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DE69306816T2 - MEMBRANE ELECTRODE STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL CELLS - Google Patents

MEMBRANE ELECTRODE STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL CELLS

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DE69306816T2
DE69306816T2 DE69306816T DE69306816T DE69306816T2 DE 69306816 T2 DE69306816 T2 DE 69306816T2 DE 69306816 T DE69306816 T DE 69306816T DE 69306816 T DE69306816 T DE 69306816T DE 69306816 T2 DE69306816 T2 DE 69306816T2
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DE
Germany
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retardation layer
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layer
carbon atoms
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Richard Beaver
James Mcmichael
Thomas J Pisklak
Yu Tsou
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Dow Chemical Co
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Dow Chemical Co
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Membran- Elektrodenstruktur zur Verwendung in einer Ionenaustauschmembran-Elektrolytzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung einer Intermediatschicht für die Membran-Elektrodenstruktur von Chlor-Alkali Elektrolytzellen, um die Wasserstoffmenge in Chlor zu verringern.The present invention relates to an improved membrane electrode structure for use in an ion exchange membrane electrolytic cell. In particular, the invention relates to the use of an intermediate layer for the membrane electrode structure of chlor-alkali electrolytic cells to reduce the amount of hydrogen in chlorine.

Es ist bekannt, Elektrolyse zu bewirken durch sogenannte Festpolymer-Elektrolyt (solid polymer electrolyte, SPE) Typ- Elektrolyse eines Alkalimetallchlorids, wobei eine Kationenaustauschmembran eines fluorierten Polymers mit einer Gas-Flüssigkeit permeablen katalytischen Anode auf einer Oberfläche und/oder einer Gas-Flüssigkeit permeablen katalytischen Kathode auf der anderen Oberfläche der Membran verbunden ist.It is known to effect electrolysis by so-called solid polymer electrolyte (SPE) type electrolysis of an alkali metal chloride, wherein a cation exchange membrane of a fluorinated polymer is connected to a gas-liquid permeable catalytic anode on one surface and/or a gas-liquid permeable catalytic cathode on the other surface of the membrane.

Dieses elektrolytische Verfahren aus dem bekannten Stand der Technik ist äußerst vorteilhaft als Elektrolyse bei niedriger Zellspannung&sub1; da der durch den Elektrolyten verursachte elektrolytische Widerstand und der durch Blasen von in der Elektrolyse erzeugtem Wasserstoffgas und Chlorgas verursachte elektrolytische Widerstand effektiv verringert werden kann. Dies wurde bei Elektrolyse mit Zellen anderer Konfiguration als schwierig zu erreichen erachtet.This prior art electrolytic method is extremely advantageous as electrolysis at low cell voltage because the electrolytic resistance caused by the electrolyte and the electrolytic resistance caused by bubbling of hydrogen gas and chlorine gas generated in the electrolysis can be effectively reduced. This was considered difficult to achieve in electrolysis with cells of other configurations.

Ein hoher Anteil von Wasserstoff in Chlor führt zu Problemen beim Chlor-Verflüssigungsverfahren. Zusätzliche Schritte sind erforderlich um die Bildung von gefährlichen Gasgemischen zu verhindern. Das Wasserstoff-Problem stellt einen schwerwiegenden Nachteil dar, falls kein kosteneffektives Verfahren zur Verringerung des Wasserstoffanteils gefunden werden kann.A high proportion of hydrogen in chlorine causes problems in the chlorine liquefaction process. Additional steps are required to prevent the formation of dangerous gas mixtures. The hydrogen problem represents a serious disadvantage if no cost-effective method of reducing the hydrogen content can be found.

Die Anode und/oder Kathode Elektrolysezelle aus dem Stand der Technik sind derart an die Oberfläche der Ionenaustauschmembran gebunden, daß sie darin teilweise eingebettet sind. Das Gas und die Elektrolytlösung werden leicht permeiert um von der Elektrode das durch die Elektrolyse an der mit der Membran in Kontakt stehenden Elektrodenschicht gebildete Gas zu entfernen. Dies bedeutet, daß nach ihrer Bildung sehr wenige Gasblasen an der Membran anhaften. Eine derartige poröse Elektrode besteht üblicherweise aus einer dünnen porösen Schicht, welche gebildet wird durch gleichförmiges Vermischen von Teilchen, die als eine Anode oder eine Kathode wirken, mit einem Bindemittel. Es wurde festgestellt, daß wenn eine Elektrolysezelle mit einer direkt an die Elektrode gebundenen Ionenaustauschmembran verwendet wird, die Anode in der Elektrolysezelle mit Hydroxidionen in Kontakt gebracht wird, die aus dem Kathodenraum zurückwandern, und dementsprechend ist für das Anodenmaterial sowohl eine Beständigkeit gegenüber Chlor als auch eine Beständigkeit gegenüber Alkali erforderlich bei diesem Verfahren aus dem Stand der Technik und ein teures Material muß verwendet werden. Wenn die Elektrodenschicht direkt an die Ionenaustauschmembran gebunden ist, wird durch die Elektrodenreaktion zwischen einer Elektrode und Membran ein Gas gebildet und bestimmte Deformationsphänomene der Ionenaustauschmembran verursachen eine Verschlechterung der Membraneigenschaften. In einer derartigen Elektrolysezelle sollte der Stromabnehmer für die elektrische Versorgung der Elektrodenschicht, der an die Ionenaustauschmembran gebunden ist, in engem Kontakt zu der Elektrodenschicht stehen. Wenn kein enger Kontakt erreicht wird, kann die Zellspannung erhöht werden. Die Zellstruktur, um den Stromabnehmer mit der Elektrodenschicht sicher in Kontakt zu bringen, ist daher gemäß dem Stand der Technik unvorteilhaft kompliziert.The anode and/or cathode electrolysis cells of the prior art are bonded to the surface of the ion exchange membrane in such a way that they are partially embedded therein. The gas and the electrolyte solution are easily permeated to remove from the electrode the gas formed by electrolysis on the electrode layer in contact with the membrane. This means that very few gas bubbles adhere to the membrane after they are formed. Such a porous electrode usually consists of a thin porous layer formed by uniformly mixing particles acting as an anode or a cathode with a binder. It has been found that when an electrolytic cell with an ion exchange membrane directly bonded to the electrode is used, the anode in the electrolytic cell is brought into contact with hydroxide ions migrating back from the cathode compartment, and accordingly the anode material is required to be both chlorine-resistant and alkali-resistant in this prior art process and an expensive material must be used. When the electrode layer is directly bonded to the ion exchange membrane, a gas is formed by the electrode reaction between an electrode and membrane and certain deformation phenomena of the ion exchange membrane cause deterioration of the membrane properties. In such an electrolytic cell, the current collector for the electrical supply of the electrode layer, which is bonded to the ion exchange membrane, should be in close contact with the electrode layer. If close contact is not achieved, the cell voltage can be increased. The cell structure for bringing the current collector into safe contact with the electrode layer is therefore disadvantageously complicated according to the state of the art.

Zusätzlich tritt in Chlor-Alkali Elektrolysezellen, bei denen die Kathode direkt an die Membran gebunden ist, eine Permeation von Wasserstoff durch die Membran auf, welcher in den Anolytraum eindringt und sich mit dem Chlor vermischt. Es werden dann hohe Wasserstoffanteile im Chlor festgestellt, welche Probleme beim Verflüssigungsverfahren verursachen.In addition, in chlor-alkali electrolysis cells in which the cathode is directly connected to the membrane, hydrogen permeates through the membrane, penetrates into the anolyte space and mixes with the chlorine. High hydrogen levels are then found in the chlorine, which causes problems in the liquefaction process.

Bisherige Mittel zur Verringerung des Wasserstoffanteils umfassen 1) die Verwendung einer Platinschwarz-Schicht auf der Anodenseite der Membran, 2) die Verwendung einer Schicht (z.B. Ag), die geringer elektroaktiv ist als die Elektrodenschicht selbst, zwischen der Membran und der Elektrode, 3) die Verwendung dickerer Membranen und 4) die Verwendung einer Membran mit einer niedrigeren Permeationsrate für die Permeation von Wasserstoff. Diese Verfahren haben sich als teuer und nicht effektiv herausgestellt.Previous means of reducing hydrogen content include 1) using a platinum black layer on the anode side of the membrane, 2) using a layer (e.g. Ag) that is less electroactive than the electrode layer itself between the membrane and the electrode, 3) using thicker membranes, and 4) using a membrane with a lower permeation rate for the permeation of hydrogen. These methods have proven to be expensive and ineffective.

Perfluormembranen, die als Membranen für Elektrolysereaktionen verwendet werden, haben üblicherweise relativ niedrige Wassergehalte. Verglichen mit herkömmlichen Ionenaustauschern mit gleichen Wassergehalten ist die Leitfähigkeit der Perfluormembranen ungewöhnlich hoch. Dies liegt an der in den Perfluorionenmembranen vorliegenden Phasentrennung. Die Phasentrennung verringert in hohem Maß die Verwindung (tortuosity) für Natriumionen-Diffusion. Die Wegstrecke für die Wasserstoffionen-Diffusion ist der wäßrige ionische Bereich und der amorphe Fluorkohlenstoffbereich. Daher ist die von den Wasserstoffmolekülen erfahrene Verwindung für die phasensegregierten Fluorkohlenstoff-Membranen verglichen mit herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Ionenmembranen ebenfalls niedrig.Perfluoromembranes used as membranes for electrolysis reactions usually have relatively low water contents. Compared to conventional ion exchangers with the same water contents, the conductivity of the perfluoromembranes is unusually high. This is due to the phase separation present in the perfluoroion membranes. The phase separation greatly reduces the tortuosity for sodium ion diffusion. The path for hydrogen ion diffusion is the aqueous ionic region and the amorphous fluorocarbon region. Therefore, the tortuosity experienced by the hydrogen molecules for the phase-segregated fluorocarbon membranes is also low compared to conventional hydrocarbon ion membranes.

Die Phasensegregations-Eigenschaften der Fluorkohlenstoff- Membranen stellen die hohen Migrationsraten für Natriumionen bereit; somit ist ein relativ niedriger Ionenwiderstand ebenfalls die Ursache für die hohen Wasserstoff-Diffusionsraten und den resultierenden hohen Anteil von Wasserstoff in Chlor. Darüber hinaus wird die hohe Wasserstoff-Permeationsrate durch die hohe Löslichkeit von Wasserstoff in den Fluorkohlenstoff- Membranen sogar weiter verstärkt aufgrund der hydrophoben Wechselwirkung zwischen Wasserstoffmolekülen und den Fluorkohlenstoffketten. Daher wäre eine Verringerung der Wasserstoff-Permeationsraten durch eine Erhöhung der Dicke der Membranen oder eine Modifizierung der Struktur der Membranen nicht sehr effektiv, da die Natrium-Migrationsrate verringert werden würde, wenn man versuchte die Wasserstoff-Diffusionsrate zu verringern, und der Verwindungseffekt ist aufgrund der Phasentrennung schwierig einzuführen.The phase segregation properties of the fluorocarbon membranes provide the high migration rates for sodium ions; thus, a relatively low ionic resistance is also the cause of the high hydrogen diffusion rates and the resulting high proportion of hydrogen in chlorine. In addition, the high hydrogen permeation rate is even further enhanced by the high solubility of hydrogen in the fluorocarbon membranes due to the hydrophobic interaction between hydrogen molecules and the fluorocarbon chains. Therefore, reducing the hydrogen permeation rates by increasing the thickness of the membranes or modifying the structure of the membranes would not be very effective, since the sodium migration rate would be reduced if one tried to reduce the hydrogen diffusion rate. and the twisting effect is difficult to introduce due to phase separation.

Eine Retardationsschicht ist definiert als eine Schicht zur Verlangsamung der Wasserstoffpermeation zwischen der Elektrodenschicht und der Membran. Jede Art von Schicht kann einen gewissen Effekt in bezug auf eine Verlangsamung der Wasserstoffpermeation aufweisen, solange sie 1) inaktiv hinsichtlich der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff ist und 2) geflutet ist. Die letztere Bedingung ist ebenfalls von Bedeutung für einen geringen Widerstand (d.h. niedrige Spannung und gute Leistung). Nach diesen Überlegungen würde eine Schicht aus einer Mischung von inerten Feststoffteilchen (üblicherweise anorganischen) und Bindemitteln (üblicherweise organischen) für diesen Zweck am besten dienen.A retardation layer is defined as a layer for slowing down hydrogen permeation between the electrode layer and the membrane. Any type of layer can have some effect in slowing down hydrogen permeation as long as it is 1) inactive with respect to the electrolytic production of hydrogen and 2) flooded. The latter condition is also important for low resistance (i.e. low voltage and good performance). Based on these considerations, a layer made of a mixture of inert solid particles (usually inorganic) and binders (usually organic) would serve best for this purpose.

Der Bedarf für ein Bindemittel ist offensichtlich: das Bindemittel kann (1) die Komponenten in der Sperrschicht aneinander binden und ebenfalls (2) die erforderliche Adhäsion zwischen der Retardationsschicht und der Elektrodenschicht und diejenige zwischen der Retardationsschicht und der Membran bereitstellen. Die Funktion der Feststoffteilchen ist ebenfalls zweifach: (1) Bereitstellen einer physikalischen Festigkeit für die Sperrschicht, so daß während der Herstellung eine sehr begrenzte gegenseitige Durchdringung zwischen unterschiedlichen Schichten auftritt, und (2) Bilden eines Agglomerats mit dem Bindemittel.The need for a binder is obvious: the binder can (1) bind the components in the barrier layer together and also (2) provide the required adhesion between the retardation layer and the electrode layer and between the retardation layer and the membrane. The function of the solid particles is also twofold: (1) provide physical strength to the barrier layer so that very limited interpenetration between different layers occurs during manufacture and (2) form an agglomerate with the binder.

Der Grund dafür, daß die Retardationsschicht für die Verlangsamung der Wasserstoff-Permeation besser wirkt als die Membran selbst besteht darin, daß sie (1) die Migration von Hydroxid- und Wasserstoffionen bei einer schnelleren Geschwindigkeit erlaubt, so daß eine relativ geringe Spannungseinbuße in Kauf genommen werden muß. Andererseits wird in der Membran durch die von den Sulfonat- und Carboxylatgruppen ausgeübte Coulomb-Wechselwirkung die Natriumionen-Diffusion verlangsamt. Die Situation ist sogar ungünstiger, wenn die Membran in stark ätzende Lösungen eingetaucht ist, wie im Fall der Chlor-Alkali Membran. Dies ist insbesondere schwerwiegend bei den Carboxylmembranen. Es wird angenommen, daß Ionenpaarung zwischen Natriumionen und Carboxylatgruppen und Hydroxidionen die Ursache für die sehr geringe Diffusionsrate ist, wenn unter dieser Bedingung Dehydratation der Membran auftritt. Die Löslichkeit von Wasserstoff ist in der Ätzlösung wesentlich niedriger als in der Membran, so daß die Permeationsrate (das Produkt aus Diffusionskoeffizient und Löslichkeit) von Wasserstoff um einen höheren Faktor verringert werden kann, verglichen mit der von Natrium- und Hydroxidionen. Durch Einbringen der Mischung von anorganischen Teilchen und Bindemittel und mit der erforderlichen Morphologie wird der Widerstand der Ätzlösung erhöht. Das Verhältnis von spezifischem Widerstand des mit Elektrolyten gesättigten porösen Mediums, Rp, zum Volumen- Widerstand der gleichen Elektrolytlösung, Rb, wird üblicherweise "spezifischer Formationswiderstandsfaktor" (formation resistivity factor),The reason why the retardation layer is more effective than the membrane itself in slowing down hydrogen permeation is that (1) it allows the migration of hydroxide and hydrogen ions at a faster rate, so that a relatively small voltage penalty is incurred. On the other hand, the Coulomb interaction exerted by the sulfonate and carboxylate groups in the membrane slows down sodium ion diffusion. The situation is even worse when the membrane is immersed in highly corrosive solutions, as in the case of the chlor-alkali membrane. This is particularly serious in the case of carboxyl membranes. It is It is assumed that ion pairing between sodium ions and carboxylate groups and hydroxide ions is the cause of the very low diffusion rate when dehydration of the membrane occurs under this condition. The solubility of hydrogen in the etching solution is much lower than in the membrane, so that the permeation rate (the product of diffusion coefficient and solubility) of hydrogen can be reduced by a higher factor compared to that of sodium and hydroxide ions. By introducing the mixture of inorganic particles and binder and with the required morphology, the resistance of the etching solution is increased. The ratio of the specific resistance of the porous medium saturated with electrolyte, Rp, to the volume resistance of the same electrolyte solution, Rb, is usually called "formation resistivity factor".

F = Rp/Rb = X/O genannt.F = Rp/Rb = X/O.

Diese Gleichung beschreibt die Beziehung zwischen F und der "elektrischen Verwindung", X, und O, der Porosität. X unterscheidet sich von der hydraulischen Verwindung, was die Tatsache berücksichtigt, daß die von der diffundierenden Spezies erfahrene Wegstrecke durch die Gegenwart von impermeablen Sperrmaterialien erhöht wird. Andererseits berücksichtigt X neben der hydraulischen Verwindung auch die besonderen Wirkungen aufgrund der konvergenten-divergenten Natur der Kapillaren, genannt Eingeengtheit (constrictedness).This equation describes the relationship between F and the "electrical twist", X, and O, the porosity. X is different from the hydraulic twist, which takes into account the fact that the path travelled by the diffusing species is increased by the presence of impermeable barrier materials. On the other hand, besides hydraulic twist, X also takes into account the special effects due to the convergent-divergent nature of the capillaries, called constrictedness.

Da die Leitfähigkeit proportional zur Diffusionsrate der Tonenspezies ist, steht der spezifische Formationswiderstandsfaktor durch die nachfolgende Gleichung auch in Beziehung zu der Diffusionsrate im porösen Medium, Dp, und der Diffusionsrate im Volumen des Elektrolyten, Db:Since the conductivity is proportional to the diffusion rate of the clay species, the specific formation resistivity factor is also related to the diffusion rate in the porous medium, Dp, and the diffusion rate in the bulk of the electrolyte, Db, by the following equation:

F = Rp/Rb = Db/DpF = Rp/Rb = Db/Dp

Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Membran- Elektroden Struktur zur Verwendung in elektrochemischen Zellen bereit, welche eine Retardationsschicht zwischen einer Ionanaustauschmembran und der kathode umfaßt. Die Retardationsschicht umfaßt eine Mischung von 5 bis 80 Gew.-% anorganischer Feststoffteilchen mit 95 bis 20 Gew.-% eines thermoplastischen Polymerbindemittels mit einem Schmelzpunkt von 230ºF bis 540ºF (110 bis 232ºC).The present invention provides an improved membrane electrode structure for use in electrochemical cells, which comprises a retardation layer between a ion exchange membrane and the cathode. The retardation layer comprises a mixture of 5 to 80 weight percent inorganic solid particles with 95 to 20 weight percent of a thermoplastic polymer binder having a melting point of 230°F to 540°F (110 to 232°C).

Wie vorstehend beschrieben ist es die Funktion der Retardationsschicht Porosität und Verwindung bereitzustellen, um so die Wasserstoff-Diffusion zu erschweren. Das bedeutet, daß es bevorzugt ist, wenn eine Retardationsschicht mit einer Porosität im Bereich von 5 bis 90 Prozent hergestellt wird, eine Porosität im Bereich von 20 Prozent bis 60 Prozent, bevorzugt im Bereich von 30 Prozent bis 50 Prozent zu haben. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von Verwindung/Porosität im Bereich von 2-500, bevorzugt im Bereich von 5-100 und stärker bevorzugt im Bereich von 10-50.As described above, the function of the retardation layer is to provide porosity and distortion, so as to impede hydrogen diffusion. That is, when making a retardation layer with a porosity in the range of 5 to 90 percent, it is preferable to have a porosity in the range of 20 percent to 60 percent, preferably in the range of 30 percent to 50 percent. Preferably, the ratio of distortion/porosity is in the range of 2-500, preferably in the range of 5-100, and more preferably in the range of 10-50.

Die anorganischen Feststoffteilchen umfassen ein oder mehrere der Boride, Carbide und Nitride der Metalle der Gruppen IIIB, IVA, IVB, VB und VIB des Periodensystems. Typische Beispiele geeigneter Materialien umfassen SiC, YC, VC, TiC, BC, TiB, HfB, BV&sub2;, NbB&sub2;, MOB&sub2;, W&sub2;B, VN, Si&sub3;N&sub4;, ZrO&sub2;, NbN, BN und Tib. Bevorzugt wird Siliciumcarbid verwendet.The inorganic solid particles comprise one or more of the borides, carbides and nitrides of the metals of Groups IIIB, IVA, IVB, VB and VIB of the Periodic Table. Typical examples of suitable materials include SiC, YC, VC, TiC, BC, TiB, HfB, BV2, NbB2, MOB2, W2B, VN, Si3N4, ZrO2, NbN, BN and Tib. Preferably, silicon carbide is used.

Das erfindungsgemäß verwendete Bindemittel umfaßt neue Ionenaustausch-Polymere, welche alleine verwendet werden können oder mit nicht-ionischen thermoplastischen Bindemitteln gemischt werden können. Diese Polymere sind Copolymere des nachfolgenden Monomers I mit Monomer II.The binder used in the invention comprises new ion exchange polymers which can be used alone or mixed with non-ionic thermoplastic binders. These polymers are copolymers of the following monomer I with monomer II.

Monomer I wird dargestellt durch die allgemeine Formel: CF&sub2;=CZZ' (1),Monomer I is represented by the general formula: CF₂=CZZ' (1),

worin Z und Z' unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -H, -Cl, -F oder -CF&sub3;.wherein Z and Z' are independently selected from the group consisting of -H, -Cl, -F or -CF₃.

Monomer II besteht aus einem oder mehreren Monomeren, ausgewählt aus Verbindungen, welche dargestellt werden durch die allgemeine Formel:Monomer II consists of one or more monomers, selected from compounds represented by the general formula:

Y-(CF&sub2;)a-(CFRf)b-(CFRf)c-O-[CF(CF&sub2;X)-CF&sub2;-O-]n-CF=CF&sub2; (II)Y-(CF₂)a-(CFRf)b-(CFRf)c-O-[CF(CF₂X)-CF₂-O-]n-CF=CF₂ (II)

worinwherein

Y SO&sub2;Z ist,Y is SO₂Z,

Z -I, -Br, -Cl, -F, -OR oder -NR&sub1;R&sub2; ist,Z is -I, -Br, -Cl, -F, -OR or -NR₁R₂; is,

R ein verzweigter oder linearer Alkylrest mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder ein Arylrest ist,R is a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical,

R&sub1; und R&sub2; unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -H, einem verzweigten oder linearen Alkylrest mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder einem Arylrest,R₁ and R₂ are independently selected from the group consisting of -H, a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical,

a 0-6 ist,a is 0-6,

b 0-6 ist,b is 0-6,

c 0 oder 1 ist,c is 0 or 1,

unter der Maßgabe, daß a+b+c ungleich 0 ist,provided that a+b+c is not equal to 0,

X -Cl, -Br, -F oder Gemische davon ist, wenn n> 1,X is -Cl, -Br, -F or mixtures thereof when n> 1,

n 0 bis 6 ist, undn is 0 to 6, and

Rf und Rf unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -F, -Cl, Perfluoralkylresten mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und Fluorchloralkylresten mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen.Rf and Rf are independently selected from the group consisting of -F, -Cl, perfluoroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms and fluorochloroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms.

Die ionischen Bindemittel können mit einem nicht-ionischen Bindemittel wie etwa einem fluorierten Kohlenwasserstoff wie Teflon gemischt werden.The ionic binders can be mixed with a non-ionic binder such as a fluorinated hydrocarbon like Teflon.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine der Elektroden, bevorzugt die Kathode durch eine Retardationsschicht an eine Ionenaustauschmembran gebunden, zur Verwendung in einer Elektrolysezelle, insbesondere in einer Chlor-Alkali-Zelle, um die Diffusion von Wasserstoff zu verlangsamen.According to the present invention, at least one of the electrodes, preferably the cathode, is bonded to an ion exchange membrane by a retardation layer for use in an electrolytic cell, in particular in a chlor-alkali cell, to slow down the diffusion of hydrogen.

Die Zusammensetzung für die Herstellung der Retardationsschicht liegt bevorzugt in Form einer Suspension von Agglomeraten von Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 10 µm, bevorzugt 1 bis 4 µm vor. Die Suspension kann gebildet werden mit einem organischen Lösungsmittel, welches auf einfache Weise durch Evaporation entfernt werden kann, wie etwa halogenierten Kohlenwasserstoffen, Alkanolen, Ethern und dergleichen. Bevorzugt ist Freon .The composition for producing the retardation layer is preferably in the form of a suspension of agglomerates of particles with a diameter of 0.1 to 10 µm, preferably 1 to 4 µm. The suspension can be formed with an organic solvent which can be easily removed by evaporation, such as halogenated hydrocarbons, alkanols, ethers and the like. Freon is preferred.

Die anorganischen Teilchen werden mit den Teilchen des Bindemittels vermischt, um 5 bis 80 Gew.-% der Teilchen gesamt auszumachen. Ein höherer Anteil anorganischer Teilchen führt zu einer schlechten Adhäsion der Elektrodenschicht an der Retardationsschicht. Das Gemisch der anorganischen Teilchen mit dem Bindemittel wird dann in einem organischen Lösungsmittel suspendiert und auf eine Ionenaustauschmembran aufgebracht. Die Suspension kann durch Aufsprühen, Aufstreichen, Siebdruck und dergleichen aufgebracht werden, um die anorganischen Teilchen im wesentlichen über die gesamte Retardationsschicht zu verteilen.The inorganic particles are mixed with the binder particles to make up 5 to 80% by weight of the total particles. A higher proportion of inorganic particles results in poor adhesion of the electrode layer to the retardation layer. The mixture of inorganic particles with the binder is then suspended in an organic solvent and applied to an ion exchange membrane. The suspension can be applied by spraying, brushing, screen printing and the like to distribute the inorganic particles substantially over the entire retardation layer.

Nachdem das organische Lösungsmittel abgezogen wurde, wird die Zusammensetzung bevorzugt mittels einer Walze oder Presse bei 80 bis 220ºC bei einem Druck von 0,01 bis 150 kg/cm² warmgepreßt, um die Schicht an die Membran zu binden. Danach kann unter den gleichen Bedingungen eine Elektrodenschicht auf die Sperrschicht warm aufgepreßt werden.After the organic solvent has been removed, the composition is hot-pressed, preferably by means of a roller or press at 80 to 220°C under a pressure of 0.01 to 150 kg/cm2, to bond the layer to the membrane. Thereafter, an electrode layer can be hot-pressed onto the barrier layer under the same conditions.

Die Retardationsschicht weist eine Dicke von 0,3 bis 3,0 Milliinch (0,0076 bis 0,0762 mm), bevorzugt von 0,4 bis 1,0 Milliinch (0,0102 bis 0,0254 mm) auf.The retardation layer has a thickness of 0.3 to 3.0 mils (0.0076 to 0.0762 mm), preferably 0.4 to 1.0 mils (0.0102 to 0.0254 mm).

Die Kationenaustauschmembran, auf der die poröse nicht- Elektrodenschicht gebildet wird, kann aus einem Polymer mit Kationenaustauschgruppen wie etwa Carbonsäuregruppen, Sulfonsäuregruppen, Phosphorsäuregruppen und phenolischen Hydroxygruppen hergestellt sein. Geeignete Polymere umfassen Copolymere eines Vinylmonomers wie etwa Tetrafluorethylen und Chlortrifluorethylen und eines Perfluorvinylmonomers mit einer Ionenaustauschgruppe wie etwa einer Sulfonsäuregruppe, Carbonsäuregruppe und Phosphorsäuregruppe, oder einer reaktiven Gruppe, die in die Ionenaustauschgruppe überführt werden kann. Es ist ebenfalls möglich eine Membran aus einem Polymer von Trifluorethylen, worin Ionenaustauschgruppen wie etwa Sulfonsäuregruppen eingeführt wurden, oder ein Polymer von Styrol-Divinylbenzol, worin Sulfonsäuregruppen eingeführt wurden, zu verwenden.The cation exchange membrane on which the porous non-electrode layer is formed may be made of a polymer having cation exchange groups such as carboxylic acid groups, sulfonic acid groups, phosphoric acid groups and phenolic hydroxy groups. Suitable polymers include copolymers of a vinyl monomer such as tetrafluoroethylene and chlorotrifluoroethylene and a perfluorovinyl monomer having an ion exchange group such as a sulfonic acid group, carboxylic acid group and phosphoric acid group, or a reactive group that can be converted into the ion exchange group. It is also possible to use a membrane made of a polymer of trifluoroethylene in which ion exchange groups such as sulfonic acid groups have been introduced or a polymer of styrene-divinylbenzene in which sulfonic acid groups have been introduced.

Die Kationenaustauschmembran ist bevorzugt aus einem Polymer mit den folgenden Einheiten hergestellt. MolprozentThe cation exchange membrane is preferably made of a polymer having the following units. Mole percent

worin X ein Fluor-, Chlor- oder Wasserstoffatom oder -CF&sub3; darstellt, X' X oder CF&sub3;(CH&sub2;)m darstellt, m eine ganze Zahl von 1 bis 5 darstellt.wherein X represents a fluorine, chlorine or hydrogen atom or -CF₃, X' represents X or CF₃(CH₂)m, m represents an integer from 1 to 5.

Die typischen Beispiele von Y weisen die Strukturen auf, welche A an Fluorkohlenstoffgruppen binden, wie etwa The typical examples of Y have the structures that bind A to fluorocarbon groups, such as

x, y bzw. z stellen eine ganze Zahl von 1 bis 10 dar, Z und Rf stellen -F oder eine C&sub1;-C&sub1;&sub0; Perfluoralkylgruppe dar und A stellt -COOM oder SO&sub3;M dar oder eine funktionelle Gruppe wie etwa -CN, -COF, -COOR&sub1;, -SO&sub2;F und -CONR&sub2;R&sub3; oder -SO&sub2;NR&sub2;R&sub3;, welche mittels Hydrolyse oder Neutralisierung in -COOM oder SO&sub3;M überführbar ist, und M stellt Wasserstoff oder ein Alkalimetallatom dar und R&sub1; stellt eine C&sub1;-C&sub1;&sub0; Alkylgruppe dar.x, y and z represent an integer of 1 to 10, respectively, Z and Rf represent -F or a C₁-C₁₀ perfluoroalkyl group, and A represents -COOM or SO₃M or a functional group such as -CN, -COF, -COOR₁, -SO₂F and -CONR₂R₃ or -SO₂NR₂R₃, which is convertible into -COOM or SO₃M by hydrolysis or neutralization, and M represents hydrogen or an alkali metal atom, and R₁ represents a C₁-C₁₀ alkyl group.

Es ist bevorzugt eine Kationenaustauschmembran mit einem Gehalt an Ionenaustauschgruppen von 0,5 bis 4,0 Milliäquivalent/Gramm trockenes Polymer, insbesondere von 0,8 bis 2,0 Milliäquivalent/Gramm trockenes Polymer, welche aus dem Copolymer hergestellt ist, zu verwenden.A cation exchange membrane with an ion exchange group content of 0.5 to 4.0 milliequivalents/gram is preferred dry polymer, particularly from 0.8 to 2.0 milliequivalents/gram of dry polymer made from the copolymer.

In der Kationenaustauschmembran aus einem Copolymer mit den Einheiten (M) und (N) liegt der Anteil von Einheiten (N) bevorzugt im Bereich von 1 bis 40 Molprozent, bevorzugt 3 bis 25 Molprozent.In the cation exchange membrane made of a copolymer having the units (M) and (N), the proportion of units (N) is preferably in the range of 1 to 40 mol percent, preferably 3 to 25 mol percent.

Die in dieser Erfindung verwendete Kationenaustauschmembran ist nicht auf eine beschränkt, welche aus nur einer Art des Polymers hergestellt ist. Es ist möglich, eine aus zwei Arten der Polymere hergestellte laminierte Membran zu verwenden mit einer niedrigeren Ionenaustauschkapazität in der Kathodenseite, z.B. mit schwach sauren Ionenaustauschgruppen wie etwa Carbonsäuregruppen in der Kathodenseite, und stark sauren Ionenaustauschgruppen wie etwa Sulfonsäuregruppen in der Anodenseite.The cation exchange membrane used in this invention is not limited to one made of only one kind of the polymer. It is possible to use a laminated membrane made of two kinds of the polymers having a lower ion exchange capacity in the cathode side, for example, having weakly acidic ion exchange groups such as carboxylic acid groups in the cathode side and strongly acidic ion exchange groups such as sulfonic acid groups in the anode side.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Kationenaustauschmembran kann hergestellt werden durch Vermischen eines Polyolefins wie etwa Polyethylen, Polypropylen, bevorzugt eines fluorierten Polymers wie etwa Polytetrafluorethylen und eines Copolymers von Ethylen und Tetrafluorethylen.The cation exchange membrane used in the present invention can be prepared by blending a polyolefin such as polyethylene, polypropylene, preferably a fluorinated polymer such as polytetrafluoroethylene and a copolymer of ethylene and tetrafluoroethylene.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Elektrode hat eine niedrigere Überspannung als die des Materials der porösen nicht-Elektrodenschicht, welche an die Ionenaustauschmembran gebunden ist. Somit weist die Anode eine niedrigere Chlor- Überspannung auf als die der porösen Schicht auf der Anodenseite und die Kathode weist eine geringere Wasserstoff- Überspannung auf als die der Sperrschicht an der Kathodenseite für den Fall der Elektrolyse von Alkalimetalichlond. Das Material der verwendeten Elektrode hängt vom Material der an die Membran gebundenen Retardationsschicht ab.The electrode used in the present invention has a lower overvoltage than that of the material of the porous non-electrode layer bonded to the ion exchange membrane. Thus, the anode has a lower chlorine overvoltage than that of the porous layer on the anode side and the cathode has a lower hydrogen overvoltage than that of the barrier layer on the cathode side in the case of electrolysis of alkali metal chloride. The material of the electrode used depends on the material of the retardation layer bonded to the membrane.

Die Anode ist üblicherweise aus einem Platingruppenmetall oder einer Platingruppenlegierung, einem leitfähigen Platingruppenmetalloxid oder einem leitfähigen reduziertem Oxid davon hergestellt.The anode is usually made of a platinum group metal or a platinum group alloy, a conductive Platinum group metal oxide or a conductive reduced oxide thereof.

Die Kathode ist üblicherweise ein Platingruppenmetall oder eine Platingruppenlegierung, ein leitfähiges Platingruppenmetalloxid oder ein Eisengruppenmetall oder eine Eisengruppenlegierung oder Silber.The cathode is typically a platinum group metal or alloy, a conductive platinum group metal oxide, or an iron group metal or alloy, or silver.

Die Platingruppenmetalle sind Pt, Rh, Ru, Pd, Ir. Die Kathode besteht aus Eisen, Kobalt, Nickel, Raney-Nickel, stabilisiertem Raney-Nickel, rostfreiem Stahl, durch Ätzen mit einer Base behandeltem rostfreien Stahl.The platinum group metals are Pt, Rh, Ru, Pd, Ir. The cathode consists of iron, cobalt, nickel, Raney nickel, stabilized Raney nickel, stainless steel, stainless steel treated by etching with a base.

Die bevorzugten Kathodenmaterialien zur Verwendung mit der Retardationsschicht der vorliegenden Erfindung sind Ag und RuO&sub2;.The preferred cathode materials for use with the retardation layer of the present invention are Ag and RuO2.

Die die Bindemittel der vorliegenden Erfindung umfassenden Polymere weisen vorzugsweise auch ein Äquivalentgewicht innerhalb eines bestimmten gewünschten Bereichs auf, nämlich von 550 bis 1200. Es ist möglich die Herstellungsschritte für das Polymer dahingehend anzupassen um ein Polymer mit einem Äquivalentgewicht innerhalb des gewünschten Bereichs herzustellen. Das Äquivalentgewicht ist eine Funktion der relativen Konzentration der Reaktanten in der Polymerisationsreaktion.The polymers comprising the binders of the present invention also preferably have an equivalent weight within a certain desired range, namely from 550 to 1200. It is possible to adjust the polymer preparation steps to produce a polymer having an equivalent weight within the desired range. The equivalent weight is a function of the relative concentration of the reactants in the polymerization reaction.

Die die Bindemittel der vorliegenden Erfindung umfassenden Polymere weisen vorzugsweise eine Schmelzviskosität innerhalb eines bestimmten gewünschten Bereichs auf. Es ist möglich die Herstellungsschritte für das Polymer dahingehend anzupassen um ein Polymer mit einer Schmelzviskosität innerhalb des gewünschten Bereichs herzustellen. Die Schmelzviskosität basiert auf der Konzentration des Initiators und der Reaktionstemperatur.The polymers comprising the binders of the present invention preferably have a melt viscosity within a certain desired range. It is possible to adjust the polymer preparation steps to produce a polymer having a melt viscosity within the desired range. The melt viscosity is based on the concentration of the initiator and the reaction temperature.

Das durch eines der vorstehend genannten Verfahren erhaltene Polymer wird danach in einer geeigneten basischen Lösung hydrolysiert um die nicht-ionische thermoplastische Form des Polymers in die funktionelle ionische Form, welche Ionentransport-Eigenschaften aufweist, zu überführen. Der Hydrolyseschritt ist in dem Verfahren von besonderer Bedeutung, da während des Hydrolyseschritts der nicht-funktionelle Polymerfilm erwärmt und wie nachstehend gezeigt umgesetzt wird, wobei während dieses Verfahrens das Polymer in einer kontrollierten Weise erweicht und mit Dampf gequollen wird. Eine unvollständige Hydrolyse führt zu kovalent gebundenen funktionellen Gruppen, deren Mangel an beweglichen Ionen zu isolierenden Bereichen innerhalb des Bindemittels führt. Die Dichte der Hydrolyselösung beträgt bevorzugt bei Raumtemperatur zwischen 1,26 und 1,28 Gramm pro ml. Das Hydrolyseverfahren benötigt 2 Mol NaOH für jedes Mol der funktionellen Gruppe im Polymer, wie in der nachfolgenden Gleichung gezeigt:The polymer obtained by one of the above-mentioned processes is then hydrolyzed in a suitable basic solution to convert the non-ionic thermoplastic form of the polymer into the functional ionic form which The hydrolysis step is of particular importance in the process because during the hydrolysis step the non-functional polymer film is heated and reacted as shown below, during which process the polymer is softened and swollen with steam in a controlled manner. Incomplete hydrolysis results in covalently bonded functional groups whose lack of mobile ions results in isolating regions within the binder. The density of the hydrolysis solution is preferably between 1.26 and 1.28 grams per ml at room temperature. The hydrolysis process requires 2 moles of NaOH for each mole of functional group in the polymer as shown in the equation below:

-CF&sub2;SO&sub2;Z + 2NaOH T -CF&sub2;SO&sub3;Na + NaZ + H&sub2;O-CF₂SO₂Z + 2NaOH → -CF₂SO₃Na + NaZ + H₂O

wobei Z -I, -Br, -Cl, -F, -OR oder -NR&sub1;R&sub2; ist,where Z is -I, -Br, -Cl, -F, -OR or -NR₁R₂,

R ein verzweigter oder linearer Alkylrest mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder ein Arylrest ist,R is a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical,

R1 und R2 unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -H, einem verzweigten oder linearen Alkylrest mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder einem Arylrest, bevorzugt Phenyl oder Niederalkyl-substituiertem Phenyl.R1 and R2 are independently selected from the group consisting of -H, a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical, preferably phenyl or lower alkyl-substituted phenyl.

Zur Hydrolyse werden die Copolymere bei Raumtemperatur mit inerten Siebmaterialien, welche die Copolymere in der Flüssigkeit halten in das Hydrolysebad eingebracht, wobei sichergestellt wird, daß keine Blasen an den Filmen eingeschlossen wurden. Das Bad wird danach auf 60ºC bis 90ºC erwärmt und mindestens vier Stunden bei dieser Temperatur gehalten um vollständige Hydrolyse und Expansion auf den richtigen Wert zu gewährleisten.For hydrolysis, the copolymers are placed in the hydrolysis bath at room temperature with inert sieve materials that keep the copolymers in the liquid, ensuring that no bubbles are trapped on the films. The bath is then heated to 60ºC to 90ºC and kept at this temperature for at least four hours to ensure complete hydrolysis and expansion to the correct value.

Nach dem Hydrolyseschritt unter Erwärmung wird das Bad auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und die Polymere werden danach aus dem Bad entfernt und mit entionisiertem Wasser hoher Reinheit gespült, danach in ein Bad von entionisiertem Wasser eingebracht um restliche ionische Substanzen auszuwaschen.After the hydrolysis step under heating, the bath is allowed to cool to room temperature and the polymers are then removed from the bath and rinsed with high purity deionized water, then placed in a bath of deionized water to wash out residual ionic substances.

Bei der Bildung der Retardationsschicht kann ein Porenbildner verwendet werden, welcher nach Herstellung ausgelaugt werden kann. Es ist vorteilhaft, daß die von dem Porenbildner erzeugten Poren miteinander in Verbindung stehen und aus der Membran-Elektroden-Grenzschicht in die Elektroden-Katholyt- Grenzschicht reichen.When forming the retardation layer, a pore former can be used, which can be leached out after production. It is advantageous that the pores created by the pore former are connected to one another and extend from the membrane-electrode interface into the electrode-catholyte interface.

Die vorliegende Erfindung wird durch bestimmte Beispiele und Bezugnahmen weiter veranschaulicht, welche lediglich für Veranschaulichungszwecke angegeben werden und nicht dazu vorgesehen sind die vorliegende Erfindung zu beschränken.The present invention is further illustrated by certain examples and references which are given for illustrative purposes only and are not intended to limit the present invention.

Beispiel 1example 1 Herstellung von BindemittelProduction of binders

Dieses Beispiel zeigt die Herstellung eines Sulfonfluorpolymers mit einem Äquivalentgewicht von 794 und einer Schmelzviskosität bei geringer Scherung von 50.000 Poise (dyne sec-cm-2) bei 250ºC und 4,25 sec-1 und einer 100ºC Wasserabsorption von 50 Prozent.This example demonstrates the preparation of a sulfone fluoropolymer with an equivalent weight of 794 and a low shear melt viscosity of 50,000 poise (dyne sec-cm-2) at 250ºC and 4.25 sec-1 and a 100ºC water absorption of 50 percent.

In einen mit Glas ausgekleideter 132 l Reaktor, der mit einem Ankerrührer, einer H-Baffle, einer Platinwiderstand- Temperaturvorrichtung und einem Mantel zur Temperatursteuerung ausgestattet war, wurden 527 Gramm Ammoniumperfluoroktanoat, 398,4 Gramm Na&sub2;HPO&sub4; 7H&sub2;O, 328,8 Gramm NaH&sub2;PO&sub4;.H&sub2;O und 210,8 Gramm (NH&sub4;)&sub2;S&sub2;O&sub8; eingebracht. Der Reaktor wurde danach wie durch elektronisches Auslesen des Drucks bestimmt, auf 0,0 Atmosphären evakuiert, und danach wurde ein Inertgas (Stickstoff) zugegeben um den Reaktor unter einen Druck von 448 kPa zu setzen. Dies wurde vier Mal durchgeführt, danach wurde der Reaktor erneut evakuiert. 99 Liter deionisiertes Wasser, dem Sauerstoff entzogen worden war, wurden zugegeben, der Rührer wurde in Gang gesetzt und dem Mantel wurde Wärme zugeführt. Der Rührer wurde auf 250 Umdrehungen pro Minute (UpM) eingestellt und danach wurden 15 ml eines Terminationsmittels wie Isopropylalkohol, gefolgt von 16,65 kg 2-Fluorsulfonylperfluorethylvinylether zugegeben. Sobald die Temperatur 50ºC erreicht hatte wurde dem Reaktor Tetrafluorethylen (TFE) Gas in einer Rate von 0,5 bis 0,567 kg pro Minute zugeführt, bis über einen Zeitraum von 17 Minuten ein Druck von 1060 KPa erreicht wurde. Die Zugabe wurde fortgesetzt, bis eine Gesamtmenge von 18,18 kg TFE dem Reaktor zugeführt worden war. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Zugabe gestoppt und danach wurde Stickstoff durch den Gasraum des Systems geblasen und in den Reaktormantel wurde Wasser mit Raumtemperatur eingeleitet. Die Materialien reagieren miteinander, wobei ein Latex gebildet wird. Der Latex wurde für Abtrennung und Abstrippen von restlichem Monomer in ein größeres Gefäß überführt. Nachdem der Inhalt absetzen gelassen worden war, wurde ein Bodenablaßventil geöffnet um zu gestatten, Monomer in separater Phase ablaufen kann. Danach wurde das Gefäß erwärmt und ein Vakuum wurde angelegt um alle weiteren Monomer-Komponenten zu entfernen. Danach zirkuliert ein Salzlösungs-System Salzlösung mit 20ºC durch Kühlschlangen im Gefäß um den Latex auszufrieren, wodurch eine Koagulation in große Polymer-Agglomerate verursacht wird. Nach Beendigung des Ausfrierens wurde der Latex unter leichter Erwärmung (Wasser bei Raumtemperatur) auftauen gelassen und der Latex wurde in eine Zentrifuge überführt, worin er filtriert und mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen wurde. Der Latexpolymer-Kuchen wurde danach über Nacht in einem Rotationskegeltrockner unter Vakuum (969 Pa) bei 110ºC getrocknet. Der Wassergehalt des Polymers wurde mittels Karl Fischer Reagenz getestet und zu 140 ppm bestimmt. Das isolierte Polymer wurde gewogen und das Gewicht wurde zu 23,18 kg ermittelt. Das Äquivalentgewicht des vorstehenden Polymers wurde zu 794 bestimmt.To a 132 L glass-lined reactor equipped with an anchor stirrer, H-baffle, platinum resistance temperature device, and a jacket for temperature control were charged 527 grams of ammonium perfluorooctanoate, 398.4 grams of Na2HPO4.7H2O, 328.8 grams of NaH2PO4.H2O, and 210.8 grams of (NH4)2S2O8. The reactor was then evacuated to 0.0 atmospheres as determined by electronic pressure reading, and then an inert gas (nitrogen) was added to pressurize the reactor to 448 kPa. This was done four times, after which the reactor was evacuated again. 99 liters of de-oxygenated deionized water were added, the stirrer was started and heat was applied to the jacket. The stirrer was set at 250 revolutions per minute (rpm) and then 15 ml of a terminating agent such as isopropyl alcohol was added followed by 16.65 kg of 2-fluorosulfonyl perfluoroethyl vinyl ether. Once the temperature reached 50ºC, the reactor was Tetrafluoroethylene (TFE) gas was fed at a rate of 0.5 to 0.567 kg per minute until a pressure of 1060 KPa was achieved over a period of 17 minutes. The addition was continued until a total of 18.18 kg of TFE had been fed to the reactor. At this time, the addition was stopped and then nitrogen was bubbled through the headspace of the system and room temperature water was introduced into the reactor jacket. The materials react with each other to form a latex. The latex was transferred to a larger vessel for separation and stripping of residual monomer. After the contents were allowed to settle, a bottom drain valve was opened to allow monomer to drain in a separate phase. The vessel was then heated and a vacuum was applied to remove any additional monomer components. A brine system then circulates brine at 20ºC through cooling coils in the vessel to freeze the latex, causing coagulation into large polymer agglomerates. After freezing was complete, the latex was allowed to thaw with gentle heating (room temperature water) and the latex was transferred to a centrifuge where it was filtered and washed several times with deionized water. The latex polymer cake was then dried overnight in a rotary cone dryer under vacuum (969 Pa) at 110ºC. The water content of the polymer was tested using Karl Fischer reagent and found to be 140 ppm. The isolated polymer was weighed and the weight was found to be 23.18 kg. The equivalent weight of the above polymer was found to be 794.

Das Bindemittel kann entweder in thermoplastischer Form oder in ionischer Form hergestellt werden. Für dessen Herstellung in thermoplastischer Form wurde das getrocknete Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert und zu einer feinen Dispersion zerrieben.The binder can be produced either in thermoplastic form or in ionic form. To produce it in thermoplastic form, the dried polymer was dispersed in a suitable solvent and ground into a fine dispersion.

Für dessen Herstellung in ionischer Form wurde das Polymer danach in einer annähernd 25 Gew.-%igen NaOH Lösung hydrolysiert. Die Dichte der Hydrolyselösung betrug bei Raumtemperatur zwischen 1,26 und 1,28 Gramm pro ml. Das Hydrolyseverfahren benötigte 2 Mol NaOH für jedes Mol der funktionellen Gruppe im Polymer, wie in der nachfolgenden Gleichung gezeigt:To prepare the polymer in ionic form, the polymer was then hydrolyzed in an approximately 25 wt.% NaOH solution. The density of the hydrolysis solution was between 1.26 and 1.28 grams per ml at room temperature. The hydrolysis process required 2 moles of NaOH for each mole of functional group in the polymer, as shown in the following equation:

-CF&sub2;SO&sub2;F + 2NaOH T -CF&sub2;SO&sub3;Na + NaF + H&sub2;O-CF₂SO₂F + 2NaOH → -CF₂SO₃Na + NaF + H₂O

Die Polymere wurden bei Raumtemperatur mit inerten Siebmaterialien, welche die Polymere in der Flüssigkeit hielten, in das Hydrolysebad eingebracht, wobei sichergestellt wurde, daß keine eingeschlossenen Blasen vorhanden waren. Das Bad wurde danach auf 60ºC bis 90ºC erwärmt und dann mindestens vier Stunden bei dieser Temperatur gehalten um vollständige Hydrolyse und Expansion auf den richtigen Wert zu gewährleisten.The polymers were placed in the hydrolysis bath at room temperature with inert sieving materials that kept the polymers in the liquid, ensuring that no trapped bubbles were present. The bath was then heated to 60ºC to 90ºC and then held at this temperature for at least four hours to ensure complete hydrolysis and expansion to the correct value.

Nach dem Hydrolyseschritt unter Erwärmung wurde das Bad auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und die Polymere wurden danach aus dem Bad entfernt und mit entionisiertem Wasser hoher Reinheit gespült, danach in ein Bad von entionisiertem Wasser eingebracht um restliche ionische Substanzen auszuwaschen.After the heating hydrolysis step, the bath was allowed to cool to room temperature and the polymers were then removed from the bath and rinsed with high purity deionized water, then placed in a bath of deionized water to wash out residual ionic substances.

Beispiel 2Example 2

Eine Suspension von SiC Teilchen und dem Copolymer von Beispiel 1 wurde in Freon in einem Verhältnis von 70:30 gebildet. Die entstandene Schicht hatte ein Verhältnis von Verwindung/Porosität im Bereich von 5-50. Die Zusammensetzung wurde auf eine Hochleistungs-Sulfon-Carboxyl-Zweischicht Ionenaustauschmembran von Dow aufgesprüht. Nach Abziehen des Lösungsmittels wurde die Zusammensetzung bei 475ºF (246ºC) und (0,5-100 psi) 3,5-700 kPa warmgepreßt, wobei eine Schicht mit einer Dicke von 0,4 Milliinch (0,0102 mm) gebildet wurde. Danach wurde eine Elektrodenschicht aus Ag/RuO&sub2;/Bindemittel (76 Prozent:10 Prozent:8 Prozent) mit einer Dicke von 1 Milliinch (0,0254 mm) auf die Sperrschicht aufgesprüht Die gesamte Einheit wurde danach bei 400ºF (204ºC) erwärmt und bei (0,5-100 psi) 3,5-700 kPa aufeinander gepreßt.A suspension of SiC particles and the copolymer of Example 1 was formed in Freon in a ratio of 70:30. The resulting layer had a twist/porosity ratio in the range of 5-50. The composition was sprayed onto a Dow high performance sulfone-carboxyl bilayer ion exchange membrane. After stripping off the solvent, the composition was hot pressed at 475ºF (246ºC) and (0.5-100 psi) 3.5-700 kPa to form a layer 0.4 mil (0.0102 mm) thick. A 1 mil (0.0254 mm) thick electrode layer of Ag/RuO2/binder (76 percent:10 percent:8 percent) was then sprayed onto the barrier layer. The entire assembly was then heated to 400ºF (204ºC) and pressed together at (0.5-100 psi) 3.5-700 kPa.

Die Elektrode/Retardationsschicht/Membran wurde danach behandelt um die endgültige Form für die Elektrolyse zu erhalten. Dies könnte eine Elektrolyse in einer geeigneten Lösung umfassen, um die Membran und/oder das Bindemittel zu hydrolysieren, wenn einer davon in der thermoplastischen Form vorliegt.The electrode/retardation layer/membrane was then treated to obtain the final shape for electrolysis. This could involve electrolysis in a suitable solution to hydrolyze the membrane and/or the binder if either is in the thermoplastic form.

Die entstehende Struktur kann als Membran für eine Chlor- Alkali-Elektrolysezelle verwendet werden.The resulting structure can be used as a membrane for a chlor-alkali electrolysis cell.

Claims (7)

1. Membran-Elektroden Struktur zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, welche eine Ionenaustauschmembran mit einer Kathodenschicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran-Elektroden Struktur auch eine Retardationsschicht zwischen der Membran und der Kathodenschicht aufweist, die Retardationsschicht eine Mischung von 5 bis 80 Gew.-% anorganischer Feststoffteilchen mit 20 bis 95 Gew.-% eines thermoplastischen ionenleitfähigen Polymerbindemittels mit einem Schmelzpunkt von 230ºF bis 540ºF (110 bis 232ºC) ist, wobei die anorganischen Feststoffteilchen mindestens eines der Boride, Carbide und Nitride von Metallen der Gruppen IIIB, IVA, IVB, VB und VIB des Periodensystems enthalten, wobei das Bindemittel besteht aus einem Copolymer eines Monomers der allgemeinen Formel:1. A membrane electrode structure for use in an electrochemical cell having an ion exchange membrane with a cathode layer, characterized in that the membrane electrode structure also has a retardation layer between the membrane and the cathode layer, the retardation layer being a mixture of 5 to 80 weight percent inorganic solid particles with 20 to 95 weight percent of a thermoplastic ion-conductive polymer binder having a melting point of 230°F to 540°F (110 to 232°C), the inorganic solid particles containing at least one of the borides, carbides and nitrides of metals of Groups IIIB, IVA, IVB, VB and VIB of the Periodic Table, the binder consisting of a copolymer of a monomer of the general formula: CF&sub2;=CZZ' (1),CF₂=CZZ' (1), worin Z und Z' unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -H, -Cl, -F oder -CF&sub3;,wherein Z and Z' are independently selected from the group consisting of -H, -Cl, -F or -CF₃, und mindestens einem Monomer ausgewählt aus Verbindungen, dargestellt durch die allgemeine Formel:and at least one monomer selected from compounds represented by the general formula: Y-(CF&sub2;)a-(CFRf)b-(CFRf)c-O-[CF(CF&sub2;X)-CF&sub2;-O-]n-CF=CF&sub2; (II)Y-(CF₂)a-(CFRf)b-(CFRf)c-O-[CF(CF₂X)-CF₂-O-]n-CF=CF₂ (II) worinwherein Y SO&sub2;Z ist,Y is SO₂Z, Z -I, -Br, -Cl, -F, -OR oder -NR&sub1;R&sub2; ist,Z is -I, -Br, -Cl, -F, -OR or -NR₁R₂; is, worin R ein verzweigter oder linearer Alkylrest mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder ein Arylrest ist,wherein R is a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical, R&sub1; und R&sub2; unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -H, einem verzweigten oder linearen Alkylrest mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder einem Arylrest,R₁ and R₂ are independently selected from the group consisting of -H, a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical, worinwherein a 0-6 ist,a is 0-6, b 0-7 ist,b is 0-7, c 0 oder 1 ist,c is 0 or 1, unter der Maßgabe, daß a+b+c ungleich 0 ist,provided that a+b+c is not equal to 0, X -Cl, -Br, -F oder Gemische davon ist, wenn n> 1,X is -Cl, -Br, -F or mixtures thereof when n> 1, n 0 bis 6 ist, undn is 0 to 6, and Rf und Rf unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -F, -Cl, Perfluoralkylresten mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und Fluorchloralkylresten mit von 1 bis 10 Kohlenstoffatomen.Rf and Rf are independently selected from the group consisting of -F, -Cl, perfluoroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms and fluorochloroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms. 2. Struktur nach Anspruch 1, worin die Retardationsschicht eine Dicke von 0,3 bis 3 Milliinch (0,0076 bis 0,0762 mm) aufweist.2. The structure of claim 1, wherein the retardation layer has a thickness of 0.3 to 3 mils (0.0076 to 0.0762 mm). 3. Struktur nach Anspruch 1, worin die Retardationsschicht eine Porosität von 5 Prozent bis 90 Prozent und ein Verhältnis von Verwindung/Porosität im Bereich von 2-500 aufweist.3. The structure of claim 1, wherein the retardation layer has a porosity of 5 percent to 90 percent and a twist/porosity ratio in the range of 2-500. 4. Struktur nach Anspruch 1, worin die anorganischen Teilchen Siliziumcarbid sind.4. The structure of claim 1, wherein the inorganic particles are silicon carbide. 5. Struktur nach Anspruch 1, worin das Bindemittel nichtionisches thermoplastisches Polymermaterial enthält.5. The structure of claim 1, wherein the binder contains nonionic thermoplastic polymer material. 6. Struktur nach Anspruch 1, worin die Kathode ein Platingruppenmetalloxid und Silber umfaßt.6. The structure of claim 1, wherein the cathode comprises a platinum group metal oxide and silver. 7. Elektrochemische Zelle mit einer Elektroden-Membran Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran- Elektroden Struktur die Struktur von Anspruch 1 umfaßt.7. An electrochemical cell having an electrode-membrane structure, characterized in that the membrane-electrode structure comprises the structure of claim 1.
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