JP3995261B2 - 触媒的に活性な粒子を膜上に圧印する方法 - Google Patents

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技術分野
本発明は、複数の電導性の触媒的に活性な粒子がイオン交換膜の片面又は両面に存在するイオン交換膜からなる膜及びイオン交換膜の製造法に関する。電導性の触媒的に活性な粒子は、該膜及び電極の構造体を電気化学的槽に使用したとき、粒状の電極として役立つ。また該膜及び電極の構造体は燃料電池及びバッテリーに特に有用である。
いわゆる「ＭアンドＥセル（Ｍ＆Ｅ ｃｅｌｌｓ）」は膜及び電極の構造体を用いる電気化学的槽である。そのような槽は、電気化学的生成物を製造するための電解槽として運転でき、或いは電気エネルギーを生成する燃料電池又はバッテリー、気体発生の装置及び方法、化学合成装置、化学処理及び加工の装置並びに方法、気体の線量計及び検知計などとして使用できる。電解槽は、例えばアルカリ金属ハライド例えば塩化ナトリウムの電気分解に又は水の電気分解に使用できる。ＭアンドＥセルは技術的に十分公知である。
気液透過性の多孔性電極の、イオン交換膜との接触は、ＭアンドＥセルの効率に対して重要である。電極の表面が不均一であり或いは電極とイオン交換膜の接触が不満足の場合、電極の一部は容易に剥がれて、槽の電気化学的性質に悪影響する。かくしてＭアンドＥ構造体の利点は低下し又は失われる。
膜及び電極の構造体は現在いくつかの技術で製造されている。米国特許第３２９７４８４号は、電極に対する例示の触媒材料、膜に対するイオン交換樹脂、及び電極の構造体と電流捕集端子を例示する。触媒的に活性な電極は、典型的には通常ポリテトラフルオロエチレン樹脂のような結合剤と混合した微粉砕金属粉末から製造される。この電極は固体重合体マトリックス、シート又は膜の片面又は両面に結合された樹脂及び金属の混合物から作られる。
米国特許第３２９７４８４号においては、樹脂及び触媒的に活性な粒子の混合物を材料の乳化液からフィルムを形成させることによって電極の構造体へ成形し、或いは他に樹脂結合剤及び触媒的に活性な粒子を乾式混合し、形取りし又は切断して電極として使用できるシートに成形、プレス及び焼結する。樹脂及び触媒的に活性な粒子の混合物は、シート又は繊維布へカレンダー処理、プレス、キャスト又はさもなければ成形することができ、或いは混合物を含浸しても、それで表面被覆してもよい。米国特許第３２９７４８４号では、記述する電極を燃料電池に使用する。米国特許第４０３９４０９号の場合には、触媒及び結合剤の混合物から作られた結合電極の構造体を気体発生装置及び工程において電極として使用する。
米国特許第３１３４６９７号は、触媒的に活性な電極をイオン交換膜の表面に導入する多くの方法を記述する。ある具体例において、触媒的に活性な粒子から作られた電極材料は、イオン交換膜の表面に広げることができ、或いはプレス板上において電極材料をイオン交換膜の表面にプレスしてもよい。ついでイオン交換膜及び電極又は電極材料の合体物を、プレス板間に置き、樹脂が部分的にしか重合してないならば重合を完結させ又は樹脂が熱可塑性結合剤を含むならば流動させるために、好ましくは樹脂を膜にする或いは電極材料と混合するのに十分な昇温下に十分な圧力に供する。
結合剤、例えばポリテトラフルオロエチレン及びポリヘキシルフルオロエチレンを含むフルオロカーボン重合体を電極インキに添加することは公知である。粘度調節剤例えば可溶性の粘性物質を電極インキに添加することも公知である。
ある具体例において、電極インキは、
ａ、（担持又は未担持の）触媒的に活性な粒子、好ましくは５〜４０重量％、
ｂ、好ましくは加工温度において非固体である懸濁液媒体、
ｃ、結合剤、例えば好ましくはフルオロカーボン溶媒溶液中の、好ましくはナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ^R）パー弗素化スルホニルフルオリド重合体（Ｅ．Ｉ．デユポン社（ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）製）のようなパー弗素化スルホニルフルオリド重合体、好ましくは０〜２５重量％、或いは好ましくはイソプロピルアルコール及び水の溶液中の、好ましくはナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ^R）パー弗素化スルホン酸（Ｅ．Ｉ．デユポン社製）のようなパー弗素化スルホン酸、好ましくは０〜２５重量％、
を含んでなる。
膜及び電極の構造体の構築法は、１９８７年５月の１７１回電気化学協会年会、第２回「エネルギーの変換及び貯蔵のための電極材料とプロセス」シンポジウムにおけるＥ．Ａ．チチアネリ（Ｔｉｃｉａｎｅｌｌｉ），Ｃ．デロウイン（Ｄｅｒｏｕｉｎ），Ａ．レドンド（Ｒｅｄｏｎｄｏ）及びＳ．スリニバサン（Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ）の「プロトン交換膜燃料電池の技術進歩」にも記述されている。この方法では、２０％白金担持触媒の綿状沈殿物及びテフロン（ＴＥＦＬＯＮ^R、Ｅ．Ｉ．デユポン社製）の分散液を準備する。この綿状混合物を紙の上にキャストし、ついでカーボン紙基材にプレスする。ついで電極を昇温、約１８５℃で３０分間焼結することができる。次に電極にクロロ白金酸を刷毛塗りし、水素化硼素ナトリウムの水性混合物で還元する。この電極を洗浄し、電極表面にナフィオン（Ｅ．Ｉ．デユポン社製）溶液を刷毛塗りする。
白金触媒をカーボン支持材料上に含んでなる電極インキを、適用な基材、例えばテフロン又は紙に印刷する転写触媒化（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃａｔａｌｙｚａｔｉｏｎ）を用いることにより、貴金属を０．２ｍｇ／ｃｍ²程度の少量含む電極の製造が可能になった。特に、担持白金触媒電極インキから形成される、本質的に転写による電極は、基材上に塗布又は噴霧し、ついでイオン交換膜上で乾燥及びプレスすることができる。
前述したすべての技術においては、電極材料のフィルムを製造し、ついで電極材料のシートをイオン交換膜上にプレスするために、液体をベースとする乳化液といくつかの工程を用いることが必要であり、或いは膜及び電極の構造体を製造するために、結合剤及び実質的な量の高価な触媒材料を用いることが必要であった。更にこれらの従来法では、許容できる電極を製造するために、触媒付加量を多くすることも必要であった。この電極の製造法は効率が悪く、再現性は貧弱であり、また電極層は剥離しがちであって、膜と電極の構造体の電気的性質に悪影響を及ぼす。
米国特許第４２７２３５３号は、膜の表面を粗くする、即ち物理的に粗面にして微粉砕された触媒粒子を膜の表面に係留、接合又は固定することによって、上述の問題のいくつかを解決しようとしている。特に触媒を膜の表面に付着させる前に、表面を適当な粗面化処理に供する。しかしながらこの粗面化工程は、膜の強度、寸法安定性及び電気的性質に致命的な影響をもたらす。更に膜の粗面化は余分な工程段階となる。
電極インキを、プロトン形の膜に直接適用することは、多くの場合不成功であった。膜がプロトン形の場合、電極インキ組成物は悪いことにそれを適用する膜の膨潤及びたわみ、特に調節できない膨潤及びたわみを引き起こす。
インキ及び膜がハロゲン形である、特に弗素化膜がスルホニルクロリド形のペンダントスルホニル基を有する場合、電極インキを、プロトン形の膜に直接適用することは、電極インキ及び膜間に改良された親和性並びに付着をもたらす。しかしながら電極の可溶化は難しく、典型的には電極インキを溶解するために高価な溶媒を使用することが必要である。電極インキがプロトン形ならば、スルホニルフルオリド形の膜と一般に親和性が悪く、膜と電極の構造体の間の付着が貧弱になる。
それゆえに、好ましくは触媒付加量が比較的少なく、運転中に剥離、亀裂又は変形しない、電極の構造体のイオン電導性を悪化させない、且つ従来法の利点を保持する均一な電極の構造体を製造するために、電極を効率よく、安価で、再現性よくイオン交換膜に適用できる膜及び電極の構造体の製造法が必要とされる。
発明の概略
本発明は、イオン交換膜の表面だけを加水分解する方法で電極を膜に結合させることによって形成される優秀な特性を持つ膜及び電極の構造体の製造法に関する。この膜の表面はイオン形であり、膜の残りは非イオン形である。そのままで、好ましくはイオン形の電極インキが膜の加水分解された面と親和し、容易に付着する。しかしながら電極インキを適用したとき、膜の多くは膨潤しないし、膨脹しない。
特に、本発明の方法は次の工程を含んでなる。
ａ、重合体のイオン交換膜の表面を加水分解して、膜の残りを実質的に非イオン形に保ったまま膜表面をイオン形にする。
ｂ、電極インキを膜の加水分解された面に適用する。電極インキは触媒的に活性な物質及び重合体結合剤を含んでなる。
電極インキは膜の表面に印刷、被覆又は結合させる。電極インキは随時昇圧及び昇温下に膜の表面にプレスすることができる。他の具体例においては、電極インキを適当な基材上に印刷、塗布、又は噴霧して、いわゆる「転写板」を作る。ついで転写板を、イオン交換膜の表面に熱プレスする。有利には、表面の加水分解された膜の多くは、インキを適用したときに膨潤も、変形もしない。インキは膜に容易に付着して、電極の構造体の剥離又は亀裂の可能性を減じ、電極層の均一な適用、膜／電極界面での気泡形成の減少、及び強度に悪影響なしに膜の寸法安定性又は電気的性質がもたらされる。
膜の表面は、従来公知の方法で加水分解しうる。運転に先立って、全体の膜及び電極の構造体を、技術的に公知の方法で加水分解すべきである。
ペンダント側鎖をスルホニルフルオリド形で含む弗素化前駆体重合体から誘導される弗素化イオン交換膜の場合、スルホニルフルオリド官能基は種々の方法でイオン形に、例えばアルカリ物質での加水分解によりスルホネート塩に、この塩の酸性化によりスルホン酸に、またアンモニア処理でスルホンアミドに転化できる。そのような技術の教示は、米国特許第３２８２８７５号、米国特許第３７８４３９９号、及び米国特許第３８４９２４３号に例示されている。
本発明の方法で製造される本発明の膜及び電極の構造体は、燃料電池及びバッテリーに特に有用である。
発明の詳細な説明
本発明の方法は次の工程を含んでなる。
ａ、重合体のイオン交換膜の表面を加水分解して、膜の残りを実質的に非イオン形に保ったまま膜表面をイオン形にする。
ｂ、電極インキを膜の加水分解された面に適用する。
電極インキ組成物
電極インキの組成は、限定されず、技術的に良く知られている。電極インキは典型的には、
ａ、（担持又は未担持の）触媒的に活性な粒子、好ましくは５〜４０重量％、
ｂ、好ましくは加工温度において非固体である懸濁液媒体、
ｃ、結合剤、例えば好ましくはフルオロカーボン溶媒溶液中の、好ましくはナフィオン^Rパー弗素化スルホニルフルオリド重合体（Ｅ．Ｉ．デユポン社製）のようなパー弗素化スルホニルフルオリド重合体、好ましくは０〜２５重量％、或いは好ましくはイソプロピルアルコール及び水の溶液中の、好ましくはナフィオン^Rパー弗素化スルホン酸（Ｅ．Ｉ．デユポン社製）のようなパー弗素化スルホン酸、好ましくは０〜２５重量％、
を含んでなる。
電極層はよく知られた触媒的に活性な粒子又は材料から製造できる。陽極は好ましくは１つ又はそれ以上の白金族金属、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、及びインジウム並びにこれらの電導性酸化物及び電導性の還元された酸化物から作られる。陰極は好ましくは１つ又はそれ以上の鉄、ニッケル、ステンレススチール、脂肪酸ニッケルの熱分解生成物、ラネーニッケル、安定化されたラネーニッケル、カルボニルニッケル、及び白金族金属を担持するカーボン粉末によって作られる。触媒は担持又は未担持であってよい。好適な触媒は白金触媒（プレシアス・メタルズ（Ｐｒｅｃｉｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ）社製）、特にブルカン（ＶＵＬＣＡＮ^R）（カボット（Ｃａｂｏｔ）社製）として知られる２０％白金担持カーボンである。
触媒的に活性な物質は、便宜上１０〜１００ｎｍ（１００〜１０００オングストローム）、特に１２〜５０ｎｍ（１２０〜５００オングストローム）の粒径を有する粉末形でインキ中に混入される。
加水分解された又はされてないスルホニルフルオリド重合体、好ましくは重合体溶液が、インキに混入される。好ましくは、そのような重合体は膜の加水分解された表面との親和性及びそれへの付着を促進するために加水分解形である。重合体は典型的には電極とイオン交換膜とに対する結合剤として使用される。重合体は電極インキ及び膜の表面間の結合を容易にし、電極の構造体のイオン電導性を提供する。
本発明の関係するスルホニル重合体（及び対応するパー弗素化スルホン酸重合体）は、基−ＣＦ₂ＣＦＲ_f−ＳＯ₂Ｘ（但し、Ｒ_fはＦ、Ｃｌ、ＣＦ₂Ｃｌ又はＣ₁〜Ｃ₁₀パーフルオロアルキル基であり、そしてＸはＦ又はＣｌ、好ましくはＦである）を含む側鎖を持つ弗素化重合体である。普通側鎖は−ＯＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｘ又は−ＯＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｆ、好ましくは後者を含むであろう。側鎖−Ｏ（ＣＦ₂ＣＦ｛ＣＦ₃｝Ｏ）_k−（ＣＦ₂）_j−ＳＯ₂Ｆ（但し、ｋは０又は１であり、そしてｊは２、３、４又は５である）を含む重合体は使用できる。重合体は側鎖−ＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｘ（但し、ＸはＦ又はＣｌであり、好ましくはＦである）を含んでいてもよい。
好適な重合体は、側鎖−（ＯＣＦ₂ＣＦＹ）_r−ＯＣＦ₂ＣＦＲ_f−ＳＯ₂Ｘ（但し、Ｒ_f、Ｙ及びＸは上述した通り、そしてｒは１、２又は３である）を含む。好適なものは、他の適当な−ＯＣＦ₂ＣＦ｛ＣＦ₃｝ＯＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｆを含む重合体である。他の適当な結合剤は、フルオロカーボン重合体、例えばポリテトラフルオロエチレン及びポリヘキシルフルオロエチレンを含む。分散性を改善するために、長鎖の炭化水素型表面活性剤又は弗素化炭化水素型表面活性剤を所望の比で混入することが可能である。
懸濁液媒体は、限定されないが、例えば加工温度で非固体であるエーテル、エポキシ又はケトン結合及びアルコール基を有する炭化水素であってよい。好適な懸濁液媒体は１−メトキシ−２−プロパノールである。
懸濁液媒体は、触媒的に活性な粒子及びパーフルオロスルホン酸重合体（又はパー弗素化スクホニルフルオリド重合体）に対する溶媒、担体又は懸濁剤として作用する。更に懸濁液媒体は、運転中の膜及び電極の構造体のイオン電導性を損なう又は減ずるから、膜又は結合剤例えばパーフルオロスルホン酸重合体（又はパー弗素化スルホニルフルオリド重合体）の官能基と有意に相互作用しない。更に懸濁液媒体は、膜に含まれるイオン交換重合体と相互作用しないで、電極インキの、膜表面への印刷又は被覆を容易にする粘度調節剤として働く。
インキ中の触媒的に活性な粒子及びイオン交換重合体の好適な含量は、電極の特性に依存する。燃料電池電極の場合、イオン交換重合体と触媒のカーボン担体重量との好適な比は、約１：３の比である。
電極粉末を含んでなるインキの粘度は、印刷前に好ましくは１〜１０²ポイズの範囲、特に１０²ポイズに制御される。粘度は（ｉ）粒径の選択、（ｉｉ）触媒的に活性な粒子及び結合剤の組成、（ｉｉｉ）媒体としての水の含有量、又は（ｉｖ）好ましくは粘度調節剤の混入、によって制御できる。
適当な粘度調節剤はセルロース型物質例えばカルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース及びセルロース並びにポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ナトリウムポリアクリレート及びポリメチルビニルエーテルを含む。
本発明の方法により膜上に付着される触媒物質の量は厳密ではない。Ｔ．スプリンガー（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ）、及びＳ．ゴッテスフェルド（Ｇｏｔｔｅｓｆｅｌｄ），「重合体電解質燃料電池に対する擬均質触媒層モデル」［ロス・アラモス（Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ）国立研究所、バッテリー及び燃料電池のモデル化、電気化学協会、ＰＶ９１−１０，１９９１］の出版物には、燃料電池の電極の厚さは、約５μｍ（５ミクロン）であるように作られるべきであることが示されている。本発明によれば、本発明のインキが驚くほど少量の触媒を膜の表面に付着されることが発見された。この値は、貴金属触媒の重量を含むが、担体は除く。本発明によれば、触媒粒子は膜の表面に、触媒約０．２ｍｇ／ｃｍ²（担持）から約２０ｍｇ／ｃｍ²（未担持）又はそれ以上までの範囲で付着させられる。しかしながら、高い付着量、即ち約２．０ｍｇ／ｃｍ²以上の触媒付着量では、触媒物質を表面上により良く接着又は固定するために、結合剤を添加することがより重要になる。しかし結合剤は随意であり、約２．０ｍｇ／ｃｍ²又はそれ以下の触媒付着量の場合には構造的合体化のために必要としない。
触媒は膜の表面にインキ又はインキ形で添加される。膜の表面の全体でも、選んだ一部でもよい、膜の面積が触媒物質で被覆される。正確な触媒量、即ち所望の付着量が、膜の表面上に配置される。必要ならば、過剰な触媒物質を、例えば振動、静電気、振とう、注ぎ、刷毛塗り、真空などにより除去する適当な工程を行っても良い。触媒インキは、それをナイフ又は刃、ブラシ、注ぎ、噴霧、静電気、振動などで広げることにより膜の表面に付着せしめうる。触媒物質を必要としない膜の表面上の場所は隠蔽でき、或いは触媒物質がそのような場所に付着しないように他の手段を講ずることができる。本方法では触媒の膜への所望の付着量はあらかじめ決定でき、特別の量の触媒物質を膜の表面上に付着させうるから、過剰な触媒を必要としない。例えば膜の表面上に触媒約０．２５ｍｇ／ｃｍ²が所望ならば、その特別な量の触媒物質を表面に付着させ、そこに固定する。この方法では、比較的高価な触媒物質の無駄が回避できる。
インキの膜への適用法
粒子を膜へ付着させるには多くの適当な方法がある。例えば触媒的に活性な粒子のスラリーを作り、このスラリーを膜上に塗布又は噴霧する。溶液／分散液の平らな電導性スクリーンへの噴霧法は、大きい又は不規則な形を被覆するのに有利に使用される。溶液／分散液の膜への注ぎも時に使用される。溶液／分散液の、ブラシ又はローラーでの塗布は成功裡に使用できる。更に被覆は秤量バー、ナイフ又は棒を用いて容易に適用できる。普通塗膜又はフィルムは繰り返しの適用によって所望の厚さに仕上げられる。
触媒粒子を膜に適用する特に有利な方法は、膜の表面に圧印（ｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ）するインキを混合することである。インキはスクリーン印刷法によりイオン交換膜の表面に印刷され、結合せしめられる。この場合、普通のスクリーン印刷法が使用できる。メッシュ数１０〜２４００、特に５０〜１０００、及び厚さ２５〜２５００μｍ（１〜１００ミル）、特に１２５〜３７５μｍ（５〜１５ミル）のスクリーンを用いることは好適である。メッシュ数が大きすぎる場合、スクリーンの目づまりが不均一な印刷をもたらす。メッシュ数が小さすぎる場合には、過剰のインキが印刷される。厚さが厚すぎると、重すぎる被覆が得られる。厚さが薄すぎると、所望の量のインキが印刷されない。所望の寸法及び形の電極層をイオン交換膜の表面上に形成させるには、スクリーンを隠蔽する。この形は好ましくは電極の形を除く印刷の図柄である。スクリーン隠蔽物の厚さは、好ましくは１〜５００μｍ（１〜５００ミクロン）である。スクリーン及びスクリーン隠蔽物に対する物質は、満足な強度を有するいずれかの材料、例えばスクリーンに対してステンレススチール、ポリエチレンテレフタレート及びナイロン並びにスクリーン隠蔽物に対してエポキシ樹脂であって良い。
電極層の印刷には、スクリーン及びスクリーン隠蔽物をイオン交換膜の上に置く。インキをスクリーンに供給し、スクイージー（ｓｑｕｅｅｇｅｅ）により所望の圧力で印刷する。この結果、スクリーン隠蔽物を除いた形の電極層が膜の表面に形成される。電極層の膜上の厚さスクリーンの厚さ、インキの粘度及びスクリーンのメッシュ数に依存しよう。電極の厚さを１〜５０μｍ（１〜５０ミクロン）、特に５〜１５μｍ（５〜１５ミクロン）の範囲にするためには、スクリーンの厚さ、インキの粘度及びスクリーンのメッシュ数を制御することが好ましい。
スクリーンと膜の間の間隔、スクイージーの材料、及びスクリーン印刷法においてスクイージーによりメッシュに掛かる圧力は、膜上に形成される電極層の物理的性質、厚さ及び均一性に非常に関係する。望ましい印刷をするためには、スクリーンと膜の間の間隔をインキの種類及び粘度に依存して、０．５〜５ｃｍの範囲に設定する。スクイージーの堅さは、インキの粘度に応じて選択され、好ましくはそのショア硬度が５０〜１００である。好ましくは、スクイージーの均一な圧力をメッシュに適用する。かくして、均一な厚さの電極層が膜の表面の片面又は両面に、高結合強度で形成される。ついで、この電極層を、約５０〜１５０℃、好ましくは約７５℃に加温することが好適である。電極層は普通膜から約０．３ｍ（１フィート）はなれたランプにより或いは他の通常の手段により加温できる。このスクリーン印刷法は所望のインキ付着量が達成されるまで反復できる。２又は４回、普通３回の適用が最適の性能を付与する。
ついで、インキを膜の表面に固定することが望ましい。インキは圧力、熱、接着剤、結合剤、溶媒、静電気などの１つ又は組み合わせのよって膜の表面上に固定できる。インキを膜の表面に固定する好適な具体例は、圧力、熱、又は圧力と熱の組み合わせによる。圧力と熱は同業者の調節しうるところである。電極層を膜の表面に、１００〜３００、好ましくは１５０〜２８０、最も好ましくは１３０℃で、５１０〜５１０００ｋＰａ（５〜５００気圧）、好ましくは１０１５〜１０１５００ｋＰａ（１０〜１００気圧）、最も好ましくは２０３０ｋＰａ（２０気圧）の圧力下にプレスして、電極層及びイオン交換膜の強く結合した構造体を得ることが好ましい。
膜上に形成される電極層は、好ましくは気体透過性の多孔性層であるべきである。平均孔直径は０．０１〜５０μｍ（０．０１〜５０ミクロン）、好ましくは０．１〜３０μｍ（０．１〜３０ミクロン）の範囲である。孔性は一般に１０〜９０、好ましくは１０〜６０％の範囲である。
インキの膜表面への固定に熱を使用する場合、約８０℃から膜の分解温度以下までの温度が好適である。加圧は手動プレス、平板プレス、平板バックアップ具へのローラープレス、又はバックアップローラーへのローラープレスにより、或いは圧力を手動又は自動で適用する適当な手段により行われる。粒子の表面への固定に適当な昇温は、触媒インキが表面に付いた膜をオーブン又は他の適当な加熱具中で加熱することにより、プレス板を加熱することにより、加圧ローラーを加熱することにより、外部加熱ランプにより、又は他の適当な加熱具により、或いはこれらの組み合わせにより達成できる。圧力及び熱を同時に適用する場合、加熱具は加圧具、例えばプレス板又はプレスローラー内に組み込むことができ、或いは加圧具と共用できる外部熱源の適当な組み合わせであってよい。
一般に熱を掛ける期間は、厳密でなく、触媒粒子又は粉末付着物を有する膜表面に適用される温度及び／又は圧力に依存する。典型的には、熱は約１分以下から約２時間まで適用され、また約２０３０ｋＰａ（２０気圧）の圧力及び約１３０℃の温度を用いるとき、熱は約１分以下から約１５分まで、好ましくは約２分間適用される。
好適な具体例において、触媒物質粒子を膜表面上に固定するために使用されるプレス板又はローラーの表面は、剥がれやすくする表面、例えばテフロン、フルオロカーボン又は他の剥離を容易にする材料の被覆を有することができる。
電極の構造体はいわゆる転写法によって膜表面に適用することもできる。特に触媒層を膜電解質上に直接印刷する代替法は、触媒を一片の基材又は紙上に被覆、塗布、噴霧又はスクリーン印刷し、続いて触媒を紙から膜へ転写することである。この方法の態様は燃料電池技術においてよく知られている。この方法では、インキ組成物を準備し、好ましくは水と混合し、ある量のテフロン、好ましくはテフロン３０Ｂ（Ｅ．Ｉ．デユポン社製）を添加する。テフロンは触媒層の乾燥重量の１０〜７０、好ましくは３０〜５０％を構成すべきである。混合物は熱により又は酸性化により凝集される。この混合物を真空濾過により紙片上にキャストする。水を紙から除去して固体を残し、濾液を均一層で紙上に凝集させる。この紙を、触媒側を下にして、テフロン化又は耐水化したカーボン紙片上に置く。カーボン紙、触媒層及び触媒層の紙の裏材を、濾紙のシート間に挟み、過剰の水を圧出させる。この合体物をプレスから取り出し、濾紙を捨てる。今や紙に水を軽く噴霧し、紙の繊維を膨潤させる。ついでこの紙を除去するが、残っているものがテフロンに結合した拡散型燃料電池電極である。一般にこの電極を乾燥し、約３３２℃で約１５〜３０分間焼結する。
電極を、従来法に記述されているように、紙の裏材上に印刷することも可能である。インキを乾燥した後、２つのそのような印刷された紙を、好ましくは加水分解されていない形の、典型的にはスルホニルフルオリド形の弗素化イオン交換膜のいずれかの面上に置く。紙は印刷された面が膜に面するように置かれる。普通透明である膜及びいくらか半透明の紙は、２つの印刷された触媒層の付着を容易にする。この様に形成させたサンドウィッチ物を、プレスの加熱されたプレス板の間に置く。プレスを閉じ、膜の表面における圧力を約１３８０ｋＰａ（２００ｐｓｉ）及び温度を約１２７℃に上昇させる。この状態を約２分間維持し、ついで膜及び電極の構造体パッケージを取り出す。紙を膜及び電極の構造体から除去するために、水を紙に噴霧し、紙の繊維を膨潤させる。今や紙を触媒層から剥離することができ、触媒層は膜にしっかりと結合している。
転写法の利点は、プレス前に殆どのインキ溶媒が除去されているということである。これらの方法は、乾裂しにくい層も生成する。この方法は膜を印刷のために固定するのを容易にする。またそれは触媒層の多量の印刷及び貯蔵を可能にし、これがまた注文による膜及び電極の構造体の製造を容易にする。
イオン交換膜
「膜」とは、電気化学的槽、例えば電気分解槽、燃料電池又はバッテリーの槽室を隔離するための、例えばフィルムの表面改質により又は積層により形成された異なる材料の層を有していてよい無孔性構造体又は障壁を意味し、そして１つの層として担体例えば埋め込まれた布を有する構造体に関するものである。
電極層が形成される膜は、制限がない。それはイオン交換基例えばカルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基及びフェノール性水酸基を有する重合体から作ることができる。適当な重合体はビニル単量体例えばテトラフルオロエチレン及びクロロトリフルオロエチレンとイオン交換基例えばスルホン酸基、カルボン酸基、及びリン酸基又はイオン交換基に転化できる反応性基を持つパーフルオロビニル単量体の共重合体を含む。またイオン交換基例えばスルホン酸基が導入されているトリフルオロエチレンの重合体又はスルホン酸基が導入されているスチレン−ジビニルベンゼンの重合体の膜を用いることも可能である。
イオン交換膜は、好ましくは弗素化重合体から作られる。ここに、「弗素化重合体」とは、一般に加水分解でイオン交換形にするためにいずれかＲ基を失った後、Ｆ原子の数は重合体中のＦ，Ｈ及びＣｌ原子の全数の少なくとも９０％である重合体を意味する。クロルアルカリ電池には、加水分解中に失われるので、−ＣＯＯＲ基のＲが弗素化されている必要はないけれど、パー弗素化重合体が好適である。弗素化重合体は好ましくはいわゆるカルボキシル重合体又はいわゆるスルホニル重合体である。
カルボキシル重合体は、順次官能基又は官能基を持つペンダント側鎖が結合したフルオロカーボン主鎖を有する。重合体が溶融加工できる形の場合、ペンダント側鎖は例えば−［−ＣＦＺ−］_t−Ｗ基（但し、ＺはＦ又はＣＦ₃であり、ｔは１〜１２であり、Ｗは−ＣＯＯＲ又はＣＮであり、ここでＲは低級アルキルである）を含有することができる。好ましくは重合体中の側鎖の官能基は−Ｏ−［−ＣＦＺ−］_t−Ｗ基（但し、ｔは１〜３である）末端基で存在するであろう。
−（ＯＣＦ₂ＣＦ｛ＣＦ₃｝）_mＯＣＦ₂｛ＣＦ₃｝ＣＮ（但し、ｍは０、１、２、３、又は４）側鎖を有する重合体は、米国特許第３８５２３２６号に開示されている。重合体は−（ＣＦ₂ＣＦＺ）_mＯＣＦ₂ＣＯＯＲ（但し、Ｚ及びＲは上述と同義、そしてｍは０、１、又は２であり、好ましくは１である）側鎖を含有していてもよい。
Ｏ（ＣＦ₂）_vＷ（Ｗは−ＣＯＯＲ又は−ＣＮであり、そしてｖは２〜１２である）末端基を含む重合体は好適である。これらの基は−（ＯＣＦ₂ＣＦＹ）_m−Ｏ−（ＣＦ₂）_v−Ｗ（但し、Ｙ＝Ｆ、ＣＦ₃又はＣＦ₂Ｃｌ）側鎖の一部であってよい。特に好適なものは、ｖが２であり、そしてｖが３であるような側鎖を含む重合体である。これらの重合体の中で、ｍ＝１及びＹ＝ＣＦ₃のものは最も好適である。上述の参考文献はこれらの弗素化イオン交換重合体の製造法も記述する。
弗素化重合体はいわゆるスルホニル重合体であってもよい。本発明が関係するスルホニル重合体は、基−ＣＦ₂ＣＦＲ_f−ＳＯ₂Ｘ（但し、Ｒ_fはＦ、Ｃｌ、ＣＦ₂Ｃｌ又はＣ₁〜Ｃ₁₀パーフルオロアルキル基であり、そしてＸはＦ又はＣｌであり、好ましくはＦである）を含む側鎖を持つ弗素化重合体である。普通側鎖は−ＯＣＦ₂ＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｘ又は−ＯＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｆ、好ましくは後者を含むであろう。クロロアルカリ膜で使用するために、パー弗素化重合体は好適である。側鎖−Ｏ（ＣＦ₂ＣＦ｛ＣＦ₃｝Ｏ）_k−（ＣＦ₂）_j−ＳＯ₂Ｆ（但し、ｋは０又は１であり、そしてｊは２、３、４又は５である）を含む重合体は使用できる。重合体は側鎖−ＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｘ（但し、ＸはＦ又はＣｌであり、好ましくはＦである）を含んでいてもよい。上述の参考文献はこれらの弗素化イオン交換重合体の製造法も記述する。
好適な重合体は、側鎖−（ＯＣＦ₂ＣＦＹ）_r−ＯＣＦ₂ＣＦＲ_f−ＳＯ₂Ｘ（但し、Ｒ_f、Ｙ及びＸは上述した通り、そしてｒは１、２又は３である）を含む。特に好適なものは、側鎖−ＯＣＦ₂ＣＦ｛ＣＦ₃｝ＯＣＦ₂ＣＦ₂ＳＯ₂Ｆを含む共重合体である。
重合は技術的に公知の方法で行える。ＣｌＦ₂ＣＦＣｌ₂溶媒及び（ＣＦ₃ＣＦ₂ＣＯＯ）₂開始剤を用いる溶液重合は特に有用である。重合は水性粒状重合又は水性分散重合、続く凝集によっても行うことができる。
パーフルオロイオン交換重合体は、典型的にはテトラフルオロエチレンと本明細書に開示される官能性共単量体の１つとの共重合体である。テトラフルオロエチレンと共単量体のモル比は１．５〜５．６：１である。各共単量体に対して、最も好適なテトラフルオロエチレンと共単量体のモル比は実験によって決定される。テトラフルオロエチレンと共単量体を高いモル比で含む共重合体は低いモル比のものより溶解性が低い。多くのミセルが１０ｎｍ（１００オングストローム）以下の液体組成物は好ましいが、別法ではそれより大きいミセルは濾過又は遠心分離によって除去される。
イオン交換膜の重合体は、（下記のような）単量体Ｉと単量体IIの共重合体から製造してよい。随時第３の種類の単量体を、Ｉ及びIIと共重合してもよい。
第１の種類の単量体は一般式
ＣＦ₂＝ＣＺＺ′ （Ｉ）
［式中、Ｚ及びＺ′は独立に基−Ｈ、−Ｃｌ、−Ｆ又は−ＣＦ₃から選択される］
で表される。
第２の種類の単量体は、一般式
Y-(CF₂)_a-(CFR_f)_b-(CFR_f)_c-O-[CF(CF₂X)-CF₂-O]_n-CF＝CF₂ （II）
［式中、Ｙは基−ＳＯ₂Ｚ、−ＣＮ、−ＣＯＺ、及び−Ｃ（Ｒ³ｆ）（Ｒ⁴ｆ）ＯＨから選択され、
Ｚは−Ｉ、−Ｂｒ、−Ｃｌ、−ＯＲ、又は−ＮＲ₁Ｒ₂であり、
Ｒは炭素数１〜約１０の分岐鎖又は直鎖アルキル基或いはアリールであり、
Ｒ³ｆ及びＲ⁴ｆは独立に炭素数１〜約１０のパーフルオロアルキル基からなる群から選択され、
Ｒ₁及びＲ₂は独立に−Ｈ，炭素数１〜約１０の分岐鎖又は直鎖アルキル基或いはアリールからなる群から選択され、
ａは０〜６であり、
ｂは０〜６であり
ｃは０又は１であり、
但し、ａ＋ｂ＋ｃは０に等しくなく、
Ｘは−Ｃｌ、−Ｂｒ、−Ｆ、又はｎ＞１の時それらの混合基であり、
ｎは０〜６であり、そして
Ｒ_f及びＲ_fは独立に基−Ｆ、−Ｃｌ、炭素数１〜約１０のパーフルオロアルキル基及び炭素数１〜約１０のフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される］
で表される化合物から選択される１つまたはそれ以上の単量体からなる。
特に好適なものは、Ｙが基−ＳＯ₂Ｆ又は−ＣＯＯＣＨ₃；ｎが０又は１；Ｒ_f及びＲ_fが−Ｆ；Ｘが−Ｃｌ又は−Ｆ；及びａ＋ｂ＋ｃが２又は３のときである。
第３の、随意の適当な単量体は、一般式
Y′-(CF₂)_a′-(CFR_f)_b′-(CFR_f)_c′-O-[CF(CF₂X′)-CF₂-O]n′-CF=CF₂ （III）
［式中、Ｙ′は−Ｆ、−Ｃｌ又は−Ｂｒであり、
ａ′及びｂ′は即率に０〜３であり、
ｃは０又は１であり、
但し、ａ′＋ｂ′＋ｃ′は０に等しくなく、
ｎ′は０〜６であり、
Ｒ_f及びＲ_fは独立に基−Ｂｒ、−Ｃｌ、−Ｆ、炭素数１〜約１０のパーフルオロアルキル基及び炭素数１〜約１０のクロロフルオロアルキル基からなる群から選択され、
そして
Ｘは−Ｆ、−Ｃｌ、−Ｂｒ、又はｎ′＞１の時それらの混合基である］
で表される化合物から選択される１つまたはそれ以上の単量体である。
弗素化オレフィン単量体とスルホン酸基又はスルホン酸基に転化できる官能基を持つ単量体、必要ならば他の単量体の共重合は、技術的に公知の方法で行われる。重合は、必要ならばハロ炭化水素のような溶媒を用い、触媒重合、熱重合、又はラジカル重合により行われる。得られる共重合体からのイオン交換膜の製造は、厳密でなく、例えばプレス成形法、ロール成形法、押出し成形法、溶液塗布法、分散液成形法、粉末成形法のような公知の方法であってよい。
膜の厚さは典型的には２５〜１７５μｍ（２５〜１７５ミクロン）、特に２５〜１２５μｍ（２５〜１２５ミクロン）である。
市販のスルホン化パーフルオルカーボン膜の好適な例は、Ｅ．Ｉ．デユポン社からナフィオンとして販売されている。スルホン基はパーフルオルカーボン主鎖に化学的に結合し、膜は使用前に典型的には加水分解されて、膜の乾燥重量に基づき少なくとも約２５％の水を有する膜を与える。
アニオン交換樹脂の場合、イオン性基は、本質的に塩基性であり、アミン基、水酸化第４級アンモニウム、グアニジン基、及び他の窒素含有塩基性基を含んでいてよい。両方の場合、即ちイオン性基が酸性基であるもの又はイオン性基が塩基性基であるものの場合、イオン化しうる基は重合体化合物、例えば典型的にはフェノールホルムアルデヒド樹脂、ポリスチレン−ジビニルベンゼン共重合体、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂などに結合する。
膜は、該共重合体を、繊維布例えば織布又はネット、不織布又は該重合体から作られる多孔性フィルム又はワイヤ、金属から作られるネット又は有孔性板で支持することによって強化できる。他にイオン交換重合体を基材又は繊維布に含浸させてもよい。
膜及び電極の構造体は便宜的な方法で貯蔵できる。好ましくは膜及び電極を、濾紙のような紙のシート間でプレスし、空気を遮断したプラスチックの袋で貯蔵する。
膜表面の加水分解
イオン交換膜の官能基の加水分解は、技術的に公知の方法で行われる。ここに加水分解とは、ペンダント基のイオン性基への転化に関するものである。膜の表面の加水分解は、インキを膜の表面に適用する前に行わねばならない。表面の加水分解は、好ましくは膜を５〜１５％ＮａＯＨ又はＫＯＨの溶液中に、４０〜９０℃で５〜３０分間浸すことによって行われる。
ペンダントのスルホン基を有する重合体イオン交換膜の場合、加水分解されたスルホニルハライド基は、スルホン酸基或いはそのアルカリ又はアルカリ土類金属塩の形で存在しよう。両方の場合、その形は重合体を処理する最後の媒体の性質に依存するであろうし、また通常さらされる（さらされた）媒体（または最後の媒体）中の最も強い塩基の塩になるであろう。酸及び塩形の相互転化は所望により酸または塩基の溶液での処理によって行える。処理時間は勿論処理すべき層の厚さが増すにつれて長くしなければならない。処理時間は膜の多くが加水分解されないで残っていることを保証するように制限すべきである。
膜の表面は、−ＳＯ₂Ｆペンダント基の場合、以下の条件下に１０重量％ＮａＯＨと反応させることによって加水分解（即ちイオン形へ転化）される：（１）フィルムを温度約７０℃で約０．１時間、約１０重量％の水酸化ナトリウム中に浸し、そして（２）フィルムを約９０℃に加熱した脱イオン水で２回、１回に約３０〜約６０分かけて濯ぐ。
工業的応用
本発明の膜及び電極の構造体は特に燃料電池またはバッテリーの分野において有用である。よく知られるように、燃料電池は燃料と呼ばれる酸化できる反応物及び酸化剤と呼ばれる還元できる反応物を電気化学的に組み合わせることにより電気を発生させる道具である。反応物は流体、即ち液体または気体、しばしば水素及び酸素であり、普通別々の外部源から電池に連続的に供給される。燃料電池は膜及び電極の構造体により隔室に分割される。
各電極は電導性であり、用いる燃料または酸化剤を吸収し、電極反応のための活性物質を提供し、電池の使用条件下にだらだらと酸化しはしない。燃料及び酸化剤を同時にかつ別々に燃料電池の異なる電極へ供給するとき、電極間に電位が生じよう。このようにして電極間に電気的負荷がかかると、その間に電流が流れ、提示される電気的エネルギーが１つの電極における燃料の電気触媒的酸化と他の電極における酸化剤の同時の電気触媒的還元によって発生する。
本発明の膜及び電極の構造体は、電気分解槽においても有用である。アルカリ金属クロライドの水溶液の電解槽における電気分解でアルカリ金属水酸化物を製造するために電解槽を運転する場合、アルカリ金属クロライドの水溶液をカチオン交換膜で隔てられた陽極隔室へ供給し、水を陰極隔室へ供給する。塩化ナトリウムは普通アルカリ金属クロライドとして使用される。しかし他のアルカリ金属クロライド例えば塩化カリウム及び塩化リチウムも使用できる。対応するアルカリ金属水酸化物は水溶液から高効率で製造でき、長期間安定である。電極層を持つイオン交換膜を使用する電解槽は単極または２極電解槽であってよい。

Claims (13)

1. （ａ）加水分解されていない重合体のイオン交換膜の少なくとも１つの表面を表面加水分解して、その膜の表面をイオン形にするが、膜の残りは非イオン形に保持する工程、及び
   （ｂ）表面が加水分解された該イオン交換膜の少なくとも１つの表面を電極インキと接触させる工程、
   を含んでなる、膜及び電極の構造体の製造方法。
2. 前記電極インキと接触させる工程後に、膜及び電極の構造体の完全な加水分解の工程を更に含んでなる、請求項１記載の方法。
3. 前記電極インキがスルホニルフルオリド重合体を含んでなる、請求項１記載の方法。
4. 前記スルホニルフルオリド重合体を加水分解する、請求項３記載の方法。
5. 前記スルホニルフルオリド重合体を加水分解しない、請求項３記載の方法。
6. 前記スルホニルフルオリド重合体がアルコール及び水の溶液、懸濁液又は分散液の状態にある、請求項３記載の方法。
7. 前記電極インキが白金族金属を有する触媒的に活性な粒子を含んでなる、請求項１記載の方法。
8. 前記電極インキを膜の表面に噴霧する、請求項１記載の方法。
9. 前記電極インキを膜の表面に刷毛塗りする、請求項１記載の方法。
10. 前記電極インキを膜の表面にスクリーン印刷する、請求項１記載の方法。
11. 前記電極インキを複数回、噴霧、刷毛塗り、印刷することにより膜の表面に塗布する、請求項１記載の方法。
12. 前記電極インキを、３００℃までの温度で加圧下に膜の表面に結合させる工程を更に含んでなる、請求項１記載の方法。
13. 前記膜の少なくとも１つの表面を加水分解するが、膜の残りが加水分解しないまま残っているのに十分な期間、該膜の１つの表面をアルカリ金属水酸化物の溶液と接触させることにより該膜の１つの表面を加水分解する、請求項１記載の方法。