first electrode (1) is even more advantageous because, in addition to the above-mentioned particularly large specific surface area per component volume, it additionally has a high mechanical stability which stabilizes the entire device.
  • the first electrode (1) usually consists of a material selected from the list consisting of carbon black, graphite, carbon nanotubes, titanium, titanium alloys and special metal alloys.
  • Preferred materials of which the first electrode (1) consists are those selected from the list consisting of graphite, titanium, titanium alloy and special metal alloys well known to those skilled in the art by the names Hastelloy and Incolloy.
  • the aforementioned first electrode (1) may also be coated.
  • this first electrode (1) is coated with a material selected from the list consisting of ruthenium oxide (RuO 2 ) and iridium oxide (IrO 2 ).
  • the aforementioned materials are advantageous because they are generally characterized by a good electrical conductivity, but at the same time by a good chemical stability to the electrolyte solutions comprising sodium chloride and / or hydrogen chloride and / or chlorine on the anode side, which is the use of the device in the In connection with the chlorine electrolysis is of particular advantage.
  • chemically stable in the context of the present invention is meant a material which, under the operating conditions of the device, does not chemically react with the surrounding electrolyte solutions, e.g. comprising sodium chloride and / or hydrogen chloride and / or chlorine.
  • the polymer membrane (2) is usually a polymer membrane, which the person skilled in the art generally knows by the name cation exchange membrane.
  • Preferred polymer membranes (2) include polymeric perfluorosulfonic acids.
  • the polymer membrane (2) may also comprise reinforcing fabrics of other chemically stable materials, preferably fluorinated polymers, and more preferably polytetrafluoroethylene.
  • the preferred polymer membranes (2) are advantageous because they are cation exchange membranes and thus promote the permeation of ions through the membrane. This in turn leads to a lower ohmic resistance across the membrane, which reduces the voltage necessary to achieve a current flow.
  • the thickness of the polymer membrane (2) is usually less than 1 mm.
  • the thickness of the membrane is less than 500 microns, more preferably less than 400 microns, most preferably less than 250 microns.
  • the small thicknesses of the membrane are particularly advantageous, because in this way the necessary voltage in the device can be chosen to be lower, since the ohmic resistance is reduced.
  • the second electrode (3) is gas- and liquid-permeable and can be designed for this purpose in the form of a porous material, a mesh, a grid or a fabric.
  • the second electrode (3) is designed in the form of a net, a grid or a fabric.
  • the second electrode (3) is designed in the form of a net or a grid.
  • the preferred and particularly preferred embodiments as mesh or grid of the second electrode (3) are advantageous because such embodiments can be obtained easily from the materials of the second electrode (3) described below, and because they can easily be deformed such that the punctiform and / or linear contact points according to the invention with the polymer membrane (2) can be obtained when in contact.
  • the second electrode (3) usually consists of a material selected from the list consisting of carbon black, graphite, carbon nanotubes, nickel, silver, titanium, titanium alloys and special metal alloys.
  • the material of the second electrode (3) is nickel, silver and / or titanium, and their alloys.
  • On the second electrode (3) may be a coating or not.
  • a coating is located on the second electrode (3).
  • the first electrode (1) may also be coated in the same or similar manner as the second electrode (3). If a coating is present on the second electrode (3), it is usually a coating comprising a conductive metal and a fluorinated polymer.
  • Conductive metals which are preferably present in the coating on the second electrode (3) are those selected from the list consisting of iron, manganese, cobalt, gold, iridium, copper, platinum, palladium, osmium, iridium, rhodium, ruthenium and Silver.
  • the oxides of the abovementioned conductive metals and / or their alloys and / or mixtures thereof may likewise preferably be present in the coating of the second electrode (3).
  • a preferred fluorinated polymer is polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the preferred coating of the second electrode (3) is advantageous because it is possible by means of the ratios of conductive metal and fluorinated polymer, as well as by suitable choice of the conductive metal and the fluorinated polymer in a simple manner to those skilled in the second electrode (3) the hydrophilicity / hydrophobicity, as well as in terms of chemical stability to adapt to the requirements of the method in which the device according to the invention is to be used, while at the same time the Ohmic resistance generated by the additional coating on the second electrode (3) can be kept small.
  • the coating on the second electrode (3) has a proportion of more than 80% by weight of silver, particularly preferably 90% by weight of silver, particularly preferably more than 95% by weight of silver.
  • the coating on the second electrode (3) has a proportion of polytetrafluoroethylene of less than 20% by weight, particularly preferably less than 10% by weight, very particularly preferably from 0.2 to 7 % By weight.
  • the second electrode (3) is according to the invention at point and / or line-shaped contact points on the polymer membrane (2).
  • the second electrode (3) is in a spatial direction wavy or serrated and is located at line-shaped contact points on the polymer membrane (2).
  • the second electrode (3) is corrugated or serrated in two spatial directions and is located at punctiform contact points on the polymer membrane (2).
  • the second electrode (3) is corrugated or jagged in a first region in a spatial direction and lies in this first region at linear contact points on the polymer membrane (2) and is in a second region in two spatial directions wavy or serrated and is located at point-shaped contact points on the polymer membrane (2).
  • Wavy or serrated in one or in two spatial directions means that the second electrode (3) is formed in spatial directions perpendicular to the surface of the polymer membrane (2) on which it rests in a punctiform or linear manner.
  • Particularly preferred embodiments of such in one and / or two spatial directions corrugated and / or serrated second electrodes (3) are characterized in that the formation relative to the point and / or line-shaped contact points with the polymer membrane a distance of 0.1 to 5 mm at the furthest point of the polymer membrane of a respective formation.
  • An example of a corrugated in a spatial direction embodiment is the execution of the second electrode (3) in the form of a corrugated sheet of the erfmdunumbleen porous materials, nets, meshes or fabrics.
  • An example of an embodiment jagged in a spatial direction is the execution of the second electrode (3) in the form of a zigzag sheet of the porous materials, meshes, meshes or fabrics according to the invention.
  • An example of a corrugated embodiment in two directions is the execution of the second electrode (3) in the form of a periodically bulging sheet of the porous materials, nets, meshes or fabrics according to the invention.
  • An example of an embodiment jagged in two spatial directions is the execution of the second electrode (3) in the form of a periodically pyramidal plate made of the porous materials, nets, meshes or fabrics of the invention.
  • the embodiment of the invention of the second electrode (3) in which this rests on the polymer membrane (2) at point and / or linear contact points, is particularly advantageous because by direct contact with the polymer membrane (2) of the ohmic resistance at such locations becomes minimal and at the same time at the points where the direct contact is not established, a space is formed through which the hydroxide ions formed can be removed without being countercurrent to the oxygen, which is to be brought into contact with the second electrode of the second electrode (3) must be removed.
  • both a low ohmic resistance over the direct contact, and at the same time a lower ohmic resistance is achieved by eliminating a diffusive inhibition of the transport of oxygen. Overall, therefore, the necessary voltage is minimized.
  • the embodiment of the second electrode (3) according to the first preferred embodiment is particularly preferred as wavy or serrated in a spatial direction.
  • the embodiment of the second electrode (3) according to the first preferred embodiment is wavy or serrated in one spatial direction, the angle between the polymer membrane (2) and each jagged embodiment being from 5 ° to 80 ° from 20 ° to 75 °, more preferably from 30 ° to 70 °.
  • the first electrode (1) may also be configured as has just been disclosed in connection with the second electrode.
  • Another object of the present invention is a method for producing an apparatus for the electrolytic reduction of oxygen, in which a first electrically conductive material is fixed at a distance of up to 5 mm to a polymembrane or connected to it, and in which Polymer polymer a second electrically conductive, porous material is punctiform and / or linearly connected, characterized in that the second electrically conductive, porous material, before it is connected to the polymer membrane, in one or two spatial directions wavy or serrated is formed.
  • the first electrically conductive material is that which has already been disclosed in connection with the device according to the invention as the material of the first electrode (1).
  • the polymer membrane is that already disclosed in connection with the device according to the invention as a polymembrane (2).
  • the second electrically conductive, porous material is that which has already been disclosed in connection with the device according to the invention as material of the second electrode (3).
  • the aforementioned materials have an advantageous effect, since they all have a high specific conductivity, but at the same time are easily deformable, so that the method according to the invention can be carried out in a simple manner.
  • the corrugated or serrated shaping in one or two spatial directions can be carried out by means of generally known methods from the processing technology of metals. Such processes include deep drawing, bending, stretching, (hot) pressing, etc. of metal materials.
  • the second electrically conductive, porous material is subjected to a coating before it is brought into contact with the polymer membrane (2).
  • Coating takes place in the context of the preferred embodiment, first by treating the second electrically conductive, porous material with a mixture comprising at least a proportion of metal powder and a proportion of particles of a fluorinated polymer.
  • the mixture is a suspension.
  • the treatment may be immersion in or spraying with the suspension.
  • the liquid in which the suspension of the aforementioned particles is present may be water or else an organic solvent. When an organic solvent is used, it is an organic solvent which can not dissolve the fluorinated polymer.
  • the suspension may also comprise a thickener.
  • Thickeners are those substances which can be dissolved in the liquid used to prepare the suspension and which significantly increase the dynamic viscosity of the liquid even in small amounts.
  • Non-exhaustive examples of such thickeners are, for example, the derivatives of cellulose, such as hydroxypropylcellulose, methylcellulose, ethylcellulose etc.
  • a thickener is used and this is particularly preferably methylcellulose.
  • the suspension may further comprise a detergent.
  • Detergents are, for example, ionic or nonionic surfactants, such as the substances commonly known by the trade name family Tween or the substances known by the trade name family Triton. _ _
  • a detergent is used, and this is particularly preferably Triton-X 100.
  • the suspension used for coating the second electroconductive porous material usually comprises a proportion of 10 to 70% by weight of the metal powder and a proportion of 0.1 to 20% by weight of the particles of the fluorinated polymer.
  • the suspension contains from 30 to 80% by weight of water, from 10 to 70% by weight of the metal powder, from 0.1 to 20% by weight of the particles of the fluorinated polymer, of 0.05 to 1.5% by weight of the thickener and from 0.1 to 2% by weight of the detergent, the proportions adding to 100% by weight.
  • the material obtained is usually dried within the preferred further development and subsequently sintered.
  • the drying can also take place in the sense of a hot pressing together with the shaping according to the method according to the invention.
  • the drying is usually carried out at temperatures of 60 0 C to 200 0 C.
  • the drying according to the further preferred development is carried out as hot pressing with simultaneous shaping, the drying is carried out under elevated pressure (1013 hPa), wherein the pressure through a mechanical device comprising a negative mold to the formation of the resulting second electrically conductive, porous Material is applied.
  • elevated pressure (1013 hPa)
  • the drying is advantageous because it allows the residues of liquid in the suspension to be coated to coat the second electrically conductive, porous material, so that these residues can not remain as a film on the surface and thus increase the ohmic resistance.
  • the sintering is usually carried out at temperatures of 200 0 C to 400 0 C.
  • the sintering is advantageous because it allows the remainders to be removed from thickeners and / or detergents which may still be present on the surface of the second electrically conductive, porous material by being converted into gaseous compounds, for example carbon dioxide and water vapor. Thus, they can not remain as a film on the surface and thus increase the ohmic resistance, which would be disadvantageous.
  • the fluorinated polymers usually do not yet have significant vapor pressure at these temperatures, or decompose at these temperatures to a considerable extent, so that they merely soften and, together with the metal powder, already at the interfaces with the second electrically conductive, porous Material as well as self-sintered results in a conductive, but chemically stabilizing film.
  • a coating is thus obtained on the second electrically conductive, porous material which essentially consists only of the material of the metal powder and small amounts of fluorinated polymer.
  • Such a layer is advantageous because it also has high conductivity and favorable chemical stability together with a desired hydrophilicity.
  • the joining of the first electrically conductive material with the polymembrane and the optionally coated second electrically conductive, porous material can be achieved by mechanical elements, such as frames or clamping elements, but also by a joining in the sense of a pressing (hot) according to the further described above Further development takes place during coating.
  • Another object of the present invention is the use of the device according to the invention or the devices obtained according to the inventive method in processes for the electrochemical reduction of oxygen and / or to electrochemical oxidation of chloride to chlorine.
  • a final object of the present invention is a process for chloralkali electrolysis in which two reaction zones chlorine and sodium hydroxide separated in two from each other by a polymer membrane (2) surrounded by two electrodes (1 and 3) are formed electrochemically, wherein in the first reaction zone a sodium chloride solution is present and the other reaction zone is a solution comprising molecularly dissolved oxygen, characterized in that the reaction zone, in which the solution comprising molecularly dissolved oxygen is brought into contact with a gas and liquid-permeable electrode (3), which corrugated in one and / or two spatial directions and / or jagged against the polymer membrane (2) on which it rests, and in that the sodium chloride solution is brought into contact with a gas- and liquid-permeable electrode (1) and wherein between the two electrodes a voltage of less than 2.3 V is created.
  • Preferred embodiments of the method according to the invention with regard to the electrodes (1 and 3) used in the method, or with regard to the polymer membrane (2) used in the method according to the invention, include the embodiments described within the scope of the device according to the invention.
  • the erfmdungswashe method is usually operated by a current density of 2 to 10 kA / m 2 is provided at the voltage described above.
  • a voltage of less than 2 V is applied at a current density of 2 to 6 kA / m 2 .
  • Such methods are particularly advantageous because at the same time a reduction of oxygen and an oxidation of chloride to chlorine is possible by the reduced voltage at the aforementioned current densities with the use of reduced power compared to the prior art.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to figures and examples, without, however, restricting them thereto.
  • FIGS. 1 to 3 show preferred embodiments of an electrode of the device according to the invention using a grid.
  • FIGS. 4 to 6 show preferred embodiments of the device according to the invention using the electrodes illustrated in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 7 shows a comparison of the course of cell voltage over current density for a method according to the invention and a method not according to the invention.
  • Fig. 1 shows specifically a serrated formation in a spatial direction of an electrode of the device according to the invention of a grid material.
  • a a plan view of an electrode surface is shown, and in (b), a sectional view taken along the line A-A of FIG. 1 (a) of the same electrode is shown.
  • Fig. 2 shows specifically a corrugated shape in a spatial direction of an electrode of the device according to the invention of a grid material.
  • a a plan view of an electrode surface is shown, and in (b), a sectional view taken along the line A-A of FIG. 2 (a) of the same electrode is shown.
  • FIG. 3 specifically shows a serrated formation in two spatial directions of an electrode of the device according to the invention of a grid material.
  • a plan view of an electrode surface is shown, and
  • (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 3 (a) of the same electrode, while FIG. 3 (c) is a sectional view taken along the line BB ,
  • FIG. 4 shows in a side view in particular a first embodiment of the device according to the invention, comprising a first electrode (1) in the form of a fabric which is flat and rests with the entire surface of one side on a polymer membrane (2), and a second electrode (3 ), according to the embodiment shown in Fig. 1, which rests in line-shaped contact points on the polymer membrane (2).
  • FIG. 5 shows, in particular in a side view, a second embodiment of the device according to the invention, comprising a first electrode (1) in the form of a net, according to the embodiment shown in FIG. 2, which rests in linear contact points on the polymer membrane (2) and a second one Electrode (3), according to the embodiment shown in Fig. 1, which also rests in linear contact points on the polymer membrane (2).
  • 6 shows in particular in (a) and (b) the two side views of a third embodiment of the device according to the invention comprising a first electrode (1) in the form of a fabric which is planar and with the entire surface of one side on a polymer membrane (2). rests, and a second electrode (3), according to the embodiment shown in Fig. 3, which rests in punctiform contact points on the polymer membrane (2).
  • Example 7 shows the profile of the cell voltage (S) in volts as a function of the current density (A) in kA / m 2 for the chloralkali electrolysis according to the inventive method, in particular according to the data from Example 7 (dots and thick dashed line), as well as for the Chloralkalielektrolyse according to a method not according to the invention, in particular according to the data from comparison in game 7 (triangles and thin solid line).
  • Level nickel nets (Haver and Boecker) with a mesh size of 0.5 mm and a wire thickness of 0.1 mm were coated with various suspensions according to Table 1 coated by first sprayed with the suspensions 1 to 3, then at 130 0 C in 60 ° angles at intervals of 3 mm to form a planar surface formed by bending, and then sintered at 34O 0 C.
  • Comparative Examples 1-3 Manufacture of non-inventive electrodes
  • Electrodes prepared analogously to Examples 1-3, with the only difference that they are not transformed, but remain in a flat form.
  • EXAMPLES 4-6 Production of Inventive Devices with Electrodes According to Examples 1-3
  • the electrodes according to Examples 1-3 were used as cathodes with a standard electrode (DeNora GmbH) made of titanium as an anode and a polymer membrane made of Nafion 982WX (Fa. DuPont) were tentered together to form an electrolytic cell and the electrodes were further electrically connected via a voltage and current source.
  • the free projection surface, which in the case of the planar anode is the same as the active one - -
  • the active surface of the electrodes according to Examples 1-3 was 48 cm 2 each due to the shaping.
  • Comparative Examples 4-6 Fabrication of Inventive Devices with Electrodes According to Comparative Examples 1-3 Electrolysis cells were prepared according to those of Examples 4-6, with the only difference being that instead of the electrodes of Examples 1-3, now those of Comparative Examples 1-3 were used and that a gap of 3 mm was provided between the electrodes of Comparative Examples 1-3 and the polymer membrane. These were flat and therefore had an active surface area of 25 cm 2 each.
  • Example 7 Chlor-alkali electrolysis process with apparatus according to Example 4
  • the electrolysis cell according to Example 4 (electrode according to Example 1) was used in a vessel, so that two reaction zones formed separately through the electrolysis cell.
  • a 30 wt .-%, aqueous sodium hydroxide solution was filled while a 20 wt .-% aqueous Nat ⁇ umchlo ⁇ dicide was filled on the side of the standard electrode. Both solutions were recirculated against a large receiver tank into the respective reaction zones to achieve an approximately constant concentration of ingredients over an operating period of 100 hours.
  • the overpressure on the side of the soda lye solution was about 180 mbar, the oxygen overpressure of the oxygen introduced into the sodium hydroxide solution constituting an excess pressure of 30 mbar and the remaining overpressure of 150 mbar resulting from the elevated master vessel of the sodium hydroxide solution.
  • the process was carried out at a temperature of 90 ° C.
  • Example 7 shows that at the same current densities, the device according to the invention does not show a significant increase of 130 mV at 4 kA / m2 Device according to the invention requires reduced cell voltage.
  • the gap was halved to only 1.5 mm.
  • only a reduction of the cell voltage of about 60 mV at 4 kA / m 2 was measured. This ruled out that the advantageous effect of the device according to the invention was attributable only to an average reduction in the gap width between the second electrode and the polymer membrane.

Abstract

The invention relates to a novel gas diffusion electrode for oxygen reduction, preferably used in chlorine-alkali electrolysis.

Description

Strukturierte Gasdiffusionselektrode für Elektrolvsezellen Structured gas diffusion electrode for electrolysis cells
Die Erfindung betrifft eine neuartige Gasdiffusionselektrode für die Sauerstoffreduktion, die bevorzugt bei der Chlor-Alkali-Elektrolyse Verwendung findet.The invention relates to a novel gas diffusion electrode for the oxygen reduction, which is preferably used in the chlor-alkali electrolysis.
Die Reduktion von Sauerstoff mittels elektrochemischer Verfahren und Vorrichtungen ist ein wesentlicher Prozess etwa bei der Herstellung von Chlor. Hierbei werden insbesondere Gasdiffusionselektroden zur Reduktion von Sauerstoff eingesetzt, die allgemein auch unter dem Begriff der Sauerstoffverzehrkathode bekannt sind.The reduction of oxygen by means of electrochemical processes and devices is an essential process, for example in the production of chlorine. In this case, in particular gas diffusion electrodes are used for the reduction of oxygen, which are generally known under the term of the oxygen-consuming cathode.
In allgemein bekannten Elektrolysezellen, wird auf der Anodenseite üblicherweise unter Anlegen einer Spannung Chlorid (aus Natriumchlorid-Lösungen) zu Chlor gemäß Formel (I) oxidiert, während auf der Kathodenseite Wasser zu Wasserstoff gemäß Formel (II) reduziert wird.In generally known electrolysis cells, on the anode side usually under application of a voltage chloride (from sodium chloride solutions) is oxidized to chlorine according to formula (I), while on the cathode side water to hydrogen according to formula (II) is reduced.
2 - CΪ → Cl2 + 2 - e" E0 = +1,36 V (I)2 - CΪ → Cl 2 + 2 - e " E 0 = +1.36 V (I)
2 H2O + 2 e" → 2 OH' + H2 E0 = - 0,83 V (II)2 H 2 O + 2 e " → 2 OH ' + H 2 E 0 = - 0.83 V (II)
Die damit mindestens über die Elektrolysezelle anzulegende, thermodynamische Zersetzungsspannung für die Oxidation und Reduktion gemäß der Kombination aus Formel (I) und (II) beträgt dann 2,19 V.The thermodynamic decomposition voltage for the oxidation and reduction according to the combination of formulas (I) and (II) to be applied at least over the electrolysis cell is then 2.19 V.
Wenn es durch den Einsatz einer Sauerstoffverzehrkathode auf der Kathodenseite gelingt, die eigentlich unerwünschte Wasserstoffbildung gemäß Formel (II) zu unterbinden und eine Reaktion gemäß Formel (III) auszuführen, in der Sauerstoff elektrochemisch zu Hydroxidionen reduziert wird, O2 + 2 H2O + 4e~ → 4 OH" ; E0 = +0,4 V (III) kann die über die Elektrolysezelle anzulegende, thermodynamische Zersetzungsspannung für die Oxidation und Reduktion gemäß der Kombination aus Formel (I) und (III) auf 0,96 V reduziert werden. Somit ist eine Verringerung der notwendigen Zersetzungsspannung um 1 ,23 V theoretisch möglich. Da es sich, wie gerade beschrieben, bei den vorgenannten Potentialen und Reaktionen gemäß der Formeln (I) bis (III) um thermodynamisch ideale Grenzfälle handelt und somit auch die vorgenannte über die Elektrolysezelle anzulegende, thermodynamische Zersetzungsspannung einen thermodynamisch idealen Grenzfall bildet, der physikochemische Effekte, wie Überspannungen an Elektrodenoberflächen unberücksichtigt lässt, sind die vorgenannten 1,23 V eingesparte Spannung nie in realen Verfahren zu erreichen.If, by using an oxygen-consuming cathode on the cathode side, it is possible to prevent the undesired hydrogen formation according to formula (II) and to carry out a reaction according to formula (III) in which oxygen is reduced electrochemically to hydroxide ions, O 2 + 2 H 2 O + 4e ~ → 4 OH " ; E 0 = +0.4 V (III) can be the thermodynamic decomposition voltage to be applied across the electrolytic cell for the oxidation and reduction according to the combination of formulas (I) and (III) to 0.96 Thus, it is theoretically possible to reduce the necessary decomposition voltage by 1.23 V. Since, as just described, the abovementioned potentials and reactions according to the formulas (I) to (III) are thermodynamically ideal limiting cases and thus The thermodynamic decomposition voltage to be applied via the electrolysis cell forms a thermodynamically ideal limiting case, the physicochemical effects such No account is taken of overvoltages on electrode surfaces, the aforementioned 1.23 V saved voltage can never be achieved in real processes.
Jegliche Einsparungen solcher notwendigen Spannungen führen in großtechnischen Verfahren zu beträchtlichen Einsparpotentialen hinsichtlich der den Verfahren zuzuführenden elektrischen Energie, deren Preis insbesondere in den vergangenen Jahren einem stetigen Zuwachs unterworfen ist. Die vorgenannten Überspannungen sind zu einem gewissen Anteil durch die Bauweise der verwendeten Elektroden hervorgerufen, die etwa unnötige Ohmsche Widerstände hervorrufen.Any savings of such necessary voltages lead in large-scale processes to considerable savings in terms of the electrical energy supplied to the process, the price of which is subject to a steady increase, especially in recent years. The aforementioned overvoltages are caused to a certain extent by the design of the electrodes used, which cause about unnecessary ohmic resistance.
So offenbart die US 5,733,430 eine Gasdiffusionselektrode zur Verwendung in der Natriumchloridelektrolyse, wobei hierbei in einer alkalischen Lösung Sauerstoff vorliegen kann, der mittels der offenbarten Elektrode reduziert wird. Die offenbarte Gasdiffusionselektrode besteht aus einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Schicht aus Metall, auf deren Oberfläche ein Katalysatormaterial aufgebracht ist, sowie einem gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Metallkollektor, der mit der gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Schicht aus Metall verbunden ist. Das Katalysatormaterial ist eine Mischung von Silber und/oder Goldpartikeln, sowie von Partikeln enthaltend eine Fluorverbindung, um die Hydrophobizität der Oberfläche zu erhöhen. Die vorgenannte Gas- und Flüssigkeitsdurchlässigkeit wird gemäß der US 5,733,430 erreicht, indem die Schicht aus Metall und der Metallkollektor als poröses Material, wie etwa als Sieb oder Gitter, oder als Sinterstruktur ausgebildet sind. Für den Metallkollektor werden hierzu Lochdurchmesser von 1 bis 55 mm offenbart. Metallkollektor und Schicht aus Metall sind üblicherweise in flächigem Kontakt miteinander und bestehen zumindest an ihrer jeweiligen Oberfläche aus Silber und/oder Gold.Thus, US Pat. No. 5,733,430 discloses a gas diffusion electrode for use in sodium chloride electrolysis, in which case oxygen may be present in an alkaline solution, which is reduced by means of the disclosed electrode. The disclosed gas diffusion electrode consists of a gas- and liquid-permeable layer of metal, on the surface of which a catalyst material is applied, and a gas- and liquid-permeable metal collector, which is connected to the gas- and liquid-permeable layer of metal. The catalyst material is a mixture of silver and / or gold particles, as well as particles containing a fluorine compound to increase the hydrophobicity of the surface. The aforementioned gas and liquid permeability is achieved according to US 5,733,430 by forming the layer of metal and the metal collector as a porous material, such as a screen or grid, or as a sintered structure. For the metal collector hole diameter of 1 to 55 mm are disclosed. Metal collector and layer of metal are usually in surface contact with each other and consist at least on their respective surface of silver and / or gold.
Die US 5,733,430 offenbart keine Strukturierung der Oberfläche der erhaltenen Elektroden. Die Ausführungsbeispiele legen wegen des offenbarungsgemäßen Zusammenpressens von Schicht aus Metall und Metallkollektor nahe, dass es sich um eine ebene, flache Ausführungsform handelt.US 5,733,430 does not disclose structuring the surface of the resulting electrodes. The embodiments suggest that it is a flat, flat embodiment because of the concurrent compression of the metal and metal collector layer.
Eine solche Elektrode ist nachteilig, weil durch ihre flächige Ausführungsform zwar von einer gegebenenfalls geringeren chemischen Angriffsfläche auf das Elektrodenmaterial ausgegangen werden kann, zugleich aber hierdurch eine baulich nachteilige, weil notwendigerweise großflächige Elektrode resultiert. Damit ist eine eventuelle Reduktion von Sauerstoff nur unter Einsatz mehrerer, großflächiger Elektroden gemäß der Offenbarung nach der US 5,733,430, oder alternativ unter überproportional erhöhtem Stromfluss möglich. Die US 2007/0095676 Al offenbart eine weitere Elektroden- und Elektrolysenzellenbauweise, in der die Reaktionen gemäß den Formeln (I) und (II) unter Anlegen von Spannung ausgeführt werden können. Die Kathode ist als Sauerstoffverzehrkathode ähnlich zu jener in der Offenbarung der US 5,733,430 ausgeführt. Die Elektrolysezelle gemäß der US 2007/0095676 Al unter Verwendung solcher Sauerstoffverzehrkathoden kann in zwei Bauformen ausgeführt sein. Entweder ist zwischen der Kathode und der zwischen Kathode und Anode befindlichen Polymermembran ein Spalt, durch den Wasser und/oder Lauge geführt wird, oder die Kathode liegt direkt auf der vorgenannten Polymermembran auf, auf der wiederum direkt die Anode aufliegt. Die Elektrodenoberflächen der US 2007/0095676 Al werden ebenfalls nicht als gezielt strukturiert offenbart. Die erste Ausführungsform gemäß der US 2007/0095676 Al ist nachteilig, weil hierdurch ein weiterer Ohmscher Widerstand in Form des vorgenannten Spalts, durch den Wasser und/oder Lauge geführt wird, vorliegt, der aber überwunden werden muss, damit ein Stromfluss zur Reduktion von Sauerstoff stattfindet.Such an electrode is disadvantageous because it can be assumed by an areal embodiment of an optionally lower chemical attack surface on the electrode material, but at the same time thereby a structurally disadvantageous, because necessarily large-area electrode results. Thus, a possible reduction of oxygen is possible only with the use of a plurality of large-area electrodes according to the disclosure according to US Pat. No. 5,733,430, or alternatively under disproportionately increased current flow. US 2007/0095676 A1 discloses another electrode and electrolysis cell construction in which the reactions according to formulas (I) and (II) can be carried out under the application of voltage. The cathode is designed as an oxygen-consuming cathode similar to that disclosed in US 5,733,430. The electrolytic cell according to US 2007/0095676 A1 using such oxygen-consuming cathodes can be designed in two types. Either there is a gap between the cathode and the polymer membrane located between cathode and anode, through which water and / or alkali is passed, or the cathode is directly on the aforementioned polymer membrane, on which in turn rests directly on the anode. The electrode surfaces of US 2007/0095676 A1 are likewise not disclosed as being deliberately structured. The first embodiment according to US 2007/0095676 Al is disadvantageous, because in this way a further ohmic resistance in the form of the aforementioned gap, through the water and / or Lye is guided, is present, but must be overcome, so that a current flow for the reduction of oxygen takes place.
Die zweite Ausführungsform gemäß der US 2007/0095676 Al ist nachteilig, weil zwar der vorgenannte Ohmsche Widerstand nicht mehr vorhanden ist, auf der anderen Seite aber die Sauerstoffverzehrkathode nicht mehr so effizient arbeiten kann, da nun dem Zustrom von molekular in der Flüssigkeit gelöstem Sauerstoff, der reduziert werden soll, ein Elektrolytstrom entgegensteht, der vormals hinter der Sauerstoffverzehrkathode geführt werden konnte. So offenbart die US 2007/0095676 Al, dass in dieser Ausführungsform die aus dem Sauerstoff gebildeten Hydroxidionen in Form von Natronlauge von der Elektrodenoberfläche weggeführt werden müssen. Damit eine stärkere Triebkraft des Sauerstoffs zu der Kathodenoberfläche vorliegt, die gegebenenfalls diesen Nachteil ausgleichen kann, muss wiederum eine höhere Spannung angelegt werden, was wiederum, wie zuvor beschrieben, nachteilig ist.The second embodiment according to US 2007/0095676 A1 is disadvantageous, because although the aforementioned ohmic resistance is no longer present, on the other hand, however, the oxygen-consuming cathode can no longer operate as efficiently, since now the influx of molecularly dissolved oxygen in the liquid, which is to be reduced, an electrolyte flow precludes that could be formerly behind the oxygen-consuming cathode. For example, US 2007/0095676 A1 discloses that in this embodiment the hydroxide ions formed from the oxygen have to be conducted away from the electrode surface in the form of sodium hydroxide solution. In order for a stronger driving force of the oxygen to the cathode surface is present, which may compensate for this disadvantage, in turn, a higher voltage must be applied, which in turn, as described above, is disadvantageous.
In der US 6,117,286, die auf die vorgenannte US 2007/0095676 Al Bezug nimmt und insbesondere den Nachteil der ersten Ausführungsform mit einem Spalt zwischen Sauerstoffverzehrkathode und Polymermembran technisch lösen möchte, wird eine Anordnung offenbart, die ähnlich zu der zweiten Ausführungsform der US 2007/0095676 Al ist, sich aber dadurch unterscheidet, dass zwischen der Sauerstoffverzehrkathode und der Polymermembran eine weitere Schicht aus einem hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen Material befindet.US Pat. No. 6,117,286, which refers to the aforementioned US 2007/0095676 A1 and in particular seeks to solve the technical disadvantage of the first embodiment with a gap between the oxygen-consuming cathode and the polymer membrane, discloses an arrangement which is similar to the second embodiment of US 2007/0095676 Al is, but differs in that there is another layer of a hydrophilic, liquid-permeable material between the oxygen-consuming cathode and the polymer membrane.
Zwar kann hierdurch der Abstand zwischen der Anode und der Kathode verringert werden und können zugleich auch die Nachteile der zweiten Ausführungsform gemäß der US 2007/0095676Although this can reduce the distance between the anode and the cathode and at the same time also the disadvantages of the second embodiment according to US 2007/0095676
Al überwunden werden, da nun die Hydroxidionen über die Schicht aus einem hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen Material abgeführt werden können. Auf der anderen Seite führt man hierdurch ein weiteres Material zwischen der Anode und der Kathode ein, das einen weiterenAl are overcome, since now the hydroxide ions can be removed via the layer of a hydrophilic, liquid-permeable material. On the other hand, this introduces another material between the anode and the cathode, which is another
Ohmschen Widerstand hervorruft. Daher bestehen auch nach der Offenbarung der US 6,117,286 die vorgenannten Nachteile, wenn auch gegebenenfalls in verringertem Umfang, fort.Ohmic resistance causes. Therefore, even after the disclosure of US 6,117,286, the aforementioned disadvantages, albeit possibly in a reduced extent, continue.
Die US 6,117,286 offenbart weiter, dass die Oberflächengeometrie der Kathoden- und Anodenseite auch nicht planar ausgeführt sein kann. Allerdings wird die Veränderung der Oberflächengeometrie gemäß der US 6,117,286 ausgeführt, um einen besseren Abfluss von Hydroxidionen umfassender Flüssigkeit aus der Schicht aus einem hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen Material zu ermöglichen. Daher wird die Kathodenoberfläche mit Aussparungen versehen, durch die die Schicht aus hydrophilem, flüssigkeitsdurchlässigem Material hindurch tritt. Diese Ausführungsform ist nachteilig, da hiermit Elektrodenoberfläche der Sauerstoffverzehrkathode geopfert werden muss, was wiederum, wenn man die ursprüngliche Leistungsfähigkeit der undurchbrochenen Sauerstoffverzehrkathode zurückerlangen möchte, entweder in einer notwendigen Erhöhung der aufgewendeten Energie (in Form von erhöhter Spannung und/oder Stromstärke) oder in einer notwendigen größeren Bauform resultiert. Beide Varianten sind wirtschaftlich nachteilig. Eine gewisse Vorteilhaftigkeit von strukturierten Oberflächen im Zusammenhang mit elektrolytischen Vorgängen offenbart die US 3,493,487. In der US 3,493,487 wird eine Elektrolysevorrichtung offenbart, die aus Anoden und Kathoden besteht, die mittels Beschichtung der Kathoden- oberfläche auch voneinander separierbar sind. Die Strukturierung der Kathodenoberfläche geschieht gemäß der US 3,493,487 durch kleine Öffnungen aufweisende Metallbleche, die wiederum durch eine gewellte Struktur in ihrem Inneren hinsichtlich der Stabilität unterstützt werden. Die offenbarte Anordnung bezieht sich jedoch eindeutig nicht auf membrangestützte Elektrolyseverfahren.US Pat. No. 6,117,286 further discloses that the surface geometry of the cathode and anode sides can also be non-planar. However, the variation in surface geometry of US 6,117,286 is performed to allow for better drainage of hydroxide ion-comprising liquid from the layer of a hydrophilic, liquid-permeable material. Therefore, the cathode surface is provided with recesses through which the layer of hydrophilic, liquid-permeable material passes. This embodiment is disadvantageous in that it requires sacrificing electrode surface of the oxygen-consuming cathode, which, in turn, if one wishes to recover the original performance of the uninterrupted oxygen-consuming cathode, either in a necessary increase in the energy used (in the form of increased voltage and / or current) or in one necessary larger design results. Both variants are economically disadvantageous. A certain advantage of structured surfaces in connection with electrolytic processes is disclosed in US Pat. No. 3,493,487. US Pat. No. 3,493,487 discloses an electrolysis device which consists of anodes and cathodes which can also be separated from one another by means of coating the cathode surface. The structuring of the cathode surface is done according to the US 3,493,487 by metal plates having small openings, which in turn are supported by a corrugated structure in their interior in terms of stability. However, the disclosed arrangement clearly does not relate to membrane-supported electrolysis processes.
Die gemäß der US 3,493,487 offenbarte Anordnung ist nachteilig, da entweder keine Trennung zwischen Anodenraum und Kathodenraum mittels einer Membran vorgesehen ist, so dass eineThe arrangement disclosed according to US Pat. No. 3,493,487 is disadvantageous because either no separation between the anode space and the cathode space is provided by means of a membrane, so that a
Vermischung von Anolyt und Katholyt nicht zu verhindern ist; oder wenn eine Beschichtung derMixing of anolyte and catholyte can not be prevented; or if a coating of the
Kathode vorgesehen ist, diese vollständig belegt ist, so dass eine Zuführung von Sauerstoff nur durch die Beschichtung möglich ist und damit die Reduktion von Sauerstoff, wenn überhaupt nur sehr langsam durchgeführt werden kann. Dies resultiert aus der Tatsache, dass der Anwendungsbereich der in der US 3,493,487 offenbarten Anordnung klar nicht die membrangestützte Elektrolyse ist, wie sie etwa in der US 5,733,430, US 2007/0095676 Al oderCathode is provided, this is fully occupied, so that a supply of oxygen only through the coating is possible and thus the reduction of oxygen, if at all can be carried out very slowly. This results from the fact that the scope of the arrangement disclosed in US Pat. No. 3,493,487 is clearly not membrane-based electrolysis, as described, for example, in US Pat. No. 5,733,430, US 2007/0095676 A1 or US Pat
US 6,117,286 als Feld der Anwendung der Vorrichtungen offenbart wird.US 6,117,286 is disclosed as field of application of the devices.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht also nach wie vor die Aufgabe eine Elektrolysezelle für die membrangestützte Elektrolyse umfassend eine Sauerstoffverzehrkathode bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr aufweist.Starting from the prior art, there is still the task of providing an electrolysis cell for membrane-supported electrolysis comprising an oxygen-consuming cathode, which no longer has the disadvantages of the prior art.
Es wurde als erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung nun überraschend gefunden, dass eine Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff, enthaltend eine erste Elektrode (1) als Anode, eine Polymermembran (2) und eine zweite gas- und flüssigkeitsdurchlässige Elektrode (3) als Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) auf der Polymermembran (2) an punkt- und/oder linienförmigen Kontaktstellen aufliegt, diese Aufgabe lösen kann.It has now surprisingly been found, as a first subject of the present invention, that a device for the electrolytic reduction of oxygen, comprising a first electrode (1) as anode, a polymer membrane (2) and a second gas and liquid-permeable electrode (3) as cathode, characterized in that the second electrode (3) rests on the polymer membrane (2) at punctiform and / or linear contact points, this task can be solved.
Die erste Elektrode (1) ist üblicherweise in Form einer Platte, eines ebenen Netzes, eines ebenen Gitters oder eines ebenen Gewebes ausgeführt.The first electrode (1) is usually designed in the form of a plate, a flat mesh, a flat grid or a flat fabric.
In alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch die erste Elektrode (1) an punkt- und/oder linienförmige Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) aufliegen.In alternative embodiments of the device according to the invention, the first electrode (1) may also rest on punctiform and / or linear contact points on the polymer membrane (2).
Ist die erste Elektrode (1) in Form einer Platte ausgeführt, so kann sie porös oder nicht porös sein.If the first electrode (1) is in the form of a plate, it may be porous or non-porous.
Bevorzugt ist die erste Elektrode (1) in Form einer porösen Platte, eines ebenen Netzes, eines ebenen Gitters oder eines ebenen Gewebes ausgeführt.Preferably, the first electrode (1) is designed in the form of a porous plate, a flat mesh, a flat grid or a flat fabric.
Besonders bevorzugt ist die erste Elektrode (1) in Form einer porösen Platte ausgeführt. Ist die erste Elektrode (1) porös ausgeführt, so ist diese zugleich ebenfalls gas- und flüssigkeitsdurchlässig.Particularly preferably, the first electrode (1) is designed in the form of a porous plate. If the first electrode (1) is made porous, it is at the same time also permeable to gas and liquids.
Gas- und flüssigkeitsdurchlässig bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Eigenschaft der jeweiligen Elektrode, dass diese unter Anlegen hoher Überdrücke eine Permeation von Gas nicht verhindert. Üblicherweise setzen diese Elektroden aber einer solchen Permeation durch Kapilardrücke einen Gegendruck entgegen, so dass in den erfindungsgemäßen Verfahren zur Chloralkalielektrolyse keine Gaspermation stattfindet. Gleichzeitig ist aber die Möglichkeit einer Diffusion von molekular in den umgebenden Flüssigkeiten gelösten Stoffen gegeben.In the context of the present invention, gas and liquid-permeable designates the property of the respective electrode that it does not prevent permeation of gas when high overpressures are applied. Usually, however, these electrodes counteract such a permeation by Kapilardrücke counterpressure, so that no gas permeation takes place in the process according to the invention for chloralkali electrolysis. At the same time, however, there is the possibility of diffusion of substances dissolved molecularly in the surrounding fluids.
Die bevorzugten und besonders bevorzugten Ausführungsformen der ersten Elektrode (1) sind vorteilhaft, weil diese durch die poröse oder offenporige Ausführung eine besonders große spezifische Oberfläche pro Bauteilvolumen aufweisen. Die besonders bevorzugte Ausführungsform der ersten Elektrode (1) ist noch vorteilhafter, weil diese neben der vorgenannten besonders großen spezifischen Oberfläche pro Bauteilvolumen zusätzlich noch eine hohe mechanische Stabilität aufweist, die die gesamte Vorrichtung stabilisiert. Die erste Elektrode (1) besteht üblicherweise aus einem Material ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Titan, Titanlegierungen und Sondermetalllegierungen.The preferred and particularly preferred embodiments of the first electrode (1) are advantageous because they have a particularly large specific surface area per component volume due to the porous or open-pored design. The particularly preferred embodiment of the first electrode (1) is even more advantageous because, in addition to the above-mentioned particularly large specific surface area per component volume, it additionally has a high mechanical stability which stabilizes the entire device. The first electrode (1) usually consists of a material selected from the list consisting of carbon black, graphite, carbon nanotubes, titanium, titanium alloys and special metal alloys.
Bevorzugte Materialien aus denen die erste Elektrode (1) besteht, sind jene ausgewählt aus der Liste bestehend aus Graphit, Titan, Titanlegierung und Sondermetalllegierungen, die dem Fachmann unter den Namen Hastelloy und Incolloy allgemein bekannt sind.Preferred materials of which the first electrode (1) consists are those selected from the list consisting of graphite, titanium, titanium alloy and special metal alloys well known to those skilled in the art by the names Hastelloy and Incolloy.
Die vorgenannte erste Elektrode (1) kann auch beschichtet sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist diese erste Elektrode (1) beschichtet mit einem Material ausgewählt aus der Liste bestehend aus Rutheniumoxid (RuO2) und Iridiumoxid (IrO2).The aforementioned first electrode (1) may also be coated. In preferred embodiments, this first electrode (1) is coated with a material selected from the list consisting of ruthenium oxide (RuO 2 ) and iridium oxide (IrO 2 ).
Die vorgenannten Materialien sind vorteilhaft, weil diese sich im Allgemeinen durch eine gute elektrische Leitfähigkeit, zugleich aber auch durch eine gute chemische Stabilität gegenüber den Elektrolytlösungen umfassend Natriumchlorid und/oder Chlorwasserstoff und/oder Chlor auf der Anodenseite auszeichnen, was für die Verwendung der Vorrichtung im Zusammenhang mit der Chlorelektrolyse von besonderem Vorteil ist.The aforementioned materials are advantageous because they are generally characterized by a good electrical conductivity, but at the same time by a good chemical stability to the electrolyte solutions comprising sodium chloride and / or hydrogen chloride and / or chlorine on the anode side, which is the use of the device in the In connection with the chlorine electrolysis is of particular advantage.
Als chemisch stabil wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ein Material bezeichnet, das unter den Betriebsbedingungen der Vorrichtung keine chemische Reaktion mit den sie umgebenden Elektrolytlösungen z.B. umfassend Natriumchlorid und/oder Chlorwasserstoff und/oder Chlor eingeht.As chemically stable, in the context of the present invention is meant a material which, under the operating conditions of the device, does not chemically react with the surrounding electrolyte solutions, e.g. comprising sodium chloride and / or hydrogen chloride and / or chlorine.
Die Polymermembran (2) ist üblicherweise eine Polymermembran, die der Fachmann unter der Bezeichnung Kationenaustauschermembran allgemein kennt. Bevorzugte Polymermembranen (2) umfassen polymere Perfluorsulfonsäuren. Die Polymermembran (2) kann auch Verstärkungsgewebe aus anderen chemisch stabilen Materialien, bevorzugt fluorierte Polymere und besonders bevorzugt Polytetrafluorethylen umfassen.The polymer membrane (2) is usually a polymer membrane, which the person skilled in the art generally knows by the name cation exchange membrane. Preferred polymer membranes (2) include polymeric perfluorosulfonic acids. The polymer membrane (2) may also comprise reinforcing fabrics of other chemically stable materials, preferably fluorinated polymers, and more preferably polytetrafluoroethylene.
Die bevorzugten Polymermembranen (2) sind vorteilhaft, da sie Kationenaustauschermembranen sind und damit die Permeation von Ionen durch die Membran unterstützen. Dies wiederum führt zu einem geringeren Ohmschen Widerstand über die Membran, was die notwendige Spannung zur Erzielung eines Stromflusses verringert.The preferred polymer membranes (2) are advantageous because they are cation exchange membranes and thus promote the permeation of ions through the membrane. This in turn leads to a lower ohmic resistance across the membrane, which reduces the voltage necessary to achieve a current flow.
Die Dicke der Polymermembran (2) beträgt üblicherweise weniger als 1 mm. Bevorzugt ist die Dicke der Membran kleiner als 500 μm, besonders bevorzugt kleiner 400 μm, ganz besonders bevorzugt kleiner 250 μm.The thickness of the polymer membrane (2) is usually less than 1 mm. Preferably, the thickness of the membrane is less than 500 microns, more preferably less than 400 microns, most preferably less than 250 microns.
Die geringen Dicken der Membran sind besonders vorteilhaft, weil hierdurch die notwendige Spannung in der Vorrichtung geringer gewählt werden kann, da der Ohmsche Widerstand verringert wird.The small thicknesses of the membrane are particularly advantageous, because in this way the necessary voltage in the device can be chosen to be lower, since the ohmic resistance is reduced.
Die zweite Elektrode (3) ist gas- und flüssigkeitsdurchlässig und kann hierzu in Form eines porösen Materials, eines Netzes, eines Gitters oder eines Gewebes ausgeführt sein.The second electrode (3) is gas- and liquid-permeable and can be designed for this purpose in the form of a porous material, a mesh, a grid or a fabric.
Bevorzugt ist die zweite Elektrode (3) in Form eines Netzes, eines Gitters oder eines Gewebes ausgeführt.Preferably, the second electrode (3) is designed in the form of a net, a grid or a fabric.
Besonders bevorzugt ist die zweite Elektrode (3) in Form eines Netzes oder eines Gitters ausgeführt. Die bevorzugten und besonders bevorzugten Ausführungsformen als Netz oder Gitter der zweiten Elektrode (3) sind vorteilhaft, weil solche Ausführungsformen einfach aus den nachfolgend beschriebenen Materialien der zweiten Elektrode (3) bezogen werden können, und weil diese in einfacher Weise so verformt werden können, dass die erfindungsgemäßen punkt- und/oder linienförmige Kontaktstellen mit der Polymermembran (2) bei in Kontaktbringen erhalten werden können.Particularly preferably, the second electrode (3) is designed in the form of a net or a grid. The preferred and particularly preferred embodiments as mesh or grid of the second electrode (3) are advantageous because such embodiments can be obtained easily from the materials of the second electrode (3) described below, and because they can easily be deformed such that the punctiform and / or linear contact points according to the invention with the polymer membrane (2) can be obtained when in contact.
Die zweite Elektrode (3) besteht üblicherweise aus einem Material ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen, Nickel, Silber, Titan, Titanlegierungen und Sondermetalllegierungen.The second electrode (3) usually consists of a material selected from the list consisting of carbon black, graphite, carbon nanotubes, nickel, silver, titanium, titanium alloys and special metal alloys.
Bevorzugt ist das Material der zweiten Elektrode (3) Nickel, Silber und/oder Titan, sowie deren Legierungen.Preferably, the material of the second electrode (3) is nickel, silver and / or titanium, and their alloys.
Auf der zweiten Elektrode (3) kann sich eine Beschichtung befinden oder nicht. Bevorzugt befindet sich auf der zweiten Elektrode (3) eine Beschichtung. hi bevorzugten Weiterentwicklungen der hier beschriebenen Vorrichtung kann auch die erste Elektrode (1) in gleicher oder ähnlicher Weise wie die zweite Elektrode (3) beschichtet sein. Befindet sich auf der zweiten Elektrode (3) eine Beschichtung, so ist diese üblicherweise eine Beschichtung umfassend ein leitfähiges Metall und ein fluoriertes Polymer.On the second electrode (3) may be a coating or not. Preferably, a coating is located on the second electrode (3). In preferred developments of the device described here, the first electrode (1) may also be coated in the same or similar manner as the second electrode (3). If a coating is present on the second electrode (3), it is usually a coating comprising a conductive metal and a fluorinated polymer.
Leitfähige Metalle, welche in der Beschichtung auf der zweiten Elektrode (3) bevorzugt vorhanden sind, sind solche ausgewählt aus der Liste bestehend aus Eisen, Mangan, Kobalt, Gold, Iridium, Kupfer, Platin, Palladium, Osmium, Iridium, Rhodium, Ruthenium und Silber.Conductive metals which are preferably present in the coating on the second electrode (3) are those selected from the list consisting of iron, manganese, cobalt, gold, iridium, copper, platinum, palladium, osmium, iridium, rhodium, ruthenium and Silver.
Es können ebenfalls bevorzugt auch die Oxide der vorgenannten leitfähigen Metalle und/oder deren Legierungen und/oder deren Mischungen in der Beschichtung der zweiten Elektrode (3) vorhanden sein.The oxides of the abovementioned conductive metals and / or their alloys and / or mixtures thereof may likewise preferably be present in the coating of the second electrode (3).
Besonders bevorzugt ist Silber. Ein bevorzugtes fluoriertes Polymer ist Polytetrafluorethylen (PTFE).Particularly preferred is silver. A preferred fluorinated polymer is polytetrafluoroethylene (PTFE).
Die bevorzugte Beschichtung der zweiten Elektrode (3) ist vorteilhaft, weil es mittels der Verhältnisse an leitfähigem Metall und fluoriertem Polymer, sowie durch geeignete Wahl des leitfähigen Metalls und des fluorierten Polymers dem Fachmann in einfacher Weise möglich ist, die zweite Elektrode (3) hinsichtlich der Hydrophilität/Hydrophobizität, sowie hinsichtlich der chemischen Stabilität an die Anforderungen des Verfahrens anzupassen, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden soll, während zugleich der durch die zusätzliche Beschichtung auf der zweiten Elektrode (3) erzeugte Ohmsche Widerstand klein gehalten werden kann.The preferred coating of the second electrode (3) is advantageous because it is possible by means of the ratios of conductive metal and fluorinated polymer, as well as by suitable choice of the conductive metal and the fluorinated polymer in a simple manner to those skilled in the second electrode (3) the hydrophilicity / hydrophobicity, as well as in terms of chemical stability to adapt to the requirements of the method in which the device according to the invention is to be used, while at the same time the Ohmic resistance generated by the additional coating on the second electrode (3) can be kept small.
Beispielsweise kann der Fachmann im Fall der Verwendung der Vorrichtung im Zusammenhang mit der Chloralkalielektrolyse durch eine Beschichtung mit Polytetrafluorethylen in geringen Anteilen und einen höheren Anteil an etwa Silber, welches in einer solchen Beschichtung chemisch stabil gegen den Angriff von Chloridionen und Chlor ist, die gewünschten niedrigen Ohmschen Widerstände und eine im wesentlichen hydrophile Oberfläche erreichen, so dass die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff in vorteilhafter Weise gelingt.For example, in the case of using the device in conjunction with chloralkali electrolysis, by coating with polytetrafluoroethylene in minor proportions and a higher level of silver, which is chemically stable to attack by chloride ions and chlorine in such a coating, those skilled in the art may desire low levels Ohmic resistors and achieve a substantially hydrophilic surface, so that the electrochemical reduction of oxygen succeeds in an advantageous manner.
Im Zusammenhang mit der Verwendung der Vorrichtung für die Chloralkalielektrolyse ist es daher bevorzugt, wenn die Beschichtung auf der zweiten Elektrode (3) einen Anteil von mehr als 80 Gew.-% Silber, besonders bevorzugt 90 Gew.-% Silber, insbesondere bevorzugt mehr als 95 Gew.- % Silber umfasst.In connection with the use of the apparatus for the chloralkali electrolysis, it is therefore preferred if the coating on the second electrode (3) has a proportion of more than 80% by weight of silver, particularly preferably 90% by weight of silver, particularly preferably more than 95% by weight of silver.
Es ist in diesem Zusammenhang ebenfalls bevorzugt, wenn die Beschichtung auf der zweiten Elektrode (3) einen Anteil an Polytetrafluorethylen von weniger als 20 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 0,2 bis 7 Gew.-% umfasst.It is also preferred in this context if the coating on the second electrode (3) has a proportion of polytetrafluoroethylene of less than 20% by weight, particularly preferably less than 10% by weight, very particularly preferably from 0.2 to 7 % By weight.
Die zweite Elektrode (3) liegt erfindungsgemäß an punkt- und/oder linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.The second electrode (3) is according to the invention at point and / or line-shaped contact points on the polymer membrane (2).
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff ist die zweite Elektrode (3) in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt ausgeführt und liegt an linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.In a first preferred embodiment of the device according to the invention for the electrolytic reduction of oxygen, the second electrode (3) is in a spatial direction wavy or serrated and is located at line-shaped contact points on the polymer membrane (2).
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung zur elektroly- tischen Reduktion von Sauerstoff ist die zweite Elektrode (3) in zwei Raumrichtungen gewellt oder gezackt ausgeführt und liegt an punktförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.In a second preferred embodiment of the device according to the invention for the electrolytic reduction of oxygen, the second electrode (3) is corrugated or serrated in two spatial directions and is located at punctiform contact points on the polymer membrane (2).
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff ist die zweite Elektrode (3) in einem ersten Bereich in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt ausgeführt und liegt in diesem ersten Bereich an linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf und ist in einem zweiten Bereich in zwei Raumrichtungen gewellt oder gezackt ausgeführt und liegt an punktförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) auf.In a third preferred embodiment of the device according to the invention for the electrolytic reduction of oxygen, the second electrode (3) is corrugated or jagged in a first region in a spatial direction and lies in this first region at linear contact points on the polymer membrane (2) and is in a second region in two spatial directions wavy or serrated and is located at point-shaped contact points on the polymer membrane (2).
In einer oder in zwei Raumrichtungen gewellte oder gezackt bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, dass die zweite Elektrode (3) in Raumrichtungen senkrecht zur Oberfläche der Polymermembran (2), auf der sie punkt- oder linienförmig aufliegt, ausgeformt ist. Besonders bevorzugte Ausführungsformen solcher in ein und/oder zwei Raumrichtungen gewellter und/oder gezackter zweiter Elektroden (3) sind dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung relativ zu den punkt- und/oder linienförmigen Kontaktstellen mit der Polymermembran einen Abstand von 0,1 bis 5 mm an der von der Polymermembran am weitesten entfernten Stelle einer jeweiligen Ausformung aufweist. Kleinere als die vorgenannten Abstände sind toleranzbedingt häufig sehr aufwändig in der Herstellung und damit wirtschaftlich nicht besonders vorteilhaft, größere als die vorgenannten Abstände führen zu im Mittel größeren Abständen zwischen zweiter Elektrode (3) und Polymermembran (2), welche zu hohe mittlere Ohmsche Widerstände bedingen, was unvorteilhaft ist.Wavy or serrated in one or in two spatial directions, in the context of the present invention, means that the second electrode (3) is formed in spatial directions perpendicular to the surface of the polymer membrane (2) on which it rests in a punctiform or linear manner. Particularly preferred embodiments of such in one and / or two spatial directions corrugated and / or serrated second electrodes (3) are characterized in that the formation relative to the point and / or line-shaped contact points with the polymer membrane a distance of 0.1 to 5 mm at the furthest point of the polymer membrane of a respective formation. Smaller than the abovementioned distances are often very costly in terms of tolerances and thus not economically advantageous, larger than the aforementioned distances lead to average distances between the second electrode (3) and polymer membrane (2), which cause high mean ohmic resistances which is unfavorable.
Ein Beispiel für eine in eine Raumrichtung gewellte Ausführungsform ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in Form eines Wellbleches aus den erfmdungemäßen porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben.An example of a corrugated in a spatial direction embodiment is the execution of the second electrode (3) in the form of a corrugated sheet of the erfmdungemäßen porous materials, nets, meshes or fabrics.
Ein Beispiel für eine in eine Raumrichtung gezackte Ausführungsform ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in Form eines Zickzackblechs aus den erfmdungemäßen porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben. Ein Beispiel für eine in zwei Raumrichtungen gewellte Ausführungsform ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in Form eines periodisch ausgebeulten Bleches aus den erfmdungemäßen porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben.An example of an embodiment jagged in a spatial direction is the execution of the second electrode (3) in the form of a zigzag sheet of the porous materials, meshes, meshes or fabrics according to the invention. An example of a corrugated embodiment in two directions is the execution of the second electrode (3) in the form of a periodically bulging sheet of the porous materials, nets, meshes or fabrics according to the invention.
Ein Beispiel für eine in zwei Raumrichtungen gezackte Ausführungsform ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) in Form eines periodisch mit pyramidalen Vertiefungen versehenen Bleches aus den erfϊndungemäßen porösen Materialien, Netzen, Gittern oder Geweben. Die erfindungsgemäße Ausfuhrungsform der zweiten Elektrode (3), in der diese auf der Polymermembran (2) an punkt- und/oder linienförmige Kontaktstellen aufliegt, ist besonders vorteilhaft, weil durch den direkten Kontakt mit der Polymermembran (2) der Ohmsche Widerstand an solchen Stellen minimal wird und zugleich an den Stellen, an denen der direkte Kontakt nicht hergestellt ist ein Raum entsteht, durch den die gebildeten Hydroxidionen abgeführt werden können, ohne dass diese im Gegenstrom zu dem Sauerstoff, der mit der zweiten Elektrode in Kontakt gebracht werden soll, von der zweiten Elektrode (3) abgeführt werden muss. Hierdurch wird also sowohl ein geringer Ohmscher Widerstand über den direkten Kontakt, als auch zugleich ein geringerer Ohmscher Widerstand durch den Wegfall einer diffusiven Hemmung des Herantransportes von Sauerstoff erzielt. Insgesamt wird somit die notwendige Spannung minimiert.An example of an embodiment jagged in two spatial directions is the execution of the second electrode (3) in the form of a periodically pyramidal plate made of the porous materials, nets, meshes or fabrics of the invention. The embodiment of the invention of the second electrode (3) in which this rests on the polymer membrane (2) at point and / or linear contact points, is particularly advantageous because by direct contact with the polymer membrane (2) of the ohmic resistance at such locations becomes minimal and at the same time at the points where the direct contact is not established, a space is formed through which the hydroxide ions formed can be removed without being countercurrent to the oxygen, which is to be brought into contact with the second electrode of the second electrode (3) must be removed. As a result, both a low ohmic resistance over the direct contact, and at the same time a lower ohmic resistance is achieved by eliminating a diffusive inhibition of the transport of oxygen. Overall, therefore, the necessary voltage is minimized.
Im Zusammenhang hiermit ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform als in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt besonders bevorzugt.In connection with this, the embodiment of the second electrode (3) according to the first preferred embodiment is particularly preferred as wavy or serrated in a spatial direction.
Ganz besonders bevorzugt ist die Ausführung der zweiten Elektrode (3) gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform als in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt, wobei der Winkel zwischen Polymermembran (2) und einer jeden Ausformung im Sinne der gezackten Ausführung von 5° bis 80°, bevorzugt von 20° bis 75°, besonders bevorzugt von 30° bis 70° beträgt.Most preferably, the embodiment of the second electrode (3) according to the first preferred embodiment is wavy or serrated in one spatial direction, the angle between the polymer membrane (2) and each jagged embodiment being from 5 ° to 80 ° from 20 ° to 75 °, more preferably from 30 ° to 70 °.
Dies ist besonders vorteilhaft, weil hierdurch vergleichsweise mehr linienförmige Kontaktstellen zwischen der Polymermembran (2) und der zweiten Elektrode (3) entstehen und zugleich definierte Kanäle zwischen der Polymermembran (2) und der zweiten Elektrode (3) ausgebildet werden, durch die die gebildeten Hydroxidionen in einfacher Weise gezielt abgeführt werden können, falls dies gewünscht ist.This is particularly advantageous because this results in comparatively more linear contact points between the polymer membrane (2) and the second electrode (3) and at the same time defined channels are formed between the polymer membrane (2) and the second electrode (3) through which the hydroxide ions formed can be selectively removed in a simple manner, if desired.
Abschließend kann in alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch die erste Elektrode (1) so ausgestaltet sein, wie dies gerade im Zusammenhang mit der zweiten Elektrode offenbart wurde.Finally, in alternative embodiments of the device according to the invention, the first electrode (1) may also be configured as has just been disclosed in connection with the second electrode.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff, in der ein erstes elektrisch leitfähiges Material entweder in einem Abstand von bis zu 5 mm zu einer Polymembran fixiert oder mit dieser verbunden wird, und in dem mit der Polymermembran ein zweites elektrisch leitfähiges, poröses Material punktförmig und/oder linienförmig verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitfähige, poröse Material, bevor es mit der Polymermembran verbunden wird, in einer oder zwei Raumrichtungen gewellt oder gezackt ausgeformt wird.Another object of the present invention is a method for producing an apparatus for the electrolytic reduction of oxygen, in which a first electrically conductive material is fixed at a distance of up to 5 mm to a polymembrane or connected to it, and in which Polymer polymer a second electrically conductive, porous material is punctiform and / or linearly connected, characterized in that the second electrically conductive, porous material, before it is connected to the polymer membrane, in one or two spatial directions wavy or serrated is formed.
Das erste elektrisch leitfähige Material ist jenes, wie es bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Material der ersten Elektrode (1) offenbart wurde. Die Polymermembran ist jene, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung als Polymembran (2) offenbart wurde.The first electrically conductive material is that which has already been disclosed in connection with the device according to the invention as the material of the first electrode (1). The polymer membrane is that already disclosed in connection with the device according to the invention as a polymembrane (2).
Das zweite elektrisch leitfähige, poröse Material ist jenes, welches bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Material der zweiten Elektrode (3) offenbart wurde. Hier wirken sich die vorgenannten Materialien vorteilhaft aus, da sie alle eine hohe spezifische Leitfähigkeit aufweisen, zugleich aber leicht verformbar sind, so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise ausführen lässt.The second electrically conductive, porous material is that which has already been disclosed in connection with the device according to the invention as material of the second electrode (3). Here, the aforementioned materials have an advantageous effect, since they all have a high specific conductivity, but at the same time are easily deformable, so that the method according to the invention can be carried out in a simple manner.
Das gewellte oder gezackte Ausformen in einer oder zwei Raumrichtungen kann mittels allgemein bekannter Verfahren aus der Bearbeitungstechnik von Metallen vorgenommen werden. Solche Verfahren sind etwa das Tiefziehen, Biegen, Strecken, (Heiß-)Pressen etc. von Metallwerkstoffen.The corrugated or serrated shaping in one or two spatial directions can be carried out by means of generally known methods from the processing technology of metals. Such processes include deep drawing, bending, stretching, (hot) pressing, etc. of metal materials.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite elektrisch leitfähige, poröse Material vor dem in Kontaktbringen mit der Polymermembran (2) noch einem Beschichten unterzogen.In a preferred further development of the method according to the invention, the second electrically conductive, porous material is subjected to a coating before it is brought into contact with the polymer membrane (2).
Das Beschichten erfolgt im Rahmen der bevorzugten Ausführungsform zunächst durch Behandeln des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials mit einem Gemisch mindestens umfassend einen Anteil an Metallpulver und einen Anteil an Partikeln eines fluorierten Polymers.Coating takes place in the context of the preferred embodiment, first by treating the second electrically conductive, porous material with a mixture comprising at least a proportion of metal powder and a proportion of particles of a fluorinated polymer.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Gemisch eine Suspension. Das Behandeln kann hierbei ein Eintauchen in oder ein Besprühen mit der Suspension sein. Die Flüssigkeit in der die Suspension der vorgenannten Partikel vorliegt kann Wasser oder auch ein organisches Lösungsmittel sein. Wird ein organisches Lösungsmittel verwendet, so ist dies ein organisches Lösungsmittel, welches das fluorierte Polymer nicht zu lösen vermag.In further preferred embodiments of the method according to the invention, the mixture is a suspension. The treatment may be immersion in or spraying with the suspension. The liquid in which the suspension of the aforementioned particles is present may be water or else an organic solvent. When an organic solvent is used, it is an organic solvent which can not dissolve the fluorinated polymer.
Bevorzugt ist aber die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit zum Herstellen der Suspension.However, the use of water as liquid for preparing the suspension is preferred.
Die Suspension kann auch noch einen Verdicker umfassen. Verdicker sind solche Stoffe, welche sich in der verwendeten Flüssigkeit zum Herstellen der Suspension lösen lassen und welche die dynamische Viskosität der Flüssigkeit bereits in geringen Mengen signifikant erhöhen.The suspension may also comprise a thickener. Thickeners are those substances which can be dissolved in the liquid used to prepare the suspension and which significantly increase the dynamic viscosity of the liquid even in small amounts.
Nicht abschließende Beispiele für solche Verdicker sind etwa die Derivate der Cellulose, wie Hydroxypropylcellulose, Methylcellulose, Ethylcellulose etc.Non-exhaustive examples of such thickeners are, for example, the derivatives of cellulose, such as hydroxypropylcellulose, methylcellulose, ethylcellulose etc.
Bevorzugt wird ein Verdicker eingesetzt und dieser ist besonders bevorzugt Methylcellulose. Die Suspension kann weiter ein Detergenz umfassen.Preferably, a thickener is used and this is particularly preferably methylcellulose. The suspension may further comprise a detergent.
Detergenzien sind etwa ionische oder nicht ionische Tenside, wie etwa die unter der Handelsnamenfamilie Tween allgemein bekannten Stoffe oder die unter der Handelsnamenfamilie Triton bekannten Stoffe. _ _Detergents are, for example, ionic or nonionic surfactants, such as the substances commonly known by the trade name family Tween or the substances known by the trade name family Triton. _ _
Bevorzugt wird ein Detergenz eingesetzt und dieses ist besonders bevorzugt Triton-X 100.Preferably, a detergent is used, and this is particularly preferably Triton-X 100.
Die Suspension, die zum Beschichten des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials verwendet wird, umfasst üblicherweise einen Anteil von 10 bis 70 Gew.-% des Metallpulvers und einen Anteil von 0,1 bis 20 Gew.-% der Partikel des fluorierten Polymers. In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die Suspension von 30 bis 80 Gew.-% Wasser, von 10 bis 70 Gew.-% des Metallpulvers, von 0,1 bis 20 Gew.-% der Partikel des fluorierten Polymers, von 0,05 bis 1,5 Gew.-% des Verdickers und von 0,1 bis 2 Gew.- % des Detergenz, wobei sich die Anteile zu 100 Gew.-% addieren.The suspension used for coating the second electroconductive porous material usually comprises a proportion of 10 to 70% by weight of the metal powder and a proportion of 0.1 to 20% by weight of the particles of the fluorinated polymer. In preferred embodiments of the method according to the invention, the suspension contains from 30 to 80% by weight of water, from 10 to 70% by weight of the metal powder, from 0.1 to 20% by weight of the particles of the fluorinated polymer, of 0.05 to 1.5% by weight of the thickener and from 0.1 to 2% by weight of the detergent, the proportions adding to 100% by weight.
Nach dem Behandeln des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials mit einer der vorgenannten Suspensionen, wird üblicherweise innerhalb der bevorzugten Weiterentwicklung das erhaltene Material getrocknet und nachfolgend gesintert.After treating the second electrically conductive, porous material with one of the abovementioned suspensions, the material obtained is usually dried within the preferred further development and subsequently sintered.
In einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung kann das Trocknen auch im Sinne eines Heißpressens zusammen mit dem Ausformen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgen. Das Trocknen wird üblicherweise bei Temperaturen von 600C bis 2000C ausgeführt. Wird das Trocknen gemäß der weiteren bevorzugten Weiterentwicklung als Heißpressen unter gleichzeitigem Ausformen ausgeführt, so wird das Trocknen unter gegenüber Umgebungsdruck (1013 hPa) erhöhtem Druck ausgeführt, wobei der Druck durch eine mechanische Vorrichtung umfassend eine Negativform zu der Ausformung des resultierenden zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials aufgebracht wird. Das Trocknen ist vorteilhaft, weil hierdurch die Reste an Flüssigkeit der Suspension zur Beschichtung des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials entfernt werden können, so dass diese Reste nicht als Film auf der Oberfläche verbleiben und damit den Ohmschen Widerstand erhöhen können.In a further preferred development, the drying can also take place in the sense of a hot pressing together with the shaping according to the method according to the invention. The drying is usually carried out at temperatures of 60 0 C to 200 0 C. When the drying according to the further preferred development is carried out as hot pressing with simultaneous shaping, the drying is carried out under elevated pressure (1013 hPa), wherein the pressure through a mechanical device comprising a negative mold to the formation of the resulting second electrically conductive, porous Material is applied. The drying is advantageous because it allows the residues of liquid in the suspension to be coated to coat the second electrically conductive, porous material, so that these residues can not remain as a film on the surface and thus increase the ohmic resistance.
Das Sintern wird üblicherweise bei Temperaturen von 2000C bis 4000C ausgeführt. Das Sintern ist vorteilhaft, weil hierdurch die Restanteile an gegebenenfalls noch auf der Oberfläche des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials vorhandenen Verdickers und/oder Detergenz entfernt werden können, indem diese etwa in gasförmige Verbindungen, z.B. Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf, überfuhrt werden. Somit können diese nicht als Film auf der Oberfläche verbleiben und damit den Ohmschen Widerstand erhöhen, was nachteilig wäre. Zugleich haben die fluorierten Polymere üblicherweise bei diesen Temperaturen noch keinen signifikanten Dampfdruck, bzw. zersetzen sich bei diesen Temperaturen noch nicht im merklichen Umfang, so dass diese lediglich erweichen und zusammen mit dem Metallpulver, das an den Grenzflächen bereits mit dem zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Material sowie mit sich selber versintert einen leitfähigen, aber chemisch stabilisierenden Film ergeben. Nach dem Beschichten im Sinne eines Behandeins mit der Suspension und nachfolgendem Trocknen und Sintern wird somit eine Beschichtung auf dem zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Material erhalten, die im Wesentlichen nur noch aus dem Material des Metallpulvers und geringen Mengen an fluoriertem Polymer besteht. Eine solche Schicht ist vorteilhaft, weil sie zugleich hohe Leitfähigkeit und eine vorteilhafte chemische Stabilität zusammen mit einer gewünschten Hydrophilität aufweist.The sintering is usually carried out at temperatures of 200 0 C to 400 0 C. The sintering is advantageous because it allows the remainders to be removed from thickeners and / or detergents which may still be present on the surface of the second electrically conductive, porous material by being converted into gaseous compounds, for example carbon dioxide and water vapor. Thus, they can not remain as a film on the surface and thus increase the ohmic resistance, which would be disadvantageous. At the same time, the fluorinated polymers usually do not yet have significant vapor pressure at these temperatures, or decompose at these temperatures to a considerable extent, so that they merely soften and, together with the metal powder, already at the interfaces with the second electrically conductive, porous Material as well as self-sintered results in a conductive, but chemically stabilizing film. After coating in the sense of a treatment with the suspension and subsequent drying and sintering, a coating is thus obtained on the second electrically conductive, porous material which essentially consists only of the material of the metal powder and small amounts of fluorinated polymer. Such a layer is advantageous because it also has high conductivity and favorable chemical stability together with a desired hydrophilicity.
Das Verbinden von erstem elektrisch leitfähigem Material mit der Polymembran und dem gegebenenfalls beschichteten zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Material kann durch mechanische Elemente, wie Rahmen oder Spannelemente, aber auch durch ein Verbinden im Sinne eines miteinander (Heiß-)verpressens gemäß der vorstehend beschriebenen weiteren bevorzugten Weiterentwicklung beim Beschichten erfolgen.The joining of the first electrically conductive material with the polymembrane and the optionally coated second electrically conductive, porous material can be achieved by mechanical elements, such as frames or clamping elements, but also by a joining in the sense of a pressing (hot) according to the further described above Further development takes place during coating.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Vorrichtungen in Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff und/oder zu elektrochemischen Oxidation von Chlorid zu Chlor.Another object of the present invention is the use of the device according to the invention or the devices obtained according to the inventive method in processes for the electrochemical reduction of oxygen and / or to electrochemical oxidation of chloride to chlorine.
Ein letzter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Chloralkalielektrolyse in dem in zwei voneinander durch eine von zwei Elektroden (1 und 3) umgebene Polymermembran (2) getrennten Reaktionszonen Chlor und Natronlauge elektrochemisch gebildet werden, wobei in der ersten Reaktionszone eine Natriumchloridlösung vorliegt und in der anderen Reaktionszone eine Lösung umfassend molekular gelösten Sauerstoff vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone, in der die Lösung umfassend molekular gelösten Sauerstoff mit einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode (3) in Kontakt gebracht wird, die in ein und/oder zwei Raumrichtungen gewellt und/oder gezackt gegenüber der Polymermembran (2), auf der sie aufliegt, ausgeformt ist und dass die Natriumchloridlösung mit einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode (1) in Kontakt gebracht wird und wobei zwischen den beiden Elektroden eine Spannung von weniger als 2,3 V angelegt ist.A final object of the present invention is a process for chloralkali electrolysis in which two reaction zones chlorine and sodium hydroxide separated in two from each other by a polymer membrane (2) surrounded by two electrodes (1 and 3) are formed electrochemically, wherein in the first reaction zone a sodium chloride solution is present and the other reaction zone is a solution comprising molecularly dissolved oxygen, characterized in that the reaction zone, in which the solution comprising molecularly dissolved oxygen is brought into contact with a gas and liquid-permeable electrode (3), which corrugated in one and / or two spatial directions and / or jagged against the polymer membrane (2) on which it rests, and in that the sodium chloride solution is brought into contact with a gas- and liquid-permeable electrode (1) and wherein between the two electrodes a voltage of less than 2.3 V is created.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der im Verfahren eingesetzten Elektroden (1 und 3), bzw. bezüglich der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Polymermembran (2) umfassen die im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen.Preferred embodiments of the method according to the invention with regard to the electrodes (1 and 3) used in the method, or with regard to the polymer membrane (2) used in the method according to the invention, include the embodiments described within the scope of the device according to the invention.
Das erfmdungsgemäße Verfahren wird üblicherweise betrieben, indem bei der vorher beschriebenen Spannung eine Stromdichte von 2 bis 10 kA/m2 vorgesehen wird.The erfmdungsgemäße method is usually operated by a current density of 2 to 10 kA / m 2 is provided at the voltage described above.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Spannung von weniger als 2 V bei einer Stromdichte von 2 bis 6 kA/m2 angelegt. Solche Verfahren sind besonders vorteilhaft, weil durch die verringerte Spannung bei den vorgenannten Stromdichten unter Aufwendung von gegenüber dem Stand der Technik verringerter Leistung zugleich eine Reduktion von Sauerstoff und eine Oxidation von Chlorid zu Chlor möglich ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierdurch darauf zu beschränken.In further preferred embodiments of the method according to the invention, a voltage of less than 2 V is applied at a current density of 2 to 6 kA / m 2 . Such methods are particularly advantageous because at the same time a reduction of oxygen and an oxidation of chloride to chlorine is possible by the reduced voltage at the aforementioned current densities with the use of reduced power compared to the prior art. The invention will be explained in more detail below with reference to figures and examples, without, however, restricting them thereto.
Die Abbildungen Fig. 1 bis 3 zeigen hierbei bevorzugte Ausführungsformen einer Elektrode der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines Gitters.FIGS. 1 to 3 show preferred embodiments of an electrode of the device according to the invention using a grid.
Die Abbildungen Fig. 4 bis 6 zeigen hierbei bevorzugte Ausführungsformen der erfϊndungs- gemäßen Vorrichtung unter Verwendung der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Elektroden.FIGS. 4 to 6 show preferred embodiments of the device according to the invention using the electrodes illustrated in FIGS. 1 to 3.
Die Abbildung Fig. 7 zeigt einen Vergleich des Verlaufes von Zellspannung über Stromdichte für ein erfindungsgemäßes Verfahren und ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren.FIG. 7 shows a comparison of the course of cell voltage over current density for a method according to the invention and a method not according to the invention.
Fig. 1 zeigt speziell eine gezackte Ausformung in einer Raumrichtung einer Elektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Gittermaterial. In (a) ist eine Aufsicht auf eine Elektrodenfläche dargestellt und in (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 1 (a) derselben Elektrode dargestellt.Fig. 1 shows specifically a serrated formation in a spatial direction of an electrode of the device according to the invention of a grid material. In (a), a plan view of an electrode surface is shown, and in (b), a sectional view taken along the line A-A of FIG. 1 (a) of the same electrode is shown.
Fig. 2 zeigt speziell eine gewellte Ausformung in einer Raumrichtung einer Elektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Gittermaterial. In (a) ist eine Aufsicht auf eine Elektrodenfläche dargestellt und in (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 2 (a) derselben Elektrode dargestellt.Fig. 2 shows specifically a corrugated shape in a spatial direction of an electrode of the device according to the invention of a grid material. In (a), a plan view of an electrode surface is shown, and in (b), a sectional view taken along the line A-A of FIG. 2 (a) of the same electrode is shown.
Fig. 3 zeigt speziell eine gezackte Ausformung in zwei Raumrichtungen einer Elektrode der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Gittermaterial. In (a) ist eine Aufsicht auf eine Elektrodenfläche dargestellt und in (b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Fig. 3 (a) derselben Elektrode dargestellt, während in Fig. 3 (c) eine Schnittansicht entlang der Linie B-B dargestellt ist.3 specifically shows a serrated formation in two spatial directions of an electrode of the device according to the invention of a grid material. In (a), a plan view of an electrode surface is shown, and (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 3 (a) of the same electrode, while FIG. 3 (c) is a sectional view taken along the line BB ,
Fig. 4 zeigt speziell in einer Seitenansicht eine erste Ausführungsform der erfϊndungemäßen Vorrichtung enthaltend eine erste Elektrode (1) in Form eines Gewebes, welche eben ist und mit der gesamten Oberfläche einer Seite auf einer Polymermembran (2) aufliegt, sowie eine zweite Elektrode (3), gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, welche in linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) aufliegt.4 shows in a side view in particular a first embodiment of the device according to the invention, comprising a first electrode (1) in the form of a fabric which is flat and rests with the entire surface of one side on a polymer membrane (2), and a second electrode (3 ), according to the embodiment shown in Fig. 1, which rests in line-shaped contact points on the polymer membrane (2).
Fig. 5 zeigt speziell in einer Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der erfϊndungemäßen Vorrichtung enthaltend eine erste Elektrode (1) in Form eines Netzes, gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform, welche in linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) aufliegt, sowie eine zweite Elektrode (3), gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, welche ebenfalls in linienförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) aufliegt. Fig. 6 zeigt speziell in (a) und (b) die beiden Seitenansichten einer dritten Ausführungsform der erfindungemäßen Vorrichtung enthaltend eine erste Elektrode (1) in Form eines Gewebes, welche eben ist und mit der gesamten Oberfläche einer Seite auf einer Polymermembran (2) aufliegt, sowie eine zweite Elektrode (3), gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, welche in punktförmigen Kontaktstellen auf der Polymermembran (2) aufliegt.5 shows, in particular in a side view, a second embodiment of the device according to the invention, comprising a first electrode (1) in the form of a net, according to the embodiment shown in FIG. 2, which rests in linear contact points on the polymer membrane (2) and a second one Electrode (3), according to the embodiment shown in Fig. 1, which also rests in linear contact points on the polymer membrane (2). 6 shows in particular in (a) and (b) the two side views of a third embodiment of the device according to the invention comprising a first electrode (1) in the form of a fabric which is planar and with the entire surface of one side on a polymer membrane (2). rests, and a second electrode (3), according to the embodiment shown in Fig. 3, which rests in punctiform contact points on the polymer membrane (2).
Fig. 7 zeigt den Verlauf der Zellspannung (S) in Volt in Abhängigkeit von der Stromdichte (A) in kA/m2 für die Chloralkalielektrolyse nach dem erfϊndungsgemäßen Verfahren insbesondere gemäß der Daten aus Beispiel 7 (Punkte und dicke gestrichelte Linie), sowie für die Chloralkalielektrolyse nach einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere gemäß der Daten aus Vergleichs- bei spiel 7 (Dreiecke und dünne durchgezogene Linie). 7 shows the profile of the cell voltage (S) in volts as a function of the current density (A) in kA / m 2 for the chloralkali electrolysis according to the inventive method, in particular according to the data from Example 7 (dots and thick dashed line), as well as for the Chloralkalielektrolyse according to a method not according to the invention, in particular according to the data from comparison in game 7 (triangles and thin solid line).
- -- -
Beispiele:Examples:
Beispiele 1-3: Herstellen erfindungsgemäßer ElektrodenExamples 1-3: Manufacture of electrodes according to the invention
Ebene Nickelnetze (Fa. Haver und Boecker) mit einer Maschenweite von 0,5 mm und einer Drahtdicke von 0,1 mm wurden mit verschiedenen Suspensionen zusammengesetzt gemäß der Tabelle 1 beschichtet, indem diese zunächst mit den Suspensionen 1 bis 3 besprüht, nachfolgend bei 1300C in je 60° Winkeln mit Abständen von 3 mm zu einer planaren Oberfläche durch Biegen umgeformt, und dann bei 34O0C gesintert.Level nickel nets (Haver and Boecker) with a mesh size of 0.5 mm and a wire thickness of 0.1 mm were coated with various suspensions according to Table 1 coated by first sprayed with the suspensions 1 to 3, then at 130 0 C in 60 ° angles at intervals of 3 mm to form a planar surface formed by bending, and then sintered at 34O 0 C.
Tabelle 1: Zusammensetzun en der Sus ensionen zur Beschichtun der zweiten ElektrodenTable 1: Composition of the suspensions for coating the second electrodes
Es werden drei erfindungsgemäße Elektroden erhalten. Vergleichsbeispiele 1-3: Herstellen nicht erfindungsgemäßer ElektrodenThree electrodes according to the invention are obtained. Comparative Examples 1-3: Manufacture of non-inventive electrodes
Es werden drei Elektroden analog zu den Beispielen 1-3 hergestellt, mit dem einzigen Unterschied, dass diese nicht umgeformt werden, sondern in ebener Form verbleiben.There are three electrodes prepared analogously to Examples 1-3, with the only difference that they are not transformed, but remain in a flat form.
Beispiele 4-6: Herstellen erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit Elektroden gemäß der Beispiele 1-3 Die Elektroden gemäß den Beispielen 1-3 wurden als Kathoden mit einer Standardelektrode (Fa. DeNora Deutschland GmbH) aus Titan als Anode und einer Polymermembran aus Nafion 982WX (Fa. DuPont) durch Spannrahmen miteinander zu einer Elektrolysezelle kontaktiert und die Elektroden wurden weiter elektrisch leitend über eine Spannungs- und Stromquelle miteinander verbunden. Die freie Projektionsfläche, die im Falle der ebenen Anode gleich der aktiven - -EXAMPLES 4-6: Production of Inventive Devices with Electrodes According to Examples 1-3 The electrodes according to Examples 1-3 were used as cathodes with a standard electrode (DeNora Deutschland GmbH) made of titanium as an anode and a polymer membrane made of Nafion 982WX (Fa. DuPont) were tentered together to form an electrolytic cell and the electrodes were further electrically connected via a voltage and current source. The free projection surface, which in the case of the planar anode is the same as the active one - -
Oberfläche der Elektrode war, wurde durch den Rahmen auf 25 cm2 festgelegt. Die aktive Oberfläche der Elektroden gemäß den Beispielen 1-3 betrug durch die Ausformung je 48 cm2.Surface of the electrode was set by the frame to 25 cm 2 . The active surface of the electrodes according to Examples 1-3 was 48 cm 2 each due to the shaping.
Vergleichsbeispiele 4-6: Herstellen erfindungsgemäßer Vorrichtungen mit Elektroden gemäß den Vergleichsbeispielen 1-3 Es wurden Elektrolysezellen gemäß jenen der Beispiele 4-6 hergestellt, mit dem einzigen Unterschied, dass anstelle der Elektroden aus den Beispielen 1-3 nun jene der Vergleichsbeispiele 1-3 eingesetzt wurden und dass zwischen den Elektroden der Vergleichsbeispiele 1-3 und der Polymermembran ein Spalt von 3 mm vorgesehen wurde. Diese waren eben und wiesen demnach eine aktive Oberfläche von je 25 cm2 auf. Beispiel 7: Chlor- Alkali-Elektrolyseverfahren mit Vorrichtung gemäß Beispiel 4Comparative Examples 4-6: Fabrication of Inventive Devices with Electrodes According to Comparative Examples 1-3 Electrolysis cells were prepared according to those of Examples 4-6, with the only difference being that instead of the electrodes of Examples 1-3, now those of Comparative Examples 1-3 were used and that a gap of 3 mm was provided between the electrodes of Comparative Examples 1-3 and the polymer membrane. These were flat and therefore had an active surface area of 25 cm 2 each. Example 7 Chlor-alkali electrolysis process with apparatus according to Example 4
Die Elektrolysezelle gemäß Beispiel 4 (Elektrode gemäß Beispiel 1) wurde in ein Gefäß eingesetzt, so dass zwei Reaktionszonen getrennt durch die Elektrolysezelle entstanden. Auf der Seite der Elektrode gemäß Beispiel 1 wurde eine 30 Gew.-%ige, wässπge Natronlaugenlösung eingefüllt, während auf der Seite der Standardelektrode eine 20 Gew.-%ige wässπge Natπumchloπdlösung eingefüllt wurde. Beide Lösungen wurden gegen einen großen Vorlagebehälter in die jeweiligen Reaktionszonen rezirkuliert, um eine annähernd konstante Konzentration der Bestandteile über einen Betriebszeitraum von 100 Stunden zu erreichen.The electrolysis cell according to Example 4 (electrode according to Example 1) was used in a vessel, so that two reaction zones formed separately through the electrolysis cell. On the side of the electrode according to Example 1, a 30 wt .-%, aqueous sodium hydroxide solution was filled while a 20 wt .-% aqueous Natπumchloπdlösung was filled on the side of the standard electrode. Both solutions were recirculated against a large receiver tank into the respective reaction zones to achieve an approximately constant concentration of ingredients over an operating period of 100 hours.
Der Überdruck auf der Seite der Natronlaugenlosung betrug etwa 180 mbar, wobei der Sauerstoffüberdruck des Sauerstoffes, der in die Natronlaugenlösung eingeführt wurde, einen Überdruckanteil von 30 mbar ausmachte und der restliche Überdruck von 150 mbar durch den erhöht stehenden Vorlagenbehälter der Natronlauge resultierte. Das Verfahren wurde bei einer Temperatur von 900C ausgeführt.The overpressure on the side of the soda lye solution was about 180 mbar, the oxygen overpressure of the oxygen introduced into the sodium hydroxide solution constituting an excess pressure of 30 mbar and the remaining overpressure of 150 mbar resulting from the elevated master vessel of the sodium hydroxide solution. The process was carried out at a temperature of 90 ° C.
Es wurde über den Zeitraum von 100 Stunden bei verschiedenen, angelegten Zellspannungen und Stromdichten gemessen. Die Ergebnisse sind innerhalb der 100 Stunden zeitunabhängig und sind hinsichtlich der in Relation zur Stromdichte aufgetragenen Zellspannung in Fig. 7 dargestellt.It was measured over a period of 100 hours at various applied cell voltages and current densities. The results are time-independent within the 100 hours and are shown in Fig. 7 with respect to the cell voltage plotted in relation to the current density.
Vergleichsbeispiel 7: Chlor- Alkali-Elektrolyseverfahren mit Vorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel 4Comparative Example 7 Chlor-alkali electrolysis process with apparatus according to Comparative Example 4
Es wurde ein Versuch gleich zu jenem in Beispiel 7 ausgeführt, mit dem einzigen Unterschied, dass nun die Elektrolysezelle gemäß dem Vergleichsbeispiel 4 (Elektrode gemäß Vergleichsbeispiel 1) eingesetzt wurde.An experiment similar to that in Example 7 was carried out, with the only difference that now the electrolysis cell according to Comparative Example 4 (electrode according to Comparative Example 1) was used.
Die Ergebnisse sind ebenfalls zeitunabhängig und sind hinsichtlich der in Relation zur Stromdichte aufgetragenen Zellspannung in Fig. 7 dargestellt.The results are also time-independent and are shown in Fig. 7 with respect to the cell voltage plotted in relation to the current density.
Der Vergleich von Beispiel 7 mit Vergleichsbeispiel 7 zeigt, dass bei gleichen Stromdichten die erfindungsgemäße Vorrichtung eine signifikant um 130 mV bei 4 kA/m2 gegenüber der nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung verringerte Zellspannung benötigt. Um auszuschließen, dass der vorteilhafte Effekt der verringerten Zellspannung an einem unvorteilhaft gewählten Spalt zwischen nicht erfindungsgemäßer zweiter Elektrode und Polymermembran liegt, wurde der Spalt auf nur 1,5 mm halbiert. Es wurde aber nur eine Verringerung der Zellspannung von etwa 60 mV bei 4 kA/m2 gemessen. Damit wurde ausgeschlossen, dass die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur auf eine mittlere Verringerung der Spaltweite zwischen zweiter Elektrode und Polymermembran zurückzuführen war. The comparison of Example 7 with Comparative Example 7 shows that at the same current densities, the device according to the invention does not show a significant increase of 130 mV at 4 kA / m2 Device according to the invention requires reduced cell voltage. To rule out that the advantageous effect of the reduced cell voltage at a disadvantageously selected gap between not inventive second electrode and polymer membrane, the gap was halved to only 1.5 mm. However, only a reduction of the cell voltage of about 60 mV at 4 kA / m 2 was measured. This ruled out that the advantageous effect of the device according to the invention was attributable only to an average reduction in the gap width between the second electrode and the polymer membrane.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff, enthaltend eine erste Elektrode (1) als Anode, eine Polymermembran (2) und eine zweite gas- und flüssigkeitsdurchlässige Elektrode (3) als Kathode, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) auf der Polymermembran (2) an punkt- und/oder linienföπnigen Kontaktstellen aufliegt.1. A device for the electrolytic reduction of oxygen, comprising a first electrode (1) as an anode, a polymer membrane (2) and a second gas and liquid-permeable electrode (3) as a cathode, characterized in that the second electrode (3) on the Polymer membrane (2) rests on point and / or linienföπnigen contact points.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (1) in Form einer Platte, eines ebenen Netzes, eines ebenen Gitters oder eines ebenen Gewebes ausgeführt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the first electrode (1) in the form of a plate, a flat mesh, a flat grid or a flat fabric is executed.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) in einer Raumrichtung gewellt oder gezackt ausgeführt ist.3. A device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the second electrode (3) is corrugated or jagged in a spatial direction.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) gezackt ausgeführt ist und wobei der Winkel zwischen Polymermembran (2) und der gezackten Ausführung von 5° bis 80°, bevorzugt von 20° bis 75°, besonders bevorzugt von 30° bis 70° beträgt. 4. The device according to claim 3, characterized in that the second electrode (3) is designed serrated and wherein the angle between the polymer membrane (2) and the serrated design of 5 ° to 80 °, preferably from 20 ° to 75 °, particularly preferred from 30 ° to 70 °.
5. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur elektrolytischen Reduktion von Sauerstoff, in der ein erstes elektrisch leitfähiges Material entweder in einem Abstand von bis zu 5 mm zu einer Polymermembran fixiert wird, oder mit dieser verbunden wird und in dem mit der Polymermembran ein zweites elektrisch leitfähiges, poröses Material punktförmig und/oder linienförmig verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitfähige, poröse Material bevor es mit der Polymermembran verbunden wird in einer oder zwei Raumrichtungen gewellt oder gezackt ausgeformt wird.5. A process for producing an apparatus for the electrolytic reduction of oxygen, in which a first electrically conductive material is fixed either at a distance of up to 5 mm to a polymer membrane or is connected to this and in which with the polymer membrane a second electrically conductive , Porous material is punctiform and / or linearly connected, characterized in that the second electrically conductive, porous material before it is connected to the polymer membrane is corrugated or serrated in one or two spatial directions.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrisch leitfähige, poröse Material vor dem in Kontaktbringen mit der Polymermembran (2) noch einem Beschichten durch Behandeln des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials mit einem Gemisch mindestens umfassend einen Anteil an Metallpulver und einen Anteil an6. The method according to claim 5, characterized in that the second electrically conductive, porous material prior to contacting with the polymer membrane (2) nor a coating by treating the second electrically conductive, porous material with a mixture comprising at least a proportion of metal powder and a share in
Partikeln eines fluorierten Polymers unterzogen wird.Particles of a fluorinated polymer is subjected.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch eine Suspension ist.7. The method according to claim 6, characterized in that the mixture is a suspension.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Behandeln des zweiten elektrisch leitfähigen, porösen Materials mit der vorgenannten Suspension, das erhaltene Material getrocknet und nachfolgend gesintert wird, wobei das Trocknen als Heißpressen zusammen mit dem Ausformen erfolgt.8. The method according to claim 7, characterized in that after treating the second electrically conductive, porous material with the aforementioned suspension, the resulting material is dried and subsequently sintered, wherein the drying is carried out as hot pressing together with the molding.
9. Verwendung einer Vorrichtung gemäß eines der Ansprüche 1 bis 4, oder der gemäß aus einem Verfahren gemäß der Ansprüche 5 bis 7 erhaltenen Vorrichtungen in Verfahren zur elektrochemischen Reduktion von Sauerstoff und/oder zu elektrochemischen Oxidation von Chlorid zu Chlor.9. Use of a device according to one of claims 1 to 4, or according to obtained from a method according to claims 5 to 7 devices in methods of electrochemical reduction of oxygen and / or to electrochemical oxidation of chloride to chlorine.
10. Verfahren zur Chloralkalielektrolyse in dem in zwei voneinander durch eine von zwei Elektroden (1 und 3) umgebenen Polymermembran (2) getrennten Reaktionszonen Chlor und Natronlauge elektrochemisch gebildet werden, wobei in der ersten Reaktionszone eine10. A process for chloralkali electrolysis in which in two by a two of two electrodes (1 and 3) surrounded polymer membrane (2) separate reaction zones chlorine and caustic soda are formed electrochemically, wherein in the first reaction zone
Natriumchloridlösung vorliegt und in der anderen Reaktionszone eine Lösung umfassend molekular gelösten Sauerstoff vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszone, in der die Lösung umfassend molekular gelösten Sauerstoff mit einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode (3) in Kontakt gebracht wird, die in ein und/oder zwei Raumrichtungen gewellt und/oder gezackt gegenüber der Polymermembran (2), auf der sie aufliegt, ausgeformt ist und dass die Natriumchloridlösung mit einer gas- und flüssigkeitsdurchlässigen Elektrode (1) in Kontakt gebracht wird und wobei zwischen den beiden Elektroden eine Spannung von weniger als 2,3 V angelegt ist. Sodium chloride solution is present and in the other reaction zone is a solution comprising molecularly dissolved oxygen, characterized in that the reaction zone in which the solution comprising molecularly dissolved oxygen is brought into contact with a gas- and liquid-permeable electrode (3) in one and / or or two spatial directions wavy and / or jagged against the polymer membrane (2) on which it rests, is formed and that the sodium chloride solution with a gas- and liquid-permeable electrode (1) is brought into contact and between the two electrodes, a voltage of less than 2.3 V is applied.
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