EP0305565B1 - Mit einer Feststoffpolymer-Membran verbundener Stromkollektor - Google Patents

Mit einer Feststoffpolymer-Membran verbundener Stromkollektor Download PDF

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EP0305565B1
EP0305565B1 EP87112758A EP87112758A EP0305565B1 EP 0305565 B1 EP0305565 B1 EP 0305565B1 EP 87112758 A EP87112758 A EP 87112758A EP 87112758 A EP87112758 A EP 87112758A EP 0305565 B1 EP0305565 B1 EP 0305565B1
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EP
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fluoropolymeric
carbon atoms
binder
porous
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Dow Chemical Co
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Dow Chemical Co
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded

Definitions

  • references which have a bearing on this invention include U. S. Patent No. 4,272,353, which discloses a surface abrading technique for scratching a solid polymer electrolyte (SPE) base member in preparation for subsequent treatment.
  • U. S. Patent No. 4,272,560 describes a membrane having a cathode made of multiple coatings with a backing fabric; a dissolved copolymer is used in the fabrication of this electrode.
  • U. S. Patent No. 4,182,670 discloses a combined cathode and diaphragm utilizing a spray coating of a metal substrate with powdered metal; a polymer impregnated diaphragm is also described.
  • the invention particularly resides in a method of forming an assembly of an ion permeable membrane, electrode, and current collector, comprising the steps of:
  • the preferred loading i.e. amount of application of the binder, is from 0.50 to 50 mg/cm2 of foundation area with a preferred range of from 2.5 to 30 mg/cm2 of foundation area.
  • the polymer in the solvent or dispersant is pulled onto the catalyst and into the foundation layer. While in one sense it can be described as coated on one side, the coating nevertheless sufficiently penetrates into the porous sheet.

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Claims (12)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung aus einer ionendurchlässigen Membran, einer Elektrode und einem Stromkollektor, umfassend die Schritte:
    (a) Herstellen des Stromkollektors aus einer Grundschicht eines porösen, elektrisch leitfähigen Materials,
    (b) mindestens teilweises Überziehen von mindestens einer Oberfläche der Grundschicht mit einem Fluorpolymerbindemittel,
    (c) Herstellen der Elektrode durch Aufbringen eines teilchenförmigen Katalysatormaterials über das Fluorpolymerbindemittel auf der Grundschicht,
    (d) Aufbringen eines hydrolysierbaren Fluorpolymermaterials, das aus der nicht-ionischen in die ionische Form durch Hydrolyse vor Verwendung umgewandelt wird, als Lösung oder Dispersion über das Katalysatormaterial auf eine Weise, um Eindringen des Fluorpolymermaterials in die poröse Grundschicht zu erreichen, so daß ein im wesentlichen kontinuierlicher Überzug auf der mit dem Katalysatormaterial und dem Bindemittel überzogenen Grundschicht gebildet wird, wobei das Fluorpolymermaterial die ionendurchlässige Membran bildet, und
    (e) Zufuhr von Wärme und/oder Anlegen von Druck auf die Anordnung, um das Fließen des Fluorpolymermaterials in die Grundschicht und um das Katalysatormaterial zu verbessern, so daß Haftung des Katalysatormaterials an der Grundschicht erreicht wird und das Fluorpolymermaterial zu einer im wesentlichen nicht-porösen Schicht um das Katalysatormaterial gesintert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Katalysatorteilchen aus Ruthenium, Iridium, Rhodium, Platin, Palladium oder Oxiden davon entweder alleine oder in Kombination mit einem Oxid eines filmbildenden Metalls und Kobaltoxid entweder alleine oder in Kombination mit einem anderen Metall der Platingruppe oder einem Metalloxid ausgewählt sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Fluorpolymerbindemittel für die Grundschicht eine thermoplastische, nicht-ionische Vorstufe eines Sulfonsäure-Copolymers mit einem Äquivalenzgewicht im Bereich von 500 bis 2000 ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Fluorpolymerbindemittel für die Grundschicht eine thermoplastische, nicht-ionische Vorstufe eines Carbonsäure-Copolymers ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fluorpolymerbindemittel ein Copolymer ist, das durch die Polymerisation von einem oder mehreren Monomeren, die aus der Gruppe von Monomeren ausgewählt werden, die durch die allgemeine Formel dargestellt sind:



            CF₂=CZZ'   (I)



    worin:
    Z und Z' unabhängig aus -H, -Cl, -F oder -CF₃ ausgewählt sind,
    mit einem oder mehreren Monomeren, die aus einer zweiten Gruppe von Monomeren ausgewählt werden, die durch die allgemeine Formel dargestellt sind:



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



    worin:
    Y aus -SO₂Z, -CN, -COZ und -C(R³f)(R⁴f)OH ausgewählt ist,
    Z aus -I, -Br, -Cl, -F, -OR und -NR₁R₂ ausgewählt ist,
    R aus einem verzweigten oder linearen Alkylrest mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder einem Arylrest ausgewählt ist,
    R³f und R⁴f unabhängig aus Perfluoralkylresten mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind,
    R₁ und R₂ unabhängig aus -H, einem verzweigten oder linearen Alkylrest mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und einem Arylrest ausgewählt sind,
    a 0 bis 6 ist,
    b 0 bis 6 ist,
    c 0 oder 1 ist,
    vorausgesetzt, daß a+b+c nicht gleich 0 ist,
    X aus -Cl, -Br, -F und Gemischen davon, wenn n > 1 ist, ausgewählt ist,
    n 0 bis 6 ist und
    Rf und Rf, unabhängig aus -F, -Cl, Perfluoralkylresten mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und Fluorchloralkylresten mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind, und gegebenenfalls einem oder mehreren Monomeren gebildet wird, die aus einer dritten Monomergruppe auswählt werden, die durch die allgemeine Formel dargestellt ist:



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



    worin:
    Y' aus -F, -Cl oder -Br ausgewählt ist,
    a' und b' unabhängig 0 bis 3 sind,
    c' 0 oder 1 ist,
    vorausgesetzt, daß a'+b'+c' nicht gleich 0 ist,
    n' 0 bis 6 ist,
    Rf und R'f unabhängig aus -Br, -Cl, -F, Perfluoralkylresten mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen und Chlorperfluoralkylresten mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen ausgewählt sind, und
    X' aus -F, -Cl, -Br und Gemischen davon, wenn n' > 1 ist, ausgewählt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin Y -SO₂F oder -COOCH₃ ist, n 0 oder 1 ist, Rf und Rf' -F sind, X -Cl oder -F ist und a+b+c 2 oder 3 ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fluorpolymermaterial ein oder mehrere Lösungsmittel oder Dispergiermittel enthält, die aus Ethanol, Methanol, Wasser oder einer Verbindung ausgewählt werden, die durch die allgemeine Formel dargestellt ist:



            XCF₂-CYZ-X'



    worin:
    X aus F, Cl, Br und I ausgewählt ist,
    X' aus Cl, Br und I ausgewählt ist,
    Y und Z unabhängig aus H, F, Cl, Br, I und R' ausgewählt sind,
    R' aus Perfluoralkylresten und Chlorperfluoralkylresten mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen ausgewählt ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, worin das Lösungsmittel oder Dispergiermittel aus 1,2-Dibromtetrafluorethan und 1,2,2-Trichlortrifluorethan ausgewählt sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, worin:
    (a) das elektrisch leitfähige Material ein poröses Graphitpapier ist,
    (b) das Fluorpolymerbindemittel Polytetrafluorethylen ist und
    (c) das Fluorpolymermaterial ein Sulfonsäurecopolymer in thermoplastischer Pulverform in einem flüssigen Lösungsmittel ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt des Anlegens eines Vakuums an die Anordnung, um Eindringen des Fluorpolymerbindemittels und des Fluorpolymermaterials in die poröse Grundschicht zu erreichen.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt des Behandelns des Fluorpolymermaterials mit einer Base oder mit einer Säure bei einer Temperatur und für eine Zeit, die zur Hydrolyse von im wesentlichen des gesamten Polymers ausreichend sind.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt des Herstellens von zwei ähnlich großen Anordnungen, des Zusammensetzens der beiden Anordnungen, so daß die Grundschichten zur Außenseite der Kombination gerichtet sind und die Polymerschicht auf jedem Blatt in Kontakt mit der Polymerschicht auf dem anderen Blatt ist, wobei die nicht-porösen Fluorpolymeroberflächen in innigem Kontakt miteinander sind, und der Zufuhr von Wärme und/oder des Anlegens von Druck, um eine einzige planare Anordnung zu bilden, die zwei Stromkollektoren mit einer nicht-porösen, ionisch leitfähigen Polymerschicht dazwischen aufweist.
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