JP5333724B2 - Manufacturing method of electrolyte membrane for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用電解質膜の製造方法に関する。さらに詳細には、F型電解質膜(プロトン伝導性を示さない電解質前駆体の膜)をH型電解質膜(プロトン伝導性を示す電解質膜)に変換する加水分解工程を含む燃料電池用電解質膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell. More specifically, an electrolyte membrane for a fuel cell including a hydrolysis step of converting an F-type electrolyte membrane (a membrane of an electrolyte precursor not showing proton conductivity) into an H-type electrolyte membrane (an electrolyte membrane showing proton conductivity). It relates to a manufacturing method.
燃料電池用の電解質膜を製造する際に、F型電解質膜をプロトン伝導性材料として使用する前に活性化させる工程がある。その工程では、F型電解質膜の前駆基−SO2F(スルホンフッ素基)を、H型電解質膜材料のイオン性基−SO3H(スルホン酸基)に変換させることを要するが、当該F型電解質膜の活性化は、まずF型電解質膜を、強アルカリ剤と水との混合液からなるアルカリ性水溶液に反応させ、ついで酸性溶液に反応させることにより行われてきた。 When manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell, there is a step of activating the F-type electrolyte membrane before using it as a proton conductive material. In that process, it is necessary to convert the precursor group -SO 2 F (sulfone fluorine group) of the F-type electrolyte membrane into the ionic group -SO 3 H (sulfonic acid group) of the H-type electrolyte membrane material. The activation of the type electrolyte membrane has been performed by first reacting the F type electrolyte membrane with an alkaline aqueous solution composed of a mixture of a strong alkaline agent and water, and then reacting with an acidic solution.
例えば、特許文献1に、F型電解質膜をH型電解質膜に変換する従来の製造方法が提示されている。以下、図5のフローに従って、従来の製造方法のうち、特に加水分解工程について説明する。図5に示すように、この製造方法では、F型電解質膜前駆体1を成す電解質ポリマーの―SO2F基を、まず加水分解により―SO3Na基に変換する。そのために、F型電解質膜1に水酸化ナトリウム水溶液(強アルカリ水溶液)2A、2Kを塗布する((1)のフローの(1−b))。又は、F型電解質膜1に水酸化ナトリウム粉(強アルカリ粉)2A´、2K´を塗布している((2)のフローの(2−b))。
ところが、F型電解質膜は、フッ素を含んでおり、それゆえ撥水性を呈する。そのため、図1(1−c)で示されるフロー(1)では水酸化ナトリウム溶液2A、2KがF型電解質膜の面にはじかれ滴3A、3Kになる。又は、図2(2−c)、(2−d)で示されるフロー(2)では水酸化ナトリウム粉が潮解し滴化したもの2a、2kが、F型電解質膜の面にはじかれ、3A´、3K´となる。これらの滴3A、3K、及び3A´、3K´は、F型電解質膜の面と反応しにくく、若しくは反応してもムラが生じ反応が不均一となる。この後、さらに、水酸化ナトリウムを浸透させようとして、例えば水蒸気又は過熱水蒸気をF型電解質膜に対し曝露させても、水酸化ナトリウムが不均一なままF型電解質膜内部まで浸透する。その結果、F型電解質膜が全体に亘って不均一なH型電解質膜になり、均質なH型電解質膜が作製されない。
本発明は、斯かる実情に鑑み、F型電解質膜から、全体に亘り均一(均質)なH型電解質膜を作製することを目的とする。
However, the F-type electrolyte membrane contains fluorine and therefore exhibits water repellency. Therefore, in the flow (1) shown in FIG. 1 (1-c), the sodium hydroxide solutions 2A and 2K are repelled on the surface of the F-type electrolyte membrane and become droplets 3A and 3K. Alternatively, in the flow (2) shown in FIGS. 2 (2-c) and (2-d), the sodium hydroxide powder deliquated and dropped 2a and 2k are repelled on the surface of the F-type electrolyte membrane and 3A '3K'. These droplets 3A, 3K and 3A ′, 3K ′ are difficult to react with the surface of the F-type electrolyte membrane, or even when reacted, unevenness occurs and the reaction becomes non-uniform. After this, even if sodium hydroxide is exposed to the F-type electrolyte membrane, for example, when sodium hydroxide is exposed to the F-type electrolyte membrane, the sodium hydroxide penetrates into the F-type electrolyte membrane without being uniform. As a result, the F-type electrolyte membrane becomes a non-uniform H-type electrolyte membrane throughout, and a homogeneous H-type electrolyte membrane is not produced.
In view of such circumstances, an object of the present invention is to produce a uniform (homogeneous) H-type electrolyte membrane from the F-type electrolyte membrane.
(発明の態様)
以下、発明の態様を示し、それらについて説明する。
(1) F型電解質膜に、強アルカリ剤と水にアルコールを加え、さらにF型電解質樹脂を含む混合溶液を塗布又は含浸させて、該F型電解質膜の少なくとも表層部を加水分解する加水分解工程と、該加水分解工程後のF型電解質膜を、水蒸気に曝露し、F型電解質膜の内部に向って均一に加水分解を行う蒸気曝露工程と、該蒸気曝露工程後のF型電解質膜を酸処理し、H型電解質膜に変換する酸処理工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用電解質膜の製造方法。
(Aspect of the Invention)
Hereinafter, embodiments of the invention will be shown and described.
(1) Hydrolysis in which at least a surface layer portion of the F-type electrolyte membrane is hydrolyzed by adding an alcohol to the F-type electrolyte membrane and adding alcohol to a strong alkaline agent and water, and further applying or impregnating a mixed solution containing the F-type electrolyte resin. A vapor exposure step in which the F-type electrolyte membrane after the hydrolysis step is exposed to water vapor and uniformly hydrolyzed toward the inside of the F-type electrolyte membrane; and the F-type electrolyte membrane after the vapor exposure step An acid treatment step of converting the acid to an H-type electrolyte membrane, and a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell.
本項によれば、F型電解質膜(H型電解質膜の前駆体膜。以下同様)と、強アルカリ剤の水溶液にアルコールを加えた混合溶液を、塗布又は含浸等により反応させ、まず、F型電解質膜の少なくとも表層部を親水化し、そして加水分解する。この親水化は、主にアルコールの有する−OH基が親水性を呈する性質を利用よるものである。そのため、親水化されたF型電解質膜の表層部に強アルカリ剤の水溶液又は水酸化ナトリウム粉が潮解により液化したものが従来のように弾かれることがなくなる。この後、自然乾燥によりアルコールをF型電解質膜から除去するためにF型電解質膜を乾燥し、さらに該表層部を水蒸気に曝すと、該表層部全体に亘り均一に濡れるため、同表層部の内部に向かって、水蒸気の水が均一に滲んでゆく。 According to this section, an F-type electrolyte membrane (a precursor membrane of an H-type electrolyte membrane; the same applies hereinafter) and a mixed solution obtained by adding an alcohol to an aqueous solution of a strong alkali agent are reacted by coating or impregnation. At least the surface layer of the type electrolyte membrane is hydrophilized and hydrolyzed. This hydrophilization mainly utilizes the property that the —OH group of the alcohol exhibits hydrophilicity. Therefore, an aqueous solution of a strong alkali agent or sodium hydroxide powder liquefied by deliquescence on the surface layer portion of the hydrophilized F-type electrolyte membrane is not repelled as in the prior art. Thereafter, when the F-type electrolyte membrane is dried in order to remove alcohol from the F-type electrolyte membrane by natural drying and the surface layer portion is exposed to water vapor, the entire surface layer portion is uniformly wetted. Water vapor spreads uniformly toward the inside.
結果として、次の蒸気曝露工程においても、F型電解質膜の内部まで偏在することなく、均一に強アルカリ水溶液が容易に浸透していき、さらに、F型電解質膜の内部に向かって均一に加水分解が行われる。その後、F型電解質膜を酸処理することにより、最終的に膜全体が均質なプロトン伝導性を有するH型電解質膜を製造することができる。 As a result, even in the next vapor exposure step, the strong alkaline aqueous solution easily penetrates uniformly without being unevenly distributed to the inside of the F-type electrolyte membrane, and further, water is uniformly added toward the inside of the F-type electrolyte membrane. Decomposition takes place. Thereafter, by subjecting the F-type electrolyte membrane to acid treatment, it is possible to finally produce an H-type electrolyte membrane in which the entire membrane has homogeneous proton conductivity.
このようにして、本発明に係る製造方法によって得られたH型電解質膜を含む燃料電池、例えば、固体分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:以下、「PEFC」と略す)は、プロトン伝導性が従来に比べて向上し、より優れた発電性能を安定して発揮する。 Thus, a fuel cell including an H-type electrolyte membrane obtained by the production method according to the present invention, such as a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter abbreviated as “PEFC”), has proton conductivity. However, it is improved compared to the conventional one, and more stable power generation performance is demonstrated.
「F型電解質膜」は、パーフルオロスルホン酸前駆体ポリマーからなるフッ素系固体高分子電解質膜前駆体の膜である。例えば、デュポン社製のナフィオン(商品名)、ダウケミカル社のダウ膜(商品名)、旭硝子社のフレミオン(商品名)、旭化成社のアシプレックス(商品名)等が「F型電解質膜」に該当する。
なお、「F型電解質膜」として、面方向の延伸加工により多孔化された多孔質の補強膜に電解質樹脂を含浸させた補強型のF型電解質膜を用いることもできる。補強型電解質膜を用いることで、電解質膜は薄膜であるため元来強度が脆弱であるが、その強度を電解質膜にあらかじめ付与することができ、耐久性が、より向上された電解質膜の製造も可能となる。
The “F-type electrolyte membrane” is a membrane of a fluorine-based solid polymer electrolyte membrane precursor made of a perfluorosulfonic acid precursor polymer. For example, Nafion (trade name) manufactured by DuPont, Dow Chemical (trade name) by Dow Chemical, Flemion (trade name) by Asahi Glass Co., and Aciplex (trade name) by Asahi Kasei Co., Ltd. are “F-type electrolyte membranes”. Applicable.
As the “F-type electrolyte membrane”, a reinforced F-type electrolyte membrane obtained by impregnating an electrolyte resin into a porous reinforcing membrane made porous by stretching in the surface direction can also be used. By using a reinforced electrolyte membrane, the strength of the electrolyte membrane is inherently fragile because it is a thin film, but the strength can be pre-applied to the electrolyte membrane, and manufacturing of an electrolyte membrane with improved durability Is also possible.
(2) 前記混合溶液は、さらにF型電解質樹脂を含むことを特徴とする(1)に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法(請求項1)。
本項によれば、(1)項の混合溶液に、さらにF型電解質樹脂を加え、それを溶解することにより得られた混合溶液を、F型電解質膜や後述のF転写MEAへ塗布又は含浸等により反応させた後、全体を乾燥させ、例えば水酸化ナトリウムの強アルカリ成分を含む樹脂層を形成させる。次に、樹脂層が形成されたF型電解質膜やF転写MEAを蒸気に曝露することにより、電解質樹脂層中の水酸化ナトリウムを膜内部まで浸透させ、膜内部においても加水分解が均一に行われるようにする。このとき、水酸化ナトリウムが膜内部に浸透するばかりでなく膜の表層の樹脂層に溶出するため、樹脂層に微細な空孔が多数形成される。
さらに、本項では、この現象を利用し、例えば、F型電解質樹脂と混合する水酸化ナトリウムの濃度を変えることによって、上記表層の樹脂層の、空孔の大きさ、数をコントロールすることができる。また多数の微細な空孔が形成された電解質膜は、含水率が従来よりも高くなる。これは、多数の微細な空孔が毛細管の役目を果たし、毛細管現象が備えるようになるためである。これにより、電解質膜が、ドライアップにより、プロトン伝導性を失うことを防ぐことができ、もって、当該電解質膜を含む燃料電池が安定して発電性能を発揮し、かつ、その耐久性も向上するようになる。
(2) the mixed solution, method for manufacturing a fuel cell electrolyte membrane according to further comprising the F-type electrolyte resin (1) (claim 1).
According to this section, an F-type electrolyte resin is further added to the mixed solution of (1), and the mixed solution obtained by dissolving it is applied or impregnated to the F-type electrolyte membrane or the F-transfer MEA described later. After the reaction by, for example, the whole is dried, for example, a resin layer containing a strong alkali component of sodium hydroxide is formed. Next, by exposing the F-type electrolyte membrane on which the resin layer is formed or the F-transfer MEA to vapor, the sodium hydroxide in the electrolyte resin layer penetrates into the inside of the membrane, and the hydrolysis is uniformly performed inside the membrane. To be At this time, sodium hydroxide not only penetrates into the inside of the membrane but also elutes into the resin layer on the surface layer of the membrane, so that many fine pores are formed in the resin layer.
Furthermore, in this section, by utilizing this phenomenon, for example, by changing the concentration of sodium hydroxide mixed with the F-type electrolyte resin , the size and number of pores of the surface resin layer can be controlled. it can. In addition, the electrolyte membrane in which many fine pores are formed has a higher moisture content than the conventional one. This is because a large number of fine pores serve as capillaries to provide a capillary phenomenon. As a result, it is possible to prevent the electrolyte membrane from losing proton conductivity due to dry-up, so that the fuel cell including the electrolyte membrane stably exhibits power generation performance and also improves its durability. It becomes like this.
(3) 前記F型電解質膜は、F型転写膜電極接合体用の電解質膜であることを特徴とする(2)に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法(請求項2)。 (3) the F-type electrolyte membrane is characterized by an electrolyte membrane for a F-type transfer membrane electrode assembly method for manufacturing a fuel cell electrolyte membrane according to (2) (Claim 2).
本項は、本発明の「F型電解質膜」には、字句通りのF型電解質膜ばかりでなく、触媒層をシート化し、ホットプレスによりF型電解質膜に転写した、いわゆるF転写膜電極接合体(以下「F転写MEA(「MEA」はMembrane Electrode Assembly)の略)という)を含むことを例示するものである。F転写MEAの触媒層は、多数の触媒担持粒子(例えば白金担持炭素粒子)をF型電解質膜に三次元的に含む層であり、粒子間に多くの空隙(空孔)が存在する。そのため、これら空隙を、上記の混合溶液、水蒸気、酸溶液は、容易に当該層を通過、浸透する結果、F型電解質膜と容易に接触可能である。 In this section, “F-type electrolyte membrane” of the present invention includes not only a literal F-type electrolyte membrane, but also a so-called F-transfer membrane electrode joint in which a catalyst layer is formed into a sheet and transferred to the F-type electrolyte membrane by hot pressing. The body (hereinafter referred to as "F transfer MEA" ("MEA" stands for Membrane Electrode Assembly)). The catalyst layer of the F transfer MEA is a layer that three-dimensionally includes a large number of catalyst-carrying particles (for example, platinum-carrying carbon particles) in the F-type electrolyte membrane, and there are many voids (voids) between the particles. Therefore, the above mixed solution, water vapor, and acid solution easily pass through and permeate the layer through these voids, so that they can easily come into contact with the F-type electrolyte membrane.
(4) 前記水蒸気は、過熱水蒸気であることを特徴とする(2)又は(3)のいずれか1項に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法(請求項3)。 (4) The method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell according to any one of (2) and (3), wherein the water vapor is superheated water vapor (Claim 3) .
本項は、(1)の水蒸気が、過熱水蒸気であることを例示するものである。過熱水蒸気によれば、処理チャンバー内の雰囲気の飽和含水状態以上の高温水蒸気で、F型電解質膜やF転写MEAを急速に加熱することができる。この高温水蒸気状態では、当該雰囲気から空気を追い出すことにより、常圧で無酸素状態又は低酸素状態を作り出すことができるため、白金に代表される金属性の電極触媒が、酸化によって劣化することを防ぐことができる。加えて、F型電解質膜やF転写MEAに対して、過熱水蒸気が、加水分解をより迅速かつ均一に促進させながら、水を微細空孔から内部にさらに迅速に浸透し易くさせる。 This section illustrates that the water vapor of (1) is superheated water vapor. According to the superheated steam, the F-type electrolyte membrane and the F-transfer MEA can be rapidly heated with high-temperature steam at or above the saturated water-containing state of the atmosphere in the processing chamber. In this high-temperature steam state, it is possible to create an oxygen-free or low-oxygen state at normal pressure by expelling air from the atmosphere, so that the metal electrode catalyst represented by platinum deteriorates due to oxidation. Can be prevented. In addition, superheated water vapor facilitates more rapid and uniform water penetration into the F-type electrolyte membrane and F-transfer MEA while facilitating quicker and more uniform water penetration from the fine pores.
(5) 前記強アルカリ剤は、水酸化ナトリウムであることを特徴とする(2)から(4)のいずれか1項に記載の燃料電池用電解質膜の製造方法(請求項4)。
本項は、上記強アルカリ剤の材料を例示するものである。本項では、水酸化ナトリウムを例示するが、これに限定されず、例えば、水酸化カリウムも使用可能である。ただし、水酸化ナトリウムはコスト的に有利である点で工業的に好適である。
(5) the strong alkali agent is characterized by a sodium hydroxide method for manufacturing a fuel cell electrolyte membrane according to any one of (2) (4) (Claim 4).
This section exemplifies the material of the strong alkali agent. In this section, sodium hydroxide is exemplified, but the present invention is not limited to this. For example, potassium hydroxide can also be used. However, sodium hydroxide is industrially suitable because it is advantageous in terms of cost.
本発明によれば、F型電解質膜を、全体に亘り均質なH型電解質膜へと変換することができる。さらに、本発明によれば、F型電解質膜の表面ばかりでなくF型電解質膜の内部に亘り均一に加水分解することができる。そのため、得られるH型電解質膜のプロトン伝導性(イオン交換性能)が向上する。特に過熱蒸気を内部での加水分解中に適用すると、電解質樹脂を混合液に含ませたときに、多孔質のガラス転移温度付近で加水分解でき、電解質樹脂の物性が変化することで、電解質膜のドライアップを防ぐことができる。 According to the present invention, the F-type electrolyte membrane can be converted into a homogeneous H-type electrolyte membrane throughout. Furthermore, according to the present invention, it is possible to uniformly hydrolyze not only the surface of the F-type electrolyte membrane but also the inside of the F-type electrolyte membrane. Therefore, the proton conductivity (ion exchange performance) of the obtained H-type electrolyte membrane is improved. Especially when superheated steam is applied during the hydrolysis inside, when electrolyte resin is included in the mixed solution, it can be hydrolyzed near the porous glass transition temperature, and the physical properties of the electrolyte resin change, so that the electrolyte membrane Drying up can be prevented.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
図1及び図2は、発明を実施する形態の例であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わす。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 and FIG. 2 are examples of embodiments for carrying out the invention, and in the drawings, the same reference numerals denote the same components.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態に係る燃料電池用電解質膜の製造方法のフローを説明するための概念図である。
以下、図1を参照しながら、第1実施形態を説明する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining a flow of a manufacturing method of an electrolyte membrane for a fuel cell according to the first embodiment.
The first embodiment will be described below with reference to FIG.
加水分解工程:本工程は、F型電解質膜に強アルカリ剤と水にアルコールを加えた混合溶液を反応させて、該F型電解質膜を加水分解する工程である。
F型電解質膜は、前述のデュポン社のナフィオン(商標名)に代表される―SO2F基を有するフッ素系ポリマーからなるものが好ましい。また、同様に前述したように、F転写MEAであってもよく、或いは、F型電解質膜を面方向に延伸して多孔を造り、孔内に補強材を埋めた補強型電解質膜であってもよい。
本工程では、まず、図1の(a)に示されるように、F型電解質膜を長尺状にしたものの両面(アノード側4A及びカソード側4K)に塗布するための、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の強アルカリ剤を、水(望ましくは純水)に、エタノール、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、1−ペンタノール、1,1−ジメチルプロパノール等のアルコールを加えて混合した混合溶液をまず準備する。このとき、例えば、混合溶液1リットルにつき、水酸化ナトリウムが7モルから11モルになるように調整する。
Hydrolysis step: This step is a step of hydrolyzing the F-type electrolyte membrane by reacting the F-type electrolyte membrane with a mixed solution obtained by adding an alcohol to a strong alkali agent and water.
The F-type electrolyte membrane is preferably made of a fluorine-based polymer having a —SO 2 F group represented by the aforementioned Nafion (trade name) manufactured by DuPont. Similarly, as described above, it may be an F-transfer MEA, or a reinforced electrolyte membrane in which a F-type electrolyte membrane is stretched in the surface direction to form a pore, and a reinforcing material is buried in the hole. Also good.
In this step, first, as shown in FIG. 1 (a), sodium hydroxide, water for application to both sides (anode side 4A and cathode side 4K) of a long F-type electrolyte membrane. Add a strong alkaline agent such as potassium oxide to water (preferably pure water), alcohol such as ethanol, methanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 1-pentanol, 1,1-dimethylpropanol. First, a mixed solution is prepared. At this time, for example, sodium hydroxide is adjusted from 7 mol to 11 mol per liter of the mixed solution.
そして、混合溶液を、ノズル20A、20Kを備えた塗布手段のタンク(不図示)に投入し、矢印で表されるように、F型電解質膜1の両面全体に対して、ノズル20A、20Kを、当該面に対して略平行駆動させながら、均一かつ薄膜状に塗布膜4A、4Kを成膜する。このとき、例えば、常温でノズル20A、20Kから、混合溶液をキャスティングし、自然乾燥するようにする。
なお、本工程では、アノード側の塗布膜4Aを成膜(自然乾燥を含む)させ、次に、F型電解質膜1を裏返し、同様の処理を施してカソード側の塗布膜4Kを成膜(自然乾燥を含む)するようにしてもよい(又はその逆であってもよい)。
Then, the mixed solution is put into a tank (not shown) of an application unit equipped with nozzles 20A and 20K, and as indicated by arrows, the nozzles 20A and 20K are applied to both sides of the F-type electrolyte membrane 1. The coating films 4A and 4K are formed in a uniform and thin film while being driven substantially parallel to the surface. At this time, for example, the mixed solution is cast from the nozzles 20 </ b> A and 20 </ b> K at room temperature and is naturally dried.
In this step, the anode-side coating film 4A is formed (including natural drying), then the F-type electrolyte film 1 is turned over, and the same treatment is performed to form the cathode-side coating film 4K ( Natural drying) (or vice versa).
図1の(b)、(c)は、F型電解質膜1の両面に、混合溶液を塗布後、自然乾燥した状態を概念的に示すものである。図1の(b)に示されるように、強アルカリ剤と水にアルコールを加えた混合溶液が、参照番号4A´、4K´で示される網目模様の状態になるように、F電解質膜1にある深さまで面方向に亘って均一に含浸する。さらに、図1の(c)に示されるように、自然乾燥後(場合によっては加熱乾燥後)、加水分解された層が、アノード側に4a、4a´、カソード側に4k、4k´に示されるように形成される。
水酸化ナトリウムと水のみの溶液では、F型電解質膜1が撥水性を呈するので、参照番号4A´、4K´で示される網目模様の状態になるようにF電解質膜1に含浸することはなく、当該溶液がはじかれてしまう。
しかし、本工程により、強アルカリ剤(水酸化ナトリウム)と水に、アルコールを加えたため、アルコールの−OH基により、当該溶液(混合溶液)が、F型電解質膜1に対して親水性を示すようにことになったため好適にF型電解質膜1に均一に浸透することが可能となる。
FIGS. 1B and 1C conceptually show a state where the mixed solution is applied to both surfaces of the F-type electrolyte membrane 1 and then naturally dried. As shown in FIG. 1 (b), the F electrolyte membrane 1 is formed so that a mixed solution obtained by adding alcohol to a strong alkali agent and water has a mesh pattern indicated by reference numbers 4A ′ and 4K ′. It is impregnated uniformly over the surface to a certain depth. Furthermore, as shown in FIG. 1 (c), after natural drying (in some cases after heat drying), the hydrolyzed layer is shown at 4a, 4a ′ on the anode side, and at 4k, 4k ′ on the cathode side. Formed to be.
In the solution of only sodium hydroxide and water, the F-type electrolyte membrane 1 exhibits water repellency, so that the F-electrolyte membrane 1 is not impregnated so as to have a mesh pattern indicated by reference numbers 4A ′ and 4K ′. The solution will be repelled.
However, since alcohol is added to the strong alkali agent (sodium hydroxide) and water in this step, the solution (mixed solution) exhibits hydrophilicity to the F-type electrolyte membrane 1 due to the —OH group of the alcohol. Thus, the F-type electrolyte membrane 1 can be preferably uniformly penetrated.
ただし、本工程の段階のままでは、該加水分解された層は、F型電解質膜1の面方向には均一にある深さ含浸されているが、同膜1の深さ方向には、まだ均一に含浸されていない(図1の中央の層が未加水分解層に相当する)。そのため、次の蒸気曝露工程が必要となる。 However, at the stage of this process, the hydrolyzed layer is impregnated with a uniform depth in the surface direction of the F-type electrolyte membrane 1, but is still in the depth direction of the membrane 1. It is not uniformly impregnated (the central layer in FIG. 1 corresponds to an unhydrolyzed layer). Therefore, the following vapor exposure process is required.
蒸気曝露工程:本工程は、加水分解工程後のF型電解質膜の両面を、水蒸気に曝露する工程である。
本工程により、前工程において、F型電解質膜1の面方向にある程度均一に形成された加水分解層を、さらに深さ方向においても均一に形成することができ、結果として、F電解質膜1の全体が均一に加水分解されることになる。水蒸気は加圧されたものであってもよい。水蒸気の水は、純水又は蒸留水を蒸気化したものが好ましい。ただし、F型電解質膜1の溶融温度未満に、その温度を制御する必要がある。
Vapor exposure step: This step is a step of exposing both surfaces of the F-type electrolyte membrane after the hydrolysis step to water vapor.
By this step, the hydrolyzed layer formed to some extent in the surface direction of the F-type electrolyte membrane 1 in the previous step can be formed evenly in the depth direction. As a result, the F electrolyte membrane 1 The whole is uniformly hydrolyzed. The water vapor may be pressurized. The water of steam is preferably pure water or distilled water. However, it is necessary to control the temperature below the melting temperature of the F-type electrolyte membrane 1.
さらに、水蒸気に過熱水蒸気を用いると、より好適にF型電解質膜1の深さ方向の加水分解処理が可能となる。その理由は前述の通りであるためその詳細はここでは省略する。 Furthermore, when superheated steam is used as the steam, the hydrolysis treatment in the depth direction of the F-type electrolyte membrane 1 can be performed more suitably. The reason is as described above, and the details are omitted here.
酸処理工程:本工程は、蒸気曝露工程後のF型電解質膜を、酸処理しH型電解質膜に変換する工程である。
図1の(e)に示されるように、蒸気曝露工程後のF型電解質膜10(図1の(d))は、例えば1モル/リットルから9モル/リットル程度の濃度の硝酸溶液を用いて酸処理され、全体に亘り均質なH型電解質膜11に変換される。この後、H型電解質膜11は、水洗、乾燥された後、燃料電池用の電解質膜として使用可能となる。
なお、上記の第1実施形態では、出発材料として、F型電解質膜を用いたが、代わりにF転写MEAを使用すれば、同様な工程を通じて、燃料電池用のMEAを作製することができる。
Acid treatment step: This step is a step of converting the F-type electrolyte membrane after the vapor exposure step into an H-type electrolyte membrane by acid treatment.
As shown in FIG. 1E, the F-type electrolyte membrane 10 (FIG. 1D) after the vapor exposure process uses a nitric acid solution having a concentration of about 1 mol / liter to 9 mol / liter, for example. Then, it is acid-treated and converted into a homogeneous H-type electrolyte membrane 11 throughout. Thereafter, the H-type electrolyte membrane 11 can be used as an electrolyte membrane for a fuel cell after being washed with water and dried.
In the first embodiment, an F-type electrolyte membrane is used as a starting material. However, if an F transfer MEA is used instead, an MEA for a fuel cell can be manufactured through the same process.
<第2実施形態>
図2は、第2実施形態に係る燃料電池用電解質膜の製造方法のフローを説明するための概念図である。
以下、図2を参照しながら、第2実施形態を説明する。
Second Embodiment
FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a flow of a method for manufacturing an electrolyte membrane for a fuel cell according to a second embodiment.
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to FIG.
加水分解工程:本工程は、F型電解質膜に強アルカリ剤と水に、アルコール、さらにはF型電解質樹脂を加えた混合溶液を反応させて、該F型電解質膜を加水分解する工程である。 Hydrolysis step: This step is a step of hydrolyzing the F-type electrolyte membrane by reacting the F-type electrolyte membrane with a mixed solution obtained by adding an alcohol or further an F-type electrolyte resin to a strong alkali agent and water. .
第1実施形態と同様にして、出発材料膜は、F型電解質膜又はF転写MEAであってもよく、或いは、F型電解質膜を面方向に延伸して多孔を造り、その孔内に補強材を埋めた補強型電解質膜であってもよい。 As in the first embodiment, the starting material film may be an F-type electrolyte film or an F-transfer MEA, or the F-type electrolyte film is stretched in the surface direction to form a porous material and reinforced in the pores. It may be a reinforced electrolyte membrane filled with a material.
本工程では、まず、図2の(a)に示されるように、F型電解質膜を長尺状にしたものの両面(アノード側及びカソード側)に、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の強アルカリ剤を、水(望ましくは純水)に、エタノール、メタノール等のアルコール、さらにF型電解質樹脂を加えて混合した混合溶液をまず準備する。このとき、同様にして、混合溶液1リットル当たり、水酸化ナトリウムが7モルから11モルになるように調整する。
電解質樹脂は、電解質膜と同様の成分の樹脂からなり、混合溶液に溶解し易いように粉体状又は液体状ものが好ましい。
In this step, first, as shown in FIG. 2 (a), a strong alkali such as sodium hydroxide or potassium hydroxide is formed on both sides (anode side and cathode side) of a long F-type electrolyte membrane. First, a mixed solution in which an agent is mixed with water (preferably pure water) by adding an alcohol such as ethanol or methanol and further an F-type electrolyte resin is first prepared. At this time, similarly, sodium hydroxide is adjusted to 7 to 11 mol per liter of the mixed solution.
The electrolyte resin is made of a resin having the same components as the electrolyte membrane, and is preferably in the form of powder or liquid so that it can be easily dissolved in the mixed solution.
そして、上記混合溶液をノズル20A、20Kを備えた塗布手段のタンクに投入し、第1実施形態と同様に均一かつ薄膜状に塗布膜7A、4Bが成膜されるように常温でノズル20A、20Kから、混合溶液をキャスティングし、自然乾燥する。 Then, the mixed solution is put into a tank of an application means including nozzles 20A and 20K, and the nozzles 20A and 20B are formed at room temperature so that the application films 7A and 4B are formed in a uniform and thin film like the first embodiment. From 20K, the mixed solution is cast and air-dried.
図2の(b)、(c)は、F型電解質膜1の両面に、混合溶液を成膜し、自然乾燥した状態を概念的に示すものである。図2の(b)に示されるように、強アルカリ剤(例えば水酸化ナトリウム)と水にアルコールを加えた混合溶液が、参照番号7A´、7K´で示される網目模様の状態になるようにF電解質膜1にある程度含浸し、次に、図2の(c)に示されるように、自然乾燥後、F型電解質樹脂を含む加水分解された層を、アノード側に7a、7a´、カソード側に7k、7k´に示されるように形成する。水酸化ナトリウムと水と電解質樹脂からなる溶液では、同様にして、F型電解質膜1が撥水性を呈するので、参照番号7A´、7K´で示される網目模様の状態になるようにF電解質膜1に含浸することはなく、当該溶液がはじかれてしまう。しかし、本工程により、強アルカリ剤(水酸化ナトリウム)と水とF型電解質樹脂に、アルコールを加えたため、アルコールの−OH基により、F型電解質膜1に対して親水性を示すようになる。 2B and 2C conceptually show a state where a mixed solution is formed on both surfaces of the F-type electrolyte membrane 1 and is naturally dried. As shown in FIG. 2B, a mixed solution obtained by adding an alcohol to a strong alkali agent (for example, sodium hydroxide) and water has a mesh pattern indicated by reference numerals 7A ′ and 7K ′. F electrolyte membrane 1 is impregnated to some extent, and then, as shown in FIG. 2 (c), after natural drying, a hydrolyzed layer containing F type electrolyte resin is formed on the anode side by 7a, 7a ′, cathode It is formed on the side as indicated by 7k and 7k ′. Similarly, in the solution comprising sodium hydroxide, water, and electrolyte resin, the F-type electrolyte membrane 1 exhibits water repellency, so that the F electrolyte membrane is in a mesh pattern indicated by reference numbers 7A ′ and 7K ′. 1 is not impregnated and the solution is repelled. However, in this step, alcohol is added to the strong alkali agent (sodium hydroxide), water, and the F-type electrolyte resin , so that the F-type electrolyte membrane 1 becomes hydrophilic due to the —OH group of the alcohol. .
ただし、この工程の段階のままでは、該F型電解質樹脂を含む加水分解された層は、F型電解質膜1の面方向には均一にある深さ含浸されているが、同膜1の深さ方向には、まだ均一に含浸されていない(図2の中央の層1が、F型電解質樹脂が含有しない未加水分解層に相当する)。 However, at the stage of this process, the hydrolyzed layer containing the F-type electrolyte resin is impregnated with a uniform depth in the surface direction of the F-type electrolyte membrane 1. It has not been impregnated uniformly in the vertical direction (the central layer 1 in FIG. 2 corresponds to an unhydrolyzed layer that does not contain the F-type electrolyte resin ).
蒸気曝露工程:本工程は、加水分解工程後のF型電解質膜の両面を、水蒸気に曝露する工程である。
この工程の作用、効果は、水蒸気として過熱水蒸気(例えば、常圧、100%水蒸気(無酸素、無窒素状態)で、100℃から180℃のもの)を使用したときも含めて、第1実施形態と同様なのでその説明は省略する。
Vapor exposure step: This step is a step of exposing both surfaces of the F-type electrolyte membrane after the hydrolysis step to water vapor.
The action and effect of this process is the first implementation including superheated steam (for example, normal pressure, 100% steam (oxygen-free and nitrogen-free), 100 ° C. to 180 ° C.). Since it is the same as the form, the description thereof is omitted.
ただし、第2実施形態では、第1実施形態と異なり、混合溶液にさらにF型電解質樹脂を加えているため、F型電解質膜に小さな多数の孔を有するアモルファス状の電解質樹脂層(以下、「多孔性電解質樹脂層」という)12A、12B(図2の(d)参照)が形成される。この多孔性電解質樹脂層12A、12Bは、毛細管現象により、カソード側で発生する水や、アノード側、カソード側にそれぞれ供給される一定の水分を含む水素ガス、空気ガス(酸素ガス)の水を吸い取り、電解質膜(11)の膨潤状態を維持するバイパス手段となり、電解質膜の保水性を向上させることを可能とする。 However, in the second embodiment, unlike the first embodiment, since an F-type electrolyte resin is further added to the mixed solution, an amorphous electrolyte resin layer (hereinafter, “ 12A and 12B (refer to FIG. 2 (d)) are formed. The porous electrolyte resin layers 12A and 12B are made up of water generated on the cathode side, hydrogen gas containing a certain amount of water supplied to the anode side and the cathode side, and water of air gas (oxygen gas) by capillary action. It serves as a bypass means for absorbing and maintaining the swelling state of the electrolyte membrane (11), and can improve the water retention of the electrolyte membrane.
酸処理工程:本工程は、第1実施形態と同様であるため、その説明は省略するが、図2の(e)に示されるように、多孔性電解質樹脂層12A、12Bを有するH型電解質膜15に変換され、この後、H型電解質膜15は、水洗、乾燥された後、燃料電池用の電解質膜として使用可能となる。 Acid treatment step: Since this step is the same as in the first embodiment, the description thereof is omitted, but as shown in FIG. 2 (e), an H-type electrolyte having porous electrolyte resin layers 12A and 12B After being converted into a membrane 15, the H-type electrolyte membrane 15 can be used as an electrolyte membrane for a fuel cell after being washed with water and dried.
<実施例1、2並びに比較例>
実施例1:F型電解質膜であるナフィオンに強アルカリ剤である水酸化ナトリウムと水に、エタノールを加えた混合溶液を反応させて、ナフィオンを加水分解し、該加水分解工程後のナフィオンを、蒸圧、100%水蒸気(無酸素、無窒素状態)で200℃の過熱水蒸気に曝露し、該蒸気曝露後のナフィオンを、5モル/リットルの濃度の硝酸溶液によって酸処理しH型電解質膜に変換して得られた電解質膜を用いて常法により実施例1に係る単セル(燃料電池。以下同様)を作製した。
<Examples 1 and 2 and Comparative Example>
Example 1: Nafion, which is a F-type electrolyte membrane, is reacted with a mixed solution obtained by adding ethanol to sodium hydroxide, which is a strong alkali agent, and water to hydrolyze Nafion, and Nafion after the hydrolysis step Exposure to superheated steam at 200 ° C. with vapor pressure and 100% steam (oxygen-free and nitrogen-free conditions), and the Nafion after the steam exposure is acid-treated with a nitric acid solution having a concentration of 5 mol / liter to form an H-type electrolyte membrane. Using the electrolyte membrane obtained by the conversion, a single cell according to Example 1 (fuel cell; the same applies hereinafter) was produced by a conventional method.
実施例2:F型電解質膜であるナフィオンに強アルカリ剤である水酸化ナトリウムと水に、エタノールを加えた混合溶液にさらにナフィオンと同等の成分の電解質樹脂(―SO 2 F基を有するフッ素系ポリマーからなるF型電解質樹脂)を溶解した溶液を反応させた点を除いて、実施例1と同様の処方により得られた電解質膜を用いて常法により実施例2に係る単セルを作製した。 Example 2: A mixed solution of Nafion, which is an F-type electrolyte membrane, sodium hydroxide, which is a strong alkaline agent, and water, and ethanol, and an electrolyte resin having a component equivalent to that of Nafion ( fluorine-based compound having —SO 2 F groups) A single cell according to Example 2 was produced by a conventional method using an electrolyte membrane obtained by the same formulation as in Example 1 except that a solution in which a polymer F-type electrolyte resin) was dissolved was reacted. .
比較例:F型電解質膜であるナフィオンに強アルカリ剤である水酸化ナトリウムと水とからなる溶液を反応させた点を除いて、実施例1と同様の処方により得られた電解質膜を用いて常法により比較例に係る単セルを作製した。 Comparative Example: Using an electrolyte membrane obtained by the same formulation as in Example 1, except that Nafion, which is an F-type electrolyte membrane, was reacted with a solution comprising sodium hydroxide, which is a strong alkali agent, and water. A single cell according to a comparative example was produced by a conventional method.
図3は、実施例1に係る単セルの電解質膜のI−V特性と、比較例(従来法)に係る単セルのI−V特性とを比較するものである。また、図4は、実施例2に係る単セルのI−V特性と、同比較例(従来法)に係る燃料電池用の電解質膜のI−V特性とを比較するものである。 FIG. 3 compares the IV characteristics of the single-cell electrolyte membrane according to Example 1 and the IV characteristics of the single cell according to the comparative example (conventional method). 4 compares the IV characteristics of the single cell according to Example 2 and the IV characteristics of the electrolyte membrane for a fuel cell according to the same comparative example (conventional method).
図3により、実施例1と従来法による比較例のI−V特性を比較すると、実施例1の燃料電池が従来法の燃料電池よりも優れたI−V特性を発揮することが分かった。また、図4により、実施例2と同従来法による比較例のI−V特性を比較すると、実施例2の燃料電池が従来法の燃料電池よりも優れたI−V特性を発揮することが分かった。さらに、図3と図4に示された実施例1と実施例2のI−V特性を比較すると、実施例2の燃料電池が実施例1の燃料電池よりも優れたI−V特性を発揮することが分かった。 FIG. 3 shows that when the IV characteristics of Example 1 and the comparative example by the conventional method are compared, the fuel cell of Example 1 exhibits an IV characteristic superior to that of the conventional fuel cell. Also, referring to FIG. 4, when comparing the IV characteristics of Example 2 and the comparative example by the conventional method, the fuel cell of Example 2 exhibits the IV characteristics superior to the conventional fuel cell. I understood. Further, when the IV characteristics of Example 1 and Example 2 shown in FIGS. 3 and 4 are compared, the fuel cell of Example 2 exhibits better IV characteristics than the fuel cell of Example 1. I found out that
以上を総合すると、本発明に係る製造方法によれば、従来よりもプロトン伝導性が優れたH型電解質膜を製造することができ、さらに、F型電解質膜に強アルカリ剤と水に、アルコール、さらにはF型電解質樹脂を加えた混合溶液を反応させて、該F型電解質膜を加水分解する工程を含む本発明に係る製造方法によれば、さらにプロトン伝導性が優れたH型電解質膜を製造することができることが分かった。 In summary, according to the production method of the present invention, it is possible to produce an H-type electrolyte membrane having a proton conductivity superior to that of the prior art, and further, an F-type electrolyte membrane with a strong alkali agent and water with alcohol. Furthermore, according to the manufacturing method according to the present invention including the step of hydrolyzing the F-type electrolyte membrane by reacting the mixed solution to which the F-type electrolyte resin is added, the H-type electrolyte membrane having further excellent proton conductivity It was found that can be manufactured.
尚、本発明の燃料電池用電解質膜の製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 In addition, the manufacturing method of the electrolyte membrane for fuel cells of this invention is not limited to above-described embodiment, Of course, various changes can be added within the range which does not deviate from the summary of this invention.
1:F型電解質膜、4A、4K、7A、7K:混合溶液、9A、9B:水蒸気、10:蒸気曝露後のF型電解質膜、11、15:H型電解質膜 1: F type electrolyte membrane, 4A, 4K, 7A, 7K: Mixed solution, 9A, 9B: Water vapor, 10: F type electrolyte membrane after vapor exposure, 11, 15: H type electrolyte membrane
Claims (4)
該加水分解工程後のF型電解質膜を、水蒸気に曝露し、F型電解質膜の内部に向って均一に加水分解を行う蒸気曝露工程と、
該蒸気曝露工程後のF型電解質膜を酸処理し、H型電解質膜に変換する酸処理工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用電解質膜の製造方法。 A hydrolysis step of hydrolyzing at least the surface layer portion of the F-type electrolyte membrane by adding alcohol to the F-type electrolyte membrane and applying or impregnating a mixed solution containing the F-type electrolyte resin to the alcohol;
A steam exposure step in which the F-type electrolyte membrane after the hydrolysis step is exposed to water vapor, and the hydrolysis is uniformly performed toward the inside of the F-type electrolyte membrane ;
And an acid treatment step for converting the F-type electrolyte membrane after the vapor exposure step into an H-type electrolyte membrane, and a method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell.
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