CH658199A5 - LOW OHMIC RESISTANCE DIAPHRAGMS APPLICABLE IN ALKALINE ELECTROLYSERS. - Google Patents
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Description
La présente invention concerne des diaphragmes de faible résistance ohmique applicables dans les électrolyseurs alcalins. The present invention relates to diaphragms of low ohmic resistance applicable in alkaline electrolysers.
La réalisation d'électrolyseurs alcalins, en vue de la production d'hydrogène destiné au stockage de l'énergie électrique durant les périodes de faible consommation, implique, pour des raisons de rentabilité, un fonctionnement à des densités de courant relativement élevées (i>400 mA/cm2) pour une tension aux bornes inférieure à 1,9 volt. Cette condition peut être satisfaite si le fonctionnement de l'électrolyseur a lieu aux températures comprises entre 100 et 200° C. The production of alkaline electrolysers, for the production of hydrogen intended for the storage of electrical energy during periods of low consumption, implies, for reasons of profitability, operation at relatively high current densities (i> 400 mA / cm2) for a terminal voltage lower than 1.9 volts. This condition can be satisfied if the electrolyser is operated at temperatures between 100 and 200 ° C.
La séparation de l'hydrogène de l'oxygène est obtenue par l'interposition entre les électrodes de l'électrolyseur d'un diaphragme perméable à l'électrolyte (par exemple KOH aqueux) et imperméable aux gaz formés aux électrodes. The separation of hydrogen from oxygen is obtained by the interposition between the electrodes of the electrolyzer of a diaphragm permeable to the electrolyte (for example aqueous KOH) and impermeable to the gases formed at the electrodes.
Le fonctionnement de l'électrolyseur aux températures supérieures à 100° C nécessite de pouvoir disposer de diaphragmes qui satisfont aux spécifications suivantes: The operation of the electrolyser at temperatures above 100 ° C requires the availability of diaphragms which meet the following specifications:
— conductivité ionique élevée pour éviter les pertes d'énergie par effet joule (résistance ohmique de l'ordre d'au plus 0,1 à - high ionic conductivity to avoid energy losses by Joule effect (ohmic resistance of the order of at most 0.1 to
0,3 Q/cm2); 0.3 Q / cm2);
— stabilité chimique élevée en milieu fortement alcalin (KOH 6N à 10N) et oxydant; - high chemical stability in strongly alkaline (KOH 6N to 10N) and oxidizing medium;
— bonne tenue à la température; - good temperature resistance;
— faible perméabilité à l'oxygène et à l'hydrogène de manière à assurer une pureté des gaz supérieure à 99,5% ; - low permeability to oxygen and hydrogen so as to ensure a purity of the gases greater than 99.5%;
•— tenue mécanique suffisamment élevée pour éviter les déchirures et les fissurations au cours du montage des diaphragmes; 5 — bonne mouillabilité évitant l'accumulation des bulles de gaz sur le diaphragme. • - mechanical strength sufficiently high to avoid tears and cracks during the mounting of the diaphragms; 5 - good wettability avoiding the accumulation of gas bubbles on the diaphragm.
Des diaphragmes et des séparateurs possédant une stabilité chimique et une tenue à la température élevées ont été décrits dans différents brevets, notamment dans le cas des piles alcalines. Ainsi, le io brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3749604 fait état de diaphragmes pouvant être utilisés dans de telles piles du type argent-zinc pour empêcher la diffusion des oxydes d'argent vers l'électrode de zinc. Ces diaphragmes sont constitués de substrats poreux recouverts sur leurs deux faces d'une couche de polymère poreux renfer-15 mant des oxydes et des hydroxydes inorganiques tels que Zr02, Zr(OH)4, Th02, etc. La présence de ces composés inorganiques sert à augmenter l'hydrophilie et la conductivité électrique du diaphragme car ces composés constituent des échangeurs d'ions, bien que leur capacité d'échange ne soit pas très élevée. Il est précisé que 20 la granulométrie des oxydes inorganiques doit être comprise entre 74 et 700 microns et de préférence entre 149 et 700 microns. Or, le titulaire a constaté qu'en utilisant le procédé décrit dans ce brevet et en particulier qu'en respectant les conditions relatives à la granulométrie des oxydes inorganiques préconisées par ses auteurs, on obtenait 25 des diaphragmes dont les pores ont des diamètres dépassant en général plusieurs microns, ce qui est trop élevé pour empêcher la diffusion des gaz à travers les diaphragmes. Du reste, ce brevet met, entre autres, l'accent sur des diamètres de pores compris entre 5 et 75 microns. Par contre, si on utilise des oxydes dont la granulomé-30 trie est nettement plus faible, par exemple inférieure à 50 microns, on obtient des diaphragmes dont les pores sont suffisamment petits pour empêcher le passage des gaz, mais leur conductivité électrique est alors trop faible pour pouvoir les utiliser avec profit dans les électrolyseurs alcalins. En effet, leurs résistances électriques mesurées 35 dans KOH 10N à 110° C s'échelonnent entre 0,5 et 2 fî/cm2. Diaphragms and separators with high chemical stability and temperature resistance have been described in various patents, in particular in the case of alkaline batteries. Thus, United States Patent No. 3,749,604 reports diaphragms which can be used in such silver-zinc type cells to prevent diffusion of silver oxides to the zinc electrode. These diaphragms consist of porous substrates covered on both sides with a layer of porous polymer containing 15 inorganic oxides and hydroxides such as Zr02, Zr (OH) 4, Th02, etc. The presence of these inorganic compounds serves to increase the hydrophilicity and the electrical conductivity of the diaphragm because these compounds constitute ion exchangers, although their exchange capacity is not very high. It is specified that the particle size of the inorganic oxides must be between 74 and 700 microns and preferably between 149 and 700 microns. However, the holder noted that by using the process described in this patent and in particular that by respecting the conditions relating to the particle size of the inorganic oxides recommended by its authors, one obtained diaphragms whose pores have diameters exceeding in generally several microns, which is too high to prevent the diffusion of gases through the diaphragms. Moreover, this patent emphasizes, among other things, the pore diameters of between 5 and 75 microns. On the other hand, if we use oxides with a much smaller particle size, for example less than 50 microns, we obtain diaphragms whose pores are small enough to prevent the passage of gases, but their electrical conductivity is then too low to be able to use them profitably in alkaline chlorinators. Indeed, their electrical resistances measured in KOH 10N at 110 ° C range between 0.5 and 2 fî / cm2.
Dans d'autres brevets, tels que dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3713890, on signale la possibilité d'introduire des composés inorganiques tels que ZrOz, Th02, Ce02, sels de calcium, de potassium, etc., dans un liant organique constitué d'un polymère 40 chimiquement stable. Dans ce dernier brevet, la mise en œuvre du polymère utilisé comme liant diffère de celle utilisée dans le brevet N° 3749604. En effet, le polymère n'est pas mis en solution dans un solvant organique avant d'être mélangé à la poudre du composé organique, mais il est mélangé, sous la forme d'une dispersion 45 aqueuse, à une dispersion aqueuse du composé inorganique, les particules du polymère et celles du composé inorganique devant être de diamètre inférieur à 10 microns. La dispersion finale obtenue est coulée sur un support plan, évaporée et le film sec qui en résulte est fritté à la température de frittage du polymère. En dehors de la so faible dimension des grains du composé inorganique, aucune autre condition relative à ce composé n'est mentionnée, notamment en ce qui concerne la forme des grains et la densité apparente de la poudre. La préparation des diaphragmes par frittage du polymère, selon la méthode décrite dans ce brevet, a l'inconvénient de ne pas ss induire une porosité dans le liant. La conductivité électrique du diaphragme ainsi préparé est de ce fait trop faible, en particulier si la poudre du composé inorganique utilisée ne satisfait pas aux conditions morphologiques indiquées ci-après. De plus, si on cherche à augmenter la conductivité électrique du diaphragme par une aug-60 mentation de la teneur en composé inorganique, le polymère ne se fritte plus et le diaphragme résultant n'a plus aucune tenue mécanique. In other patents, such as in U.S. Patent No. 3,713,890, the possibility of introducing inorganic compounds such as ZrOz, Th02, Ce02, calcium, potassium salts, etc. is reported. in an organic binder consisting of a chemically stable polymer 40. In this latter patent, the implementation of the polymer used as a binder differs from that used in patent No. 3749604. Indeed, the polymer is not dissolved in an organic solvent before being mixed with the powder of the organic compound, but it is mixed, in the form of an aqueous dispersion, with an aqueous dispersion of the inorganic compound, the particles of the polymer and those of the inorganic compound having to be of diameter less than 10 microns. The final dispersion obtained is poured onto a flat support, evaporated and the resulting dry film is sintered at the sintering temperature of the polymer. Apart from the so small grain size of the inorganic compound, no other condition relating to this compound is mentioned, in particular as regards the shape of the grains and the apparent density of the powder. The preparation of the diaphragms by sintering the polymer, according to the method described in this patent, has the drawback of not inducing porosity in the binder. The electrical conductivity of the diaphragm thus prepared is therefore too low, in particular if the powder of the inorganic compound used does not satisfy the morphological conditions indicated below. In addition, if it is sought to increase the electrical conductivity of the diaphragm by increasing the content of the inorganic compound, the polymer no longer sintered and the resulting diaphragm no longer has any mechanical strength.
En outre, la mouillabilité des diaphragmes actuellement connus n'est pas toujours satisfaisante. Or, une bonne mouillabilité évite 65 l'accumulation de bulles de gaz sur le diaphragme et favorise la pénétration de l'électrolyte dans les pores du diaphragme. In addition, the wettability of the currently known diaphragms is not always satisfactory. However, good wettability prevents the accumulation of gas bubbles on the diaphragm and promotes the penetration of the electrolyte into the pores of the diaphragm.
La présente invention a pour objet des diaphragmes perfectionnés ne présentant pas les inconvénients rappelés ci-dessus et pouvant The present invention relates to improved diaphragms which do not have the drawbacks mentioned above and which can
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être appliqués aussi bien dans les électrolyseurs alcalins que dans les piles alcalines. be applied both in alkaline electrolysers and in alkaline batteries.
Selon la présente invention, il est prévu des diaphragmes de texture homogène et régulière, de bonne mouillabilité, de faible résistance ohmique et de bonne tenue mécanique, caractérisés par le fait qu'ils consistent en membranes d'épaisseur pouvant aller jusqu'à 700 microns, faites d'un polymère poreux renfermant des oxydes, hydroxydes ou sels inorganiques, de volumes de pores élevés et de faible solubilité dans KOH, des métaux alcalins et alcalino-terreux suivants: sodium, potassium, calcium ou magnésium, et des métaux suivants: zirconium, thorium ou cérium, ces diaphragmes présentant une résistance ohmique mesurée dans KOH ION à 110° C d'au plus 0,3 fi/cm2, un taux de porosité supérieur à 50% avec des dimensions de pores d'au plus 1 micron et une tenue mécanique définie par une résistance à la traction d'au moins 25 kg/cm2, un module d'élasticité (module de Young) d'au moins 200 kg/cm2 et une résistance à l'éclatement d'au moins 3 kg/cm2. According to the present invention, there are provided diaphragms of homogeneous and regular texture, of good wettability, of low ohmic resistance and of good mechanical strength, characterized in that they consist of membranes of thickness up to 700 microns , made of a porous polymer containing oxides, hydroxides or inorganic salts, high pore volumes and low solubility in KOH, the following alkali and alkaline earth metals: sodium, potassium, calcium or magnesium, and the following metals: zirconium, thorium or cerium, these diaphragms having an ohmic resistance measured in KOH ION at 110 ° C of at most 0.3 fi / cm2, a porosity rate greater than 50% with pore dimensions of at most 1 micron and a mechanical strength defined by a tensile strength of at least 25 kg / cm2, a modulus of elasticity (Young's modulus) of at least 200 kg / cm2 and a burst strength of at least 3 kg / cm2.
Le polymère dont sont constitués les diaphragmes selon l'invention peut être choisi parmi les polymères hydrophiles et hydrophobes présentant une bonne stabilité en milieu fortement alcalin et à température élevée (de l'ordre de 110 à 160° C). On citera comme exemples de polymères convenant selon l'invention les polysulfones, les polyoxyphénylènes, les polyquinoxalines, les pyrrones et analogues (hydrophiles), les polytétrafluoroéthylènes et analogues (hydrophobes). The polymer from which the diaphragms are made according to the invention can be chosen from hydrophilic and hydrophobic polymers having good stability in a strongly alkaline medium and at high temperature (of the order of 110 to 160 ° C). Examples of suitable polymers according to the invention include polysulfones, polyoxyphenylenes, polyquinoxalines, pyrrones and the like (hydrophilic), polytetrafluoroethylenes and the like (hydrophobic).
De préférence, les conditions suivantes sont observées: Preferably, the following conditions are observed:
1. Le composé inorganique introduit dans le polymère présente une faible densité apparente et/ou un volume de pores élevé. Autrement dit, la forme des grains constituant ledit composé inorganique doit être irrégulière et tourmentée plutôt que compacte et arrondie. Une forme avantageuse est celle de bâtonnets, d'aiguilles et analogues. Ces grains peuvent également présenter eux-mêmes une porosité élevée propre abaissant ainsi la densité apparente de la poudre. Le choix de cette caractéristique du composé inorganique permet de conférer au diaphragme final un taux de porosité élevé. 1. The inorganic compound introduced into the polymer has a low apparent density and / or a high pore volume. In other words, the shape of the grains constituting said inorganic compound must be irregular and tormented rather than compact and rounded. An advantageous form is that of sticks, needles and the like. These grains can also themselves have a high clean porosity, thereby lowering the apparent density of the powder. The choice of this characteristic of the inorganic compound makes it possible to give the final diaphragm a high porosity rate.
2. La granulométrie du composé inorganique correspond à des grains très fins ayant des diamètres inférieurs à 50 microns et de préférence inférieurs à 20 microns. En outre, une granulométrie plus fine permet d'obtenir une plus grande homogénéité de composition et une plus grande régularité de la texture du diaphragme avec une moindre fréquence d'apparition de défauts (trous, fissures, etc.), ce qui diminue les risques de passage des gaz à travers le diaphragme. 2. The particle size of the inorganic compound corresponds to very fine grains having diameters less than 50 microns and preferably less than 20 microns. In addition, a finer particle size makes it possible to obtain greater homogeneity of composition and greater regularity of the texture of the diaphragm with a lower frequency of appearance of defects (holes, cracks, etc.), which reduces the risks. passage of gases through the diaphragm.
3. Le polymère servant de liant aux composés inorganiques est mis en œuvre de telle manière que ce liant soit lui-même poreux ou microporeux. Cette porosité peut être obtenue par des méthodes connues dans la littérature technique, choisies en fonction de la nature du polymère. Ainsi, la méthode dite d'inversion de phase (R.F. Kesting «Syntheticpolymeric membranes», page 117, éditeur MacGraw Hill 1971) peut être utilisée dans le cas d'un polymère soluble dans les solvants organiques. La méthode utilisée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3749604 dérive de celle-ci. Il est également possible d'introduire un agent porophore dans le polymère qu'on élimine ensuite, totalement ou partiellement, soit en portant le diaphragme à la température de décomposition de l'agent porophore (ex. carbonates), soit en extrayant l'agent porophore du diaphragme à partir d'un solvant. Il importe cependant que les pores du diaphragme soient suffisamment fins pour empêcher la diffusion des gaz à travers ces pores. 3. The polymer serving as a binder for inorganic compounds is used in such a way that this binder is itself porous or microporous. This porosity can be obtained by methods known in the technical literature, chosen according to the nature of the polymer. Thus, the so-called phase inversion method (R.F. Kesting "Syntheticpolymeric membranes", page 117, editor MacGraw Hill 1971) can be used in the case of a polymer soluble in organic solvents. The method used in United States Patent No. 3,749,604 is derived from this. It is also possible to introduce a porophore agent into the polymer which is then eliminated, totally or partially, either by bringing the diaphragm to the decomposition temperature of the porophore agent (eg carbonates), or by extracting the agent diaphragm porophore from a solvent. However, it is important that the pores of the diaphragm are sufficiently small to prevent the diffusion of gases through these pores.
4. Une forte porosité permet d'augmenter l'épaisseur des diaphragmes, donc leur tenue mécanique, tout en conservant leur conductivité et en réduisant au surplus les risques d'apparition de trous et de fissures qui favoriseraient le passage des gaz à travers le diaphragme. 4. A high porosity makes it possible to increase the thickness of the diaphragms, therefore their mechanical strength, while retaining their conductivity and further reducing the risks of the appearance of holes and cracks which would favor the passage of gases through the diaphragm .
5. Lorsque le polymère présente une hydrophobie prononcée, il importe que la teneur en composé inorganique soit élevée ( > 55 % en poids) afin que la mouillabilité et la conductivité de ce dernier soient suffisantes. 5. When the polymer has a pronounced hydrophobicity, it is important that the content of inorganic compound is high (> 55% by weight) so that the wettability and the conductivity of the latter are sufficient.
Les brevets mentionnant la préparation de séparateurs de batteries ou de diaphragmes pour piles ou électrolyseurs à partir d'oxydes ou d'hydroxydes inorganiques et d'un liant organique ne respectent le plus souvent aucune des conditions énumérées plus haut ou tout s au moins pas la première. Patents mentioning the preparation of battery separators or diaphragms for batteries or electrolysers from inorganic oxides or hydroxides and an organic binder do not usually meet any of the conditions listed above or at least not the first.
Les diaphragmes préparés en respectant les conditions énumérées plus haut présentent en outre une remarquable stabilité dans le temps de leurs propriétés électriques, une bonne tenue mécanique et une bonne mouillabilité. The diaphragms prepared by respecting the conditions listed above also exhibit remarkable stability over time of their electrical properties, good mechanical strength and good wettability.
io Les exemples qui vont suivre illustrent l'invention de façon nullement limitative. The examples which follow illustrate the invention in no way limiting.
Exemple 1: Example 1:
On prépare, par la méthode d'inversion de phase, deux diaphrag-15 mes d'égale épaisseur (environ 500 microns) référencés A et B en utilisant comme liant le polysulfone «P 1700» (commercialisé par Union Carbide) et comme échangeur d'ions de l'oxyde de magnésium. Two diaphragms of equal thickness (about 500 microns) referenced A and B are prepared by the phase inversion method, using the polysulfone "P 1700" (sold by Union Carbide) as a binder and as a heat exchanger. 'ions of magnesium oxide.
La méthode d'inversion de phase utilisée consiste à couler sur un 20 support plan en acier inox, à l'aide d'un applicateur, une solution de polysulfone dans le diméthylformamide à laquelle a été ajoutée préalablement, sous agitation vigoureuse, la poudre de MgO. Il est important de veiller à ce que la poudre soit dispersée de façon homogène dans la solution. Après cette opération, le support est immergé 2s dans un bain aqueux pendant quelques minutes. Le diaphragme se détache de lui-même de son support dans le bain aqueux. Après lavage à l'eau et séchage, il est prêt à l'utilisation. The phase inversion method used consists in pouring onto a flat stainless steel support, using an applicator, a solution of polysulfone in dimethylformamide to which the powder was added beforehand, with vigorous stirring. MgO. It is important to ensure that the powder is dispersed evenly in the solution. After this operation, the support is immersed 2s in an aqueous bath for a few minutes. The diaphragm detaches itself from its support in the aqueous bath. After washing with water and drying, it is ready for use.
Les deux diaphragmes A et B ont la même composition pondérale, soit 40 % de polysulfone pour 60 % de MgO, mais dans le cas 30 du diaphragme A on utilise du MgO de densité apparente 0,17 g/cm3 et de granulométrie moyenne, déterminée au compteur Coulter, 5 microns pour la moyenne en nombre et 12 microns pour la moyenne en poids, alors que dans le cas du diaphragme B on utilise du MgO de densité apparente 0,74 g/cm3 et de granulométrie 35 moyenne 8 microns pour la moyenne en nombre et 20 microns pour la moyenne en poids. The two diaphragms A and B have the same composition by weight, namely 40% of polysulfone for 60% of MgO, but in the case of diaphragm A, MgO is used with an apparent density 0.17 g / cm3 and an average particle size, determined at the Coulter counter, 5 microns for the number average and 12 microns for the weight average, while in the case of diaphragm B, MgO is used with an apparent density of 0.74 g / cm 3 and an average particle size of 8 microns for the number average and 20 microns for weight average.
La résistance ohmique des deux diaphragmes, mesurée dans KOH 10N à 110° C, est de 0,07 Q/cm2 pour le diaphragme A et de 0,62 Q/cm2, soit près de 9 fois plus élevée que celle du diaphragme 40 A. Le taux de porosité mesuré au porosimètre à jnercure est de 70 à 75 % pour le diaphragme A et de 45 à 50 % pour le diaphragme B. The ohmic resistance of the two diaphragms, measured in KOH 10N at 110 ° C, is 0.07 Q / cm2 for diaphragm A and 0.62 Q / cm2, almost 9 times higher than that of diaphragm 40 A The rate of porosity measured with the porosimeter with jnercure is from 70 to 75% for the diaphragm A and from 45 to 50% for the diaphragm B.
La répartition en volume des rayons de pores se révèle être la suivante: The volume distribution of the pore radii turns out to be as follows:
45 — pour le diaphragme A: 45 - for diaphragm A:
• 16% du volume poreux total sont constitués de pores de rayon inférieur à 0,02 micron; • 16% of the total pore volume consists of pores with a radius of less than 0.02 microns;
• 20% du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,02 et 0,1 micron; • 20% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.02 and 0.1 micron;
50 • 20 % du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,1 et 0,2 micron; 50 • 20% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.1 and 0.2 microns;
■ 36% du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,2 et 0,3 micron; ■ 36% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.2 and 0.3 microns;
55 • 8 % du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,3 et 0,5 micron, 55 • 8% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.3 and 0.5 microns,
— pour le diaphragme B: - for diaphragm B:
• 25 % du volume poreux total sont constitués de pores de rayon inférieur à 0,1 micron; • 25% of the total pore volume consists of pores with a radius of less than 0.1 microns;
60 • 25 % du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,1 et 0,2 micron; 60 • 25% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.1 and 0.2 microns;
■ 12,5% du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,2 et 0,3 micron; ■ 12.5% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.2 and 0.3 microns;
65 • 20,8 % du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 0,3 et 1 micron; 65 • 20.8% of the total pore volume consists of pores with a radius between 0.3 and 1 micron;
• 16,7% du volume poreux total sont constitués de pores de rayon compris entre 1 et 4 microns. • 16.7% of the total pore volume consists of pores with a radius between 1 and 4 microns.
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On prépare une série de diaphragmes A en faisant varier leur teneur pondérale en MgO de 45 à 60% et on mesure leur résistance ohmique comme précédemment. La figure 1 indique la variation de la résistance ohmique (R) en milieu KOH 14N à 110° C des diaphragmes en fonction de leur teneur en MgO de densité apparente: 0,17 g/cm3. A series of diaphragms A is prepared by varying their weight content of MgO from 45 to 60% and their ohmic resistance is measured as previously. Figure 1 shows the variation of the ohmic resistance (R) in 14N KOH medium at 110 ° C of the diaphragms as a function of their MgO content of apparent density: 0.17 g / cm3.
On prépare de même une série de diaphragmes B avec des teneurs pondérales de MgO comprises entre 50 et 85%. La figure 2 indique la variation de la résistance ohmique (R) de ces diaphragmes en milieu KOH 14N à 110° C en fonction de leur teneur en MgO de densité apparente: 0,74 g/cm3. A series of diaphragms B is likewise prepared with weight contents of MgO of between 50 and 85%. FIG. 2 shows the variation of the ohmic resistance (R) of these diaphragms in 14N KOH medium at 110 ° C. as a function of their MgO content of apparent density: 0.74 g / cm 3.
La comparaison des deux figures se passe de commentaires. The comparison of the two figures speaks for itself.
L'épreuve d'endurance effectuée sur cellule d'électrolyse, en absence de tout catalyseur, montre que le diaphragme A présente une remarquable stabilité dans le temps de ses propriétés. La figure 3 indique qu'après 1000 heures de fonctionnement sous une densité de courant de 0,4 A/cm2, la tension totale de cellule est de 1,98 volt et la chute de tension (iR) dans le diaphragme est de 0,06 volt. Le potentiel d'anode est de 0,68 volt et le potentiel de cathode de —1,23 volt. L'essai a été effectué avec un diaphragme dont la composition pondérale était de 50% de MgO pour 50% de polysulfone. The endurance test carried out on an electrolysis cell, in the absence of any catalyst, shows that the diaphragm A exhibits remarkable stability over time of its properties. Figure 3 indicates that after 1000 hours of operation under a current density of 0.4 A / cm2, the total cell voltage is 1.98 volts and the voltage drop (iR) in the diaphragm is 0, 06 volt. The anode potential is 0.68 volts and the cathode potential is —1.23 volts. The test was carried out with a diaphragm whose composition by weight was 50% of MgO for 50% of polysulfone.
Les conditions de l'essai étaient les suivantes: The test conditions were as follows:
— température: 110°C - temperature: 110 ° C
— électrolyte: KOH 30% - electrolyte: KOH 30%
— pression dans la cellule: 20 bars - pressure in the cell: 20 bars
— anode et cathode en nickel - nickel anode and cathode
— densité de courant: 0,4 A/cm2 - current density: 0.4 A / cm2
La tenue mécanique des diaphragmes selon l'invention s'est avérée bonne, même pour les taux de porosité élevés: pour le diaphragme A, on a une résistance à la traction de 160 à 180 kg/cm2 et un module de Young de plusieurs centaines de kg/cm2. The mechanical strength of the diaphragms according to the invention has been found to be good, even for the high porosity rates: for diaphragm A, there is a tensile strength of 160 to 180 kg / cm2 and a Young's modulus of several hundred kg / cm2.
Exemple 2: Example 2:
On utilise cinq poudres de MgO de granulométrie moyenne voisine ayant chacune une densité apparente différente allant de 0,17 g/cm3 à 1,2 g/cm3 et on prépare avec chacune des poudres un diaphragme d'épaisseur 400 à 500 microns, selon la méthode indiquée dans l'exemple 1. Les cinq diaphragmes ont sensiblement la même composition pondérale. Five MgO powders of neighboring average particle size are used, each having a different apparent density ranging from 0.17 g / cm 3 to 1.2 g / cm 3 and a diaphragm with a thickness of 400 to 500 microns is prepared with each of the powders. method indicated in Example 1. The five diaphragms have substantially the same weight composition.
On mesure leur résistance ohmique dans KOH 10N à 110° C. La figure 4 indique la variation de la résistance ohmique (R) des diaphragmes en milieu KOH 14N à 110° C en fonction de la densité apparente du MgO (g/cm3). Their ohmic resistance is measured in KOH 10N at 110 ° C. FIG. 4 indicates the variation of the ohmic resistance (R) of the diaphragms in KOH 14N medium at 110 ° C as a function of the apparent density of MgO (g / cm3).
A l'aide d'un porosimètre à mercure, on mesure le volume de pores des cinq poudres de MgO utilisées plus haut. La figure 5 donne la variation de la résistance ohmique (R) des diaphragmes en milieu KOH 14N à 110° C en fonction du volume de pores de la poudre de MgO utilisée pour préparer les diaphragmes, volume exprimé en mm3/g. Using a mercury porosimeter, the pore volume of the five MgO powders used above is measured. FIG. 5 gives the variation of the ohmic resistance (R) of the diaphragms in 14N KOH medium at 110 ° C. as a function of the pore volume of the MgO powder used to prepare the diaphragms, volume expressed in mm3 / g.
Exemple 3: Example 3:
On prépare un diaphragme d'épaisseur 400 à 500 microns selon la méthode décrite dans l'exemple 1. On utilise pour cela de la poudre de MgO de densité apparente 0,17 g/cm3 tamisée de manière à éliminer les grains dont le diamètre est supérieur à 20 microns. Le tamisage a permis d'abaisser la résistance ohmique du diaphragme de 0,07 fi/cm2 à 0,05 Q/cm2. A diaphragm with a thickness of 400 to 500 microns is prepared according to the method described in Example 1. For this, MgO powder with an apparent density of 0.17 g / cm 3 is used, sieved so as to remove the grains whose diameter is greater than 20 microns. The sieving made it possible to lower the ohmic resistance of the diaphragm from 0.07 fi / cm2 to 0.05 Q / cm2.
On utilise la même poudre de MgO tamisée et on l'hydrolyse par immersion dans KOH 10N à 140° C d'une durée de 72 heures. On lave la poudre à l'eau et on la sèche, puis on vérifie par diffraction des rayons X qu'elle a été entièrement hydrolysée en Mg(OH)2. On se sert de cette poudre de Mg(OH)2 pour préparer un diaphragme dans les mêmes conditions que plus haut. Sa résistance ohmique mesurée dans les mêmes conditions que précédemment est de 0,06 Si/cm2. The same sieved MgO powder is used and hydrolyzed by immersion in 10N KOH at 140 ° C. for a period of 72 hours. The powder is washed with water and dried, then it is verified by X-ray diffraction that it has been completely hydrolysed to Mg (OH) 2. This powder of Mg (OH) 2 is used to prepare a diaphragm under the same conditions as above. Its ohmic resistance measured under the same conditions as above is 0.06 Si / cm2.
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Exemple 4: Example 4:
On prépare des diaphragmes d'épaisseur 400 à 500 microns de type A et B, selon une méthode voisine de celle indiquée dans l'exemple 1, en utilisant la polyphénylquinoxaline à la place de poly-io sulfone. Le solvant de la polyphénylquinoxaline étant le 1,1,2,2 té-trachloroéthane qui n'est pas miscible à l'eau, on utilise à la place du bain aqueux un bain contenant de l'acétone qui est miscible au 1,1,2,2 tétrachloroéthane. Diaphragms of thickness 400 to 500 microns of type A and B are prepared, according to a method similar to that indicated in Example 1, using polyphenylquinoxaline in place of poly-io sulfone. The polyphenylquinoxaline solvent being 1,1,2,2 t-trachloroethane which is not miscible with water, a bath containing acetone which is miscible with 1.1 is used instead of the aqueous bath , 2.2 tetrachloroethane.
Les diaphragmes sont lavés dans l'acétone, puis dans l'eau et is séchés. The diaphragms are washed in acetone, then in water and dried.
On constate que la résistance ohmique des diaphragmes A est nettement inférieure à celle des diaphragmes B. It can be seen that the ohmic resistance of the diaphragms A is much lower than that of the diaphragms B.
Exemple 5: Example 5:
20 On s'inspire de la méthode décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3713890 pour préparer un diaphragme d'épaisseur 250 à 300 microns, à partir d'une dispersion aqueuse de polytétrafluoroéthylène 30N (commercialisée par Du Pont de Nemours) mélangée à une dispersion aqueuse de Mg(OH)2. La poudre de 25 Mg(OH)2 est obtenue par hydrolyse d'une poudre de MgO de faible densité apparente et tamisée dans les mêmes conditions que dans l'exemple 3. On introduit en outre un agent porophore dans la dispersion, en l'occurrence de la poudre de (MgC03)4Mg(0H)25H20. La dispersion bien homogénéisée par agitation mécanique est 30 ensuite évaporée partiellement à 60° C pendant quelques heures jusqu'à obtenir une pâte épaisse qu'on place sur un support plan et qu'on étale en la pressant à l'aide d'un rouleau en acier pour en faire une feuille d'épaisseur environ 300 microns. La composition pondérale en matière solide de cette feuille est la suivante: 35 — 30% de polytétrafluoroéthylène The method described in US Pat. No. 3,713,890 is used to prepare a diaphragm 250 to 300 microns thick, from an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene 30N (marketed by Du Pont de Nemours) mixed with an aqueous dispersion of Mg (OH) 2. The 25 Mg (OH) 2 powder is obtained by hydrolysis of an MgO powder of low apparent density and sieved under the same conditions as in Example 3. In addition, a pore-forming agent is introduced into the dispersion. occurrence of (MgC03) 4Mg (0H) 25H20 powder. The dispersion, well homogenized by mechanical stirring, is then partially evaporated at 60 ° C. for a few hours until a thick paste is obtained which is placed on a flat support and which is spread by pressing with a roller. steel to make a sheet about 300 microns thick. The weight composition in solid material of this sheet is as follows: 35 - 30% of polytetrafluoroethylene
— 65 % de Mg(OH)2 - 65% Mg (OH) 2
— 5% de (MgC03)4Mg(0H)25H20 - 5% of (MgC03) 4Mg (0H) 25H20
Cette feuille est ensuite placée dans un four dont on monte la température par paliers jusqu'à 360° C, température de frittage du 40 polytétrafluoroéthylène à laquelle on maintient la feuille pendant une heure environ. Ce traitement confère à la feuille une bonne tenue mécanique. Sa résistance ohmique, mesurée dans KOH 10N à 110° C, est de 0,3 fi/cm2. This sheet is then placed in an oven, the temperature of which is raised in stages to 360 ° C., the sintering temperature of the polytetrafluoroethylene at which the sheet is kept for approximately one hour. This treatment gives the sheet good mechanical strength. Its ohmic resistance, measured in KOH 10N at 110 ° C, is 0.3 fi / cm2.
A la place de la poudre de Mg(OH)2, on utilise une poudre com-45 posée de 50% en poids de la poudre de Mg(OH)2 précédente et de 50 % de poudre de Zr(OH)4 tamisée de la même manière que la poudre de Mg(OH)2 et on prépare, comme indiqué plus haut, un diaphragme d'épaisseur 200 microns. Sa résistance ohmique, déterminée dans KOH 10N à 110° C, est voisine de 0,3 fl/cm2. 50 Le polymère utilisé dans cet exemple étant un polymère hydrophobe, on a constaté que, dans ce cas, l'utilisation de composés inorganiques à une teneur inférieure à 55 % en poids conduisait à des mouillabilités trop faibles et à des résistivités trop fortes, nettement supérieures à 0,3 fì/cm2. Instead of the powder of Mg (OH) 2, use is made of a powder composed of 50% by weight of the powder of Mg (OH) 2 above and of 50% of powder of Zr (OH) 4 sieved with the same way as the Mg (OH) 2 powder and a diaphragm with a thickness of 200 microns is prepared, as indicated above. Its ohmic resistance, determined in KOH 10N at 110 ° C, is close to 0.3 fl / cm2. The polymer used in this example being a hydrophobic polymer, it has been found that, in this case, the use of inorganic compounds at a content of less than 55% by weight leads to too low wettability and to too high resistivity, clearly greater than 0.3 fì / cm2.
55 La tenue mécanique des diaphragmes obtenus dans le présent exemple se caractérise par une résistance à la traction > 25 kg/cm2, un module d'élasticité de 200 kg/cm2 et une résistance à l'éclatement de 4 kg/cm2. 55 The mechanical strength of the diaphragms obtained in this example is characterized by a tensile strength> 25 kg / cm2, a modulus of elasticity of 200 kg / cm2 and a burst strength of 4 kg / cm2.
Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre puro rement explicatif et nullement limitatif et que toute modification utile pourra y être apportée sans sortir de son cadre. It goes without saying that the present invention has been described for purely explanatory and in no way limitative and that any useful modification may be made without departing from its scope.
3 feuilles dessins 3 sheets of drawings
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