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JPH0121231B2 - - Google Patents
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JPH0121231B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0121231B2
JPH0121231B2 JP62321142A JP32114287A JPH0121231B2 JP H0121231 B2 JPH0121231 B2 JP H0121231B2 JP 62321142 A JP62321142 A JP 62321142A JP 32114287 A JP32114287 A JP 32114287A JP H0121231 B2 JPH0121231 B2 JP H0121231B2
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JP
Japan
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membrane
screen
catalytically active
active particles
composite structure
Prior art date
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Application number
JP62321142A
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Japanese (ja)
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JPS63179089A (en
Inventor
Daburyuu Makumaikeru Jeemuzu
Deii Doaa Robaato
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Dow Chemical Co
Original Assignee
Dow Chemical Co
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Publication date
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Publication of JPH0121231B2 publication Critical patent/JPH0121231B2/ja
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 「M&E」という用語は、膜(Membrane)お
よび電極(Electrode)の組合せ物を意味し、膜
の1つまたは両方の主要な平面状表面に存在する
導電性で触媒活性の多数の粒子を有する、実質的
に平面のシート状イオン交換膜からなる構造物で
ある。触媒活性粒子はM&Eが電気化学的セルに
使用されるとき、粒状電極として作用する。M&
E構造物は固体重合体電解質(solid polymer
electrolyte)、すなわちSPE構造物と呼ばれるこ
ともある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The term "M&E" refers to a combination of a membrane and an electrode, with an electrically conductive and catalytically active membrane present on one or both major planar surfaces of the membrane. A structure consisting of a substantially planar sheet-like ion exchange membrane having a large number of particles. Catalytically active particles act as particulate electrodes when M&E is used in electrochemical cells. M&
The E structure is a solid polymer electrolyte.
electrolyte) or SPE structure.

「M&Eセル」はM&E構造物を使用した電気
化学的セルである。このような電池は電気化学的
生成物を生産するための電解槽として作動させる
ことができ、あるいはまた電気エネルギーを生産
するための燃料電池として作動させることもでき
る。電解槽は、例えば塩化ナトリウムのようなア
ルカリ金属ハロゲン化物の電気分解用に、あるい
はまた水の電気分解用に使用することができる。
An "M&E cell" is an electrochemical cell that uses an M&E structure. Such cells can be operated as electrolyzers to produce electrochemical products, or alternatively as fuel cells to produce electrical energy. The electrolytic cell can be used, for example, for the electrolysis of alkali metal halides, such as sodium chloride, or alternatively for the electrolysis of water.

M&Eセルは当業界では公知であり、以下に挙
げる数多くの米国特許に開示されている: 4293394;4299674;4299675;4319969;
4345986;4386987;4416932;4457822;
4469579;4498942;4315805;4364815;
4272353;および4394229。
M&E cells are known in the art and are disclosed in numerous US patents, including: 4293394; 4299674; 4299675; 4319969;
4345986; 4386987; 4416932; 4457822;
4469579; 4498942; 4315805; 4364815;
4272353; and 4394229.

M&Eセルでは、触媒活性粒子にガス状物が生
成することがよくある。M&Eセルが作動中に、
粒子(電極として作用する)からガスが泡立ち離
れて、M&Eセルに接触している電解液中に入り
込む。しかしながら、粒子の細孔内あるいは粒
子/膜界面で生成するガス状物は、電解液中に入
り込んでそして除去される前に、粒子の細孔を通
つて拡散しなければならない。ガスは逃散するよ
り速く生成されるので、触媒活性粒子内あるいは
粒子/膜界面でガスが蓄積され、このため、M&
Eセルの運転効率が低下することとなる。さらに
好ましくないことには、ガスの一部が膜を透過し
て、膜の他方の側において得られた生成物を汚染
する。塩素―アルカリセルでは、膜の一方の側に
水素が、そして膜の他方の側に塩素が生成するよ
うになつているが、水素が膜を透過して塩素を汚
染したり、あるいはその逆のことが起こる。塩
素/水素混合物は爆発性があるため、こうした汚
染はさらに危険なものとなる。
In M&E cells, gaseous substances often form on the catalytically active particles. While the M&E cell is in operation,
Gas bubbles away from the particles (which act as electrodes) and into the electrolyte that is in contact with the M&E cell. However, gaseous substances that form within the particle pores or at the particle/membrane interface must diffuse through the particle pores before entering the electrolyte and being removed. Since gas is produced faster than it can escape, it can accumulate within the catalytically active particles or at the particle/membrane interface, thus causing M&
The operating efficiency of the E cell will decrease. Even more undesirably, some of the gas permeates through the membrane and contaminates the resulting product on the other side of the membrane. In a chlorine-alkali cell, hydrogen is produced on one side of the membrane and chlorine on the other side of the membrane, but it is possible for hydrogen to permeate through the membrane and contaminate the chlorine, or vice versa. things happen. The explosive nature of chlorine/hydrogen mixtures makes such contamination even more dangerous.

先行技術では、M&Eセル用として多孔質電極
を作製することによつて、ガス状物蓄積の問題を
解消しようと試みた。例えば、米国特許第
4276146号にこのようなことが開示されている。
M&Eセル製造プロセス中に、塩化ナトリウムの
ような細孔形成物を触媒活性物質に組み込むこと
よつて、多孔質M&E電極を形成させることがで
きる。この塩化ナトリウムはあとで浸出させて、
多孔質M&E構造物から除く。しかしながら、こ
のような被覆物を使用してもガス拡散の問題は解
決されない、なぜならば塩素による水素汚染はそ
れほど減少しないからである。さらに、多孔質触
媒活性粒子は強度が低く、ガス発生の作用に耐え
ることができない。従つて、触媒活性粒子の減少
を招き、セルの効率が低下する。
The prior art has attempted to overcome the gaseous buildup problem by creating porous electrodes for M&E cells. For example, U.S. Pat.
This is disclosed in No. 4276146.
Porous M&E electrodes can be formed by incorporating pore formers, such as sodium chloride, into the catalytically active material during the M&E cell manufacturing process. This sodium chloride is later leached out,
Exclude from porous M&E structures. However, the use of such a coating does not solve the gas diffusion problem, since hydrogen contamination with chlorine is not significantly reduced. Furthermore, porous catalytically active particles have low strength and cannot withstand the effects of gas evolution. Therefore, the number of catalytically active particles decreases, and the efficiency of the cell decreases.

本発明は、ガス状物が膜を透過してセルの反対
側に侵入するのを最小限に抑え、そしてセルの電
気的効率を向上するように、特別に設計したM&
E構造物を提供する。
The present invention utilizes specially designed M &
Provide an E structure.

M&E電極被覆物は、かなり高価な材料を使用
して作製される。本発明は、被覆物の触媒活性お
よび効率を犠牲にすることなく、電極に使用され
る触媒材料の量を減少させることができる。
M&E electrode coatings are made using fairly expensive materials. The present invention can reduce the amount of catalytic material used in the electrode without sacrificing the catalytic activity and efficiency of the coating.

先行技術のM&Eにおいては、M&Eを支持す
るのに導電性の窓状スクリーン織物が使用され
る。しかしながら、スクリーン織物はその表面が
一様でないため十分に満足できるものではない。
触媒活性粒子または平面のシート状膜にスクリー
ン織物をプレスする場合、スクリーンのある部分
が他の部分より膜中に深く入り込む。この方法で
は、電極被覆物および膜とスクリーンとの接触が
不均等となり、また膜の面を通る電気エネルギー
の移動が一様ではなくなる。さらに、スクリーン
が膜に入り込むと、膜のいくつかの部分がより破
裂し易くなる。
In prior art M&Es, conductive window screen fabrics are used to support the M&Es. However, screen fabrics are not completely satisfactory because their surfaces are not uniform.
When pressing a screen fabric onto catalytically active particles or a planar sheet-like membrane, some portions of the screen penetrate deeper into the membrane than other portions. This method results in uneven contact of the electrode coating and membrane with the screen and uneven transfer of electrical energy across the surface of the membrane. Furthermore, as the screen penetrates the membrane, some parts of the membrane become more susceptible to rupture.

スクリーン織物を使用した場合のもう1つの問
題は、触媒活性粒子に対する集電装置を膜の表面
上に支持するのに使用されるマツトレス(弾性装
置)によつて膜が引き裂かれたりこわされたりす
ることのないよう防止しなければならないことで
ある。従つて、先行技術によるスクリーン織物で
は、本発明の実質的に平らで導電性のスクリーン
によつて得られるほどの保護は得られないのであ
る。
Another problem with the use of screen fabrics is that the membrane can be torn or broken by the pine tresses (elastic devices) used to support the current collector for the catalytically active particles on the surface of the membrane. This is something that must be prevented from happening. Therefore, prior art screen fabrics do not provide as much protection as is provided by the substantially flat, conductive screen of the present invention.

本発明は、スクリーン織物タイプの構造物を使
用した場合の問題点の殆どを解消するような、M
&Eの支持構造物を提供する。
The present invention provides a M
&E support structures.

特に、本発明は膜/電極複合構造物であつて、
膜の少なくとも1つの表面に結合した触媒活性粒
子の多数の相互連結路を有する、実質的に平面状
のイオン交換膜からなる膜/電極複合構造物を提
供する。
In particular, the present invention is a membrane/electrode composite structure comprising:
A membrane/electrode composite structure comprising a substantially planar ion exchange membrane having multiple interconnecting paths of catalytically active particles bound to at least one surface of the membrane is provided.

さらに本発明は、スクリーンを通過している多
数の開口を有する実質的に平面で導電性のスクリ
ーンに関するものであり、前記開口がスクリーン
の表面積の最大約75%を占め、多数の触媒活性粒
子がスクリーンの1つの平らな表面の少なくとも
一部に配置されて、前記の平らな表面と物理的お
よび電気的に接触しており、イオン交換膜が触媒
活性粒子とスクリーンの平らな表面に、触媒活性
粒子が膜とスクリーンによつて挟まれるような形
で結合されている。本発明はさらに、実質的に平
面状のスクリーンテンプレートの少なくとも1つ
の表面を多数の触媒活性粒子で被覆し、このとき
前記スクリーンテンプレートは多数の開口を有
し、前記開口はスクリーンテンプレートの表面積
の最大約75%を占めること;イオン交換膜をスク
リーンテンプレートの被覆された表面に接触させ
ること;触媒活性粒子をスクリーンテンプレート
から膜に移行させること;スクリーンテンプレー
トを除去すること;および触媒活性粒子を膜に結
合させることからなる、改良された膜/電極複合
構造物を作製する方法を提供する。
The present invention further relates to a substantially planar, electrically conductive screen having a large number of apertures passing through the screen, the apertures occupying up to about 75% of the surface area of the screen and containing a large number of catalytically active particles. disposed on at least a portion of one planar surface of the screen and in physical and electrical contact with said planar surface, an ion exchange membrane disposed between the catalytically active particles and the planar surface of the screen. The particles are bound together in such a way that they are sandwiched between the membrane and the screen. The present invention further provides coating at least one surface of a substantially planar screen template with a plurality of catalytically active particles, wherein the screen template has a plurality of apertures, the apertures being the largest of the surface areas of the screen template. contacting the ion exchange membrane with the coated surface of the screen template; transferring the catalytically active particles from the screen template to the membrane; removing the screen template; and transferring the catalytically active particles to the membrane. A method of making an improved membrane/electrode composite structure is provided.

本発明はさらに、実質的に平面状の導電性スク
リーンの少なくとも1つの表面の一部を触媒活性
粒子と溶媒/分散剤からなる溶液/分散液で被覆
し、このとき前記スクリーンが多数の開口を有
し、前記開口が導電性スクリーンの表面積の最大
約75%を占めること; スクリーンの被覆された表面をイオン交換膜に
接触させること; および被覆されたスクリーンを膜に結合させる
ことからなる、膜/電極複合構造物を作製する方
法を提供する。
The present invention further provides for coating a portion of at least one surface of a substantially planar conductive screen with a solution/dispersion of catalytically active particles and a solvent/dispersant, wherein said screen has a plurality of apertures. contacting the coated surface of the screen with an ion exchange membrane; and bonding the coated screen to the membrane. /Provides a method for producing an electrode composite structure.

膜上に付着した触媒活性粒子の相互連結路を有
するM&E構造物は、触媒活性物質の実質的に連
続した被膜を有する先行技術のM&E構造物とは
異なり、電気化学的セルに使用すると非常に高効
率で作動することが見出された。効率が増大した
のは、膜上の触媒活性粒子の相互連結路間に存在
する開口部面積によるものと推測される。これら
の開口部面積は、触媒活性表面において発生する
ガスを除去するための電気的に不活性なスペース
を与える。さらに相互連結路の幅は、触媒活性粒
子と膜との界面で生じるガスを逃散させるための
短い通路となるようなものであり、従つてガスに
よる膜の閉塞は最小限に抑えられる。触媒活性粒
子のパターンは、粒子の相互連結路およびその周
りからのガスの逃散通路が、膜を通過するときの
流れ抵抗より小さい流れ抵抗を有するように設計
される。従つて、ガスが膜を透過して反対側の隔
室に入り込むより、触媒活性粒子の相互連結路お
よびその周りからガスが逃散するほうが容易に起
こることとなる。本発明の触媒活性粒子の相互連
結路のサイズ、形状、および厚さは、使用するイ
オン交換膜のタイプによつて決まる。すなわち、
高いガス透過抵抗を有する膜ではより大きめの粒
子の相互連結路を使用することができるが、低い
ガス透過抵抗を有する膜ではより小さめの粒子の
相互連結路が必要となる。例えば塩素―アルカリ
電解槽では、厚さ約3.5ミル(0.09mm)のスルホ
ニツクイオン交換基を有するポリマー層、および
厚さ約0.5ミル(0.01mm)のカルボキシリツクイ
オン交換基を有するポリマー層からなる全厚が約
4ミル(0.1mm)の二層イオン交換膜は、予め定
められた寸法を有する触媒活性粒子の相互連結路
を有することができる。「寸法」という用語は、
ここでは予め定められた幅を有する触媒活性粒子
の相互連結路に適用する。この相互連結路は対象
のパターンであつても、また非対称のパターンで
あつてもよい。相互連結路の最小幅は、通常6ミ
クロン以上、好ましくは20ミクロン以上である。
相互連結路の最大幅は、通常1cm以下、好ましく
は0.5cm以下、さらに好ましくは0.2cm以下であ
る。
M&E structures with interconnecting channels of catalytically active particles deposited on a membrane, unlike prior art M&E structures with substantially continuous coatings of catalytically active material, are very difficult to use in electrochemical cells. It was found to operate with high efficiency. It is speculated that the increased efficiency is due to the open area present between interconnecting channels of catalytically active particles on the membrane. These open areas provide an electrically inert space for the removal of gases generated at the catalytically active surface. Additionally, the width of the interconnect is such that it provides a short path for the escape of the gas generated at the interface between the catalytically active particles and the membrane, so that blockage of the membrane by gas is minimized. The pattern of catalytically active particles is designed such that the interconnections of the particles and the escape paths for gas from around them have a flow resistance that is less than the flow resistance when passing through the membrane. Therefore, it is easier for gas to escape from and around the interconnections of the catalytically active particles than to pass through the membrane and into the opposite compartment. The size, shape, and thickness of the interconnecting channels of the catalytically active particles of the present invention depend on the type of ion exchange membrane used. That is,
Membranes with high gas permeation resistance can use larger particle interconnections, whereas membranes with low gas permeation resistance require smaller particle interconnections. For example, a chlor-alkali electrolyzer consists of a polymer layer with sulfonic ion exchange groups about 3.5 mils (0.09 mm) thick and a polymer layer with carboxylic ion exchange groups about 0.5 mils (0.01 mm) thick. A two-layer ion exchange membrane having a total thickness of about 4 mils (0.1 mm) can have interconnecting channels of catalytically active particles having predetermined dimensions. The term "dimensions"
Here it is applied to interconnecting channels of catalytically active particles having a predetermined width. The interconnecting paths may be in a symmetrical or asymmetrical pattern. The minimum width of the interconnection path is typically greater than or equal to 6 microns, preferably greater than or equal to 20 microns.
The maximum width of the interconnecting channel is usually less than 1 cm, preferably less than 0.5 cm, more preferably less than 0.2 cm.

M&E構造物として作用する触媒活性粒子の層
の多孔度も、セルの作動時に形成されるガスを逃
散させるという点において極めて重要である。す
なわち膜/電極の界面で発生するガスは、触媒活
性粒子の多孔部分を通つて室内に逃散させる役割
を果す。それがため膜/電極果面でガスが蓄積さ
れてセルの運転効率を低下させたり、又そのガス
の一部が膜を透過して膜の他方の側において得ら
れる生成物を汚染することもなくなる。
The porosity of the layer of catalytically active particles that acts as the M&E structure is also critical in allowing the escape of gases formed during cell operation. That is, the gas generated at the membrane/electrode interface serves to escape into the room through the porous portions of the catalytically active particles. This can cause gas to accumulate on the membrane/electrode surface, reducing the operating efficiency of the cell, or some of the gas can permeate through the membrane and contaminate the product obtained on the other side of the membrane. It disappears.

又本発明によるスクリーンを使用すればマクロ
ポーラスなM&E構造物(すなわち、触媒活性粒
子の多数の相互連結路を有する構造物)を作製す
ることができる。本発明のM&E構造物のマクロ
ポーラスな性質により、使用する電気化学的セル
を高い効率で作動させることができる。
Screens according to the invention can also be used to create macroporous M&E structures (ie, structures with a large number of interconnecting channels of catalytically active particles). The macroporous nature of the M&E structures of the present invention allows the electrochemical cells used to operate with high efficiency.

本発明において使用されるスクリーンまたはス
クリーンテンプレートは、多数の一定の間隔をあ
けた開口を有する、実質的に平らで平面状のスク
リーンである。ここで使用する「スクリーン」と
いう用語は、膜の埋め込まれるかあるいは膜と結
合されるスクリーン、および膜に多数の触媒活性
粒子の相互連結路を与えるための一時的な手段と
して使用され、そしてあとで膜から除去される
「スクリーンテンプレート」の両方に対して適用
する。スクリーンは、少なくとも1つの表面に関
して、実質的に完全に平らであることが好まし
い。平らであることは特に望ましい。なぜなら、
平らであれば、輪郭のはつきりした調整された開
口部面積、および触媒活性粒子で被覆することの
できる対応したエリアを有するM&E構造物を形
成させることができるからである。従つて、触媒
被膜をスクリーン上に置き、膜中に埋め込むと、
膜のかなりの部分が露出したままの状態となる。
これによつて、M&E構造物を形成するのに使用
される触媒材料の量は最小に抑えられ、また開口
部面積が多量に存在するので、電極被覆からガス
状物が逃散するためのエリアは最大となる。
The screen or screen template used in the present invention is a substantially flat, planar screen having a large number of regularly spaced apertures. The term "screen" as used herein refers to a screen that is embedded in or associated with a membrane, and that is used as a temporary means to provide an interconnection path for a large number of catalytically active particles in the membrane, and which is Both apply to the "screen template" which is removed from the membrane at. Preferably, the screen is substantially completely flat with respect to at least one surface. Flatness is particularly desirable. because,
This is because flatness allows the formation of M&E structures with contoured and controlled opening areas and corresponding areas that can be coated with catalytically active particles. Therefore, if a catalyst coating is placed on the screen and embedded in the membrane,
A large portion of the membrane remains exposed.
This minimizes the amount of catalytic material used to form the M&E structure, and the large open area provides an area for gaseous matter to escape from the electrode coating. Maximum.

図面を参照すると、第1図は、本発明における
使用に適した1つのタイプのスクリーンの側面図
である。金属100は、1つの平らな面130と
1つの丸い面120を有している。丸い面120
はさらに、やや平らになつた部分を有する。この
スクリーンは、2つの向かい合つた側に連結した
開口110を有する。
Referring to the drawings, FIG. 1 is a side view of one type of screen suitable for use in the present invention. Metal 100 has one flat surface 130 and one rounded surface 120. round surface 120
It also has a slightly flattened part. This screen has apertures 110 connected on two opposite sides.

第2図は、本発明における使用に適した別のタ
イプのスクリーン200の側面図である。この金
属スクリーンは、通常丸い面220と230を有
し、これらの面もやや平らになつた部分を有す
る。このスクリーンは向かい合つた側に連結した
開口210を有する。
FIG. 2 is a side view of another type of screen 200 suitable for use in the present invention. The metal screen has generally rounded surfaces 220 and 230, which also have slightly flattened portions. The screen has connected openings 210 on opposite sides.

第3図は、膜上に付着した触媒活性粒子の相互
連結路パターン300の一部を上から見た図であ
る。相互連結路パターンの間には多数の開口31
0があり、これらの開口は相互に連結されていな
い、すなわち互いに隔離されている。
FIG. 3 is a top view of a portion of an interconnect pattern 300 of catalytically active particles deposited on a membrane. There are a number of openings 31 between the interconnecting path patterns.
0 and these openings are not interconnected, ie isolated from each other.

スクリーンの厚さは、本発明をうまく利用する
上で重要な点ではない。しかしながら、取り扱い
の便宜上、スクリーンの厚さは膜の厚さを越えな
いことが好ましい。
The thickness of the screen is not critical to the success of this invention. However, for convenience of handling, it is preferred that the thickness of the screen does not exceed the thickness of the membrane.

膜に結合された触媒活性粒子の相互連結路の幅
または直径は1cm未満が好ましい。1cm以上にな
ると、セルの反対側で得られる生成物のガスによ
る汚染が増大する。なぜなら、触媒活性粒子を通
過して逃散するよりも、膜を通過してセルの反対
側に入り込んだ方が抵抗がすくないからである。
Preferably, the width or diameter of the interconnecting channels of catalytically active particles bound to the membrane is less than 1 cm. Above 1 cm, gas contamination of the product obtained on the other side of the cell increases. This is because there is less resistance to passing through the membrane and into the other side of the cell than escaping through the catalytically active particles.

本発明の方法に従い、触媒活性粒子の相互連結
路は、使用するスクリーンまたはスクリーンテン
プレートのパターンにマツチする。従つて、スク
リーンの形状とサイズは、触媒活性粒子の相互連
結路の形状とサイズを表していることになる。ス
クリーンは通常、その表面積の最大75%が開口に
よつて占められ、スクリーンは好ましくは25〜75
%のオープンエリアを、さらに好ましくは45〜55
%のオープンエリアを有する。これによつて、膜
の表面上に、触媒活性粒子にて生成するガスが逃
散するための十分な数のオープンエリアが得られ
る。
According to the method of the invention, the interconnecting paths of the catalytically active particles match the pattern of the screen or screen template used. The shape and size of the screen will therefore represent the shape and size of the interconnecting channels of the catalytically active particles. The screen typically has up to 75% of its surface area occupied by apertures, and the screen preferably has an area of 25 to 75
% open area, more preferably 45-55
% open area. This provides a sufficient number of open areas on the surface of the membrane for the escape of the gas produced by the catalytically active particles.

任意に、周縁に沿つて開口を持たないようにス
クリーンを組み立てることができ、従つてM&E
構造物を他の構成部品と共に組み上げて電気化学
的セルを形成させる際に、ガスケツトを設置する
ことのできる細孔のないエリアが得られる。
Optionally, the screen can be constructed to have no openings along the periphery, thus preventing M&E
When the structure is assembled with other components to form an electrochemical cell, a pore-free area is provided in which a gasket can be placed.

膜上に触媒活性粒子の相互連結路を形成させる
のに特に適したスクリーンは、一定の間隔をあけ
て相互に絶縁された多数の開口を有する電鋳スク
リーンである。
A particularly suitable screen for forming interconnections of catalytically active particles on the membrane is an electroformed screen having a number of regularly spaced and mutually insulated openings.

電鋳とは、写真技術により定めたパターンのマ
トリツクス上に金属を電気化学的に付着させる方
法である。写真プレート上に金属を付着させ、次
いで写真プレートから金属を除去したときに、多
数の開口を有する金属マトリツクスが得られるよ
うに、写真プレート上のパターンが決められる。
このようにして作製されたスクリーンは、写真的
に完全であり、実質的にフラツトである。開口は
それぞれの周りでの金属の堆積によつて造られる
ので、特有のアーチ形を有する。こうした形状に
より、開口を通してスクリーンプリントされる材
料は滑らかに通過でき、また付着物は堆積しにく
くなる。片面電鋳では本質的に円錐形の孔が得ら
れ、両面電鋳では二円錐形の孔が得られる。
Electroforming is a method of electrochemically depositing metal onto a matrix in a photographically defined pattern. The pattern on the photographic plate is such that upon depositing metal on the photographic plate and then removing the metal from the photographic plate, a metal matrix having a large number of openings is obtained.
Screens made in this manner are photographically perfect and substantially flat. The apertures have a distinctive arched shape because they are created by depositing metal around each. This shape allows for the smooth passage of screen printed material through the apertures and reduces the likelihood of deposits building up. Single-sided electroforming results in essentially conical holes, and double-sided electroforming results in biconical holes.

電気鋳造した孔は、打抜いた孔および他の手段
によつて形成した孔より好ましい。なぜなら、電
気鋳造した孔は滑らかであり、従つてスクリーン
が膜と接触したときに、膜を破ることはないから
である。同様に、電気鋳造したスクリーンは、織
布またはスクリーン金網織物より優れている。な
ぜなら、電気鋳造によるスクリーンは実質的にフ
ラツトであり、膜と接触させたときに、膜中に不
均等に入り込むことはないからである。
Electroformed holes are preferred over punched holes and holes formed by other means. This is because the electroformed holes are smooth and therefore do not tear the membrane when the screen comes into contact with it. Similarly, electroformed screens are superior to woven or screened wire mesh fabrics. This is because the electroformed screen is substantially flat and will not penetrate unevenly into the membrane when brought into contact with the membrane.

触媒活性粒子の相互連結路の形状は、対称形で
あつても、非対称形であつてもよい。対称形の場
合、相互連結路は、正方形、長方形、三角形など
のような、異なる形状の開口をいくつでも形成す
ることができる。前述したように、膜上の相互連
結路は必ずしも特定のパターン(繰り返しであろ
うとなかろうと)に従う必要はない。本発明によ
つて得られる改良点は、生成したガスが膜を通つ
て拡散して膜の反対側の電解液中に入り込むより
むしろ、生成したガスが多孔質の電極皮膜から拡
散して電解液中に入り込む能力が増大したことが
原因となつているものと考えられる。多孔質電極
で生成するガスの拡散路を決定するフアクターは
多数あるけれども、本発明の膜の開口部面積は触
媒エリアと密接に関係して配列しており、生成し
たガスが電解液に達するための横向きの通路が得
られるようになつている。横向き通路とは、触媒
活性の相互連結路におけるガスの生成領域から膜
表面に本質的に平行に延びている電解液までの拡
散路を意味する。さらに、これらの開口部面積は
ガス状物を生成しないので、これらの開口部面積
は、M&E組立物の電気触媒領域から電解液中へ
のガス状物の望ましい移送を妨げるうに作用する
圧力勾配および/または濃度勾配を生じない。
The shape of the interconnecting channels of the catalytically active particles may be symmetrical or asymmetrical. In the case of symmetry, the interconnecting channels can form any number of differently shaped openings, such as squares, rectangles, triangles, etc. As mentioned above, the interconnecting paths on the membrane do not necessarily have to follow a particular pattern (repeating or not). The improvement provided by the present invention is that rather than the generated gas diffusing through the membrane and into the electrolyte on the opposite side of the membrane, the generated gas diffuses out of the porous electrode coating and into the electrolyte. This is thought to be due to an increased ability to penetrate inside. Although there are many factors that determine the diffusion path of gas produced in a porous electrode, the opening area of the membrane of the present invention is aligned in close relation to the catalytic area, allowing the produced gas to reach the electrolyte. A horizontal passage is now available. By lateral path is meant a diffusion path from the production region of the gas in the catalytically active interconnection path to the electrolyte that runs essentially parallel to the membrane surface. Additionally, since these aperture areas do not produce gaseous matter, these aperture areas are susceptible to pressure gradients and /or does not create a concentration gradient.

実験によれば、ガス状物による汚染の程度は、
相互連結路の幅よりむしろ膜上の開口部面積のパ
ーセントに直接関係することを示している。もし
これが真実であれば、開口部面積のパーセントの
限界値および好ましい範囲が極めて重要となる。
According to experiments, the degree of contamination by gaseous substances is
It has been shown to be directly related to the percent open area on the membrane rather than the width of the interconnect. If this is true, the limits and preferred ranges for percent aperture area become extremely important.

本発明のM&E構造物には、触媒活性粒子と実
質的にフラツトなスクリーンが、膜の一方の面も
しくは両面と結合されるかまたは一方の面もしく
は両面中に埋め込まれるような実施例も含まれ
る。しかしながら、本発明は、電極の少なくとも
1つが、膜と接触している多数の触媒活性粒子の
形となつていることを必要とする。セルの作動
中、この電極は陰極もしくは陽極として働くこと
ができる。任意に、両方の電極は、膜の両側また
は表面に埋め込んだ触媒活性粒子であつてもよ
い。本発明の議論の目的上、両方の電極の形態
は、あたかも両者が触媒活性粒子であるかのよう
に説明され、またあたかも両者が分離した従来の
電極であるかのようにも説明されている。
M&E structures of the present invention also include embodiments in which the catalytically active particles and substantially flat screen are bonded to or embedded in one or both sides of the membrane. . However, the invention requires that at least one of the electrodes be in the form of a large number of catalytically active particles in contact with the membrane. During operation of the cell, this electrode can act as a cathode or an anode. Optionally, both electrodes may be catalytically active particles embedded on either side or surface of the membrane. For purposes of this discussion, both electrode configurations are described as if they were both catalytically active particles, and as if they were separate conventional electrodes. .

従来の陽極は通常、液圧透過性の導電性構造物
であり、例えばエキスパンデツトメタルのスクリ
ーン、多孔板、打ち抜きしたプレート、平板化し
ていない菱形エキスパンデツトメタル、または金
属ワイヤー織物も含めて、種々の形状および様式
で造られている。陽極に使用するのに適した金属
としては、タンタル、タングステン、コロンビウ
ム、ジルコニウム、モリブデン、および好ましく
はチタンおよび上記の金属を多量に含有したチタ
ン合金などがある。
Conventional anodes are typically hydraulically permeable conductive structures, including, for example, expanded metal screens, perforated plates, stamped plates, unflattened diamond-shaped expanded metal, or metal wire fabrics. , built in various shapes and styles. Metals suitable for use in the anode include tantalum, tungsten, columbium, zirconium, molybdenum, and preferably titanium and titanium alloys rich in the above metals.

任意に、陽極は膜中に埋め込んだ多数の触媒活
性粒子で造られていてもよい。電気触媒活性の陽
極材料に使用するのに適した材料としては、例え
ばルテニウム、イリジウム、ロジウム、白金、パ
ラジウム等の白金族の金属の酸化物(単独または
皮膜形成金属の酸化物との併用)のような活性化
物質がある。他の適切な活性化酸化物としては、
酸化コバルト単独または酸化コバルトと他の金属
酸化物とを併用したものがある。このような活性
化酸化物の例は、米国特許第3632498;4142005;
4061549;4214971号に記載されている。
Optionally, the anode may be made of multiple catalytically active particles embedded within the membrane. Suitable materials for use in electrocatalytically active anode materials include, for example, oxides of metals of the platinum group (alone or in combination with oxides of film-forming metals) such as ruthenium, iridium, rhodium, platinum, palladium, etc. There are activating substances such as Other suitable activated oxides include:
There are cobalt oxides used alone or cobalt oxides and other metal oxides in combination. Examples of such activated oxides are U.S. Patent Nos. 3,632,498; 4,142,005;
4061549; described in No. 4214971.

従来の陰極は、通常液圧透過性の導電性構造物
であり、例えばエキスパンデツドメタルのスクリ
ーン、多孔板、打ち抜きしたプレート、平板化し
ていない菱形エキスパンデツドメタル、、または
金属ワイヤー織物等も含めて、種々の形状および
様式で造られている。陰極に使用するのに適した
金属としては、例えば銅、鉄、ニツケル、鉛、モ
リブデン、コバルト、低炭素ステンレス鋼のよう
な上記金属を多量に含有した合金、および銀、
金、白金、ルテニウム、パラジウム、およびロジ
ウムのような物質で被覆した金属または合金など
がある。
Conventional cathodes are usually hydraulically permeable conductive structures, such as expanded metal screens, perforated plates, stamped plates, unflattened diamond-shaped expanded metal, or woven metal wire. They are made in a variety of shapes and styles, including: Metals suitable for use in the cathode include, for example, copper, iron, nickel, lead, molybdenum, cobalt, alloys containing high amounts of the above metals, such as low carbon stainless steel, and silver,
These include metals or alloys coated with materials such as gold, platinum, ruthenium, palladium, and rhodium.

任意に、陰極は膜中に埋め込んだ多数の触媒活
性粒子で造られていてもよい。電気触媒活性の陰
極材料に使用するのに適した材料としては、例え
ばルテニウムまたは酸化ルテニウムのような白金
族の金属またはその酸化物がある。このような陰
極については、米国特許第4465580号に記載され
ている。
Optionally, the cathode may be made of multiple catalytically active particles embedded within the membrane. Suitable materials for use in the electrocatalytically active cathode material include platinum group metals or their oxides, such as ruthenium or ruthenium oxide. Such a cathode is described in US Pat. No. 4,465,580.

触媒活性粒子は、陽極として使用するとして
も、あるいは陰極として使用するとしても、微細
化されていて大きな表面積を有するのが好まし
い。例えば酸素または水素電極燃料電池の場合、
白金黒(25m2/g以上の表面積を有する)あるい
は活性炭粉末(平均粒度10〜30ミクロン)に担持
された高表面積白金(800〜1800m2/g)が陽極
および陰極として非常に適している。塩素電池の
場合、二酸化ルテニウム粒子の触媒活性粒子は、
硝酸ルテニウムを450℃の温度で2時間熱分解さ
せることによつて作製される。次いで、乳棒と乳
鉢を使用して得られた酸化物を粉砕し、325メツ
シユの篩を通過した部分(44ミクロン以下)が電
極を作製するのに使用される。
Whether used as an anode or a cathode, the catalytically active particles are preferably finely divided and have a large surface area. For example, in the case of oxygen or hydrogen electrode fuel cells,
High surface area platinum (800-1800 m 2 /g) supported on platinum black (with a surface area of more than 25 m 2 /g) or activated carbon powder (average particle size 10-30 microns) is very suitable as anode and cathode. For chlorine batteries, the catalytically active particles of ruthenium dioxide particles are
It is produced by pyrolyzing ruthenium nitrate at a temperature of 450°C for 2 hours. The resulting oxide is then ground using a pestle and mortar, and the portion that passes through a 325 mesh sieve (44 microns or less) is used to make electrodes.

本発明において使用するのに適した膜は、フル
オロカーボンタイプの材料で作製してもよいし、
あるいはまたハイドロカーボンタイプの材料で作
製してもよい。このような膜材料は当業界では公
知である。しかしながら、一般には化学的安定性
の点からフルオロカーボン材料が好ましい。
Membranes suitable for use in the present invention may be made of fluorocarbon type materials and
Alternatively, it may be made of a hydrocarbon type material. Such membrane materials are known in the art. However, fluorocarbon materials are generally preferred from the standpoint of chemical stability.

非イオン性の(熱可塑性の)形態の過フルオロ
ポリマーが本発明の使用に特に適している。なぜ
なら、これらのポリマーは加熱することによつて
容易に軟化し、またこのようなポリマーを使用す
ると、膜を電極、およびフラツトなスクリーンも
しくはスクリーンテンプレートに結合させるのが
簡単になるからである。適切な膜は以下の米国特
許および他の特許に記載されている: 3282875;3909378;4025405;4065366;
4116888;4123336;4126588;4151052;
4176215;4178218;4192725;4209635;
4212713;4251333;4270996;4329435;
4330654;4337137;4337211;4340680;
4357218;4358412;4358545;4417969;
4462877;4470889;4478695;およびヨーロツパ
特許公開0027009。
Nonionic (thermoplastic) forms of perfluoropolymers are particularly suitable for use in the present invention. This is because these polymers soften easily upon heating and the use of such polymers simplifies bonding the membrane to electrodes and flat screens or screen templates. Suitable membranes are described in the following US and other patents: 3282875; 3909378; 4025405; 4065366;
4116888; 4123336; 4126588; 4151052;
4176215; 4178218; 4192725; 4209635;
4212713; 4251333; 4270996; 4329435;
4330654; 4337137; 4337211; 4340680;
4357218; 4358412; 4358545; 4417969;
4462877; 4470889; 4478695; and European Patent Publication 0027009.

膜ポリマーは、通常500〜2000の範囲の当量を
有する。膜は単一層の膜であつても、あるいは多
層の膜であつてもよい。より有用な膜は二層膜で
あつて、1つの層にスルホニツクイオン交換基
を、またもう1つの層にカルボキシリツクイオン
交換基を有するような二層膜である。
Membrane polymers usually have an equivalent weight in the range 500-2000. The membrane may be a single layer membrane or a multilayer membrane. More useful membranes are bilayer membranes, such as those having sulfonic ion exchange groups in one layer and carboxylic ion exchange groups in the other layer.

触媒活性粒子をフルオロカーボン膜中に埋め込
むことができるように、フルオロカーボン膜は熱
可塑性の形態となつているのが望ましい。フルオ
ロカーボン膜は、作製時およびイオン交換の形に
変える前では、熱可塑性の形態となつている。こ
こで言う熱可塑性の形態とは、例えば、膜がイオ
ン結合したSO3NaやSO3Hのような側基を有する
のではなく、SO2Xの側基(Xは―F、―CO2
―CH3または第四アミン)を有するということを
意味する。
Desirably, the fluorocarbon membrane is in thermoplastic form so that the catalytically active particles can be embedded within the fluorocarbon membrane. Fluorocarbon membranes are in thermoplastic form during fabrication and prior to conversion to ion exchange form. The thermoplastic form referred to here means, for example, that the membrane does not have ionically bonded side groups such as SO 3 Na or SO 3 H, but instead has SO 2 X side groups (X is -F, -CO 2 ,
-CH3 or quaternary amine).

膜形成用として特に好ましいフルオロカーボン
材料は、モノマーとモノマー(以下に明記す
る)のコポリマーである。任意に、3番目のタイ
プのモノマーをモノマーおよびモノマーと共
重合させることもできる。
Particularly preferred fluorocarbon materials for membrane formation are monomers and copolymers of monomers (specified below). Optionally, a third type of monomer can also be copolymerized with the monomer and the monomer.

1番目のタイプのモノマーは次の一般式で表さ
れる。
The first type of monomer is represented by the general formula:

CF2=CZZ′ () ここで: ZおよびZ′は独立していて、―H、―Cl、―
F、および―CF3から選ばれるものである。
CF 2 =CZZ′ () where: Z and Z′ are independent, -H, -Cl, -
F, and -CF 3 .

2番目のタイプのモノマーは、次の一般式で表
される化合物から選ばれる1つ以上のモノマーか
らなる。
The second type of monomer consists of one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula.

Y―(CF2)a―(CFR)b―(CFR′)c ―O―〔CF(CF2X)―CF2―O〕n―CF=
CF2 () ここで: Yは―SO2Z、―CN、―COZ、および―C
(R3) (R4)OHから選ばれるものであり; Zは―I、―Br、―Cl、―F、―OR、および
―NR1R2から選ばれるものであり; Rは炭素数が1〜10の枝分かれ状もしくは直鎖
状のアルキル基またはアリール基であり: R3およびR4は独立していて、炭素数が1〜
約10のパーフルオロアルキル基から選ばれるもの
であり: R1およびR2は独立していて、―H、炭素数が
1〜10の枝分かれ状もしくは直鎖状のアルキル
基、またはアリール基から選ばれるものであり; aは0〜6であり; bは0〜6であり; cは0または1であり; a+b+cは0に等しくなく; Xはn>1のときに、―Cl、―Br、―F、ま
たはこれらの混合物から選ばれるものであり; nは0〜6であり;そして RおよびR′は独立していて、―F、―Cl、炭
素数が1〜10のパーフルオロアルキル基、および
炭素数が1〜10のフルオロクロルアルキル基から
選ばれるものである。
Y-(CF 2 )a-(CFR)b-(CFR')c -O-[CF(CF 2 X)-CF 2 -O]n-CF=
CF 2 () where: Y is -SO 2 Z, -CN, -COZ, and -C
(R 3 ) (R 4 )OH; Z is selected from -I, -Br, -Cl, -F, -OR, and -NR 1 R 2 ; R is the number of carbon atoms is a branched or straight-chain alkyl group or aryl group having 1 to 10 carbon atoms; R 3 and R 4 are independent and have 1 to 10 carbon atoms;
selected from about 10 perfluoroalkyl groups: R 1 and R 2 are independently selected from -H, a branched or straight-chain alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, or an aryl group; a is 0 to 6; b is 0 to 6; c is 0 or 1; a+b+c is not equal to 0; X is -Cl, -Br when n>1 , -F, or a mixture thereof; n is 0 to 6; and R and R' are independently selected from -F, -Cl, perfluoroalkyl having 1 to 10 carbon atoms; and a fluorochloroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms.

特に好ましいのは、Yが―SO2Fまたは―
COOCH3;nが0または1;RおよびR′が―
F;Xが―Clまたは―F;およびa+b+cが2
または3のときである。
It is particularly preferred that Y is -SO 2 F or -
COOCH 3 ; n is 0 or 1; R and R' are -
F; X is -Cl or -F; and a+b+c is 2
Or when it's 3.

適切な3番目の(任意の)モノマーは、次の一
般式で表される化合物から選ばれる1つ以上のモ
ノマーである。
Suitable third (optional) monomers are one or more monomers selected from compounds represented by the following general formula.

Y′―(CF2)a′―(CER)b′―(CFR′)c′ ―O―〔CF(CF2X′)―CF2―O〕n′―CF―
=CF2 () ここで: Y′は―F、―Cl、および―Brから選ばれるも
のであり; a′およびb′は独立していて、0〜3であり; c′は0または1であり; a′+b′+c′は0に等しくなく; n′は0〜6であり; RおよびR′は独立していて、―Br、―Cl、―
F、炭素数が1〜10のパーフルオロアルキル基、
および炭素数が1〜10のクロルパーフルオロアル
キル基から選ばれるものであり;そして X′はn′>1のときに、―F、―Cl、―Br、お
よびこれらの混合物から選ばれるものである。
Y′―(CF 2 )a′―(CER)b′―(CFR′)c′ ―O―[CF(CF 2 X′)―CF 2 ―O]n′―CF―
=CF 2 () where: Y' is selected from -F, -Cl, and -Br; a' and b' are independently 0 to 3; c' is 0 or 1 a'+b'+c' is not equal to 0; n' is 0 to 6; R and R' are independent and -Br, -Cl, -
F, perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms,
and a chlorperfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms; and when n'>1, X' is selected from -F, -Cl, -Br, and mixtures thereof. be.

Yをイオン交換基に変えることは当業界では公
知であり、アルカリ溶液を使用した反応からな
る。―SO2F側基の場合、以下のような条件下で
膜を25重量%のNaOHと反応させることによつ
て、膜をそのイオン形態に変えることができる:
(1)フイルムを約25重量%の水酸化ナトリウム水溶
液に、約90℃で約16時間浸漬する;(2)約90℃まで
加熱した脱イオン水中で、水洗1回当たり30〜60
分かけて、フイルムを2回水洗する。これによつ
て、側基は―SO3 -Na+の形になる。―Na+以外
のカチオンで―Na+置き換えることもできる(例
えば、―H+)。
The conversion of Y into an ion exchange group is known in the art and consists of a reaction using an alkaline solution. In the case of -SO 2 F side groups, the membrane can be converted to its ionic form by reacting it with 25% by weight NaOH under conditions such as:
(1) The film is immersed in an approximately 25% by weight aqueous sodium hydroxide solution at approximately 90°C for approximately 16 hours; (2) The film is soaked in deionized water heated to approximately 90°C for 30 to 60% per washing.
Wash the film twice with water. This causes the side group to be in the form -SO 3 - Na + . It is also possible to replace −Na + with a cation other than −Na + (for example, −H + ).

本発明の支持されたM&E構造物の作製は多く
のステツプからなる。先ず第1のステツプは、膜
とフラツトなスクリーンの選定である。触媒活性
粒子の被覆物をスクリーン上に置く。触媒活性粒
子をフラツトな金属スクリーンの表面上に付着さ
せるには、多くの適切な方法がある。例えば、触
媒活性粒子を溶液または分散液の状態にしたスラ
リーを、スクリーンの開口を通して膜上に塗布ま
たは噴霧する。またこれとは別に、触媒活性粒子
の溶液中または分散液中にスクリーンを浸漬して
もよい。スラリーを膜に被覆するのに種々の印刷
技術も使用することができる。
Fabrication of the supported M&E structure of the present invention consists of many steps. The first step is the selection of the membrane and flat screen. A coating of catalytically active particles is placed on the screen. There are many suitable methods for depositing catalytically active particles onto the surface of a flat metal screen. For example, a slurry of catalytically active particles in solution or dispersion is applied or sprayed onto the membrane through openings in the screen. Alternatively, the screen may be immersed in a solution or dispersion of catalytically active particles. Various printing techniques can also be used to coat the membrane with the slurry.

触媒活性粒子をスクリーン上に付着させるため
の特に適した方法は、触媒活性粒子を溶媒/分散
剤と混合して溶液/分散液を形成させることから
なる。
A particularly suitable method for depositing the catalytically active particles on the screen consists of mixing the catalytically active particles with a solvent/dispersant to form a solution/dispersion.

本発明における使用に適した溶媒/分散剤は次
のような特性を有していなければならない: 110℃以下の沸点; 1.55〜2.97g/cm3の密度:および 7.1〜8.2ヒルデブランドの溶解パラメーター。
Solvents/dispersants suitable for use in the present invention must have the following properties: boiling point below 110°C; density between 1.55 and 2.97 g/ cm3 ; and Hildebrand solubility parameter between 7.1 and 8.2. .

次のような一般式で表される溶媒/分散剤が特
に好ましいことが見出された。但し、上記の特性
(沸点、密度、および溶解パラメーター)を満た
していること: XCF2―CYZ―X′ ここで: Xは―F、―Cl、―Br、および―Iから選ば
れるものであり; X′は―Cl、―Br、および―Iから選ばれるも
のであり; YおよびZは独立していて、―H、―F、―
Cl、―Br、―I、および―R′から選ばれるもの
であり; そして R′は炭素数が1〜6のパーフルオロアルキル
基およびクロルパーフルオロアルキル基から選ば
れるものである。
It has been found that a solvent/dispersant represented by the following general formula is particularly preferred. However, the above properties (boiling point, density, and solubility parameters) must be met: XCF 2 -CYZ-X' where: X is selected from -F, -Cl, -Br, and -I. ; X' is selected from -Cl, -Br, and -I; Y and Z are independent; -H, -F, -
It is selected from Cl, -Br, -I, and -R'; and R' is selected from a perfluoroalkyl group having 1 to 6 carbon atoms and a chloroperfluoroalkyl group.

最も好ましい溶媒/分散剤は、1,2―ブロモ
テトラフルオロエタン(通常、フレオン114B2と
して知られている): BrCF2―CF2Br および1,2,2―トリクロルトリフルオロエ
タン(通常、フレオ/113として知られている): ClF2C―CCl2F である。
The most preferred solvents/dispersants are 1,2-bromotetrafluoroethane (commonly known as Freon 114B2): BrCF2 - CF2Br and 1,2,2-trichlorotrifluoroethane (commonly known as Freon 114B2). 113): ClF 2 C—CCl 2 F.

これらの2つの溶媒/分散剤のうちでは、1,
2―ジブロモテトラフルオロエタンが最も好まし
い溶媒/分散剤である。この化合物は、約47.3℃
の沸点、約2.156g/cm3の密度、および約7.2ヒル
デブランドの溶解パラメーターを有する。
Among these two solvents/dispersants, 1,
2-dibromotetrafluoroethane is the most preferred solvent/dispersant. This compound is approximately 47.3℃
, a density of about 2.156 g/cm 3 , and a solubility parameter of about 7.2 Hildebrand.

1,2―ジブロモテトラフルオロエタンは、直
接極性を示すわけではないけれども、高度に分極
する可能性があるので、特に良好に作用するもの
と考えられる。従つて、1,2―ジブロモテトラ
フルオロエタンを極性分子と組み合わせると、そ
の電子密度がシフトし、この結果極性分子として
挙動するようになる。しかしながら、1,2―ジ
ブロモテトラフルオロエタンが非極性分子の周り
に存在する場合、この化合物は非極性の溶媒/分
散剤として挙動する。従つて、1,2―ジブロモ
テトラフルオロエタンは、ポリテトラフルオロエ
タンの非極性主鎖、そしてさらに極性の側鎖をも
溶解する傾向がある。1,2―ジブロモテトラフ
ルオロエタンの溶解パラメーターは、7.13〜7.28
ヒルデブランドと算出されている。
1,2-dibromotetrafluoroethane, although not directly polar, is thought to work particularly well because it can be highly polarized. Therefore, when 1,2-dibromotetrafluoroethane is combined with a polar molecule, its electron density shifts, resulting in it behaving as a polar molecule. However, when 1,2-dibromotetrafluoroethane is present around non-polar molecules, this compound behaves as a non-polar solvent/dispersant. Therefore, 1,2-dibromotetrafluoroethane tends to dissolve the nonpolar backbone and even polar side chains of polytetrafluoroethane. The solubility parameter of 1,2-dibromotetrafluoroethane is 7.13-7.28
It is calculated as Hildebrand.

溶液/分散液には、触媒活性粒子が保持されや
すいように、またスクリーンに結合させやすいよ
うにバインダーを任意に含有させてもよく、これ
は好ましい方法である。好ましいバインダーとし
ては、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオ
ロポリマーおよびコポリマー、およびイオノマー
のような物質も含めて、種々のフルオロポリマー
がある。バインダーとして特に好ましいのは、イ
オン交換膜と同一もしくは類似の組成を有するイ
オノマーである。バインダーとして使用するのに
適したイオノマーの種類の例は、イオン交換膜と
しての使用に適した種類の例(前述)と同じであ
る。前述の溶媒/分散剤はイオン交換ポリマー用
の溶媒である。従つて、触媒活性粒子、イオン交
換フルオロポリマー、および溶媒/分散剤を含ん
だスラリーを形成させることができる。こうして
得られるスラリーは、触媒活性粒子の相互の結
合、およびスクリーンもしくはスクリーンテンプ
レートへの結合を起こし易くする。
The solution/dispersion may optionally contain a binder to help retain the catalytically active particles and bond them to the screen, which is a preferred method. Preferred binders include various fluoropolymers, including materials such as polytetrafluoroethylene, perfluoropolymers and copolymers, and ionomers. Particularly preferred as the binder are ionomers having the same or similar composition as the ion exchange membrane. Examples of types of ionomers suitable for use as binders are the same as examples of types suitable for use as ion exchange membranes (described above). The aforementioned solvents/dispersants are solvents for ion exchange polymers. Thus, a slurry can be formed that includes catalytically active particles, ion exchange fluoropolymer, and solvent/dispersant. The resulting slurry facilitates bonding of the catalytically active particles to each other and to the screen or screen template.

スラリーを作製する際、イオノマーの濃度(乾
燥した形態での濃度で、溶媒/分散剤を含まな
い)は、4〜20重量%が好ましい。触媒活性粒子
の濃度は0.1重量%以上であるが、通常は約30重
量%を越えない。最高限度の設定はないが、触媒
活性は使用する触媒の種類によつて変わり、また
触媒はいずれも僅かづつ異なつて作用するので、
使用するその特定の触媒について実験を行うこと
によつて最適の触媒レベルが決まる。しかしなが
ら、酸化ルテニウムを使用する場合、2〜20重量
%が適切であることが見出された。重量%の値は
全てスラリーの全重量を基準として求めている。
When making the slurry, the concentration of ionomer (in dry form, without solvent/dispersant) is preferably between 4 and 20% by weight. The concentration of catalytically active particles is at least 0.1% by weight, but usually does not exceed about 30% by weight. There is no set maximum limit, but catalytic activity varies depending on the type of catalyst used, and all catalysts behave slightly differently.
Experimentation with the particular catalyst used will determine the optimal catalyst level. However, when using ruthenium oxide, 2 to 20% by weight has been found to be suitable. All weight percent values are based on the total weight of the slurry.

膜に付着する触媒の導電性を増大させるため
に、任意に導電性金属をスラリーに加えてもよ
い。普通は銀が、例えば60〜90重量%のレベルで
加えられる。他の適切な金属としては、ニツケ
ル、タンタル、白金、および金などがある。
Optionally, a conductive metal may be added to the slurry to increase the conductivity of the catalyst deposited on the membrane. Usually silver is added, for example at a level of 60-90% by weight. Other suitable metals include nickel, tantalum, platinum, and gold.

スラリーの作製は以下の手順で行うことができ
る。なおこの他にも、適切に使用できる方法はい
くつかある。先ず第1に成分を計量し、これを乾
燥状態でブレンドする。次に、乾燥成分を覆うだ
けの十分な量の溶媒/分散剤を加える。この混合
物をボールミル中で4〜24時間ブレンドして、均
一な混合物を得る。このような時間ブレンドする
と、イオノマーが切断され、また少なくとも一部
が溶解する。これによつて触媒活性粒子が相互に
結合し易くなる。次いで、混合物を静置して沈降
させ、過剰の溶媒/分散剤をデカントする。この
時点で、混合物は通常25重量%の固形分を含有す
る。
The slurry can be produced by the following procedure. Note that there are several other methods that can be used appropriately. First, the ingredients are measured and blended in a dry state. Next, add enough solvent/dispersant to cover the dry ingredients. This mixture is blended in a ball mill for 4 to 24 hours to obtain a homogeneous mixture. Blending for such a period of time cleaves the ionomer and also causes at least a portion to dissolve. This makes it easier for the catalytically active particles to bond with each other. The mixture is then allowed to settle and excess solvent/dispersant is decanted. At this point, the mixture typically contains 25% solids by weight.

溶液/分散液を任意に付着させるフラツトなス
クリーンまたはスクリーンテンプレートは、溶
液/分散液との均一な接触が確実に得られるよう
に洗浄または処理される。フラツトなスクリーン
は、脱脂剤もしくは類似の溶媒を使用して洗浄
し、次いで乾燥してスクリーンから塵や油状物を
除去することによつて洗浄処理することができ
る。金属が新しくなく脱脂が十分でない場合、必
要であれば、金属スクリーンを酸腐食させ、次い
で溶剤で洗浄して付着力を増強させることもでき
る。
The flat screen or screen template to which the solution/dispersion is optionally deposited is cleaned or treated to ensure uniform contact with the solution/dispersion. Flat screens can be cleaned by cleaning using a degreaser or similar solvent and then drying to remove dust and oil from the screen. If the metal is new and not well degreased, the metal screen can be acid etched and then cleaned with a solvent to improve adhesion, if necessary.

洗浄後、塗被操作において溶液/分散液と接触
させる前に、加熱または真空乾燥することによつ
て、フラツトなスクリーンを予備調整してもよ
い。以下の範囲の温度および圧力を使用するのが
好ましい。約100℃の温度で約20mmHgという条件
が全ての場合において十分満足できる条件であ
る。しかしながら、通常な温和な加熱条件(大気
圧下で約50℃)で十分である。
After cleaning, the flat screen may be preconditioned by heating or vacuum drying before contacting with the solution/dispersion in the coating operation. Preferably, the following ranges of temperature and pressure are used. The conditions of approximately 20 mmHg at a temperature of approximately 100°C are sufficiently satisfactory in all cases. However, normal mild heating conditions (approximately 50° C. at atmospheric pressure) are sufficient.

溶液/分散液をスクリーンに塗被するための適
切な方法が種々あり、これらの方法を使用するこ
とができる。1つの適切な方法は、溶液/分散液
中にスクリーンを浸漬し、次いで乾燥して所望の
温度で繰り返し焼結して所望の厚さに堆積させる
ことからなる。スクリーン上に溶液/分散液を噴
霧する方法は、大きなあるいは不規則な形状を被
覆するという利点を得るために利用される。スク
リーン上に溶液/分散液を注ぎ込むという方法
も、場合によつては使用される。ハケまたはロー
ラーで溶液/分散液を塗布する方法もうまく利用
することができる。さらに、計量バー、ナイフ、
またはロツドを使用して容易に被覆を行うことも
できる。通常、被膜またはフイルムは、繰り返し
被覆することによつて所望の厚さに堆積される。
溶液/分散液を多数回スクリーンに塗被して、触
媒活性粒子を所望の厚さに堆積させることができ
る。塗被操作ごとに溶媒/分散剤を除去すること
によつて、溶液/分散液を乾燥させるのが好まし
い。この作業は、加熱または真空乾燥で溶媒/分
散剤を蒸発させることによつて行うことができ
る。被膜はいかなる所望の厚さにもすることがで
きる。しかしながら、5〜50ミクロンの厚さが適
切であることがわかつている。任意に、スクリー
ンに塗布された塗被物を塗布操作ごとに焼結し
て、次の塗布操作を行う前に塗被物を膜に移行さ
せてもよい。
There are a variety of suitable methods for applying the solution/dispersion to the screen that can be used. One suitable method consists of dipping the screen into the solution/dispersion, then drying and sintering it repeatedly at the desired temperature to deposit it to the desired thickness. The method of spraying the solution/dispersion onto a screen is utilized to the advantage of coating large or irregular shapes. Pouring the solution/dispersion onto a screen is also sometimes used. Brush or roller application of the solution/dispersion may also be successfully utilized. In addition, measuring bars, knives,
Alternatively, coating can be easily performed using a rod. Typically, the coating or film is deposited to the desired thickness by repeated coatings.
The solution/dispersion can be applied to the screen multiple times to deposit the catalytically active particles to the desired thickness. Preferably, the solution/dispersion is dried by removing the solvent/dispersant after each coating operation. This can be done by evaporating the solvent/dispersant by heating or vacuum drying. The coating can be of any desired thickness. However, thicknesses of 5 to 50 microns have been found to be suitable. Optionally, the coating applied to the screen may be sintered after each coating operation to transfer the coating to a membrane before performing the next coating operation.

被覆されたスクリーンテンプレートによつて、
触媒活性粒子の被膜を膜に移行させる場合、膜の
一方の面に向かい合わせてテンプレートを置く。
触媒活性粒子の膜への移行を増進させるため、ま
た触媒活性粒子の膜への付着度を強めるため、加
圧サイクル時に任意に加熱してもよい。しかしな
がら、この組合せ物は約230℃以上に加熱しては
ならない。なぜなら、膜が軟化しすぎてスクリー
ンテンプレートに結合してしまうからである。同
様に、約7Kg/cm2を越える圧力は避けるべきであ
る。なぜなら、スクリーンテンプレートの孔を通
して膜までプレスしてしまうからである。膜が水
素形となつている場合、180℃以上の温度に加熱
してはならない。なぜなら、膜が熱分解するおそ
れがあるからである。圧力および熱の両方を使用
する場合、加圧時間は比較的短くすべき、すなわ
ち30秒以下にすべきである。この時間は、膜を上
記の温度にまで上昇させるのに必要な時間である
と推測される。しかしながら、熱を使用しない場
合、この組合せ物は最大約5分間加圧することが
できる。
With coated screen template,
When transferring a coating of catalytically active particles to a membrane, the template is placed opposite one side of the membrane.
Optionally, heating may be applied during the pressurization cycle to enhance the transfer of the catalytically active particles to the membrane and to increase the adhesion of the catalytically active particles to the membrane. However, this combination should not be heated above about 230°C. This is because the film becomes too soft and bonds to the screen template. Similarly, pressures above about 7 Kg/cm 2 should be avoided. This is because the membrane is pressed through the holes in the screen template. If the membrane is in hydrogen form, it must not be heated to temperatures above 180°C. This is because the film may be thermally decomposed. If both pressure and heat are used, the pressurization time should be relatively short, ie, 30 seconds or less. It is assumed that this time is the time required to raise the membrane to the above temperature. However, if no heat is used, the combination can be pressurized for up to about 5 minutes.

触媒活性粒子を膜に移行させた後、圧力およ
び/または熱を取り除き、スクリーンを膜から剥
ぎ取ると、膜上に触媒活性粒子の相互連結路パタ
ーンが形成される。
After transferring the catalytically active particles to the membrane, the pressure and/or heat is removed and the screen is stripped from the membrane, forming an interconnected path pattern of catalytically active particles on the membrane.

さて次に、触媒活性粒子の相互連結路を膜によ
り永久的に固定させる必要がある。これは、被覆
した膜にさらに圧力および熱をかけることによつ
て行うことができる。被覆された膜(膜が熱可塑
性の形態またはナトリウム形となつている場合)
は、成分を結合させるために、例えば260℃の高
温で30秒〜1分加熱してもよい。膜が水素形とな
つている場合、約180℃以上の温度に加熱しては
ならない。なぜなら、膜が熱分解する恐れがある
からである。このような温度になると、スラリー
中のバインダーおよび膜が軟化し、この両者が互
いに結合してしまう。また温度が低すぎたり、あ
るいは加熱時間が短すぎたりすると、触媒活性粒
子が完全には膜に結合しなくなつてしまう。加熱
時間が長すぎると、触媒活性粒子と膜とのブレン
ドが起こりすぎる。温度が高すぎると膜が溶融
し、従つて適切なM&E構造物の形成が妨げられ
る。
Next, it is necessary to permanently fix the interconnecting paths of the catalytically active particles by means of a membrane. This can be done by applying additional pressure and heat to the coated membrane. Coated membranes (if the membrane is in thermoplastic or sodium form)
may be heated for 30 seconds to 1 minute at a high temperature of, for example, 260°C to bond the components. If the membrane is in the hydrogen form, it must not be heated to temperatures above approximately 180°C. This is because the film may be thermally decomposed. At such temperatures, the binder and film in the slurry soften and become bonded to each other. Furthermore, if the temperature is too low or the heating time is too short, the catalytically active particles will not be completely bonded to the membrane. If the heating time is too long, there will be too much blending of the catalytically active particles with the membrane. Too high a temperature will melt the membrane and thus prevent formation of a proper M&E structure.

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

成分を結合させるには、加熱プレスを使用する
のが好ましい。利用できる手順は種々あるが、特
に有用であることが判明している手順は、成分を
定盤間(上方定盤および下方定盤)に挟んでサン
ドイツチ構造を形成させることからなる。下方定
盤の上に、ポリテトラフルオロエチレンペーパー
のスクリーン(この膜は膜上に塗被された触媒活
性粒子を有する)、ポリテトラフルオロエチレン
ペーパーの別のスクリーン、弾性を付与するため
のゴム製スクリーン、ポリテトラフルオロエチレ
ンペーパーの別のスクリーン、そして最後に上方
定盤がくる。このサンドイツチ構造物を加熱プレ
ス中に設置し、加圧下で加熱して結合を起こさせ
る。
Preferably, a heated press is used to combine the components. Although there are a variety of procedures available, one that has been found to be particularly useful consists of sandwiching the ingredients between platens (an upper platen and a lower platen) to form a sandwich structure. Above the lower platen is a screen of polytetrafluoroethylene paper (this membrane has catalytically active particles coated on the membrane), another screen of polytetrafluoroethylene paper, and a rubber one to provide elasticity. A screen, another screen of polytetrafluoroethylene paper, and finally an upper surface plate. The sandwich structure is placed in a heated press and heated under pressure to cause bonding.

スクリーンの第1番目の面が実質的にフラツト
であるという事実により、スクリーンのソリツド
部分と膜との間のスペースに触媒活性粒子が入り
込むのが最小限に抑えられる。言い換えると、触
媒活性の溶液/分散液は、膜に塗被されるときに
「動き回る」ことがない。第2図に示したスクリ
ーンでも、触媒活性の溶液/分散液の「動き回
り」が最小限に抑えられるよう、十分にフラツト
となつている。
The fact that the first side of the screen is substantially flat minimizes the ingress of catalytically active particles into the space between the solid portion of the screen and the membrane. In other words, the catalytically active solution/dispersion does not "move around" as it is applied to the membrane. The screen shown in FIG. 2 is also sufficiently flat so that "running around" of the catalytically active solution/dispersion is minimized.

触媒被覆は膜のほんの一部だけを覆うので、よ
り触媒活性の低い物質が使用される。しかしなが
ら、本発明のM&E構造物の触媒活性は、先行技
術のM&E構造物の触媒活性に少なくとも同等で
ある。
Since the catalyst coating covers only a small portion of the membrane, materials with lower catalytic activity are used. However, the catalytic activity of the M&E structures of the present invention is at least comparable to the catalytic activity of prior art M&E structures.

本発明ではほんの少量の触媒活性粒子が使用さ
れているが、粒子の濃度をさらに下げることがで
きることが見出された。例えば、触媒活性粒子の
代表的な溶液/分散液は、約75重量%の銀、約16
重量%の酸化ルテニウム、および約9重量%のイ
オノマーを含有する。しかしながら、本発明の方
法を使用すると、約83重量%の銀、約8重量%の
酸化ルテニウム、および約9重量%のイオノマー
を含有するスラリーが、16重量%の酸化ルテニウ
ムを含有したスラリーと実質的に同等に作用す
る。この事実は、高価な酸化ルテニウム触媒の使
用量が約半分に節約できることを意味している。
Although only small amounts of catalytically active particles are used in the present invention, it has been found that the concentration of particles can be further reduced. For example, a typical solution/dispersion of catalytically active particles is about 75% silver by weight, about 16
% by weight of ruthenium oxide, and about 9% by weight of ionomer. However, using the method of the present invention, a slurry containing about 83% by weight silver, about 8% by weight ruthenium oxide, and about 9% by weight ionomer can be substantially It works equally well. This fact means that the amount of expensive ruthenium oxide catalyst used can be saved by about half.

本発明の膜(触媒活性粒子の多数の相互連結路
が、膜の少なくとも1つの表面に結合している)
を使用する方法は当業界では公知である。一般に
は、集電装置を触媒活性粒子の相互連結路に押し
当てて、これを電源(電解槽の場合)または電力
消費装置(燃料電池もしくはバツテリーの場合)
と接続する。集電装置は、電気エネルギーを触媒
活性粒子の相互連結路へ(あるいは相互連結路か
ら)伝送する。特に適切な集電装置は、触媒活性
粒子の相互連結路のパターンと同一のパターンを
有する導電性スクリーンであることがわかつてい
る。これによつて、触媒活性粒子の各相互連結路
は、電気エネルギーを集電装置へ(あるいは集電
装置から)伝送することができる。被覆された膜
に対して集電装置を保持するのに、マツトレスの
ような弾性装置を任意に使用してもよい。
Membranes of the invention, in which a number of interconnecting channels of catalytically active particles are attached to at least one surface of the membrane.
Methods of using are known in the art. Typically, a current collector is pressed against the interconnection of the catalytically active particles, and this is used as a power source (in the case of an electrolyser) or a power consumer (in the case of a fuel cell or battery).
Connect with. The current collector transmits electrical energy to (or from) the interconnects of the catalytically active particles. A particularly suitable current collector has been found to be a conductive screen having a pattern identical to the pattern of the interconnections of the catalytically active particles. This allows each interconnection of catalytically active particles to transfer electrical energy to and from the current collector. A resilient device, such as a mattress, may optionally be used to hold the current collector against the coated membrane.

本発明のM&E構造物は、例えば電気エネルギ
ーを連続的に生成させるための燃料電池、化学品
を生産するための電解槽(例えば、塩化ナトリウ
ム水溶液から塩素と苛性ソーダ、水から水素と酸
素を生産する電解槽等)、および電気エネルギー
を間欠的に生成させるためのバツテリーも含め
て、多種多様の電気化学的電池に有用である。
The M&E structure of the present invention can be used, for example, in a fuel cell for continuously generating electrical energy, or an electrolytic cell for producing chemicals (e.g., producing chlorine and caustic soda from an aqueous sodium chloride solution, hydrogen and oxygen from water, etc.). It is useful in a wide variety of electrochemical cells, including electrolytic cells (such as electrolytic cells) and batteries for intermittently producing electrical energy.

実施例 約76gの銀粒子、約16gの酸化ルテニウム粒子、
および約8gのカルボキシリツクイオン交換フル
オロポリマー粒子からなる混合物をボールミル中
でBrCF2―CF2Brに溶解・懸濁させた。先ず乾燥
成分を計量してこれを相互にブレンドした。成分
が覆われるだけの十分な量の溶媒/分散剤を加え
た。次いで、この混合物をボールミル中で約24時
間ブレンドして均一な混合物を得た。このような
ブレンド時間によつてイオノマーが切断され、少
なくとも一部溶解する。次に、混合物を静置して
沈降させ、過剰の溶媒/分散剤をデカントした。
この時点で、混合物には約25重量%の固形分が含
まれていた。
Example: Approximately 76g of silver particles, approximately 16g of ruthenium oxide particles,
and about 8 g of carboxylic ion-exchange fluoropolymer particles were dissolved and suspended in BrCF 2 --CF 2 Br in a ball mill. The dry ingredients were first weighed and blended together. Sufficient amount of solvent/dispersant was added to cover the ingredients. This mixture was then blended in a ball mill for about 24 hours to obtain a homogeneous mixture. Such blending time cleaves and at least partially dissolves the ionomer. The mixture was then allowed to settle and excess solvent/dispersant was decanted.
At this point, the mixture contained approximately 25% solids by weight.

溶液/分散液を塗被するのに、約56cm2の面積を
有するスクリーンテンプレートを用いた。スクリ
ーンテンプレートは、パーフオレーテツド・プロ
ダクツ社から市販されている電鋳スクリーンテン
プレートであつて、その表面上に均等に分布され
た直径0.7mmの多数の開口を有する。スクリーン
テンプレートには、約50%のオープンエリアを有
するスクリーンを与えるだけの十分な数の開口が
ある。スクリーンテンプレートの厚さは約0.07mm
である。
A screen template with an area of approximately 56 cm 2 was used to apply the solution/dispersion. The screen template is an electroformed screen template commercially available from Perfluorated Products, Inc., having a number of 0.7 mm diameter apertures evenly distributed over its surface. The screen template has a sufficient number of openings to give a screen with approximately 50% open area. The thickness of the screen template is approximately 0.07mm
It is.

スクリーンテンプレートを銀/酸化ルテニウ
ム/イオノマーの懸濁液中に浸漬した後、室温で
乾燥した。浸漬と乾燥の操作をさらに5回繰り返
し、合わせて6回この操作を繰り返した。塗被物
は各塗被操作ごとに風乾した。被覆されたスクリ
ーンを、約260℃で5〜10分焼結した。一方の層
においてスルホニツクイオン交換基を、また他方
の層においてカルボキシリツクイオン交換基を有
する二層イオン交換膜(熱可塑性の形態になつて
いる)に、スクリーンを接触させた。なおスクリ
ーンはカルボキシリツクイオン交換基を有する膜
の面と接触させた。
The screen template was dipped into the silver/ruthenium oxide/ionomer suspension and then dried at room temperature. The immersion and drying operations were repeated 5 more times, for a total of 6 times. The coatings were air-dried after each coating run. The coated screen was sintered at about 260°C for 5-10 minutes. The screen was contacted with a two-layer ion exchange membrane (in thermoplastic form) having sulfonic ion exchange groups in one layer and carboxylic ion exchange groups in the other layer. Note that the screen was brought into contact with the surface of the membrane having carboxylic ion exchange groups.

得られた組合せ物を加熱された油圧プレスの中
に置き、約3.5Kg/cm2の圧力、約230℃の温度で30
〜60秒プレスして、被覆されたスクリーンテンプ
レートに膜を結合させた。
The resulting combination was placed in a heated hydraulic press and heated for 30 minutes at a pressure of about 3.5 Kg/cm 2 and a temperature of about 230 °C.
Press for ~60 seconds to bond the membrane to the coated screen template.

組合せ物を油圧プレスから取り出し、冷却し
た。冷却後、スクリーンテンプレートを取り外す
と、膜に結合された触媒活性粒子の多数の相互連
結路が得られた。
The combination was removed from the hydraulic press and allowed to cool. After cooling, the screen template was removed, leaving a large number of interconnecting channels of catalytically active particles bound to the membrane.

本発明の他の態様に従つて、導電性スクリーン
を触媒活性粒子で被覆し、これを膜と接触させ、
加圧下で短時間加熱した。膜が熱可塑形またはナ
トリウム形となつている場合、結合させるために
は、以下のような条件を使用する。30秒〜1分で
最高約260℃までの温度に加熱する。この時間は、
膜を上記温度上昇させるのに必要な時間であると
考えられる。加熱温度が低すぎたり、加熱時間が
短すぎたりすると、スクリーンが膜に完全には結
合しにくくなる。加熱時間が長すぎると、スクリ
ーンが膜を完全に通過してしまい、膜の表面上に
位置しなくなる。加熱温度が高すぎると、膜が溶
融してしまい、適切なM&E構造物が形成されな
くなる。最高約3.5Kg/cm2までの圧力をかけた状
態で、スクリーン/膜組合せ物を加熱するのが有
利である場合もある。圧力が3.5Kg/cm2を越える
と、膜が押されて完全にスクリーン中に入り込み
易い。しかしながら、膜が水素形となつている場
合、約180℃以上に加熱してはならない。
In accordance with another embodiment of the invention, coating a conductive screen with catalytically active particles and contacting the membrane with the conductive screen;
Heat briefly under pressure. If the membrane is in thermoplastic or sodium form, the following conditions are used for bonding. Heat to a maximum temperature of about 260℃ in 30 seconds to 1 minute. This time is
This is considered to be the time required to raise the temperature of the membrane above. If the heating temperature is too low or the heating time is too short, it will be difficult for the screen to completely bond to the membrane. If the heating time is too long, the screen will completely pass through the membrane and will not be located on the surface of the membrane. If the heating temperature is too high, the membrane will melt and a proper M&E structure will not be formed. It may be advantageous to heat the screen/membrane combination under pressure up to about 3.5 Kg/cm 2 . When the pressure exceeds 3.5Kg/cm 2 , the membrane tends to be pushed and completely enter the screen. However, if the membrane is in the hydrogen form, it should not be heated above about 180°C.

スクリーンを膜中に押し込むためには、成分を
2つ定盤(上方定盤および下方定盤)に挟んでサ
ンドイツチ構造を形成させる方法を使用するのが
好ましい。下方定盤の上に、ポリテトラフルオロ
エチレンペーパーのスクリーン、膜、被覆された
スクリーン、ポリテトラフルオロエチレンペーパ
ーの別のスクリーン、および最後に上方定盤がく
る。このサンドイツチ構造物を加熱されたプレス
中に置き、約90秒間で約260℃の温度にまで加熱
する。
In order to force the screen into the membrane, it is preferable to use a method in which the components are sandwiched between two surface plates (an upper surface plate and a lower surface plate) to form a sandwich structure. Above the lower platen is a screen of polytetrafluoroethylene paper, a membrane, a coated screen, another screen of polytetrafluoroethylene paper, and finally an upper platen. This sandwich structure is placed in a heated press and heated to a temperature of about 260° C. for about 90 seconds.

本発明の導電性スクリーンは、その有用性にお
いて、先行技術にて使用される窓―スクリーンタ
イプよりはるかに優れている。なぜなら、このよ
うな窓―スクリーンタイプは実質的にフラツトで
はなく、織物で造られているため、波状で不均等
なあるいはやや非平面状の構造となつているから
である。本発明のスクリーンは金属製が好ましい
が、導電性であれば他の材料から作製してもよ
い。
The conductive screen of the present invention is far superior in its usefulness to the window-screen types used in the prior art. This is because such window-screen types are not substantially flat, but are constructed of woven fabric, resulting in a wavy, uneven or somewhat non-planar structure. The screen of the present invention is preferably made of metal, but may be made of other materials as long as they are electrically conductive.

スクリーンの厚さは、スクリーンが結合される
膜の層の厚さを約25%以上越えないことが好まし
い。言い換えると、膜がスルホニツクポリマーの
1つの層とカルボキシリツクポリマーのもう1つ
の層を有する二層膜であつて、スクリーンがカル
ボキシリツク層に結合される場合、スクリーンの
厚さはカルボキシリツク層の厚さを25%以上越え
てはならない。スクリーンが厚すぎると、膜の深
くにまで入り込み、電池の反対側の隔室において
化学物質による攻撃を受け易くなる。スクリーン
の厚さは、スクリーンが結合される膜の層の厚さ
を越えないことがさらに好ましい。
Preferably, the thickness of the screen does not exceed the thickness of the layer of membrane to which it is bonded by more than about 25%. In other words, if the membrane is a bilayer membrane with one layer of sulfonic polymer and another layer of carboxylic polymer, and the screen is bonded to the carboxylic layer, then the thickness of the screen is the same as that of the carboxylic layer. The thickness shall not be exceeded by more than 25%. If the screen is too thick, it will penetrate deeper into the membrane, making it more susceptible to attack by chemicals in compartments on opposite sides of the cell. It is further preferred that the thickness of the screen does not exceed the thickness of the layer of membrane to which it is bonded.

膜に結合される触媒活性粒子の層の幅または直
径は、好ましくは約1cm以下、さらに好ましくは
約0.5cm以下、最も好ましくは約0.2cm以下であ
る。寸法がこれらの範囲より大きい場合、電池の
反対側にて生じる生成物のガス汚染が増大する。
なぜなら、ガスは膜を通過して電池の反対側に行
くほうが、触媒活性粒子を通過して逃散するより
抵抗が少ないからである。
The width or diameter of the layer of catalytically active particles attached to the membrane is preferably about 1 cm or less, more preferably about 0.5 cm or less, and most preferably about 0.2 cm or less. If the dimensions are larger than these ranges, gas contamination of the product produced on the other side of the cell will increase.
This is because gas has less resistance passing through the membrane to the other side of the cell than escaping through the catalytically active particles.

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

第1図は、本発明における使用に適した、実質
的にフラツトなスクリーンまたはスクリーンテン
プレートの1つのタイプの側面図である。第2図
は、本発明における使用に適した、実質的にフラ
ツトなスクリーンまたはスクリーンテンプレート
の別のタイプの側面図である。第3図は、膜上に
付着した触媒活性粒子の相互連結路パターンの一
区画を上から見た図である。
FIG. 1 is a side view of one type of substantially flat screen or screen template suitable for use in the present invention. FIG. 2 is a side view of another type of substantially flat screen or screen template suitable for use in the present invention. FIG. 3 is a top view of a section of the interconnect pattern of catalytically active particles deposited on the membrane.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 膜/電極複合構造物であつて、多数の触媒活
性粒子を含む多数の相互連結路を有する実質的に
平面状のイオン交換膜を含み、その相互連結路は
バインダーを含み、触媒活性粒子が前記膜の少な
くとも1つの平面状表面に結合した複合構造物。 2 前記相互連結路が前記膜表面の25〜75%を覆
う、特許請求の範囲第1項に記載の膜/電極複合
構造物。 3 前記相互連結路が前記膜表面の45〜55%を覆
う、特許請求の範囲第2項に記載の膜/電極複合
構造物。 4 前記膜がフルオロカーボン―タイプまたはハ
イドロカーボン―タイプの材料から選ばれるもの
であり、多数の触媒活性粒子がルテニウム酸化
物、イリジウム酸化物、ロジウム酸化物、白金酸
化物、およびパラジウム酸化物およびこれらの酸
化物の混合物、これらの物質を任意に皮膜形成性
の金属の酸化物と併用したもの、酸化コバルト単
独、および酸化コバルトを他の金属酸化物と併用
したものから選ばれるものである、特許請求の範
囲第1、2または3項に記載の膜/電極複合構造
物。 5 前記触媒活性粒子の相互連結路の幅が、6ミ
クロンより大きく、1cm未満である、特許請求の
範囲第1〜4項のいずれかに記載の膜/電極複合
構造物。 6 前記触媒活性粒子の相互連結路の幅が、20ミ
クロン〜0.5cmである、特許請求の範囲第1〜4
項のいずれかに記載の膜/電極複合構造物。 7 前記触媒活性粒子間に多数の導電性金属粒子
が分布されている、特許請求の範囲第1〜6項の
いずれかに記載の膜/電極複合構造物。 8 前記導電性金属粒子が銀、ニツケル、タンタ
ル、白金、および金から選ばれるものである、特
許請求の範囲第7項に記載の膜/電極複合構造
物。 9 前記触媒活性粒子が5〜50ミクロンの厚さを
有する層中に存在する、特許請求の範囲第1〜8
項のいずれかに記載の膜/電極複合構造物。 10 触媒活性粒子の相互連結路がフルオロカー
ボンポリマーのバインダーを含有する、特許請求
の範囲第1〜9項のいずれかに記載の膜/電極複
合構造物。 11 多数の開口を有するほぼ平面状の導電性ス
クリーンからなり、前記開口が前記スクリーンの
表面積の最大約75%を占め、前記触媒活性粒子が
スクリーンの1つの平面状表面の少なくとも一部
上に配置されて前記平面状表面との物理的および
電気的に接触しており、前記イオン交換膜が触媒
活性粒子およびスクリーンの平面状表面に、触媒
活性粒子が前記膜と前記スクリーンとの間に挾ま
れるようにして結合される、特許請求の範囲第1
項に記載の膜/電極複合構造物。 12 前記スクリーンが電気鋳造による金属スク
リーンである、特許請求の範囲第11項に記載の
膜/電極複合構造物。 13 前記スクリーンが25〜75%の開口部面積を
有し、その周縁に沿つて非多孔質となつている、
特許請求の範囲第11項または12項に記載の
膜/電極複合構造物。 14 前記スクリーンの厚さが、前記スクリーン
の接合する膜の層の厚さを約25%以上超えない、
特許請求の範囲第11、12、または13項に記
載の膜/電極複合構造物。 15 (a) 実質的に平面状のスクリーン型板の少
なくとも1つの表面を多数の触媒活性粒子で少
なくとも一部被覆し、前記触媒活性物質はバイ
ンダーを含み、このとき前記スクリーン型板が
多数の開口を有し、前記開口がスクリーン型板
の表面積の最大約75%を占めること; (b) イオン交換膜の平面状表面を前記の被覆され
たスクリーン型板表面と接触させること; (c) 前記触媒活性粒子を前記スクリーン型板から
前記膜へ移行させること; (d) 前記スクリーン型板を除去すること;および (e) 前記触媒活性粒子を前記膜に結合させること の各工程を含む、改良された膜/電極複合構造物
を作成する方法。 16 前記触媒活性粒子が溶液/分散液の形で前
記スクリーン上に塗被され、このとき前記溶液/
分散液が一般式 XCF2―CYZ―X′ (式中、Xは―F、―Cl、―Br、および―Iか
ら選ばれるものであり;X′は―Cl、―Br、およ
び―Iから選ばれるものであり;YおよびZは独
立に―H、―F、―Cl、―Br、―I、および―
R′から選ばれるものであり;R′は炭素数が1〜
6のパーフルオロアルキル基およびクロルパーフ
ルオロアルキル基から選ばれるものである)で表
される溶媒/分散剤から形成される、特許請求の
範囲第15項に記載の方法。 17 前記の溶液/分散液が4〜20重量%のイオ
ノマーを含有する、特許請求の範囲第16項に記
載の方法。 18 前記の溶液/分散液が0.1〜30重量%の前
記触媒活性粒子を含有する、特許請求の範囲第1
6項に記載の方法。 19 前記の溶液/分散液が60〜90重量%の導電
性金属を含有する、特許請求の範囲第16、1
7、または18項に記載の方法。 20 前記スクリーン型板が、最高約260℃まで
の温度および最大約3.5Kg/cm2までの圧力で前記
膜に結合される、特許請求の範囲第15項に記載
の方法。 21 (a) 実質的に平面状の導電性スクリーンの
少なくとも1つの表面の少なくとも一部を、触
媒活性粒子を溶媒/分散剤に混合して得られる
溶液/分散液で被覆し、このとき前記スクリー
ンが多数の開口を有し、前記開口が前記導電性
スクリーンの表面積の最大約75%を占めるこ
と; (b) 前記の被覆されたスクリーンの表面をイオン
交換膜と接触させること;および (c) 前記の被覆されたスクリーンを前記膜に結合
させること の各工程を含む、膜/電極複合構造物を作成する
方法。
Claims: 1. A membrane/electrode composite structure comprising a substantially planar ion exchange membrane having a number of interconnections containing a number of catalytically active particles, the interconnections containing a binder. a composite structure comprising catalytically active particles attached to at least one planar surface of the membrane. 2. The membrane/electrode composite structure of claim 1, wherein the interconnecting passageway covers 25-75% of the membrane surface. 3. The membrane/electrode composite structure of claim 2, wherein the interconnecting passageway covers 45-55% of the membrane surface. 4. said membrane is selected from fluorocarbon-type or hydrocarbon-type materials, and a number of catalytically active particles are selected from ruthenium oxide, iridium oxide, rhodium oxide, platinum oxide, palladium oxide and Claims selected from mixtures of oxides, these substances optionally in combination with oxides of film-forming metals, cobalt oxide alone, and cobalt oxide in combination with other metal oxides. The membrane/electrode composite structure according to item 1, 2 or 3. 5. The membrane/electrode composite structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the width of the interconnection path of the catalytically active particles is greater than 6 microns and less than 1 cm. 6. Claims 1 to 4, wherein the interconnection path of the catalytically active particles has a width of 20 microns to 0.5 cm.
The membrane/electrode composite structure according to any one of Items 1 to 9. 7. The membrane/electrode composite structure according to any one of claims 1 to 6, wherein a large number of conductive metal particles are distributed between the catalytically active particles. 8. The membrane/electrode composite structure according to claim 7, wherein the conductive metal particles are selected from silver, nickel, tantalum, platinum, and gold. 9. Claims 1 to 8, wherein the catalytically active particles are present in a layer having a thickness of 5 to 50 microns.
The membrane/electrode composite structure according to any one of Items 1 to 9. 10. A membrane/electrode composite structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the interconnecting paths of the catalytically active particles contain a fluorocarbon polymer binder. 11 comprising a generally planar conductive screen having a plurality of apertures, the apertures occupying up to about 75% of the surface area of the screen, and the catalytically active particles are disposed on at least a portion of one planar surface of the screen; the ion exchange membrane is in physical and electrical contact with the planar surface, the ion exchange membrane is interposed between the catalytically active particles and the planar surface of the screen, and the catalytically active particles are sandwiched between the membrane and the screen. Claim 1 combined in such a manner that
The membrane/electrode composite structure described in . 12. The membrane/electrode composite structure according to claim 11, wherein the screen is an electroformed metal screen. 13. The screen has an open area of 25-75% and is non-porous along its periphery.
A membrane/electrode composite structure according to claim 11 or 12. 14. The thickness of the screen does not exceed the thickness of the membrane layer to which the screen joins by more than about 25%;
The membrane/electrode composite structure according to claim 11, 12, or 13. 15 (a) at least one surface of a substantially planar screen template is at least partially coated with a plurality of catalytically active particles, the catalytically active material comprising a binder, and wherein the screen template has a plurality of apertures. (b) contacting a planar surface of the ion exchange membrane with the coated screen template surface; (c) Transferring catalytically active particles from the screen template to the membrane; (d) removing the screen template; and (e) binding the catalytically active particles to the membrane. A method for making a composite membrane/electrode structure. 16 The catalytically active particles are coated on the screen in the form of a solution/dispersion, wherein the solution/dispersion
The dispersion has the general formula XCF 2 -CYZ-X', where X is selected from -F, -Cl, -Br, and -I; Y and Z are independently -H, -F, -Cl, -Br, -I, and -
R′ is selected from R′; R′ has a carbon number of 1 to
16. The method according to claim 15, wherein the solvent/dispersant is selected from the perfluoroalkyl group and the chloroperfluoroalkyl group of No. 6. 17. The method of claim 16, wherein said solution/dispersion contains 4 to 20% by weight of ionomer. 18. Claim 1, wherein said solution/dispersion contains from 0.1 to 30% by weight of said catalytically active particles.
The method described in Section 6. 19. Claim 16, 1, wherein said solution/dispersion contains 60-90% by weight of conductive metal.
7, or the method according to item 18. 20. The method of claim 15, wherein the screen template is bonded to the membrane at a temperature up to about 260<0>C and a pressure up to about 3.5 Kg/cm <2> . 21 (a) coating at least a portion of the surface of at least one of the substantially planar conductive screens with a solution/dispersion obtained by mixing catalytically active particles in a solvent/dispersant, wherein said screen (b) contacting the surface of the coated screen with an ion exchange membrane; and (c) A method of making a membrane/electrode composite structure comprising the steps of bonding said coated screen to said membrane.
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