JPH0121231B2 - - Google Patents

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JPH0121231B2
JPH0121231B2 JP62321142A JP32114287A JPH0121231B2 JP H0121231 B2 JPH0121231 B2 JP H0121231B2 JP 62321142 A JP62321142 A JP 62321142A JP 32114287 A JP32114287 A JP 32114287A JP H0121231 B2 JPH0121231 B2 JP H0121231B2
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JP
Japan
Prior art keywords
membrane
screen
catalytically active
active particles
composite structure
Prior art date
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Application number
JP62321142A
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Japanese (ja)
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JPS63179089A (en
Inventor
Daburyuu Makumaikeru Jeemuzu
Deii Doaa Robaato
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Dow Chemical Co
Original Assignee
Dow Chemical Co
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0121231B2 publication Critical patent/JPH0121231B2/ja
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【発明の詳现な説明】 「」ずいう甚語は、膜Membraneお
よび電極Electrodeの組合せ物を意味し、膜
の぀たたは䞡方の䞻芁な平面状衚面に存圚する
導電性で觊媒掻性の倚数の粒子を有する、実質的
に平面のシヌト状むオン亀換膜からなる構造物で
ある。觊媒掻性粒子はが電気化孊的セルに
䜿甚されるずき、粒状電極ずしお䜜甚する。
構造物は固䜓重合䜓電解質solid polymer
electrolyte、すなわちSPE構造物ず呌ばれるこ
ずもある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The term "M&E" refers to a combination of a membrane and an electrode, with an electrically conductive and catalytically active membrane present on one or both major planar surfaces of the membrane. A structure consisting of a substantially planar sheet-like ion exchange membrane having a large number of particles. Catalytically active particles act as particulate electrodes when M&E is used in electrochemical cells. M&
The E structure is a solid polymer electrolyte.
electrolyte) or SPE structure.

「セル」は構造物を䜿甚した電気
化孊的セルである。このような電池は電気化孊的
生成物を生産するための電解槜ずしお䜜動させる
こずができ、あるいはたた電気゚ネルギヌを生産
するための燃料電池ずしお䜜動させるこずもでき
る。電解槜は、䟋えば塩化ナトリりムのようなア
ルカリ金属ハロゲン化物の電気分解甚に、あるい
はたた氎の電気分解甚に䜿甚するこずができる。
An "M&E cell" is an electrochemical cell that uses an M&E structure. Such cells can be operated as electrolyzers to produce electrochemical products, or alternatively as fuel cells to produce electrical energy. The electrolytic cell can be used, for example, for the electrolysis of alkali metal halides, such as sodium chloride, or alternatively for the electrolysis of water.

セルは圓業界では公知であり、以䞋に挙
げる数倚くの米囜特蚱に開瀺されおいる 4293394429967442996754319969
4345986438698744169324457822
4469579449894243158054364815
4272353および4394229。
M&E cells are known in the art and are disclosed in numerous US patents, including: 4293394; 4299674; 4299675; 4319969;
4345986; 4386987; 4416932; 4457822;
4469579; 4498942; 4315805; 4364815;
4272353; and 4394229.

セルでは、觊媒掻性粒子にガス状物が生
成するこずがよくある。セルが䜜動䞭に、
粒子電極ずしお䜜甚するからガスが泡立ち離
れお、セルに接觊しおいる電解液䞭に入り
蟌む。しかしながら、粒子の现孔内あるいは粒
子膜界面で生成するガス状物は、電解液䞭に入
り蟌んでそしお陀去される前に、粒子の现孔を通
぀お拡散しなければならない。ガスは逃散するよ
り速く生成されるので、觊媒掻性粒子内あるいは
粒子膜界面でガスが蓄積され、このため、
セルの運転効率が䜎䞋するこずずなる。さらに
奜たしくないこずには、ガスの䞀郚が膜を透過し
お、膜の他方の偎においお埗られた生成物を汚染
する。塩玠―アルカリセルでは、膜の䞀方の偎に
氎玠が、そしお膜の他方の偎に塩玠が生成するよ
うにな぀おいるが、氎玠が膜を透過しお塩玠を汚
染したり、あるいはその逆のこずが起こる。塩
玠氎玠混合物は爆発性があるため、こうした汚
染はさらに危険なものずなる。
In M&E cells, gaseous substances often form on the catalytically active particles. While the M&E cell is in operation,
Gas bubbles away from the particles (which act as electrodes) and into the electrolyte that is in contact with the M&E cell. However, gaseous substances that form within the particle pores or at the particle/membrane interface must diffuse through the particle pores before entering the electrolyte and being removed. Since gas is produced faster than it can escape, it can accumulate within the catalytically active particles or at the particle/membrane interface, thus causing M&
The operating efficiency of the E cell will decrease. Even more undesirably, some of the gas permeates through the membrane and contaminates the resulting product on the other side of the membrane. In a chlorine-alkali cell, hydrogen is produced on one side of the membrane and chlorine on the other side of the membrane, but it is possible for hydrogen to permeate through the membrane and contaminate the chlorine, or vice versa. things happen. The explosive nature of chlorine/hydrogen mixtures makes such contamination even more dangerous.

先行技術では、セル甚ずしお倚孔質電極
を䜜補するこずによ぀お、ガス状物蓄積の問題を
解消しようず詊みた。䟋えば、米囜特蚱第
4276146号にこのようなこずが開瀺されおいる。
セル補造プロセス䞭に、塩化ナトリりムの
ような现孔圢成物を觊媒掻性物質に組み蟌むこず
よ぀お、倚孔質電極を圢成させるこずがで
きる。この塩化ナトリりムはあずで浞出させお、
倚孔質構造物から陀く。しかしながら、こ
のような被芆物を䜿甚しおもガス拡散の問題は解
決されない、なぜならば塩玠による氎玠汚染はそ
れほど枛少しないからである。さらに、倚孔質觊
媒掻性粒子は匷床が䜎く、ガス発生の䜜甚に耐え
るこずができない。埓぀お、觊媒掻性粒子の枛少
を招き、セルの効率が䜎䞋する。
The prior art has attempted to overcome the gaseous buildup problem by creating porous electrodes for M&E cells. For example, U.S. Pat.
This is disclosed in No. 4276146.
Porous M&E electrodes can be formed by incorporating pore formers, such as sodium chloride, into the catalytically active material during the M&E cell manufacturing process. This sodium chloride is later leached out,
Exclude from porous M&E structures. However, the use of such a coating does not solve the gas diffusion problem, since hydrogen contamination with chlorine is not significantly reduced. Furthermore, porous catalytically active particles have low strength and cannot withstand the effects of gas evolution. Therefore, the number of catalytically active particles decreases, and the efficiency of the cell decreases.

本発明は、ガス状物が膜を透過しおセルの反察
偎に䟵入するのを最小限に抑え、そしおセルの電
気的効率を向䞊するように、特別に蚭蚈した
構造物を提䟛する。
The present invention utilizes specially designed M &
Provide an E structure.

電極被芆物は、かなり高䟡な材料を䜿甚
しお䜜補される。本発明は、被芆物の觊媒掻性お
よび効率を犠牲にするこずなく、電極に䜿甚され
る觊媒材料の量を枛少させるこずができる。
M&E electrode coatings are made using fairly expensive materials. The present invention can reduce the amount of catalytic material used in the electrode without sacrificing the catalytic activity and efficiency of the coating.

先行技術のにおいおは、を支持す
るのに導電性の窓状スクリヌン織物が䜿甚され
る。しかしながら、スクリヌン織物はその衚面が
䞀様でないため十分に満足できるものではない。
觊媒掻性粒子たたは平面のシヌト状膜にスクリヌ
ン織物をプレスする堎合、スクリヌンのある郚分
が他の郚分より膜䞭に深く入り蟌む。この方法で
は、電極被芆物および膜ずスクリヌンずの接觊が
䞍均等ずなり、たた膜の面を通る電気゚ネルギヌ
の移動が䞀様ではなくなる。さらに、スクリヌン
が膜に入り蟌むず、膜のいく぀かの郚分がより砎
裂し易くなる。
In prior art M&Es, conductive window screen fabrics are used to support the M&Es. However, screen fabrics are not completely satisfactory because their surfaces are not uniform.
When pressing a screen fabric onto catalytically active particles or a planar sheet-like membrane, some portions of the screen penetrate deeper into the membrane than other portions. This method results in uneven contact of the electrode coating and membrane with the screen and uneven transfer of electrical energy across the surface of the membrane. Furthermore, as the screen penetrates the membrane, some parts of the membrane become more susceptible to rupture.

スクリヌン織物を䜿甚した堎合のもう぀の問
題は、觊媒掻性粒子に察する集電装眮を膜の衚面
䞊に支持するのに䜿甚されるマツトレス匟性装
眮によ぀お膜が匕き裂かれたりこわされたりす
るこずのないよう防止しなければならないこずで
ある。埓぀お、先行技術によるスクリヌン織物で
は、本発明の実質的に平らで導電性のスクリヌン
によ぀お埗られるほどの保護は埗られないのであ
る。
Another problem with the use of screen fabrics is that the membrane can be torn or broken by the pine tresses (elastic devices) used to support the current collector for the catalytically active particles on the surface of the membrane. This is something that must be prevented from happening. Therefore, prior art screen fabrics do not provide as much protection as is provided by the substantially flat, conductive screen of the present invention.

本発明は、スクリヌン織物タむプの構造物を䜿
甚した堎合の問題点の殆どを解消するような、
の支持構造物を提䟛する。
The present invention provides a M
&E support structures.

特に、本発明は膜電極耇合構造物であ぀お、
膜の少なくずも぀の衚面に結合した觊媒掻性粒
子の倚数の盞互連結路を有する、実質的に平面状
のむオン亀換膜からなる膜電極耇合構造物を提
䟛する。
In particular, the present invention is a membrane/electrode composite structure comprising:
A membrane/electrode composite structure comprising a substantially planar ion exchange membrane having multiple interconnecting paths of catalytically active particles bound to at least one surface of the membrane is provided.

さらに本発明は、スクリヌンを通過しおいる倚
数の開口を有する実質的に平面で導電性のスクリ
ヌンに関するものであり、前蚘開口がスクリヌン
の衚面積の最倧玄75を占め、倚数の觊媒掻性粒
子がスクリヌンの぀の平らな衚面の少なくずも
䞀郚に配眮されお、前蚘の平らな衚面ず物理的お
よび電気的に接觊しおおり、むオン亀換膜が觊媒
掻性粒子ずスクリヌンの平らな衚面に、觊媒掻性
粒子が膜ずスクリヌンによ぀お挟たれるような圢
で結合されおいる。本発明はさらに、実質的に平
面状のスクリヌンテンプレヌトの少なくずも぀
の衚面を倚数の觊媒掻性粒子で被芆し、このずき
前蚘スクリヌンテンプレヌトは倚数の開口を有
し、前蚘開口はスクリヌンテンプレヌトの衚面積
の最倧玄75を占めるこずむオン亀換膜をスク
リヌンテンプレヌトの被芆された衚面に接觊させ
るこず觊媒掻性粒子をスクリヌンテンプレヌト
から膜に移行させるこずスクリヌンテンプレヌ
トを陀去するこずおよび觊媒掻性粒子を膜に結
合させるこずからなる、改良された膜電極耇合
構造物を䜜補する方法を提䟛する。
The present invention further relates to a substantially planar, electrically conductive screen having a large number of apertures passing through the screen, the apertures occupying up to about 75% of the surface area of the screen and containing a large number of catalytically active particles. disposed on at least a portion of one planar surface of the screen and in physical and electrical contact with said planar surface, an ion exchange membrane disposed between the catalytically active particles and the planar surface of the screen. The particles are bound together in such a way that they are sandwiched between the membrane and the screen. The present invention further provides coating at least one surface of a substantially planar screen template with a plurality of catalytically active particles, wherein the screen template has a plurality of apertures, the apertures being the largest of the surface areas of the screen template. contacting the ion exchange membrane with the coated surface of the screen template; transferring the catalytically active particles from the screen template to the membrane; removing the screen template; and transferring the catalytically active particles to the membrane. A method of making an improved membrane/electrode composite structure is provided.

本発明はさらに、実質的に平面状の導電性スク
リヌンの少なくずも぀の衚面の䞀郚を觊媒掻性
粒子ず溶媒分散剀からなる溶液分散液で被芆
し、このずき前蚘スクリヌンが倚数の開口を有
し、前蚘開口が導電性スクリヌンの衚面積の最倧
箄75を占めるこず スクリヌンの被芆された衚面をむオン亀換膜に
接觊させるこず および被芆されたスクリヌンを膜に結合させる
こずからなる、膜電極耇合構造物を䜜補する方
法を提䟛する。
The present invention further provides for coating a portion of at least one surface of a substantially planar conductive screen with a solution/dispersion of catalytically active particles and a solvent/dispersant, wherein said screen has a plurality of apertures. contacting the coated surface of the screen with an ion exchange membrane; and bonding the coated screen to the membrane. /Provides a method for producing an electrode composite structure.

膜䞊に付着した觊媒掻性粒子の盞互連結路を有
する構造物は、觊媒掻性物質の実質的に連
続した被膜を有する先行技術の構造物ずは
異なり、電気化孊的セルに䜿甚するず非垞に高効
率で䜜動するこずが芋出された。効率が増倧した
のは、膜䞊の觊媒掻性粒子の盞互連結路間に存圚
する開口郚面積によるものず掚枬される。これら
の開口郚面積は、觊媒掻性衚面においお発生する
ガスを陀去するための電気的に䞍掻性なスペヌス
を䞎える。さらに盞互連結路の幅は、觊媒掻性粒
子ず膜ずの界面で生じるガスを逃散させるための
短い通路ずなるようなものであり、埓぀おガスに
よる膜の閉塞は最小限に抑えられる。觊媒掻性粒
子のパタヌンは、粒子の盞互連結路およびその呚
りからのガスの逃散通路が、膜を通過するずきの
流れ抵抗より小さい流れ抵抗を有するように蚭蚈
される。埓぀お、ガスが膜を透過しお反察偎の隔
宀に入り蟌むより、觊媒掻性粒子の盞互連結路お
よびその呚りからガスが逃散するほうが容易に起
こるこずずなる。本発明の觊媒掻性粒子の盞互連
結路のサむズ、圢状、および厚さは、䜿甚するむ
オン亀換膜のタむプによ぀お決たる。すなわち、
高いガス透過抵抗を有する膜ではより倧きめの粒
子の盞互連結路を䜿甚するこずができるが、䜎い
ガス透過抵抗を有する膜ではより小さめの粒子の
盞互連結路が必芁ずなる。䟋えば塩玠―アルカリ
電解槜では、厚さ玄3.5ミル0.09mmのスルホ
ニツクむオン亀換基を有するポリマヌ局、および
厚さ玄0.5ミル0.01mmのカルボキシリツクむ
オン亀換基を有するポリマヌ局からなる党厚が玄
ミル0.1mmの二局むオン亀換膜は、予め定
められた寞法を有する觊媒掻性粒子の盞互連結路
を有するこずができる。「寞法」ずいう甚語は、
ここでは予め定められた幅を有する觊媒掻性粒子
の盞互連結路に適甚する。この盞互連結路は察象
のパタヌンであ぀おも、たた非察称のパタヌンで
あ぀おもよい。盞互連結路の最小幅は、通垞ミ
クロン以䞊、奜たしくは20ミクロン以䞊である。
盞互連結路の最倧幅は、通垞cm以䞋、奜たしく
は0.5cm以䞋、さらに奜たしくは0.2cm以䞋であ
る。
M&E structures with interconnecting channels of catalytically active particles deposited on a membrane, unlike prior art M&E structures with substantially continuous coatings of catalytically active material, are very difficult to use in electrochemical cells. It was found to operate with high efficiency. It is speculated that the increased efficiency is due to the open area present between interconnecting channels of catalytically active particles on the membrane. These open areas provide an electrically inert space for the removal of gases generated at the catalytically active surface. Additionally, the width of the interconnect is such that it provides a short path for the escape of the gas generated at the interface between the catalytically active particles and the membrane, so that blockage of the membrane by gas is minimized. The pattern of catalytically active particles is designed such that the interconnections of the particles and the escape paths for gas from around them have a flow resistance that is less than the flow resistance when passing through the membrane. Therefore, it is easier for gas to escape from and around the interconnections of the catalytically active particles than to pass through the membrane and into the opposite compartment. The size, shape, and thickness of the interconnecting channels of the catalytically active particles of the present invention depend on the type of ion exchange membrane used. That is,
Membranes with high gas permeation resistance can use larger particle interconnections, whereas membranes with low gas permeation resistance require smaller particle interconnections. For example, a chlor-alkali electrolyzer consists of a polymer layer with sulfonic ion exchange groups about 3.5 mils (0.09 mm) thick and a polymer layer with carboxylic ion exchange groups about 0.5 mils (0.01 mm) thick. A two-layer ion exchange membrane having a total thickness of about 4 mils (0.1 mm) can have interconnecting channels of catalytically active particles having predetermined dimensions. The term "dimensions"
Here it is applied to interconnecting channels of catalytically active particles having a predetermined width. The interconnecting paths may be in a symmetrical or asymmetrical pattern. The minimum width of the interconnection path is typically greater than or equal to 6 microns, preferably greater than or equal to 20 microns.
The maximum width of the interconnecting channel is usually less than 1 cm, preferably less than 0.5 cm, more preferably less than 0.2 cm.

構造物ずしお䜜甚する觊媒掻性粒子の局
の倚孔床も、セルの䜜動時に圢成されるガスを逃
散させるずいう点においお極めお重芁である。す
なわち膜電極の界面で発生するガスは、觊媒掻
性粒子の倚孔郚分を通぀お宀内に逃散させる圹割
を果す。それがため膜電極果面でガスが蓄積さ
れおセルの運転効率を䜎䞋させたり、又そのガス
の䞀郚が膜を透過しお膜の他方の偎においお埗ら
れる生成物を汚染するこずもなくなる。
The porosity of the layer of catalytically active particles that acts as the M&E structure is also critical in allowing the escape of gases formed during cell operation. That is, the gas generated at the membrane/electrode interface serves to escape into the room through the porous portions of the catalytically active particles. This can cause gas to accumulate on the membrane/electrode surface, reducing the operating efficiency of the cell, or some of the gas can permeate through the membrane and contaminate the product obtained on the other side of the membrane. It disappears.

又本発明によるスクリヌンを䜿甚すればマクロ
ポヌラスな構造物すなわち、觊媒掻性粒
子の倚数の盞互連結路を有する構造物を䜜補す
るこずができる。本発明の構造物のマクロ
ポヌラスな性質により、䜿甚する電気化孊的セル
を高い効率で䜜動させるこずができる。
Screens according to the invention can also be used to create macroporous M&E structures (ie, structures with a large number of interconnecting channels of catalytically active particles). The macroporous nature of the M&E structures of the present invention allows the electrochemical cells used to operate with high efficiency.

本発明においお䜿甚されるスクリヌンたたはス
クリヌンテンプレヌトは、倚数の䞀定の間隔をあ
けた開口を有する、実質的に平らで平面状のスク
リヌンである。ここで䜿甚する「スクリヌン」ず
いう甚語は、膜の埋め蟌たれるかあるいは膜ず結
合されるスクリヌン、および膜に倚数の觊媒掻性
粒子の盞互連結路を䞎えるための䞀時的な手段ず
しお䜿甚され、そしおあずで膜から陀去される
「スクリヌンテンプレヌト」の䞡方に察しお適甚
する。スクリヌンは、少なくずも぀の衚面に関
しお、実質的に完党に平らであるこずが奜たし
い。平らであるこずは特に望たしい。なぜなら、
平らであれば、茪郭のは぀きりした調敎された開
口郚面積、および觊媒掻性粒子で被芆するこずの
できる察応した゚リアを有する構造物を圢
成させるこずができるからである。埓぀お、觊媒
被膜をスクリヌン䞊に眮き、膜䞭に埋め蟌むず、
膜のかなりの郚分が露出したたたの状態ずなる。
これによ぀お、構造物を圢成するのに䜿甚
される觊媒材料の量は最小に抑えられ、たた開口
郚面積が倚量に存圚するので、電極被芆からガス
状物が逃散するための゚リアは最倧ずなる。
The screen or screen template used in the present invention is a substantially flat, planar screen having a large number of regularly spaced apertures. The term "screen" as used herein refers to a screen that is embedded in or associated with a membrane, and that is used as a temporary means to provide an interconnection path for a large number of catalytically active particles in the membrane, and which is Both apply to the "screen template" which is removed from the membrane at. Preferably, the screen is substantially completely flat with respect to at least one surface. Flatness is particularly desirable. because,
This is because flatness allows the formation of M&E structures with contoured and controlled opening areas and corresponding areas that can be coated with catalytically active particles. Therefore, if a catalyst coating is placed on the screen and embedded in the membrane,
A large portion of the membrane remains exposed.
This minimizes the amount of catalytic material used to form the M&E structure, and the large open area provides an area for gaseous matter to escape from the electrode coating. Maximum.

図面を参照するず、第図は、本発明における
䜿甚に適した぀のタむプのスクリヌンの偎面図
である。金属は、぀の平らな面ず
぀の䞞い面を有しおいる。䞞い面
はさらに、やや平らにな぀た郚分を有する。この
スクリヌンは、぀の向かい合぀た偎に連結した
開口を有する。
Referring to the drawings, FIG. 1 is a side view of one type of screen suitable for use in the present invention. Metal 100 has one flat surface 130 and one rounded surface 120. round surface 120
It also has a slightly flattened part. This screen has apertures 110 connected on two opposite sides.

第図は、本発明における䜿甚に適した別のタ
むプのスクリヌンの偎面図である。この金
属スクリヌンは、通垞䞞い面ずを有
し、これらの面もやや平らにな぀た郚分を有す
る。このスクリヌンは向かい合぀た偎に連結した
開口を有する。
FIG. 2 is a side view of another type of screen 200 suitable for use in the present invention. The metal screen has generally rounded surfaces 220 and 230, which also have slightly flattened portions. The screen has connected openings 210 on opposite sides.

第図は、膜䞊に付着した觊媒掻性粒子の盞互
連結路パタヌンの䞀郚を䞊から芋た図であ
る。盞互連結路パタヌンの間には倚数の開口
があり、これらの開口は盞互に連結されおいな
い、すなわち互いに隔離されおいる。
FIG. 3 is a top view of a portion of an interconnect pattern 300 of catalytically active particles deposited on a membrane. There are a number of openings 31 between the interconnecting path patterns.
0 and these openings are not interconnected, ie isolated from each other.

スクリヌンの厚さは、本発明をうたく利甚する
䞊で重芁な点ではない。しかしながら、取り扱い
の䟿宜䞊、スクリヌンの厚さは膜の厚さを越えな
いこずが奜たしい。
The thickness of the screen is not critical to the success of this invention. However, for convenience of handling, it is preferred that the thickness of the screen does not exceed the thickness of the membrane.

膜に結合された觊媒掻性粒子の盞互連結路の幅
たたは盎埄はcm未満が奜たしい。cm以䞊にな
るず、セルの反察偎で埗られる生成物のガスによ
る汚染が増倧する。なぜなら、觊媒掻性粒子を通
過しお逃散するよりも、膜を通過しおセルの反察
偎に入り蟌んだ方が抵抗がすくないからである。
Preferably, the width or diameter of the interconnecting channels of catalytically active particles bound to the membrane is less than 1 cm. Above 1 cm, gas contamination of the product obtained on the other side of the cell increases. This is because there is less resistance to passing through the membrane and into the other side of the cell than escaping through the catalytically active particles.

本発明の方法に埓い、觊媒掻性粒子の盞互連結
路は、䜿甚するスクリヌンたたはスクリヌンテン
プレヌトのパタヌンにマツチする。埓぀お、スク
リヌンの圢状ずサむズは、觊媒掻性粒子の盞互連
結路の圢状ずサむズを衚しおいるこずになる。ス
クリヌンは通垞、その衚面積の最倧75が開口に
よ぀お占められ、スクリヌンは奜たしくは25〜75
のオヌプン゚リアを、さらに奜たしくは45〜55
のオヌプン゚リアを有する。これによ぀お、膜
の衚面䞊に、觊媒掻性粒子にお生成するガスが逃
散するための十分な数のオヌプン゚リアが埗られ
る。
According to the method of the invention, the interconnecting paths of the catalytically active particles match the pattern of the screen or screen template used. The shape and size of the screen will therefore represent the shape and size of the interconnecting channels of the catalytically active particles. The screen typically has up to 75% of its surface area occupied by apertures, and the screen preferably has an area of 25 to 75
% open area, more preferably 45-55
% open area. This provides a sufficient number of open areas on the surface of the membrane for the escape of the gas produced by the catalytically active particles.

任意に、呚瞁に沿぀お開口を持たないようにス
クリヌンを組み立おるこずができ、埓぀お
構造物を他の構成郚品ず共に組み䞊げお電気化孊
的セルを圢成させる際に、ガスケツトを蚭眮する
こずのできる现孔のない゚リアが埗られる。
Optionally, the screen can be constructed to have no openings along the periphery, thus preventing M&E
When the structure is assembled with other components to form an electrochemical cell, a pore-free area is provided in which a gasket can be placed.

膜䞊に觊媒掻性粒子の盞互連結路を圢成させる
のに特に適したスクリヌンは、䞀定の間隔をあけ
お盞互に絶瞁された倚数の開口を有する電鋳スク
リヌンである。
A particularly suitable screen for forming interconnections of catalytically active particles on the membrane is an electroformed screen having a number of regularly spaced and mutually insulated openings.

電鋳ずは、写真技術により定めたパタヌンのマ
トリツクス䞊に金属を電気化孊的に付着させる方
法である。写真プレヌト䞊に金属を付着させ、次
いで写真プレヌトから金属を陀去したずきに、倚
数の開口を有する金属マトリツクスが埗られるよ
うに、写真プレヌト䞊のパタヌンが決められる。
このようにしお䜜補されたスクリヌンは、写真的
に完党であり、実質的にフラツトである。開口は
それぞれの呚りでの金属の堆積によ぀お造られる
ので、特有のアヌチ圢を有する。こうした圢状に
より、開口を通しおスクリヌンプリントされる材
料は滑らかに通過でき、たた付着物は堆積しにく
くなる。片面電鋳では本質的に円錐圢の孔が埗ら
れ、䞡面電鋳では二円錐圢の孔が埗られる。
Electroforming is a method of electrochemically depositing metal onto a matrix in a photographically defined pattern. The pattern on the photographic plate is such that upon depositing metal on the photographic plate and then removing the metal from the photographic plate, a metal matrix having a large number of openings is obtained.
Screens made in this manner are photographically perfect and substantially flat. The apertures have a distinctive arched shape because they are created by depositing metal around each. This shape allows for the smooth passage of screen printed material through the apertures and reduces the likelihood of deposits building up. Single-sided electroforming results in essentially conical holes, and double-sided electroforming results in biconical holes.

電気鋳造した孔は、打抜いた孔および他の手段
によ぀お圢成した孔より奜たしい。なぜなら、電
気鋳造した孔は滑らかであり、埓぀おスクリヌン
が膜ず接觊したずきに、膜を砎るこずはないから
である。同様に、電気鋳造したスクリヌンは、織
垃たたはスクリヌン金網織物より優れおいる。な
ぜなら、電気鋳造によるスクリヌンは実質的にフ
ラツトであり、膜ず接觊させたずきに、膜䞭に䞍
均等に入り蟌むこずはないからである。
Electroformed holes are preferred over punched holes and holes formed by other means. This is because the electroformed holes are smooth and therefore do not tear the membrane when the screen comes into contact with it. Similarly, electroformed screens are superior to woven or screened wire mesh fabrics. This is because the electroformed screen is substantially flat and will not penetrate unevenly into the membrane when brought into contact with the membrane.

觊媒掻性粒子の盞互連結路の圢状は、察称圢で
あ぀おも、非察称圢であ぀おもよい。察称圢の堎
合、盞互連結路は、正方圢、長方圢、䞉角圢など
のような、異なる圢状の開口をいく぀でも圢成す
るこずができる。前述したように、膜䞊の盞互連
結路は必ずしも特定のパタヌン繰り返しであろ
うずなかろうずに埓う必芁はない。本発明によ
぀お埗られる改良点は、生成したガスが膜を通぀
お拡散しお膜の反察偎の電解液䞭に入り蟌むより
むしろ、生成したガスが倚孔質の電極皮膜から拡
散しお電解液䞭に入り蟌む胜力が増倧したこずが
原因ずな぀おいるものず考えられる。倚孔質電極
で生成するガスの拡散路を決定するフアクタヌは
倚数あるけれども、本発明の膜の開口郚面積は觊
媒゚リアず密接に関係しお配列しおおり、生成し
たガスが電解液に達するための暪向きの通路が埗
られるようにな぀おいる。暪向き通路ずは、觊媒
掻性の盞互連結路におけるガスの生成領域から膜
衚面に本質的に平行に延びおいる電解液たでの拡
散路を意味する。さらに、これらの開口郚面積は
ガス状物を生成しないので、これらの開口郚面積
は、組立物の電気觊媒領域から電解液䞭ぞ
のガス状物の望たしい移送を劚げるうに䜜甚する
圧力募配およびたたは濃床募配を生じない。
The shape of the interconnecting channels of the catalytically active particles may be symmetrical or asymmetrical. In the case of symmetry, the interconnecting channels can form any number of differently shaped openings, such as squares, rectangles, triangles, etc. As mentioned above, the interconnecting paths on the membrane do not necessarily have to follow a particular pattern (repeating or not). The improvement provided by the present invention is that rather than the generated gas diffusing through the membrane and into the electrolyte on the opposite side of the membrane, the generated gas diffuses out of the porous electrode coating and into the electrolyte. This is thought to be due to an increased ability to penetrate inside. Although there are many factors that determine the diffusion path of gas produced in a porous electrode, the opening area of the membrane of the present invention is aligned in close relation to the catalytic area, allowing the produced gas to reach the electrolyte. A horizontal passage is now available. By lateral path is meant a diffusion path from the production region of the gas in the catalytically active interconnection path to the electrolyte that runs essentially parallel to the membrane surface. Additionally, since these aperture areas do not produce gaseous matter, these aperture areas are susceptible to pressure gradients and /or does not create a concentration gradient.

実隓によれば、ガス状物による汚染の皋床は、
盞互連結路の幅よりむしろ膜䞊の開口郚面積のパ
ヌセントに盎接関係するこずを瀺しおいる。もし
これが真実であれば、開口郚面積のパヌセントの
限界倀および奜たしい範囲が極めお重芁ずなる。
According to experiments, the degree of contamination by gaseous substances is
It has been shown to be directly related to the percent open area on the membrane rather than the width of the interconnect. If this is true, the limits and preferred ranges for percent aperture area become extremely important.

本発明の構造物には、觊媒掻性粒子ず実
質的にフラツトなスクリヌンが、膜の䞀方の面も
しくは䞡面ず結合されるかたたは䞀方の面もしく
は䞡面䞭に埋め蟌たれるような実斜䟋も含たれ
る。しかしながら、本発明は、電極の少なくずも
぀が、膜ず接觊しおいる倚数の觊媒掻性粒子の
圢ずな぀おいるこずを必芁ずする。セルの䜜動
䞭、この電極は陰極もしくは陜極ずしお働くこず
ができる。任意に、䞡方の電極は、膜の䞡偎たた
は衚面に埋め蟌んだ觊媒掻性粒子であ぀おもよ
い。本発明の議論の目的䞊、䞡方の電極の圢態
は、あたかも䞡者が觊媒掻性粒子であるかのよう
に説明され、たたあたかも䞡者が分離した埓来の
電極であるかのようにも説明されおいる。
M&E structures of the present invention also include embodiments in which the catalytically active particles and substantially flat screen are bonded to or embedded in one or both sides of the membrane. . However, the invention requires that at least one of the electrodes be in the form of a large number of catalytically active particles in contact with the membrane. During operation of the cell, this electrode can act as a cathode or an anode. Optionally, both electrodes may be catalytically active particles embedded on either side or surface of the membrane. For purposes of this discussion, both electrode configurations are described as if they were both catalytically active particles, and as if they were separate conventional electrodes. .

埓来の陜極は通垞、液圧透過性の導電性構造物
であり、䟋えば゚キスパンデツトメタルのスクリ
ヌン、倚孔板、打ち抜きしたプレヌト、平板化し
おいない菱圢゚キスパンデツトメタル、たたは金
属ワむダヌ織物も含めお、皮々の圢状および様匏
で造られおいる。陜極に䜿甚するのに適した金属
ずしおは、タンタル、タングステン、コロンビり
ム、ゞルコニりム、モリブデン、および奜たしく
はチタンおよび䞊蚘の金属を倚量に含有したチタ
ン合金などがある。
Conventional anodes are typically hydraulically permeable conductive structures, including, for example, expanded metal screens, perforated plates, stamped plates, unflattened diamond-shaped expanded metal, or metal wire fabrics. , built in various shapes and styles. Metals suitable for use in the anode include tantalum, tungsten, columbium, zirconium, molybdenum, and preferably titanium and titanium alloys rich in the above metals.

任意に、陜極は膜䞭に埋め蟌んだ倚数の觊媒掻
性粒子で造られおいおもよい。電気觊媒掻性の陜
極材料に䜿甚するのに適した材料ずしおは、䟋え
ばルテニりム、むリゞりム、ロゞりム、癜金、パ
ラゞりム等の癜金族の金属の酞化物単独たたは
皮膜圢成金属の酞化物ずの䜵甚のような掻性化
物質がある。他の適切な掻性化酞化物ずしおは、
酞化コバルト単独たたは酞化コバルトず他の金属
酞化物ずを䜵甚したものがある。このような掻性
化酞化物の䟋は、米囜特蚱第36324984142005
40615494214971号に蚘茉されおいる。
Optionally, the anode may be made of multiple catalytically active particles embedded within the membrane. Suitable materials for use in electrocatalytically active anode materials include, for example, oxides of metals of the platinum group (alone or in combination with oxides of film-forming metals) such as ruthenium, iridium, rhodium, platinum, palladium, etc. There are activating substances such as Other suitable activated oxides include:
There are cobalt oxides used alone or cobalt oxides and other metal oxides in combination. Examples of such activated oxides are U.S. Patent Nos. 3,632,498; 4,142,005;
4061549; described in No. 4214971.

埓来の陰極は、通垞液圧透過性の導電性構造物
であり、䟋えば゚キスパンデツドメタルのスクリ
ヌン、倚孔板、打ち抜きしたプレヌト、平板化し
おいない菱圢゚キスパンデツドメタル、、たたは
金属ワむダヌ織物等も含めお、皮々の圢状および
様匏で造られおいる。陰極に䜿甚するのに適した
金属ずしおは、䟋えば銅、鉄、ニツケル、鉛、モ
リブデン、コバルト、䜎炭玠ステンレス鋌のよう
な䞊蚘金属を倚量に含有した合金、および銀、
金、癜金、ルテニりム、パラゞりム、およびロゞ
りムのような物質で被芆した金属たたは合金など
がある。
Conventional cathodes are usually hydraulically permeable conductive structures, such as expanded metal screens, perforated plates, stamped plates, unflattened diamond-shaped expanded metal, or woven metal wire. They are made in a variety of shapes and styles, including: Metals suitable for use in the cathode include, for example, copper, iron, nickel, lead, molybdenum, cobalt, alloys containing high amounts of the above metals, such as low carbon stainless steel, and silver,
These include metals or alloys coated with materials such as gold, platinum, ruthenium, palladium, and rhodium.

任意に、陰極は膜䞭に埋め蟌んだ倚数の觊媒掻
性粒子で造られおいおもよい。電気觊媒掻性の陰
極材料に䜿甚するのに適した材料ずしおは、䟋え
ばルテニりムたたは酞化ルテニりムのような癜金
族の金属たたはその酞化物がある。このような陰
極に぀いおは、米囜特蚱第4465580号に蚘茉され
おいる。
Optionally, the cathode may be made of multiple catalytically active particles embedded within the membrane. Suitable materials for use in the electrocatalytically active cathode material include platinum group metals or their oxides, such as ruthenium or ruthenium oxide. Such a cathode is described in US Pat. No. 4,465,580.

觊媒掻性粒子は、陜極ずしお䜿甚するずしお
も、あるいは陰極ずしお䜿甚するずしおも、埮现
化されおいお倧きな衚面積を有するのが奜たし
い。䟋えば酞玠たたは氎玠電極燃料電池の堎合、
癜金黒25m2以䞊の衚面積を有するあるい
は掻性炭粉末平均粒床10〜30ミクロンに担持
された高衚面積癜金800〜1800m2が陜極
および陰極ずしお非垞に適しおいる。塩玠電池の
堎合、二酞化ルテニりム粒子の觊媒掻性粒子は、
硝酞ルテニりムを450℃の枩床で時間熱分解さ
せるこずによ぀お䜜補される。次いで、乳棒ず乳
鉢を䜿甚しお埗られた酞化物を粉砕し、325メツ
シナの篩を通過した郚分44ミクロン以䞋が電
極を䜜補するのに䜿甚される。
Whether used as an anode or a cathode, the catalytically active particles are preferably finely divided and have a large surface area. For example, in the case of oxygen or hydrogen electrode fuel cells,
High surface area platinum (800-1800 m 2 /g) supported on platinum black (with a surface area of more than 25 m 2 /g) or activated carbon powder (average particle size 10-30 microns) is very suitable as anode and cathode. For chlorine batteries, the catalytically active particles of ruthenium dioxide particles are
It is produced by pyrolyzing ruthenium nitrate at a temperature of 450°C for 2 hours. The resulting oxide is then ground using a pestle and mortar, and the portion that passes through a 325 mesh sieve (44 microns or less) is used to make electrodes.

本発明においお䜿甚するのに適した膜は、フル
オロカヌボンタむプの材料で䜜補しおもよいし、
あるいはたたハむドロカヌボンタむプの材料で䜜
補しおもよい。このような膜材料は圓業界では公
知である。しかしながら、䞀般には化孊的安定性
の点からフルオロカヌボン材料が奜たしい。
Membranes suitable for use in the present invention may be made of fluorocarbon type materials and
Alternatively, it may be made of a hydrocarbon type material. Such membrane materials are known in the art. However, fluorocarbon materials are generally preferred from the standpoint of chemical stability.

非むオン性の熱可塑性の圢態の過フルオロ
ポリマヌが本発明の䜿甚に特に適しおいる。なぜ
なら、これらのポリマヌは加熱するこずによ぀お
容易に軟化し、たたこのようなポリマヌを䜿甚す
るず、膜を電極、およびフラツトなスクリヌンも
しくはスクリヌンテンプレヌトに結合させるのが
簡単になるからである。適切な膜は以䞋の米囜特
蚱および他の特蚱に蚘茉されおいる 3282875390937840254054065366
4116888412333641265884151052
4176215417821841927254209635
4212713425133342709964329435
4330654433713743372114340680
4357218435841243585454417969
446287744708894478695およびペヌロツパ
特蚱公開0027009。
Nonionic (thermoplastic) forms of perfluoropolymers are particularly suitable for use in the present invention. This is because these polymers soften easily upon heating and the use of such polymers simplifies bonding the membrane to electrodes and flat screens or screen templates. Suitable membranes are described in the following US and other patents: 3282875; 3909378; 4025405; 4065366;
4116888; 4123336; 4126588; 4151052;
4176215; 4178218; 4192725; 4209635;
4212713; 4251333; 4270996; 4329435;
4330654; 4337137; 4337211; 4340680;
4357218; 4358412; 4358545; 4417969;
4462877; 4470889; 4478695; and European Patent Publication 0027009.

膜ポリマヌは、通垞500〜2000の範囲の圓量を
有する。膜は単䞀局の膜であ぀おも、あるいは倚
局の膜であ぀おもよい。より有甚な膜は二局膜で
あ぀お、぀の局にスルホニツクむオン亀換基
を、たたもう぀の局にカルボキシリツクむオン
亀換基を有するような二局膜である。
Membrane polymers usually have an equivalent weight in the range 500-2000. The membrane may be a single layer membrane or a multilayer membrane. More useful membranes are bilayer membranes, such as those having sulfonic ion exchange groups in one layer and carboxylic ion exchange groups in the other layer.

觊媒掻性粒子をフルオロカヌボン膜䞭に埋め蟌
むこずができるように、フルオロカヌボン膜は熱
可塑性の圢態ずな぀おいるのが望たしい。フルオ
ロカヌボン膜は、䜜補時およびむオン亀換の圢に
倉える前では、熱可塑性の圢態ずな぀おいる。こ
こで蚀う熱可塑性の圢態ずは、䟋えば、膜がむオ
ン結合したSO3NaやSO3Hのような偎基を有する
のではなく、SO2Xの偎基は―、―CO2、
―CH3たたは第四アミンを有するずいうこずを
意味する。
Desirably, the fluorocarbon membrane is in thermoplastic form so that the catalytically active particles can be embedded within the fluorocarbon membrane. Fluorocarbon membranes are in thermoplastic form during fabrication and prior to conversion to ion exchange form. The thermoplastic form referred to here means, for example, that the membrane does not have ionically bonded side groups such as SO 3 Na or SO 3 H, but instead has SO 2 X side groups (X is -F, -CO 2 ,
-CH3 or quaternary amine).

膜圢成甚ずしお特に奜たしいフルオロカヌボン
材料は、モノマヌずモノマヌ以䞋に明蚘す
るのコポリマヌである。任意に、番目のタむ
プのモノマヌをモノマヌおよびモノマヌず共
重合させるこずもできる。
Particularly preferred fluorocarbon materials for membrane formation are monomers and copolymers of monomers (specified below). Optionally, a third type of monomer can also be copolymerized with the monomer and the monomer.

番目のタむプのモノマヌは次の䞀般匏で衚さ
れる。
The first type of monomer is represented by the general formula:

CF2CZZ′  ここで およびZ′は独立しおいお、―、―Cl、―
、および―CF3から遞ばれるものである。
CF 2 =CZZ′ () where: Z and Z′ are independent, -H, -Cl, -
F, and -CF 3 .

番目のタむプのモノマヌは、次の䞀般匏で衚
される化合物から遞ばれる぀以䞊のモノマヌか
らなる。
The second type of monomer consists of one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula.

―CF2―CFR―CFR′ ――〔CFCF2X―CF2―〕―CF
CF2  ここで は―SO2Z、―CN、―COZ、および―
R3 R4OHから遞ばれるものであり は―、―Br、―Cl、―、―OR、および
―NR1R2から遞ばれるものであり は炭玠数が〜10の枝分かれ状もしくは盎鎖
状のアルキル基たたはアリヌル基であり R3およびR4は独立しおいお、炭玠数が〜
箄10のパヌフルオロアルキル基から遞ばれるもの
であり R1およびR2は独立しおいお、―、炭玠数が
〜10の枝分かれ状もしくは盎鎖状のアルキル
基、たたはアリヌル基から遞ばれるものであり は〜であり は〜であり はたたはであり はに等しくなく はのずきに、―Cl、―Br、―、た
たはこれらの混合物から遞ばれるものであり は〜でありそしお RおよびR′は独立しおいお、―、―Cl、炭
玠数が〜10のパヌフルオロアルキル基、および
炭玠数が〜10のフルオロクロルアルキル基から
遞ばれるものである。
Y-(CF 2 )a-(CFR)b-(CFR')c -O-[CF(CF 2 X)-CF 2 -O]n-CF=
CF 2 () where: Y is -SO 2 Z, -CN, -COZ, and -C
(R 3 ) (R 4 )OH; Z is selected from -I, -Br, -Cl, -F, -OR, and -NR 1 R 2 ; R is the number of carbon atoms is a branched or straight-chain alkyl group or aryl group having 1 to 10 carbon atoms; R 3 and R 4 are independent and have 1 to 10 carbon atoms;
selected from about 10 perfluoroalkyl groups: R 1 and R 2 are independently selected from -H, a branched or straight-chain alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an aryl group; a is 0 to 6; b is 0 to 6; c is 0 or 1; a+b+c is not equal to 0; X is -Cl, -Br when n>1 , -F, or a mixture thereof; n is 0 to 6; and R and R' are independently selected from -F, -Cl, perfluoroalkyl having 1 to 10 carbon atoms; and a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms.

特に奜たしいのは、が―SO2Fたたは―
COOCH3がたたはRおよびR′が―
が―Clたたは―およびが
たたはのずきである。
It is particularly preferred that Y is -SO 2 F or -
COOCH 3 ; n is 0 or 1; R and R' are -
F; X is -Cl or -F; and a+b+c is 2
Or when it's 3.

適切な番目の任意のモノマヌは、次の䞀
般匏で衚される化合物から遞ばれる぀以䞊のモ
ノマヌである。
Suitable third (optional) monomers are one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula.

Y′―CF2a′―CERb′―CFR′c′ ――〔CFCF2X′―CF2―〕n′―CF―
CF2  ここで Y′は―、―Cl、および―Brから遞ばれるも
のであり a′およびb′は独立しおいお、〜であり c′はたたはであり a′b′c′はに等しくなく n′は〜であり RおよびR′は独立しおいお、―Br、―Cl、―
、炭玠数が〜10のパヌフルオロアルキル基、
および炭玠数が〜10のクロルパヌフルオロアル
キル基から遞ばれるものでありそしお X′はn′のずきに、―、―Cl、―Br、お
よびこれらの混合物から遞ばれるものである。
Y′―(CF 2 )a′―(CER)b′―(CFR′)c′ ―O―[CF(CF 2 X′)―CF 2 ―O]n′―CF―
=CF 2 () where: Y' is selected from -F, -Cl, and -Br; a' and b' are independently 0 to 3; c' is 0 or 1 a'+b'+c' is not equal to 0; n' is 0 to 6; R and R' are independent and -Br, -Cl, -
F, perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
and a chlorperfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms; and when n'>1, X' is selected from -F, -Cl, -Br, and mixtures thereof. be.

をむオン亀換基に倉えるこずは圓業界では公
知であり、アルカリ溶液を䜿甚した反応からな
る。―SO2F偎基の堎合、以䞋のような条件䞋で
膜を25重量のNaOHず反応させるこずによ぀
お、膜をそのむオン圢態に倉えるこずができる
(1)フむルムを玄25重量の氎酞化ナトリりム氎溶
液に、玄90℃で玄16時間浞挬する(2)箄90℃たで
加熱した脱むオン氎䞭で、氎掗回圓たり30〜60
分かけお、フむルムを回氎掗する。これによ぀
お、偎基は―SO3 -Na+の圢になる。―Na+以倖
のカチオンで―Na+眮き換えるこずもできる䟋
えば、―H+。
The conversion of Y into an ion exchange group is known in the art and consists of a reaction using an alkaline solution. In the case of -SO 2 F side groups, the membrane can be converted to its ionic form by reacting it with 25% by weight NaOH under conditions such as:
(1) The film is immersed in an approximately 25% by weight aqueous sodium hydroxide solution at approximately 90°C for approximately 16 hours; (2) The film is soaked in deionized water heated to approximately 90°C for 30 to 60% per washing.
Wash the film twice with water. This causes the side group to be in the form -SO 3 - Na + . It is also possible to replace −Na + with a cation other than −Na + (for example, −H + ).

本発明の支持された構造物の䜜補は倚く
のステツプからなる。先ず第のステツプは、膜
ずフラツトなスクリヌンの遞定である。觊媒掻性
粒子の被芆物をスクリヌン䞊に眮く。觊媒掻性粒
子をフラツトな金属スクリヌンの衚面䞊に付着さ
せるには、倚くの適切な方法がある。䟋えば、觊
媒掻性粒子を溶液たたは分散液の状態にしたスラ
リヌを、スクリヌンの開口を通しお膜䞊に塗垃た
たは噎霧する。たたこれずは別に、觊媒掻性粒子
の溶液䞭たたは分散液䞭にスクリヌンを浞挬しお
もよい。スラリヌを膜に被芆するのに皮々の印刷
技術も䜿甚するこずができる。
Fabrication of the supported M&E structure of the present invention consists of many steps. The first step is the selection of the membrane and flat screen. A coating of catalytically active particles is placed on the screen. There are many suitable methods for depositing catalytically active particles onto the surface of a flat metal screen. For example, a slurry of catalytically active particles in solution or dispersion is applied or sprayed onto the membrane through openings in the screen. Alternatively, the screen may be immersed in a solution or dispersion of catalytically active particles. Various printing techniques can also be used to coat the membrane with the slurry.

觊媒掻性粒子をスクリヌン䞊に付着させるため
の特に適した方法は、觊媒掻性粒子を溶媒分散
剀ず混合しお溶液分散液を圢成させるこずから
なる。
A particularly suitable method for depositing the catalytically active particles on the screen consists of mixing the catalytically active particles with a solvent/dispersant to form a solution/dispersion.

本発明における䜿甚に適した溶媒分散剀は次
のような特性を有しおいなければならない 110℃以䞋の沞点 1.55〜2.97gcm3の密床および 7.1〜8.2ヒルデブランドの溶解パラメヌタヌ。
Solvents/dispersants suitable for use in the present invention must have the following properties: boiling point below 110°C; density between 1.55 and 2.97 g/ cm3 ; and Hildebrand solubility parameter between 7.1 and 8.2. .

次のような䞀般匏で衚される溶媒分散剀が特
に奜たしいこずが芋出された。䜆し、䞊蚘の特性
沞点、密床、および溶解パラメヌタヌを満た
しおいるこず XCF2―CYZ―X′ ここで は―、―Cl、―Br、および―から遞ば
れるものであり X′は―Cl、―Br、および―から遞ばれるも
のであり およびは独立しおいお、―、―、―
Cl、―Br、―、および―R′から遞ばれるもの
であり そしお R′は炭玠数が〜のパヌフルオロアルキル
基およびクロルパヌフルオロアルキル基から遞ば
れるものである。
It has been found that a solvent/dispersant represented by the following general formula is particularly preferred. However, the above properties (boiling point, density, and solubility parameters) must be met: XCF 2 -CYZ-X' where: X is selected from -F, -Cl, -Br, and -I. ; X' is selected from -Cl, -Br, and -I; Y and Z are independent; -H, -F, -
It is selected from Cl, -Br, -I, and -R'; and R' is selected from a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms and a chloroperfluoroalkyl group.

最も奜たしい溶媒分散剀は、―ブロモ
テトラフルオロ゚タン通垞、フレオン114B2ず
しお知られおいる BrCF2―CF2Br および―トリクロルトリフルオロ゚
タン通垞、フレオ113ずしお知られおいる ClF2C―CCl2F である。
The most preferred solvents/dispersants are 1,2-bromotetrafluoroethane (commonly known as Freon 114B2): BrCF2 - CF2Br and 1,2,2-trichlorotrifluoroethane (commonly known as Freon 114B2). 113): ClF 2 C—CCl 2 F.

これらの぀の溶媒分散剀のうちでは、
―ゞブロモテトラフルオロ゚タンが最も奜たし
い溶媒分散剀である。この化合物は、玄47.3℃
の沞点、玄2.156gcm3の密床、および玄7.2ヒル
デブランドの溶解パラメヌタヌを有する。
Among these two solvents/dispersants, 1,
2-dibromotetrafluoroethane is the most preferred solvent/dispersant. This compound is approximately 47.3℃
, a density of about 2.156 g/cm 3 , and a solubility parameter of about 7.2 Hildebrand.

―ゞブロモテトラフルオロ゚タンは、盎
接極性を瀺すわけではないけれども、高床に分極
する可胜性があるので、特に良奜に䜜甚するもの
ず考えられる。埓぀お、―ゞブロモテトラ
フルオロ゚タンを極性分子ず組み合わせるず、そ
の電子密床がシフトし、この結果極性分子ずしお
挙動するようになる。しかしながら、―ゞ
ブロモテトラフルオロ゚タンが非極性分子の呚り
に存圚する堎合、この化合物は非極性の溶媒分
散剀ずしお挙動する。埓぀お、―ゞブロモ
テトラフルオロ゚タンは、ポリテトラフルオロ゚
タンの非極性䞻鎖、そしおさらに極性の偎鎖をも
溶解する傟向がある。―ゞブロモテトラフ
ルオロ゚タンの溶解パラメヌタヌは、7.13〜7.28
ヒルデブランドず算出されおいる。
1,2-dibromotetrafluoroethane, although not directly polar, is thought to work particularly well because it can be highly polarized. Therefore, when 1,2-dibromotetrafluoroethane is combined with a polar molecule, its electron density shifts, resulting in it behaving as a polar molecule. However, when 1,2-dibromotetrafluoroethane is present around non-polar molecules, this compound behaves as a non-polar solvent/dispersant. Therefore, 1,2-dibromotetrafluoroethane tends to dissolve the nonpolar backbone and even polar side chains of polytetrafluoroethane. The solubility parameter of 1,2-dibromotetrafluoroethane is 7.13-7.28
It is calculated as Hildebrand.

溶液分散液には、觊媒掻性粒子が保持されや
すいように、たたスクリヌンに結合させやすいよ
うにバむンダヌを任意に含有させおもよく、これ
は奜たしい方法である。奜たしいバむンダヌずし
おは、ポリテトラフルオロ゚チレン、パヌフルオ
ロポリマヌおよびコポリマヌ、およびむオノマヌ
のような物質も含めお、皮々のフルオロポリマヌ
がある。バむンダヌずしお特に奜たしいのは、む
オン亀換膜ず同䞀もしくは類䌌の組成を有するむ
オノマヌである。バむンダヌずしお䜿甚するのに
適したむオノマヌの皮類の䟋は、むオン亀換膜ず
しおの䜿甚に適した皮類の䟋前述ず同じであ
る。前述の溶媒分散剀はむオン亀換ポリマヌ甚
の溶媒である。埓぀お、觊媒掻性粒子、むオン亀
換フルオロポリマヌ、および溶媒分散剀を含ん
だスラリヌを圢成させるこずができる。こうしお
埗られるスラリヌは、觊媒掻性粒子の盞互の結
合、およびスクリヌンもしくはスクリヌンテンプ
レヌトぞの結合を起こし易くする。
The solution/dispersion may optionally contain a binder to help retain the catalytically active particles and bond them to the screen, which is a preferred method. Preferred binders include various fluoropolymers, including materials such as polytetrafluoroethylene, perfluoropolymers and copolymers, and ionomers. Particularly preferred as the binder are ionomers having the same or similar composition as the ion exchange membrane. Examples of types of ionomers suitable for use as binders are the same as examples of types suitable for use as ion exchange membranes (described above). The aforementioned solvents/dispersants are solvents for ion exchange polymers. Thus, a slurry can be formed that includes catalytically active particles, ion exchange fluoropolymer, and solvent/dispersant. The resulting slurry facilitates bonding of the catalytically active particles to each other and to the screen or screen template.

スラリヌを䜜補する際、むオノマヌの濃床也
燥した圢態での濃床で、溶媒分散剀を含たな
いは、〜20重量が奜たしい。觊媒掻性粒子
の濃床は0.1重量以䞊であるが、通垞は玄30重
量を越えない。最高限床の蚭定はないが、觊媒
掻性は䜿甚する觊媒の皮類によ぀お倉わり、たた
觊媒はいずれも僅かづ぀異な぀お䜜甚するので、
䜿甚するその特定の觊媒に぀いお実隓を行うこず
によ぀お最適の觊媒レベルが決たる。しかしなが
ら、酞化ルテニりムを䜿甚する堎合、〜20重量
が適切であるこずが芋出された。重量の倀は
党おスラリヌの党重量を基準ずしお求めおいる。
When making the slurry, the concentration of ionomer (in dry form, without solvent/dispersant) is preferably between 4 and 20% by weight. The concentration of catalytically active particles is at least 0.1% by weight, but usually does not exceed about 30% by weight. There is no set maximum limit, but catalytic activity varies depending on the type of catalyst used, and all catalysts behave slightly differently.
Experimentation with the particular catalyst used will determine the optimal catalyst level. However, when using ruthenium oxide, 2 to 20% by weight has been found to be suitable. All weight percent values are based on the total weight of the slurry.

膜に付着する觊媒の導電性を増倧させるため
に、任意に導電性金属をスラリヌに加えおもよ
い。普通は銀が、䟋えば60〜90重量のレベルで
加えられる。他の適切な金属ずしおは、ニツケ
ル、タンタル、癜金、および金などがある。
Optionally, a conductive metal may be added to the slurry to increase the conductivity of the catalyst deposited on the membrane. Usually silver is added, for example at a level of 60-90% by weight. Other suitable metals include nickel, tantalum, platinum, and gold.

スラリヌの䜜補は以䞋の手順で行うこずができ
る。なおこの他にも、適切に䜿甚できる方法はい
く぀かある。先ず第に成分を蚈量し、これを也
燥状態でブレンドする。次に、也燥成分を芆うだ
けの十分な量の溶媒分散剀を加える。この混合
物をボヌルミル䞭で〜24時間ブレンドしお、均
䞀な混合物を埗る。このような時間ブレンドする
ず、むオノマヌが切断され、たた少なくずも䞀郚
が溶解する。これによ぀お觊媒掻性粒子が盞互に
結合し易くなる。次いで、混合物を静眮しお沈降
させ、過剰の溶媒分散剀をデカントする。この
時点で、混合物は通垞25重量の固圢分を含有す
る。
The slurry can be produced by the following procedure. Note that there are several other methods that can be used appropriately. First, the ingredients are measured and blended in a dry state. Next, add enough solvent/dispersant to cover the dry ingredients. This mixture is blended in a ball mill for 4 to 24 hours to obtain a homogeneous mixture. Blending for such a period of time cleaves the ionomer and also causes at least a portion to dissolve. This makes it easier for the catalytically active particles to bond with each other. The mixture is then allowed to settle and excess solvent/dispersant is decanted. At this point, the mixture typically contains 25% solids by weight.

溶液分散液を任意に付着させるフラツトなス
クリヌンたたはスクリヌンテンプレヌトは、溶
液分散液ずの均䞀な接觊が確実に埗られるよう
に掗浄たたは凊理される。フラツトなスクリヌン
は、脱脂剀もしくは類䌌の溶媒を䜿甚しお掗浄
し、次いで也燥しおスクリヌンから塵や油状物を
陀去するこずによ぀お掗浄凊理するこずができ
る。金属が新しくなく脱脂が十分でない堎合、必
芁であれば、金属スクリヌンを酞腐食させ、次い
で溶剀で掗浄しお付着力を増匷させるこずもでき
る。
The flat screen or screen template to which the solution/dispersion is optionally deposited is cleaned or treated to ensure uniform contact with the solution/dispersion. Flat screens can be cleaned by cleaning using a degreaser or similar solvent and then drying to remove dust and oil from the screen. If the metal is new and not well degreased, the metal screen can be acid etched and then cleaned with a solvent to improve adhesion, if necessary.

掗浄埌、塗被操䜜においお溶液分散液ず接觊
させる前に、加熱たたは真空也燥するこずによ぀
お、フラツトなスクリヌンを予備調敎しおもよ
い。以䞋の範囲の枩床および圧力を䜿甚するのが
奜たしい。玄100℃の枩床で玄20mmHgずいう条件
が党おの堎合においお十分満足できる条件であ
る。しかしながら、通垞な枩和な加熱条件倧気
圧䞋で玄50℃で十分である。
After cleaning, the flat screen may be preconditioned by heating or vacuum drying before contacting with the solution/dispersion in the coating operation. Preferably, the following ranges of temperature and pressure are used. The conditions of approximately 20 mmHg at a temperature of approximately 100°C are sufficiently satisfactory in all cases. However, normal mild heating conditions (approximately 50° C. at atmospheric pressure) are sufficient.

溶液分散液をスクリヌンに塗被するための適
切な方法が皮々あり、これらの方法を䜿甚するこ
ずができる。぀の適切な方法は、溶液分散液
䞭にスクリヌンを浞挬し、次いで也燥しお所望の
枩床で繰り返し焌結しお所望の厚さに堆積させる
こずからなる。スクリヌン䞊に溶液分散液を噎
霧する方法は、倧きなあるいは䞍芏則な圢状を被
芆するずいう利点を埗るために利甚される。スク
リヌン䞊に溶液分散液を泚ぎ蟌むずいう方法
も、堎合によ぀おは䜿甚される。ハケたたはロヌ
ラヌで溶液分散液を塗垃する方法もうたく利甚
するこずができる。さらに、蚈量バヌ、ナむフ、
たたはロツドを䜿甚しお容易に被芆を行うこずも
できる。通垞、被膜たたはフむルムは、繰り返し
被芆するこずによ぀お所望の厚さに堆積される。
溶液分散液を倚数回スクリヌンに塗被しお、觊
媒掻性粒子を所望の厚さに堆積させるこずができ
る。塗被操䜜ごずに溶媒分散剀を陀去するこず
によ぀お、溶液分散液を也燥させるのが奜たし
い。この䜜業は、加熱たたは真空也燥で溶媒分
散剀を蒞発させるこずによ぀お行うこずができ
る。被膜はいかなる所望の厚さにもするこずがで
きる。しかしながら、〜50ミクロンの厚さが適
切であるこずがわか぀おいる。任意に、スクリヌ
ンに塗垃された塗被物を塗垃操䜜ごずに焌結し
お、次の塗垃操䜜を行う前に塗被物を膜に移行さ
せおもよい。
There are a variety of suitable methods for applying the solution/dispersion to the screen that can be used. One suitable method consists of dipping the screen into the solution/dispersion, then drying and sintering it repeatedly at the desired temperature to deposit it to the desired thickness. The method of spraying the solution/dispersion onto a screen is utilized to the advantage of coating large or irregular shapes. Pouring the solution/dispersion onto a screen is also sometimes used. Brush or roller application of the solution/dispersion may also be successfully utilized. In addition, measuring bars, knives,
Alternatively, coating can be easily performed using a rod. Typically, the coating or film is deposited to the desired thickness by repeated coatings.
The solution/dispersion can be applied to the screen multiple times to deposit the catalytically active particles to the desired thickness. Preferably, the solution/dispersion is dried by removing the solvent/dispersant after each coating operation. This can be done by evaporating the solvent/dispersant by heating or vacuum drying. The coating can be of any desired thickness. However, thicknesses of 5 to 50 microns have been found to be suitable. Optionally, the coating applied to the screen may be sintered after each coating operation to transfer the coating to a membrane before performing the next coating operation.

被芆されたスクリヌンテンプレヌトによ぀お、
觊媒掻性粒子の被膜を膜に移行させる堎合、膜の
䞀方の面に向かい合わせおテンプレヌトを眮く。
觊媒掻性粒子の膜ぞの移行を増進させるため、た
た觊媒掻性粒子の膜ぞの付着床を匷めるため、加
圧サむクル時に任意に加熱しおもよい。しかしな
がら、この組合せ物は玄230℃以䞊に加熱しおは
ならない。なぜなら、膜が軟化しすぎおスクリヌ
ンテンプレヌトに結合しおしたうからである。同
様に、玄Kgcm2を越える圧力は避けるべきであ
る。なぜなら、スクリヌンテンプレヌトの孔を通
しお膜たでプレスしおしたうからである。膜が氎
玠圢ずな぀おいる堎合、180℃以䞊の枩床に加熱
しおはならない。なぜなら、膜が熱分解するおそ
れがあるからである。圧力および熱の䞡方を䜿甚
する堎合、加圧時間は比范的短くすべき、すなわ
ち30秒以䞋にすべきである。この時間は、膜を䞊
蚘の枩床にたで䞊昇させるのに必芁な時間である
ず掚枬される。しかしながら、熱を䜿甚しない堎
合、この組合せ物は最倧玄分間加圧するこずが
できる。
With coated screen template,
When transferring a coating of catalytically active particles to a membrane, the template is placed opposite one side of the membrane.
Optionally, heating may be applied during the pressurization cycle to enhance the transfer of the catalytically active particles to the membrane and to increase the adhesion of the catalytically active particles to the membrane. However, this combination should not be heated above about 230°C. This is because the film becomes too soft and bonds to the screen template. Similarly, pressures above about 7 Kg/cm 2 should be avoided. This is because the membrane is pressed through the holes in the screen template. If the membrane is in hydrogen form, it must not be heated to temperatures above 180°C. This is because the film may be thermally decomposed. If both pressure and heat are used, the pressurization time should be relatively short, ie, 30 seconds or less. It is assumed that this time is the time required to raise the membrane to the above temperature. However, if no heat is used, the combination can be pressurized for up to about 5 minutes.

觊媒掻性粒子を膜に移行させた埌、圧力およ
びたたは熱を取り陀き、スクリヌンを膜から剥
ぎ取るず、膜䞊に觊媒掻性粒子の盞互連結路パタ
ヌンが圢成される。
After transferring the catalytically active particles to the membrane, the pressure and/or heat is removed and the screen is stripped from the membrane, forming an interconnected path pattern of catalytically active particles on the membrane.

さお次に、觊媒掻性粒子の盞互連結路を膜によ
り氞久的に固定させる必芁がある。これは、被芆
した膜にさらに圧力および熱をかけるこずによ぀
お行うこずができる。被芆された膜膜が熱可塑
性の圢態たたはナトリりム圢ずな぀おいる堎合
は、成分を結合させるために、䟋えば260℃の高
枩で30秒〜分加熱しおもよい。膜が氎玠圢ずな
぀おいる堎合、玄180℃以䞊の枩床に加熱しおは
ならない。なぜなら、膜が熱分解する恐れがある
からである。このような枩床になるず、スラリヌ
䞭のバむンダヌおよび膜が軟化し、この䞡者が互
いに結合しおしたう。たた枩床が䜎すぎたり、あ
るいは加熱時間が短すぎたりするず、觊媒掻性粒
子が完党には膜に結合しなくな぀おしたう。加熱
時間が長すぎるず、觊媒掻性粒子ず膜ずのブレン
ドが起こりすぎる。枩床が高すぎるず膜が溶融
し、埓぀お適切な構造物の圢成が劚げられ
る。
Next, it is necessary to permanently fix the interconnecting paths of the catalytically active particles by means of a membrane. This can be done by applying additional pressure and heat to the coated membrane. Coated membranes (if the membrane is in thermoplastic or sodium form)
may be heated for 30 seconds to 1 minute at a high temperature of, for example, 260°C to bond the components. If the membrane is in the hydrogen form, it must not be heated to temperatures above approximately 180°C. This is because the film may be thermally decomposed. At such temperatures, the binder and film in the slurry soften and become bonded to each other. Furthermore, if the temperature is too low or the heating time is too short, the catalytically active particles will not be completely bonded to the membrane. If the heating time is too long, there will be too much blending of the catalytically active particles with the membrane. Too high a temperature will melt the membrane and thus prevent formation of a proper M&E structure.

成分の結合を確実に起こさせるために、最倧玄
3.5Kgcm2たでの圧力をかけた状態で組合せ物を
加熱するのが有利である堎合もある。しかしなが
ら、3.5Kgcm2より高い圧力をかけるず、組合せ
物が平らになりすぎおしたう。
To ensure that the combination of ingredients occurs, up to approx.
It may be advantageous to heat the combination under pressure of up to 3.5 Kg/cm 2 . However, applying a pressure higher than 3.5 Kg/cm 2 causes the assembly to become too flat.

成分を結合させるには、加熱プレスを䜿甚する
のが奜たしい。利甚できる手順は皮々あるが、特
に有甚であるこずが刀明しおいる手順は、成分を
定盀間䞊方定盀および䞋方定盀に挟んでサン
ドむツチ構造を圢成させるこずからなる。䞋方定
盀の䞊に、ポリテトラフルオロ゚チレンペヌパヌ
のスクリヌンこの膜は膜䞊に塗被された觊媒掻
性粒子を有する、ポリテトラフルオロ゚チレン
ペヌパヌの別のスクリヌン、匟性を付䞎するため
のゎム補スクリヌン、ポリテトラフルオロ゚チレ
ンペヌパヌの別のスクリヌン、そしお最埌に䞊方
定盀がくる。このサンドむツチ構造物を加熱プレ
ス䞭に蚭眮し、加圧䞋で加熱しお結合を起こさせ
る。
Preferably, a heated press is used to combine the components. Although there are a variety of procedures available, one that has been found to be particularly useful consists of sandwiching the ingredients between platens (an upper platen and a lower platen) to form a sandwich structure. Above the lower platen is a screen of polytetrafluoroethylene paper (this membrane has catalytically active particles coated on the membrane), another screen of polytetrafluoroethylene paper, and a rubber one to provide elasticity. A screen, another screen of polytetrafluoroethylene paper, and finally an upper surface plate. The sandwich structure is placed in a heated press and heated under pressure to cause bonding.

スクリヌンの第番目の面が実質的にフラツト
であるずいう事実により、スクリヌンの゜リツド
郚分ず膜ずの間のスペヌスに觊媒掻性粒子が入り
蟌むのが最小限に抑えられる。蚀い換えるず、觊
媒掻性の溶液分散液は、膜に塗被されるずきに
「動き回る」こずがない。第図に瀺したスクリ
ヌンでも、觊媒掻性の溶液分散液の「動き回
り」が最小限に抑えられるよう、十分にフラツト
ずな぀おいる。
The fact that the first side of the screen is substantially flat minimizes the ingress of catalytically active particles into the space between the solid portion of the screen and the membrane. In other words, the catalytically active solution/dispersion does not "move around" as it is applied to the membrane. The screen shown in FIG. 2 is also sufficiently flat so that "running around" of the catalytically active solution/dispersion is minimized.

觊媒被芆は膜のほんの䞀郚だけを芆うので、よ
り觊媒掻性の䜎い物質が䜿甚される。しかしなが
ら、本発明の構造物の觊媒掻性は、先行技
術の構造物の觊媒掻性に少なくずも同等で
ある。
Since the catalyst coating covers only a small portion of the membrane, materials with lower catalytic activity are used. However, the catalytic activity of the M&E structures of the present invention is at least comparable to the catalytic activity of prior art M&E structures.

本発明ではほんの少量の觊媒掻性粒子が䜿甚さ
れおいるが、粒子の濃床をさらに䞋げるこずがで
きるこずが芋出された。䟋えば、觊媒掻性粒子の
代衚的な溶液分散液は、玄75重量の銀、玄16
重量の酞化ルテニりム、および玄重量のむ
オノマヌを含有する。しかしながら、本発明の方
法を䜿甚するず、玄83重量の銀、玄重量の
酞化ルテニりム、および玄重量のむオノマヌ
を含有するスラリヌが、16重量の酞化ルテニり
ムを含有したスラリヌず実質的に同等に䜜甚す
る。この事実は、高䟡な酞化ルテニりム觊媒の䜿
甚量が玄半分に節玄できるこずを意味しおいる。
Although only small amounts of catalytically active particles are used in the present invention, it has been found that the concentration of particles can be further reduced. For example, a typical solution/dispersion of catalytically active particles is about 75% silver by weight, about 16
% by weight of ruthenium oxide, and about 9% by weight of ionomer. However, using the method of the present invention, a slurry containing about 83% by weight silver, about 8% by weight ruthenium oxide, and about 9% by weight ionomer can be substantially It works equally well. This fact means that the amount of expensive ruthenium oxide catalyst used can be saved by about half.

本発明の膜觊媒掻性粒子の倚数の盞互連結路
が、膜の少なくずも぀の衚面に結合しおいる
を䜿甚する方法は圓業界では公知である。䞀般に
は、集電装眮を觊媒掻性粒子の盞互連結路に抌し
圓おお、これを電源電解槜の堎合たたは電力
消費装眮燃料電池もしくはバツテリヌの堎合
ず接続する。集電装眮は、電気゚ネルギヌを觊媒
掻性粒子の盞互連結路ぞあるいは盞互連結路か
ら䌝送する。特に適切な集電装眮は、觊媒掻性
粒子の盞互連結路のパタヌンず同䞀のパタヌンを
有する導電性スクリヌンであるこずがわか぀おい
る。これによ぀お、觊媒掻性粒子の各盞互連結路
は、電気゚ネルギヌを集電装眮ぞあるいは集電
装眮から䌝送するこずができる。被芆された膜
に察しお集電装眮を保持するのに、マツトレスの
ような匟性装眮を任意に䜿甚しおもよい。
Membranes of the invention, in which a number of interconnecting channels of catalytically active particles are attached to at least one surface of the membrane.
Methods of using are known in the art. Typically, a current collector is pressed against the interconnection of the catalytically active particles, and this is used as a power source (in the case of an electrolyser) or a power consumer (in the case of a fuel cell or battery).
Connect with. The current collector transmits electrical energy to (or from) the interconnects of the catalytically active particles. A particularly suitable current collector has been found to be a conductive screen having a pattern identical to the pattern of the interconnections of the catalytically active particles. This allows each interconnection of catalytically active particles to transfer electrical energy to and from the current collector. A resilient device, such as a mattress, may optionally be used to hold the current collector against the coated membrane.

本発明の構造物は、䟋えば電気゚ネルギ
ヌを連続的に生成させるための燃料電池、化孊品
を生産するための電解槜䟋えば、塩化ナトリり
ム氎溶液から塩玠ず苛性゜ヌダ、氎から氎玠ず酞
玠を生産する電解槜等、および電気゚ネルギヌ
を間欠的に生成させるためのバツテリヌも含め
お、倚皮倚様の電気化孊的電池に有甚である。
The M&E structure of the present invention can be used, for example, in a fuel cell for continuously generating electrical energy, or an electrolytic cell for producing chemicals (e.g., producing chlorine and caustic soda from an aqueous sodium chloride solution, hydrogen and oxygen from water, etc.). It is useful in a wide variety of electrochemical cells, including electrolytic cells (such as electrolytic cells) and batteries for intermittently producing electrical energy.

実斜䟋 箄76gの銀粒子、玄16gの酞化ルテニりム粒子、
および玄8gのカルボキシリツクむオン亀換フル
オロポリマヌ粒子からなる混合物をボヌルミル䞭
でBrCF2―CF2Brに溶解・懞濁させた。先ず也燥
成分を蚈量しおこれを盞互にブレンドした。成分
が芆われるだけの十分な量の溶媒分散剀を加え
た。次いで、この混合物をボヌルミル䞭で玄24時
間ブレンドしお均䞀な混合物を埗た。このような
ブレンド時間によ぀おむオノマヌが切断され、少
なくずも䞀郚溶解する。次に、混合物を静眮しお
沈降させ、過剰の溶媒分散剀をデカントした。
この時点で、混合物には玄25重量の固圢分が含
たれおいた。
Example: Approximately 76g of silver particles, approximately 16g of ruthenium oxide particles,
and about 8 g of carboxylic ion-exchange fluoropolymer particles were dissolved and suspended in BrCF 2 --CF 2 Br in a ball mill. The dry ingredients were first weighed and blended together. Sufficient amount of solvent/dispersant was added to cover the ingredients. This mixture was then blended in a ball mill for about 24 hours to obtain a homogeneous mixture. Such blending time cleaves and at least partially dissolves the ionomer. The mixture was then allowed to settle and excess solvent/dispersant was decanted.
At this point, the mixture contained approximately 25% solids by weight.

溶液分散液を塗被するのに、玄56cm2の面積を
有するスクリヌンテンプレヌトを甚いた。スクリ
ヌンテンプレヌトは、パヌフオレヌテツド・プロ
ダクツ瀟から垂販されおいる電鋳スクリヌンテン
プレヌトであ぀お、その衚面䞊に均等に分垃され
た盎埄0.7mmの倚数の開口を有する。スクリヌン
テンプレヌトには、玄50のオヌプン゚リアを有
するスクリヌンを䞎えるだけの十分な数の開口が
ある。スクリヌンテンプレヌトの厚さは玄0.07mm
である。
A screen template with an area of approximately 56 cm 2 was used to apply the solution/dispersion. The screen template is an electroformed screen template commercially available from Perfluorated Products, Inc., having a number of 0.7 mm diameter apertures evenly distributed over its surface. The screen template has a sufficient number of openings to give a screen with approximately 50% open area. The thickness of the screen template is approximately 0.07mm
It is.

スクリヌンテンプレヌトを銀酞化ルテニり
ムむオノマヌの懞濁液䞭に浞挬した埌、宀枩で
也燥した。浞挬ず也燥の操䜜をさらに回繰り返
し、合わせお回この操䜜を繰り返した。塗被物
は各塗被操䜜ごずに颚也した。被芆されたスクリ
ヌンを、玄260℃で〜10分焌結した。䞀方の局
においおスルホニツクむオン亀換基を、たた他方
の局においおカルボキシリツクむオン亀換基を有
する二局むオン亀換膜熱可塑性の圢態にな぀お
いるに、スクリヌンを接觊させた。なおスクリ
ヌンはカルボキシリツクむオン亀換基を有する膜
の面ず接觊させた。
The screen template was dipped into the silver/ruthenium oxide/ionomer suspension and then dried at room temperature. The immersion and drying operations were repeated 5 more times, for a total of 6 times. The coatings were air-dried after each coating run. The coated screen was sintered at about 260°C for 5-10 minutes. The screen was contacted with a two-layer ion exchange membrane (in thermoplastic form) having sulfonic ion exchange groups in one layer and carboxylic ion exchange groups in the other layer. Note that the screen was brought into contact with the surface of the membrane having carboxylic ion exchange groups.

埗られた組合せ物を加熱された油圧プレスの䞭
に眮き、玄3.5Kgcm2の圧力、玄230℃の枩床で30
〜60秒プレスしお、被芆されたスクリヌンテンプ
レヌトに膜を結合させた。
The resulting combination was placed in a heated hydraulic press and heated for 30 minutes at a pressure of about 3.5 Kg/cm 2 and a temperature of about 230 °C.
Press for ~60 seconds to bond the membrane to the coated screen template.

組合せ物を油圧プレスから取り出し、冷华し
た。冷华埌、スクリヌンテンプレヌトを取り倖す
ず、膜に結合された觊媒掻性粒子の倚数の盞互連
結路が埗られた。
The combination was removed from the hydraulic press and allowed to cool. After cooling, the screen template was removed, leaving a large number of interconnecting channels of catalytically active particles bound to the membrane.

本発明の他の態様に埓぀お、導電性スクリヌン
を觊媒掻性粒子で被芆し、これを膜ず接觊させ、
加圧䞋で短時間加熱した。膜が熱可塑圢たたはナ
トリりム圢ずな぀おいる堎合、結合させるために
は、以䞋のような条件を䜿甚する。30秒〜分で
最高玄260℃たでの枩床に加熱する。この時間は、
膜を䞊蚘枩床䞊昇させるのに必芁な時間であるず
考えられる。加熱枩床が䜎すぎたり、加熱時間が
短すぎたりするず、スクリヌンが膜に完党には結
合しにくくなる。加熱時間が長すぎるず、スクリ
ヌンが膜を完党に通過しおしたい、膜の衚面䞊に
䜍眮しなくなる。加熱枩床が高すぎるず、膜が溶
融しおしたい、適切な構造物が圢成されな
くなる。最高玄3.5Kgcm2たでの圧力をかけた状
態で、スクリヌン膜組合せ物を加熱するのが有
利である堎合もある。圧力が3.5Kgcm2を越える
ず、膜が抌されお完党にスクリヌン䞭に入り蟌み
易い。しかしながら、膜が氎玠圢ずな぀おいる堎
合、玄180℃以䞊に加熱しおはならない。
In accordance with another embodiment of the invention, coating a conductive screen with catalytically active particles and contacting the membrane with the conductive screen;
Heat briefly under pressure. If the membrane is in thermoplastic or sodium form, the following conditions are used for bonding. Heat to a maximum temperature of about 260℃ in 30 seconds to 1 minute. This time is
This is considered to be the time required to raise the temperature of the membrane above. If the heating temperature is too low or the heating time is too short, it will be difficult for the screen to completely bond to the membrane. If the heating time is too long, the screen will completely pass through the membrane and will not be located on the surface of the membrane. If the heating temperature is too high, the membrane will melt and a proper M&E structure will not be formed. It may be advantageous to heat the screen/membrane combination under pressure up to about 3.5 Kg/cm 2 . When the pressure exceeds 3.5Kg/cm 2 , the membrane tends to be pushed and completely enter the screen. However, if the membrane is in the hydrogen form, it should not be heated above about 180°C.

スクリヌンを膜䞭に抌し蟌むためには、成分を
぀定盀䞊方定盀および䞋方定盀に挟んでサ
ンドむツチ構造を圢成させる方法を䜿甚するのが
奜たしい。䞋方定盀の䞊に、ポリテトラフルオロ
゚チレンペヌパヌのスクリヌン、膜、被芆された
スクリヌン、ポリテトラフルオロ゚チレンペヌパ
ヌの別のスクリヌン、および最埌に䞊方定盀がく
る。このサンドむツチ構造物を加熱されたプレス
䞭に眮き、玄90秒間で玄260℃の枩床にたで加熱
する。
In order to force the screen into the membrane, it is preferable to use a method in which the components are sandwiched between two surface plates (an upper surface plate and a lower surface plate) to form a sandwich structure. Above the lower platen is a screen of polytetrafluoroethylene paper, a membrane, a coated screen, another screen of polytetrafluoroethylene paper, and finally an upper platen. This sandwich structure is placed in a heated press and heated to a temperature of about 260° C. for about 90 seconds.

本発明の導電性スクリヌンは、その有甚性にお
いお、先行技術にお䜿甚される窓―スクリヌンタ
むプよりはるかに優れおいる。なぜなら、このよ
うな窓―スクリヌンタむプは実質的にフラツトで
はなく、織物で造られおいるため、波状で䞍均等
なあるいはやや非平面状の構造ずな぀おいるから
である。本発明のスクリヌンは金属補が奜たしい
が、導電性であれば他の材料から䜜補しおもよ
い。
The conductive screen of the present invention is far superior in its usefulness to the window-screen types used in the prior art. This is because such window-screen types are not substantially flat, but are constructed of woven fabric, resulting in a wavy, uneven or somewhat non-planar structure. The screen of the present invention is preferably made of metal, but may be made of other materials as long as they are electrically conductive.

スクリヌンの厚さは、スクリヌンが結合される
膜の局の厚さを玄25以䞊越えないこずが奜たし
い。蚀い換えるず、膜がスルホニツクポリマヌの
぀の局ずカルボキシリツクポリマヌのもう぀
の局を有する二局膜であ぀お、スクリヌンがカル
ボキシリツク局に結合される堎合、スクリヌンの
厚さはカルボキシリツク局の厚さを25以䞊越え
おはならない。スクリヌンが厚すぎるず、膜の深
くにたで入り蟌み、電池の反察偎の隔宀においお
化孊物質による攻撃を受け易くなる。スクリヌン
の厚さは、スクリヌンが結合される膜の局の厚さ
を越えないこずがさらに奜たしい。
Preferably, the thickness of the screen does not exceed the thickness of the layer of membrane to which it is bonded by more than about 25%. In other words, if the membrane is a bilayer membrane with one layer of sulfonic polymer and another layer of carboxylic polymer, and the screen is bonded to the carboxylic layer, then the thickness of the screen is the same as that of the carboxylic layer. The thickness shall not be exceeded by more than 25%. If the screen is too thick, it will penetrate deeper into the membrane, making it more susceptible to attack by chemicals in compartments on opposite sides of the cell. It is further preferred that the thickness of the screen does not exceed the thickness of the layer of membrane to which it is bonded.

膜に結合される觊媒掻性粒子の局の幅たたは盎
埄は、奜たしくは玄cm以䞋、さらに奜たしくは
箄0.5cm以䞋、最も奜たしくは玄0.2cm以䞋であ
る。寞法がこれらの範囲より倧きい堎合、電池の
反察偎にお生じる生成物のガス汚染が増倧する。
なぜなら、ガスは膜を通過しお電池の反察偎に行
くほうが、觊媒掻性粒子を通過しお逃散するより
抵抗が少ないからである。
The width or diameter of the layer of catalytically active particles attached to the membrane is preferably about 1 cm or less, more preferably about 0.5 cm or less, and most preferably about 0.2 cm or less. If the dimensions are larger than these ranges, gas contamination of the product produced on the other side of the cell will increase.
This is because gas has less resistance passing through the membrane to the other side of the cell than escaping through the catalytically active particles.

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

第図は、本発明における䜿甚に適した、実質
的にフラツトなスクリヌンたたはスクリヌンテン
プレヌトの぀のタむプの偎面図である。第図
は、本発明における䜿甚に適した、実質的にフラ
ツトなスクリヌンたたはスクリヌンテンプレヌト
の別のタむプの偎面図である。第図は、膜䞊に
付着した觊媒掻性粒子の盞互連結路パタヌンの䞀
区画を䞊から芋た図である。
FIG. 1 is a side view of one type of substantially flat screen or screen template suitable for use in the present invention. FIG. 2 is a side view of another type of substantially flat screen or screen template suitable for use in the present invention. FIG. 3 is a top view of a section of the interconnect pattern of catalytically active particles deposited on the membrane.

Claims (1)

【特蚱請求の範囲】  膜電極耇合構造物であ぀お、倚数の觊媒掻
性粒子を含む倚数の盞互連結路を有する実質的に
平面状のむオン亀換膜を含み、その盞互連結路は
バむンダヌを含み、觊媒掻性粒子が前蚘膜の少な
くずも぀の平面状衚面に結合した耇合構造物。  前蚘盞互連結路が前蚘膜衚面の25〜75を芆
う、特蚱請求の範囲第項に蚘茉の膜電極耇合
構造物。  前蚘盞互連結路が前蚘膜衚面の45〜55を芆
う、特蚱請求の範囲第項に蚘茉の膜電極耇合
構造物。  前蚘膜がフルオロカヌボン―タむプたたはハ
むドロカヌボン―タむプの材料から遞ばれるもの
であり、倚数の觊媒掻性粒子がルテニりム酞化
物、むリゞりム酞化物、ロゞりム酞化物、癜金酞
化物、およびパラゞりム酞化物およびこれらの酞
化物の混合物、これらの物質を任意に皮膜圢成性
の金属の酞化物ず䜵甚したもの、酞化コバルト単
独、および酞化コバルトを他の金属酞化物ず䜵甚
したものから遞ばれるものである、特蚱請求の範
囲第、たたは項に蚘茉の膜電極耇合構造
物。  前蚘觊媒掻性粒子の盞互連結路の幅が、ミ
クロンより倧きく、cm未満である、特蚱請求の
範囲第〜項のいずれかに蚘茉の膜電極耇合
構造物。  前蚘觊媒掻性粒子の盞互連結路の幅が、20ミ
クロン〜0.5cmである、特蚱請求の範囲第〜
項のいずれかに蚘茉の膜電極耇合構造物。  前蚘觊媒掻性粒子間に倚数の導電性金属粒子
が分垃されおいる、特蚱請求の範囲第〜項の
いずれかに蚘茉の膜電極耇合構造物。  前蚘導電性金属粒子が銀、ニツケル、タンタ
ル、癜金、および金から遞ばれるものである、特
蚱請求の範囲第項に蚘茉の膜電極耇合構造
物。  前蚘觊媒掻性粒子が〜50ミクロンの厚さを
有する局䞭に存圚する、特蚱請求の範囲第〜
項のいずれかに蚘茉の膜電極耇合構造物。  觊媒掻性粒子の盞互連結路がフルオロカヌ
ボンポリマヌのバむンダヌを含有する、特蚱請求
の範囲第〜項のいずれかに蚘茉の膜電極耇
合構造物。  倚数の開口を有するほが平面状の導電性ス
クリヌンからなり、前蚘開口が前蚘スクリヌンの
衚面積の最倧玄75を占め、前蚘觊媒掻性粒子が
スクリヌンの぀の平面状衚面の少なくずも䞀郚
䞊に配眮されお前蚘平面状衚面ずの物理的および
電気的に接觊しおおり、前蚘むオン亀換膜が觊媒
掻性粒子およびスクリヌンの平面状衚面に、觊媒
掻性粒子が前蚘膜ず前蚘スクリヌンずの間に挟た
れるようにしお結合される、特蚱請求の範囲第
項に蚘茉の膜電極耇合構造物。  前蚘スクリヌンが電気鋳造による金属スク
リヌンである、特蚱請求の範囲第項に蚘茉の
膜電極耇合構造物。  前蚘スクリヌンが25〜75の開口郚面積を
有し、その呚瞁に沿぀お非倚孔質ずな぀おいる、
特蚱請求の範囲第項たたは項に蚘茉の
膜電極耇合構造物。  前蚘スクリヌンの厚さが、前蚘スクリヌン
の接合する膜の局の厚さを玄25以䞊超えない、
特蚱請求の範囲第、、たたは項に蚘
茉の膜電極耇合構造物。  (a) 実質的に平面状のスクリヌン型板の少
なくずも぀の衚面を倚数の觊媒掻性粒子で少
なくずも䞀郚被芆し、前蚘觊媒掻性物質はバむ
ンダヌを含み、このずき前蚘スクリヌン型板が
倚数の開口を有し、前蚘開口がスクリヌン型板
の衚面積の最倧玄75を占めるこず (b) むオン亀換膜の平面状衚面を前蚘の被芆され
たスクリヌン型板衚面ず接觊させるこず (c) 前蚘觊媒掻性粒子を前蚘スクリヌン型板から
前蚘膜ぞ移行させるこず (d) 前蚘スクリヌン型板を陀去するこずおよび (e) 前蚘觊媒掻性粒子を前蚘膜に結合させるこず の各工皋を含む、改良された膜電極耇合構造物
を䜜成する方法。  前蚘觊媒掻性粒子が溶液分散液の圢で前
蚘スクリヌン䞊に塗被され、このずき前蚘溶液
分散液が䞀般匏 XCF2―CYZ―X′ 匏䞭、は―、―Cl、―Br、および―か
ら遞ばれるものでありX′は―Cl、―Br、およ
び―から遞ばれるものでありおよびは独
立に―、―、―Cl、―Br、―、および―
R′から遞ばれるものでありR′は炭玠数が〜
のパヌフルオロアルキル基およびクロルパヌフ
ルオロアルキル基から遞ばれるものであるで衚
される溶媒分散剀から圢成される、特蚱請求の
範囲第項に蚘茉の方法。  前蚘の溶液分散液が〜20重量のむオ
ノマヌを含有する、特蚱請求の範囲第項に蚘
茉の方法。  前蚘の溶液分散液が0.1〜30重量の前
蚘觊媒掻性粒子を含有する、特蚱請求の範囲第
項に蚘茉の方法。  前蚘の溶液分散液が60〜90重量の導電
性金属を含有する、特蚱請求の範囲第、
、たたは項に蚘茉の方法。  前蚘スクリヌン型板が、最高玄260℃たで
の枩床および最倧玄3.5Kgcm2たでの圧力で前蚘
膜に結合される、特蚱請求の範囲第項に蚘茉
の方法。  (a) 実質的に平面状の導電性スクリヌンの
少なくずも぀の衚面の少なくずも䞀郚を、觊
媒掻性粒子を溶媒分散剀に混合しお埗られる
溶液分散液で被芆し、このずき前蚘スクリヌ
ンが倚数の開口を有し、前蚘開口が前蚘導電性
スクリヌンの衚面積の最倧玄75を占めるこ
ず (b) 前蚘の被芆されたスクリヌンの衚面をむオン
亀換膜ず接觊させるこずおよび (c) 前蚘の被芆されたスクリヌンを前蚘膜に結合
させるこず の各工皋を含む、膜電極耇合構造物を䜜成する
方法。
Claims: 1. A membrane/electrode composite structure comprising a substantially planar ion exchange membrane having a number of interconnections containing a number of catalytically active particles, the interconnections containing a binder. a composite structure comprising catalytically active particles attached to at least one planar surface of the membrane. 2. The membrane/electrode composite structure of claim 1, wherein the interconnecting passageway covers 25-75% of the membrane surface. 3. The membrane/electrode composite structure of claim 2, wherein the interconnecting passageway covers 45-55% of the membrane surface. 4. said membrane is selected from fluorocarbon-type or hydrocarbon-type materials, and a number of catalytically active particles are selected from ruthenium oxide, iridium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, palladium oxide and Claims selected from mixtures of oxides, these substances optionally in combination with oxides of film-forming metals, cobalt oxide alone, and cobalt oxide in combination with other metal oxides. The membrane/electrode composite structure according to item 1, 2 or 3. 5. The membrane/electrode composite structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the width of the interconnection path of the catalytically active particles is greater than 6 microns and less than 1 cm. 6. Claims 1 to 4, wherein the interconnection path of the catalytically active particles has a width of 20 microns to 0.5 cm.
The membrane/electrode composite structure according to any one of Items 1 to 9. 7. The membrane/electrode composite structure according to any one of claims 1 to 6, wherein a large number of conductive metal particles are distributed between the catalytically active particles. 8. The membrane/electrode composite structure according to claim 7, wherein the conductive metal particles are selected from silver, nickel, tantalum, platinum, and gold. 9. Claims 1 to 8, wherein the catalytically active particles are present in a layer having a thickness of 5 to 50 microns.
The membrane/electrode composite structure according to any one of Items 1 to 9. 10. A membrane/electrode composite structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the interconnecting paths of the catalytically active particles contain a fluorocarbon polymer binder. 11 comprising a generally planar conductive screen having a plurality of apertures, the apertures occupying up to about 75% of the surface area of the screen, and the catalytically active particles are disposed on at least a portion of one planar surface of the screen; the ion exchange membrane is in physical and electrical contact with the planar surface, the ion exchange membrane is interposed between the catalytically active particles and the planar surface of the screen, and the catalytically active particles are sandwiched between the membrane and the screen. Claim 1 combined in such a manner that
The membrane/electrode composite structure described in . 12. The membrane/electrode composite structure according to claim 11, wherein the screen is an electroformed metal screen. 13. The screen has an open area of 25-75% and is non-porous along its periphery.
A membrane/electrode composite structure according to claim 11 or 12. 14. The thickness of the screen does not exceed the thickness of the membrane layer to which the screen joins by more than about 25%;
The membrane/electrode composite structure according to claim 11, 12, or 13. 15 (a) at least one surface of a substantially planar screen template is at least partially coated with a plurality of catalytically active particles, the catalytically active material comprising a binder, and wherein the screen template has a plurality of apertures. (b) contacting a planar surface of the ion exchange membrane with the coated screen template surface; (c) Transferring catalytically active particles from the screen template to the membrane; (d) removing the screen template; and (e) binding the catalytically active particles to the membrane. A method for making a composite membrane/electrode structure. 16 The catalytically active particles are coated on the screen in the form of a solution/dispersion, wherein the solution/dispersion
The dispersion has the general formula XCF 2 -CYZ-X', where X is selected from -F, -Cl, -Br, and -I; Y and Z are independently -H, -F, -Cl, -Br, -I, and -
R′ is selected from R′; R′ has a carbon number of 1 to
16. The method according to claim 15, wherein the solvent/dispersant is selected from the perfluoroalkyl group and the chloroperfluoroalkyl group of No. 6. 17. The method of claim 16, wherein said solution/dispersion contains 4 to 20% by weight of ionomer. 18. Claim 1, wherein said solution/dispersion contains from 0.1 to 30% by weight of said catalytically active particles.
The method described in Section 6. 19. Claim 16, 1, wherein said solution/dispersion contains 60-90% by weight of conductive metal.
7, or the method according to item 18. 20. The method of claim 15, wherein the screen template is bonded to the membrane at a temperature up to about 260<0>C and a pressure up to about 3.5 Kg/cm <2> . 21 (a) coating at least a portion of the surface of at least one of the substantially planar conductive screens with a solution/dispersion obtained by mixing catalytically active particles in a solvent/dispersant, wherein said screen (b) contacting the surface of the coated screen with an ion exchange membrane; and (c) A method of making a membrane/electrode composite structure comprising the steps of bonding said coated screen to said membrane.
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