KR900007732B1 - Composite membrane electrode structure having interconnected roadways of catalytically active particles - Google Patents

Composite membrane electrode structure having interconnected roadways of catalytically active particles Download PDF

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KR900007732B1
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더블유.맥마이클 제임스
디.도어 로버트
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더 다우 케미칼 캄파니
리차드 지.워터맨
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00Hybrid cells; Manufacture thereof

Abstract

A composite membrane/electrode structure comprises a planar ion exchange membrane (I) having a plurality of inter-connected roadways of catalytically active particles (II) bonded to at least one surface of (I). Pref. the roadways cover 25-75% of (I) and (II) opt. includes electrically conductive metal particles. (II) are disposed on an electrically conductive pref. electroformed metallic, screen having openings passing therethrough, which occupy uo to 75% of the surface area of the screen. (I) is bonded such that (II) are sandwiched between (I) and the screen. The electrodes are suitable for electrolysis or fuel cells.

Description

촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선을 갖는 막/전극 복합 구조물Membrane / electrode composite structure with interconnected lines of catalytically active particulates

제1도는 본 발명에서 사용하기에 적합한, 거의 편평한 스크린 또는 스크린 형판의 한가지 형태의 측면도이다.1 is a side view of one type of near flat screen or screen template, suitable for use in the present invention.

제2도는 본 발명에서 사용하기에 적합한, 거의 편평한 스크린 또는 스크린 형판의 또다른 형태의 측면도이다.2 is a side view of another form of an almost flat screen or screen template suitable for use in the present invention.

제3도는 막위에 부착된 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선 패턴(roadway pattern)의 일부 평면도이다.3 is a partial plan view of an interconnected line pattern of catalytically active particulates attached to the membrane.

용어 "M&E"는 막(膜 ; membrane) 및 전극(electrode)을 의미하며, 이는 막의 대부분의 편평한 표면 한면 또는 양면에 다수의 전기전도성, 촉매적 활성 미립자가 존재하는 거의 편평한 시이트상 이온 교환 막(ion exchange membrane)으로 이루어진 구조물이다. 촉매적 활성 미립자는 M&E를 전기화학 전지에 사용할 때 입상 전극으로서 작동한다.The term "M & E" refers to membranes and electrodes, which are nearly flat sheet ion exchange membranes in which a plurality of electrically conductive, catalytically active particulates are present on one or both surfaces of most of the membrane. ion exchange membrane). Catalytically active fine particles act as particulate electrodes when M & E is used in an electrochemical cell.

때때로, M&E 구조물은 고체 중합체 전해질 구조물 또는 SPE(Solid polymer electrolyte) 구조물로 부르기도 한다.Sometimes M & E structures are also called solid polymer electrolyte structures or solid polymer electrolyte (SPE) structures.

"M&E 전지"는 M&E 구조물을 사용하는 전기화학 전지이다. 이러한 전지는 전기화학적 생성물을 생산하기 위한 전해조(electrolytic cell)로서 작동할 수 있거나, 전기 에너지를 생산하기 위한 연료 전지(fuel cell)로서 작동할 수 있다. 예를들면, 전해조는 알칼리 금속 할라이드[예 : 염화나트륨]를 전기분해하거나 물을 전기분해하는데 사용할 수 있다.An "M & E cell" is an electrochemical cell that uses an M & E structure. Such cells may operate as an electrolytic cell for producing electrochemical products or as a fuel cell for producing electrical energy. For example, electrolysers can be used to electrolyze alkali metal halides (eg sodium chloride) or to electrolyze water.

M&E 전지는 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 미합중국 특허 제4,293,394호, 제4,299,674호, 제4,299,675호, 제4,319,969호, 제4,345,986호, 제4,386,987호,제4,416,932호, 제4,457,822호, 제4,469,579호, 제4,498,942호, 제4,315,805호, 제4,364,815호, 제4,272,353호, 및 제4,394,229호에 기술되어 있다.M & E batteries are known in the art and are described in U.S. Pat. 4,498,942, 4,315,805, 4,364,815, 4,272,353, and 4,394,229.

종종, M&E 전지에서는, 기체성 생성물이 촉매적 활성 미립자에서 생성된다. 기체는 전지가 자동되는동안(전극으로서 작동하는) 미립자로부터 M&E를 접촉시키는 전해질 내로 기포화된다. 그러나, 미립자의 기공내에서 또는 미립자/막 계면(界面)에서 생성된 기체성 생성물은 전해질 내로 기포화되기 전에 미립자의 기공을 통하여 확산시켜 제거해야만 한다. 기체는 빠져나갈 수 있는 속도보다 더 빨리 생성되기 때문에, 촉매적 활성 미립자내에서 또는 미립자/막 계면에서 축적되어 M&E 전지의 작용효율을 저하시킨다. 보다 불리하게는, 기체의 일부는 막을 침투하여 막의 다른쪽에 생성된 생성물(들)을 오염시킨다. 막의 한쪽에는 수소가 생성되고 막의 다른 쪽에는 염소가 생성되는 염소-알칼리 전지에 있어서, 수소는 막을 침투하여 염소를 오염시킬 수 있거나, 이와는 반대로 염소가 막을 침투하여 수소를 오염시킬 수 있다. 또한, 이러한 오염은 염소/수소 혼합물의 폭발성 때문에 위험할 수도 있다.Often in M & E cells, gaseous products are produced in catalytically active particulates. The gas is bubbled into the electrolyte which contacts the M & E from the particulates while the cell is automated (acting as an electrode). However, the gaseous product produced in the pores of the particulates or at the particulate / membrane interface must be removed by diffusing through the pores of the particulate before it is bubbled into the electrolyte. Since gases are generated faster than they can escape, they accumulate in the catalytically active particulates or at the particulate / membrane interface, reducing the operational efficiency of the M & E cell. More disadvantageously, some of the gas penetrates the membrane to contaminate the product (s) produced on the other side of the membrane. In a chlor-alkali cell in which hydrogen is produced on one side of the membrane and chlorine is generated on the other side of the membrane, hydrogen can penetrate the membrane and contaminate chlorine, or chlorine can penetrate the membrane and contaminate hydrogen. Such contamination may also be dangerous due to the explosiveness of the chlorine / hydrogen mixture.

선행 기술에서는 M&E 구조물용 다공성 전극을 제조함으로써 M&E에서 야기되는 기체 축적이라는 문제점을 최소화하려고 시도하였다[참조 : 미합중국 특허 제4,276,146호]. 몇몇의 다공성 M&E 전극은 M&E를 제조하는 동안 기공 형성제[예 : 염화나트륨]를 촉매적 활성 미립자에 혼입시켜 형성할 수 있다. 염화나트륨은 이후에 다공성 M&E 구조물로부터 추출된다. 그러나, 염소의 수소오염이 상당히 감소되지 않기 때문에, 이러한 피복물은 기체 확산 문제를 해결할 수 없다. 또한, 촉매적 활성 다공성 미립자는 부서지기 쉽고, 기체 방출작용을 잘 유지하지 않으며, 이로 인하여 촉매적 미립자가 손실되며, 그 결과, 전지의 효율이 저하된다.Prior art has attempted to minimize the problem of gas accumulation caused by M & E by making porous electrodes for M & E structures (US Pat. No. 4,276,146). Some porous M & E electrodes can be formed by incorporating pore formers, such as sodium chloride, into catalytically active particulates during the manufacture of M & E. Sodium chloride is then extracted from the porous M & E structure. However, since the hydrogen contamination of chlorine is not significantly reduced, this coating cannot solve the gas diffusion problem. In addition, the catalytically active porous fine particles are brittle and do not maintain a good gas evolution, resulting in the loss of catalytic fine particles, resulting in a decrease in the efficiency of the cell.

본 발명은 기체성 생성물이 막을 통하여 전지의 반대편으로 침투하는 것을 최소화하고 전지의 전기효율을 향상시키도록 특별히 고안한 M&E 구조물을 제공한다.The present invention provides an M & E structure specifically designed to minimize the ingress of gaseous products through the membrane to the opposite side of the cell and to improve the electrical efficiency of the cell.

M&E 전극 피복물은 비교적 값이 비싼 물질을 사용하여 제조한다. 본 발명은 피복물의 촉매 활성과 효율을 손상시키지 않고 전극에서 사용한 촉매 물질의 양을 감소시킨다.M & E electrode coatings are made using relatively expensive materials. The present invention reduces the amount of catalyst material used at the electrode without compromising the catalytic activity and efficiency of the coating.

선행 기술에 따르는 M&E 구조물에 있어서, 전기전도성 망상 스크린을 사용하여 M&E를 지지한다. 그러나, 망상 스크린은 표면이 편평하지 않기 때문에 완전히 만족스럽지 않다. 망상 스크린을 촉매적 활성 미립자 또는 편평한 시이트상 막으로 압착시키는 경우, 스크린의 일부는 스크린의 나머지 부분보다 더 막으로 침투한다. 이러한 기술로 인하여 스크린은 전극 피복물 및 막과 불균일하게 접촉하며 전기 에너지가 막의 표면으로 불균일하게 전달된다. 더우기, 스크린이 막을 침투하는 경우, 막의 일부는 보다 잘 파열된다.In the M & E structure according to the prior art, an electrically conductive mesh screen is used to support the M & E. However, the reticular screen is not completely satisfactory because the surface is not flat. When the network screen is compressed with catalytically active particulate or flat sheet-like membranes, part of the screen penetrates into the membrane more than the rest of the screen. Due to this technique, the screen is inhomogeneously contacting the electrode coating and the membrane and the electrical energy is transferred unevenly to the surface of the membrane. Moreover, when the screen penetrates the membrane, part of the membrane ruptures better.

망상 스크린을 사용하는 것과 관련된 또다른 문제점은 막의 표면에서 촉매적 활성 미립자에 대하여 집전장치(Current collector)를 유지하기 위하여 사용할 수 있는 매트리스(mattress)(탄성 장치)에 의해 막이 찢어지거나 파열되지 않도록 보호하는 점이다. 따라서, 선행기술에 따르는 망상 스크린는 본 발명에 따르는 거의 편평한 전기전도성 스크린에 의해 제공되는 보호물을 제공하지 않는다.Another problem associated with the use of reticular screens is that the membrane is protected from tearing or rupturing by a mattress (elastic device) that can be used to maintain the current collector against catalytically active particulates on the surface of the membrane. Is that. Thus, reticular screens according to the prior art do not provide the protection provided by the near flat electroconductive screens according to the invention.

본 발명은 망상 스크린형 구조물을 사용함으로써 야기되는 대부분의 문제점들을 최소화하는 M&E 구조물용 지지 구조물을 제공한다.The present invention provides a support structure for an M & E structure that minimizes most of the problems caused by using a mesh screened structure.

특히 본 발명은 막의 적어도 하나 이상의 편평한 표면에 결합된 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 다수개의 선을 갖는 거의 편평한 이온 교환 막으로 이루어짐을 특징으로 하는 막/전극 복합 구조물에 관한 것이다.In particular, the present invention relates to a membrane / electrode composite structure, characterized in that it consists of a substantially flat ion exchange membrane having a plurality of interconnected lines of catalytically active particulates bound to at least one or more flat surfaces of the membrane.

또한, 본 발명은 스크린을 통과하며, 스크린의 표면적의 약 75% 이하를 차지하는 다수개의 개구부를 갖는 일반적으로 편평한 전기전도성 스크린 ; 스크린의 하나의 편평한 표면중의 적어도 일부분에 증착되고, 물리적 및 전기적으로 편평한 표면과 접촉하는 촉매적 활성 미립자 ; 및 활성 미립자가 막과 스크린 사이에 삽입되도록 촉매적 활성 미립자와 스크린의 편평한 표면에 결합된 이온 교환 막을 포함하는 구조물에 관한 것이기도 하다.The invention also relates to a generally flat electrically conductive screen passing through the screen and having a plurality of openings that occupy less than about 75% of the surface area of the screen; Catalytically active particulates deposited on at least a portion of one flat surface of the screen and in contact with the physical and electrically flat surfaces; And an ion exchange membrane coupled to the catalytically active particulates and the flat surface of the screen such that the active particulates are interposed between the membrane and the screen.

또한, 본 발명은 (a) 스크린 형판의 표면적의 약 75% 이하를 차지하는 다수개의 개구부가 통과하는 거의 편평한 스크린 형판의 적어도 한 표면을 다수의 촉매적 활성 미립자를 적어도 부분적으로 피복시키고 ; (b) 이온 교환 막을 편평한 표면을 스크린 형판의 피복된 표면과 접촉시킨 다음 ; (c) 촉매적 활성 미립자를 스크린 형판으로부터 막으로 이동시키고 ; (d) 스크린 형판을 제거한 다음 ; (e) 촉매적 활성 미립자를 막에 결합시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하여 막/전극 복합 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.The present invention also provides for (a) at least partially covering a plurality of catalytically active particulates with at least one surface of a substantially flat screen template through which a plurality of openings occupy less than about 75% of the surface area of the screen template; (b) contacting the ion exchange membrane with a flat surface with a coated surface of the screen template; (c) transfer catalytically active particulates from the screen template to the membrane; (d) removing the screen template; (e) a method of producing a membrane / electrode composite structure, characterized in that it comprises the step of binding the catalytically active particulates to the membrane.

더우기, 본 발명은 (a) 전기전도성 스크린의 표면적의 약 75%이하를 차지하는 다수개의 개구부가 통과하는 거의 편평한 전기전도성 스크린의 적어도 한 표면의 적어도 일부를 용매/분산제중의 촉매적 활성 미립자용액/분산액으로 피복시키고 ; (b) 스크린의 피복된 표면을 이온 교환 막과 접촉시킨 다음 ; (c) 피복된 스크린을 막에 결합시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하여 막/전극 복합 구조물을 제조하는 방법에 관한 것이다.Furthermore, the present invention provides a method for the preparation of (a) at least a portion of at least one surface of a substantially flat electroconductive screen through which a plurality of openings occupy less than about 75% of the surface area of the electroconductive screen. Coated with a dispersion; (b) contacting the coated surface of the screen with an ion exchange membrane; and (c) bonding the coated screen to the membrane.

놀랍게도, 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선이 막 위에 부착된 M&E 구조물은, 전기화학적 전지에 사용하는 경우, 촉매적 활성 미립자의 실제로 연속적인 피복물을 갖는 선행기술에 따르는 M&E 구조물에 비하여 상당히 높은 효율로 작동하는 것으로 밝혀졌다. 증가된 효율은 막 위에 존재하는 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선들 사이에 제공되는 개방영역(open area)으로부터 기인하는 것으로 추측된다. 이러한 개방영역은 촉매적 활성 표면에서 생성된 기체를 제거하기 위한 전기 불활성 공간을 제공한다.Surprisingly, M & E structures with interconnected lines of catalytically active particulates attached on the membranes, when used in electrochemical cells, have significantly higher efficiencies compared to the M & E structures according to the prior art which have a substantially continuous coating of catalytically active particulates. It turns out to work. The increased efficiency is believed to result from the open area provided between the interconnected lines of catalytically active particulates present on the membrane. This open area provides an electrically inert space for removing gas produced at the catalytically active surface.

더우기, 상호 연결된 선들이 촉매적 활성 미립자와 막 사이의 계면에 형성된 기체가 빠져나가기 위한 짧은 통로를 제공함으로써 막이 기체를 최소로 차단하도록 하는 폭이다. 촉매적 활성 미립자의 패턴은 미립자의 상호 연결된 선과 이의 주위로부터 기체가 빠져나가기 위한 통로가 막을 통한 흐름저항보다 작도록 고안한다.Furthermore, the interconnected lines are such that the membrane provides a minimum barrier to the gas by providing a short passage for the escape of gas formed at the interface between the catalytically active particulates and the membrane. The pattern of catalytically active particulates is designed such that the interconnected lines of particulates and passages for the escape of gas from their surroundings are less than the flow resistance through the membrane.

따라서, 기체가 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선을 통과하여 선 주위로 빠져나가는 것이 기체가 막을 침투하여 맞은편의 전지 구획으로 빠져나가는 것보다 용이하다.Thus, it is easier for the gas to pass through the interconnected lines of catalytically active particulates around the line than for the gas to penetrate the membrane and exit to the opposite cell compartment.

본 발명에 따르는 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선의 크기, 형태 및 두께는 사용하는 이온 교환 막의 형태에 의존한다. 즉, 기체 침투에 대한 저항이 큰 막은 미립자의 상호 연결된 선이 더 큰 선을 사용할 수 있도록 하는 반면, 기체의 침투에 대한 저항이 작은 막은 미립자의 상호 연결된 선이 더 작은 선을 필요로 할 수 있다. 예를들면, 염소-알칼리 전해조에서, 두께가 약 3.5mil(0.09mm)이고 설폰산 이온 교환 그룹을 갖는 중합체 층과 두께가 약 0.5mil(0.01mm)이고 카복실산 이온 교환 그룹을 갖는 중합체 층을 가지며 전체 두께가 약 4mil(0.1mm)인 2층 이온 교환 막은 소정의 치수를 갖는 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선을 가질 수 있다. 용어 "치수"는 본 명세서에서 소정의 폭을 갖는 촉매적 활성 미립자의 선에 적용한다. 선은 대칭 또는 비대칭 패턴일 수 있다.The size, shape and thickness of the interconnected lines of the catalytically active particulates according to the invention depend on the type of ion exchange membrane used. That is, membranes with high resistance to gas infiltration allow the interconnected lines of particulates to use larger lines, while membranes with less resistance to gas penetration may require smaller interconnected lines of particulates. . For example, in a chlor-alkali electrolyser, a polymer layer having a thickness of about 3.5 mils (0.09 mm) and having a sulfonic acid ion exchange group and a polymer layer having a thickness of about 0.5 mils (0.01 mm) and having a carboxylic acid ion exchange group, Two layer ion exchange membranes having a total thickness of about 4 mils (0.1 mm) may have interconnected lines of catalytically active particulates having desired dimensions. The term "dimension" applies herein to a line of catalytically active particulates having a predetermined width. The line may be a symmetrical or asymmetrical pattern.

바람직하게는, 선의 최소 폭이 6μ이상, 보다 바람직하게는 20μ이상이다. 선의 최대 폭은 1cm미만, 바람직하게는 0.5m미만, 보다 바람직하게는 0.2cm미만이다.Preferably, the minimum width of the line is at least 6 microns, more preferably at least 20 microns. The maximum width of the line is less than 1 cm, preferably less than 0.5 m, more preferably less than 0.2 cm.

또한, M&E 구조물로서 작동하는 촉매적 활성 미립자 층의 다공성(porosity)도 전지가 작동하는 도중에 형성된 기체가 빠져나가도록 하는데 상당히 중요하다. 선행기술에 따르는 M&E 구조물은 기체가 제한된 정도로 빠져나가기 위한 통로를 제공하도록 작용하는 미세다공성 개구부(microporous opeming)를 갖는다. 그러나, "미세다공성" 개구부를 갖는 연속적인 피복물보다는 오히려 "거대다공성(macroporous)" 피복물은 "거대다공성" 피복물이 기체를 빠져나가도록 하기 위한 다량의 공간을 제공하기 때문에 상당히 바람직한 것으로 알려져 왔다. 따라서, 본 발명에서 사용하는 스크린은 선행 기술에 따르는 미세다공성 M&E 구조물에 비하여 거대다공성인 M&E 구조물(즉, 다수개의 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선을 갖는 구조물)을 제조하는데 사용할 수 있다.In addition, the porosity of the catalytically active particulate layer acting as an M & E structure is also of great importance for the escape of gas formed during the operation of the cell. The M & E structure according to the prior art has microporous opeming which acts to provide a passageway for the gas to escape to a limited extent. However, rather than continuous coatings having "microporous" openings, "macroporous" coatings have been found to be quite desirable because they provide a large amount of space for the "macroporous" coating to exit the gas. Thus, the screens used in the present invention can be used to produce macroporous M & E structures (ie structures having interconnected lines of a plurality of catalytically active particulates) as compared to microporous M & E structures according to the prior art.

본 발명에 따르는 M&E 구조물의 거대다공성은 사용하는 전기화학적 전지가 보다 높은 효율로 작동하도록 한다.The macroporosity of the M & E structure according to the present invention allows the electrochemical cell to be used to operate at higher efficiency.

본 발명에서 사용하는 스크린 또는 스크린 형판은 다수개의 이격된 개구부를 갖는 거의 편평한 스크린이다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 용어 "스크린"은 막에 삽입되거나 결합된 스크린 및 다수개의 촉매적 활성 미립자의 선을 갖는 막을 제공하는 임의의 수단으로서 사용한 다음, 막으로부터 제거하는 "스크린형판"에 호환적으로 적용한다. 바람직하게는, 스크린은 적어도 하나의 표면에서 거의 완전히 편평하다. 편평도(flatness)는 잘 한정된, 조절된 개방영역과 이와는 달리, 촉매적 활성 미립자를 사용하여 피복할 수 있는 상응하는 영역을 갖는 M&E 구조물을 형성할 수 있으므로, 편평도는 특히 바람직하다. 따라서, 촉매적 피복물을 스크린 상에 위치시킨 다음 막 속으로 삽입시키는 경우, 대부분의 막은 노출된 채로 방치된다. 이로 인하여 M&E 구조물을 형성하기 위해 사용하는 촉매적 물질의 양은 감소하며, 더 많은 양의 개방영역이 존재하기 때문에 기체 생성물이 전극 피복물로부터 빠져나가기 위한 영역이 최대화된다. 스크린 형판의 경우에는 다수개의 개구부를 제공할 수 있는 기타의 어떠한 물질로 스크린을 실제로 제조할 수 있지만, 스크린은 금속성 스크린이 바람직하다.The screen or screen template used in the present invention is an almost flat screen having a plurality of spaced openings. The term "screen" as used herein is compatible with "screenplates" which are used as any means of providing a membrane with a line of a plurality of catalytically active particulates inserted or bonded to the membrane and then removed from the membrane. Apply as an enemy. Preferably, the screen is almost completely flat on at least one surface. Flatness is particularly preferred because flatness can form M & E structures with well-defined, controlled open regions and, alternatively, corresponding regions that can be covered using catalytically active particulates. Thus, when the catalytic coating is placed on the screen and then inserted into the membrane, most of the membrane is left exposed. This reduces the amount of catalytic material used to form the M & E structure and maximizes the area for the gaseous product to escape from the electrode coating because there is a larger amount of open area. In the case of a screen template, the screen can actually be made of any other material that can provide multiple openings, but the screen is preferably a metallic screen.

특히 도면들을 참조하면, 제1도는 본 발명에서 사용하기에 적합한 스크린의 한가지 형태의 측면도이다. 금속(100)은 하나의 편평한 측면(130)과 하나의 둥근 측면(120)을 갖는다. 또한, 둥근 측면(120)은 하나의 약간 편평한 부분도 갖는다. 스크린은 맞은편의 두 스크린 면들을 연결하는 하나의 개구부(110)를 갖는다.With particular reference to the drawings, FIG. 1 is a side view of one type of screen suitable for use in the present invention. The metal 100 has one flat side 130 and one round side 120. Round side 120 also has one slightly flat portion. The screen has one opening 110 that connects two opposite screen faces.

제2도는 본 발명에서 사용하기에 적합한 스크린(200)의 또다른 형태의 측면도이다. 통상적으로, 금속은 편평한 부분도 약간 갖는 둥근 측면(220) 및 (230)을 갖는다. 스크린은 맞은편의 스크린 면들을 연결하는 개구부(210)을 갖는다.2 is a side view of another form of a screen 200 suitable for use in the present invention. Typically, the metal has rounded sides 220 and 230 that also have some flat portions. The screen has an opening 210 that connects opposite screen faces.

제3도는 막 위에 부착된 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선 패턴(300)의 일부 평면도이다. 상호 연결된 선 패턴 사이에는 상호 연결되지 않은, 즉 서로 분리된 다수개의 개구부(310)가 있다.3 is a partial plan view of an interconnected line pattern 300 of catalytically active particulates deposited on a membrane. Between the interconnected line patterns there are a plurality of openings 310 that are not interconnected, that is, separated from each other.

스크린의 두께는 본 발명에 따르는 성공적인 작동에 중대한 영향을 주지는 않는다. 그러나, 편리하고 용이하게 취급하기 위해서는 스크린이 막의 두께를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 막에 결합된 촉매적 활성미립자의 상호 연결된 선의 폭 또는 직경은 1cm미만으로 정한다. 치수가 1cm이상인 경우, 기체가 촉매적 활성 미립자를 통하여 빠져나가는 경우에 받게되는 저항보다는 기체가 막을 통하여 맞은편의 전지로 빠져나가는 경우에 받게되는 저항이 작기 때문에, 맞은편의 전지에 생성된 생성물의 기체 오염도가 증가하게 된다.The thickness of the screen does not significantly affect the successful operation according to the invention. However, for convenience and ease of handling it is desirable that the screen does not exceed the thickness of the membrane. The width or diameter of the interconnected lines of catalytically active particulates bound to the membrane is set to less than 1 cm. If the dimension is 1 cm or more, the gas of the product produced in the cell opposite, because the resistance given when the gas exits the cell across the membrane is less than the resistance received when the gas exits through the catalytically active particulates. The degree of contamination will increase.

본 발명의 방법에 따라, 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선은 사용한 스크린 또는 스크린 형판의 패턴에 적합하다. 따라서 스크린의 형태와 크기는 촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선의 형태와 크기를 나타낸다. 일반적으로, 스크린은 스크린 표면이 제공하는 개구부를 75%이하 가지며, 스크린은 바람직하게는 25 내지 75%, 보다 바람직하게는 40 내지 60%, 가장 바람직하게는 45 내지 55%의 개방영역을 갖는다. 이러한 스크린은 촉매적 활성 미립자에 형성된 기체가 빠져나가기 위한 막 표면에 충분히 많은 개방영역을 제공한다.According to the method of the invention, the interconnected lines of catalytically active particulates are suitable for the pattern of the screen or screen template used. The shape and size of the screen thus represent the shape and size of the interconnected lines of the catalytically active particulates. Generally, the screen has no more than 75% of the opening provided by the screen surface, and the screen preferably has an open area of 25 to 75%, more preferably 40 to 60%, most preferably 45 to 55%. Such screens provide enough open area on the membrane surface for the gas formed in the catalytically active particulates to escape.

경우에 따라서는, 스크린의 주위에 개구부가 없도록 함으로써, M&E 구조물을 기타의 성분과 조립하여 전기화학 전지를 형성하는 경우, 가스켓(gasket)이 놓여질 수 있는 비다공성 영역을 제공하도록 스크린을 구성할 수 있다.In some cases, there may be no openings around the screen, so that the screen can be configured to provide a non-porous region where the gasket can be placed when the M & E structure is assembled with other components to form an electrochemical cell. have.

촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선을 막에 형성시키기에 특히 적합한 스크린은 이격되어 서로 분리된 다수개의 개구부를 갖는 전자가 형성된 스크린(electroformed screen)이다.Particularly suitable screens for forming interconnected lines of catalytically active particulates in the membrane are electroformed screens having a plurality of openings spaced apart from one another.

전자를 형성하는 방법은 사진으로 측정된 패턴으로 매트릭스(matrix)상에 금속을 전기화학적으로 증착시키는 방법이다. 금속을 사진판 상에 증착시킨 다음, 사진판으로부터 제거하는 경우, 사진판상의 패턴을 안정하게 하여 다수개의 개구부를 갖는 금속 매트릭스를 제공한다.The method of forming electrons is a method of electrochemically depositing a metal on a matrix in a photo-measured pattern. When the metal is deposited on the photographic plate and then removed from the photographic plate, the pattern on the photographic plate is stabilized to provide a metal matrix having a plurality of openings.

이렇게 하여 생성된 스크린은 사진적으로 완전하며 거의 편평하다. 금속이 각각의 개구부 주위에 형성되어 개구부가 생성되기 때문에 개구부는 특유한 호(arch) 형태를 갖는다. 이러한 형태는 스크린 인쇄된 물질이 개구부를 통하여 잘 빠져나가도록 하며 증착물의 형성을 방지한다. 단일면 전자 형성 방법(single-sided electroforming)은 필수적으로 원추형태의 구멍을 제공하는 반면, 이중 면 전자 형성 방법은 쌍원추형태의 구멍을 제공한다.The screen created in this way is photographically complete and almost flat. Since the metal is formed around each opening to create the opening, the opening has a unique arch shape. This configuration allows the screen printed material to escape well through the openings and prevent the formation of deposits. Single-sided electroforming provides essentially conical holes, whereas double-sided electron forming methods provide biconical holes.

전자가 형성된 구멍은 바람직하게는 완전히 뚫린 구멍이며, 전자가 형성된 구멍은 매끄럽기 때문에, 스크린이 막과 접촉하는 경우, 스크린이 막을 파열시키지 않는 기타의 수단에 의해 형성된 구멍이다. 또한, 전자가 형성된 스크린은 거의 편평하고 스크린이 막과 접촉할 때 막을 불균일하게 침투하지 않기 때문에, 전자가 형성된 스크린은 제직물 또는 망상 스크린 금망(woven screen wire mesh)보다 우수하다.The holes in which the electrons are formed are preferably holes that are completely drilled, and the holes in which the electrons are formed are smooth, so that when the screen comes into contact with the membrane, the screen is formed by other means that the screen does not rupture the membrane. In addition, because the screen on which the electrons are formed is almost flat and does not penetrate the membrane unevenly when the screen is in contact with the film, the screen on which the electrons are formed is superior to the woven or mesh screen wire mesh.

촉매적 활성 미립자의 상호 연결된 선의 형태는 대칭이거나 비대칭일 수 있다. 대칭인 경우, 선은 상이한 형태[예 : 정사각형, 직사각형, 삼각형 등]의 개구부를 몇 개쯤 형성할 수 있다. 기술한 바와같이, 막상의 선은 반복적이거나 비반복적인 특별한 기하학적 패턴 중의 특정한 패턴일 필요는 없다.The form of interconnected lines of catalytically active particulates can be symmetrical or asymmetrical. In the case of symmetry, lines can form several openings of different shapes (eg square, rectangle, triangle, etc.). As described, the lines on the membrane need not be specific patterns in particular geometric patterns that are repetitive or non-repetitive.

본 발명에 의해 실현된 개선점은, 기체가 본래의 막을 통하여 막 반대편의 전해질 속으로 확산하는 것보다는 기체가 다공성 전극 필름을 빠져나와 전해질 용액 속으로 확산될 수 있는 능력이 상승되었기 때문이다. 다공성 전극에서 생성된 기체의 확산 경로를 측정하는 인자가 많은 반면, 본 발명에 따르는 막의 개방영역은 생성된 기체가 전해질 용액에 도달하는 횡방향 경로를 제공하도록 촉매적 영역 내에서 긴밀하게 증착되는 것으로 생각된다. 횡방향 경로란 촉매적으로 활성인 상호연결된 선에서 기체를 생성하는 영역으로부터 막 표면과 필수적으로 평행하게 연장되는 전해질 용액으로의 확산경로를 의미한다.The improvement realized by the present invention is due to the increased ability of the gas to diffuse out of the porous electrode film and into the electrolyte solution, rather than diffusing the gas through the original membrane into the electrolyte opposite the membrane. While there are many factors measuring the diffusion path of the gas produced at the porous electrode, the open area of the membrane according to the present invention is said to be closely deposited in the catalytic area to provide a transverse path for the generated gas to reach the electrolyte solution. I think. By transverse path is meant the path of diffusion from the area producing gas in the catalytically active interconnected line to the electrolyte solution which extends essentially parallel to the membrane surface.

더우기, 이러한 개방영역이 기체성 생성물을 생성하지 않는 경우, 개방영역은 기체성 생성물을 M&E 구조물의 전기 촉매적 영역 바깥인 전해질 용액 속으로 바람직하게 이동시키는 것에 대하여 작동하는 압력 및/또는 농도 구배를 제공하지 않는다.Moreover, if such open zones do not produce a gaseous product, the open zones may be adapted to a pressure and / or concentration gradient that acts on the desirable transfer of the gaseous product into the electrolyte solution outside the electrocatalytic region of the M & E structure. Does not provide

실험 결과에 의하면, 기체성 오염의 정도는 상호연결된 선의 폭보다는 오히려 막에 존재하는 개방영역의 퍼센트에 보다 직접적으로 관련이 있다. 이러한 점이 사실인 경우, 개방영역의 제한과 바람직한 범위도 역시 상당히 중요하다.Experimental results show that the degree of gaseous contamination is more directly related to the percentage of open area present in the membrane rather than the width of the interconnected lines. If this is true, the limits and preferred ranges of the open area are also of great importance.

본 발명에 따르는 M&E 구조물은 촉매적 활성 미립자와 거의 편평한 스크린이 막의 한면 또는 양면에 결합되거나 삽입되는 실시태양을 포함한다. 그러나, 본 발명은 적어도 하나의 전극이 막과 접촉하는 다수개의 촉매적 활성 미립자 형태이기를 필요로 한다. 전극은 전지가 작동하는 동안 음극 또는 양극으로서 작용할 수 있다. 임의로 두 전극은 모두 막의 맞은편 또는 표면 속으로 삽입시킨 촉매적 활성 미립자일 수 있다. 본 발명의 목적을 위하여, 두 전극의 형태는 촉매적 활성 미립자인 것처럼 설명할 것이며, 또한 두 전극의 분리된 통상적인 전극인 것처럼 설명할 수도 있다.M & E structures according to the present invention include embodiments in which the catalytically active particulates and the nearly flat screen are bonded or inserted into one or both sides of the membrane. However, the present invention requires that at least one electrode is in the form of a plurality of catalytically active particulates in contact with the membrane. The electrode can act as a cathode or an anode while the cell is operating. Optionally both electrodes can be catalytically active particulates inserted opposite or into the surface of the membrane. For the purposes of the present invention, the form of the two electrodes will be described as being catalytically active particulates and may also be described as if they are separate conventional electrodes of the two electrodes.

일반적으로, 통상적인 양극은, 예를들면, 팽창된 금속의 스크린, 다공판, 구멍뚫린 판(punched plate), 편평하지 않고 다이아몬드 형태로 팽창된 금속 또는 망상 금망을 포함하는 각종 형태와 패턴으로 제조한 수력침투성, 전기전도성 구조물이다. 양극으로서 사용하기에 적합한 금속은 탄탈, 텅스텐, 니오브, 지르코늄, 몰리브덴을 포함하며, 티탄 및 이러한 금속을 보다 다량으로 함유하는 티탄 합금을 포함한다.In general, conventional anodes are produced in various shapes and patterns, including, for example, screens of expanded metal, perforated plates, punched plates, expanded metal in the form of flat diamonds or reticulated gold meshes. One is a hydropermeable, electrically conductive structure. Metals suitable for use as the anode include tantalum, tungsten, niobium, zirconium, molybdenum and include titanium and titanium alloys containing higher amounts of such metals.

임의로, 양극은 막 안으로 삽입시킨 다수의 촉매적 활성 미립자로 구성할 수 있다. 전기촉매적 활성 양극 물질로서 사용하기에 적합한 물질은, 예를들면, 백금족 금속[예 : 루테늄, 이리듐, 로듐, 백금, 팔라듐]의 산화물 단독, 또는 필름-형성 금속의 산화물과의 혼합물 등의 활성화 물질을 포함한다. 기타의 적합한 활성화 산화물은 산화코발트 단독 또는 기타의 금속 산화물과 혼합된 산화코발트를 포함한다. 이러한 활성화산화물은 문헌[참조 : 미합중국 특허 제 3,632,498호, 제 4,142,005호, 제 4,061,549호 및 제 4,214,971호]에 기재되어 있다.Optionally, the anode may consist of a number of catalytically active particulates inserted into the membrane. Suitable materials for use as electrocatalytically active positive electrode materials include, for example, activation of oxides of platinum group metals such as ruthenium, iridium, rhodium, platinum, palladium alone, or mixtures with oxides of film-forming metals. Contains substances. Other suitable activated oxides include cobalt oxide alone or cobalt oxide mixed with other metal oxides. Such activated oxides are described in US Pat. Nos. 3,632,498, 4,142,005, 4,061,549 and 4,214,971.

일반적으로, 통상적인 음극은, 예를들면, 팽창된 금속의 스크린, 다공판, 구멍뚫린 판, 편평하지 않고 다이아몬드 형태로 팽창된 금속 또는 망상 금망을 포함하는 각종 형태와 패턴으로 제조된 수력침투성, 전기전도성 구조물이다. 음극으로서 사용하기에 적합한 금속은, 예를들면, 구리, 철, 니켈, 납, 몰리브덴, 코발트, 이러한 금속을 보다 다량으로 함유하는 합금[예 : 저탄소 스테인리스강] 및 물질[예 : 은, 금, 백금, 루테늄, 팔라듐 및 로듐]로 피복한 금속 또는 합금을 포함한다.In general, conventional cathodes are hydraulic impermeables made in various shapes and patterns, including, for example, screens of expanded metal, perforated plates, perforated plates, expanded metal in the form of non-flat diamonds or reticulated gold meshes, It is an electrically conductive structure. Metals suitable for use as the negative electrode are, for example, copper, iron, nickel, lead, molybdenum, cobalt, alloys containing more of these metals [eg low carbon stainless steel] and materials [eg silver, gold, Platinum, ruthenium, palladium and rhodium].

임의로 음극은 안으로 삽입시킨 다수의 촉매적 활성 미립자일 수 있다. 전기촉매적으로 활성인 음극 물질로서 사용하기에 적합한 물질은, 예를들면, 백금족 금속[예 : 루테늄] 또는 금속 산화물[예 : 산화루테늄]을 포함한다. 미합중국 특허 제 4,465,580호에는 이러한 음극이 기술되어 있다.Optionally, the cathode can be a plurality of catalytically active particulates inserted therein. Suitable materials for use as the electrocatalytically active negative electrode material include, for example, platinum group metals such as ruthenium or metal oxides such as ruthenium oxide. U.S. Patent No. 4,465,580 describes such a cathode.

촉매적으로 활성인 미립자를 양극으로서 사용하든지 음극으로서 사용하든지 간에, 미립자를 미세하게 분할하여 표면적을 크게하는 것이 바람직하다. 예를들면, 산소 또는 수소 전극 연료 전지의 경우에는, 활성탄분말[평균 미립자 크기 : 10 내지 30μ]상의 백금흑[표면적 : 25㎡/g 이상] 또는 고표면적 백금[표면적 : 800 내지 1800㎡/g]을 양극과 음극으로서 사용하기에 상당히 적합하다. 염소 전지의 경우에는, 촉매적 활성 미립자는 질산루테늄을 450℃의 온도에서 2시간 동안 열분해시켜 이산화루테늄 미립자를 제조할 때 제조할 수 있다. 이어서, 모르타르와 막자(pestle)를 사용하여, 생성된 산화물을 분쇄하고, 325메쉬 체[구멍 직경 : 44μ 미만]를 통과하는 부분을 사용하여 전극을 제조할 수 있다.Whether catalytically active fine particles are used as the positive electrode or negative electrode, it is preferable to finely divide the fine particles to increase the surface area. For example, in the case of an oxygen or hydrogen electrode fuel cell, platinum black [surface area: 25 m 2 / g or more] on activated carbon powder [average particle size: 10 to 30 µ] or high surface area platinum [surface area: 800 to 1800 m 2 / g] Is quite suitable for use as an anode and a cathode. In the case of chlorine cells, catalytically active fine particles can be prepared when pyrolysis of ruthenium nitrate at a temperature of 450 ° C. for 2 hours to produce ruthenium dioxide fine particles. Subsequently, mortar and pestle may be used to pulverize the resulting oxide, and an electrode may be manufactured using a portion that passes through a 325 mesh sieve (pore diameter: less than 44 µ).

본 발명에서 사용하기에 적합한 막은 플루오로카본형 물질 또는 하이드로카본형 물질로 구성할 수 있다. 이러한 막 물질은 당해 분야에 공지되어 있다. 그러나, 화학적 안정성 때문에 일반적으로 플루오로카본형물질이 바람직하다.Membranes suitable for use in the present invention may consist of fluorocarbon or hydrocarbon type materials. Such membrane materials are known in the art. However, fluorocarbons are generally preferred because of their chemical stability.

가열에 의해 용이하게 연화되고 전극과 편평한 스크린 또는 스크린 형판에 막을 용이하게 결합시킬 수 있기 때문에, 비이온성(열가소성) 형태의 퍼플루오로화 중합체가 본 발명에서 사용하기에 특히 적합하다. 적합한 막은 문헌[참조 : 미합중국 특허 제 3,282,875호, 제 3,909,378호, 제 4,025,405호, 제 4,065,366호, 제 4,116,888호, 제 4,123,336호, 제 4,126,588호, 제 4,151,052호, 제 4,176,215호, 제 4,178,218호, 제4,192,725호, 제 4,209,635호, 제 4,212,713호, 제 4,251,333호, 제 4,270,996호, 제 4,329,435호, 제 4,330,654호, 제 4,337,137호, 제 4,337,211호,제 4,340,680호, 제 4,357,218호, 제 4,358,412호, 제 4,358,545호, 제 4,417,969호, 제 4,462,877호, 제 4,470,889호, 제 4,478,695호 및 유럽 특허 공보 제 0,027,009호]에 기술되어 있다. 일반적으로, 막 중합체는 당량의 범위가 500 내지 2000이다. 막은 단일층일 수 있거나 다층 막일 수 있다. 보다 유용한 막은 한 층에 설폰산 이온 교환그룹을 가지며 다른 한층에 카복실산 이온 교환그룹을 갖는 이층 막이다.Perionic polymers in the form of nonionics (thermoplastic) are particularly suitable for use in the present invention because they are easily softened by heating and can easily bond the membrane to the electrode and flat screen or screen template. Suitable membranes are described in U.S. Pat. No. 4,209,635, 4,212,713, 4,251,333, 4,270,996, 4,329,435, 4,330,654, 4,337,137, 4,337,211, 4,340,680, 4,357,218, 4,358,545, 4,358,545 4,417,969, 4,462,877, 4,470,889, 4,478,695 and European Patent Publication No. 0,027,009. Generally, membrane polymers have an equivalent range of 500 to 2000. The membrane may be a single layer or may be a multilayer membrane. More useful membranes are bilayer membranes having sulfonic acid ion exchange groups in one layer and carboxylic acid ion exchange groups in the other layer.

촉매적 활성 미립자를 플루오로카본 막 안으로 삽입시키기 위해서는 플루오로카본 막이 열가소성 형태인것이 바람직하다. 제조되어 이온 교환 형태로 전환되기 전에 플루오로카본 막은 열가소성 형태이다. 열가소성 형태란, 예를들면, 막이 이온결합된 SO3Na 또는 SO3H 팬던트 그룹보다는 오히려 SO2X 팬던트 그룹[여기서, X는 -F,-CO2,-CH3또는 4급 아민이다]을 가짐을 의미한다.It is preferred that the fluorocarbon membrane is in thermoplastic form for the insertion of catalytically active particulates into the fluorocarbon membrane. The fluorocarbon membrane is in thermoplastic form before it is produced and converted to the ion exchange form. The thermoplastic form refers to, for example, SO 2 X pendant groups, where X is —F, —CO 2 , —CH 3 or quaternary amine, rather than SO 3 Na or SO 3 H pendant groups to which the membrane is ionically bonded. It means having

막을 형성하는데 사용하기에 특히 바람직한 플루오로카본 물질은(다음에 정의한 바와같은) 단량체(Ⅰ)과 단량체(Ⅱ)와의 공중합체이다. 임의로 제3유형의 단량체를 단량체(Ⅰ) 및 단량체(Ⅱ)와 공중합시킬 수 있다.Particularly preferred fluorocarbon materials for use in forming the film are copolymers of monomer (I) and monomer (II) (as defined below). Optionally, monomers of the third type can be copolymerized with monomers (I) and monomers (II).

제1유형의 단량체는 다음 일반식(Ⅰ)로 나타낸다 :Monomers of the first type are represented by the following general formula (I):

CF2= CZZ' ( I )CF 2 = CZZ '(I)

상기식에서, Z 및 Z'는 독립적으로 -H, -Cl, -F 및 -CF3로부터 선택된다.Wherein Z and Z 'are independently selected from -H, -Cl, -F and -CF 3 .

제2유형의 단량체는 다음 일반식(Ⅱ)로 나타내는 화합물로부터 선택된 하나 이상의 단량체로 이루어진다.The monomer of the second type consists of one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula (II).

Y-(CF2)a-(CFRf)b-(CFRf')c-O -[CF (CF2X)-CF2-O]n-CF=CF2(Ⅱ) Y- (CF 2) a - ( CFR f) b - (CFR f ') c -O - [CF (CF 2 X) -CF 2 -O] n -CF = CF 2 (Ⅱ)

상기식에서, Y는 -SO2Z, -CN, -COZ 및 C(R3 f)(R4 f)OH로부터 선택되며 ; Z는 -I, -Br, -Cl, -F, -OR 및 -NR1R2로부터 선택되고 ; R은 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 직쇄 또는 측쇄 알킬 라디칼 또는 아릴 라디칼이며 ; R3 f및 R4 f는 독립적으로 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 퍼플루오로알킬 라디칼로부터 선택되고 ; R1및 R2는 독립적으로 -H, 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 직쇄 또는 측쇄 알킬 라디칼 및 아릴 라디칼로부터 선택되며 ; a는 0 내지 6이고 ; b는 0 내지 6이며 ; c는 0 또는 1이고, 단 a+b+c는 0이 아니고 ; X는 -Cl, -Br, -F 및 n>1인 경우 이의 혼합물로부터 선택되며, n은 0 내지 6이고, Rf및 Rf'는 독립적으로 -F, -Cl, 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 퍼플루오로알킬 라디칼 및 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 플루오로클로로알킬 라디칼로부터 선택된다.Wherein Y is selected from -SO 2 Z, -CN, -COZ and C (R 3 f ) (R 4 f ) OH; Z is selected from -I, -Br, -Cl, -F, -OR and -NR 1 R 2 ; R is a straight or branched chain alkyl radical or aryl radical having 1 to 10 carbon atoms; R 3 f and R 4 f are independently selected from perfluoroalkyl radicals having 1 to 10 carbon atoms; R 1 and R 2 are independently selected from —H, a straight or branched chain alkyl radical having 1 to 10 carbon atoms and an aryl radical; a is 0 to 6; b is 0 to 6; c is 0 or 1, provided that a + b + c is not 0; X is selected from -Cl, -Br, -F and mixtures thereof when n> 1, n is 0 to 6, R f and R f ' are independently -F, -Cl, 1 to 10 carbon atoms Perfluoroalkyl radicals and fluorochloroalkyl radicals having 1 to 10 carbon atoms.

특히 바람직한 화합물은 Y는 -SO2F 또는 -COOCH3이고, n은 0 또는 1이며, Rf및 Rf'는 -F이고, X는 -Cl 또는 -F이며 ; a+b+c는 2 또는 3인 화합물이다.Particularly preferred compounds are those wherein Y is —SO 2 F or —COOCH 3 , n is 0 or 1, R f and R f ′ are —F, X is —Cl or —F; a + b + c is a compound of 2 or 3.

제3의 임의로 적합한 단량체는 다음 일반식(Ⅲ)으로 나타낸 화합물로부터 선택된 하나 이상의 단량체이다.Third optionally suitable monomer is one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula (III).

Y'-(CF2)a'-(CFRf)b'-(CFRf')c'-O-[CF(CF2X')-CF2-O]n'-CF=CF2(Ⅲ)Y '-(CF 2 ) a' -(CFR f ) b ' -(CFR f' ) c ' -O- [CF (CF 2 X')-CF 2 -O] n ' -CF = CF 2 (III )

상기식에서, Y'는 -F, -Cl 및 -Br로부터 선택되며 ; a' 및 b'는 독립적으로 0 내지 3이고 ; c'는 0 또는 1이며, 단 a'+b'+c'는 0이 아니며, n'는 0 내지 6이고, Rf및 Rf'는 독립적으로 -Br, -Cl, -F, 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 퍼플루오로알킬 라디칼 및 1 내지 10개의 탄소원자를 갖는 클로로퍼플루오로알킬 라디칼로부터 선택되며, X'는 -F, -Cl, -Br 및 n'>1인 경우 이의 혼합물로부터 선택된다.Wherein Y 'is selected from -F, -Cl and -Br; a 'and b' are independently 0-3; c 'is 0 or 1, provided that a' + b '+ c' is not 0, n 'is 0 to 6, and R f and R f' are independently -Br, -Cl, -F, 1 to Is selected from perfluoroalkyl radicals having 10 carbon atoms and chloroperfluoroalkyl radicals having 1 to 10 carbon atoms, wherein X 'is selected from -F, -Cl, -Br and mixtures thereof when n'>1; do.

Y를 이온 교환그룹으로 전환시키는 방법은 당해 기술분야에 공지되어 있으며, 이러한 방법은 알칼리성 용액과의 반응으로 이루어진다. SO2F 펜던트 그룹의 경우에서는, 다음의 조건하에서 막을 NaOH 25중량%와 반응시킴으로써 막을 이온성 형태의 막으로 전환시킬 수 있다. (1) 필름을 약 90℃의 온도에서 약16시간 동안 약25중량%의 수산화나트륨에 침지시킨다 : (2) 필름을 약90℃로 가열된 탈이온수로 2회 세정하고, 매회 세정시간은 30 내지 60분이다. 이어서 팬던트 그룹은 -SO3-Na+형태로 된다. 실제로 가능하다면 -Na+가 아닌 양이온[예 : -H+]을 Na+대신에 제조할 수.있다.Processes for converting Y to ion exchange groups are known in the art, and such methods consist of reaction with alkaline solutions. In the case of the SO 2 F pendant group, the membrane can be converted to the membrane in ionic form by reacting the membrane with 25% by weight of NaOH under the following conditions. (1) The film is immersed in about 25% by weight sodium hydroxide at a temperature of about 90 ° C. for about 16 hours: (2) The film is washed twice with deionized water heated to about 90 ° C., each time having a cleaning time of 30 To 60 minutes. The pendant group then takes the form -SO 3 -Na + . If in fact be non-cationic -Na +. [Example: -H +] to be produced in place of Na + is.

본 발명에 따르는 지지된 M&E 구조물의 제조방법은 다수의 단계들을 수반한다. 우선, 막 및 편평한 스크린을 선택한다. 이어서 촉매적 활성 미립자의 피복물을 스크린 상에 둔다. 미립자를 편평한 금속 스크린의 표면에 증착시키는 다수의 적합한 방법이 있다. 예를 들면, 용액 또는 분산액중의 촉매적 활성 미립자의 슬러리를 금속 스크린에 도포하거나 분무한다. 또한, 스크린을 미립자의 용액 또는 분산액에 침지시킬 수도 있다. 또한, 각종 인쇄기술을 사용하여 슬러리를 막에 도포할 수도 있다.The method for producing a supported M & E structure according to the invention involves a number of steps. First, the membrane and flat screen are selected. A coating of catalytically active particulates is then placed on the screen. There are a number of suitable methods for depositing particulates on the surface of flat metal screens. For example, a slurry of catalytically active particulates in solution or dispersion is applied or sprayed onto a metal screen. The screen may also be immersed in a solution or dispersion of particulates. It is also possible to apply the slurry to the film using various printing techniques.

촉매적 미립자를 스크린에 증착시키기에 특히 적합한 방법은 용매/분산제중에서 촉매적 활성 미립자의 용액/분산액을 형성하는 단계를 수반한다.Particularly suitable methods for depositing catalytic particulates on a screen involve forming a solution / dispersion of catalytically active particulates in a solvent / dispersant.

본 발명에서 사용하기게 적합한 용매/분산제는 다음의 특성들을 가져야 한다 : 비점[110℃ 미만], 밀도[1.55 내지 2.97g/㎤] 및 용해 파라미터[7.1 내지 8.2 힐데브란트(hildebrand)].Solvents / dispersants suitable for use in the present invention should have the following properties: boiling point [less than 110 ° C.], density [1.55-2.97 g / cm 3] and dissolution parameters [7.1 to 8.2 Hildebrand].

상기에 기술한 특성들(비점, 밀도 및 용해 파라미터)도 만족시키는 다음 일반식(IV)의 용매/분산제가 특히 바람직한 것으로 밝혀졌다.Solvents / dispersants of the following general formula (IV), which also meet the above-described properties (boiling point, density and dissolution parameters), have been found to be particularly preferred.

XCF2-CYZ-X' (IV)XCF 2 -CYZ-X '(IV)

상기식에서, X는 -F,-Cl,-Br 및 -I로부터 선택되며, X'는 -Cl,-Br 및 -I로부터 선택되고 ; Y 및 Z는 독립적으로 -H, -F, -Cl, -Br, -I 및 -R'로부터 선택되며; R'는 1 내지 6개의 탄소원자를 갖는 퍼플루오로알킬 라디칼 및 클로로퍼플루오로 라디칼로부터 선택된다.Wherein X is selected from -F, -Cl, -Br and -I, and X 'is selected from -Cl, -Br and -I; Y and Z are independently selected from -H, -F, -Cl, -Br, -I and -R '; R 'is selected from perfluoroalkyl radicals having 1 to 6 carbon atoms and chloroperfluoro radicals.

가장 바람직한 용매/분산제는(주로 프레온 114 B 2로서 공지된 바와 같은) 1,2-디브로모테트라플루오로에탄[BrCF2-CF2Br] 및 (주로 프레온 113으로서 공지된 바와 같은) 1,2,2-트리클로로트리플루오로에탄[ClF2C-CCl2F]이다.Most preferred solvents / dispersants are 1,2-dibromotetrafluoroethane [BrCF 2 -CF 2 Br] (mainly known as Freon 114 B 2) and 1, mainly known as Freon 113; 2,2-trichlorotrifluoroethane [ClF 2 C-CCl 2 F].

이러한 두 용매/분산제중에서 1,2-디브로모테트라플루오로에탄이 가장 바람직한 용매/분산제이다. 이의 비점은 47.3℃이고, 밀도는 약 2.156g/㎤이며 용해 파라미터는 약 7.2 힐데브란트이다.Of these two solvents / dispersants, 1,2-dibromotetrafluoroethane is the most preferred solvent / dispersant. Its boiling point is 47.3 ° C., density is about 2.156 g / cm 3 and dissolution parameter is about 7.2 Hildebrand.

1,2-디브로모테트라플루오로에탄은 직접 극성이 아니지만 편광성이 높기 때문에, 특히 잘 작용한다고 생각된다. 따라서, 1,2-디브로모테트라플루오로에탄이 극성 분자와 결합하는 경우, 이의 전자밀도가 변하여 1,2-디브로모테트라플루오로에탄이 극성 분자로서 작용하게 된다. 그러나, 1,2-디브로모테트라플루오로에탄이 거의 비극성 분자인 경우, 1,2-디브로모테트라플루오로에탄은 비극성 용매/분산제로서 작용한다. 따라서, 1,2-디브로모테트라플루오로에나탄은 폴리테트라플루오로에틸렌의 비극성 골격과 극성 팬던트 그룹도 용해시키는 경향이 있다. 1,2-디브로모테트라플루오로에탄의 용해 파라미터는 7.13 내지 7.28 힐데브란트로 측정된다.1,2-dibromotetrafluoroethane is considered to work particularly well since it is not directly polar but has high polarization. Therefore, when 1,2-dibromotetrafluoroethane binds with a polar molecule, its electron density changes and 1,2-dibromotetrafluoroethane acts as a polar molecule. However, when 1,2-dibromotetrafluoroethane is an almost nonpolar molecule, 1,2-dibromotetrafluoroethane acts as a nonpolar solvent / dispersant. Accordingly, 1,2-dibromotetrafluoroethane has a tendency to dissolve the nonpolar skeleton and the polar pendant group of polytetrafluoroethylene. The dissolution parameter of 1,2-dibromotetrafluoroethane is measured from 7.13 to 7.28 Hildebrand.

임의로 바람직하게는, 용매/분산액은 결합제를 함유하여 촉매적 활성 미립자를 함께 유지시켜 스크린에 결합시킬 수 있다. 바람직한 결합제는 물질[예:폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오르화 중합체 및 공중합체]을 포함하는 각종 불소중합체 및 이오노머(ionomer)를 포함한다. 특히 바람직한 결합제는 이온 교환 막으로서 동일하거나 유사한 조성을 갖는 이오노머이다. 결합제로서 사용하기에 적합한 형태의 이오노머의 예는, 상기에서 기술한 바와 같은, 이온 교환 막으로서 사용하기에 적합하다고 나타낸 이오노머와 동일하다. 상기에서 기술한 용매/분산제는 이온 교환 중합체용 용매이다. 따라서, 촉매적 활성 미립자, 이온 교환 불소중합체 및 용매/분산제를 함유하는 용액/분산액 슬러리를 형성할 수 있다. 이러한 슬러리는 촉매적 활성미립자가 함께 결합하며 스크린 또는 스크린 형판에 결합하도록 돕는다.Optionally, the solvent / dispersion may contain a binder to hold the catalytically active particulates together to bind to the screen. Preferred binders include various fluoropolymers and ionomers, including materials such as polytetrafluoroethylene, perfluorinated polymers and copolymers. Particularly preferred binders are ionomers having the same or similar composition as the ion exchange membrane. Examples of ionomers in a form suitable for use as a binder are the same as the ionomers indicated as suitable for use as ion exchange membranes, as described above. The solvent / dispersant described above is a solvent for the ion exchange polymer. Thus, solution / dispersion slurries containing catalytically active particulates, ion exchange fluoropolymers, and solvents / dispersants can be formed. These slurries help the catalytically active particulates bind together and bind to the screen or screen template.

슬러리를 제조할 때, 이오노머의 (용매/분산제를 함유하지 않는 건조 형태의) 농도는 바람직하게는 4 내지 20중량%이다. 촉매적 활성 미립자의 농도는 0.1중량% 이상이지만 전형적으로는 약 30중량% 이상은 아니다. 최대 제한 수준은 없지만, 촉매의 활성은 사용한 촉매의 형태에 따라 다르고 모든 촉매는 약간 상이하게 작용하기 때문에, 특정한 촉매를 사용하는 실험으로 최적 촉매 수준을 결정한다. 그러나, 산화루테늄을 사용하는 경우에는, 2 내지 20중량%가 적합한 수준인 것으로 밝혀졌다. 모든 중량%는 슬러리의 총 중량을 기준으로 한다.When preparing the slurry, the concentration of the ionomer (in dry form without solvent / dispersant) is preferably 4 to 20% by weight. The concentration of catalytically active particulates is at least 0.1% by weight but typically is not at least about 30% by weight. Although there is no maximum limit level, the activity of the catalyst depends on the type of catalyst used and all catalysts behave slightly differently, so experiments with specific catalysts determine the optimum catalyst level. However, when using ruthenium oxide, it has been found that 2 to 20% by weight is a suitable level. All weight percentages are based on the total weight of the slurry.

경우에 따라서는, 전기전도성 금속을 슬러리에 가하여 막에 침착된 촉매의 전기전도성을 상승시킬 수 있다. 예를 들면, 일반적으로 은은 60 내지 90중량%의 수준으로 가한다. 기타의 적합한 금속은 니켈, 탄탈, 백금 및 금을 포함한다.In some cases, an electrically conductive metal can be added to the slurry to increase the electrical conductivity of the catalyst deposited on the film. For example, silver is generally added at a level of 60 to 90% by weight. Other suitable metals include nickel, tantalum, platinum and gold.

슬러리의 제조방법은 다음의 제조방법을 사용하여 수행한다. 기타의 기술을 적절하게 사용할 수도 있다. 우선, 성분들을 계량하고 건조상태로 서로 혼합시킨다. 이어서, 충분한 용매/분산제를 가하여 건조 성분들을 덮는다. 그 다음에 혼합물을 4 내지 24시간 동안 볼 밀에서 혼합하여 균질한 혼합물을 수득한다. 또한, 이오노머도 얼마 동안 파쇄하고 적어도 부분적으로 용해시킨다. 이렇게 함으로써 촉매적으로 활성인 미립자가 함께 결합하도록 돕는다. 이어서, 혼합물을 가라앉히고 과량의 용매/분산제를 경사여과한다. 일반적으로, 이때의 혼합물은 25중량%의 고체를 함유한다.The production method of the slurry is carried out using the following production method. Other techniques may be used as appropriate. First, the ingredients are weighed and mixed with each other in a dry state. Then sufficient solvent / dispersant is added to cover the dry ingredients. The mixture is then mixed in a ball mill for 4 to 24 hours to obtain a homogeneous mixture. In addition, the ionomer is also broken up for some time and at least partially dissolved. This helps the catalytically active particulates to bind together. The mixture is then allowed to settle and the excess solvent / dispersant is decanted. Generally, the mixture at this time contains 25% by weight solids.

용액/분산액이 임의로 침착된 편평한 스크린 또는 스크린 형판이 용액/분산액과 균일하게 접촉하도록 하는 방법으로 상기의 편평한 스크린 또는 스크린 형판을 세척하거나 처리한다. 평면 스크린은 탈지제(degreaser) 또는 유사한 용매를 사용하여 세척한 다음, 건조시켜 편평한 스크린으로부터 모든 먼지 또는 오일을 제거할 수 있다. 금속성 스크린은 산 에칭한 다음, 용매로 세척하여 접착을 촉진시키고, 경우에 따라, 금속이 신규한 금속이 아닌 한, 탈지단계가 충분하다.The flat screen or screen template is washed or treated in such a way that the flat screen or screen template on which the solution / dispersion is optionally deposited is in uniform contact with the solution / dispersion. The flat screen can be washed with a degreaser or similar solvent and then dried to remove any dirt or oil from the flat screen. The metallic screen is acid etched and then washed with a solvent to promote adhesion, and if necessary, the degreasing step is sufficient, unless the metal is a new metal.

세척한 후, 피복작업에서 용액/분산액과 접촉시키기 전에 편평한 스크린을 가열하거나 진공건조시켜 예비처리할 수 있다. 바람직하게는, 모든 경우에서 약 110℃의 온도 및 약 20 mmHg의 압력을 사용하는 것이 충분하다. 그러나, 통상적으로는 대기압에서 약 50℃정도의 미열이 적절하다.After washing, the flat screen can be pretreated by heating or by vacuum drying before contacting the solution / dispersion in the coating operation. Preferably, in all cases it is sufficient to use a temperature of about 110 ° C. and a pressure of about 20 mmHg. Typically, however, mild heat of about 50 ° C. at atmospheric pressure is appropriate.

각종 방법들은 용액/분산액을 스크린에 도포하기에 적합하며, 또한 사용할 수 있다. 적합한 한가지 방법은 스크린을 용액/분산액에 침지시킨 다음, 공기 건조시키고, 바람직한 온도에서 충분히 반복하면서 소결시켜 바람직한 두께가 형성되도록 하는 단계들을 수반한다. 또한, 용액/분산액을 스크린에 분무하는 단계는 유리하게는 크거나 고르지 않은 형태를 덮는데 사용할 수도 있다. 때때로, 용액/분산액을 스크린에 붓는 단계도 사용한다. 성공적으로는, 용액/분산액을 솔 또는 롤러를 사용하여 도포하는 단계도 사용해 왔다. 더우기, 촉량 바(bar), 칼 또는 로드(rod)를 사용하여 피복물을 용이하게 도포할 수 있다. 통상적으로, 반복도포하여 바람직한 두께의 피복물 또는 필름을 형성한다. 다수의 용액/분산액 피복물을 스크린에 도포하여 촉매적 활성 미립자를 바람직한 두께로 형성할 수 있다. 피복물에서 용매/분산제를 제거하여 용액/분산액을 건조시키는 단계가 바람직하다. 건조단계는 용매/분산제를 증발시키거나, 가열하거나, 진공건조시켜 수행한다. 피복물은 어떠한 바람직한 두께의 피복물일 수도 있다. 그러나, 5 내지 50μ의 두께가 적합한 것으로 밝혀졌다. 경우에 따라서는, 스크린에 도포된 피복물을 피복물들 사이에서 소결시킨 다음, 피복물을 막으로 이동시킬 수 있다.Various methods are suitable for applying the solution / dispersion to the screen and can also be used. One suitable method involves the steps of immersing the screen in solution / dispersion, followed by air drying and sintering with sufficient repeating at the desired temperature to form the desired thickness. Also, spraying the solution / dispersion onto the screen may advantageously be used to cover large or uneven shapes. Sometimes a step of pouring the solution / dispersion onto the screen is also used. Successfully, the step of applying the solution / dispersion with a brush or roller has also been used. Moreover, the coating can be easily applied using a tonbar, knife or rod. Typically, it is repeated-coated to form a coating or film of the desired thickness. Multiple solution / dispersion coatings may be applied to the screen to form catalytically active particulates in the desired thickness. Preference is given to removing the solvent / dispersant from the coating to dry the solution / dispersion. The drying step is carried out by evaporation of the solvent / dispersant, heating or vacuum drying. The coating may be a coating of any desired thickness. However, thicknesses of 5 to 50 microns have been found to be suitable. In some cases, the coating applied to the screen may be sintered between the coatings and then the coating may be transferred to the membrane.

피복된 스크린 형판을 사용하여 촉매적 활성 미립자 피복물을 막으로 이동시키는 경우, 형판을 맞은편 막의 한 표면에 두고 혼합물을 압착시킨다. 임의로, 압착하는 동안 가열하여 촉매적 활성 미립자의 막으로의 이동을 향상시키고 미립자의 막에 대한 접착을 향상시킬 수 있다. 그러나, 혼합물을 약 230℃ 이상의 온도로 가열해서는 안되는데, 왜냐하면 막이 지나치게 연화하여 막이 스크린 형판에 점착하게 될 것이기 때문이다. 유사하게는, 약 7kg/㎠ 이상의 압력은 피해야 하는데, 왜냐하면 막이 압착되어 스크린 형판중의 구멍을 통과할 것이기 때문이다. 막이 수소 형태인 경우, 막을 약 180℃ 이상의 온도로 가열해서는 안되는데, 왜냐하면 막이 분해하는 경향이 있기 때문이다. 압력 및 열을 모두 사용하는 경우, 압착시간은 비교적 짧아야 한다. 즉, 30초 미만이어야 한다.시간은 막의 온도가 언급한 온도로 필 때까지 필요한 시간으로 계산한다. 그러나, 전혀 가열하지 않는 경우에는, 혼합물을 약 5분 이하의 시간 동안 압착시킬 수 있다.When the coated screen template is used to transfer the catalytically active particulate coating to the membrane, the template is placed on one surface of the membrane opposite and the mixture is compressed. Optionally, it can be heated during compaction to enhance the migration of catalytically active particulates to the membrane and to improve adhesion of the particulates to the membrane. However, the mixture should not be heated to a temperature above about 230 ° C. because the membrane will soften too much and the membrane will stick to the screen template. Similarly, pressures above about 7 kg / cm 2 should be avoided because the membrane will squeeze and pass through the holes in the screen template. If the membrane is in the hydrogen form, the membrane should not be heated to temperatures above about 180 ° C. because the membrane tends to decompose. If both pressure and heat are used, the compression time should be relatively short. That is, it should be less than 30 seconds. The time is calculated as the time required until the temperature of the membrane fills with the stated temperature. However, if not heated at all, the mixture can be pressed for a time of up to about 5 minutes.

촉매적 활성 미립자를 막으로 이동시킨 후, 압력 및/또는 열을 제거하고, 막으로부더 스크린을 박피하면, 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 선 유형이 막위에 남게된다.After moving the catalytically active particulates to the membrane, the pressure and / or heat is removed and the screen peeled off into the membrane, leaving interconnected line types of catalytically active particulates on the membrane.

이어서 촉매적 활성 미립자를 보다 영구적으로 막에 고정시킬 필요가 있다. 고정단계는 피복된 막에 추가의 압력 및 열을 가하여 수행할 수 있다. 예를 들면, (피복된 막이 열가소성 형태이거나 이의 나트륨 형태인 경우) 피복된 막을 30초 내지 1분 동안 약 260℃정도의 높은 온도로 가열하여 성분이 함께 결합하도록할 수 있다. 막이 수소 형태의 막인 경우, 약 180℃ 이상의 온도로 막을 가열해서는 안되는데, 왜냐하면 막이 분해하는 경향이 있기 때문이다. 이러한 온도는 슬러리중에 결합제를 연화시키고 막을 연화시켜 결합제와 막이 서로 결합되게 된다. 너무 낮은 온도로 막을 가열하거나 너무 짧은 시간 동안 막을 가열함으로써 촉매적으로 활성인 미립자는 완전히 막에 결합되지 않게 된다. 너무 긴 시간 동안 막을 가열함으로써 너무 많은 미립자가 막과 혼합하게 된다. 너무 높은 온도로 막을 가열함으로써 막은 용해되어 형성된 구조물보다 우수한 M&E 구조물의 형성을 막는다.The catalytically active particulates then need to be fixed to the membrane more permanently. The fixing step can be carried out by applying additional pressure and heat to the coated membrane. For example, the coated membrane may be heated to a temperature as high as about 260 ° C. for 30 seconds to 1 minute (when the coated membrane is in thermoplastic or sodium form) to allow the components to bond together. If the membrane is in the form of hydrogen, the membrane should not be heated to temperatures above about 180 ° C. because the membrane tends to decompose. This temperature softens the binder in the slurry and softens the membrane causing the binder and the membrane to bind to each other. By heating the membrane to too low a temperature or by heating the membrane for too short a time, the catalytically active particulates are not completely bound to the membrane. Heating the membrane for too long causes too much particulates to mix with the membrane. By heating the film to a temperature that is too high, the film prevents the formation of M & E structures that are superior to the structures formed by melting.

때때로, 혼합물을 약 3.5kg/㎠ 이하의 압력하에 가열하면 유리하게는 성분들의 결합이 우수하게 된다. 그러나, 3.5kg/㎠ 이상의 압력은 혼합물을 너무 편평하게 하는 경향이 있다.Occasionally, heating the mixture under a pressure of about 3.5 kg / cm 2 or less advantageously results in good binding of the components. However, pressures of 3.5 kg / cm 2 or more tend to make the mixture too flat.

바람직하게는, 가열된 압력을 사용하여 성분들을 결합시킨다. 각종 방법들을 사용할 수 있지만, 특히 유용하다고 밝혀진 한가지 방법은 성분들을 2개의 압판(platen), 즉 상부 압판과 하부 압판 사이에 성분들의 삽입물(sandwich)을 형성하는 단계를 수반한다. 하부 압판의 윗면에 폴리테트라플루오로에틸렌지(紙)로 된 스크린을 두고, 막 위에 촉매적 활성 미립자를 피복시킨 막을 두고, 폴리데트라플루오로에틸렌지로 된 또다른 스크린을 두고, 탄성을 제공하는 고무스크린을 두고, 폴리데트라플루오로에틸렌지로 된 또 다른 스크린을 두고, 마지막으로 상부 압판을 둔다. 이어서, 이러한 삽입물을 가열된 압착기내에 두고 압력하에 가열하여 결합단계를 수행한다.Preferably, the heated pressure is used to combine the components. Although a variety of methods may be used, one method that has been found to be particularly useful involves forming a sandwich of components between two plates, that is, between the upper and lower platens. A screen made of polytetrafluoroethylene paper on the top of the lower platen, a membrane coated with catalytically active particulates on the film, and another screen made of polydetrafluoroethylene paper, providing elasticity. With a rubber screen, another screen made of polydetrafluoroethylene paper, and finally an upper platen. This insert is then placed in a heated compactor and heated under pressure to carry out the joining step.

스크린의 제1면이 거의 편평하다는 사실은 촉매적 활성 미립자를 스크린의 고체 부분과 막 사이의 공간내로 침투시키는 정도를 최소화한다. 즉, 촉매적 활성 용액/분산액을 막에 도포하는 경우, 용액/분산액은 "진행(run)"하지 않는다. 제2도에 도시된 스크린조차 충분히 편평하여 촉매적 활성 용액/분산액의 "진행"을 최소화한다.The fact that the first side of the screen is nearly flat minimizes the degree of penetration of catalytically active particulates into the space between the solid portion of the screen and the membrane. In other words, when the catalytically active solution / dispersion is applied to the membrane, the solution / dispersion does not “run”. Even the screen shown in FIG. 2 is sufficiently flat to minimize the "run" of the catalytically active solution / dispersion.

촉매적 피복물은 단지 막의 일부만을 덮기 때문에, 촉매적으로 활성이 적은 물질을 사용한다. 그러나, M&E 구조물의 촉매적 활성도는 적어도 선행기술에 따르는 M&E 구조물의 촉매적 활성도와 같다.Since the catalytic coating covers only part of the membrane, it uses a less catalytically active material. However, the catalytic activity of the M & E structure is at least equal to the catalytic activity of the M & E structure according to the prior art.

본 발명에 따르는 방법에서는 촉매적 활성 미립자의 단지 일부만을 사용하지만, 미립자의 농도를 횔씬 더 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 촉매적 활성 미립자의 전형적인 용액/분산액은 약 75중량%의 은, 약 16중량%의 산화루테늄 및 약 9중량%의 이오노머를 함유한다. 그러나, 본 발명에 따르는 기술을 사용하여, 약 83중량%의 은, 약 8중량%의 산화루테늄 및 약 9중량%의 이오노머를 함유하는 슬러리는 실제로는 16중량%의 산화루테늄을 갖는 슬러리와 동일하게 수행한다. 이러한 사실은 보다 값비싼 산화루테늄 촉매를 약 1/2정도 잠재적으로 절약할 수 있음을 나타낸다.It has been found that the process according to the invention uses only a part of the catalytically active particulates but can further reduce the concentration of the particulates. For example, typical solutions / dispersions of catalytically active particulates contain about 75 weight percent silver, about 16 weight percent ruthenium oxide, and about 9 weight percent ionomer. However, using the technique according to the invention, a slurry containing about 83% by weight silver, about 8% by weight ruthenium oxide and about 9% by weight ionomer is in fact the same as a slurry having 16% by weight ruthenium oxide. Do it. This indicates that potential savings of about one-half the more expensive ruthenium oxide catalyst can be achieved.

적어도 막의 한면에 결합된 다수개의 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 선을 갖는 본 발명에 따르는 막을 사용하는 방법 및 기술은 당해 분야에 공지된 방법 및 기술이다. 그러나, 일반적으로 집전기를 촉매적 활성미립자의 상호연결된 선의 맞은편에 압착하고, (전해조의 경우에서는)전력 공급기(power supply)와 연결하거나, (연료전지 또는 배터리의 경우에서는)전력 소비장치와 연결한다. 집전기는 전기 에너지를 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 선으로(또는 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 선으로부터 전기 에너지를) 전도한다. 특히 적합한 집전기는 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 선의 패턴과 동일한 패턴을 갖는 전기전도성 스크린인 것으로 밝혀졌다. 이러한 사실은 촉매적 활성 미립자의 선이 각각 전기 에너지를 집전기에(또는 전류 집전기로부터 전기 에너지를) 전도할 수 있도록 한다. 경우에 따라서는, 집전기를 피복된 막의 맞은편에 유지시키기 위해서 탄성장치[예 : 매트리스]를 사용할 수 있다.Methods and techniques for using the membranes according to the invention with interconnected lines of a plurality of catalytically active particulates bound to at least one side of the membrane are methods and techniques known in the art. Generally, however, the current collector is pressed across the interconnected lines of catalytically active particulates, connected to a power supply (in the case of an electrolytic cell), or connected to a power consumer (in the case of a fuel cell or battery). Connect. The current collector conducts electrical energy to interconnected lines of catalytically active particulates (or electrical energy from interconnected lines of catalytically active particulates). Particularly suitable current collectors have been found to be electroconductive screens having the same pattern as the pattern of interconnected lines of catalytically active particulates. This fact allows the lines of catalytically active particulates to conduct electrical energy to the current collector (or to the electrical energy from the current current collector), respectively. In some cases, an elastic device (eg a mattress) may be used to hold the current collector opposite the coated membrane.

본 발명에 따르는 M&E 구조물은, 예를 들면, 전기 에너지를 연속적으로 공급하기 위한 연료전지, 화학적 생성물[예 : 염화나트륨 염수 용액으로부터 생성된 염소 및 부식제 또는 물로부터 생성된 수소 및 산소]을 공급하기 위한 전해조 및 전기 에너지의 중간 생성물용 배터리를 포함하는 광범위한 종류의 전기화학 전지에 유용하다.The M & E structure according to the invention is, for example, a fuel cell for continuously supplying electrical energy, for supplying chemical products such as chlorine and caustic generated from sodium chloride saline solution or hydrogen and oxygen generated from water. It is useful in a wide variety of electrochemical cells, including batteries for electrolyzers and intermediate products of electrical energy.

실시예Example

약 76g의 은 미립자, 약 16g의 산화루테늄 미립자 및 약 8g의 카복실산 이온 교환 불소중합체 미립자의 혼합물을 볼 밑에서 BrCF2-CF2Br에 용해시키고, 현탁시킨다. 우선, 무수 성분들을 계량하고, 서로 함께 혼합시킨다. 이어서 용매/분산제를 충분하게 가하여 성분들을 덮는다. 그다음에, 혼합물을 볼 밑에서 약 24시간 동안 혼합시켜 균질한 혼합물을 수득한다. 또한, 이오노머를 얼마 동안 완전히 분쇄하여 적어도 부분적으로 용해시킨다. 이어서, 혼합물을 침전시키고 과량의 용매/분산제를 경사여과한다. 이때의 혼합물은 약 25중량%의 고체를 함유한다.A mixture of about 76 g silver fine particles, about 16 g ruthenium oxide fine particles and about 8 g carboxylic acid ion exchange fluoropolymer fine particles is dissolved and suspended in BrCF 2 -CF 2 Br under the ball. First, anhydrous ingredients are weighed and mixed together. Subsequently, sufficient solvent / dispersant is added to cover the components. Then, the mixture is mixed under the ball for about 24 hours to obtain a homogeneous mixture. In addition, the ionomer is completely milled for some time to at least partially dissolve. The mixture is then precipitated and the excess solvent / dispersant is decanted. The mixture at this time contains about 25% by weight solids.

스크린 형판[면적:약 56㎠]을 사용하여 용액/분산액을 수용한다. 스크린 형판은 전자가 형성된 형판[Perforated Products, Inc. 의 제품]이며, 스크린이 표면에 균질하게 분포된 다수개의 개구부[직경 : 0.7mm]를 갖는 스크린이다. 스크린의 개방 표면적이 약 50%인 스크린을 제공하기에 충분한 수의 개구부가 있다. 스크린 형판의 두께는 약 0.07mm이다.The screen template (area: about 56 cm 2) is used to receive the solution / dispersion. The screen template is a template in which electrons are formed. Is a screen having a plurality of openings [diameter: 0.7 mm] in which the screen is uniformly distributed on the surface. There are a sufficient number of openings to provide a screen with an open surface area of about 50%. The screen template is about 0.07 mm thick.

스크린 형판을 은/산화루테늄/이오노머 현탁액에 침지시키고, 실온에서 건조시킨다. 총 6단계의 주기 동안, 침지단계 및 건조단계를 추가로 5회 반복한다. 피복물은 피복물들 사이에서 공기건조시킨다. 이어서, 피복된 스크린을 약 260℃의 온도에서 5 내지 10분 동안 소결시킨다. 그다음에, 스크린을 한 층에는 설폰산이온 교환 그룹을 가지며 나머지 층에는 카복실산 이온 교환 그룹을 갖는(열가소성 형태의) 이중층 이온 교환 막과 접촉시킨다. 스크린을 카복실산 이온 교환 그룹을 갖는 막의 면과 접촉시킨다.The screen template is immersed in a silver / ruthenium oxide / ionomer suspension and dried at room temperature. For a total of six cycles, the immersion and drying steps are repeated five more times. The coating is air dried between the coatings. The coated screen is then sintered for 5-10 minutes at a temperature of about 260 ° C. The screen is then contacted with a bilayer ion exchange membrane (of thermoplastic type) having sulfonic acid ion exchange groups in one layer and carboxylic acid ion exchange groups in the other layer. The screen is contacted with the side of the membrane having carboxylic acid ion exchange groups.

가열시킨 수력 압착기(hydraulic press)에 혼합물을 두고 약 230℃의 온도에서 30 내지 60초 동안 약 3.5kg/㎠으로 압착한 다음, 막을 피복된 스크린 형판에 결합시킨다.The mixture is placed in a heated hydraulic press and pressed at about 3.5 kg / cm 2 for 30 to 60 seconds at a temperature of about 230 ° C. and then the membrane is bonded to the coated screen template.

압착기로부터 혼합물을 제거하여 냉각시킨다. 이어서, 스크린 형판을 제거하면, 막에 결합된 촉매적 활성미립자의 상호연결된 다수개의 선이 남게 된다.Cool the mixture by removing it from the compactor. Subsequent removal of the screen template leaves a number of interconnected lines of catalytically active particulates bound to the membrane.

본 발명의 또 다른 실시태양에 따라서, 전기전도성 스크린을 촉매적 활성 미립자로 피복시킨 다음, 막과 접촉시켜 결합시키고, 압력하에 단시간 동안 가열시킨다. 막이 열가소성 형태이거나 나트륨 형태인 경우, 결합시키기 위해서 다음 조건들을 사용할 수 있다. 막을 약 260℃ 이하의 온도로 30초 내지 1분 동안 가열시킨다. 시간은 막의 온도가 언급한 온도로 될 때까지 필요한 시간으로 계산한다. 너무 낮은 온도 또는 너무 짧은 시간으로 가열하면 스크린이 완전히 막에 결합되지 않는다. 너무 오랜 시간 동안 가열하면 스크린의 금속은 완전히 막을 통과하여 막의 표면에 위치하지 않는다. 너무 높은 온도로 가열하면 막이 용해되어 형성된 구조물보다 우수한 M&E 구조물의 형성을 방해한다. 때때로, 스크린/막 혼합물 약 3.5kg/㎠ 이하의 압력하에 가열하는 것이 유리할 때도 있다 약 3.5kg/㎠ 이상의 압력은 막을 눌러서 막이 완전히 스크린을 통과하는 경향이 있다. 그러나, 막이 수소 형태인 경우, 막을 약 180℃ 이상으로 가열해서는 안된다.According to another embodiment of the present invention, the electroconductive screen is coated with catalytically active particulates, then contacted with the membrane to bond and heated for a short time under pressure. When the membrane is in thermoplastic or sodium form, the following conditions can be used to bond. The membrane is heated to a temperature of about 260 ° C. or less for 30 seconds to 1 minute. The time is calculated as the time required until the film temperature reaches the stated temperature. Heating to too low a temperature or too short a time will prevent the screen from fully bonding to the membrane. If it is heated for too long, the metal of the screen will not completely pass through the membrane and be located on the surface of the membrane. Heating to too high a temperature dissolves the film and prevents the formation of M & E structures superior to the formed structures. Sometimes it is advantageous to heat under a pressure of about 3.5 kg / cm 2 or less of the screen / membrane mixture. Pressures of about 3.5 kg / cm 2 or more tend to press the membrane and allow the membrane to pass completely through the screen. However, when the membrane is in hydrogen form, the membrane should not be heated above about 180 ° C.

스크린을 막 내로 압착하기 위하여, 2개의 압판, 즉 상부 압판과 하부 압판 사이에 성분들의 삽입물을 형성시킬 때 바람직하게는 명세서에서 언급한 제조방법을 사용한다. 하부 압판에는 폴리테트라플루오로에틸렌지로 된 스크린, 막, 피복된 스크린 및 폴리테트라플루오로에틸렌지로 된 또 다른 스크린을 두고, 최종적으로는 상부 압판을 둔다. 이어서, 이러한 삽입물을 가열된 압착기에 두고 약 260℃의 온도로 약 90초 동안가열한다.In order to press the screen into the membrane, the manufacturing method mentioned in the specification is preferably used when forming an insert of components between two platens, namely the upper platen and the lower platen. The lower platen has a screen of polytetrafluoroethylene paper, a membrane, a coated screen and another screen of polytetrafluoroethylene paper, and finally an upper platen. This insert is then placed in a heated press and heated to a temperature of about 260 ° C. for about 90 seconds.

유용성의 측면에서, 본 발명에 따르는 전기전도성 스크린은 선행기술에서 사용한 망상 스크린보다 상당히 우수한데, 그 이유는 이러한 망상 스크린은 거의 편평하지 않지만 표면구조가 망사이어서 파상이며 균질하지 않거나 어느 정도 편평하지 않은 구조물이기 때문이다. 본 발명에 따르는 스크린은 바람직하게는 금속성이지만 스크린이 전기전도성인 한은 기타의 물질로부터 구성할 수도 있다.In terms of usability, the electroconductive screens according to the invention are considerably superior to the reticulated screens used in the prior art, since these reticulated screens are almost flat but the surface structure is meshed and wavy and not homogeneous or somewhat flat. Because it is a structure. The screen according to the invention is preferably metallic but may be constructed from other materials as long as the screen is electrically conductive.

바람직하게는, 스크린의 두께는 스크린이 약 25% 이상의 정도로 결합하게 될 막의 층 두께보다 두껍지 않아야 한다. 즉, 막이 한층은 설폰산 중합체이고 다른 한층은 카복실산 중합체인 2층 막인 경우에서, 스크린을 카복실산 층에 결합시키는 경우, 스크린 두께는 25% 이상의 정도인 카복실산 층의 두께보다 두껍지 않아야 한다. 스크린이 너무 두꺼운 경우, 스크린은 지나치게 막 내로 침투할 것이고 스크린은 전지의 맞은편 격실(compartment)에서 화학물질에 의해 화학적으로 공격받을 것이라고 믿어진다. 보다 바람직하게는, 스크린의 두께는 스크린이 결합하게 될 막의 층 두께를 초과하지 않아야 한다.Preferably, the thickness of the screen should not be thicker than the layer thickness of the film to which the screen will bind to at least about 25%. That is, in the case where the membrane is a two-layer membrane in which one layer is a sulfonic acid polymer and the other layer is a carboxylic acid polymer, when the screen is bonded to the carboxylic acid layer, the screen thickness should not be thicker than the thickness of the carboxylic acid layer which is on the order of 25% or more. If the screen is too thick, it is believed that the screen will penetrate into the membrane excessively and the screen will be chemically attacked by chemicals in the compartment opposite the cell. More preferably, the thickness of the screen should not exceed the layer thickness of the film to which the screen will bind.

막에 결합된 바와 같은 촉매적 활성 미립자 층의 폭 또는 직경은 바람직하게는 약 1cm 미만, 보다 바람직하게는 약 0.5cm 미만 및 가장 바람직하게는 약 0.2cm 미만이다. 기체가 촉매적 활성 미립자를 통하여 빠져나가는 경우에 부딪치는 저항보다 기체가 막을 통하여 맞은편의 전지 면으로 진행하는 경우에 부딪치는 저항은 보다 적다고 믿어지기 때문에, 상기에서 언급한 범위 이상의 치수는 맞은편의 전지 면에 생성된 생성물의 기체 오염 정도를 상승시킨다.The width or diameter of the catalytically active particulate layer as bonded to the membrane is preferably less than about 1 cm, more preferably less than about 0.5 cm and most preferably less than about 0.2 cm. Since it is believed that the resistance encountered when the gas travels through the membrane to the opposite cell surface is less than the resistance encountered when the gas exits through the catalytically active particulates, the dimensions above the above mentioned ranges are opposite. The degree of gas contamination of the product produced on the cell surface is raised.

Claims (21)

막의 적어도 하나의 편평한 표면에 결합된 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 다수개의 선을 갖는 거의 편평한 이온 교환 막으로 이루어짐을 특징으로 하는 막/전극 복합 구조물.Membrane / electrode composite structure, comprising a substantially flat ion exchange membrane having a plurality of interconnected lines of catalytically active particulates bound to at least one flat surface of the membrane. 제1항에 있어서, 상호연결된 선이 막 표면의 25 내지 75%를 점유하는 구조물.The structure of claim 1, wherein the interconnected lines occupy 25 to 75% of the membrane surface. 제2항에 있어서, 상호연결된 선이 막 표면의 45 내지 55%를 점유하는 구조물.The structure of claim 2, wherein the interconnected lines occupy 45-55% of the membrane surface. 제1항, 제2항 및 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 막이 플루오로카본형 물질 및 하이드로카본형 물질로부터 선택되며, 다수의 촉매적 활성 미립자는 임의로 필름-형성 금속의 산화물과 혼합된 루테늄, 이리듐, 로듐, 백금, 팔라듐 및 이의 혼합물의 산화물, 및 산화코발트 단독 또는 산화코발트와 기타의 금속 산화물과의 혼합물로부터 선택되는 구조물.The membrane of claim 1, wherein the membrane is selected from fluorocarbon and hydrocarbon type materials, and the plurality of catalytically active particulates are optionally mixed with oxides of the film-forming metal. A structure selected from oxides of ruthenium, iridium, rhodium, platinum, palladium and mixtures thereof, and cobalt oxide alone or a mixture of cobalt oxide and other metal oxides. 제1항에 있어서, 촉매적 활성 미립자의 선의 폭이 6μ 이상, 1cm 미만인 구조물.The structure of claim 1 wherein the line width of the catalytically active particulates is at least 6 μ, less than 1 cm. 제1항에 있어서, 촉매적 활성 미립자의 선의 폭이 20μ 내지 0.5cm인 구조물.The structure of claim 1 wherein the line width of the catalytically active particulates is between 20 μm and 0.5 cm. 제1항에 있어서, 촉매적 활성 미립자들중에 분포된 다수의 전기전도성 금속 미립자를 함유하는 구조물.The structure of claim 1 containing a plurality of electrically conductive metal particulates distributed among the catalytically active particulates. 제7항에 있어서, 전기전도성 금속미립자가 은, 니켈, 탄탈, 백금 및 금으로부터선택되는 구조물.8. The structure of claim 7, wherein the electrically conductive metal particulate is selected from silver, nickel, tantalum, platinum and gold. 제1항에 있어서, 촉매적 활성 미립자가 두께가 5 내지 20μ인 층에 존재하는 구조물.The structure of claim 1 wherein the catalytically active particulates are present in the layer having a thickness of 5 to 20 microns. 제1항에 있어서, 촉매적 활성 미립자의 상호연결된 선이 플루오로카본 중합체로 된 결합제를 함유하는 구조물.The structure of claim 1, wherein the interconnected lines of catalytically active particulates contain a binder of a fluorocarbon polymer. 제1항에 있어서, 스크린을 통과하며 스크린의 표면적의 약 75% 이하를 차지하는 다수개의 개구부를 갖는 일반적으로 편평한 전기전도성 스크린을 포함하며, 여기에서 촉매적 활성 미립자는 스크린의 하나의 편평한 표면중의 적어도 일부분에 증착되고 편평한 표면과 물리적 및 전기적으로 접촉하며, 이온 교환 막은 활성 미립자가 막과 스크린 사이에 삽입되도록 촉매적 활성 미립자와 스크린의 편평한 표면에 결합된 구조물.The device of claim 1, comprising a generally flat electroconductive screen having a plurality of openings passing through the screen and occupying about 75% or less of the surface area of the screen, wherein the catalytically active particulates are in one of the flat surfaces of the screen. A structure deposited on at least a portion and in physical and electrical contact with the flat surface, wherein the ion exchange membrane is coupled to the catalytically active particulate and the flat surface of the screen such that the active particulate is interposed between the membrane and the screen. 제11항에 있어서, 스크린이 전자가 형성된 금속성 스크린인 구조물.The structure of claim 11, wherein the screen is a metallic screen with electrons formed thereon. 제11항에 있어서, 스크린이 25 내지 75%의 개방영역을 가지며, 스크린의 주위 둘레가 비다공성인 구조물.The structure of claim 11, wherein the screen has an open area of 25 to 75% and the perimeter of the screen is nonporous. 제11항, 제12항 및 제13항중의 어느 한 항에 있어서, 스크린의 두께가, 스크린이 부착된 막의 층 두께를 25% 이상까지 초과하지 않는 구조물.14. The structure according to any one of claims 11, 12 and 13, wherein the thickness of the screen does not exceed the layer thickness of the film to which the screen is attached by up to 25% or more. (a) 스크린 형판의 표면적의 약 75% 이하를 차지하는 다수개의 개구부가 통과하는 거의 편평한 스크린 형판의 적어도 한 표면을 다수의 촉매적 활성 미립자로 적어도 부분적으로 피복시키고; (b) 이온 교환 막의 편평한 표면을 스크린 형판의 피복된 표면과 접촉시킨 다음; (c) 촉매적, 활성 미립자를 스크린 형판으로부터 막으로 이동시키고; (d) 스크린 형판을 제거한 다음, (e) 촉매적 활성 미립자를 막에 결합시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하여 막/전극 복합 구조물을 제조하는 방법.(a) at least partially covering at least one surface of a substantially flat screen template through which a plurality of openings occupy less than about 75% of the surface area of the screen template with a plurality of catalytically active particulates; (b) contacting the flat surface of the ion exchange membrane with the coated surface of the screen template; (c) transfer catalytically active particulates from the screen template to the membrane; (d) removing the screen template and then (e) bonding the catalytically active particulates to the membrane. 제15항에 있어서, 촉매적 활성 미립자는 용액/분산액 형태로 스크린에 피복되고, 여기에서 용액/분산액은 다음 일반식(IV)의 용매/분산제로부터 형성되는 방법.The method of claim 15, wherein the catalytically active particulates are coated on the screen in the form of a solution / dispersion, wherein the solution / dispersion is formed from a solvent / dispersant of the following general formula (IV). XCF2-CYZ - X' (IV)XCF 2 -CYZ-X '(IV) 상기 식에서, X는 -F, -Cl, -Br 및 -I로부터 선택되며, X'는 -Cl, -Br 및 -I로부터 선택되고 ; Y 및 Z는 독립적으로, -H, -F, -Cl, -Br, -I 및 -R'로부터 선택되며; R'는 1 내지 6개의 탄소원자를 갖는 퍼플루오로알킬 라디칼 및 클로로퍼플루오로알킬 라디칼로부터 선택된다.Wherein X is selected from -F, -Cl, -Br and -I, and X 'is selected from -Cl, -Br and -I; Y and Z are independently selected from -H, -F, -Cl, -Br, -I and -R '; R 'is selected from perfluoroalkyl radicals having 1 to 6 carbon atoms and chloroperfluoroalkyl radicals. 제16항에 있어서, 용액/분산액이 4 내지 20중량%의 이오노머를 함유하는 방법.The method of claim 16, wherein the solution / dispersion contains 4-20% by weight ionomer. 제16항에 있어서, 용액/분산액이 0.1 내지 30중량%의 촉매적 활성 미립자를 함유하는 방법.The method of claim 16, wherein the solution / dispersion contains 0.1 to 30 weight percent catalytically active particulates. 제16항, 제17항 및 제18항중의 어느 한 항에 있어서, 용액/분산액이 60 내지 90중량%의 전기전도성금속을 함유하는 방법.19. The method of any one of claims 16, 17 and 18, wherein the solution / dispersion contains 60 to 90% by weight of electrically conductive metal. 제15항에 있어서, 스크린 형판이 약 260℃ 이하의 온도 및 약 3.5kg/㎠ 이하의 압력에서 막에 결합되는 방법.The method of claim 15, wherein the screen template is bonded to the membrane at a temperature of about 260 ° C. or less and a pressure of about 3.5 kg / cm 2 or less. (a) 전기전도성 스크린의 표면적의 약 75% 이하를 차지하는 다수개의 개구부가 통과하는 거의 편평한 전기전도성 스크린의 적어도 한 표면의 적어도 일부를 용매/분산제중의 촉매적 활성 미립자 용액/분산액으로 피복시키고; (b) 스크린의 피복된 표면을 이온 교환 막과 접촉시킨 다음, (c) 피복된 스크린을 막에 결합시키는 단계로 이루어짐을 특징으로 하여 막/전극 복합 구조물을 제조하는 방법.(a) coating at least a portion of at least one surface of a substantially flat electroconductive screen through which a plurality of openings occupy less than about 75% of the surface area of the electroconductive screen with a catalytically active particulate solution / dispersion in a solvent / dispersant; (b) contacting the coated surface of the screen with an ion exchange membrane, and then (c) bonding the coated screen to the membrane.
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