JPH0365624B2 - - Google Patents

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JPH0365624B2
JPH0365624B2 JP58073710A JP7371083A JPH0365624B2 JP H0365624 B2 JPH0365624 B2 JP H0365624B2 JP 58073710 A JP58073710 A JP 58073710A JP 7371083 A JP7371083 A JP 7371083A JP H0365624 B2 JPH0365624 B2 JP H0365624B2
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hydrophobic
electrode
hydrophilic
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気化学的なエネルギー電池で用い
る電極に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to electrodes for use in electrochemical energy cells.

たとえば鉄−空気電池等の金属−空気電池用の
二機能空気電極は一般に3種の成分から成る。こ
れら3種の成分とは、チヨツテイナー
(Chottiner)等に付与された米国特許第4152489
号明細書に開示されているように、空気の流通を
許し且つ電解質を保持する疎水性層と、疎水性層
に付着し触媒活性ペースト状物質を含有する二成
分系活性層と、活性ペースト状物質を含有する複
数の多孔質金属繊維集電体とである。この疎水性
層は、多孔質、未焼結で完全にフイブリル化され
たポリテトラフルオロエチレン単独又はポリメチ
ルメタクリレートとジアルキルフタラートのよう
な可塑剤と結合したシート状のもので、好ましく
は多孔質、未フイブリル化フツ化エチレンプロピ
レンのシートと、フイブリル化されたポリテトラ
フルオロエチレンと、ポリプロピレン繊維とより
成る。
Bifunctional air electrodes for metal-air batteries, such as iron-air batteries, generally consist of three components. These three ingredients are described in U.S. Patent No. 4152489 issued to Chottiner et al.
As disclosed in the specification, a two-component active layer comprising: a hydrophobic layer that allows air flow and retains the electrolyte; a two-component active layer that is attached to the hydrophobic layer and contains a catalytically active pasty material; and a plurality of porous metal fiber current collectors containing a substance. This hydrophobic layer is preferably a sheet of porous, unsintered, fully fibrillated polytetrafluoroethylene alone or combined with a plasticizer such as polymethyl methacrylate and dialkyl phthalate. , a sheet of unfibrillated fluorinated ethylene propylene, fibrillated polytetrafluoroethylene, and polypropylene fibers.

活性ペースト状物質はチヨツテイナー
(Chottiner)等に付与された米国特許第4152489
号及びブゼリ(Buzzelli)に付与された米国特許
第3977901号明細書に開示されているように、1
グラム当たりのBET全表面積が30〜1500m2であ
る酸素吸収/還元炭素と、適宜な触媒と、たとえ
ば1〜20重量%のCo(コバルト)を被覆したWS2
又はWCのような酸素発生金属付加物と、非湿潤
性結合剤として働くポリ四弗化エチレン分散物と
から成るのが普通である。上記の混合物から成る
活性ペーストは脱イオン水と混合されるが、活性
層の厚み方向において粒子寸法変化又は重量変化
はつけられていない。
The active pasty material is disclosed in U.S. Patent No. 4,152,489 to Chottiner et al.
No. 1 and U.S. Pat. No. 3,977,901 to Buzzelli.
WS 2 coated with oxygen-absorbing/reducing carbon with a BET total surface area per gram of 30-1500 m 2 and a suitable catalyst, e.g. 1-20% by weight Co (cobalt).
or WC, and a polytetrafluoroethylene dispersion which acts as a non-wetting binder. The active paste consisting of the above mixture is mixed with deionized water, but no particle size change or weight change is made in the thickness direction of the active layer.

電池の作動特性を良好にするためには、電解液
が電極内部に充分に浸透して電極の内面に達し、
触媒の存在下で空気その他のガスと接触する必要
がある。同時に、電解液のフラツデイング
(flooding)、即ち電解液が電極の小孔部から溢流
するのを防止するために、電極は充分に電解液を
はじく性質を備えていなければならない。電解液
のフラツデイングは常に空気電極の問題点であ
り、上で引用した先行米国特許明細書に記載のチ
ヨツテイナーの提案した構造及びブゼリの提案し
た活性ペースト組成物は、上記の問題点を受容で
きる程度に解決したものであり、約100回の使用
サイクル期間中安定した電気特性を与えるもので
はあるが、より改良された構造又はより改良され
た組成物が強く望まれており、特に電解液のフラ
ツデイングを完全に回避することが望まれてい
る。
In order to improve the operating characteristics of the battery, the electrolyte must sufficiently penetrate inside the electrode and reach the inner surface of the electrode.
Requires contact with air or other gas in the presence of a catalyst. At the same time, the electrode must have sufficient electrolyte-repellent properties to prevent electrolyte flooding, ie, electrolyte overflowing from the pores of the electrode. Fluctuation of the electrolyte has always been a problem with air electrodes, and the structure proposed by Chyotteiner and the active paste composition proposed by Buselli, described in the prior U.S. patents cited above, are sufficient to accommodate the above-mentioned problem. Although it provides stable electrical properties over approximately 100 usage cycles, an improved structure or improved composition is strongly desired, especially to reduce electrolyte flattening. It is desired to avoid this completely.

電極構造体に二つの区域を設けることにより燃
料電池内の気体側電極における液体成分のフラツ
デイングを解決する試みがダルランド・ジユニア
(Darland Jr.)等に付与された米国特許第
3423247号明細書に開示されている。ガス供給部
に隣接する一方の区域は、濡れにくい即ち非湿潤
性であり触媒を含有しない30〜70容量%のポリ四
弗化エチレンから成る表面積の小さい大粒子から
成る。電解液に隣接する他方の区域は、濡れた状
態で機能する表面積が大きく、粒子寸法が小さい
触媒付着粒子から成る。ガス供給部に隣接する区
域には、単一網目寸法の集電体が付設されてい
る。しかしながら、このような構造によつては所
期の目的を完全に達成できず、最大出力が得ら
れ、しかもフラツデイングが最小である金属−空
気電池及び燃料電池用の電極が要望されている。
U.S. Patent No. 1, issued to Darland Jr., et al.
It is disclosed in the specification of No. 3423247. One zone adjacent to the gas supply consists of low surface area large particles of 30-70% by volume polytetrafluoroethylene, which is non-wetting and does not contain catalyst. The other area adjacent to the electrolyte consists of wet-functional, high surface area, small particle size catalyst-attached particles. The area adjacent to the gas supply is provided with a single mesh size current collector. However, such structures do not completely achieve the intended purpose, and there is a need for electrodes for metal-air cells and fuel cells that provide maximum output and minimal flooding.

従つて、本発明は、電気化学エネルギー電池で
使用する電極であつて、多孔質の支持シートと、
前記の多孔質の支持シートに付着されていて電解
液透過性側面と支持シートに接触する側面とを持
つ触媒活性層とから成り、前記触媒活性層が疎水
性塊状物と親水性塊状物との混合物と触媒とから
成り、電解液透過性側面から支持シート接触側面
に向かうにつれて疎水性塊状物及び親水性塊状物
の粒子寸法が増大するとともに、電解液透過性側
面から支持シート接触側面に向かうにつれて疎水
性物質:親水性物質の重量比が増大することを特
徴とする電極を提供せんとするものである。
Accordingly, the present invention provides an electrode for use in an electrochemical energy cell, comprising a porous support sheet;
a catalytically active layer adhered to the porous support sheet and having an electrolyte permeable side surface and a side surface in contact with the support sheet, the catalytically active layer comprising a hydrophobic mass and a hydrophilic mass. consisting of a mixture and a catalyst, the particle size of the hydrophobic aggregates and hydrophilic aggregates increasing from the electrolyte permeable side toward the support sheet contacting side, and from the electrolyte permeable side toward the support sheet contacting side. It is an object of the present invention to provide an electrode characterized by an increased weight ratio of hydrophobic substance to hydrophilic substance.

本発明の一実施例においては、電極は空気電極
であり、該空気電極の支持シートは疎水性であつ
て、疎水性支持シートに触媒活性層が積層され、
触媒活性層内に少なくとも二個の多孔質金属製の
集電体が配設され、疎水性塊状物が1g当たりの
全表面積30〜300m2の酸素吸収/還元炭素粒子と、
触媒と、酸素過電圧の低い物質と、弗化炭素系の
非湿潤性結合剤とから成り、活性の親水性塊状物
が1g当たりの全表面積30〜300m2の酸素吸収/
還元炭素粒子と、触媒と酸素過電圧の低い物質
と、弗化炭素系の非湿潤性結合剤と、活性の親水
性塊状物の間にある液体の表面張力を低下させる
有機分散剤とから成り、活性の親水性物質:活性
の疎水性物質の重量比が電解液透過性の高い側面
における1:0.2の比率から疎水性支持シートに
接触している側面における1:5の比率にまで変
化がつけられている。
In one embodiment of the invention, the electrode is an air electrode, the support sheet of the air electrode is hydrophobic, and a catalytically active layer is laminated to the hydrophobic support sheet;
At least two porous metal current collectors are arranged in the catalytic active layer, and the hydrophobic aggregates are oxygen absorbing/reducing carbon particles with a total surface area of 30 to 300 m 2 per gram;
Consisting of a catalyst, a substance with low oxygen overpotential and a non-wetting binder based on fluorocarbons, the active hydrophilic mass has a total surface area of 30 to 300 m2 per gram of oxygen absorption/
It consists of reduced carbon particles, a catalyst and a low oxygen overpotential material, a non-wetting binder based on fluorocarbons, and an organic dispersant that lowers the surface tension of the liquid between the active hydrophilic masses, The active hydrophilic substance:active hydrophobic substance weight ratio was varied from a ratio of 1:0.2 on the side with high electrolyte permeability to a ratio of 1:5 on the side in contact with the hydrophobic support sheet. It is being

たとえば銀のような適宜な触媒を炭素粒子上に
沈積被覆するのが好ましい。
Preferably, a suitable catalyst, such as silver, is deposited and coated onto the carbon particles.

最初は活性物質はすべて親水性であるが、活性
物質の一部分を熱処理して分散剤を分解させて弗
化炭素にすると、この親水性物質が疎水性物質に
変わるとともに表面張力を低下させる分散剤が存
在しなくなるため電解液の毛細管現象による流れ
が増大するので電解液が疎水性物質によつて保持
されるようになる。活性層中における活性の親水
性物質:活性の疎水性物質の重量百分率比は、一
般に、40%:60%である。電極の活性層の厚み方
向において変化をつけた(活性の親水性物質):
(活性の疎水性物質)の重量比は、電解液と接触
する側面における1:0.2から空気と接触する側
面における1:5に至る範囲内にある。このよう
な構造を採用することにより、活性層全体に触媒
を分散させ、疎水性及び親水性の両区域のバラン
スを良好にし、活性層の厚さ方向全体における電
解質と空気と触媒との三相界面接触を最大にする
ことができる。本明細書中で使用する「空気」と
いう用語は、酸素を含む概念として使用する。金
属−空気電池においては、全部の金属製支持集電
器から同時に電流が集められる。電極のフラツデ
イング或いは封じ込められたガス類に起因するは
がれの問題を起こすことなく、最大約300回のサ
イクル使用中ずつと安定した電気特性が得られた
ことは劇的ともいえることであつた。
Initially, all active substances are hydrophilic, but when a portion of the active substance is heat-treated to decompose the dispersant into fluorocarbon, this hydrophilic substance turns into a hydrophobic substance and the surface tension of the dispersant decreases. is no longer present, the flow of the electrolyte due to capillary action increases, and the electrolyte is retained by the hydrophobic substance. The weight percentage ratio of active hydrophilic substance to active hydrophobic substance in the active layer is generally 40%:60%. Variation in the thickness direction of the active layer of the electrode (active hydrophilic substance):
The weight ratio of (active hydrophobe) is in the range from 1:0.2 on the side in contact with the electrolyte to 1:5 on the side in contact with air. By adopting such a structure, the catalyst is dispersed throughout the active layer, achieving a good balance between hydrophobic and hydrophilic areas, and maintaining the three-phase structure of electrolyte, air, and catalyst throughout the thickness of the active layer. Interfacial contact can be maximized. As used herein, the term "air" is used to include oxygen. In metal-air cells, current is collected from all metal support current collectors simultaneously. It was dramatic that stable electrical properties were obtained for up to about 300 cycles without problems with electrode flattening or peeling due to trapped gases.

本発明をより完全に理解できるよう、添附の図
面を参照しつゝ、例として好ましい実施例につい
て説明する。
In order that the invention may be more fully understood, preferred embodiments will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which: FIG.

第1図において、図示した電池10は、二機能
空気電極を採用した本発明による金属/空気電池
の一般的な例である。金属/空気電池10は、空
気電極及び金属電極並びに電解液を保持するケー
ス11を有する。ケース11は、好ましくは、電
解液並びに酸素と水素に代表される反応生成物に
対して安定な即ち耐性のあるABS樹脂等の非電
導性材料からつくる。電池10は一対の空気電極
12及び13を有し、各電極は疎水性シート14
及び16を持ち、各疎水性シートは大気その他の
空気又は酸素源と接している。空気電極12及び
13は、複数の活性物質区分17及び18を有
し、各活性物質区分は多孔質の金属製プラークに
結合した状態で収納された活性物質から成る。こ
れらの区分には一体の金属製集電器19及び21
が配設されている。活性層は複数の活性物質区分
からつくり上げられている。電極12及び13
は、好ましくはABS樹脂製のフレーム22及び
23に入つており、夫々電気リード24及び26
がついている。
In FIG. 1, the illustrated cell 10 is a general example of a metal/air cell according to the present invention employing a bifunctional air electrode. The metal/air battery 10 has a case 11 that holds an air electrode, a metal electrode, and an electrolyte. The case 11 is preferably made of a non-conductive material such as ABS plastic that is stable or resistant to electrolytes and reaction products such as oxygen and hydrogen. The battery 10 has a pair of air electrodes 12 and 13, each electrode covered with a hydrophobic sheet 14.
and 16, each hydrophobic sheet being in contact with the atmosphere or other air or oxygen source. Air electrodes 12 and 13 have a plurality of active material sections 17 and 18, each active material section consisting of an active material contained in a porous metal plaque. These sections have integral metal current collectors 19 and 21.
is installed. The active layer is made up of multiple active material sections. Electrodes 12 and 13
are housed in frames 22 and 23, preferably made of ABS resin, and have electrical leads 24 and 26, respectively.
is attached.

金属/空気電池10は、鉄、カドミウム、亜鉛
等の材料、好ましくは鉄からつくられ、空気電極
12及び13から離して配置され、電気リード2
8がついた金属製電極27を有する。金属/空気
電池10には電解液29が入つており、電解液2
9は金属製電極27と空気電極12及び13との
中間に入つていて、金属製電極27と空気電極1
2及び13と夫々接している。電解液29は、水
酸化アルカリ、好ましくは水酸化カリウムから成
る。
The metal/air cell 10 is made of a material such as iron, cadmium, zinc, etc., preferably iron, and is spaced apart from the air electrodes 12 and 13, with electrical leads 2
It has a metal electrode 27 with 8 attached. The metal/air battery 10 contains an electrolyte 29.
9 is inserted between the metal electrode 27 and the air electrodes 12 and 13, and the metal electrode 27 and the air electrode 1
2 and 13, respectively. Electrolyte 29 consists of alkali hydroxide, preferably potassium hydroxide.

第1図に示した電極12の詳細を第2図に示
す。第2図に示すように、この電極は層状構造で
ある。図示した陽極12は、活性層17と該活性
層17と積層された多孔質疎水性支持シート14
とから成る複数の活性物質区分を有する。金属/
空気電池で使用した集電器19は、図示したよう
に活性層17に挿入され、回路に電気的に接続さ
れている。好ましい実施例においては、少なくと
も二つの集電器を使用する。活性物質30は、親
水性塊状物31と疎水性塊状物32の両方を含
み、これらの塊状物が集電器19を覆い、集電器
19と結合し、図面を簡略にするために図示して
いないが、少なくとも部分的に集電器19に浸透
している。
Details of the electrode 12 shown in FIG. 1 are shown in FIG. As shown in FIG. 2, this electrode has a layered structure. The illustrated anode 12 includes an active layer 17 and a porous hydrophobic support sheet 14 laminated with the active layer 17.
and a plurality of active substance categories. metal/
The current collector 19 used in the air battery is inserted into the active layer 17 as shown and electrically connected to the circuit. In a preferred embodiment, at least two current collectors are used. The active substance 30 includes both hydrophilic masses 31 and hydrophobic masses 32 which cover and are associated with the current collector 19 and are not shown to simplify the drawing. has at least partially penetrated the current collector 19.

集電器19は、ニツケルのような延伸金属から
製造することができる。又、延伸ニツケルを被覆
した鉄又は鋼から製造することもできる。好まし
くは、ニツケル被覆鉄又は鋼製繊維金属或いは被
覆物のないニツケル、鉄又は鋼製繊維金属、たと
えばニツケル若しくは鋼製ウールから製造する。
最も好ましい金属繊維は、長さ3.81cm(1.5イン
チ)以上で拡散接合により一体になつた繊維であ
る。一般的な繊維の直径は、約0.0051〜0.127mm
(0.0002〜0.005インチ)である。拡散接合技術は
周知であり、米国特許第4152489号明細書に詳細
に記載されている。このようにニツケル繊維ウー
ルを拡散接合して作られたプレート状集電器19
の気孔率は75%〜95%、厚さは0.127〜1.27mm
(0.005〜0.050インチ)にする。燃料電池の電極
として使用する場合には、集電器を省けばよい。
Current collector 19 can be made from drawn metal, such as nickel. It can also be made from iron or steel coated with drawn nickel. Preferably, it is made from nickel-coated iron or steel fiber metal or uncoated nickel, iron or steel fiber metal, such as nickel or steel wool.
The most preferred metal fibers are fibers that are 1.5 inches or longer in length and are bonded together by diffusion bonding. Typical fiber diameter is approximately 0.0051~0.127mm
(0.0002 to 0.005 inch). Diffusion bonding techniques are well known and are described in detail in US Pat. No. 4,152,489. Plate-shaped current collector 19 made by diffusion bonding nickel fiber wool in this way
The porosity is 75%~95%, the thickness is 0.127~1.27mm
(0.005 to 0.050 inch). When used as an electrode for a fuel cell, the current collector may be omitted.

金属−空気電池で使用する場合における活性層
17の厚さは0.254〜3.81mm(0.010〜0.150イン
チ)、燃料電池で使用する場合における活性層1
7の厚さは0.127〜0.762mm(0.005〜0.030インチ)
である。多孔質疎水性支持シート14の厚さは、
金属−空気電池の場合には0.127〜0.508mm(0.005
〜0.020インチ)、燃料電池の場合には0.051〜
0.508mm(0.002〜0.020インチ)にする。多孔質の
支持シート14としては粉末状ポリ四弗化エチレ
ンを押し固めた層即ちシート、摩砕して小繊維状
にしたポリ四弗化エチレン繊維のみから成るシー
ト、或いは小繊維状化処理を施さない弗化エチレ
ン・プロピレン繊維、炭素粉末若しくは炭素繊
維、ポリプロピレン、ポリエチレン、その他の周
知の類似物の何れか1種又は任意に組合せた2種
以上の材料と磨砕し小繊維状にしたポリ四弗化エ
チレン繊維とから成るシートを用いることができ
る。
The thickness of active layer 17 when used in metal-air cells is 0.254-3.81 mm (0.010-0.150 inch); the thickness of active layer 1 when used in fuel cells is
7 thickness is 0.127~0.762mm (0.005~0.030 inch)
It is. The thickness of the porous hydrophobic support sheet 14 is
0.127 to 0.508 mm (0.005 mm for metal-air batteries)
~0.020 inch), 0.051~ for fuel cells
Make it 0.508mm (0.002-0.020 inch). The porous support sheet 14 may be a layer or sheet formed by compressing powdered polytetrafluoroethylene, a sheet consisting only of polytetrafluoroethylene fibers ground into fibrils, or a sheet made of polytetrafluoroethylene fibers that have been subjected to fibrilization treatment. untreated fluorinated ethylene/propylene fibers, carbon powder or carbon fibers, polypropylene, polyethylene, and other well-known analogues, either one or two or more of them in any combination; A sheet made of tetrafluoroethylene fibers can be used.

活性層17を形成する複数の活性物質区分は、
たとえば特に金属−空気電池の用途に適している
個別冷間加圧により成形した後に、熱間加圧又は
ロール積層により一体にして強固な積層構造体に
することができる。次に、190℃〜350℃で1.76〜
52.7Kg/cm2(25〜750psi)の空気加圧により、強
固に固めた活性層17と疎水性シート14とを加
圧又はロール積層して一体にすることができる。
或いは、活性層の積層工程中に多孔質の支持シー
トを付着させてもよい。
The plurality of active material sections forming the active layer 17 are:
For example, they can be formed by individual cold pressing, which is particularly suitable for metal-air battery applications, and then brought together by hot pressing or roll lamination into a strong laminated structure. Then 1.76~ at 190℃~350℃
By applying air pressure of 52.7 Kg/cm 2 (25 to 750 psi), the solidified active layer 17 and the hydrophobic sheet 14 can be integrated by pressure or roll lamination.
Alternatively, a porous support sheet may be applied during the active layer lamination process.

第2図からわかるように、活性層を形成する触
媒活性物質30は、触媒活性を持つ疎水性物質と
触媒活性を持つ親水性物質との混合物から成り、
これら両物質の塊状物は何れも、電極の電解質と
接触する側面33から空気と接触する側面34に
向かうにつれて、粒子寸法が増大する。更に、電
解質接触側面33から空気接触側面34に向かう
につれて、活性層17中の疎水性物質の重量百分
化を増大させる。活性層17の内部における(活
性親水性物質):(活性疎水性物質)の重量百分比
は約(30%〜50%):(50%〜70%)、一般的には
約40%:60%である。活性層17の厚さ方向にお
ける(活性親水性物質):(活性疎水性物質)の重
量比は、電解質と接触する側における約1:0.2
の比率から、空気と接触する側即ち多孔質支持シ
ート接触側面における約1:5の比率に至る範囲
内で変化させることができる。
As can be seen from FIG. 2, the catalytically active material 30 forming the active layer is composed of a mixture of a hydrophobic substance with catalytic activity and a hydrophilic substance with catalytic activity.
Both of these agglomerates increase in particle size from the side 33 of the electrode in contact with the electrolyte to the side 34 in contact with air. Furthermore, the weight percentage of the hydrophobic substance in the active layer 17 increases from the electrolyte contacting side 33 to the air contacting side 34 . The weight percentage of (active hydrophilic substance): (active hydrophobic substance) inside the active layer 17 is approximately (30% to 50%): (50% to 70%), typically approximately 40%:60%. It is. The weight ratio of (active hydrophilic substance) to (active hydrophobic substance) in the thickness direction of the active layer 17 is approximately 1:0.2 on the side in contact with the electrolyte.
, to a ratio of about 1:5 on the side in contact with the air, ie, on the side contacting the porous support sheet.

一例を挙げると、活性物質区分Aは粒子寸法約
800ミクロンの親水性物質1.5部と、粒子寸法約
650ミクロンの疎水性物質0.5部とを含有するもの
にする。活性物質区分Bは粒子寸法約800ミクロ
ンの親水性物質1.5部と、粒子寸法約650ミクロン
の疎水性物質1.5部とを含有するものにする。区
分Cは粒子寸法約1000ミクロンの親水性物質1.0
部と、粒子寸法約700ミクロンの疎水性物質2.0部
とを含有するものにする。区分Dは粒子寸法約
1100ミクロンの親水性物質0.5部と、粒子寸法約
1100ミクロンの疎水性物質2.5部とを含有するも
のにする。この結果、親水性物質の粒子寸法は側
面33における650ミクロンから側面34におけ
る1100ミクロンに増大し、親水性物質:疎水性物
質の重量比は側面33における1:0.5から側面
34における1:5に増大させた構成になる。
By way of example, active substance category A has a particle size of approximately
1.5 parts of 800 micron hydrophilic material and particle size approx.
and 0.5 part of a 650 micron hydrophobic substance. Active material segment B shall contain 1.5 parts of a hydrophilic material with a particle size of about 800 microns and 1.5 parts of a hydrophobic material with a particle size of about 650 microns. Category C is a hydrophilic substance with a particle size of approximately 1000 microns 1.0
1 part and 2.0 parts of a hydrophobic material with a particle size of about 700 microns. Category D is particle size approx.
0.5 parts of hydrophilic material of 1100 microns and particle size approx.
2.5 parts of a 1100 micron hydrophobic substance. As a result, the particle size of the hydrophilic substance increases from 650 microns on side 33 to 1100 microns on side 34, and the hydrophilic:hydrophobic weight ratio increases from 1:0.5 on side 33 to 1:5 on side 34. The configuration will be increased.

本発明の必須要件は、活性層が全体的に電気化
学的な活性を有することと、各活性区分において
活性物質が親水性物質と疎水性物質の両方の均一
混合組成物から成ることと、電解質と接触する側
面から空気と接触する側面に至る電極構造体の活
性層全体を通して塊状粒子の寸法勾配が存在する
とともに重量比勾配が存在することである。この
技術思想により、長期間の使用サイクル後におけ
る電解質のフラツデイングの問題が著しく軽減さ
れ、活性材料全体において活性層に含まれる電解
質と空気又は酸素と触媒との3相の界面接触を
ほゞ理想的な状態になし得る。本明細書で用いる
「親水性物質」という語句は、電解液が透過でき
流過できる塊状物を意味する。「疎水性物質」と
いう語句は、電解液を保留又は電解液の通過を妨
げ、しかも空気は容易に通過させる塊状物を意味
する。こゝで重要なことは、活性層全体にわたつ
て触媒は等しく分布しており、多孔質支持層14
に隣接する区分Dにおいても触媒分布は等しく、
非湿潤性結合剤も活性層全体にわたつて等しく分
布しており、電解液接触側面33に隣接する区分
Aにおいても等しい分布であることである。この
点については後述する。
The essential requirements of the present invention are that the active layer has electrochemical activity as a whole, that the active substance in each active segment consists of a homogeneous mixed composition of both hydrophilic and hydrophobic substances, and that the electrolyte There is a size gradient of agglomerated particles and a weight ratio gradient throughout the active layer of the electrode structure from the side in contact with the air to the side in contact with air. This technical concept significantly reduces the problem of electrolyte flooding after long-term use cycles, and almost idealizes the three-phase interfacial contact between the electrolyte, air or oxygen, and catalyst contained in the active layer throughout the active material. It can be in a state of As used herein, the phrase "hydrophilic material" refers to a mass through which an electrolyte can flow. The term "hydrophobic material" refers to a mass that retains or prevents the passage of electrolyte, but allows air to pass through easily. What is important here is that the catalyst is evenly distributed throughout the active layer and that the porous support layer 14
The catalyst distribution is the same in section D adjacent to
The non-wetting binder is also equally distributed throughout the active layer, and also in section A adjacent to the electrolyte contact side 33. This point will be discussed later.

各活性物質区分A、B、C及びD中に含有され
ている第2図中で符号30で示す触媒活性物質
は、好ましくは1g当たりのBET全表面積が約
30〜約300m2である酸素吸収/還元性炭素と、好
ましくは炭素粒子の表面に被覆されるか或いは炭
素粒子内部に含有されている銀等の適宜な触媒
と、好ましくは酸素過電圧の低い金属付加物、た
とえばCoWO4、WS2、スピネル型ニツケル
(nickel spinels)、好ましくはNiS、Fe、WO4
WC及び1〜20重量%のCo(コバルト)を被覆し
たWCのような金属付加物と、非湿潤性結合剤で
ある弗化炭素系粒子状分散剤、好ましくはポリ四
弗化エチレン分散剤とから成り、分散剤は加熱に
より蒸発するか又は分解する物質であつて、弗化
炭素粒子と他の粒子との間の表面張力を減少し活
性物質中の粒子間における毛細管現象による電解
液の流れを助長する物質である。使用可能な分散
剤の例としては、たとえば、アラルキル・ポリエ
ステル・スルホン酸ナトリウム、アラルキル・ポ
リエステル硫酸ナトリウム、アラルキル・エーテ
ル硫酸ナトリウム、ジオクチル・スルホこはく酸
ナトリウム(aioctyl sodinm sulfosuccinate)、
酸型の燐酸エステル類又はこれらの混合物の如き
アニオン表面活性剤、たとえばオクチル・フエノ
ール・エーテル・アルコール、オクチル・フエノ
ール・ポリエーテル・アルコール、ノニル・フエ
ノール・ポリエーテル・アルコール、アルキル・
ポリエーテル・アルコール、アルキルアリール・
ポリエチレン・グリコール・エーテル又はこれら
の混合物の如き非イオン性表面活性剤、及び非イ
オン性表面活性剤とアニオン表面活性剤との混合
物を挙げることができるが、これらは当該技術分
野で周知の表面活性剤である。負の電荷を持つカ
チオン表面活性剤は、電解液の浸透の妨げとなる
傾向があり、特に使用に適したものとは言えな
い。
The catalytically active material contained in each active material segment A, B, C and D, designated 30 in Figure 2, preferably has a total BET surface area per gram of approximately
30 to about 300 m 2 of oxygen-absorbing/reducing carbon, a suitable catalyst such as silver, preferably coated on the surface of the carbon particles or contained inside the carbon particles, and preferably a metal with a low oxygen overvoltage. Adducts such as CoWO4 , WS2 , nickel spinels, preferably NiS, Fe, WO4 ,
WC and a metal adduct such as WC coated with 1 to 20% by weight of Co (cobalt) and a fluorocarbon-based particulate dispersant as a non-wetting binder, preferably a polytetrafluoroethylene dispersant. A dispersant is a substance that evaporates or decomposes when heated, reducing the surface tension between the fluorocarbon particles and other particles and increasing the flow of the electrolyte by capillary action between the particles in the active material. It is a substance that promotes Examples of dispersants that can be used include, for example, sodium aralkyl polyester sulfonate, sodium aralkyl polyester sulfate, sodium aralkyl ether sulfate, aioctyl sodium sulfosuccinate,
Anionic surfactants such as phosphoric acid esters in acid form or mixtures thereof, such as octyl phenol ether alcohol, octyl phenol polyether alcohol, nonyl phenol polyether alcohol, alkyl phenol polyether alcohol, etc.
Polyether/alcohol, alkylaryl/
Mention may be made of nonionic surfactants, such as polyethylene glycol ethers or mixtures thereof, and mixtures of nonionic and anionic surfactants, which are well known in the art. It is a drug. Cationic surfactants with a negative charge tend to interfere with electrolyte penetration and are not particularly suitable for use.

本発明で使用するために好ましい炭素は、独立
した複数の粒子が鎖状につながつている綿毛状の
形状のものであり、例としてアセチレン・ブラツ
クを挙げることができる。加圧してペレツトの形
になつた材料を用いるときには、磨砕して使用に
適する粒子寸法にすればよい。176Kg/cm2
(2500psi)におけるアセチレン・ブラツクの低抗
率は0.57〜3.60オーム/cm3(0.035〜0.22オーム/
立方インチ)と低い値であり、優れた電子導体と
なる。アセチレン・ブラツクの嵩比重は約0.019
g/cm3(1.20ポンド/立方フイート)であり、粒
子寸法は0.005〜0.13ミクロンであつて、各粒子
は外表面における寸法が0.002ミクロン以上の数
個の開口孔部を有する。アセチレン・ブラツクの
表面積のほとんどは外表面によつて占められ、僅
かに2〜3のチヤンネルがあるに過ぎない。或る
種のチヤンネル型カーボン・ブラツクを用いるこ
ともできる。炭素の好ましいBET全表面積の範
囲は、1g当たり30〜300m2である。
Preferred carbons for use in the present invention are in the form of fluff, consisting of a plurality of independent particles linked together in a chain, examples of which include acetylene black. When using pressurized material in pellet form, it may be ground to a particle size suitable for use. 176Kg/ cm2
The low resistivity of acetylene black at (2500 psi) is 0.57-3.60 ohm/ cm3 (0.035-0.22 ohm/cm3).
It has a low value (in cubic inches) and is an excellent electronic conductor. The bulk specific gravity of acetylene black is approximately 0.019
g/cm 3 (1.20 lbs/cubic foot) and the particle size is 0.005 to 0.13 microns, with each particle having several open pores with dimensions at the outer surface of 0.002 microns or more. Most of the surface area of acetylene black is occupied by the outer surface, with only a few channels. Some type of channel carbon black may also be used. The preferred BET total surface area range of carbon is 30-300 m 2 per gram.

金属−空気電池中で二機能空気電極として用い
た場合には、炭素は電極充電時に酸素を発生する
面として働く。電極の用途によつては、炭素に付
着できる銀、ニツケル、プラチナその他の適宜な
触媒の支持面として炭素を役立てることもでき
る。金属−空気電池で使用する好ましい触媒であ
る銀を付着させる一つの方法としては、炭素を
AgNO3溶液と混合し、ヒドラジンを用いて銀を
析出させて炭素上に沈積させる。種々の形の炭
素、表面積測定のためのBET(Brunauer、
Emmett and Teller)法、並びに各種の酸素過
電圧の低い金属付加物についてのより完全な説明
は米国特許第3977901号明細書に記載されている。
When used as a bifunctional air electrode in a metal-air cell, the carbon acts as a surface that generates oxygen during electrode charging. Depending on the electrode application, the carbon can also serve as a support surface for silver, nickel, platinum, or other suitable catalysts that can be attached to the carbon. One method of depositing silver, the preferred catalyst for use in metal-air cells, is to deposit carbon.
Mix with AgNO 3 solution and use hydrazine to precipitate the silver onto the carbon. Various forms of carbon, BET for surface area measurements (Brunauer,
A more complete description of the Emmett and Teller process, as well as various low oxygen overpotential metal adducts, is provided in US Pat. No. 3,977,901.

極めて重要な特徴として、全ての成分を混合し
た後に、上記の全部の触媒活性物質を25℃〜30℃
で12時間〜48時間空気乾燥して、全てを活性親水
性物質にする。次に、この親水性物質の一部分を
250℃〜325℃で約1〜3時間空気中又は流動ガス
雰囲気中でオーブンを用いて乾燥することにより
加熱処理する。この加熱処理により弗化炭素のた
めの分散剤が熱分解又は蒸発して疎水性物質とな
る。この疎水性物質は、通常は界面活性剤である
分散剤が存在しないため表面張力が低く電解質が
毛細管現象によりよく流れるので電解液を保持す
る。
A very important feature is that after mixing all the ingredients, all the above catalytically active materials are heated at 25°C to 30°C.
Air dry for 12 to 48 hours to make everything an active hydrophilic material. Next, a part of this hydrophilic substance is
Heat treatment is performed by drying in an oven at 250° C. to 325° C. for about 1 to 3 hours in air or in a flowing gas atmosphere. Through this heat treatment, the dispersant for the fluorocarbon is thermally decomposed or evaporated to become a hydrophobic substance. This hydrophobic substance retains the electrolyte because it has a low surface tension because there is no dispersant, which is usually a surfactant, and the electrolyte flows easily due to capillary action.

空気乾燥部分と加熱処理部分の粒子寸法を区分
けして、金属−空気電池用の場合には150ミクロ
ン〜2000ミクロンの範囲の複数の粒子集団に分
け、燃料電池用の場合には30〜300ミクロンの粒
子集団に分ける。これらの幾つかの粒子集団を適
宜な量で混合して、上述の範囲の重量比勾配をつ
ける。「塊状物」という語句は、極めて細かい複
数の炭素粒子と、これらの炭素粒子と一体になつ
た粒度の粗い弗化炭素系物質及び金属−空気電池
に応用した場合に特に有用な金属付加物粒子とか
ら成る複合集塊を意味する。塊状物の粒子寸法
は、金属−空気電池用の場合には0.5〜50ミクロ
ン、燃料電池用の場合は50〜200ミクロンである。
The particle size of the air drying part and the heat treatment part is divided into multiple particle groups ranging from 150 microns to 2000 microns for metal-air batteries, and 30 to 300 microns for fuel cells. into particle populations. These several particle populations are mixed in appropriate amounts to create a weight ratio gradient within the range described above. The term "agglomerates" refers to extremely fine carbon particles, coarse-grained fluorocarbon materials associated with these carbon particles, and metal adduct particles that are particularly useful in metal-air battery applications. It means a complex agglomerate consisting of. The particle size of the agglomerates ranges from 0.5 to 50 microns for metal-air cells and from 50 to 200 microns for fuel cells.

親水性物質及び疎水性物質の両物質中の弗化炭
素系の非湿潤性結合体の量(固体基準)は、組成
物全量の約10重量%〜約50重量%の範囲内で変化
させることができる。一般的には、弗化炭素系分
散物は約50%〜60%の弗化炭素系固状物と、5%
〜10%の分散剤とを含有し、残部が水である。酸
素過電圧の低い物質を、炭素1部に対し0.25〜5
部添加することができる。これらの物質は、孔部
形成剤として働き、触媒の解離を防止する場合も
ある。炭素に2重量%〜10重量%、好ましくは2
〜5重量%の銀その他の適宜な触媒を含有させる
のが普通である。
The amount of fluorocarbon-based non-wetting binder (on a solids basis) in both the hydrophilic and hydrophobic materials may vary from about 10% to about 50% by weight of the total composition. I can do it. Generally, fluorocarbon dispersions contain about 50% to 60% fluorocarbon solids and 5%
~10% dispersant, with the balance being water. Add 0.25 to 5 of a substance with low oxygen overvoltage to 1 part of carbon.
part can be added. These materials may also act as pore formers and prevent catalyst dissociation. 2% to 10% by weight, preferably 2% by weight on carbon
It is common to include up to 5% by weight of silver or other suitable catalysts.

上に述べた電極は、電気化学エネルギー電池中
で用いるに特に適したものであり、金属電極とし
て鉄、亜鉛、カドミウム又はアルミニウム等から
成る金属電極と組み合わせ、電極の中間部分に両
電極と接触させて水酸化アルカリ電解液を入れて
電池をつくることができる。
The above-mentioned electrodes are particularly suitable for use in electrochemical energy cells, in combination with metal electrodes of iron, zinc, cadmium or aluminum, etc., with the intermediate part of the electrode in contact with both electrodes. A battery can be made by adding an alkaline hydroxide electrolyte.

上記の電極は、当該技術分野で周知の室温アル
カリ燃料電池や高温燐酸燃料電池のような種々の
燃料電池の内部で電極としての用途に用いること
ができる。燃料電池では、燃料電極は水素ガスの
ような燃料と接触し、空気電極は空気又は酸素と
接触し、電解液は燃料電極及び空気電極と接触す
る。この種の応用用途の場合、本発明電極は燃料
電極又は空気電極のどちらの用途にも使用でき、
燃料電極と空気電極の中間にたとえば水酸化カリ
ウム又は燐酸のような電解液を入れる。燃料電池
の作動及び標準的な電極の構造の完全な説明につ
いては、参考文献としてこゝで引用する米国特許
第3935029号明細書に記載されている。
The electrodes described above can be used as electrodes within a variety of fuel cells, such as room temperature alkaline fuel cells and high temperature phosphoric acid fuel cells, which are well known in the art. In a fuel cell, a fuel electrode is in contact with a fuel such as hydrogen gas, an air electrode is in contact with air or oxygen, and an electrolyte is in contact with the fuel electrode and the air electrode. For this type of application, the electrode of the present invention can be used as either a fuel electrode or an air electrode.
An electrolyte such as potassium hydroxide or phosphoric acid is placed between the fuel electrode and the air electrode. A complete description of fuel cell operation and standard electrode construction can be found in US Pat. No. 3,935,029, which is incorporated herein by reference.

次に、実施例を挙げて、本発明を例示する。 The invention will now be illustrated by way of examples.

実施例 11.4cm×14.3cmの空気電極をつくつた。BET表
面積が約60〜70m2/1g〔シヤウイニガン・プロ
ダクツ・コーポレイシヨン(Shawinigan
Products Corp.)から商品名シヤウイニガン・
ブラツク(Shawinigan Black)という名で市販
されている〕である乾燥アセチレン・ブラツク粒
子を湿つたスラリー中でAgNO3と混合した。次
いでヒドラジンを添加して、カーボン粒子上に銀
を沈積させた。次に、過剰の水を真空に吸引して
取り除き、ペーストを24時間空気乾燥させた。充
分な量のAgNO3溶液を用いて、カーボン粒子上
の銀含有量を3〜4重量%にした。この銀沈積カ
ーボン粒子30gに4.5gのNiSと、4.5gのFeWO4
と、12重量%のCoを被覆した4.5gのWCと、7、
2gの固体状ポリテトラエチレン及び約1.0gの
オクチルフエノール・ポリエステル・アルコール
非イオン性表面活性剤分散剤とを含有する12gの
ポリ四弗化エチレン水性分散物と170mlの水とを
添加して、スラリーを形成させた。このスラリー
をスクリーン上で25℃で24時間空気乾燥して、活
性親水性物質を得た。
Example An air electrode measuring 11.4 cm x 14.3 cm was made. The BET surface area is approximately 60 to 70 m 2 /1 g [Shawinigan Products Corporation (Shawinigan
Products Corp.) with the trade name Syaouinigan.
Dry acetylene black particles (commercially available under the name Shawinigan Black) were mixed with AgNO 3 in a wet slurry. Hydrazine was then added to deposit silver onto the carbon particles. Excess water was then removed by vacuum and the paste was air-dried for 24 hours. Sufficient amount of AgNO 3 solution was used to bring the silver content on the carbon particles to 3-4% by weight. 4.5 g of NiS and 4.5 g of FeWO 4 to 30 g of these silver-deposited carbon particles.
and 4.5 g of WC coated with 12 wt% Co, 7.
adding 12 g of polytetrafluoroethylene aqueous dispersion containing 2 g of solid polytetraethylene and about 1.0 g of octylphenol polyester alcohol nonionic surfactant dispersant and 170 ml of water; A slurry was formed. The slurry was air dried on a screen at 25° C. for 24 hours to obtain the active hydrophilic material.

酸素過電圧の低い複数物質から成る混合物をカ
ーボン1部に対して0.45部存在させ、ポリ四弗化
エチレン固状物として約14重量%の空気乾燥した
触媒含有材料を使用した。約60重量%の空気乾燥
し触媒を付着させた物質をオーブンに入れて300
℃で2時間焼成し、非イオン性表面活性剤を蒸発
させ分解させて、熱処理した活性疎水性物質をつ
くつた。表面活性剤が存在しなくなつたので、こ
の物質には電解液の毛細管内への浸透はほとんど
起こらない。活性親水性物質及び活性疎水性物質
には同一量の触媒とポリ四弗化エチレンが存在し
ていたが、これら両物質を篩分けして、粒度793
ミクロン及び粒度1098ミクロンの親水性塊状物の
バツチ並びに粒度660ミクロン、粒度793ミクロン
及び粒度1098ミクロンの疎水性塊状物のバツチに
区分した。
A low oxygen overpotential mixture was present at 0.45 parts per part carbon, and about 14% by weight of the air-dried catalyst-containing material was used as polytetrafluoroethylene solids. Approximately 60% by weight of the air-dried, catalyst-coated material was placed in an oven for 300 min.
C. for 2 hours to evaporate and decompose the nonionic surfactant, creating a heat-treated active hydrophobe. Since the surfactant is no longer present, this material has little penetration of the electrolyte into the capillary tubes. Although equal amounts of catalyst and polytetrafluoroethylene were present in the active hydrophilic and active hydrophobic materials, both materials were sieved to a particle size of 793.
It was divided into batches of hydrophilic agglomerates of micron and particle size 1098 microns and batches of hydrophobic agglomerates of particle size 660 micron, particle size 793 micron and particle size 1098 micron.

集電器として4枚の11.4cm×11.4cm×0.025cmの
分散結合し、気孔率94%のニツケル繊維ウール製
プレートを使用し、第2図に示した構造と同様の
構造の空気電極をつくつた。全部のプレートの上
縁部に電気リード・タブを熔接した。以下に示す
ように複数の触媒活性物質区分を積み上げた。な
お、下記のHLは活性親水性物質を示し、HPは
活性疎水性物質を示す。
An air electrode with a structure similar to that shown in Figure 2 was constructed using four 11.4 cm x 11.4 cm x 0.025 cm dispersively bonded nickel fiber wool plates with a porosity of 94% as current collectors. . Electrical lead tabs were welded to the top edges of all plates. Multiple catalytically active material categories were stacked as shown below. Note that HL below indicates an active hydrophilic substance, and HP indicates an active hydrophobic substance.

区分A(電解液に隣接) 粒度793ミクロンのHL
を1.2gに粒度660ミクロンのHPを0.8gニツケ
ル繊維製プレート 区分B(区分Aに隣接) 粒度793ミクロンのHL
を1.2gに粒度660ミクロンのHPを1.8gニツケ
ル繊維製プレート 区分C(区分Bに隣接) 粒度1098ミクロンの
HLを1.0gと粒度660ミクロンのHPを1.5gと
粒度793ミクロンのHPを0.5gニツケル繊維製
プレート 区分D(空気接触側面に隣接) 粒度1098ミクロ
ンのHLを0.8gと粒度1098ミクロンのHPを0.5
gと粒度793ミクロンのHPを1.7gニツケル繊
維製プレート 触媒を付着させた活性物質から成る各区分を圧
力176Kg/cm2(2500psi)で対応するニツケル繊維
製プレートに冷間圧入し、プレート上に被覆し、
少なくとも一部分はプレート内部に侵入させた。
Category A (adjacent to electrolyte) HL with particle size 793 microns
1.2g of HP with a particle size of 660 microns and 0.8g of HP with a particle size of 793 microns.Nickel fiber plate section B (adjacent to section A) HL with a particle size of 793 microns.
1.2g of HP with a particle size of 660 microns and 1.8g of HP with a particle size of 1098 microns. Nickel fiber plate section C (adjacent to section B)
1.0 g of HL, 1.5 g of HP with a particle size of 660 microns and 0.5 g of HP with a particle size of 793 microns Nickel fiber plate section D (adjacent to the air contact side) 0.8 g of HL with a particle size of 1098 microns and HP with a particle size of 1098 microns 0.5
1.7 g of HP with a particle size of 793 microns on a nickel fiber plate. Each section consisting of the active material with attached catalyst is cold pressed into the corresponding nickel fiber plate at a pressure of 176 kg/cm 2 (2500 psi) and placed on the plate. coated,
At least a portion was allowed to penetrate inside the plate.

この時点で、カーボン・ブラツク粒子とポリ四
弗化エチレンとを破砕器中で混合しポリ四弗化エ
チレンを砕いて小繊維状にした後、破砕した混合
物を圧力176Kg/cm2(2500psi)で冷間加圧してシ
ートの形状にすることにより、疎水性シートをつ
くつた。この疎水性シートを加熱床プレスのプラ
テン上に置き、その上に区分D、C、B及びAを
積み重ねて、電極積上げ体をつくつた。この積み
重なり全体を加熱床プレスで281Kg/cm2
(4000psi)の加圧下300℃で加熱加圧して押し固
めて、第2図に示したと同様の構造の一体になつ
た空気電極を得た。
At this point, the carbon black particles and polytetrafluoroethylene are mixed in a crusher, the polytetrafluoroethylene is crushed into fibrils, and the crushed mixture is crushed under a pressure of 176 kg/cm 2 (2500 psi). A hydrophobic sheet was created by cold pressing into a sheet shape. This hydrophobic sheet was placed on the platen of a heated bed press and sections D, C, B and A were stacked on top to form an electrode stack. This entire pile was pressed to 281Kg/ cm2 using a heated bed press.
The electrode was heated and pressed at 300° C. under a pressure of 4000 psi to obtain an integrated air electrode having a structure similar to that shown in FIG.

得られた空気電極の活性層は、ニツケル繊維製
プレートの重量を除くと、38重量%の親水性物質
と62重量%の疎水性物質とから成り、活性親水性
物質:活性疎水性物質の重量比は、電解液に接す
る側面に隣接する区分においては1.2:0.8即ち
1:0.67であり、空気と接触する疎水性シートに
隣接する区分においては0.8:(0.5+1.7)即ち
1:2.5であつた。又、電解液側と空気側とにお
ける粒度については、親水性物質の粒度は793ミ
クロンから1098ミクロンに増大し、疎水性物質の
粒度は660ミクロンから1098ミクロンに増大する
構成であつた。
The active layer of the obtained air electrode consists of 38% by weight of hydrophilic substance and 62% by weight of hydrophobic substance, excluding the weight of the nickel fiber plate, and the weight of active hydrophilic substance: active hydrophobic substance is The ratio is 1.2:0.8 or 1:0.67 in the section adjacent to the side in contact with the electrolyte and 0.8:(0.5+1.7) or 1:2.5 in the section adjacent to the hydrophobic sheet in contact with air. It was hot. Regarding the particle sizes on the electrolyte side and the air side, the particle size of the hydrophilic substance increased from 793 microns to 1098 microns, and the particle size of the hydrophobic substance increased from 660 microns to 1098 microns.

4区分の活性物質区分と4個の集電器を持つ押
し固めた空気電極を25重量%KOH溶液から成る
電解液を満たした方形プラスチツク製容器の一側
部として使用し、疎水性シートを空気源と接触さ
せ、空気電極の区分Aを電解液と接触させた。第
1図に示すようにプラスチツク製フレームに空気
電極を組み入れたので、活性面の大きさは約8.3
cm×9.5cm(3 1/4インチ×3 3/4インチ)に減
少した。電池の反対側部は平らなニツケル・シー
トで形成され、このニツケル・シートが対向電極
として作用する。ニツケル製の対向電極の側面を
ポリ四弗化エチレン・シートで被覆して電解液と
接触しないようにした。Hg/HgO対照電極をニ
ツケル・シートと空気電極の中間の電解液に挿入
し、適宜に電気的に接続した。本発明による空気
電極を用いたこの電池を250回使用したが、1回
の各サイクルは25mA/cm2で4時間放電し、12.5
mA/cm2で4時間充電する操作を行なつた。
A compacted air electrode with four active substance sections and four current collectors was used as one side of a rectangular plastic container filled with an electrolyte consisting of a 25% KOH solution, and a hydrophobic sheet was used as the air source. and section A of the air electrode was brought into contact with the electrolyte. As shown in Figure 1, the air electrode is incorporated into the plastic frame, so the active surface size is approximately 8.3
cm x 9.5 cm (3 1/4 inches x 3 3/4 inches). The opposite side of the cell is formed of a flat nickel sheet, which acts as the counter electrode. The side surface of the nickel counter electrode was covered with a polytetrafluoroethylene sheet to prevent contact with the electrolyte. A Hg/HgO reference electrode was inserted into the electrolyte between the nickel sheet and the air electrode and electrically connected as appropriate. This cell with an air electrode according to the invention was used 250 times, each cycle being discharged for 4 hours at 25 mA/cm 2 and 12.5
A charging operation was performed at mA/cm 2 for 4 hours.

第3図の酸素還元電圧対サイクル回数及び第4
図の酸素発生電圧対サイクル回数を示すグラフに
おいて、曲線Aが本発明による空気電極を使用し
た電池の作動特性を示すグラフである。図面から
わかるように、活性層横断方向で寸法及び重量の
両面で段階的に変化がつけられている本発明によ
る空気電極は、大きな電圧変化を示すことなく安
定した電気特性を発揮しており、これはどの活性
区分においても制御されない電解液のフラツデイ
ングが起きておらず、どの活性区分においても酸
素捕捉に起因する構造体のはく離が生じていない
ことを示す。試験を続行したが、300回に至るま
で曲線は安定であつた。このような顕著な結果
は、本発明による電極の優秀性を示し、フラツデ
イングを起こさない金属−空気電池中で用いるに
適した有用性を示すものである。各グラフ中にB
で示す比較物について次に説明する。
Oxygen reduction voltage vs. number of cycles in Figure 3 and Figure 4
In the graph showing the oxygen generation voltage versus the number of cycles shown in the figure, curve A is a graph showing the operating characteristics of the battery using the air electrode according to the present invention. As can be seen from the drawings, the air electrode according to the present invention, which has stepwise changes in both dimensions and weight across the active layer, exhibits stable electrical characteristics without exhibiting large voltage changes. This indicates that there is no uncontrolled electrolyte flooding in any of the active sections and no delamination of the structure due to oxygen scavenging in any of the active sections. The test was continued and the curve remained stable until 300 times. These remarkable results demonstrate the superiority of the electrode according to the invention and its suitability for use in non-flooding metal-air cells. B in each graph
The comparative product shown in will be explained next.

集電器として11.4cm×11.4cm×0.025cmの分散結
合した気孔率94%の多孔質ニツケル繊維ウール製
プレートを用いて、比較のための11.4cm×11.4cm
の空気電極をつくつた。活性物質の材料として使
用した成分及び量は実施例と同じ材料であり、酸
素過電圧の低い物質の混合物の存在量は炭素1部
に対して約0.45部であり、空気乾燥した触媒付着
物質の約14重量%に当たる重量は固体状ポリ四弗
化エチレンによつて占められていた。実施例に記
載したと同様にして、空気乾燥した触媒付着物質
の一部分を焼成して、疎水性物質をつくつた。活
性親水性物質及び活性疎水性物質の両物質中に存
在する触媒量とポリ四弗化エチレン量とは同量で
あり、両物質を篩にかけて粒度約2500ミクロンの
親水性塊状物及び疎水性塊状物を得た。
A 11.4 cm x 11.4 cm dispersion-bonded 94% porous nickel fiber wool plate was used as a current collector and a 11.4 cm x 11.4 cm dispersion-bonded 94% porous nickel fiber wool plate was used as the current collector.
created an air electrode. The ingredients and amounts used as materials for the active substance were the same as in the examples, and the amount of the mixture of substances with low oxygen overvoltage was about 0.45 parts per part of carbon, and the amount of the mixture of substances with low oxygen overvoltage was about 0.45 parts to 1 part of carbon. The weight equivalent to 14% by weight was accounted for by solid polytetrafluoroethylene. A portion of the air-dried catalyst-deposited material was calcined to produce a hydrophobic material as described in the Examples. The amount of catalyst and the amount of polytetrafluoroethylene present in both the active hydrophilic substance and the active hydrophobic substance are the same, and both substances are sieved to form hydrophilic lumps and hydrophobic lumps with a particle size of about 2500 microns. I got something.

次に記載するようにして、触媒活性物質区分を
積み上げた。HLは親水性物質を示し、HPは疎
水性物質を示す。
The catalytically active material categories were stacked as described below. HL indicates a hydrophilic substance, and HP indicates a hydrophobic substance.

区分A(電解液に隣接) 粒度約2500ミクロンの
HLを1.5gニツケル繊維製プレート 区分B(区分Aに隣接) 粒度約2500ミクロンの
HLを1.5gニツケル繊維製プレート 区分C(区分Bに隣接) 粒度約2500ミクロンの
HLを1.5gニツケル繊維製プレート 区分D(空気接触側面に隣接) 粒度約2500ミク
ロンのHLを1.5gに粒度約2500ミクロンのHP
を0.4gニツケル繊維製プレート 即ち、実施例とは異なり、活性層中には親水性
塊状物と疎水性塊状物の均一な混合物も存在せ
ず、活性層を横断する方向における粒度又は重量
比の段階的変化も付されていない。
Category A (adjacent to electrolyte) Particle size approximately 2500 microns
1.5g of HL in nickel fiber plate section B (adjacent to section A) with a particle size of approximately 2500 microns.
1.5g of HL on a nickel fiber plate section C (adjacent to section B) with a particle size of approximately 2500 microns.
1.5g of HL in nickel fiber plate section D (adjacent to the air contact side) 1.5g of HL with a particle size of approximately 2500 microns and HP with a particle size of approximately 2500 microns
0.4 g of the nickel fiber plate. That is, unlike the example, there is no homogeneous mixture of hydrophilic and hydrophobic aggregates in the active layer, and the particle size or weight ratio in the direction across the active layer is There are also no gradual changes.

実施例におけると同様にして、触媒付着活性層
から成る各区分を対応するニツケル繊維製プラー
クに冷間圧入し、積み上げ、疎水性シートに加熱
加圧して押し固め、4区分の活性物質区分と4個
の集電器を持つ一体構造の空気電極を得た。こう
して得た比較空気電極を電池の空気電極として使
用し、実施例におけると同様にして、25mA/cm2
で4時間放電させ12.5mA/cm2で4時間充電する
サイクルを250回繰り返した。
As in the examples, each section of the catalyst-adhered active layer was cold-pressed into a corresponding nickel fiber plaque, stacked, and compacted by heating and pressing onto a hydrophobic sheet to form 4 active material sections and 4 sections. A monolithic air electrode with several current collectors was obtained. The comparative air electrode obtained in this way was used as an air electrode of a battery, and the same procedure as in the example was carried out, at a rate of 25 mA/cm 2 .
A cycle of discharging for 4 hours at 12.5 mA/cm 2 and charging for 4 hours at 12.5 mA/cm 2 was repeated 250 times.

第3図及び第4図に示すサイクル回数に対する
酸素還元電圧及び酸素発生電圧のグラフを描い
た。各グラフ中の曲線Bがこの比較空気電極を用
いた電池の作動特性を示す。図面からわかるよう
に、両方のグラフ中の曲線Bは大きな電圧変化を
示しており、250回のサイクル使用中における不
安定性を示している。
Graphs of oxygen reduction voltage and oxygen generation voltage with respect to the number of cycles shown in FIGS. 3 and 4 were drawn. Curve B in each graph shows the operating characteristics of a battery using this comparative air electrode. As can be seen from the figures, curve B in both graphs shows large voltage changes, indicating instability during 250 cycles.

上にも述べた通り、本発明による粒度及び重量
比を段階的に区分した多層積層電極は、燃料電池
の用途にも応用できる。
As mentioned above, the multilayer laminated electrode according to the present invention in which the particle size and weight ratio are graded can also be applied to fuel cells.

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

第1図は、本発明による電極を採用した一つの
型の空気/金属電池の一部分を断面で示す斜視図
である。第2図は、第1図の電極の拡大断面図で
あり、活性層全体における疎水性物質と親水性物
質の粒子寸法勾配を示す図である。第3図は、酸
素発生電圧対サイクル回数を示す比較グラフであ
る。第4図は、酸素発生電圧対サイクル回数を示
す比較グラフである。 10……電池、11……ケース、12,13…
…空気電極、14,16……疎水性シート、1
7,18……活性物質区分、19,21……金属
製集電器、22,23……プラスチツク製フレー
ム、24,26……電気リード、27……金属製
電極、29……電解液。
FIG. 1 is a perspective view, in cross-section, of a portion of one type of air/metal cell employing electrodes according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the electrode of FIG. 1, showing the particle size gradient of hydrophobic and hydrophilic substances throughout the active layer. FIG. 3 is a comparative graph showing oxygen generation voltage versus number of cycles. FIG. 4 is a comparative graph showing oxygen generation voltage versus number of cycles. 10... Battery, 11... Case, 12, 13...
...Air electrode, 14,16...Hydrophobic sheet, 1
7, 18... Active substance section, 19, 21... Metal current collector, 22, 23... Plastic frame, 24, 26... Electrical lead, 27... Metal electrode, 29... Electrolyte.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 多孔質支持シートと、前記の多孔質支持シー
トに付着されていて電解液透過性側面と支持シー
トに接触する側面とを持つ触媒活性層とから成
り、前記触媒活性層が疎水性塊状物と親水性塊状
物との混合物と触媒とから成り、電解液透過性側
面から支持シート接触側面に向かうにつれて疎水
性塊状物及び親水性塊状物の粒子寸法が増大する
とともに、電解液透過性側面から支持シート接触
側面に向かうにつれて疎水性物質:親水性物質の
重量比が増大することを特徴とする電極。 2 疎水性物質が炭素粒子と弗化炭素系物質とか
ら成り、親水性物質が炭素粒子と弗化炭素物質と
親水性塊状物の間にある液体の表面張力を減少さ
せる働きのある有機分散剤とから成り、活性層全
体に触媒が等しく分配されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第1項に記載の電極。 3 前記電極が空気電極であり、該空気電極の支
持シートは疎水性であり、疎水性支持シートに触
媒活性層が積層され、触媒活性層内に少なくとも
2個の多孔質金属製の集電器が配設され、疎水性
塊状物が1g当りの全表面積30〜300m2の酸素吸
収/還元炭素粒子と、触媒と、酸素過電圧の低い
物質と、弗化炭素系の非湿潤性結合剤とから成
り、触媒活性親水性塊状物が1g当たりの全表面
積30〜300m2の酸素吸収/還元炭素粒子と、触媒
と、酸素過電圧の低い物質と、弗化水素系の非湿
潤性結合剤と、触媒活性親水性塊状物の間にある
液体の表面張力を減少させる働きのある有機分散
剤とから成り、触媒活性親水性物質:触媒活性疎
水性物質の重量比が電解液透過性の高い側面にお
ける1:0.2の比率から疎水性支持シートに接触
している側面における1:5の比率にまで変化が
つけられていることを特徴とする特許請求の範囲
第1項又は第2項に記載の電極。 4 活性層中の集電器が金属繊維構造体であり、
活性層中の触媒が過酸化物類を分解する働きを
し、活性層中の酸素過電圧の低い物質がCoWO4
WS2、スピネル型ニツケル、NiS、FeWO4、WC
若しくは1〜20重量%のCoを被覆したWC又はこ
れらの混合物であることを特徴とする特許請求の
範囲第3項に記載の電極。 5 活性層中の弗化炭素系結合剤がポリ四弗化エ
チレンであり、活性層中の触媒が銀であり、銀が
炭素粒子上に沈積していることを特徴とする特許
請求の範囲第3項又は第4項に記載の電極。 6 有機分散剤がアニオン表面活性剤、若しくは
非イオン性表面活性剤又はこれらの混合物である
ことを特徴とする特許請求の範囲第3項、第4項
又は第5項に記載の電極。 7 有機分散剤が、オクチル・フエノール・エー
テル・アルコール、オクチル・フエノール・ポリ
エーテル・アルコール、ノニル・フエノール・ポ
リエーテル・アルコール、アルキルポリエーテ
ル・アルコール、アルキルアリル・ポリエチレ
ン・グリコール・エーテル又はこれらの混合物で
あることを特徴とする特許請求の範囲第6項に記
載の電極。 8 活性層中の塊状物の粒子直径が150〜2000ミ
クロンの範囲内にあることを特徴とする特許請求
の範囲第3項〜第7項の何れかに記載の電極。 9 活性層が少なくとも2区分に区分されてお
り、隣接する各区分の中間部および前記支持シー
トと支持シートに隣接する区分の中間部に集電器
が配設されていることを特徴とする特許請求の範
囲第3項〜第8項の何れかに記載の電極。
[Scope of Claims] 1 Comprising a porous support sheet and a catalytically active layer attached to the porous support sheet and having an electrolyte permeable side surface and a side surface in contact with the support sheet, the catalytically active layer is composed of a mixture of hydrophobic lumps and hydrophilic lumps and a catalyst, and the particle size of the hydrophobic lumps and hydrophilic lumps increases from the electrolyte-permeable side to the supporting sheet contact side, and the electrolytic An electrode characterized in that the weight ratio of hydrophobic substance to hydrophilic substance increases from the liquid-permeable side surface to the support sheet contact side surface. 2. An organic dispersant in which the hydrophobic substance consists of carbon particles and a carbon fluoride substance, and the hydrophilic substance functions to reduce the surface tension of a liquid between the carbon particles, the carbon fluoride substance, and the hydrophilic aggregate. An electrode according to claim 1, characterized in that the catalyst is distributed equally throughout the active layer. 3. The electrode is an air electrode, the support sheet of the air electrode is hydrophobic, a catalytic active layer is laminated on the hydrophobic support sheet, and at least two porous metal current collectors are disposed within the catalytic active layer. The hydrophobic mass consists of oxygen-absorbing/reducing carbon particles with a total surface area of 30 to 300 m2 per gram, a catalyst, a substance with low oxygen overpotential, and a non-wetting binder based on fluorocarbons. , a catalytically active hydrophilic mass with a total surface area of 30 to 300 m 2 per gram of oxygen-absorbing/reducing carbon particles, a catalyst, a substance with a low oxygen overpotential, a non-wetting binder based on hydrogen fluoride, a catalytically active and an organic dispersant that acts to reduce the surface tension of the liquid between the hydrophilic aggregates, and the weight ratio of the catalytically active hydrophilic substance to the catalytically active hydrophobic substance is 1: on the side with high electrolyte permeability. 3. An electrode according to claim 1, characterized in that the ratio varies from 0.2 to 1:5 on the side surface in contact with the hydrophobic support sheet. 4. The current collector in the active layer is a metal fiber structure,
The catalyst in the active layer functions to decompose peroxides, and the substance with low oxygen overvoltage in the active layer is CoWO 4 ,
WS 2 , spinel type nickel, NiS, FeWO 4 , WC
The electrode according to claim 3, wherein the electrode is WC coated with 1 to 20% by weight of Co, or a mixture thereof. 5. Claim No. 5, characterized in that the fluorocarbon binder in the active layer is polytetrafluoroethylene, the catalyst in the active layer is silver, and the silver is deposited on the carbon particles. The electrode according to item 3 or 4. 6. The electrode according to claim 3, 4, or 5, wherein the organic dispersant is an anionic surfactant, a nonionic surfactant, or a mixture thereof. 7 The organic dispersant is octyl phenol ether alcohol, octyl phenol polyether alcohol, nonyl phenol polyether alcohol, alkyl polyether alcohol, alkylaryl polyethylene glycol ether, or a mixture thereof. The electrode according to claim 6, characterized in that: 8. The electrode according to any one of claims 3 to 7, wherein the particle diameter of the agglomerates in the active layer is within the range of 150 to 2000 microns. 9. A patent claim characterized in that the active layer is divided into at least two sections, and a current collector is disposed in the middle of each adjacent section and in the middle of the support sheet and the section adjacent to the support sheet. The electrode according to any one of the ranges 3 to 8.
JP58073710A 1982-08-27 1983-04-25 Multilayer electrodes stepwisely divided in grain size and component weight ratio Granted JPS5940468A (en)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US412369 1982-08-27
US442706 1982-11-18
US06/442,706 US4444852A (en) 1982-08-27 1982-11-18 Size and weight graded multi-ply laminar electrodes

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5940468A JPS5940468A (en) 1984-03-06
JPH0365624B2 true JPH0365624B2 (en) 1991-10-14

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JPS61256212A (en) * 1985-05-10 1986-11-13 Seisan Nipponsha Kk Automatic controller for inflation tube diameter
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