JPS5911675B2 - Catalyst electrode structure - Google Patents

Catalyst electrode structure

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JPS5911675B2
JPS5911675B2 JP57006874A JP687482A JPS5911675B2 JP S5911675 B2 JPS5911675 B2 JP S5911675B2 JP 57006874 A JP57006874 A JP 57006874A JP 687482 A JP687482 A JP 687482A JP S5911675 B2 JPS5911675 B2 JP S5911675B2
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electrode
catalyst
membrane
electrolyte
particles
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アンソニイ・ベイシル・ラコンテイ
ト−マス・ジョ−ジ・コウカ−
ラッセル・メイソン・デンプシイ
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は触媒電極および膜一電極構造物に関するもので
、更に詳しく言えば、ハロゲン化物の電解に際して特に
有用な電極に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to catalytic electrodes and membrane-electrode structures, and more particularly to electrodes particularly useful in the electrolysis of halides.

化合物の電解によりその成分元素の1種をガスとして発
生させる方法は、言うまでもなく旧来の公知技術である
Needless to say, the method of electrolyzing a compound to generate one of its constituent elements as a gas is a conventionally known technique.

ところで、最近開発されたガス発生用電解装置としては
、固体重合体のイオン交換膜から成る電解質を使用した
セルを含むものがある。この種の装置においては、適当
な触媒を用いた触媒電極がスルホン化された過フツ化炭
化水素樹脂イオン交換膜のごときイオン輸送膜の両側に
配置される。酸化反応により、一方の電極の位置には成
分元素の1種(たとえば、水や塩化水素を電解する場合
ならば水素、また塩化ナトリウムのごときアルカリ金属
ハロゲン化物を電解する場合ならばナトリウム)がイオ
ンの状態で生成される。かかるイオンはイオン交換膜を
横切つて輸送され、そして他方の電極の位置で還元され
て分子状水素、水酸化ナトリウムなどのごとき電解生成
物を生み出す。このように固体重合体のイオン交換膜を
使用した電解セルは、効率が良く、寸法が小さく、かつ
腐食性の電解液を全く含まないという点で特に有利であ
る。かかる電気化学的電解セルに組込まれる触媒電極の
一部として、各種の金属や合金がこれまで使用されてき
た。
By the way, some recently developed electrolytic devices for gas generation include cells that use an electrolyte made of a solid polymer ion exchange membrane. In this type of device, catalytic electrodes using a suitable catalyst are placed on either side of an ion transport membrane, such as a sulfonated fluorinated hydrocarbon resin ion exchange membrane. Due to the oxidation reaction, one of the component elements (for example, hydrogen when electrolyzing water or hydrogen chloride, or sodium when electrolyzing an alkali metal halide such as sodium chloride) becomes an ion at the position of one electrode. is generated in the state of Such ions are transported across the ion exchange membrane and reduced at the other electrode to produce electrolytic products such as molecular hydrogen, sodium hydroxide, etc. Electrolytic cells using solid polymeric ion exchange membranes are particularly advantageous in that they are efficient, small in size, and do not contain any corrosive electrolytes. Various metals and alloys have been used as part of the catalytic electrodes incorporated into such electrochemical cells.

ガス発生電極の位置に存在なる触媒の性能が電解セルの
有効性や効率従つて電解工程の経済性を決定することは
明らかである。電解セル内の触媒の選択およびそれの効
力は、触媒の表面積、触媒表面におけるそれの成分の酸
化物の生成、反応体中の汚染物質、およびセル内で起る
反応の性質のごとき因子に複雑に存在する。それ故、あ
る電解セルにおいて有用な触媒が別の装置にも応用でき
るかどうかを予想することは困難であり、また実際常に
困難であつた。米国特許第3992271号明細書中に
は、性能および効率の著しい改善をもたらすこが判明し
た白金一イリジウム合金を含む改良された酸素発生用触
媒電極が記載されている。また、米国特許第40394
90号明細書中には、白金一ルテニウムの還元酸化物を
用いた別の酸素発生用触媒電極が記載されている。
It is clear that the performance of the catalyst present at the gas generating electrode determines the effectiveness and efficiency of the electrolysis cell and thus the economy of the electrolysis process. The selection of a catalyst and its effectiveness within an electrolytic cell is complicated by factors such as the surface area of the catalyst, the formation of oxides of its components on the catalyst surface, contaminants in the reactants, and the nature of the reactions occurring within the cell. exists in Therefore, it is, and indeed always has been, difficult to predict whether a catalyst useful in one electrolytic cell will have application in another device. No. 3,992,271 describes an improved catalytic electrode for oxygen evolution comprising a platinum-iridium alloy which has been found to provide significant improvements in performance and efficiency. Also, U.S. Patent No. 40394
No. 90 describes another catalytic electrode for oxygen generation using a reduced oxide of platinum-ruthenium.

かかる白金−ルテニウム触媒は、白金との合金用として
ルテニウムのごとき比較的安価な材料を使用しているた
め白金−イリジウム触媒に比べて実質的に安価であるば
かりでなく、白金−イリジウム電極の場合よりも低い酸
素過電圧を有するため一層効果的であることが判明して
いる。しかしながら、ハロゲン化物水溶液の電極によつ
てハロゲンを発生させる際にルテニウムの還元酸化物か
ら成る電解触媒を使用するという試みは、セル(電解槽
)内の電極条件が厳しいものであるため必ずしも成功し
なかつた。
Such platinum-ruthenium catalysts are not only substantially cheaper than platinum-iridium catalysts due to the use of relatively inexpensive materials such as ruthenium for alloying with platinum, but also in the case of platinum-iridium electrodes. It has been found to be more effective because it has a lower oxygen overpotential than However, attempts to use an electrocatalyst made of reduced oxide of ruthenium to generate halogen using an electrode of an aqueous halide solution have not necessarily been successful due to the harsh electrode conditions in the cell (electrolytic tank). Nakatsuta.

すなわち、かかる白金族金属の還元酸化物はハロゲン化
水素の電解やアルカリ金属ハロゲン化物溶液(多くは酸
性溶液)の電解に際して存在する酸性環境中において溶
解するため、塩素発生中に膜から多量の触媒が失われる
可能性がある。このように白金族金属の溶解によつて触
媒が失われる傾向があるばかりでなく、電極の過電圧の
上昇のためにセルの効率が低下する傾向もあり、従つて
長期間の動作が不可能となる場合が多い。さて、本発明
の利点は説明の進行に伴つて自ら明らかとなろう。
In other words, since the reduced oxides of platinum group metals dissolve in the acidic environment that exists during the electrolysis of hydrogen halides and the electrolysis of alkali metal halide solutions (often acidic solutions), a large amount of catalyst is removed from the membrane during chlorine generation. may be lost. Thus, not only is there a tendency for catalyst to be lost due to dissolution of the platinum group metals, but there is also a tendency for cell efficiency to decrease due to increased electrode overvoltage, thus making long-term operation impossible. This is often the case. Now, the advantages of the present invention will become apparent by themselves as the description progresses.

本発明に関連する新規な電解触媒は、熱安定化によつて
腐食性の強い電解条件に対する抵抗性を増大させるのに
十分な高温を使用しながら酸素の存在下で処理された少
なくとも1種の白金族金属の還元酸化物を含有する。
The novel electrocatalysts associated with the present invention include at least one catalyst treated in the presence of oxygen using high temperatures sufficient to increase resistance to aggressive electrolytic conditions by thermal stabilization. Contains reduced oxides of platinum group metals.

かかる電解触媒はまた、他種の白金族金属(たとえばイ
リジウム)の還元酸化物を随意に含有でき、かつ黒鉛や
バルブ金属(Valvemetaりの酸化物、窒化物、
炭化物および硫化物のごとき導電性増量剤を50(重量
)%までの割合で随意に含有できる。有用な白金族金属
の実例としては白金、パラジウム、イリジウム、ロジウ
ム、ルテニウムおよびオスミウムが挙げられるが、塩素
およびその他のハロゲン発生用として好適なものは熱安
定化されたルテニウムの還元酸化物である。ルテニウム
の還元酸化物が好適である理由は、塩素に対する過電圧
が極めて低いと同時に電解環境中において安定であるこ
とが判明しているからである。前述の通り、かかる電解
触媒はただ1種の白金族金属の還元酸化物(たとえばル
テニウム、白金、イリジウムなどの還元酸化物)から成
り得る。
Such electrocatalysts may also optionally contain reduced oxides of other platinum group metals (e.g., iridium), and may include graphite and valve metals (e.g., oxides, nitrides,
Conductive fillers such as carbides and sulfides can optionally be included in proportions up to 50% (by weight). Examples of useful platinum group metals include platinum, palladium, iridium, rhodium, ruthenium, and osmium, although the thermally stabilized reduced oxides of ruthenium are preferred for chlorine and other halogen generation. The reduced oxide of ruthenium is preferred because it has been found to have a very low overpotential relative to chlorine as well as being stable in the electrolytic environment. As previously mentioned, such electrocatalysts may consist of a reduced oxide of only one platinum group metal (eg, a reduced oxide of ruthenium, platinum, iridium, etc.).

とは言え、2種以上の熱安定化された白金族金属の還元
酸化物の混合物の方が一層安定であると判明している。
かかる混合物の実例は金属に換算して25(重量)%ま
で好ましくは5〜25(重量)%のイリジウムの還元酸
化物を含有するルテニウムの還元酸化物である。ただし
、イリジウムはルテニウム・に比べてやや高価である。
黒鉛のごとき導電性増量剤は、ハロゲンに対して低い過
電圧を有し、白金族金属の酸化物よりも実質的に安価で
あり、しかも触媒の効力を低下させることなく容易に混
入し得る。
However, mixtures of two or more thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals have been found to be more stable.
An example of such a mixture is a reduced oxide of ruthenium containing up to 25% (by weight), preferably from 5 to 25% (by weight) of reduced oxide of iridium, calculated as metal. However, iridium is slightly more expensive than ruthenium.
Conductive fillers such as graphite have low overpotentials relative to halogens, are substantially cheaper than oxides of platinum group metals, and can be easily incorporated without reducing the effectiveness of the catalyst.

黒鉛以外にバルブ金属たとえばチタン、タンタル、ニオ
ブ、タングステン、バナジウム、ジルコニウムおよびハ
フニウムの還元酸化物を添加すれば、電解触媒を更に安
定化しかつ厳しい電解条件に対する抵抗性を更に増大さ
せることができる。かかる熱安定化された白金族金属の
還元酸化物およびそれに添加された増量剤(1、「テフ
ロン(TeflOn)]という商品名でデユボン社から
販売されているような過フツ化炭化水素樹脂粒子で結合
することによつて電極に成形される。
The addition of reduced oxides of valve metals such as titanium, tantalum, niobium, tungsten, vanadium, zirconium and hafnium in addition to graphite can further stabilize the electrocatalyst and further increase its resistance to harsh electrolytic conditions. Such thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals and fillers added thereto (1) perfluorinated hydrocarbon resin particles such as those sold by Dubon under the trade name "TeflOn". By bonding, it is formed into an electrode.

すなわち、触媒粒子および樹脂粒子が混合され、型の中
に光填され、それから加熱によつて適当な形状に焼結さ
れる。次いで、かかる成形物は加熱および加圧によつて
膜の少なくとも一方の表面に接合される。このようにし
て新規な電極構造物および一体化された膜一電極構造物
を得ることができる。かかる電解触媒の新規な製造方法
は、少なくとも1種の白金族金属および所望に応じ1種
以上のバルブ金属の酸化物を生成させ、かかる酸化物を
部分的酸化状態にまで還元し、こうして得られた還元酸
化物を安定化するのに十分な高温を使用しながら酸素の
存在下で加熱を行い、次いで所望に応じ黒鉛を添加する
ことから成る。
That is, catalyst particles and resin particles are mixed, optically filled into a mold, and then sintered into a suitable shape by heating. The molded article is then bonded to at least one surface of the membrane by heating and pressure. In this way, novel electrode structures and integrated membrane-electrode structures can be obtained. A novel method for producing such electrocatalysts involves forming oxides of at least one platinum group metal and optionally one or more valve metals, reducing such oxides to a partially oxidized state, and The process consists of heating in the presence of oxygen using a high enough temperature to stabilize the reduced oxide, followed by the optional addition of graphite.

本発明に固有なものと信じられる新規な特徴は前記特許
請求の範囲に詳しく記載されている。
The novel features believed to be inherent in the invention are pointed out in the appended claims.

とは言え、本発明の構成や操作方法およびその他の目的
や利点は添付の図面を参照しながら以下の説明を読めば
最も良く理解されよう。熱安定化された白金族金属の還
元酸化物を単独あるいは他種の白金族金属または随意の
バルブ金属と共に含む新規な電解触媒は、部分的に還元
されかつ熱安定化された恒久的な酸化物触媒を与えるも
のであれば任意適宜の方法によつて調製することができ
る。
The structure and method of operation of the present invention, as well as other objects and advantages, may, however, be best understood from the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings. Novel electrocatalysts comprising thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals, alone or together with other platinum group metals or optional valve metals, are partially reduced and thermally stabilized permanent oxides. It can be prepared by any suitable method as long as it provides a catalyst.

好適な還元方法としては、熱分解可能な白金族金属ハロ
ゲン化物(たとえば塩化ルテニウム)を単独あるいは所
望ならば適当量の多種の熱分解可能な白金族金属または
バルブ金属ハロゲン化物と共に過剰量の硝酸ナトリウム
に添加することによるアダムズ(Adanls)の白金
族金属調製方法の変法が挙げられる。
A preferred method of reduction involves the addition of a thermally decomposable platinum group metal halide (e.g. ruthenium chloride) alone or if desired together with an appropriate amount of various thermally decomposable platinum group metal or valve metal halides in an excess amount of sodium nitrate. A modification of the Adanls method for preparing platinum group metals by adding .

アダムズの白金族金調製方法は、米国化学会誌(JOu
rnalOftheAnleri一CarlChemi
calSOciety)第45頁217頁(1923年
)に発表されたアール・アダムズおよびアール・エル・
シユライナ一(R.Adams& R.L.Schri
ner)の論文中に記載されている。その際には、最終
的な合金生成物において所望されるものと同じ金属の重
量比に従つて白金族金属の微粉状ハロゲン化物(たとえ
ば白金については塩化白金酸、ルニウムについては塩化
ルテニウム、チタンについては塩化チタン、およびタン
タルについては塩化タンタル)を混合するのが好都合で
ある。過剰量の硝酸ナトリウムを添加混合した後、かか
る混合物がシリカ皿中において500〜600℃で3時
間にわたり融解される。残留物を十分に洗浄して残存す
る硝酸塩およびハロゲン化物を除去すれば、所望の白金
族金属酸化物(すなわち酸化ルテニウム、酸化白金ルテ
ニウム、酸化ルテニウムイリジウム、酸化ルテニウムチ
タンなど)が得られる。こうして得られた混成酸イ澹の
懸濁液が次いで部分的に還元される。白金族金属酸化物
の還元は、酸化物を遊離金属状態にまで完全に還元しな
い限り、任意適宜の公知方法(たとえば電気化学的還元
または常温下での水素導入によつて達成することができ
る。好適な実施態様に従えば、電気化学的還元技術(す
なわち酸性媒質中における電気化学的還元)の使用によ
つて酸化物が還元される。こうして白金族金属の還元酸
化物(単独または混成の還元酸化物)となつた生成物を
たとえば加熱ランプの使用によつて完全に乾燥し、粉砕
し、次いで400メツシユのナイロンふるいを通せば、
白金族金属の還元酸化物の微粉が得られる。こうして得
られた白金族金属の還元酸化物は、次いで、酸性ハロゲ
ン化水素環境中およびハロゲンの存在下において安定な
触媒を得るのに十分な温度および時間を使用しながら酸
素の存在下で加熱することによつて熱安定化される。
Adams' platinum group gold preparation method was published in the Journal of the American Chemical Society (JOU).
rnalOftheAnleri-CarlChemi
R. Adams and R. L. CalSOciety), No. 45, p.
R.Adams & R.L.Schri
ner). In this case, finely divided halides of platinum group metals (e.g. chloroplatinic acid for platinum, ruthenium chloride for ruunium, ruthenium chloride for titanium) are added according to the same weight ratio of metals as desired in the final alloy product. It is convenient to mix titanium chloride for tantalum, and tantalum chloride for tantalum. After addition and mixing of excess sodium nitrate, the mixture is melted in a silica dish at 500-600°C for 3 hours. The desired platinum group metal oxide (ie, ruthenium oxide, platinum ruthenium oxide, ruthenium iridium oxide, ruthenium titanium oxide, etc.) can be obtained by thoroughly washing the residue to remove remaining nitrates and halides. The suspension of mixed acids thus obtained is then partially reduced. Reduction of the platinum group metal oxide can be accomplished by any suitable known method, such as electrochemical reduction or hydrogen introduction at room temperature, as long as the oxide is not completely reduced to the free metal state. According to a preferred embodiment, the oxide is reduced by the use of electrochemical reduction techniques (i.e. electrochemical reduction in an acidic medium). The resulting product (oxide) is thoroughly dried, for example by using a heat lamp, ground, and then passed through a 400 mesh nylon sieve.
A fine powder of a reduced oxide of a platinum group metal is obtained. The reduced oxide of the platinum group metal thus obtained is then heated in an acidic hydrogen halide environment and in the presence of oxygen using a temperature and time sufficient to obtain a stable catalyst in the presence of halogen. It is thermally stabilized by this.

後述のごとく、かかる熱安定化によれば、ハロゲン(た
とえば塩素など)ハロゲン化物溶液(たとえば塩酸)の
存在下で遥かに優れた耐食性を示す触媒が得られる。ま
た、かかる熱安定化によれば、大きな平均孔径を有しか
つ還元酸化物粒子の外側に安定な薄い酸化皮膜を持つた
触媒粒子が生成されるものと信じられる。このようにし
て還元酸化物粒子が安定化される結果、固体重合体電解
質膜への接合のための機械的性質および塩酸やその他の
酸性ハロゲン化物溶液中への溶解あるいは発生したハロ
ゲンに対する抵抗性が改善されるのである。そのために
(訳350〜750℃で30分間ないし6時間にわたつ
て還元酸化物を加熱することが好ましく、また550〜
600℃で1時間にわたつて還元酸化物を加熱すれば一
層好ましい。更にまた、かかる触媒およびそれを含む電
極の電解活性を最適化するには、触媒粒子をできるだけ
微細な粉末の状態にすればよいことも判明した。
As discussed below, such thermal stabilization results in a catalyst that exhibits much better corrosion resistance in the presence of halogen (eg, chlorine) halide solutions (eg, hydrochloric acid). It is also believed that such thermal stabilization produces catalyst particles having a large average pore diameter and a stable thin oxide film on the outside of the reduced oxide particles. This stabilization of the reduced oxide particles results in improved mechanical properties for bonding to solid polymer electrolyte membranes and resistance to dissolution in hydrochloric acid or other acidic halide solutions or to generated halogens. It will be improved. For this purpose, it is preferable to heat the reduced oxide at 350-750°C for 30 minutes to 6 hours;
More preferably, the reduced oxide is heated at 600° C. for 1 hour. Furthermore, it has been found that in order to optimize the electrolytic activity of such a catalyst and an electrode containing the same, it is sufficient to make the catalyst particles into a powder state as fine as possible.

すなわち、BET窒素吸収法によつて測定した触媒粒子
の表面積は少なくとも25m2/9好ましくは50〜1
50m2/9であればよいことが判明したのである。触
媒粒子および過フツ化炭化水素重合体粒子から成る気体
透過性電極構造物を製造するには、米国特許第3297
484号明細書中に記載のごとく触媒粒子をテフロン分
散物と混和して結合電極構造物を得ればよい。
That is, the surface area of the catalyst particles measured by the BET nitrogen absorption method is at least 25 m2/9, preferably 50 to 1
It turned out that 50m2/9 would be sufficient. For producing gas permeable electrode structures comprising catalyst particles and fluorinated hydrocarbon polymer particles, U.S. Pat.
Catalyst particles may be mixed with a Teflon dispersion to form a bonded electrode structure as described in the '484 specification.

電極の結合に際しては、テフロン分散物が炭化水素をほ
とんどもしくは全く含まないように注意しながら触媒と
混和することが望ましい。もしテフロン分散物が有機界
面活性剤としての炭化水素を含んでいれば、触媒の表面
積の損失が生じる。触媒の表面積が減少することは明ら
かに望ましくない。なぜなら、それは触媒の効率および
効力に悪影響を及ぼす可能性があるからである。それ故
、電極構造物の製造に当つては、炭化水素をほとんど含
まないテフロン(すなわちポリテトラフルオロエチレン
)粒子の分散物を使用すべきである。電極構造物の製造
に際して使用し得る適当なテフロン粒子の実例としては
、「テフロンT−30」の商品名でデユボン社から販売
されているものが挙げられる。貴金属粒子とテフロン粒
子の又は黒鉛と還元酸化物粒子の混合吻が型の中に充填
され、それから加熱によつて成形される。
When bonding the electrodes, it is desirable to mix the Teflon dispersion with the catalyst with care so that it contains little or no hydrocarbons. If the Teflon dispersion contains hydrocarbons as organic surfactants, a loss of surface area of the catalyst occurs. A reduction in the surface area of the catalyst is clearly undesirable. This is because it can adversely affect the efficiency and efficacy of the catalyst. Therefore, dispersions of Teflon (ie, polytetrafluoroethylene) particles that are substantially free of hydrocarbons should be used in the manufacture of electrode structures. Examples of suitable Teflon particles that may be used in the manufacture of electrode structures include those sold by Dubon under the trade name "Teflon T-30." A mixture of noble metal particles and Teflon particles or graphite and reduced oxide particles is filled into a mold and then shaped by heating.

次に、こうして得られた成形物が加熱および加圧によつ
て膜の表面に接合されかつ埋込まれる。たとえば、上記
の米国特許第3297484号明細書中に記載のごとく
にして電極構造物をイオン交換膜の表面に接合すれば、
気体透過性の粒子混合物が一体的に接合される。また、
場合によつては、それを膜の表面に埋込むことが好まし
い。こうして作製された新規な膜一電極構造物は、選択
的イオン輸送の可能な固体重合体電解質膜およびかかる
膜の少なくとも一方の側に接合された(上記のごとき白
金族金属の還元酸化物から成る電解触媒を含む)薄くて
多孔質の気体透過性電極から成るものである。
Next, the molded article thus obtained is bonded and embedded into the surface of the membrane by heating and pressurizing. For example, if an electrode structure is bonded to the surface of an ion exchange membrane as described in the above-mentioned US Pat. No. 3,297,484,
A gas permeable particle mixture is bonded together. Also,
In some cases it is preferable to embed it in the surface of the membrane. The novel membrane-electrode structure thus prepared comprises a solid polymer electrolyte membrane capable of selective ion transport and a reduced oxide of a platinum group metal (as described above) bonded to at least one side of such membrane. It consists of a thin, porous, gas-permeable electrode (containing an electrocatalyst).

膜の他方の側に第2の電極を接合することもできるが、
その場合の電極は同じ電解触媒を含んでいても他の任意
適宜な陰極材料を含んでいてもよい。選択的イオン輸送
膜は、イオン輸送の選択性を特徴とする安定な含水陽イ
オン交換膜であることが好ましい。陽イオン交換膜は正
に帯電した陽イオン(たとえば、塩化水素のごときハロ
ゲン化物の電解の場合ならば水素イオン、またアルカリ
金属ハロゲン化物水溶液の電解の場合ならばナトリウム
イオン)の通過を許す一方、負に帯電した陰イオンの通
過は抑制するものである。陽イオンの選択的輸送を可能
にする膜として使用し得るイオン交換樹脂には各種のも
のがある。
A second electrode can also be bonded to the other side of the membrane,
The electrodes in that case may contain the same electrocatalyst or any other suitable cathode material. Preferably, the selective ion transport membrane is a stable hydrous cation exchange membrane characterized by selectivity in ion transport. Cation exchange membranes allow the passage of positively charged cations (e.g., hydrogen ions in the case of electrolysis of halides such as hydrogen chloride, and sodium ions in the case of electrolysis of aqueous alkali metal halides); Passage of negatively charged anions is suppressed. There are a variety of ion exchange resins that can be used as membranes that allow selective transport of cations.

かかる樹脂を2種だけ挙げれば、いわゆるスルホン酸陽
イオン交換樹脂およびカルボン酸陽イオン交換樹脂があ
る。より好適なスルホン酸陽イオン交換樹脂は、スルホ
ン化によつて重合体主鎖に結合した水和スルホン酸基(
SO3H.H2O)をイオン交換基として含有している
。膜中のイオン交換基は重合体主鎖に結合固定されてい
るため、電解液濃度は変化しない。前記に指摘された通
り、特に好適なものは過フツ化炭化水素樹脂スルホン酸
陽イオン交換樹脂である。この種の陽イオン交換重合体
の実例としては、「ナフイオン(NafiOr!の商品
名でデユボン社から販売されているものが挙げられる。
このようなナフイオン膜は、スルホン酸側基を含むポリ
テトラフルオロエチレン(PTFE)およびポリフツ化
スルホニルビニルエーテルの含水共重合体であるoかか
るスルホン酸陽イオン交換樹脂膜のイオン交換容量(I
EC)は、重合体19当りのスルホン(SO3)酸基の
M9当量数(NEW)に依存する。
Just two such resins are the so-called sulfonic acid cation exchange resins and carboxylic acid cation exchange resins. More preferred sulfonic acid cation exchange resins include hydrated sulfonic acid groups (
SO3H. H2O) as an ion exchange group. Since the ion exchange groups in the membrane are bonded and fixed to the polymer main chain, the electrolyte concentration does not change. As indicated above, particularly preferred are fluorinated hydrocarbon resins and sulfonic acid cation exchange resins. Examples of cation exchange polymers of this type include those sold by Dubon under the tradename NafiOr!.
Such naphionic membranes are made of a hydrous copolymer of polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyfluorinated sulfonyl vinyl ether containing sulfonic acid side groups.
EC) depends on the number of M9 equivalents of sulfonic (SO3) acid groups per polymer 19 (NEW).

スルホン酸基の濃度が大きいほど、膜のイオン交換容量
従つて陽イオン輸送能力は大きくなる。しかるに、膜の
イオン交換容量が増加するに従つて含水量は増加し、そ
のため膜が塩類を排斥する能力は低下する。ところで、
アルカリ金属ハロゲン化物溶液の電解の場合には陰極側
に苛性アルカリが生成されるため、その苛性アルカリが
陰極側から陽極側へ移動する速度はイオン交換容量と共
に増大する。かかる逆移動は陰極の電流効率(CE)を
低下させ、また陽極側における酸素の発生を引起す。か
かる酸素の発生は陽極側の触媒電極に対する効果の点で
望ましくない結果を生じる。それ故、食塩水の電解用と
して好適なイオン交換膜は、イオン交換容量が1500
m9当量でありながら、含水量が小さく(5−15%)
で、塩類排斥能力が大きい51μ(2ミル)程度の陽イ
オン交換膜およびイオン交換容量が大きい(1100m
9当量)102μ(4ミル)程度の陽イオン交換膜をテ
フロン布で接合したものから成る積層物である。かかる
積層物の実例としては、ナフイオン315の商品名でデ
ユポン社から販売されているものが挙げられる。塩類排
斥能力を最適化するために陰極側の層として含水量の小
さい(5〜15%)樹脂の薄膜を使用した積層物はその
他にも各種のものがある。かかる積層物の実例としては
ナフイオン355,376,390,227および21
4が挙げられる。テフロン布によつて接合された積層物
の場合、従来好んで用いられてきた苛性アルカリ中への
浸漬以外に、70%HNO3中で3〜4時間にわたり環
流加熱することによつて膜およびテフロン布を清浄にす
ることが望ましいと言える。塩化水素のごときハロゲン
化水素の電解の場合には、苛性アルカリやその他の塩類
の逆移動の問題は存在しないから、ナフイオン120の
ごとき単純な形態の膜をイオン輸送膜として使用するこ
とができる。
The greater the concentration of sulfonic acid groups, the greater the ion exchange capacity and hence the cation transport capacity of the membrane. However, as the ion exchange capacity of the membrane increases, the water content increases and therefore the membrane's ability to reject salts decreases. by the way,
In the case of electrolysis of an alkali metal halide solution, caustic alkali is produced on the cathode side, so the rate at which the caustic alkali moves from the cathode side to the anode side increases with the ion exchange capacity. Such reverse migration reduces the current efficiency (CE) of the cathode and also causes the evolution of oxygen at the anode side. Such oxygen evolution has undesirable consequences in terms of its effect on the anode-side catalytic electrode. Therefore, an ion exchange membrane suitable for electrolysis of salt water has an ion exchange capacity of 1500
Although m9 equivalent, water content is small (5-15%)
A cation exchange membrane of about 51 μ (2 mil) with a large salt exclusion ability and a large ion exchange capacity (1100 m
It is a laminate consisting of cation exchange membranes of approximately 102μ (4 mils) bonded with Teflon cloth. An example of such a laminate is that sold by DuPont under the trade name Nafion 315. There are various other laminates that use a thin film of resin with a low water content (5-15%) as the layer on the cathode side to optimize the salt rejection ability. Examples of such laminates include Nafion 355, 376, 390, 227 and 21
4 can be mentioned. In the case of laminates bonded by Teflon cloth, the membrane and Teflon cloth can be separated by reflux heating in 70% HNO3 for 3 to 4 hours, in addition to the conventionally preferred immersion in caustic alkaline. It can be said that it is desirable to keep it clean. In the case of electrolysis of hydrogen halides such as hydrogen chloride, simple forms of membranes such as Nafion 120 can be used as ion transport membranes since the problem of back migration of caustic and other salts does not exist.

食塩水の電解の場合には、また含水量の小さいことが要
求される陰極側の遮断層としてスルホンアミド基または
カルボン酸基を持つた厚さ2〜4ミルの化学変性層を含
むような積層物を使用することもできる。
In the case of saline electrolysis, a stack containing a chemically modified layer 2 to 4 mils thick with sulfonamide or carboxylic acid groups as a barrier layer on the cathode side, which also requires a low water content. You can also use objects.

次に第1図を参照すれば、ハロゲン発生用の電解セル1
0が示されている。
Next, referring to FIG. 1, an electrolytic cell 1 for halogen generation is shown.
0 is shown.

かかるセル10は、固体重合体の電解質膜13によつて
隔てられた陰極外被11および陽極外被12から成つて
いる。好ましくは選択透過性の含水陽イオン交換膜から
成る膜13の両面には、熱安定化されたルテニウムの還
元酸化物(RuOx)またはイリジウムの還元酸化物(
IrOx)、熱安定化されたルテニウム−イリジウム(
Ru−1r)、ルテニウム−チタン(Ru−Ti)、ル
テニウム−タンタル(Ru−Ta)またはルテニウム−
タンタル−イリジウム(RuTa−r入ルテニウム一黒
鉛の還元酸化物、あるいは上記のものと黒鉛およびその
他のバルブ金属の還元酸化物との組み合せの粒子をテフ
ロンのごとき過フツ化炭化水素樹脂で結合したものから
成る電極が接合されている。図中に見える陰極14は膜
13の一方の側に接合されかつ好ましくは埋込まれてい
る。図中には見えないが、膜13の反対側には陽極が接
合されかつ好ましくは埋込まれている。これらの電極に
は金属スクリーンから成る集電体15および16が圧着
される。かかる膜一電極集合体はガスケツト17および
18によつて外被要素11および12の間にしつかりと
支持される。ガスケツト17および18はセル環境すな
わち苛性アルカリ、塩素、酸素、および食塩水の電解の
場合ならば塩化ナトリウム水溶液(あるいはハロゲン化
水素の電解の場合ならば塩化水素や臭化水素)に対して
不活性の材料から成るもので、実例としてはEPDMの
商品名でアーヴィング・ムーア社(Irving′MO
OreCOmp2my)から販売されている充填ゴムガ
スケツトが挙げられる。動作に際しては、陽極室20に
通じる陽極液導入管19を通してアルカリ金属ハロゲン
化物(たとえば塩化ナトリウム)またはハロゲン化水素
(たとえば塩化水素)の水溶液が導入される。
Such a cell 10 consists of a cathode jacket 11 and an anode jacket 12 separated by a solid polymeric electrolyte membrane 13. Both sides of the membrane 13, which is preferably a permselective hydrous cation exchange membrane, are coated with a thermally stabilized reduced oxide of ruthenium (RuOx) or reduced oxide of iridium (RuOx).
IrOx), thermally stabilized ruthenium-iridium (
Ru-1r), ruthenium-titanium (Ru-Ti), ruthenium-tantalum (Ru-Ta) or ruthenium-
Particles of tantalum-iridium (reduced oxide of ruthenium-graphite with RuTa-r, or a combination of the above and reduced oxides of graphite and other valve metals, bonded with a perfluorinated hydrocarbon resin such as Teflon) A cathode 14, visible in the figure, is bonded and preferably embedded on one side of the membrane 13. On the opposite side of the membrane 13, not visible in the figure, an anode are bonded and preferably embedded. Current collectors 15 and 16 consisting of metal screens are crimped onto these electrodes. Such membrane-electrode assembly is connected to the envelope element 11 by means of gaskets 17 and 18. and 12. Gaskets 17 and 18 are connected to the cell environment, i.e., caustic, chlorine, oxygen, and aqueous sodium chloride in the case of saline electrolysis (or sodium chloride in the case of hydrogen halide electrolysis). EPDM is made of a material that is inert to hydrogen (hydrogen and hydrogen bromide).
Filled rubber gaskets sold by OreComp2my. In operation, an aqueous solution of an alkali metal halide (eg, sodium chloride) or hydrogen halide (eg, hydrogen chloride) is introduced through the anolyte inlet tube 19 leading to the anode chamber 20 .

使用済みの陽極液およびハロゲン(たとえば塩素)は導
出管21を通して取出される。食塩水の電解の場合には
陰極室11に通じる導入用管22が設けられ、それによ
つて陰極液すなわち水または(電極一電解質界面におい
て電気化学的に生成されるものより希薄な)水酸化ナト
リウム水溶液を導入することが可能となる。なお、ハロ
ゲン化水素(たとえば塩化水素)の電解の場合には陰極
液は不要であり、従つて導入用管22を省くことができ
る。食塩水電解用セルの場合、水は2つの独立した機能
を果す。
The used anolyte and halogen (eg chlorine) are removed through the outlet pipe 21. In the case of saline electrolysis, an inlet tube 22 leading to the cathode chamber 11 is provided, by means of which a catholyte, i.e. water or (more dilute than that produced electrochemically at the electrode-electrolyte interface) sodium hydroxide, is introduced. It becomes possible to introduce an aqueous solution. Note that in the case of electrolysis of hydrogen halide (for example, hydrogen chloride), a catholyte is not required, and therefore the introduction tube 22 can be omitted. In a saline electrolysis cell, water serves two independent functions.

すなわち、水の一部は電解されて水酸イオン(0Hつを
生じ次いでそれは膜を通して輸送されたナトリウムイオ
ンと化合して苛性アルカリ(すなわち水酸化ナトリウム
)を生成する。水はまた多孔質の陰極に沿つて流れ、そ
れにより膜一電極界面において生成された高濃度の苛性
アルカリが希釈され、従つて苛性アルカリが膜を通つて
陽極側へ逆拡散することが抑制される。陰極室に通じる
導出管23は、過剰の陰極液および電解生成物(すなわ
ち食塩水電解の場合の苛性アルカリおよび食塩水電解ま
たは塩化水素電解の場合の水素)を取出すのに役立つ。
陰極室には電力ケーブル24が引込まれ、また陽極室2
0には同等のケーブル(図示せず)が引込まれている。
これらのケーブルは電力供給用として金属スクリーン1
5および16またはその他任意適宜の集電体に接続され
ている。次に第2図はアルカリ金属ハロゲン化物の水溶
液(たとえば食塩水)の電解に際してセル内で起る反応
を図解するもので、電解工程におけるセルの機能を理解
するのに有用である。
That is, some of the water is electrolyzed to produce hydroxide ions (0H), which then combine with sodium ions transported through the membrane to produce caustic (i.e., sodium hydroxide). , thereby diluting the high concentration of caustic generated at the membrane-electrode interface and thus inhibiting the back-diffusion of caustic through the membrane to the anode side. Tube 23 serves to remove excess catholyte and electrolysis products (ie caustic in the case of saline electrolysis and hydrogen in the case of saline or hydrogen chloride electrolysis).
A power cable 24 is drawn into the cathode chamber, and an anode chamber 2
An equivalent cable (not shown) is routed to 0.
These cables have a metal screen 1 for power supply.
5 and 16 or any other suitable current collector. Next, FIG. 2 illustrates the reactions that occur within the cell during electrolysis of an aqueous solution of an alkali metal halide (eg, saline), and is useful for understanding the function of the cell in the electrolysis process.

すなわち、陽イオン交換膜13によつて陰極室から隔て
られた陽極室20内には塩化ナトリウムの水溶液が導入
される。膜13は、陽極側に位置する高含水量(膜の乾
燥重量を基準として20〜35%)の層26および陰極
側に位置する低含水量(膜の乾燥重量を基準として5〜
15%)かつ高イオン交換容量の層27をテフロン布2
8で接合したものから成る複合膜である。陰極側の遮断
層はまた、陰極側の化学的変性によつて得られた低含水
量重合体の薄層であつてもよい。実例を挙げれば、膜の
陰極側がスルホンアミド置換基を有するように重合体の
変性が行なわれる。このように陰極側を弱酸性型(スル
ホンアミド型)に変えれば、膜のかかる部分の含水量は
低下し、従つて膜の塩類排斥能力は増大する。その結果
、水酸化ナトリウムが膜を通つて陽極側へ逆拡散するこ
とは抑制される。食塩水の電解の場合には水酸化ナトリ
ウムの逆移動を防止するために積層構造の膜が好適であ
るけれど、低含水量の均質な膜(たとえばナフイオン1
50、過フツ化カルボン酸樹脂など)を使用することも
できる。言うまでもなく、ハロゲン化水素(たとえば塩
化水素、臭化水素など)の電解の場合には、イオン輸送
膜は従来好んで用いられてきたナフイオン120のごと
き単純で均質な膜であつてよい。膜13の表面には図示
のごとくテフロンで結合した貴金属の還元酸化物から成
る触媒が圧着されている。
That is, an aqueous solution of sodium chloride is introduced into the anode chamber 20 separated from the cathode chamber by the cation exchange membrane 13. The membrane 13 consists of a layer 26 of high water content (20-35% based on the dry weight of the membrane) located on the anode side and a layer 26 of low water content (5-35% based on the dry weight of the membrane) located on the cathode side.
15%) and high ion exchange capacity layer 27 with Teflon cloth 2.
This is a composite membrane consisting of 8 bonded parts. The barrier layer on the cathode side may also be a thin layer of a low water content polymer obtained by chemical modification on the cathode side. By way of example, the polymer is modified so that the cathode side of the membrane has a sulfonamide substituent. By changing the cathode side to a weakly acidic type (sulfonamide type) in this way, the water content in this part of the membrane is reduced, and the salt-repelling ability of the membrane is therefore increased. As a result, back diffusion of sodium hydroxide through the membrane toward the anode side is suppressed. In the case of salt water electrolysis, a membrane with a laminated structure is preferable to prevent the back movement of sodium hydroxide, but a homogeneous membrane with a low water content (for example, Nafion 1
50, perfluorinated carboxylic acid resin, etc.) can also be used. Of course, in the case of electrolysis of hydrogen halides (eg, hydrogen chloride, hydrogen bromide, etc.), the ion transport membrane may be a simple homogeneous membrane such as the conventionally preferred Nafion 120 membrane. As shown in the figure, a catalyst consisting of a reduced oxide of a noble metal bonded with Teflon is pressed onto the surface of the membrane 13.

かかる触媒は少なくとも1種の熱安定化された白金族金
属の還元酸化物(たとえばルテニウム、イリジウムまた
はルテニウム−イリジウムの還元酸化物)を含有し、更
にまたチタン、ニオブまたはタンタルの還元酸化物およ
び黒鉛を含有し得る。かかる触媒電極の表面には簡略化
のため部分的に図示したごとく集電体15および16が
圧着され、かつセルの電極間に電解電圧を供給するため
の電源の正極および負極にそれぞれ接続されている。陽
極室内にアルカリ金属ハロゲン化物の水溶液(たとえば
塩化ナトリウムの水溶液)を導入すれば、陽極29にお
ける電解の結果、気泡形成30によつて図解されるごと
くに塩素が発生する。塩素は理論的には電極一膜の界面
に発生するが、多孔電圧を介して電極表面に行く。他方
、ナトリウムイオン(Naつは膜13を通して陰極14
の所まで輸送される。陰極室内には水または水酸化ナト
リウム水溶液の流れ31が陰極液として導入される。か
かる陰極液はテフロンで接合された陰極14の表面に沿
つて流れ、それにより膜−陰極界面において生成された
苛性アルカリは希釈され、従つて苛性アルカリが膜13
を通つて陽極側へ逆拡散することは抑制される。陰極液
としての水の一部は陰極14の所で電解されて水酸イオ
ンおよび水素ガスを生成する。
Such catalysts contain at least one thermally stabilized reduced oxide of a platinum group metal, such as a reduced oxide of ruthenium, iridium or ruthenium-iridium, and also a reduced oxide of titanium, niobium or tantalum and graphite. may contain. Current collectors 15 and 16 are crimped onto the surface of the catalyst electrode, as partially shown for simplicity, and are connected to the positive and negative electrodes of a power source for supplying electrolytic voltage between the electrodes of the cell, respectively. There is. When an aqueous solution of an alkali metal halide (eg, an aqueous solution of sodium chloride) is introduced into the anode chamber, electrolysis at the anode 29 results in the evolution of chlorine, as illustrated by bubble formation 30. Theoretically, chlorine is generated at the interface of one electrode membrane, but it goes to the electrode surface via the porous voltage. On the other hand, sodium ions (Na) pass through the membrane 13 to the cathode 14.
will be transported to the location. A stream 31 of water or an aqueous sodium hydroxide solution is introduced into the cathode chamber as catholyte. Such catholyte flows along the surface of the Teflon-bonded cathode 14, thereby diluting the caustic generated at the membrane-cathode interface, so that the caustic alkali flows into the membrane 13.
Back-diffusion to the anode side through the oxide is suppressed. A portion of the catholyte water is electrolyzed at the cathode 14 to produce hydroxide ions and hydrogen gas.

かかる水酸イオンは、膜13を通して輸送されたナトリ
ウムイオンと化合し、それにより膜一電極界面において
水酸化ナトリウムを生成する。かかる水酸化ナトリウム
は電極の一部を成すテフロンを容易に濡らして表面にま
で移動し、そこで電極の表面に沿つて流れる水により希
釈される。陰極液としての水で希釈されるとは言え、陰
極では4.5〜6.5Mの範囲内の水酸化ナトリウム濃
縮液が生成される。
Such hydroxide ions combine with sodium ions transported through the membrane 13, thereby producing sodium hydroxide at the membrane-electrode interface. Such sodium hydroxide readily wets the Teflon forming part of the electrode and migrates to the surface where it is diluted by water flowing along the surface of the electrode. Although diluted with water as the catholyte, a concentrated sodium hydroxide solution in the range of 4.5-6.5M is produced at the cathode.

従つて、矢印33によつて示されるごとく一部の水酸化
ナトリウムは膜13に沿つて陽極側へ逆移動する。かか
る水酸化ナトリウムの逆移動は、濃度勾配および陽極側
への電気化学的イオン輸送によつて引起される拡散過程
である。陽極側に輸送された水酸化ナトリウムは酸化さ
れて水および(気泡形成34によつて示されるごとく)
酸素を生成する。言うまでもく、これは陰極の電流効率
を低下させる寄生反応であるから、陰極側に大きい塩類
排斥能力を持つた膜の使用によつて抑制すべきである。
電流効率に対する効果以外にも、特に電極が黒鉛を含む
場合、電極および膜に対して厄介な影響を及ぼすことが
あるので陽極における酸素の発生は望ましくない。その
上、かかる酸素は陽極において発生する塩素を希釈する
から、酸素を除去するための処理も必要である。なお、
陽極液を酸性化すれば、逆移動した水酸化ナトリウムが
酸素ではなく水に変わるため、酸素の発生を更に抑制す
ることができる。食塩水電解用セルの各部分における反
応は下記のハロゲン化水素(たとえば塩化水素)の電解
に関する反応も同様である。1V−一41『―?−1ら
▼?AilljV4Zj晶′本明細書書中に記載された
食塩または塩化水素の水溶液電解用の新規な装置は、電
極中の触媒部位が、陽イオン交換膜および、重合体主鎖
に結合したイオン交換基(スルホン酸基SO,H−H2
Oまたはカルボン酸基COOH−H2O)(5直接に接
触していることを特徴とするものである。
Therefore, some of the sodium hydroxide moves back along the membrane 13 toward the anode, as shown by arrow 33. Such back migration of sodium hydroxide is a diffusion process caused by the concentration gradient and electrochemical ion transport towards the anode. The sodium hydroxide transported to the anode side is oxidized to water and (as indicated by bubble formation 34)
Produces oxygen. Needless to say, since this is a parasitic reaction that reduces the current efficiency of the cathode, it should be suppressed by using a membrane with a large salt-repelling ability on the cathode side.
Besides its effect on current efficiency, the evolution of oxygen at the anode is undesirable because it can have a detrimental effect on the electrode and membrane, especially if the electrode contains graphite. Moreover, since such oxygen dilutes the chlorine generated at the anode, treatment to remove oxygen is also necessary. In addition,
If the anolyte is acidified, the sodium hydroxide that has migrated back turns into water instead of oxygen, making it possible to further suppress the generation of oxygen. The reactions in each part of the saline electrolysis cell are the same as those related to the electrolysis of hydrogen halide (for example, hydrogen chloride) described below. 1V-141 ``-? -1 et al▼? The novel device described herein for the aqueous electrolysis of common salt or hydrogen chloride is characterized in that the catalytic sites in the electrode include a cation exchange membrane and an ion exchange group ( Sulfonic acid group SO, H-H2
O or carboxylic acid group COOH-H2O) (5).

その結果、陽極室および陰極室内には(通例「電解液R
降下」と呼ばれる)電圧降下がほとんどない。かかる「
電解液1R降下」は電極と膜とが隔離している現行の装
置に固有のもので、0.2〜0.5V程度に達すること
がある。このような電圧降下の排除または実質的低減は
、言うまでもなく、総合的なセル電圧および電解工程の
経済性に極めて顕著な効果を及ぼすことは明白であるか
ら本発明の主たる利点のひとつを成す。その上、塩素は
陽極一膜界面において直接に発生されるから、いわゆる
「気泡効果」に原因する電圧降下も存在しない。「気泡
効果」とは、ガスの混合および輸送に伴つて電極と膜と
の間の電解液路が遮断されることに原因する損失を指す
。前述の通り、従来の装置では塩素発生用の触媒電極が
膜から隔離している。ガスは電極の所で発生するため、
膜と電極との間の空間にはガスの層が形成される。その
結果、膜と電極との間の電解液路は遮断され、従つてナ
トリウムイオン(Na+リの通過が妨害されるために電
圧降下が増大するのである。好適な実施態様に従えば、
テフロンで結合された貴金属の還元酸化物から成る陽極
中には、陽極における堪素過電圧を最小にするためルテ
ニウム、イリジウムまたはルテニウム−イリジウムの還
元酸化物が使用される。
As a result, the anode and cathode chambers (usually "electrolyte R
There is almost no voltage drop (called "drop"). It takes
The electrolyte 1R drop is unique to current devices in which the electrode and membrane are separated, and can reach about 0.2 to 0.5 V. The elimination or substantial reduction of such voltage drops, of course, constitutes one of the principal advantages of the present invention, as it clearly has a very significant effect on the overall cell voltage and economics of the electrolysis process. Moreover, since chlorine is generated directly at the anode-film interface, there is no voltage drop caused by the so-called "bubble effect.""Bubbleeffect" refers to losses due to gas mixing and transport resulting in blockage of the electrolyte path between the electrode and the membrane. As mentioned above, in conventional devices, the catalytic electrode for chlorine generation is isolated from the membrane. Since the gas is generated at the electrode,
A layer of gas is formed in the space between the membrane and the electrode. As a result, the electrolyte path between the membrane and the electrode is blocked and the voltage drop increases because the passage of sodium ions (Na+) is thus blocked. According to a preferred embodiment:
In the anode consisting of a reduced oxide of a noble metal bonded with Teflon, a reduced oxide of ruthenium, iridium or ruthenium-iridium is used in order to minimize the resistance overvoltage at the anode.

安定な陽極を得るため、ルテニウムの還元酸化物は塩素
および酸素に対して安定化される。そのためには、先ず
、550〜600℃の温度下で1時間にわたりルテニウ
ムの還元酸化物を加熱することによつて熱安定化が行わ
れる。次に、黒鉛および(または)5〜25(重量)%
好ましくは25(重量)%のイリジウムの還元酸化物1
r0xまたは好ましくは25〜50(重量)%のチタン
の還元酸化物TiOxと混合することにより、ルテニウ
ムの還元酸化物が更に安定化される。ルテニウム、イリ
ジウムおよびチタンの還元酸化物(Ru−1r−Ti)
0xまたはルテニウム、イリジウムおよびタンタンルの
還元酸化物(Ru−1r−Ta)0xから成る三元混合
物をテフロンで結合したものは、安定で長寿命の陽極を
得るために極めて有効であることも判明している。かか
る三元混合物の場合、その組成は5〜25(重量)%の
イリジウムの還元酸化物、約50(重量)%のルテニウ
ムの還元酸化物、および残部のバルブ金属(たとえばチ
タン)の還元酸化物から成ることが好ましい。ルテニウ
ムおよびチタンの還元酸化物から成る二元混合物の場合
、その組成は50(重量)%のチタンの還元酸化物およ
び残部のルテニウムの還元酸化物から成ることが好まし
い。言うまでもなく、チタンはルテニウムやイリジウム
よりも遥かに安価であるという利点を有するから、酸性
環境および塩化水素や塩素や酸素に対して電極を安定化
すると同時に原価を引下げる点でも有効な増量剤を成す
。かかる電極構造物中においては、チタンの代りにその
他の弁金属たと&ぽニオブ(Nb)、タンタル(Ta)
、ジルブニウム(Zr・)またはハフニウム(Hf)を
便用することもできる。また、バルブ金属の還元酸化物
ばかりでなく、バルブ金属の炭化瓢窒化物および鋼ヒ物
を触媒増量剤として使用することもできる。責金属の還
元酸化物およびチタンまたはその他のバルブ金属の還元
酸化物から成る混合物は、更にテフロンと均質に混合さ
れる。
To obtain a stable anode, the reduced oxide of ruthenium is stabilized against chlorine and oxygen. For this purpose, thermal stabilization is first carried out by heating the reduced oxide of ruthenium at a temperature of 550-600[deg.] C. for one hour. Next, graphite and/or 5-25% (by weight)
Preferably 25% (by weight) of reduced oxide of iridium 1
The reduced oxide of ruthenium is further stabilized by mixing with r0x or preferably 25-50% (by weight) of the reduced oxide of titanium TiOx. Reduced oxides of ruthenium, iridium and titanium (Ru-1r-Ti)
It has also been found that a ternary mixture of 0x or the reduced oxide of ruthenium, iridium and tantanyl (Ru-1r-Ta)0x bonded with Teflon is extremely effective for obtaining a stable and long-lived anode. ing. For such ternary mixtures, the composition is 5-25% (by weight) reduced oxide of iridium, about 50% (by weight) reduced oxide of ruthenium, and the balance reduced oxide of valve metal (e.g. titanium). Preferably, it consists of: In the case of a binary mixture of reduced oxides of ruthenium and titanium, the composition preferably consists of 50% (by weight) of the reduced oxide of titanium and the balance of the reduced oxide of ruthenium. Needless to say, titanium has the advantage of being much cheaper than ruthenium or iridium, making it an effective extender for stabilizing the electrode against acidic environments, hydrogen chloride, chlorine, and oxygen, as well as reducing cost. I will do it. In such an electrode structure, other valve metals such as niobium (Nb), tantalum (Ta) are used instead of titanium.
, dilbunium (Zr.) or hafnium (Hf) can also be conveniently used. Furthermore, not only reduced oxides of valve metals, but also carbide nitrides and arsenic compounds of valve metals can be used as catalyst extenders. The mixture consisting of the reduced oxide of the culprit metal and the reduced oxide of titanium or other valve metal is further homogeneously mixed with Teflon.

陽極のテフロン含量は15〜50(重量)%であり得る
が、好ましくは20〜30(重量)%である。ここでは
テフロンT−30の商品名でデユポン社から販売されて
いるような種類のものが使用されるが、その他の過フツ
化炭化水素樹脂も同様に使用することができる。陽極に
おける貴金属等触媒の使用量は、通例、0.6m9/C
d以上であるが、好ましくは1〜2m9肩である。陽極
用の集電体は綱目の細かい白金被覆ニオブスクリーンで
あればよく、これは電極表面に良く接触することが知ら
れている。あるいはまた、酸化ルテニウム、酸化イリジ
ウム、バルブ金属酸化物またはそれらの混合物で被覆し
た網状のチタンスクリーンを陽極集電体として使用する
こともできる。更にまた、白金被覆スクリーンを溶接あ
るいは接着したチタン−パラジウム板から成る陽極集電
体を使用することもできる。陰極は白金黒をテフロンで
結合したものから成ることが好ましく、その場合の白金
黒使用量は0.4〜4m9/Clllである。陽極と同
様、陰極も陽イオン交換膜の表面に接合されかつ埋込ま
れる。なお、陰極は極めて薄く(51〜76μ(2〜3
ミノリ)以下好ましくは約13μ(0.5ミノリ)、多
孔質であり、しかも低いテフロン含有を有するようにす
る。陰極の厚さは極めて重要であると考えられる。
The Teflon content of the anode may be between 15 and 50% (by weight), but preferably between 20 and 30% (by weight). The type sold by DuPont under the trade name Teflon T-30 is used here, but other fluorinated hydrocarbon resins can be used as well. The amount of precious metal catalyst used in the anode is usually 0.6 m9/C.
d or more, but preferably 1 to 2 m9 shoulders. The current collector for the anode may be a fine-grained platinum-coated niobium screen, which is known to make good contact with the electrode surface. Alternatively, a reticulated titanium screen coated with ruthenium oxide, iridium oxide, valve metal oxide or mixtures thereof can be used as the anode current collector. Furthermore, it is also possible to use an anode current collector consisting of a titanium-palladium plate to which a platinum-coated screen is welded or glued. The cathode is preferably made of platinum black bonded with Teflon, in which case the amount of platinum black used is 0.4 to 4 m9/Clll. Like the anode, the cathode is bonded to and embedded in the surface of the cation exchange membrane. Note that the cathode is extremely thin (51-76μ (2-3
The material is porous, preferably about 13 microns (0.5 microns), and has a low Teflon content. The thickness of the cathode is believed to be extremely important.

なぜなら、陰極が厚くなれば、水または水酸化ナトリウ
ム水溶液が陰極中に浸透せず、そのため陰極の電流効率
が低下するからである。そこで、15%のテフロンで結
合された薄い(約13〜51μ(0.5〜2ミル))白
金黒陰極を有するセルを作製した。そして、2909/
1食塩水を陽極側に供給しながら88〜91℃の温度下
で動作させたところ、かかるセルの電流効率は5Mの水
酸化ナトリウム濃度下において約80%であつた。厚さ
76μ(3ミル)のRuOx一黒鉛陰極を使用した場合
、5Mの水酸化ナトリウム濃度下における電流効率は5
4%に低下した。下記の第1表は電流効率と陰極の厚さ
との関係を示すもので、それによれば陰極の厚さが2〜
3ミル(50.8〜76.2μ)を越えない場合に最良
の性能が得られることがわかる。電極は気体透過性を有
することを要するが、これは電極一膜界面において発生
したガスが容易に脱出できるようにするためである。
This is because if the cathode becomes thicker, water or aqueous sodium hydroxide solution will not penetrate into the cathode, thereby reducing the current efficiency of the cathode. Therefore, a cell was fabricated with a thin (about 13-51 micron (0.5-2 mil)) platinum black cathode bonded with 15% Teflon. And 2909/
When the cell was operated at a temperature of 88 to 91° C. while supplying a saline solution to the anode side, the current efficiency of the cell was about 80% at a sodium hydroxide concentration of 5M. When using a 76μ (3 mil) thick RuOx monographite cathode, the current efficiency at a 5M sodium hydroxide concentration is 5.
It dropped to 4%. Table 1 below shows the relationship between current efficiency and cathode thickness.
It is found that best performance is obtained when the thickness does not exceed 3 mils (50.8-76.2 microns). The electrode is required to have gas permeability so that gas generated at the electrode-membrane interface can easily escape.

電極はまた多孔質であることを要するが、これは水酸化
ナトリウムの生成される陰極一膜界面にまで水が浸透し
得るようにするため、かつ供給された食塩水が膜および
陽極の触媒部位まで容易に到達し得るようにするためで
ある。その結果、陰極について言えば、生成された高濃
度の水酸化ナトリウムが希釈され、テフロンを濡らしな
がら陰極表面にまで到達し、そこで陰極表面に沿つて流
れる水によつて更に希釈されることが容易となる。水酸
化ナトリウム濃度が最大である陰極一膜界面において希
釈を行なうことは重要である。陰極における水の浸透を
最大にするためには、疎水性のテフロンの含量が15〜
30(重量)%を越えないようにすべきである。このよ
うに、多孔度が大きく、テフロン含量が限られており、
厚さが小さく、かつ水または希薄な水酸化ナトリウム水
溶液が使用されれば、水酸化ナトリウム濃度は制限され
、そのため膜を通つて水酸化ナトリウムが逆移動するこ
とは抑制される。陰極に存在する腐食性の強い苛性アル
カリは多くの材料を浸食し、しかもそれは休止時におい
て特に顕著となるから、陰極用の集電体(ま注意深く選
定しなければならない。
The electrode also needs to be porous to allow water to penetrate to the cathode-membrane interface where sodium hydroxide is produced, and to allow the supplied saline to penetrate the membrane and anode catalytic sites. This is to make it easier to reach. As a result, for the cathode, the high concentration of sodium hydroxide produced is diluted and easily reaches the cathode surface while wetting the Teflon, where it is further diluted by water flowing along the cathode surface. becomes. It is important to perform the dilution at the cathode-film interface where the sodium hydroxide concentration is highest. To maximize water penetration at the cathode, the hydrophobic Teflon content should be between 15
It should not exceed 30% (by weight). Thus, the porosity is large and the Teflon content is limited;
If the thickness is small and water or a dilute aqueous sodium hydroxide solution is used, the sodium hydroxide concentration will be limited and therefore back migration of sodium hydroxide through the membrane will be inhibited. The highly corrosive caustic alkali present in the cathode corrodes many materials, and this is especially noticeable during periods of rest, so the current collector for the cathode must be carefully selected.

かかる集電体は苛性アルカリに対して抵抗性を有するニ
ツケルスクリーンから成り得る。あるいはまた、かかる
集電体はステンレス鋼スクリーンを溶接したステンレス
鋼板から成つていてもよい。苛性アルカリに対して抵抗
性を有する陰極用の集電体としてはまた、黒鉛あるいは
ニツケルスクリーンを圧着した黒鉛を陰極表面に接触さ
せてもよい。次に、テフロンで結合された貴金属の還元
酸化物から成る電極の埋込まれたイオン交換膜を含むセ
ルを作製し、そして食塩水電解に際してのセルの有効性
に対する各種因子の効果とりわけセルの動作電圧特性を
例証するための試験を行つた。下記の第2表には、貴金
属の還元酸化物の様々な組合せがセル電圧に対して及ぼ
す効果が示されている。
Such a current collector may consist of a nickel screen that is resistant to caustic. Alternatively, such a current collector may consist of a stainless steel plate to which a stainless steel screen is welded. As a current collector for the cathode having resistance to caustic alkali, graphite or graphite with a nickel screen crimped thereon may be brought into contact with the surface of the cathode. Next, we fabricated a cell containing an ion exchange membrane embedded with electrodes consisting of reduced oxides of noble metals bonded with Teflon, and the effects of various factors on the effectiveness of the cell during saline electrolysis, among others the behavior of the cell. Tests were conducted to illustrate the voltage characteristics. Table 2 below shows the effect of various combinations of reduced oxides of noble metals on cell voltage.

すなわち、様々な組み合せの貴金属の還元酸化物をテフ
ロンで結合したものから成る電極を厚さ152μ(6ミ
ノ(ハ)の陽イオン交換膜に埋込むことによつてセルを
作製した。そして、5Mの食塩水濃度、200〜200
0cc/分の供給速度、3230A/M2(300A/
Ft2)の電流密度、および90℃の温度という条件下
で上記のセルを動作させた。1個のセルは従来技術に従
つて作製されたもので、膜から離隔した寸法安定性スク
リーン陽極およびやはり膜から離隔したステンレス鋼ス
クリーン陰極を含んでいた。
That is, cells were fabricated by embedding electrodes made of various combinations of reduced oxides of noble metals bonded with Teflon into a cation exchange membrane with a thickness of 152 μm (6 mm). saline concentration, 200-200
Feed rate of 0cc/min, 3230A/M2 (300A/M2)
The cell was operated at a current density of Ft2) and a temperature of 90°C. One cell was constructed according to the prior art and included a dimensionally stable screen anode spaced from the membrane and a stainless steel screen cathode also spaced from the membrane.

この対照セルも同じ条件下で動作させた。これらのデー
タから容易に認め得る通り、本発明のセルでは動作電圧
が2.9〜3.6Vの範囲内にある。
This control cell was also operated under the same conditions. As can be readily seen from these data, the cell of the present invention has an operating voltage in the range of 2.9-3.6V.

典型的な従来の装置(セル4)と比較した場合、同じ動
作条件下で0.6〜1.5Vの電圧改善が見られる。そ
の結果として生じる動作効率の向上および経済的利益に
ついては言うまでもあるまい。第2表中のセル7と同様
なセルを作製し、そして飽和食塩水を供給しながら90
℃で動作させた。
When compared to a typical conventional device (cell 4), a voltage improvement of 0.6-1.5V is observed under the same operating conditions. Not to mention the resulting increased operating efficiency and economic benefits. A cell similar to cell 7 in Table 2 was made, and 90
Operated at ℃.

セル電圧(V)を電流密度の関数として測定した・結果
が第3表に示されている。これらのデータによれば、電
流密度の減少と共に,セル電圧の低下することがわかる
The cell voltage (V) was measured as a function of current density and the results are shown in Table 3. According to these data, it can be seen that as the current density decreases, the cell voltage decreases.

ところで、電流密度とセル電圧との関係は食塩水電解の
運転費と設備費との均衡点に応じて決定される。とは言
え、電流密度が非常に大きい場合(3230および43
10A/M2(300および400A/Ft2))であ
つても、本発明の塩素発生装置においてはセル電圧の顕
著な改善(1V程度あるいはそれ以上)が見られること
は重要である。下記の第4表には、酸素発生量に対する
陰極の電流効率の効果が示されている。
Incidentally, the relationship between current density and cell voltage is determined depending on the balance between operating cost and equipment cost of saline electrolysis. However, when the current density is very large (3230 and 43
It is important to note that even at 10 A/M2 (300 and 400 A/Ft2), the chlorine generator of the present invention shows a significant improvement in cell voltage (on the order of 1 V or more). Table 4 below shows the effect of cathode current efficiency on oxygen evolution.

すなわち、テフカンで結合された貴金属の還元酸化物か
ら成る陽極および陰極を陽イオン交換膜に埋め込むこと
によつてセルを作製し、そして飽和食塩水濃度、電極面
積1平方インチ(6.45cd)当り2〜5cc/分の
供給速度、3230A/M2(300A/Ft2)の電
流密度、および90℃の温度という条件下で動作させた
。こうして得られた塩素中に存在する酸素の容量百分率
を陰極の電流効率の関数として測定した。下記の第5表
には、食塩水の酸性化が酸素発生量に対して及ぼす抑制
効果が示されている。
That is, a cell was prepared by embedding an anode and a cathode consisting of a reduced oxide of a noble metal bound with Tefcan in a cation exchange membrane, and the concentration of saturated saline per square inch (6.45 cd) of electrode area was It was operated at a feed rate of 2-5 cc/min, a current density of 3230 A/M2 (300 A/Ft2), and a temperature of 90<0>C. The volume percentage of oxygen present in the chlorine thus obtained was determined as a function of the current efficiency of the cathode. Table 5 below shows the inhibitory effect that acidification of saline has on the amount of oxygen evolved.

すなわち、塩素中に存在する酸素の容量百分率を食塩水
中の塩化水素(HCl)濃度に対して測定した。これら
のデータから明らかな通り、逆移動した0H−の電気化
学的酸化による酸素の発生は、0H−を優先的にH+と
化学反応させてH2Oにすることによつて低減される。
次に、第2表中のセル1と同様なセルを作製し、そして
0.2MHC1で酸性化された飽和食塩水を供給しなが
ら3230A/M2(300A/Ft2)の電流密度下
で動作させた。
That is, the volume percentage of oxygen present in chlorine was measured relative to the hydrogen chloride (HCl) concentration in the saline solution. As is clear from these data, the generation of oxygen by electrochemical oxidation of back-transferred OH- is reduced by preferentially chemically reacting OH- with H+ to form H2O.
Next, a cell similar to cell 1 in Table 2 was prepared and operated under a current density of 3230 A/M2 (300 A/Ft2) while supplying saturated saline acidified with 0.2 MHC1. .

35〜9『Cの範囲内の様々な温度下においてセル電圧
を測定した。
The cell voltage was measured under various temperatures within the range of 35-9'C.

また、第2表中のセル7と同様なセルを作製し、そして
(酸性化されていない)2909/l(〜5M)食塩水
を供給しながら2150A/M2(200A/Ft2)
の電流密度下で動作させた。
In addition, a cell similar to cell 7 in Table 2 was prepared, and 2150 A/M2 (200 A/Ft2) was supplied with (unacidified) 2909/l (~5 M) saline solution.
It was operated under a current density of .

35〜90℃の範囲内の様々な温度下においてセル電圧
を測定した。
Cell voltage was measured under various temperatures within the range of 35-90°C.

なお、データは3230A/M2(300A/Ft2)
に対して標準化したものである。これらのデータによれ
ば、最良の動作電圧は80〜90℃の温度範囲内で得ら
れることがわかる。
The data is 3230A/M2 (300A/Ft2)
It is standardized against. These data show that the best operating voltages are obtained within the temperature range of 80-90°C.

とは言え、90℃で動作させた従来の電解装置と比べれ
ば、本発明の電解装置について得られる電圧は35℃に
おいてさえ少なくとも0.5Vは改善されている点に注
目すべきである。最高度の改善が達成されるのは、両方
の電極がイオン輸送膜の表面に接合されたようなセルに
おいて食塩水の電解を実施する場合である。
However, it should be noted that compared to a conventional electrolyser operated at 90°C, the voltage obtained for the electrolyzer of the present invention is improved by at least 0.5 V even at 35°C. The highest degree of improvement is achieved when saline electrolysis is carried out in a cell in which both electrodes are joined to the surface of the ion transport membrane.

とは旨え、一方の電極のみをイオン輸送膜の表面に接合
したようなセル(混成セノリについても常に性能の改善
が見られる。かかる混成セルにおける改善は両方の電極
を接合した場合よりもやや劣る。しかしながら、その改
善は極めて顕著である(公知のセルについて要求される
電圧よりも0.3〜0.5Vの低下が得られる。)そこ
で、各種のセルを作製して食塩水の電解を行うことによ
り、完全接合セル(両方の電極を接合したセル)におけ
る成績を混成セル(陽極または陰極のみを接合したセノ
リおよび従来の非接合セル(いずれの電極も接合しない
セル)における成績と比較した。
However, performance improvements are always seen in cells where only one electrode is bonded to the surface of the ion transport membrane (hybrid cells); the improvement in such hybrid cells is slightly greater than when both electrodes are bonded. However, the improvement is quite significant (0.3 to 0.5 V lower than the voltage required for known cells).Therefore, various cells were fabricated and electrolysis of saline water was performed. By doing this, we compared the performance in fully bonded cells (cells with both electrodes bonded) with those in mixed cells (cells with only the anode or cathode bonded) and conventional non-bonded cells (cells with neither electrode bonded). .

いずれのセルもナフイオン315の膜を用いて作製し、
そして約2909/l食塩水を供給しながら90℃の温
度下で動作させた。接合電極中に使用された触媒は、陰
極については229/M2(2f!/Ft2)の白金黒
であり、また陽極については439/M2(49/Ft
2)のRuOx一黒鉛またはRuOxであつた。323
0A/M2(300A/Ft2)の電流密度下における
電流効率は全てのセルについてほぼ同じであつた(5M
の水酸化ナトリウム濃度下で84〜85%)。
Both cells were fabricated using Nafion 315 membranes,
Then, it was operated at a temperature of 90° C. while supplying about 2909/l saline solution. The catalysts used in the junction electrodes were 229/M2 (2f!/Ft2) platinum black for the cathode and 439/M2 (49/Ft2) for the anode.
The RuOx of 2) was graphite or RuOx. 323
The current efficiency under the current density of 0A/M2 (300A/Ft2) was almost the same for all cells (5M
(84-85% under a sodium hydroxide concentration of ).

下記の第7表には各種のセルに関するセル電圧特性が示
されている。ノ これらのデータから明らかな通り、完全接合セル1のセ
ル電圧は従来の(完全非接合)対照セル6のセル電圧に
比べてほぼ1Vも低い。
Table 7 below shows cell voltage characteristics for various cells. As is clear from these data, the cell voltage of the complete junction cell 1 is lower by approximately 1 V than the cell voltage of the conventional (completely non-junction) control cell 6.

また、陰極接合混成セル2,3および陽極接合混成セル
4,5は完全接合セルよりも約0.4〜0.6Vだけ劣
るが、それでも従来の完全非接合セルよりは0.3〜0
.5Vだけ優れている。自明のことながら、食塩水およ
び(後述のごとく)塩化水素などのハロゲン化物から塩
素およびその他のハロゲンを発生させるための極めて優
れた装置は、陽イオン交換膜に直接接合されかつ埋込ま
れた接触電極において陽極液および陰極液を反応させる
ことによつて実現されるわけである。
In addition, the cathodic junction hybrid cells 2, 3 and the anodic junction hybrid cells 4, 5 are inferior to the fully junction cell by about 0.4 to 0.6 V, but are still 0.3 to 0 V lower than the conventional fully non-junction cell.
.. Only 5V is better. It will be appreciated that the most successful apparatus for generating chlorine and other halogens from saline solutions and halides such as hydrogen chloride (as discussed below) uses contacts bonded directly to and embedded in the cation exchange membrane. This is achieved by reacting the anolyte and catholyte at the electrodes.

かかる構成によれば、電極中の触媒部位が膜およびその
中のイオン交換基と直接に接触している結果、従来の装
置に比べて所要セル電圧が顕著に(1V以上も)改善さ
れた極めて効率の高い装置を得ることができる。また、
熱安定化されかつ過フツ化炭化水素樹脂で結合された貴
金属の還元酸化物から成る効力の大きい触媒並びに過フ
ツ化炭化水素樹脂で結合された貴金属の還元酸化物およ
び黒鉛から成る過電圧の小さい触媒を使用すれば、装置
の効率を更に向上させることもできる。次に、熱安定化
された貴金属の還元酸化物などから成る電極の埋込まれ
たイオン交換膜を含むセルを作製し、そして塩酸電解に
際してのセルおよび触媒の有効性に対する各種因子の効
果を例証するための試験を行つた。下記の第8表には、
貴金属の還元酸化物の様々な組合せがセル電圧に対して
及ぼす効果が示されている。
Such a configuration provides a significant improvement in the required cell voltage (by more than 1 V) compared to conventional devices as a result of the catalytic sites in the electrode being in direct contact with the membrane and the ion exchange groups therein. A highly efficient device can be obtained. Also,
High potency catalysts consisting of reduced oxides of noble metals thermally stabilized and bonded with fluorinated hydrocarbon resins and low overpotential catalysts consisting of reduced oxides of noble metals and graphite bonded with fluorinated hydrocarbon resins. The efficiency of the device can also be further improved by using Next, we fabricate a cell containing an ion-exchange membrane embedded with electrodes made of thermally stabilized reduced oxides of noble metals, and illustrate the effects of various factors on the effectiveness of the cell and catalyst during hydrochloric acid electrolysis. We conducted a test to find out. Table 8 below shows:
The effect of various combinations of reduced oxides of noble metals on cell voltage is shown.

すなわち、様々な組み合せの熱安定化された白金族金属
の還元酸イピおよびチタンの還元酸化物を含有するテフ
ロン結合黒鉛電極を厚さ12ミルの含水陽イオン交換膜
に埋め込むことによってセルを作製した。そして、9〜
11Nの供給液規定度、70cc/分の供給速度、43
10A/M2(400A/Ft2)の電流密度、および
30℃の温度という条件下で上記のセル(有効セル面積
46.5cd(0.05ft2))を動作させた。下記
の第9および10表には、同じセルを同じ条件下で動作
させた場合に関し、セル電圧に対する時間の効果が示さ
れている。Zd 下記の第11表には、7.5〜10.5Nの範囲にわた
る供給液規定度の効果が示されている。
That is, cells were fabricated by embedding Teflon-bonded graphite electrodes containing various combinations of thermally stabilized reduced acids of platinum group metals and reduced oxides of titanium into a 12 mil thick hydrous cation exchange membrane. did. And 9~
Feed normality of 11N, feed rate of 70cc/min, 43
The above cell (46.5 cd (0.05 ft2) effective cell area) was operated at a current density of 10 A/M2 (400 A/Ft2) and a temperature of 30°C. Tables 9 and 10 below show the effect of time on cell voltage for the same cells operated under the same conditions. Zd Table 11 below shows the effect of feed normality over the range 7.5-10.5N.

すなわち、貴金属の還元酸化物(Ru−25%Ir)0
xをテフロン結合黒鉛電極に添加することによつて第8
表中のセル5と同様なセルを作製した。そして、150
cc/分の供給速度、4310A/M2(400A/F
t2)の電流密度、および30℃の温度という条件下で
上記のセル(有効セル面積46.5c!il(0.05
ft2))を動作させた。上記の実施例から明らかな通
り、塩酸を電解すれば酸素をほとんど含まない塩素ガス
が発生する。かかるセルにおいて使用された触媒は低い
セル電圧および低い動作温度(〜30℃)を特徴とする
ものであり、従つて経済的な動作が達成される。その上
、これらのデータは様々な電流密度とりわけ3230〜
4310A/M2(300〜400A/Ft2)の電流
密度下における優れた性能をも示している。これは本発
明の塩素発生用電解装置の設備費に対して明確かつ有益
な効果をもたらす。次に、貴金属の還元酸化物および弁
金属の還元酸化物に対する熱安定化の効果を示すために
若干の試験を行つた。これらの試験は激しい電解壌境に
対する触媒の抵抗性への影響を示すものである。すなわ
ち、極めて激しい環境条件を表わす高濃度の塩酸に対し
、熱安定化された還元酸化物および熱安定化されない還
元酸化物から成る触媒を暴露した。塩酸の暗色化は触媒
の損失を意味するから、塩障の色を観察した。触媒の損
失の増加に伴つて色の変化は益々顕著となつた。下記の
第12表には、0,5〜209の範囲にわたる触媒バツ
チについての耐食性および安定性試験の結果が示されて
いる。
That is, reduced oxide of noble metal (Ru-25%Ir)0
8th by adding x to the Teflon-bonded graphite electrode.
A cell similar to Cell 5 in the table was produced. And 150
Feed rate of cc/min, 4310A/M2 (400A/F
The above cell (effective cell area 46.5 c!il (0.05
ft2)) was activated. As is clear from the above examples, when hydrochloric acid is electrolyzed, chlorine gas containing almost no oxygen is generated. The catalysts used in such cells are characterized by low cell voltages and low operating temperatures (~30°C), thus achieving economical operation. Moreover, these data are valid for various current densities, especially from 3230 to
It also shows excellent performance under a current density of 4310 A/M2 (300-400 A/Ft2). This has a clear and beneficial effect on the equipment cost of the electrolyzer for chlorine generation of the present invention. Next, some tests were conducted to demonstrate the effect of thermal stabilization on reduced oxides of noble metals and valve metals. These tests demonstrate the effect on the catalyst's resistance to harsh electrolytic conditions. That is, catalysts consisting of thermally stabilized reduced oxides and non-thermally stabilized reduced oxides were exposed to high concentrations of hydrochloric acid representing extremely harsh environmental conditions. The color of the salt block was observed because the darkening of the hydrochloric acid signified loss of catalyst. The color change became more and more pronounced with increasing loss of catalyst. Table 12 below shows the results of corrosion resistance and stability tests for catalyst batches ranging from 0.5 to 209.

これらのデータから明らかな通り、還元酸化物を熱安定
化すれば高濃度の塩酸中における触媒の耐食性が改善さ
れ、従つて実際には極めて優れた安全性が得られる。
As is clear from these data, thermal stabilization of the reduced oxide improves the corrosion resistance of the catalyst in high concentrations of hydrochloric acid and therefore actually provides excellent safety.

それよりも腐食性の弱い塩素または食塩水環境中におけ
る触媒の抵抗性が優れたものであり、しかもそれが還元
酸化物の熱安定化に由来することは言うまでもあるまい
。熱安定化された白金族金属の還元酸化物の耐食性の改
善が認められたので、かかる耐食性の改善の原因となり
得る触媒の様々な特性に対する熱安定化の効果を判定す
るための物理的および化学的試験を行つた。
It goes without saying that the catalyst has excellent resistance in chlorine or saline environments, which are less corrosive than that, and this is due to the thermal stabilization of the reduced oxide. Having observed improved corrosion resistance of thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals, physical and chemical studies were conducted to determine the effect of thermal stabilization on various properties of the catalyst that may account for such improved corrosion resistance. We conducted a specific test.

すなわち、アダムズ法の変法による触媒の調製後、触媒
の還元後、および還元された触媒の熱安定化後に触媒の
酸化物含量、表面積(M2/9)、全気孔容積および孔
径分布を測定した。以下に詳述するような試験結果によ
れば、触媒の表面積は還元後にやや減少し、次いで熱安
定化後に極めて顕著に減少することがわかる。還元工程
における酸化物含量の低下は表面積の減少を部分的に説
明するものと信じられる。熱安定化後には触媒の孔径分
布が実質的変化を示すが、それにもかかわらず対応する
全気孔容積の変化は見られない。従つて、この事実が熱
安定化に伴う表面積の(1/2という)極めて顕著な変
化の原因を成すものと信じられる。更にまた、腐食は腐
食剤の攻撃に暴露される表面積に直接関係するものであ
るから、上記の事実は耐食性の改善をも説明するように
思われるのである。先ず最初に、アダムズ法の変法によ
り、ルテニウムおよび25(重量)91)のイリジウム
から成る触媒を試料1として調製した。
That is, the oxide content, surface area (M2/9), total pore volume, and pore size distribution of the catalyst were measured after preparation of the catalyst by a modified Adams method, after reduction of the catalyst, and after thermal stabilization of the reduced catalyst. . The test results, detailed below, show that the surface area of the catalyst decreases slightly after reduction and then very significantly after thermal stabilization. It is believed that the reduction in oxide content during the reduction step partially explains the reduction in surface area. Although the pore size distribution of the catalyst shows a substantial change after thermal stabilization, there is nevertheless no corresponding change in the total pore volume. Therefore, it is believed that this fact is responsible for the extremely significant change (1/2) in surface area that accompanies thermal stabilization. Furthermore, since corrosion is directly related to the surface area exposed to the attack of corrosive agents, the above facts would also seem to explain the improvement in corrosion resistance. First, a catalyst consisting of ruthenium and 25 (by weight) 91) of iridium was prepared as Sample 1 by a modified Adams method.

この触媒の一部を電気化学的に還元することによつて試
料2を調製した。次に、還元後の(Ru−25%Ir)
0x試料を550〜600℃で1時間にわたつて熱安定
化した。未還元の触媒(試料1)、還元後の(Ru−2
5%1r)0x触媒(試料2)、および熱安定化後の(
Ru−25%Ir)0x触媒(試料3)の表面積を三点
式BET(ブルナウアーーエメツトーテーラ一)窒素吸
収法によつて測定したが、結果(嘘下記の第13表に示
されているこれらのデータによれば、還元および熱安定
化後における表面積の減少と同じく、還元および熱安定
化後に酸化物含量の低下することがわかる。酸化物の表
面積は非酸化物の表面積よりも大きいのが通例であるか
ら、酸化物含量の低下は表面積に対して対応する効果を
及ぼすはずである。かかる酸化物含量の低下は表面積の
減少を部分的に説明するが、熱安定化後における表面積
の劇的な減少を完全に説明するわけではない。そこで、
触媒の熱安定化が多孔度の変化をもたらすために表面積
の減少および耐食性の改善が得られるかどうかを判定す
るため、触媒の多孔度を測定した。
Sample 2 was prepared by electrochemically reducing a portion of this catalyst. Next, after reduction (Ru-25%Ir)
The 0x sample was heat stabilized at 550-600°C for 1 hour. Unreduced catalyst (sample 1), reduced catalyst (Ru-2
5% 1r) 0x catalyst (sample 2) and after thermal stabilization (
The surface area of the Ru-25% Ir)0x catalyst (Sample 3) was measured by the three-point BET (Brunauer-Emmett-Teller) nitrogen absorption method, and the results (results shown in Table 13 below) The data show that the oxide content decreases after reduction and thermal stabilization as well as the decrease in surface area after reduction and thermal stabilization.The oxide surface area is larger than the non-oxide surface area. As is customary, a reduction in oxide content should have a corresponding effect on surface area. Such a reduction in oxide content partially explains the reduction in surface area, but the dramatic reduction in surface area after thermal stabilization does not completely explain the decrease in
The porosity of the catalyst was measured to determine whether thermal stabilization of the catalyst resulted in a change in porosity resulting in a reduction in surface area and improved corrosion resistance.

試料1,2および3と同じバツチから触媒試料を取り、
そして多孔度および粒径分布を測定した。沈降法によつ
て粒径分布を測定したところ、等価球径の50%分布点
は還元後において3.7μであり、また熱安定化後にお
いて3.1μであることがわかつた。これは粒子の外面
が減少することを示しているが、熱安定化後における表
面積減少の全てを説明するには至らない。他方、毛管凝
縮法および水銀貫入法によつて全気孔洛積を求めた。
A catalyst sample was taken from the same batch as samples 1, 2 and 3;
Then the porosity and particle size distribution were measured. When the particle size distribution was measured by a sedimentation method, it was found that the 50% distribution point of the equivalent spherical diameter was 3.7μ after reduction and 3.1μ after thermal stabilization. Although this indicates that the outer surface of the particles is reduced, it does not explain all of the surface area reduction after thermal stabilization. On the other hand, the total pore volume was determined by the capillary condensation method and the mercury intrusion method.

試料1,2および3に関するデータは下記の第15表に
示されている。これらのデータによれば、全気孔容積は
比較的一定であることがわかる。
Data for Samples 1, 2 and 3 are shown in Table 15 below. These data show that the total pore volume is relatively constant.

従つて、多孔度は(等価球径および密度を求めてから気
孔率に換算したとしても)ほぼ同じであつて、Ru−2
5%Irについて言えば0,7〜0.8cc/Jの範囲
内にある。それと同時に、40λ〜10μの範囲内にお
ける孔径分布を測定した。40〜500λの範囲につい
ては毛管凝縮法を使用した。
Therefore, the porosity is almost the same (even if the equivalent sphere diameter and density are calculated and then converted to porosity), and Ru-2
Regarding 5% Ir, it is within the range of 0.7 to 0.8 cc/J. At the same time, the pore size distribution within the range of 40λ to 10μ was measured. For the range 40-500λ, capillary condensation method was used.

この方法に従えば、所定の蒸気圧における液体の凝縮を
測定することによつて孔径分布が求められる。かかる毛
管凝縮法は40人の測定下限および500λの測定上限
を示している。500人を越える範囲(すなわち500
λ〜10μ)の気孔については、水銀貫入法を用いて孔
径分布を求めた。
According to this method, the pore size distribution is determined by measuring the condensation of a liquid at a given vapor pressure. Such a capillary condensation method has shown a lower measurement limit of 40 people and an upper measurement limit of 500λ. A range of more than 500 people (i.e. 500
Regarding the pores (λ~10μ), the pore size distribution was determined using the mercury intrusion method.

これら2つの範囲に関する孔径分布の測定結果は下記の
第16および17表に示されている。ノ これらのデータによれば、触媒の熱安定化が気孔分布の
変化をもたらすことがわかる。
The pore size distribution measurements for these two ranges are shown in Tables 16 and 17 below. These data show that thermal stabilization of the catalyst leads to changes in pore distribution.

かかる変化には気孔の総数の変化が伴い、それによつて
全表面積が減少するように思われる。全気孔容積がほぼ
一定に保たれてるにもかかわらず孔径分布が200λお
よび1.5μにピークを示すように変化していることか
ら見れば、40λ以下の気孔の多くが合体し、そのため
気孔の総数が減少したことは極めて明白であるように思
われる。また、500Å以上では孔径が増大している。
このように孔径および内部気孔面積は熱安定化と共に変
化している。要するに、触媒を熱安定化した場合、内部
気孔の総数、従つて内部気孔表面積が減少するのである
。これは気孔の総数の減少および孔径分布の増大をもた
らすような形態的変化の結果であると信じられる。結局
、全気孔容積が比較的一定でありながら孔径分布が大き
い方へ変化していることから見れば、触媒の熱安定化に
伴う表面積の減少は内部気孔表面積の変化に起因するこ
とは明らかであると思われる。熱安定化された白金族金
属の還元酸化物から成る触媒の(単位重量当りの気孔容
積で現わ祐た)多孔度は0,4〜1.5cc/9の範囲
にわたる。
Such changes appear to be accompanied by changes in the total number of pores, thereby reducing the total surface area. Judging from the fact that the pore size distribution changes with peaks at 200λ and 1.5μ even though the total pore volume remains almost constant, many of the pores smaller than 40λ coalesce, and therefore the pore size It seems quite clear that the total number has decreased. Moreover, the pore diameter increases at 500 Å or more.
Thus, the pore diameter and internal pore area change with thermal stabilization. In short, when a catalyst is thermally stabilized, the total number of internal pores and therefore the internal pore surface area is reduced. This is believed to be the result of morphological changes that result in a decrease in the total number of pores and an increase in the pore size distribution. After all, it is clear that the decrease in surface area due to thermal stabilization of the catalyst is caused by changes in the internal pore surface area, considering that the pore size distribution changes toward larger values while the total pore volume remains relatively constant. It appears to be. The porosity (expressed in pore volume per unit weight) of catalysts consisting of thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals ranges from 0.4 to 1.5 cc/9.

なお、熱安定化された(Ru〜25%Ir)0xから成
る触媒の場合、好適な多孔度は0.7〜048cc/9
である。熱安定化された触媒の500λ以上における孔
径分布は100〜300λの範囲にわたりそして200
λにピーク(最大値)を有する。
In addition, in the case of a catalyst consisting of thermally stabilized (Ru to 25% Ir) 0x, the preferred porosity is 0.7 to 048 cc/9.
It is. The pore size distribution above 500λ of the thermally stabilized catalyst ranges from 100 to 300λ and 200λ
It has a peak (maximum value) at λ.

500λ以上では、全気孔容積は最大となり、また孔径
分布は0.4〜9μの範囲にわたり、そして1.5μ(
50%点)にピーク(最大値)を有する。
Above 500λ, the total pore volume is maximum and the pore size distribution ranges from 0.4 to 9μ, and 1.5μ (
It has a peak (maximum value) at 50% point).

熱安定化された白金族金属の還元酸化物を含有する触媒
の表面積について言えば、いかなる白金族金属および白
金族金属とバルブ金属などとのいかなる組合せの場合で
あれ、所要の触媒活性が得られる限りは(腐食を抑制す
るため)表面積をできるだけ小さくすべきである。すな
わち、表面積は10mシJを越えるべきであるが、好ま
しくは24〜165m2/GO)範囲にわたる。なお、
熱安定化された(Ru〜25%Ir)0xから成る触媒
の場合、好適な表面積は60〜70m2/9である。言
うまでもないが、熱安定化された白金族金属の還元酸化
物から成る触媒は、(通例10〜15m2/gの表面積
有する)粉末類、ブラツク類などに比べて表面積が大き
い。最後に、かかる触媒の酸化物含量は2〜25(重量
)%好ましくは13〜23(重量)%の範囲にわたり得
る。
Regarding the surface area of catalysts containing thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals, the required catalytic activity can be obtained for any platinum group metal and for any combination of platinum group metals and valve metals, etc. surface area should be kept as small as possible (to inhibit corrosion). That is, the surface area should exceed 10 m2/GO, but preferably ranges from 24 to 165 m2/GO). In addition,
In the case of a catalyst consisting of thermally stabilized (Ru to 25% Ir)Ox, the preferred surface area is 60-70 m2/9. It goes without saying that catalysts consisting of thermally stabilized reduced oxides of platinum group metals have a larger surface area than powders, blacks, etc. (which typically have a surface area of 10-15 m@2 /g). Finally, the oxide content of such catalysts may range from 2 to 25% (by weight), preferably from 13 to 23% (by weight).

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は固体重合体電解質膜およびその表面に接合され
た新規な触媒を用いた本発明の電解セルの略図、そして
第2図はハロゲン化物水溶液の電解に際してセルの各部
で起る反応を示す略図である。 図中、10はハロゲン発生用の電解セル、11は陰極外
被、12は陽極外被、13は電解質膜、14は陰極、1
5および16は集電体、17および18はガスケツト、
19,22は導入管、20は陽極室、21,23は導出
管、24は電力ケーブル。
Figure 1 is a schematic diagram of the electrolysis cell of the present invention using a solid polymer electrolyte membrane and a novel catalyst bonded to its surface, and Figure 2 shows the reactions that occur in various parts of the cell during electrolysis of an aqueous halide solution. This is a schematic diagram. In the figure, 10 is an electrolytic cell for halogen generation, 11 is a cathode jacket, 12 is an anode jacket, 13 is an electrolyte membrane, 14 is a cathode, 1
5 and 16 are current collectors, 17 and 18 are gaskets,
19 and 22 are inlet pipes, 20 is an anode chamber, 21 and 23 are outlet pipes, and 24 is a power cable.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 気体および液体に対しては不透過性であるがイオン
を輸送できる固体重合体のイオン交換膜から成る電解質
を有すると共に、電極の少なくとも1つが白金、イリジ
ウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウムおよびそれ
らの合金からなる白金族金属の少なくとも1つの電導性
還元酸化物でできた気体及び液体透過性触媒電極である
、電解質と電極の組合せ構造物において前記還元酸化物
が高温で酸素の存在下に於いて処理されて熱安定化され
ており、前記触媒電極が粒子の形で前記膜の一方の表面
に結合されて電解質と電極の一体構造物を形成している
ことを特徴とする電解質と電極の組合せ構造物。 2 特許請求の範囲第1項記載の構造物において、前記
酸化物が重合体の粒子に結合していることを特徴とする
、電解質と電極の組合せ構造物。 3 特許請求の範囲第1又は2項に記載の構造物におい
て、前記触媒電極が含有する前記白金族金属の熱安定化
された還元酸化物の孔径分布曲線が200Åで最大にな
つており、孔径分布の50%点が1.5μにあることを
特徴とする電解質と電極の組合せ構造物。 4 特許請求の範囲第3項記載の構造物において、前記
粒子の表面積が少なくとも60m^2/gであることを
特徴とする電解質と電極の組合せ構造物。 5 気体及び液体に対しては不透過性であるがイオンを
輸送できる固体重合体のイオン交換膜から成る電解質を
有すると共に、電極の少なくとも1つが白金、イリジウ
ム、ルテニウム、パラジウム、オスミウムおよびそれら
の合金からなる白金族金属の少なくとも1つの電導性還
元酸化物でできた気体及び液体透過性触媒電極である、
電解質と電極の組合せ構造物において、前記還元酸化物
が高温で酸素の存在下に於いて処理されて熱安定化され
ており、前記触媒電極が粒子の形で前記膜の一方の表面
に結合されて電解質と電極の一体構造物を形成し、ここ
で前記還元酸化物が重合体の粒子に結合していて、さら
に前記触媒電極がチタン、タンタル、ニオブ、ジルコニ
ムラおよびハフニウムからなるバルブ金属の少なくとも
1つの熱安定化された還元酸化物を更に含有することを
特徴とする電解質と電極の組合せ構造物。 6 特許請求の範囲第5項に記載の構造物において、前
記触媒電極が含有する前記白金族金属の熱安定化された
還元酸化物の熱安定化後の孔径分布曲線が200Åで最
大になつており、孔径分布の50%点が1.5μにある
ことを特徴とする電解質と電極の組合せ構造物。 7 特許請求の範囲第6項記載の構造物において、前記
粒子の表面積が少なくとも60m^2/gであることを
特徴とする電解質と電極の組合せ構造物。 8 樹脂結合剤粒子と結合した電導性触媒粒子の凝集体
からなる電導性且つ気体及び液体透過性の触媒電極にお
いて、触媒粒子が白金、イリジウム、ルテニウム、パラ
ジウム、オスミウム又はこれらの合金の白金族金属の少
なくとも1つの還元酸化物であつて、該還元酸化物が高
温で酸素の存在下に於いて処理されて熱安定化されてい
ることを特徴とする触媒電極。 9 特許請求の範囲第8項記載の触媒電極において、タ
ンタル、チタン、ニオブ、ジルコニウムおよびハフニウ
ムからなるバルブ金属の少なくとも1つの熱安定化され
た還元酸化物を更に含有することを特徴とする触媒電極
[Claims] 1. An electrolyte comprising a solid polymer ion exchange membrane impermeable to gases and liquids but capable of transporting ions, and at least one of the electrodes is made of platinum, iridium, ruthenium, palladium. a gas- and liquid-permeable catalytic electrode made of at least one conductive reduced oxide of a platinum group metal consisting of osmium, osmium, and their alloys. the catalytic electrode is bonded to one surface of the membrane in the form of particles to form an integral structure of electrolyte and electrode. A combination structure of electrolyte and electrode. 2. The structure according to claim 1, wherein the oxide is bonded to polymer particles. 3. In the structure according to claim 1 or 2, the pore size distribution curve of the thermally stabilized reduced oxide of the platinum group metal contained in the catalyst electrode has a maximum at 200 Å, and the pore size A combination structure of an electrolyte and an electrode, characterized in that the 50% point of distribution is at 1.5μ. 4. The structure of claim 3, wherein the particles have a surface area of at least 60 m^2/g. 5 having an electrolyte consisting of a solid polymeric ion exchange membrane impermeable to gases and liquids but capable of transporting ions, and at least one of the electrodes being made of platinum, iridium, ruthenium, palladium, osmium or alloys thereof; a gas and liquid permeable catalytic electrode made of at least one electrically conductive reduced oxide of a platinum group metal consisting of
In a combined electrolyte and electrode structure, the reduced oxide is thermally stabilized by treatment in the presence of oxygen at high temperature, and the catalytic electrode is bonded to one surface of the membrane in the form of particles. to form an integral electrolyte and electrode structure, wherein the reduced oxide is bound to particles of a polymer, and the catalytic electrode comprises at least one of the following valve metals: titanium, tantalum, niobium, zirconium and hafnium. An electrolyte/electrode combination structure further comprising two thermally stabilized reduced oxides. 6. In the structure according to claim 5, the pore size distribution curve after thermal stabilization of the thermally stabilized reduced oxide of the platinum group metal contained in the catalyst electrode reaches a maximum at 200 Å. A combination structure of an electrolyte and an electrode, characterized in that the 50% point of the pore size distribution is at 1.5μ. 7. A structure according to claim 6, characterized in that the particles have a surface area of at least 60 m^2/g. 8. A conductive, gas- and liquid-permeable catalyst electrode consisting of an aggregate of conductive catalyst particles combined with resin binder particles, in which the catalyst particles are made of a platinum group metal such as platinum, iridium, ruthenium, palladium, osmium, or an alloy thereof. 1. A catalytic electrode, characterized in that the reduced oxide is thermally stabilized by treatment at high temperature in the presence of oxygen. 9. The catalytic electrode according to claim 8, further comprising at least one thermally stabilized reduced oxide of a valve metal consisting of tantalum, titanium, niobium, zirconium and hafnium. .
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US93141978A 1978-08-08 1978-08-08
US931419 1978-08-08
US922287 1986-10-23

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