NO169465B - POWER COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE - Google Patents
POWER COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE Download PDFInfo
- Publication number
- NO169465B NO169465B NO873433A NO873433A NO169465B NO 169465 B NO169465 B NO 169465B NO 873433 A NO873433 A NO 873433A NO 873433 A NO873433 A NO 873433A NO 169465 B NO169465 B NO 169465B
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- polymer
- carbon atoms
- porous
- foundation layer
- binder
- Prior art date
Links
- 239000007787 solid Substances 0.000 title description 3
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 title 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 20
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 20
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 19
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 17
- -1 perfluoroalkyl radicals Chemical group 0.000 claims description 17
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 16
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 16
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 13
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 12
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 claims description 12
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 claims description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 10
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 claims description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000004811 fluoropolymer Substances 0.000 claims description 9
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 7
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 7
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000005840 aryl radicals Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- KVBKAPANDHPRDG-UHFFFAOYSA-N dibromotetrafluoroethane Chemical group FC(F)(Br)C(F)(F)Br KVBKAPANDHPRDG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims description 3
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 3
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910006095 SO2F Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 claims description 2
- MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N rhodium atom Chemical compound [Rh] MHOVAHRLVXNVSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M Bisulfite Chemical compound OS([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 150000001732 carboxylic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 2
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 2
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000012255 powdered metal Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-N sulfonic acid Chemical compound OS(=O)=O BDHFUVZGWQCTTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- AJDIZQLSFPQPEY-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-Trichlorotrifluoroethane Chemical compound FC(F)(Cl)C(F)(Cl)Cl AJDIZQLSFPQPEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DDMOUSALMHHKOS-UHFFFAOYSA-N 1,2-dichloro-1,1,2,2-tetrafluoroethane Chemical compound FC(F)(Cl)C(F)(F)Cl DDMOUSALMHHKOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006748 scratching Methods 0.000 description 1
- 230000002393 scratching effect Effects 0.000 description 1
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 125000001174 sulfone group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
Description
Oppfinnelsen vedrører en forbedret fremgangsmåte for fremstilling av en strømoppsamler/katalysator-elektrode/membran-sammenstilling som har øket elektrisk ledningsevne i området mellom katalysator-elektroden og strømoppsamleren. Slike sammenstillinger er nyttige ved en rekke anvendelser, innbefattet f.eks. brenselceller, vann-elektrolyseceller, kloralkaliceller og lignende. Sammenstillingen dannet i henhold til foreliggende oppfinnelse er i alt vesentlig strukturelt stabil, hvilket muliggjør at membrandelen kan være vesentlig tynnere enn slike som nå er tilgjengelige, og dermed redusere ione-motstanden i membranen. The invention relates to an improved method for producing a current collector/catalyst electrode/membrane assembly which has increased electrical conductivity in the area between the catalyst electrode and the current collector. Such assemblies are useful in a variety of applications, including e.g. fuel cells, water electrolysis cells, chloralkali cells and the like. The assembly formed according to the present invention is essentially structurally stable, which makes it possible for the membrane part to be significantly thinner than those currently available, thereby reducing the ionic resistance in the membrane.
Det er sterkt ønskelig, på bakgrunn av de strenge forhold ved mange av anvendelsene for membranen, at membrandelen i sammenstillingen skal ha i alt vesentlig strukturell helhet. Tynnere membraner har vist seg å være skjøre, og likevel er det ønskelig med tynnere membraner på grunn av deres reduserte ione-motstand. Dette krever en balanse mellom å tilveiebringe tilstrekkelig strukturell støtte for sammenstillingen og likevel redusere membranens tykkelse for å redusere ione-motstanden i membranen uten å gi avkall på strukturell helhet. It is highly desirable, on the basis of the strict conditions of many of the applications for the membrane, that the membrane part in the assembly should have essentially structural integrity. Thinner membranes have been shown to be fragile, and yet thinner membranes are desirable because of their reduced ionic resistance. This requires a balance between providing sufficient structural support for the assembly and yet reducing the thickness of the membrane to reduce the ionic resistance in the membrane without sacrificing structural integrity.
Referanser som har tilknytning til denne oppfinnelse inkluderer US-patent nr. 4.272.353 som åpenbarer en overflate-skrubbeteknikk for å ripe en basisdel av fast polymer-elektrolytt (SPE) ved tildannelse for etterfølgende behandling. US-patent nr. 4.272.560 beskriver en membran som har en katode dannet av flere belegninger med tekstilbakside. En oppløst kopolymer anvendes ved fremstillingen av denne elektrode. US-patent nr. 4.182.670 åpenbarer en kombinasjon av katode og diafragma hvor det benyttes en sprøytebelegning av et metallsubstrat med pulverisert metall. Et polymer-impregnert diafragma er også beskrevet. Et elektrodelegeme som har impregnert pulverisert metall (typisk edle metaller) er beskrevet i US-patent nr. 3.276.911, og det er også nevnt et gjennomtrengelig ionisk elektrolytisk materiale. US-patentskrift nr. 4.364.813 åpenbarer katalytiske partikler avsatt på et ionebyttermateriale med en SPE-membran. Dette patentskrift nevner dessuten et trekk med References associated with this invention include US Patent No. 4,272,353 which discloses a surface scrubbing technique for scratching a solid polymer electrolyte (SPE) base portion in preparation for subsequent processing. US Patent No. 4,272,560 describes a membrane having a cathode formed by multiple coatings with a textile backing. A dissolved copolymer is used in the production of this electrode. US Patent No. 4,182,670 discloses a combination of cathode and diaphragm using a spray coating of a metal substrate with powdered metal. A polymer-impregnated diaphragm is also described. An electrode body impregnated with powdered metal (typically precious metals) is described in US Patent No. 3,276,911, and a permeable ionic electrolytic material is also mentioned. US Patent No. 4,364,813 discloses catalytic particles deposited on an ion exchange material with an SPE membrane. This patent document also mentions a feature with
en sulfongruppe som ionebytter. US-patent nr. 4.366.041 a sulfone group as an ion exchanger. US Patent No. 4,366,041
beskriver en katode- og diafragma-sammenstilling med en offer-film dannet av voks. describes a cathode and diaphragm assembly with a sacrificial film formed from wax.
Foreliggende oppfinnelse beskriver spesielt en strukturelt stabil elektrode-sammenstilling som har lavere ione-motstand i membrandelen og som har høyere elektrisk ledningsevne i katalysator-elektrode- og strømoppsamlings-delene. Membran-tynnhet oppnås uten å gi avkall på strukturell helhet og likevel blir motstand mot ione-bevegelse gjennom membranen redusert. The present invention describes in particular a structurally stable electrode assembly which has lower ion resistance in the membrane part and which has higher electrical conductivity in the catalyst electrode and current collection parts. Membrane thinness is achieved without sacrificing structural integrity and yet resistance to ion movement through the membrane is reduced.
Mens det foregående i generelle vendinger refererer til foreliggende sammenstilling, er strukturen derav og fremgangsmåten for fremstilling eksemplifisert i den detaljerte beskriv-else av de foretrukne utførelser som følger. While the foregoing refers in general terms to the present assembly, its structure and method of manufacture are exemplified in the detailed description of the preferred embodiments which follows.
Oppfinnelsen vedrører spesielt en fremgangsmåte for dannelse av en sammenstilling av en ione-gjennomtrengelig membran, elektrode og strømoppsamler, og den omfatter de trinn å: (a) danne et fundamentlag av et porøst, elektrisk ledende materiale, (b) i det minste delvis belegge et fluorpolymer-bindemiddel på i det minste én overflate av fundamentlaget, (c) påføre et partikkelformet katalysatormateriale over fluorpolymer-bindemidlet på fundamentlaget, (d) dispergere et polymermateriale som en løsning eller dispersjon over katalysatormaterialet på en slik måte at det oppnås gjennomtrengning av polymermaterialet inn i det porøse fundamentlag for å danne en i alt vesentlig sammenhengende belegning på katalysatormaterialet og det i det minste delvis belagte fundamentlag, og (e) påføre varme og/eller trykk på sammenstillingen for å øke strømmen av polymermateriale inn i fundamentlaget og rundt katalysatormaterialet for å oppnå tilklebing av katalysator-materialet til fundamentlaget og sintring av polymermaterialet inn i et i alt vesentlig ikke-porøst lag rundt katalysator-materialet . The invention particularly relates to a method for forming an assembly of an ion-permeable membrane, electrode and current collector, and it comprises the steps of: (a) forming a foundation layer of a porous, electrically conductive material, (b) at least partially coating a fluoropolymer binder on at least one surface of the base layer, (c) applying a particulate catalyst material over the fluoropolymer binder on the base layer, (d) dispersing a polymer material as a solution or dispersion over the catalyst material in such a way as to achieve penetration of the polymer material into the porous foundation layer to form a substantially continuous coating on the catalyst material and the at least partially coated foundation layer, and (e) applying heat and/or pressure to the assembly to increase the flow of polymeric material into the foundation layer and around the catalyst material for to achieve adhesion of the catalyst material to the foundation layer and sintering of the polymer material into an essentially non-porous layer around the catalyst material.
Fundamentlaget er en elektrisk ledende, hydraulisk gjennomtrengelig matrise som virker som strømoppsamler for å overføre elektrisk energi til eller fra elektroden. Det kan være sammensatt av en rekke substanser, innbefattet karbonduk, karbonpapir, karbonfilt, metallsikt, metallfilt og porøse metallark. Fundamentlaget er imidlertid fortrinnsvis et karbonpapir, som er lett tilgjengelig, oppfører seg bra, er lett håndterbart og er relativt billig. The foundation layer is an electrically conductive, hydraulically permeable matrix that acts as a current collector to transfer electrical energy to or from the electrode. It can be composed of a variety of substances, including carbon cloth, carbon paper, carbon felt, metal sieve, metal felt and porous metal sheets. However, the foundation layer is preferably a carbon paper, which is readily available, behaves well, is easy to handle and is relatively cheap.
Det papir som mest foretrukket blir anvendt ved denne oppfinnelse er ett som også har lav elektrisk motstandsevne, har tilstrekkelig styrke for tilvirkning og har passende overflate-egenskaper, så som ruhet, for å gi god binding mellom fluorpolymer-bindemidlet og fundamentlaget. Det er også fordelaktig for å tilveiebringe god elektrisk kontakt mellom karbonpapiret og de katalytisk aktive partikler på elektroden. The paper most preferably used in this invention is one which also has low electrical resistance, has sufficient strength for manufacture and has suitable surface properties, such as roughness, to provide good bonding between the fluoropolymer binder and the foundation layer. It is also advantageous for providing good electrical contact between the carbon paper and the catalytically active particles on the electrode.
Som et begynnelsestrinn blir fundamentlaget i det minste delvis belagt med et egnet polymer-bindemiddel. Dette polymer-bindemiddel kan være en fluorkarbonpolymer, så som polytetrafluoretylen, solgt under varemerket "Teflon". Andre egnede polymerer kan inkludere termoplastiske, ikke-ioniske former av sulfonsyre-kopolymerer, termoplastiske, ikke-ioniske former av karboksylsyre-kopolymerer, og lignende. As an initial step, the foundation layer is at least partially coated with a suitable polymer binder. This polymer binder may be a fluorocarbon polymer, such as polytetrafluoroethylene, sold under the trademark "Teflon". Other suitable polymers may include thermoplastic nonionic forms of sulfonic acid copolymers, thermoplastic nonionic forms of carboxylic acid copolymers, and the like.
Spesielt foretrukket, som fluorpolymer-bindemiddel, er termoplastiske, ikke-ioniske former av perfluorerte polymerer beskrevet i de følgende US-patentskrifter nr. 3.282.875, Particularly preferred as the fluoropolymer binder are thermoplastic, nonionic forms of perfluorinated polymers described in the following US Patent Nos. 3,282,875,
3.909.378, 4.025.405, 4.065.366, 4.116.888, 4.123.336, 4.126.588, 4.151.052, 4.176.215, 4.178.218, 4.192.725, 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, 4.358.412, 4.358,545, 4.417.969, 4.462.877, 4.470.889 og 4.478.695, og publisert europeisk patentsøknad 3,909,378, 4,025,405, 4,065,366, 4,116,888, 4,123,336, 4,126,588, 4,151,052, 4,176,215, 4,178,218, 4,192,725, 4,209,635, 4,134,721,21 333. 4,478,695, and published European patent application
0.027.009. Slike polymerer har vanligvis ekvivalentvekter på fra 500 til 2000. 0.027.009. Such polymers typically have equivalent weights of from 500 to 2000.
Spesielt foretrukket for anvendelse som fluorpolymer-bindemiddel er kopolymerer av monomer I med monomer II (som definert nedenfor). En tredje monomer-type kan eventuelt kopolymeriseres med I og II. Particularly preferred for use as a fluoropolymer binder are copolymers of monomer I with monomer II (as defined below). A third type of monomer can optionally be copolymerized with I and II.
Den første monomer-type representeres med den generelle formel: The first monomer type is represented by the general formula:
hvor Z og Z' uavhengig av hverandre er valgt fra -H, -Cl, -F og where Z and Z' are independently selected from -H, -Cl, -F and
-CF3 . - CF3 .
Den annen monomer består av en eller flere monomerer valgt fra forbindelser representert med den generelle formel The second monomer consists of one or more monomers selected from compounds represented by the general formula
hvor: where:
Y er valgt fra -SO2Z, -CN, -COZ og -C (R3 f) (R4 f) OH, Y is selected from -SO2Z, -CN, -COZ and -C (R3 f) (R4 f) OH,
Z er valgt fra -I, -Br, -Cl, -F, OR og -NRiR2, Z is selected from -I, -Br, -Cl, -F, OR and -NRiR2,
R er valgt fra et forgrenet eller lineært alkylradikal som har fra 1 til 10 karbonatomer eller et arylradikal, R is selected from a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical,
R3 f og R4 f er uavhengig av hverandre valgt fra perfluoralkyl-radikaler som har fra 1 til 10 karbonatomer, R 3 f and R 4 f are independently selected from perfluoroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms,
Ri og R2 er uavhengig av hverandre valgt fra -H, et forgrenet eller lineært alkylradikal som har fra 1 til 10 karbonatomer eller et arylradikal, R 1 and R 2 are independently selected from -H, a branched or linear alkyl radical having from 1 to 10 carbon atoms or an aryl radical,
a er 0-6, a is 0-6,
b er 0-6, b is 0-6,
c er 0 eller 1, c is 0 or 1,
forutsatt at a+b+c ikke er lik 0, provided that a+b+c is not equal to 0,
X er valgt fra -Cl, -Br, -F eller blandinger derav når n>l, X is selected from -Cl, -Br, -F or mixtures thereof when n>l,
n er 0 eller 6, og n is 0 or 6, and
Rf og Rf, er uavhengig av hverandre valgt fra -F, -Cl, perfluoralkylradikaler som har fra 1 til 10 karbonatomer, og fluorkloralkylradikaler som har fra 1 til 10 karbonatomer. Rf and Rf, are independently selected from -F, -Cl, perfluoroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms, and fluorochloroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms.
Det er spesielt foretrukket at Y er -SO2F eller -COOCH<3>, n er 0 eller 1, Rf og Rf , er -F, X er -Cl eller -F, og a+b+c er 2 eller 3. It is particularly preferred that Y is -SO2F or -COOCH<3>, n is 0 or 1, Rf and Rf , is -F, X is -Cl or -F, and a+b+c is 2 or 3.
Den tredje og eventuelle monomer er én eller flere monomerer valgt fra forbindelser representert med den generelle formel: The third and optional monomer is one or more monomers selected from compounds represented by the general formula:
hvor: where:
Y' er valgt fra -F, -Cl eller -Br, Y' is selected from -F, -Cl or -Br,
a<*> og b' er uavhengig av hverandre 0-3, a<*> and b' are independent of each other 0-3,
c' er 0 eller 1, c' is 0 or 1,
forutsatt at a 1+b'+c' ikke er lik 0, provided that a 1+b'+c' is not equal to 0,
n' er 0-6, n' is 0-6,
Rf og R'f er uavhengig av hverandre valgt fra -Br, -Cl, Rf and R'f are independently selected from -Br, -Cl,
-F, perfluoralkyl-radikaler som har fra 1 til 10 karbonatomer, -F, perfluoroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms,
og klorperfluoralkyl-radikaler som har fra 1 til 10 karbonatomer, og and chloroperfluoroalkyl radicals having from 1 to 10 carbon atoms, and
X' er valgt fra -F, -Cl, -Br eller blandinger derav når n' >1. X' is selected from -F, -Cl, -Br or mixtures thereof when n' >1.
Bindemidlet blir typisk påført i løsning eller dispersjon for i det minste delvis å belegge fundamentlaget. Løsningen eller dispersjonen kan påføres på fundamentlaget ved anvendelse av fremgangsmåter som er velkjente på fagområdet. The binder is typically applied in solution or dispersion to at least partially coat the foundation layer. The solution or dispersion can be applied to the foundation layer using methods that are well known in the art.
Når elektroden skal anvendes i en brennstoffcelle, er bindemidlet fortrinnsvis et hydrofobt materiale så som polytetrafluoretylen. Når imidlertid elektroden skal anvendes i en elektrolytisk celle, så som en kloralkalicelle, er bindemidlet fortrinnsvis et hydrofilt materiale så som en kopolymer dannet av monomerene I, II og eventuelt III (beskrevet ovenfor). When the electrode is to be used in a fuel cell, the binder is preferably a hydrophobic material such as polytetrafluoroethylene. However, when the electrode is to be used in an electrolytic cell, such as a chloralkali cell, the binder is preferably a hydrophilic material such as a copolymer formed from the monomers I, II and possibly III (described above).
Den foretrukne belastning, d.v.s. mengde av påført bindemiddel, er fra 0,50 til 50 mg/cm<2> fundament-areal, med et foretrukket område på fra 2,5 til 30 mg/cm<2> fundament-areal. The preferred load, i.e. amount of applied binder is from 0.50 to 50 mg/cm<2> foundation area, with a preferred range of from 2.5 to 30 mg/cm<2> foundation area.
Når bindemidlet påføres som en løsning eller en dispersjon, kan løsningsmidlet/dispergeringsmidlet være en rekke materialer, som f.eks. inkluderer vann, metanol, etanol og forbindelser representert med den generelle formel: When the binder is applied as a solution or a dispersion, the solvent/dispersant can be a variety of materials, such as includes water, methanol, ethanol and compounds represented by the general formula:
hvor: where:
X er valgt fra F, Cl, Br og I, X is selected from F, Cl, Br and I,
X' er valgt fra Cl, Br og I, X' is selected from Cl, Br and I,
Y og Z er uavhengig av hverandre valgt fra H, F, Cl, Br, I og Y and Z are independently selected from H, F, Cl, Br, I and
R' er valgt fra perfluoralkyl-radikaler og klorperfluoralkyl-radikaler som har fra 1 til 6 karbonatomer. R' is selected from perfluoroalkyl radicals and chloroperfluoroalkyl radicals having from 1 to 6 carbon atoms.
De mest foretrukne løsningsmidler eller dispergeringsmidler er 1,2-dibromtetrafluoretan (vanligvis kjent som Freon 114 B 2): og 1,2,3-triklortrifluoretan (vanligvis kjent som Freon 113): Av disse to materialer er 1,2-dibromtetrafluoretan det mest foretrukne løsningsmiddel eller dispergeringsmiddel. The most preferred solvents or dispersants are 1,2-dibromotetrafluoroethane (commonly known as Freon 114 B 2): and 1,2,3-trichlorotrifluoroethane (commonly known as Freon 113): Of these two materials, 1,2-dibromotetrafluoroethane is the most preferred solvent or dispersant.
Løsningen eller dispersjonen som anvendes for å påføre bindemidlet på fundamentlaget kan ha en konsentrasjon på fra 2 til 30 vekt% av polymer i løsningsmidlet/dispergeringsmidlet. Konsentrasjonen er fortrinnsvis fra 8 til 20 vekt% av polymer i løsningsmidlet/dispergeringsmidlet. The solution or dispersion used to apply the binder to the foundation layer can have a concentration of from 2 to 30% by weight of polymer in the solvent/dispersant. The concentration is preferably from 8 to 20% by weight of polymer in the solvent/dispersant.
Etter at løsningen eller dispersjonen er påført på fundamentlaget, kan løsningsmidlet så avdrives ved anvendelse av varme, et vakuum eller en kombinasjon av varme og vakuum. Løsningsmidlet/dispergeringsmidlet kan eventuelt gis anledning til å fordampe under omgivelsesforhold. Løsningsmidlet blir fortrinnsvis fjernet ved en forhøyet temperatur. I tillegg til å fjerne løsningsmidlet/dispergeringsmidlet, vil varmen sintre. bindemidlet og forårsake at det mer fullstendig trenger gjennom og omgir fundamentlaget. Et eksempel på dette er når polytetrafluoretylen anvendes som bindemiddel, vil eksponering ved en temperatur på fra 300 til 340°C i ca. 20 min. være tilstrekkelig til å fjerne løsningsmidlet/dispergeringsmidlet og å sintre polytetrafluoretylenet. After the solution or dispersion has been applied to the foundation layer, the solvent can then be driven off using heat, a vacuum or a combination of heat and vacuum. The solvent/dispersant can optionally be given the opportunity to evaporate under ambient conditions. The solvent is preferably removed at an elevated temperature. In addition to removing the solvent/dispersant, the heat will sinter. the binder and cause it to more completely penetrate and surround the foundation layer. An example of this is when polytetrafluoroethylene is used as a binder, exposure at a temperature of from 300 to 340°C for approx. 20 min. be sufficient to remove the solvent/dispersant and to sinter the polytetrafluoroethylene.
Det neste trinn ved fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse er påføringen av de katalytisk aktive og elektrisk ledende partikler på det belagte fundamentlag, Kompositt-strukturen vil tilsist danne det som vanligvis refereres til som en fast polymer-elektrolytt eller SPE, når kompositten anvendes i en elektrokjemisk celle. Elektroden kan tilsist anvendes enten som en katode eller som en anode. The next step in the method according to the present invention is the application of the catalytically active and electrically conductive particles to the coated foundation layer. The composite structure will eventually form what is usually referred to as a solid polymer electrolyte or SPE, when the composite is used in a electrochemical cell. The electrode can ultimately be used either as a cathode or as an anode.
Materialer som er egnet for anvendelse som elektrokatalytiske aktive anode-materialer inkluderer f.eks. metaller eller metalloksyder av metaller fra platinagruppen, så som ruthenium, iridium, rhodium, platina, palladium, enten alene eller i kombinasjon med et oksyd av et film-dannende metall så som Ti eller Ta. Andre egndede aktiverende oksyder inkluderer koboltoksyd, enten alene eller i kombinasjon med andre metalloksyder, f.eks. slike som er beskrevet i US-patentskrifter nr. 3.632.498, 4.142.005, 4.061.549 og 4.214.971. Materials suitable for use as electrocatalytic active anode materials include e.g. metals or metal oxides of metals from the platinum group, such as ruthenium, iridium, rhodium, platinum, palladium, either alone or in combination with an oxide of a film-forming metal such as Ti or Ta. Other suitable activating oxides include cobalt oxide, either alone or in combination with other metal oxides, e.g. such as are described in US Patent Nos. 3,632,498, 4,142,005, 4,061,549 and 4,214,971.
Materialer egnet for anvendelse som elektrokatalytiske aktive katodematerialer inkluderer f.eks. metaller eller metalloksyder fra platinagruppen, så som ruthenium eller rutheniumoksyd. US-patentskrift nr. 4.465.580 beskriver slike katoder. Materials suitable for use as electrocatalytic active cathode materials include e.g. metals or metal oxides from the platinum group, such as ruthenium or ruthenium oxide. US Patent No. 4,465,580 describes such cathodes.
De katalytiske partikler som anvendes ved foreliggende oppfinnelse er fortrinnsvis findelte og har et foretrukket størrelsesområde fra 270 til 400 mesh (US-standard) (53 til mindre enn 37 pm). Metallpulveret påføres på bindemiddel-belagt fundamentlag ved fremgangsmåter som er kjent for fagfolk på området, og inkluderer f.eks. sprøyting, dannelse av et ark av katalytiske partikler og pressing av arket på fundamentlaget, eller dannelse og påføring av partiklene i form av en flytende dispersjon, f.eks. en vandig dispersjon. En egnet belastning av katalysatorpartikler er funnet å være fra 0,2 til 20 mg/cm<2 >fundament-areal med et foretrukket område på fra 1,5 til 5,0 mg/cm<2> fundament-areal. The catalytic particles used in the present invention are preferably finely divided and have a preferred size range from 270 to 400 mesh (US standard) (53 to less than 37 pm). The metal powder is applied to the binder-coated foundation layer by methods known to those skilled in the art, and includes e.g. spraying, forming a sheet of catalytic particles and pressing the sheet onto the foundation layer, or forming and applying the particles in the form of a liquid dispersion, e.g. an aqueous dispersion. A suitable loading of catalyst particles has been found to be from 0.2 to 20 mg/cm<2> foundation area with a preferred range of from 1.5 to 5.0 mg/cm<2> foundation area.
Det blir separat dannet en kopolymer. En slik egnet polymer er en polymer som dannes fra monomerene I, II og eventuelt III, som definert ovenfor. Polymeren kan være en termoplastisk, ikke-ionisk forløper av en sulfonsyre-kopolymer eller en termoplastisk, ikke-ionisk forløper av en karboksylsyre-kopolymer, eller en rekke andre polymerer som definert for anvendelse som bindemidlet. Kopolymeren blir fortrinnsvis dannet i en løsning eller en dispersjon med et løsningsmiddel for påføring på de katalytisk aktive partikler. Etter blanding med et egnet løsningsmiddel eller dispergeringsmiddel, påføres polymeren på det med katalysatorpartikler belagte fundamentlag. Ved anvendelse av et vakuum på én side av fundamentlaget, blir polymeren i løsningsmidlet eller dispergeringsmidlet trukket ned på katalysatoren og inn i fundamentlaget. Selv om dette på en måte kan beskrives som belegning på én side, trenger ikke desto mindre belegningen tilstrekkelig inn i det porøse ark. A copolymer is formed separately. Such a suitable polymer is a polymer which is formed from the monomers I, II and possibly III, as defined above. The polymer may be a thermoplastic nonionic precursor of a sulfonic acid copolymer or a thermoplastic nonionic precursor of a carboxylic acid copolymer, or a variety of other polymers as defined for use as the binder. The copolymer is preferably formed in a solution or dispersion with a solvent for application to the catalytically active particles. After mixing with a suitable solvent or dispersant, the polymer is applied to the base layer coated with catalyst particles. By applying a vacuum to one side of the foundation layer, the polymer in the solvent or dispersant is drawn down onto the catalyst and into the foundation layer. Although this can in a way be described as coating on one side, nevertheless the coating penetrates sufficiently into the porous sheet.
Ved det trinn å binde en fluorpolymer på overflaten av det med katalytiske partikler belagte fundamentlag, er den mest bekvemme fremgangsmåte å anvende konvensjonelle organiske løsningsmidler. Typiske løsningsmidler som anvendes er 1,2-dibromtetrafluoretan, metanol, etanol og lignende. Polymermaterialet som påføres danner et i alt vesentlig ikke-porøst ionebytterlag. In the step of binding a fluoropolymer to the surface of the foundation layer coated with catalytic particles, the most convenient method is to use conventional organic solvents. Typical solvents used are 1,2-dibromotetrafluoroethane, methanol, ethanol and the like. The polymer material that is applied forms an essentially non-porous ion exchange layer.
Det neste trinn er påføringen av varme og/eller trykk for The next step is the application of heat and/or pressure
å fjerne løsningsmidlet/dispergeringsmidlet og å sintre polymeren, og dermed forme polymeren til et i alt vesentlig sammenhengende ark. Dessuten forbedrer varmen og/eller trykket belegningen av polymeren rundt katalysatorpartiklene og fundamentlaget. Eksponering for en temperatur i området fra 260 til 320°C er f.eks. vanligvis egnet for å binde polymeren til partiklene og fundamentlaget. Temperaturområdet begrenses først og fremst av begynnende termisk nedbrytning av polymeren forårsaket av overdreven varme. Trykket er fortrinnsvis tilstrekkelig høyt og vedvarende i et intervall som gir binding. Som et eksempel kan trykket påføres med opp til ca. to remove the solvent/dispersant and to sinter the polymer, thereby forming the polymer into a substantially continuous sheet. Also, the heat and/or pressure improves the coating of the polymer around the catalyst particles and the foundation layer. Exposure to a temperature in the range from 260 to 320°C is e.g. usually suitable for binding the polymer to the particles and the base layer. The temperature range is limited primarily by incipient thermal degradation of the polymer caused by excessive heat. The pressure is preferably sufficiently high and sustained in an interval that provides binding. As an example, the pressure can be applied with up to approx.
5 kg/cm<2> i ca. 1 minutt ved forhøyet temperatur. 5 kg/cm<2> for approx. 1 minute at elevated temperature.
Det neste trinn ved fremstillingen av den forbedrede elektrode-struktur er å hydrolysere strukturen fra den ikke-ioniske til den ioniske form. Hydrolysen kan utføres ved å behandle polymeren med en basisk lesning dersom polymeren er en termoplastisk, ikke-ionisk forløper av en sulfonsyre-polymer eller en termoplastisk, ikke-ionisk forløper av en karboksylsyre-polymer. Dessuten, dersom polymeren er en termoplastisk, ikke-ionisk forløper av en karboksylsyre-polymer, kan det anvendes en sur løsning for å hydrolysere polymeren. For en termoplastisk, ikke-ionisk forløper av en sulfonsyre-polymer kan f.eks. den fullførte struktur hydrolyseres i 25 vekt%ig natriumhydroksyd i 16 timer ved en forhøyet temperatur på 80°C. The next step in the preparation of the improved electrode structure is to hydrolyze the structure from the non-ionic to the ionic form. The hydrolysis can be carried out by treating the polymer with a basic reading if the polymer is a thermoplastic nonionic precursor of a sulfonic acid polymer or a thermoplastic nonionic precursor of a carboxylic acid polymer. Also, if the polymer is a thermoplastic, nonionic precursor of a carboxylic acid polymer, an acidic solution may be used to hydrolyze the polymer. For a thermoplastic, non-ionic precursor of a sulphonic acid polymer, e.g. the completed structure is hydrolyzed in 25% by weight sodium hydroxide for 16 hours at an elevated temperature of 80°C.
Den fullførte gjenstand er så klar for bruk. Som et eksempel på typisk størrelse, er det ikke uvanlig å støte på en membran som har et tykkelsesområde på fra 0,125 til 0,25 mm på grunn av behovet for strukturell helhet. The completed item is then ready for use. As an example of a typical size, it is not uncommon to encounter a membrane that has a thickness range from 0.125 to 0.25 mm due to the need for structural integrity.
Det endelige produkt kan gi en membran med tykkelse i området fra 0,025 til 0,05 mm, eller endog mindre. Motstanden mot ione-bevegelse gjennom membranen blir således nedsatt i en betydelig grad. The final product can provide a membrane with a thickness in the range from 0.025 to 0.05 mm, or even less. The resistance to ion movement through the membrane is thus reduced to a significant extent.
Ved en alternativ påføring blir to lignende ark av lik størrelse anbragt i kontakt med hverandre på en slik måte at fundamentlagene vender mot utsiden av kombinasjonen, og polymerlaget på hvert ark kommer i kontakt med polymerlaget på det annet ark. De sammensatte ark blir så anbragt i en presse og ved påføring av egnet trykk og/eller varme blir de sammenføyet mot hverandre. In an alternative application, two similar sheets of the same size are placed in contact with each other in such a way that the foundation layers face the outside of the combination, and the polymer layer of each sheet comes into contact with the polymer layer of the other sheet. The composite sheets are then placed in a press and by applying suitable pressure and/or heat they are joined together.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO873433A NO169465C (en) | 1987-08-14 | 1987-08-14 | POWER COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO873433A NO169465C (en) | 1987-08-14 | 1987-08-14 | POWER COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE |
Publications (4)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO873433D0 NO873433D0 (en) | 1987-08-14 |
NO873433L NO873433L (en) | 1989-02-15 |
NO169465B true NO169465B (en) | 1992-03-16 |
NO169465C NO169465C (en) | 1992-06-24 |
Family
ID=19890169
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO873433A NO169465C (en) | 1987-08-14 | 1987-08-14 | POWER COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
NO (1) | NO169465C (en) |
-
1987
- 1987-08-14 NO NO873433A patent/NO169465C/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
NO873433D0 (en) | 1987-08-14 |
NO169465C (en) | 1992-06-24 |
NO873433L (en) | 1989-02-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3995261B2 (en) | Method of coining catalytically active particles onto a membrane | |
JP3546055B2 (en) | Method of printing catalytically active particles on a membrane | |
JP2842220B2 (en) | Structure of membrane and electrode | |
US5470448A (en) | High performance electrolytic cell electrode/membrane structures and a process for preparing such electrode structures | |
KR100448168B1 (en) | A preparing method of Membrane-Electrode-Gasket Assembly for fuel cell | |
US8785013B2 (en) | Compositions containing modified fullerenes | |
JP6049633B2 (en) | Gas diffusion electrode | |
DK2004879T3 (en) | ELECTROLYTE PERCOLING CELLS WITH GAS DIFFUSION ELECTRODE | |
US4992126A (en) | Method for making a current collector bonded to a solid polymer membrane | |
US5039389A (en) | Membrane/electrode combination having interconnected roadways of catalytically active particles | |
CA1315239C (en) | Solid polymer electrolyte electrode | |
JP2002543578A (en) | Electrochemical use of amorphous fluoropolymer. | |
NO810191L (en) | SOLID POLYMER ELECTROLYTE AND PREPARATION OF THEREOF. | |
WO2020165074A1 (en) | Method for the preparation of a gas diffusion layer and a gas diffusion layer obtained or obtainable by such method | |
EP0305565B1 (en) | Current collector bonded to a solid polymer membrane | |
JPH0248632B2 (en) | ||
NO160795B (en) | COMPOSITION MEMBRANE / ELECTRODE, PROCEDURE FOR ITS MANUFACTURING AND USING IT IN AN ELECTROCHEMICAL CELL FOR ELECTROLYSE OF ALKALIMETAL HALOGENIDES. | |
US4738741A (en) | Method for forming an improved membrane/electrode combination having interconnected roadways of catalytically active particles | |
EP0275466A1 (en) | A composite membrane/electrode structure having islands of catalytically active particles | |
NO169465B (en) | POWER COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE | |
CA1299936C (en) | Current collector bonded to a solid polymer membrane | |
FI84497B (en) | Collector which is bonded to a solid polymer membrane | |
KR900007728B1 (en) | Current collector bonded to a solid polymer membrane | |
DE3784348T2 (en) | ELECTRIC COLLECTOR CONNECTED TO A SOLID POLYMER MEMBRANE. | |
EP0064838A1 (en) | Composite membrane/electrode, electrochemical cell and electrolysis process |