JPS6325076B2 - - Google Patents

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JPS6325076B2
JPS6325076B2 JP61291663A JP29166386A JPS6325076B2 JP S6325076 B2 JPS6325076 B2 JP S6325076B2 JP 61291663 A JP61291663 A JP 61291663A JP 29166386 A JP29166386 A JP 29166386A JP S6325076 B2 JPS6325076 B2 JP S6325076B2
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JP
Japan
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membrane
particles
matrix
carbon
conductive
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Application number
JP61291663A
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Japanese (ja)
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JPS62188790A (en
Inventor
Emu Matsukintaia Jon
Pii Kaaru Uiriamu
Deii Baadoeru Jefurii
Aaru Sumisu Buruusu
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Dow Chemical Co
Original Assignee
Dow Chemical Co
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Publication date
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Publication of JPS6325076B2 publication Critical patent/JPS6325076B2/ja
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、集電手段と、電解質SPE電池中に用
いられる、埋め込まれ、又は、結着された電極と
の間の電気抵抗を最小にするような固体重合体電
解質(SPE)構造物を製造する方法に関するもの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application] The present invention minimizes the electrical resistance between current collection means and embedded or bonded electrodes used in electrolytic SPE cells. The present invention relates to a method of manufacturing a solid polymer electrolyte (SPE) structure.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

固体重合体電解質(SPE)電池とは、1個又は
2個の電極が重合体イオン交換膜中に結着され、
又は、埋め込まれている電池のことである。この
ような電池は当業界によく知られており下記米国
特許に記載されている。
A solid polymer electrolyte (SPE) battery is one in which one or two electrodes are bonded within a polymeric ion exchange membrane.
Or an embedded battery. Such batteries are well known in the art and are described in the following US patents.

第4315805号、Darlingtonその他(1982年2月
16日) 第4364815号、Darlingtonその他(1982年12月
12日) 第4272353号、Lawrenceその他(1981年6月
9日) および 第4394229号、Korach(1983年7月19日) SPE電池において、集電手段は電極に向つて押
圧されかつ、それに接触し、電力供給源から電極
に流れる電流の通路を形成する。この集電手段は
導電性の水透過性マトリツクスであつて、これは
種々の形、サイズ、および形式をとり得るもので
あり、例えば金属の窓網、穿孔された金属板、エ
キスパンデツドメタル、およびこれらの類似物な
どを包含する。下記の米国特許は、一般に使用さ
れている集電手段の例を記載している。
No. 4315805, Darlington et al. (February 1982)
16th) No. 4364815, Darlington et al. (December 1982)
12) No. 4272353, Lawrence et al. (June 9, 1981) and No. 4394229, Korach (July 19, 1983) In SPE cells, the current collecting means is pressed towards and in contact with the electrode. , forming a path for current to flow from the power supply to the electrodes. The current collection means is an electrically conductive, water permeable matrix which can take a variety of shapes, sizes and formats, such as metal window screens, perforated metal plates, expanded metal, etc. and their analogs. The following US patents describe examples of commonly used current collection means.

第4299674号、Korach(1981年11月10日) 第4468311号、de Noraその他(1984年8月28
日) 第4215183号、Mac Leod(1980年7月29日) SPE電池はしばしば、埋め込まれた、又は結着
された電極と電極に向つて押圧された集電手段と
の間の高電気抵抗に起因する大きな問題をかかえ
ている。当業界の多くの当業者は、種々の方法に
よりこの高抵抗問題を解決しようと試みている。
この解決法のあるものは米国特許第4468311号、
Noraその他(1984年8月28日)に示されている
ようなマツトレスを使用すること、又は、米国特
許第4239396号、Allenその他(1981年10月6日)
に記載されているように、集電手段として作用す
る導電性炭素布帛に、電気的触媒を直接塗布する
ことなどを包含する。
No. 4299674, Korach (November 10, 1981) No. 4468311, de Nora et al. (August 28, 1984)
No. 4215183, Mac Leod (July 29, 1980) SPE batteries often suffer from high electrical resistance between the embedded or bonded electrode and the current collection means pressed towards the electrode. There are big problems caused by this. Many skilled in the art have attempted to solve this high resistance problem by various methods.
One version of this solution is U.S. Pat. No. 4,468,311;
Using pine tresses as shown in Nora et al. (August 28, 1984) or U.S. Pat. No. 4,239,396, Allen et al. (October 6, 1981).
and the application of an electrocatalyst directly to a conductive carbon fabric that acts as a current collection means, as described in .

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

本発明は、電解質SPE電池において、その中に
用いられる集電手段と、埋め込まれた、又は結着
された電極との間の電気抵抗を最小にすることの
できる固体重合体電解質(SPE)構造物の製造方
法を提供しようとするものである。
The present invention provides an electrolytic SPE battery with a solid polymer electrolyte (SPE) structure capable of minimizing the electrical resistance between the current collecting means used therein and the embedded or bonded electrodes. It aims to provide a method for manufacturing products.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は上記問題点を解決するための固体重合
体電解質構造物を製造する方法であつて、下記の
工程、すなわち: (a) 触媒活性を有する導電性粒子と、液体とから
懸濁液を形成し、 (b) 前記懸濁液を、弗化炭素重合体膜の少なくと
も片側上に、この膜がその熱可塑性にある塑性
変形の可能な状態にある間に塗布し、 (c) 前記膜上に前記粒子を残留させながら、前記
液体の実質的全量を除去し、そそて (d) 前記粒子の少なくとも1部分を前記膜中に押
圧する、 工程を含み、前記液体が、1,2―ジブロモテト
ラフルオロエタン、および1,2,2―トリクロ
ロトリフルオロエタンから選ばれることを特徴と
するものである。
The present invention is a method for manufacturing a solid polymer electrolyte structure to solve the above problems, and includes the following steps: (a) forming a suspension from conductive particles having catalytic activity and a liquid; (b) applying said suspension onto at least one side of a fluorocarbon polymer membrane while said membrane is in its thermoplastic, plastically deformable state; and (c) applying said suspension to said membrane. removing substantially all of the liquid while leaving the particles thereon; and (d) pressing at least a portion of the particles into the membrane, wherein the liquid is 1,2- It is characterized by being selected from dibromotetrafluoroethane and 1,2,2-trichlorotrifluoroethane.

本発明方法は、必要により前記のように処理さ
れ、その表面上に前記粒子を有する膜の表面に導
電性,水透過性のマトリツクスを接合させてもよ
い。
In the method of the present invention, if necessary, a conductive, water-permeable matrix may be bonded to the surface of the membrane which has been treated as described above and has the particles on its surface.

〔作用および実施例〕[Function and Examples]

添付図面において、本発明の固体重合体電解質
構造物100は、固体重合体膜120、複数個の
導電性粒子110、および導電性水透過性マトリ
ツクス130を有している。
In the accompanying drawings, a solid polymer electrolyte structure 100 of the present invention includes a solid polymer membrane 120, a plurality of conductive particles 110, and a conductive water permeable matrix 130.

重合体膜と導電性粒子と、導電性水透過性マト
リツクス(これは集電手段として作用し、電力供
給源に接続されている)との間の密接な接触の結
果、電気エネルギーの流れに対する抵抗は最小に
され、従つて電池は従来技術のSPE構造物を用い
ている電池よりも、より効率よく作動する。
Resistance to the flow of electrical energy as a result of the close contact between the polymer membrane and the conductive particles and the conductive water-permeable matrix, which acts as a current collector and is connected to a power supply source. is minimized, so the cell operates more efficiently than cells using prior art SPE structures.

本発明のSPE構造物(電極)は、導電性粒子が
重合体膜の片側又は両側に結着され、又は埋め込
まれた態様を包含する。
The SPE structures (electrodes) of the present invention include embodiments in which conductive particles are bound or embedded on one or both sides of a polymer membrane.

添付図面は、このようなSPE構造体(電極)1
00を示す。この構造物は重合体膜120と、そ
の中に埋め込まれている多数の導電性粒子110
を有するものである。
The attached drawing shows such an SPE structure (electrode) 1
Indicates 00. This structure includes a polymer film 120 and a number of conductive particles 110 embedded therein.
It has the following.

この粒子110は、導電性水透過性マトリツク
ス130と物理的に、かつ電気的に接触してお
り、マトリツクス130は、また、膜120中に
おし込まれている。
The particles 110 are in physical and electrical contact with a conductive water permeable matrix 130 which is also embedded within the membrane 120.

この膜は、陽極区画室を陰極区画室から分ける
もので、陽極区画室と陰極区画室との間に通過す
る流体および/又は、イオンの種類および量を制
限する。膜は単一層膜であつてもよく、或は多層
複合膜であつてもよい。
The membrane separates the anode compartment from the cathode compartment and limits the types and amounts of fluids and/or ions that can pass between the anode and cathode compartments. The membrane may be a single layer membrane or a multilayer composite membrane.

膜は、弗化炭素系重合体材料、又は、炭化水素
系重合体材料から構成されていてもよい。このよ
うな膜原料は当業界ではよく知られているもので
ある。しかしながら、好ましくは、弗化炭素系重
合体材料が、その良好な化学的安定性の故に、一
般に用いられている。
The membrane may be constructed from a fluorocarbon-based polymeric material or a hydrocarbon-based polymeric material. Such membrane raw materials are well known in the art. Preferably, however, fluorocarbon-based polymeric materials are commonly used because of their good chemical stability.

下記の特許に記載されている非イオン性(熱可
塑性)ペル弗素化重合体は、本発明に使用するの
に好適なものである。
The nonionic (thermoplastic) perfluorinated polymers described in the patents listed below are suitable for use in the present invention.

米国特許第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;および4478695号、
並びに、欧州特許出願公開第0027009号、 これらの重合体は通常、500〜2000の範囲内の
当量値を有している。
US Patent No. 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; and 4478695,
and European Patent Application No. 0027009. These polymers usually have equivalent weight values in the range 500 to 2000.

導電性粒子が弗化炭素重合体膜中に埋め込まれ
得るようにするためには、弗化炭素重合体膜がそ
の熱可塑性による塑性変形可能な状態にあること
が望ましい。この弗化炭素重合体膜は、それが製
造されたとき、および、それがイオン交換性状態
に形成される前にはその熱可塑性による塑性変形
可能な状態にある。この塑性変形可能な状態にあ
るときは、例えば、膜はイオン的に結合した
SO3Na又はSO3H側鎖グループよりも、むしろ
SO2X側鎖グループ(但し、Xは―F,―CO2
―CH3又は第4級アミンを表わす)を有してい
る。
In order to enable the conductive particles to be embedded in the fluorocarbon polymer film, it is desirable that the fluorocarbon polymer film be in a state where it can be plastically deformed due to its thermoplasticity. The fluorocarbon polymer membrane is in a plastically deformable state due to its thermoplastic nature when it is manufactured and before it is formed into an ion exchange state. When in this plastically deformable state, for example, the membrane has ionically bonded
rather than SO 3 Na or SO 3 H side chain groups.
SO 2 X side chain group (where X is -F, -CO 2 ,
-represents CH 3 or a quaternary amine).

前記膜を形成する用途に特に好ましい弗化炭素
重合体材料は、下記第1のタイプのモノマー
()と第2のタイプのモノマー()との共重
合体である。必要により第3のタイプのモノマー
()が、モノマー()および()と共重合
されてもよい。
A particularly preferred fluorocarbon polymer material for use in forming the membrane is a copolymer of a first type of monomer () and a second type of monomer () described below. If necessary, a third type of monomer () may be copolymerized with monomers () and ().

第1のタイプのモノマー()は、下記一般式
で表わされる。
The first type of monomer () is represented by the following general formula.

CF2=CZZ′ () 但し上式中、ZおよびZ′はそれぞれ他から独立
に―H,―Cl,―F,および―CF3から選ばれ
る。
CF 2 =CZZ' () However, in the above formula, Z and Z' are each independently selected from -H, -Cl, -F, and -CF 3 .

第2のタイプのモノマー()は下記一般式に
よつて表わされる化合物から選ばれた1種以上の
モノマーからなるものである。
The second type of monomer () consists of one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula.

Y―(CF2a―(CFR)b ―(CFR′)c―O―〔CF(CF2X) ―CF2―Oo〕―CF=CF2 () 但し上式中、Yは―SO2Z″,―CN,―COZ″,
および―C(R3)(R4)OHから選ばれ、Z″は
I,Br,Cl,F,―ORおよび―NR1R2から選ば
れ、Rは1〜10炭素原子を有する分岐鎖状又は直
鎖状アルキル基又はアリール基であり、R3およ
びR4は、それぞれ他から独立に1〜10炭素原子
を有するペルフルオロアルキル基から選ばれ、
R1およびR2は、それぞれ他から独立にH,1〜
10炭素原子を有する分岐鎖状および直鎖状アルキ
ル基、およびアリール基から選ばれ、また、aは
0〜6,bは0〜6,cは0又は1の数を表わ
し、但し、a+b+cは0に等しくはなく、Xは
Cl,BrおよびF,並びにn>1のときはそれら
の混合物から選ばれ、nは0〜6の数であり、
RおよびR′は、それぞれ他から独立にBr,F,
Cl,1〜10炭素原子を有するプルフルオロアルキ
ル基,および1〜10炭素原子を有するフルオロク
ロロアルキル基から選ばれる。
Y—(CF 2 ) a —(CFR) b —(CFR′) c —O—[CF(CF 2 X) —CF 2 —O o ]—CF=CF 2 () However, in the above formula, Y is— SO 2 Z″, ―CN, ―COZ″,
and -C( R3 )( R4 )OH, Z'' is selected from I, Br, Cl, F, -OR and -NR1R2 , and R is a branched chain having 1 to 10 carbon atoms. a straight-chain or straight-chain alkyl group or aryl group, R 3 and R 4 are each independently selected from perfluoroalkyl groups having 1 to 10 carbon atoms;
R 1 and R 2 are each independently H,1~
selected from branched and straight-chain alkyl groups having 10 carbon atoms, and aryl groups, and a represents a number of 0 to 6, b represents a number of 0 to 6, and c represents a number of 0 or 1, provided that a+b+c is not equal to 0, X is
selected from Cl, Br and F, and mixtures thereof when n>1, where n is a number from 0 to 6;
R and R' are independently Br, F,
Cl, perfluoroalkyl groups having 1 to 10 carbon atoms, and fluorochloroalkyl groups having 1 to 10 carbon atoms.

特に好ましいのは、上記式においてYが―
SO2F、又は、―COOCH3であり、nが0、又
は、1であり、RおよびR′がFであり、Xが
Cl、又は、Fであり、そしてa+b+cが2又は
3であるモノマーである。
Particularly preferably, in the above formula, Y is -
SO 2 F or -COOCH 3 , n is 0 or 1, R and R' are F, and X is
A monomer which is Cl or F and a+b+c is 2 or 3.

第3のタイプの、必要により用いられるモノマ
ー()は、下記一般式により表わされる化合物
から選ばれた1種以上のモノマーからなることが
好ましい。
The third type of monomer () used if necessary is preferably composed of one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula.

Y′―(CF2a′―(CFR)b′ ―(CFR′)c′―O―〔CF(CF2X′) ―CF2―O〕o′―CF=CF2 () 但し上式中Y′はF,ClおよびBrから選ばれ、
a′およびb′は、それぞれ他から独立に0〜3の数
であり、c′は0又は1であり、但しa′+b′+c′は
0に等しいことはなく、n′は0〜6の数であり、
RおよびR′は前記と同一であり、X′はF,Cl,
およびBr並びにn′>1のときはこれらの混合物
から選ばれる。
Y -(CF 2 ) a ′-(CFR) b ′-(CFR′) c -O- [CF(CF 2 In the formula, Y' is selected from F, Cl and Br,
a' and b' are each independently a number from 0 to 3, and c' is 0 or 1, provided that a'+b'+c' is never equal to 0, and n' is a number from 0 to 6. is the number of
R and R' are the same as above, and X' is F, Cl,
and Br, and a mixture thereof when n'>1.

Y基のイオン交換性基への変成方法は当業界に
よく知られており、Y基とアルカリ性溶液との反
応からなるものである。1,2―ジブロモテトラ
フルオロエタンおよび1,2,2―トリクロロト
リフルオロエタンが上述のモノマー類から製造さ
れた重合体のための良好な溶剤であることが見出
されている。
The method of converting the Y group into an ion exchange group is well known in the art and consists of reacting the Y group with an alkaline solution. It has been found that 1,2-dibromotetrafluoroethane and 1,2,2-trichlorotrifluoroethane are good solvents for polymers made from the monomers mentioned above.

弗化炭素重合体膜が熱可塑性による塑性変形が
可能な状態にある間に、それを加熱して軟化さ
せ、また、それを冷却して硬化することができ
る。従つて、この膜が加熱されているときに、膜
中に粒子を容易に押し込むことができる。膜を十
分に軟化し、粒子を埋め込むことを可能にするた
めの膜に対する加熱温度は、この膜の化学構造に
大きく依存して変化する。しかしながら、一般に
は上記式()の化学構造を有するモノマーを成
分とする膜において、Y=―SO2Fのとき、150〜
350℃の範囲の加熱温度が用いられる。炭化水素
重合体を主成分とする膜の場合は、その炭化水素
材料の正確な組成に依存して、100℃から190℃ま
での温度に加熱される。例えば、重合体膜を、米
国特許第4330654号に記載されているように、約
1000の当量を有するスルホニルフルオライド紛末
を、2枚のガラス繊維で補強されたポリテトラフ
ルオロエチレンシートの間で、約310℃の温度、
および1平方インチ(6.4516cm2)当り約0.75トン
(13335KPa)の圧力下で、約1.25分間加熱加圧す
ることによつて製造してもよい。このようにして
得られた膜体は、直径15cmから18cmのもので、
0.0025mm〜0.4mmまでの好ましくは0.01〜0.25mm
の、最も好ましくは0.05〜0.15mmの厚さを有して
いる。
While the fluorocarbon polymer film is thermoplastically capable of plastic deformation, it can be heated to soften it and cooled to harden it. Therefore, particles can be easily forced into the membrane when the membrane is heated. The temperature at which the membrane is heated to sufficiently soften the membrane and allow particle embedding will vary depending largely on the chemical structure of the membrane. However, in general, in a film composed of a monomer having the chemical structure of the above formula (), when Y=-SO 2 F, 150 to
Heating temperatures in the range of 350°C are used. Membranes based on hydrocarbon polymers are heated to temperatures ranging from 100°C to 190°C, depending on the exact composition of the hydrocarbon material. For example, a polymeric membrane may be coated as described in U.S. Pat.
A sulfonyl fluoride powder having an equivalent weight of 1000 was heated between two glass fiber-reinforced polytetrafluoroethylene sheets at a temperature of about 310°C.
and may be produced by heating and pressurizing for about 1.25 minutes under a pressure of about 0.75 tons per square inch (6.4516 cm 2 ) (13335 KPa). The membrane bodies obtained in this way have a diameter of 15 cm to 18 cm.
0.0025mm~0.4mm preferably 0.01~0.25mm
, most preferably having a thickness of 0.05 to 0.15 mm.

本発明において、導電性,水透過性マトリツク
スと膜との間を有効に結着することが重要であ
る。このような結着は、結着操作間に外部から圧
力処理を施し、または、施さずになし得るもので
ある。しかしながら、最良の結着は、一般に、膜
と導電性・水透過性マトリツクスとを先づ接触さ
せ、無加圧下に約1分間加熱し、次に1平方イン
チ(6.5416cm2)当り1〜8トンの圧力で0.2〜2
分間加圧することにより得られるということが見
出されている。
In the present invention, it is important to provide an effective bond between the conductive, water-permeable matrix and the membrane. Such bonding may be accomplished with or without external pressure treatment during the bonding operation. However, the best bonding is generally achieved by first contacting the membrane with the conductive, water-permeable matrix, heating without pressure for about 1 minute, and then applying 1 to 8 particles per square inch. 0.2-2 at ton pressure
It has been found that this can be obtained by applying pressure for minutes.

本発明は電極の少なくとも1個が、重合体膜中
に埋め込まれた多数の導電性粒子の形状にあるこ
とを必要とするものである。これはSPE電極を構
成するものである。多数の導電性粒子からなる電
極は、陰極又は陽極のいづれであつてもよい。必
要により、両電極が膜の互に反対の両面に埋め込
まれた導電性粒子であつてもよい。本明細書にお
ける記載の目的のために両電極の形状は、両電極
が導電性粒子であるという風に記述されることも
あり、また両電極が別個の従来の電極であるとい
う風に記述されることもある。
The present invention requires that at least one of the electrodes be in the form of a multiplicity of electrically conductive particles embedded in a polymeric membrane. This constitutes the SPE electrode. The electrode made of a large number of conductive particles may be either a cathode or an anode. Optionally, both electrodes may be conductive particles embedded on opposite sides of the membrane. For the purpose of this description, the shape of both electrodes may be described such that both electrodes are conductive particles, and may be described such that both electrodes are separate conventional electrodes. Sometimes.

従来の陽極は、通常、水透過性・導電性構造物
であつて、例えばエキスパンデツドメタルのシー
ト、穿孔された板状体、パンチ穿孔された板状
体、ダイヤモンド形状の非扁平化エキスパンデツ
ドメタル、又は製織された金属ワイヤーなどを包
含する種々の形状やスタイルに形成されている。
陽極としての用途に好適な金属は、タンタル,タ
ングステン,コロムビラム,ジルコニウム,モリ
ブデン,および、好ましくは、チタン,並びにこ
れらの金属を過半成分として含有する合金などを
包含する。
Conventional anodes are typically water-permeable, electrically conductive structures, such as sheets of expanded metal, perforated plates, punched plates, or diamond-shaped non-flattened expanded plates. They are formed in a variety of shapes and styles, including solid metal or woven metal wire.
Metals suitable for use as an anode include tantalum, tungsten, columbilum, zirconium, molybdenum, and, preferably, titanium, and alloys containing these metals as a majority component.

必要があれば、陽極は、膜中に埋め込まれた多
数の導電性粒子からなるSPE電極であつてもよ
い。電気的触媒として活性のある陽極材料として
の用途に好適な材料は、例えば、プラチナ族金属
類、すなわち、ルテニウム,イリジウム,ロジウ
ム,プラチナ,パラジウムなどの酸化物のような
活性化物質を包含し、これらの物質は単独で用い
られてもよく、或はフイルム形成性金属の酸化物
と組合せて使用してもよい。その他の好適な活性
化酸化物は、コバルト酸化物の単独又はそれと他
の金属酸化物との組合せなどである。このような
活性化酸化物の例は、米国特許第3632498号,
4142005号,4061549号,および4214971号などに
記載されている。
If desired, the anode can be an SPE electrode consisting of a large number of conductive particles embedded in a membrane. Materials suitable for use as electrocatalytically active anode materials include, for example, activators such as oxides of platinum group metals, i.e., ruthenium, iridium, rhodium, platinum, palladium, etc.; These materials may be used alone or in combination with film-forming metal oxides. Other suitable activated oxides include cobalt oxide alone or in combination with other metal oxides. Examples of such activated oxides are U.S. Pat. No. 3,632,498;
It is described in No. 4142005, No. 4061549, and No. 4214971.

従来の陰極は、通常、例えばエキスパンデツド
メタルのシート,穿孔された板状物,パンチ穿孔
された板状物,ダイヤモンド様形状の非扁平化エ
キスパンデツドメタル,又は製織された金属ワイ
ヤなどを包含する種々の形状およびスタイルに形
成された水透過性・導電性構造物である。陰極用
として好適な金属は、例えば銅,鉄,ニツケル,
鉛,モリブデン,コバルト,およびこれらの金属
を過半成分として含有する合金、例えば、低炭素
ステンレススチール,など並びに銀,金,プラチ
ナ,ルテニウム,パラジウム,およびロジウムな
どのような物質で被覆された金属又は合金などを
包含する。
Conventional cathodes are typically made of, for example, sheets of expanded metal, perforated plates, punched plates, diamond-shaped non-flattened expanded metal, or woven metal wires. water permeable, electrically conductive structures formed in a variety of shapes and styles. Metals suitable for the cathode include, for example, copper, iron, nickel,
Lead, molybdenum, cobalt, and alloys containing these metals as a majority component, such as low carbon stainless steel, and metals coated with materials such as silver, gold, platinum, ruthenium, palladium, and rhodium, etc. Includes alloys, etc.

必要により、上述のように陰極は、重合体膜中
に埋め込まれた多数の導電性粒子からなるSPE電
極であつてもよい。電気的触媒として活性のある
陰極材料として用いるのに好適な材料は、例えば
プラチナ族金属とその金属酸化物、例えばルテニ
ウムとルテニウム酸化物などを包含する。このよ
うな陰極は米国特許第4465580号に開示されてい
る。
If desired, the cathode may be an SPE electrode consisting of a large number of conductive particles embedded in a polymeric membrane, as described above. Materials suitable for use as electrocatalytically active cathode materials include, for example, platinum group metals and their metal oxides, such as ruthenium and ruthenium oxide. Such a cathode is disclosed in US Pat. No. 4,465,580.

陽極として、又は、陰極として使用される導電
性粒子は、微細に紛砕されていて大きな表面積を
有するものであることが好ましい。例えば酸素、
又は水素電極燃料電池の場合、25m2/gより大き
な表面積を有するプラチナブラツク又は、活性炭
紛末(平均粒子サイズ10〜30ミクロン)上の高表
面積プラチナ(800〜1800m2/g)などは陽極お
よび陰極用として極めて好適なものである。塩素
電池の場合、被覆を施してもよいが、この場合、
硝酸ルテニウムの温度450℃における2時間の熱
分解により、二酸化ルテニウム粒子が調製され
る。得られた上記酸化物をモルタルと乳棒を用い
て磨砕し、その325メツシユの篩(44ミクロンよ
り小さい)を通過した部分を、電極作成用に使用
する。
The conductive particles used as an anode or a cathode are preferably finely ground and have a large surface area. For example, oxygen
or in the case of hydrogen electrode fuel cells, platinum black with a surface area greater than 25 m 2 /g or high surface area platinum (800-1800 m 2 /g) on activated carbon powder (average particle size 10-30 microns) can be used as the anode and It is extremely suitable for use as a cathode. In the case of chlorine batteries, a coating may be applied, but in this case,
Ruthenium dioxide particles are prepared by pyrolysis of ruthenium nitrate at a temperature of 450° C. for 2 hours. The resulting oxide is ground using a mortar and pestle, and the portion that passes through a 325 mesh sieve (less than 44 microns) is used for making electrodes.

埋め込まれた粒子を有する膜の表面に対して押
し込まれた導電性・水透過性マトリツクスは、
SPE電極へ、又はそれから電気エネルギーを伝達
するための集電手段として作動し、それは、炭素
布帛,炭素紙,炭素フエルト,金属スクリーン,
金属フエルト,および多孔性金属シートなどを包
含する種々の物質から構成されたものであつても
よい。しかしながら、導電性・水透過性マトリツ
クスは炭素布帛であることが好ましい。それは、
炭素布帛が容易に入手することができ、性能がよ
く、取り扱いが容易で、かつ、比較的高価でない
からである。
A conductive and water permeable matrix pressed against the surface of the membrane with embedded particles
Acting as a current collecting means to transfer electrical energy to or from the SPE electrode, it can be made of carbon fabric, carbon paper, carbon felt, metal screen,
It may be constructed from a variety of materials including metal felt, porous metal sheets, and the like. However, it is preferred that the conductive and water permeable matrix is a carbon fabric. it is,
This is because carbon fabrics are readily available, have good performance, are easy to handle, and are relatively inexpensive.

この発明において最も好ましく使用される上記
布帛は、低電気抵抗を有するものであり、比較的
高価でなく、使用に対して十分な強さを有し、か
つ、好適な表面特性、例えば粗面度を有してい
て、イオン交換膜と布帛自身との間に良好な結着
を得ることができる。また、電極の炭素布帛と電
気的触媒として活性な粒子との間の電気的接触を
良好にすることも好ましい。
The fabric most preferably used in this invention is one that has low electrical resistance, is relatively inexpensive, has sufficient strength for use, and has suitable surface properties, such as roughness. This allows good bonding between the ion exchange membrane and the fabric itself. It is also preferred to have good electrical contact between the carbon fabric of the electrode and the electrocatalytically active particles.

本発明において用いるのに好適な炭素布帛のタ
イプはStackpole Fibers社から、Panex PWB―
3,PWB―6,KFBおよびSWB―8の名称で
市販されているもの、およびUnion Carbide社か
らWCA Graphitecloth並びにVCKおよびVCA
炭素布帛の名称で市販されているものなどを含め
て、種々の供給源から商業的に入手可能である。
炭素布帛は、また、Fiberite社から、
Celion1000,Celion3000,Celion6000,
Celion12000などの名称で市販されている炭素繊
維、又は、Celanese社からC―6,又はG―50
の名称で市販されている炭素繊維から製織された
ものであつてもよい。これらの材料は物理的特性
において種々の差異を有するものであるが、しか
し、それがその製造工程において、その物理的形
状をそのまま維持するのに十分な強さを有してい
る限り本発明に使用することができる。繊維のサ
イズや織りのパターンなども変化させることがで
きるが、それは本発明の実施を成功させるための
決定的要件ではない。本発明に有用な布帛は、好
ましくは0.05〜0.65mmの厚さと600000〜1375マイ
クロオーム―cmの電気抵抗を有するものである。
より好ましくは、本発明に用いられる布帛は、約
1500マイクロオーム―cmの抵抗度を有するもので
ある。
A suitable type of carbon fabric for use in the present invention is Panex PWB from Stackpole Fibers.
3. Those sold under the names PWB-6, KFB and SWB-8, and WCA Graphitecloth and VCK and VCA from Union Carbide.
They are commercially available from a variety of sources, including those sold under the name carbon fabrics.
Carbon fabric is also available from Fiberite.
Celion1000, Celion3000, Celion6000,
Carbon fiber commercially available under names such as Celion 12000, or C-6 or G-50 from Celanese
It may be woven from carbon fibers commercially available under the name . These materials vary in physical properties, but as long as they are strong enough to maintain their physical shape during the manufacturing process, they are suitable for the present invention. can be used. Fiber size, weave pattern, etc. may also vary, but are not critical to the successful implementation of the invention. Fabrics useful in the present invention preferably have a thickness of 0.05 to 0.65 mm and an electrical resistance of 600,000 to 1375 microohm-cm.
More preferably, the fabric used in the present invention has about
It has a resistance of 1500 microohm-cm.

SPE構造物は、重合体膜をその熱可塑性による
塑性変形可能な状態に調整し、この膜中に電気的
触媒として活性な粒子を埋め込み、そして、次
に、この膜を、NaOHと、下記のようにして反
応させることにより、この膜をイオン性の状態に
変性することによつて製造される。この重合体膜
は、それを、―SO2F側鎖グループを有する場合
は、下記の条件下でNaOHと反応させることに
よりイオン性状態に変成することができる。
The SPE construct consists of conditioning a polymer membrane to a plastically deformable state due to its thermoplastic properties, embedding electrocatalytically active particles in the membrane, and then injecting the membrane with NaOH and It is produced by denaturing this membrane into an ionic state by reacting in this manner. This polymeric membrane, if it has --SO 2 F side chain groups, can be converted to an ionic state by reacting it with NaOH under the following conditions.

条件(1) 膜を約25%水酸化ナトリウム溶液に約90
℃の温度で約16時間浸漬する。
Conditions (1) Place the membrane in approximately 25% sodium hydroxide solution at approximately 90%
Soak for about 16 hours at a temperature of °C.

条件(2) 膜を約90℃の温度に加熱された脱イオン
水で2回洗浄し、この洗浄1回当り30分〜
60分をかける。
Condition (2) The membrane is washed twice with deionized water heated to a temperature of about 90°C, for 30 minutes or more per wash.
Take 60 minutes.

すると前記側鎖グループ(―SO2F)は、―
SO3 -Na+の形となる。Na+以外の例えばH+のよ
うなカチオンは、実際にはNa+に置換することが
できる。必要に応じて、集電手段を粒子に結合す
る代りに、前記膜をイオン性の形に変成した後に
集電手段を、粒子に向つて押圧してもよい。
Then, the side chain group (-SO 2 F) becomes -
It takes the form of SO 3 - Na + . Cations other than Na + , such as H + , can actually be replaced by Na + . If desired, instead of bonding the current collecting means to the particles, the current collecting means may be pressed towards the particles after the membrane has been converted to the ionic form.

種々の技法、例えば粒子を液体に懸濁し、この
懸濁液を、膜を被覆するようにスプレー又は注下
し、液体(これは重合体に対する溶剤であつても
よい)を除去し、例えば液体を蒸発除去し、次に
粒子を膜中に押し込むこと、などの種々の技法を
用いて電気的触媒活性を有する粒子を膜の表面に
合体させてもよく、このとき膜は炭素布帛と合体
したものでもよく、合体していないものであつて
もよい。例えば、プラチナおよび炭素粒子を1,
2―ジブロモテトラフルオロエタン又は1,2,
2―トリクロロトリフルオロエタンなどのような
液体中に分散させ、この懸濁液を膜上に注下又は
吹きつけてもよい。この液体は次に蒸発除去され
る。次に、炭素布帛からなる集電手段を、上記の
ようにして形成された電極に押圧してもよい。
Various techniques can be used, such as suspending the particles in a liquid, spraying or pouring the suspension onto the membrane, removing the liquid (which may be a solvent for the polymer), e.g. The electrocatalytically active particles may be incorporated onto the surface of the membrane using various techniques, such as evaporating away the carbon fabric and then forcing the particles into the membrane, where the membrane is incorporated with the carbon fabric. It may be a single object, or it may be an uncombined object. For example, platinum and carbon particles
2-dibromotetrafluoroethane or 1,2,
It may be dispersed in a liquid such as 2-trichlorotrifluoroethane and the suspension may be poured or sprayed onto the membrane. This liquid is then evaporated off. Next, a current collecting means made of carbon cloth may be pressed onto the electrode formed as described above.

SPE電極を形成するために膜上に用いられた粒
子の量は、電気的触媒の活性度、そのコストなど
に依存して変化させてもよい。クロル―アルカリ
SPE膜について、使用される触媒の量は通常膜の
面積1平方センチメートル当り0.4〜1.0マイクロ
グラム触媒である。粒子の膜への滲透を防止する
ために、膜上に付与される粒子の量には上限があ
る。この上限の値は、膜面積cm2当り約25マイクロ
グラム触媒と定められている。
The amount of particles used on the membrane to form the SPE electrode may vary depending on the activity of the electrocatalyst, its cost, etc. Chlor-alkali
For SPE membranes, the amount of catalyst used is typically 0.4 to 1.0 micrograms catalyst per square centimeter of membrane area. There is an upper limit to the amount of particles that can be applied onto the membrane to prevent particles from seeping into the membrane. This upper limit value is set at approximately 25 micrograms of catalyst per cm 2 of membrane area.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の固体重合体電解質構造物は、例えば、
電気エネルギーの連続的生産のための燃料電池、
化学的生成物を製造するための電解電池、および
電気的エネルギーの間欠的生産のための電池など
を包含する広く種々の電気化学的電池に有用なも
のである。
The solid polymer electrolyte structure of the present invention includes, for example,
fuel cells for continuous production of electrical energy,
It is useful in a wide variety of electrochemical cells, including electrolytic cells for the production of chemical products, cells for the intermittent production of electrical energy, and the like.

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

添付図面は、本発明の方法により得られる固体
重合体電解質構造物の構成を示す説明図である。 100…電極、110…導電性粒子、120…
固体重合体膜、130…導電性・水透過性マトリ
ツクス。
The accompanying drawings are explanatory diagrams showing the structure of a solid polymer electrolyte structure obtained by the method of the present invention. 100... Electrode, 110... Conductive particles, 120...
Solid polymer membrane, 130... conductive/water permeable matrix.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 下記工程、すなわち、 (a) 触媒活性を有する導電性粒子と液体とから懸
濁液を形成し、 (b) 前記懸濁液を、弗化炭素重合体膜の少なくと
も片側上に、この膜がその熱可塑性による塑性
変形可能な状態にある間に、塗布し、 (c) 前記膜上に前記粒子を残留させながら、前記
液体の実質的全量を除去し、そして、 (d) 前記粒子の少なくとも1部分を前記膜中に押
圧する、 工程を含み、 前記液体が、1,2―ジブロモテトラフルオロ
エタン、および1,2,2―トリクロロトリフル
オロエタンから選ばれることを特徴とする、固体
重合体電解質構造物を製造する方法。 2 前記の処理を施されその表面に前記粒子を有
する前記の膜の表面を、導電性・水透過性マトリ
ツクスに接合させる工程を含む、特許請求の範囲
第1項記載の方法。 3 前記膜とマトリツクスとの結合体に対し、前
記マトリツクスの少なくとも一部分を前記膜中に
埋め込むのに十分な加圧処理を施す工程を含む、
特許請求の範囲第2項記載の方法。 4 前記マトリツクスが炭素布帛、炭素紙、炭素
フエルト、金属網、金属フエルトおよび多孔性金
属シートから選ばれ、かつ、600000ないし1375マ
イクロオーム―cmの抵抗を有する、特許請求の範
囲第3項記載の方法。 5 前記マトリツクスが厚さ0.05〜0.65mmの炭素
布帛である、特許請求の範囲第3項記載の方法。 6 前記マトリツクスが、約1500マイクロオーム
―cmの抵抗を有する、特許請求の範囲第3,4又
は5項に記載の方法。 7 前記膜が、0.0025mm〜0.4mmの厚さと、500〜
2000の当量値を有する、特許請求の範囲第1〜6
項のいづれか1項に記載の方法。 8 前記粒子が、前記膜の両側に塗布される、特
許請求の範囲第1項ないし第7項のいづれか1項
に記載の方法。 9 前記触媒活性粒子がプラチナ族金属、プラチ
ナ族金属の酸化物、ルテニウム、イリジウム、ロ
ジウム、プラチナ、パラジウムの各単独、およ
び、それらとフイルム形成性金属との組合せ、酸
化コバルトの単独、および、それと他の金属との
組合せから選ばれ、前記触媒活性粒子が1〜30ミ
クロンの粒径と800〜1800m2/gの表面積を有す
る、特許請求の範囲第1〜8項のいづれか1項に
記載の方法。 10 前記触媒活性粒子が、前記膜上に、前記膜
の表面積1cm2当り0.4〜25ミリグラムの水準で存
在する、特許請求の範囲第8項又は第9項記載の
方法。 11 前記膜シートの片面上に複数個の導電性粒
子が陽電極を形成し、前記膜シートの反対面上に
複数個の導電性粒子が陰電極を形成する、特許請
求の範囲第1項記載の方法。 12 一個の前記電極が複数個の導電性粒子から
構成され、他の電極が多孔質金属板から構成され
る、特許請求の範囲第1項記載の方法。
[Claims] 1. The following steps: (a) forming a suspension from conductive particles having catalytic activity and a liquid; (b) adding the suspension to at least one of the fluorocarbon polymer membranes; (c) removing substantially all of the liquid while leaving the particles on the membrane; and (d) pressing at least a portion of the particles into the membrane, wherein the liquid is selected from 1,2-dibromotetrafluoroethane and 1,2,2-trichlorotrifluoroethane. A method of manufacturing a solid polymer electrolyte structure, characterized in that: 2. The method according to claim 1, comprising the step of bonding the surface of said membrane which has been subjected to said treatment and has said particles thereon to an electrically conductive and water permeable matrix. 3. applying a pressure treatment to the membrane-matrix combination that is sufficient to embed at least a portion of the matrix into the membrane;
The method according to claim 2. 4. The matrix according to claim 3, wherein the matrix is selected from carbon fabric, carbon paper, carbon felt, metal mesh, metal felt and porous metal sheet and has a resistance of 600000 to 1375 micro-ohm-cm. Method. 5. The method of claim 3, wherein the matrix is a carbon fabric having a thickness of 0.05 to 0.65 mm. 6. The method of claim 3, 4 or 5, wherein the matrix has a resistance of about 1500 microohm-cm. 7 The film has a thickness of 0.0025 mm to 0.4 mm and a thickness of 500 mm to 0.4 mm.
Claims 1 to 6 having an equivalent value of 2000
The method described in any one of the paragraphs. 8. A method according to any one of claims 1 to 7, wherein the particles are applied to both sides of the membrane. 9. The catalytically active particles include platinum group metals, oxides of platinum group metals, ruthenium, iridium, rhodium, platinum, and palladium, each alone and in combination with a film-forming metal, cobalt oxide alone, and cobalt oxide alone and in combination with a film-forming metal. 9. The catalytically active particles are selected from combinations with other metals and have a particle size of 1 to 30 microns and a surface area of 800 to 1800 m2 /g. Method. 10. The method of claim 8 or 9, wherein the catalytically active particles are present on the membrane at a level of 0.4 to 25 milligrams per cm 2 of surface area of the membrane. 11. According to claim 1, a plurality of conductive particles form a positive electrode on one side of the membrane sheet, and a plurality of conductive particles form a negative electrode on the opposite side of the membrane sheet. the method of. 12. The method of claim 1, wherein one of the electrodes is comprised of a plurality of conductive particles and the other electrode is comprised of a porous metal plate.
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