JP2008146985A - Manufacturing method of regenerated electrolyte membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、再生時に劣化を最大限抑制した状態で再生電解質膜を得ることができる再生電解質膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a regenerative electrolyte membrane capable of obtaining a regenerative electrolyte membrane in a state in which deterioration is suppressed to the maximum during regeneration.
燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極複合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、膜電極複合体の両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下、単に燃料電池と称する場合がある。)は、低温領域での運転が可能である。また、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。 A fuel cell uses a membrane electrode composite to generate electric energy generated by an electrochemical reaction in a membrane electrode assembly (MEA) comprising an electrolyte and electrodes (anode and cathode) disposed on both sides of the electrolyte. It is taken out to the outside through separators disposed on both sides of the body. Among fuel cells, solid polymer fuel cells (hereinafter sometimes simply referred to as fuel cells) used in household cogeneration systems and automobiles can be operated in a low temperature region. In addition, since it exhibits high energy conversion efficiency, has a short start-up time, and has a small and lightweight system, it has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power supplies.
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層(アノード側触媒電極層およびカソード側触媒電極層)が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配置されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。 A unit cell, which is the minimum power generation unit of a solid polymer electrolyte fuel cell, generally comprises a membrane electrode assembly in which catalyst electrode layers (anode side catalyst electrode layer and cathode side catalyst electrode layer) are bonded to both sides of a solid electrolyte membrane. A gas diffusion layer is disposed on both sides of the membrane electrode assembly. Furthermore, a separator having a gas flow path is disposed outside thereof, and the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst electrode layer of the membrane electrode composite are passed through the gas diffusion layer, It works to transmit the current obtained by power generation to the outside.
ここで、電解質膜はプロトンの移動媒体、及び水素ガスや酸素ガスの隔膜として機能している。従って、電解質膜としては高いプロトン伝導性、強度、化学的安定性が要求され、現在のところ、このような機能を有する膜材料としては、例えば、米国デュポン社製の「ナフィオン(商品名)」や旭硝子(株)製の「フレミオン(商品名)」に代表されるパーフルオロスルホン酸ポリマー等のスルホン酸基を有する含フッ素系ポリマーが使用されている。 Here, the electrolyte membrane functions as a proton transfer medium and a hydrogen gas or oxygen gas diaphragm. Therefore, high proton conductivity, strength, and chemical stability are required for the electrolyte membrane. At present, as a membrane material having such a function, for example, “Nafion (trade name)” manufactured by DuPont, USA. Fluorine-containing polymers having a sulfonic acid group such as perfluorosulfonic acid polymer represented by “Flemion (trade name)” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. are used.
また、触媒電極層の触媒としては、一般に白金等の貴金属をカーボン等の電子伝導性を有する担体に担時したものが用いられている。この触媒電極層に担時されている触媒上へのプロトン移動を媒介し、該触媒の利用効率を高める目的で、プロトン伝導性高分子電解質が用いられているが、この材料としても電解質膜と同じパーフルオロスルホン酸ポリマー等のスルホン酸基を有する含フッ素系ポリマーを使用することができる。スルホン酸基を有する含フッ素系ポリマーは触媒電極層の触媒のバインダーとして、あるいは電解質膜と触媒電極層との密着性を向上させるための結合剤としての役割も担わせることもできる。 Further, as a catalyst for the catalyst electrode layer, a catalyst in which a noble metal such as platinum is supported on a carrier having electron conductivity such as carbon is generally used. A proton conductive polymer electrolyte is used for the purpose of mediating proton transfer onto the catalyst carried by the catalyst electrode layer and increasing the utilization efficiency of the catalyst. Fluorine-containing polymers having a sulfonic acid group such as the same perfluorosulfonic acid polymer can be used. The fluorine-containing polymer having a sulfonic acid group can also serve as a binder for the catalyst of the catalyst electrode layer or as a binder for improving the adhesion between the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer.
このように、固体高分子電解質型燃料電池においては、含フッ素系ポリマーや貴金属を構成材料として用いる場合が多い。電解質膜等として用いられているパーフルオロスルホン酸ポリマー等のスルホン酸基を有する含フッ素系ポリマーは、極めて高価な材料であり、環境に与える影響も大きい。また、触媒電極層中の触媒である白金等も高価なものである。したがって、燃料電池を省資源に低価格で商業化するためには、これらの膜電極複合体中の電解質膜、触媒電極層中の貴金属類等をリサイクルつまり、再利用することが重要な技術的課題の一つである。 Thus, in a polymer electrolyte fuel cell, a fluorine-containing polymer or a noble metal is often used as a constituent material. A fluorine-containing polymer having a sulfonic acid group such as a perfluorosulfonic acid polymer used as an electrolyte membrane is an extremely expensive material and has a great influence on the environment. Moreover, platinum etc. which are the catalysts in a catalyst electrode layer are also expensive. Therefore, in order to commercialize fuel cells at low cost in a resource-saving manner, it is important to recycle, that is, reuse, the electrolyte membranes in these membrane electrode composites and the noble metals in the catalyst electrode layer. One of the challenges.
例えば、特許文献1では、膜電極複合体をメタノールに浸漬し電解質膜内の水をメタノールに置換することにより電解質膜を膨張させ、電解質膜と触媒電極層とを接合するプロトン導電性固体高分子溶液の硬化物を溶解し、電解質膜と触媒電極層との界面の接着力を低下させて触媒電極層を剥離し電解質膜を回収する方法、すなわち、再生電解質膜を得る方法を開示している。しかしながら、メタノール等の有機溶媒を使用した場合、電解質膜の成分が溶出し、電解質膜が劣化することで、回収された電解質膜(再生電解質膜)の化学的および機械的な強度等が低下してしまうという問題があった。また、特許文献2では、含水した膜電極複合体に応力を加えた状態で凍結させて、外部応力を加えることによって電解質膜を回収する方法(再生電解質膜の製造方法)を開示している。この場合、外部応力を加える工程を経る必要があり、外部応力によって電解質膜自体を劣化させてしまうおそれがあった。
For example, in
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、再生時の劣化を最大限抑制した再生電解質膜を得ることができる再生電解質膜の製造方法を提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has as its main object to provide a method for producing a regenerative electrolyte membrane capable of obtaining a regenerative electrolyte membrane that suppresses deterioration during regeneration to the maximum extent. is there.
上記目的を達成するために、本発明においては、含水した膜電極複合体を、0℃をまたぐ冷熱サイクル環境下におくことにより、触媒電極層を電解質膜から分離する触媒電極層・電解質膜分離工程を有することを特徴とする再生電解質膜の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation in which the catalyst electrode layer is separated from the electrolyte membrane by placing the hydrated membrane electrode composite in a cold cycle environment over 0 ° C. There is provided a method for producing a regenerative electrolyte membrane characterized by comprising steps.
本発明によれば、上記工程を経ることにより、電解質膜をほとんど劣化させることなく、触媒電極層を電解質膜から分離することができ、再生時の劣化を最大限抑制した再生電解質膜を得ることができるという利点を有する。 According to the present invention, through the above steps, the catalyst electrode layer can be separated from the electrolyte membrane with almost no deterioration of the electrolyte membrane, and a regenerated electrolyte membrane that suppresses deterioration during regeneration to the maximum is obtained. Has the advantage of being able to
また、上記発明においては、上記冷熱サイクルの降温速度が、降温中に膜電極複合体中の水が触媒電極層と電解質膜との界面に留まるような速度であることが好ましい。上記のような降温速度であれば、膜電極複合体中の触媒電極層と電解質膜との界面に水が留まる。このため、0℃をまたぐ冷熱サイクルに伴う水の状態変化に起因した体積膨張による触媒電極層の電解質膜からの分離が良好に行われ、劣化を抑制した所望の再生電解質膜を得ることができるからである。 Moreover, in the said invention, it is preferable that the temperature-fall rate of the said cooling-heat cycle is a speed | rate which the water in a membrane electrode assembly stays in the interface of a catalyst electrode layer and an electrolyte membrane during temperature fall. If the temperature lowering rate is as described above, water remains at the interface between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane in the membrane electrode assembly. For this reason, the separation of the catalyst electrode layer from the electrolyte membrane due to the volume expansion caused by the change in the state of water accompanying the cooling cycle over 0 ° C. can be performed satisfactorily, and a desired regenerated electrolyte membrane with suppressed deterioration can be obtained. Because.
本発明においては、再生時の劣化を最大限抑制した再生電解質膜を得ることができるという効果を奏する。 In this invention, there exists an effect that the reproduction | regeneration electrolyte membrane which suppressed the deterioration at the time of reproduction | regeneration to the maximum can be obtained.
本発明の再生電解質膜の製造方法について、以下詳細に説明する。 The method for producing the regenerative electrolyte membrane of the present invention will be described in detail below.
本発明の再生電解質膜の製造方法は、含水した膜電極複合体を、0℃をまたぐ冷熱サイクル環境下におくことにより、触媒電極層を電解質膜から分離する触媒電極層・電解質膜分離工程を有することを特徴とするものである。 The method for producing a regenerative electrolyte membrane according to the present invention comprises a catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step of separating the catalyst electrode layer from the electrolyte membrane by placing the water-containing membrane electrode composite in a cold cycle environment over 0 ° C. It is characterized by having.
本発明によれば、上記工程を経ることにより、電解質膜をほとんど劣化させることなく触媒電極層を電解質膜から分離することができ、再生時の劣化を最大限抑制した再生電解質膜を得ることができるという利点を有する。 According to the present invention, the catalyst electrode layer can be separated from the electrolyte membrane through the above steps with almost no deterioration of the electrolyte membrane, and a regenerated electrolyte membrane that suppresses deterioration during regeneration to the maximum can be obtained. It has the advantage of being able to.
本発明の再生電解質膜の製造方法は、少なくとも上記触媒電極層・電解質膜分離工程を有するものであれば、特に限定されるものではなく、他の工程を有していても良い。
以下、本発明の再生電解質膜の製造方法における各工程について、詳細に説明する。
The method for producing a regenerative electrolyte membrane of the present invention is not particularly limited as long as it has at least the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step, and may have other steps.
Hereinafter, each process in the manufacturing method of the reproduction | regeneration electrolyte membrane of this invention is demonstrated in detail.
1.触媒電極層・電解質膜分離工程
本発明における触媒電極層・電解質膜分離工程について説明する。本発明の触媒電極層・電解質膜分離工程とは、含水させた、図1に示すような、電解質膜2が中心に配置され、触媒電極層3で挟持されている膜電極複合体1を、0℃をまたぐ冷熱サイクル環境下におくことにより、触媒電極層3を電解質膜2から分離する工程である。
1. Catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step The catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step in the present invention will be described. The catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step of the present invention is a water-containing
本工程において、上記の0℃をまたぐ冷熱サイクルとは、0℃を挟んで、0℃より高い所定の温度(以下、高温側保持温度と称する場合がある。)と0℃以下の所定の温度(以下、低温側保持温度と称する場合がある。)との温度範囲で、温度を上下させて行う冷熱サイクルである。具体的には、恒温槽内で温度を上下させる方法等が挙げられる。 In this step, the above-described cooling cycle over 0 ° C. means a predetermined temperature higher than 0 ° C. (hereinafter sometimes referred to as a high temperature side holding temperature) and a predetermined temperature of 0 ° C. or lower across 0 ° C. This is a cooling cycle that is performed by raising and lowering the temperature within a temperature range (hereinafter, sometimes referred to as a low temperature holding temperature). Specifically, a method of raising or lowering the temperature in a constant temperature bath can be used.
本工程を経ることにより、電解質膜をほとんど劣化させることなく触媒電極層を電解質膜から分離することができ、劣化を抑制した再生電解質膜を得ることができる。これは以下の理由によるものと推定することができる。図2は本工程における冷熱サイクルによる触媒電極層と電解質膜との分離機構の一例を示した模式図である。図2では、電解質膜2および、アノード側触媒電極層かカソード側触媒電極層のいずれか一方の触媒電極層3を示している。室温等の0℃より高い所定の温度(高温側保持温度)で水4を飽和状態まで含ませた状態(図2(a))から、0度以下、すなわち、氷点下状態の所定の温度(低温側保持温度)まで徐々に温度を下げていくと、まず膜電極複合体の温度が触媒電極層3側から冷却されていくので、触媒電極層3中に氷5が生成してくる(図2(b))。その後、更に温度を下げていくと、電解質膜2は温度によって含有することができる水の量が変化する。すなわち、温度が低くなるほど、電解質膜2が含有することのできる水の量(含水量)が減少するので、温度の低下とともに、水4が電解質膜2から触媒電極層3側に染み出してきて、電解質膜2と触媒電極層3との界面付近に水が溜まる(図2(c))。更に冷却をしていくと、上記界面には隙間が存在しており、ここで水4が凍結して氷5が成長する(図2(d))。氷5の成長に伴って、体積膨張が起こるので、電解質膜2と触媒電極層3との界面で亀裂が生成する。このような0℃をまたぐ冷熱サイクルを所定の回数繰り返すことにより、触媒電極層3が電解質膜2から剥離等するため、分離することができる。この後、水洗浄等すれば再生電解質膜を得ることができる。以上のように、含水させた膜電極複合体をこのような0℃をまたぐ冷熱サイクル環境下におくことにより、電解質膜をほとんど劣化させることなく、電解質膜から触媒電極層を分離することができる。
Through this step, the catalyst electrode layer can be separated from the electrolyte membrane with almost no deterioration of the electrolyte membrane, and a regenerated electrolyte membrane with suppressed deterioration can be obtained. This can be presumed to be due to the following reason. FIG. 2 is a schematic view showing an example of a separation mechanism of the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane by the cooling cycle in this step. FIG. 2 shows the
本工程において、上記の高温側保持温度から上記の低温側保持温度まで降温するときの降温速度は、降温中に膜電極複合体中の水が触媒電極層と電解質膜との界面に留まるような速度であることが好ましく、具体的には1.0℃/min以上が好ましく、中でも5.0℃/min以上、特に5.0〜10.0℃/minの範囲内であることが好ましい。降温速度が上記範囲より小さい場合、すなわち、降温速度がより遅くなってしまうと、膜電極複合体中の触媒電極層と電解質膜との界面に水が留まらずに膜電極複合体の外部に水が排出されてしまう。このため、0℃をまたぐ冷熱サイクルに伴う水の状態変化に起因した体積膨張による触媒電極層の分離が阻害され、触媒電極層の剥離が生じず所望の再生電解質膜を得ることができないおそれがある。 In this step, the cooling rate when the temperature is lowered from the high temperature holding temperature to the low temperature holding temperature is such that the water in the membrane electrode assembly stays at the interface between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane during the temperature drop. It is preferably a speed, specifically 1.0 ° C./min or more, more preferably 5.0 ° C./min or more, and particularly preferably in the range of 5.0 to 10.0 ° C./min. When the rate of temperature decrease is smaller than the above range, that is, when the rate of temperature decrease becomes slower, water does not stay at the interface between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane in the membrane electrode assembly, and water is discharged outside the membrane electrode assembly. Will be discharged. For this reason, the separation of the catalyst electrode layer due to the volume expansion caused by the water state change accompanying the cooling cycle over 0 ° C. is hindered, and there is a possibility that the catalyst electrode layer does not peel and the desired regenerated electrolyte membrane cannot be obtained. is there.
また、本工程において、上記の低温側保持温度から上記の高温側保持温度まで昇温するときの昇温速度は、昇温した後、上記の高温側保持温度にて所定の時間保持した後に膜電極複合体中の氷が溶解して十分に水になっていれば良く、特に限定されるものではないが、具体的には1.0〜20.0℃/minの範囲内、中でも1.0〜10.0℃/minの範囲内、特に5.0〜10.0℃/minの範囲内であることが好ましい。 Further, in this step, the rate of temperature rise when raising the temperature from the low temperature side holding temperature to the high temperature side holding temperature is as follows. There is no particular limitation as long as the ice in the electrode complex is melted and sufficiently water, and is not particularly limited, but is specifically within the range of 1.0 to 20.0 ° C./min. It is preferably in the range of 0 to 10.0 ° C./min, particularly in the range of 5.0 to 10.0 ° C./min.
また、上記の0℃をまたぐ冷熱サイクルにおける高温側保持温度は、0℃より高い温度であれば良いが、中でも10〜90℃の範囲内、特に40〜80℃の範囲内であることが好ましい。上記高温側保持温度が高すぎると、膜電極複合体が溶けてしまう等、劣化してしまうおそれがある。また、上記高温側保持温度低すぎると、膜電極複合体中の氷が溶解して十分に水にならない可能性があり、0℃をまたぐ冷熱サイクルに伴う水の状態変化に起因した体積膨張による触媒電極層の分離が阻害され、劣化を抑制した所望の再生電解質膜を得ることができないおそれがあるからである。 Moreover, the high temperature side holding temperature in the above-mentioned cooling cycle over 0 ° C. may be a temperature higher than 0 ° C., but it is preferably in the range of 10 to 90 ° C., particularly in the range of 40 to 80 ° C. . If the high temperature side holding temperature is too high, the membrane electrode assembly may be melted or deteriorated. Moreover, if the above-mentioned high temperature side holding temperature is too low, the ice in the membrane electrode assembly may be melted and not sufficiently converted to water, which is caused by the volume expansion caused by the water state change accompanying the cooling cycle over 0 ° C. This is because separation of the catalyst electrode layer is hindered, and there is a possibility that a desired regenerated electrolyte membrane with suppressed deterioration cannot be obtained.
また、上記高温側保持温度での保持時間は、膜電極複合体中の氷が溶解して十分に水になるまで高温側保持温度で保持することが好ましく、具体的には0.1時間以上、中でも0.1〜6時間の範囲内、特に0.5〜2時間の範囲内であることが好ましい。 The holding time at the high temperature holding temperature is preferably held at the high temperature holding temperature until the ice in the membrane electrode assembly melts and becomes sufficiently water, specifically 0.1 hour or more. In particular, it is preferably within a range of 0.1 to 6 hours, particularly preferably within a range of 0.5 to 2 hours.
上記の0℃をまたぐ冷熱サイクルにおける低温側保持温度としては、0℃以下の温度であれば良いが、中でも−1〜−40℃の範囲内、特に−10〜−30℃の範囲内であることが好ましい。上記低温側保持温度が低すぎると、膜電極複合体が劣化してしまうおそれがある。また、上記低温側保持温度が高すぎると、膜電極複合体中の水が凍結して十分に氷にならない可能性があり、0℃をまたぐ冷熱サイクルに伴う水の状態変化に起因した体積膨張による触媒電極層の分離が阻害され、劣化を抑制した所望の再生電解質膜を得ることができないおそれがあるからである。 The low temperature side holding temperature in the above-described cooling cycle over 0 ° C. may be a temperature of 0 ° C. or less, but is particularly in the range of −1 to −40 ° C., particularly in the range of −10 to −30 ° C. It is preferable. If the low temperature side holding temperature is too low, the membrane electrode assembly may be deteriorated. In addition, if the low temperature holding temperature is too high, the water in the membrane electrode assembly may freeze and not become enough ice, and the volume expansion caused by the water state change accompanying the cooling cycle over 0 ° C. This is because the separation of the catalyst electrode layer due to the formation is hindered, and there is a possibility that a desired regenerated electrolyte membrane with suppressed deterioration cannot be obtained.
上記低温側保持温度での保持時間は、膜電極複合体中の水が凍結して十分に氷になるまで低温側保持温度で保持することが好ましく、具体的には0.5時間以上、中でも0.5〜6時間の範囲内、特に0.5〜2時間の範囲内であることが好ましい。 The holding time at the low-temperature holding temperature is preferably held at the low-temperature holding temperature until the water in the membrane electrode assembly freezes and becomes sufficiently ice, specifically 0.5 hours or more. It is preferably within a range of 0.5 to 6 hours, particularly preferably within a range of 0.5 to 2 hours.
また、上記の0℃をまたぐ冷熱サイクルの繰り返し回数は、降温して低温側保持温度で所定の時間保持し、その後さらに高温側保持温度まで昇温して所定の時間保持する冷熱サイクルを1回(1サイクル)とすると、具体的には1回以上、中でも1〜50回の範囲内、特に1〜20回の範囲内であることが好ましい。 The number of repetitions of the above-mentioned cooling cycle over 0 ° C. is one cooling cycle in which the temperature is lowered and held at the low temperature holding temperature for a predetermined time, and then further raised to the high temperature holding temperature and held for a predetermined time. When it is (1 cycle), specifically, it is preferably 1 or more times, more preferably 1 to 50 times, particularly preferably 1 to 20 times.
本工程においては、上記の冷熱サイクルを所定の回数繰り返した後、水洗浄等によって、電解質膜と触媒電極層とを分離させることで、再生電解質膜を得ることができる。具体的には、水中で超音波による洗浄等を行うことによって電解質膜と触媒電極層とを分離させる方法等が挙げられる。 In this step, after the above cooling cycle is repeated a predetermined number of times, the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer are separated by washing with water or the like, whereby a regenerated electrolyte membrane can be obtained. Specifically, a method of separating the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer by washing with ultrasonic waves in water and the like can be mentioned.
本工程においては、含水させた膜電極複合体中の水が蒸発しないようにして冷熱サイクルを行うことが好ましい。具体的には、密閉容器等に入れて機密状態にした状態で冷熱サイクルを行う方法等が挙げられる。また、膜電極複合体の周囲の湿度を、膜電極複合体中の水が蒸発しない程度まで十分高い状態とし、冷熱サイクルを行う方法等を用いても良い。
これは、本工程で含水させた膜電極複合体を、上述した触媒電極層・電解質膜分離工程の冷熱サイクル条件下におくと、恒温槽中で膜電極複合体中の水分が蒸発してしまう可能性がある。このような蒸発によって膜電極複合体中に、十分に水分が存在しないような状態になると、0℃をまたぐ冷熱サイクルに伴う水の状態変化に起因した体積膨張による触媒電極層内、および触媒電極層と電解質膜との界面での亀裂発生が起こりにくくなる。このため、冷熱サイクル環境下においた場合でも触媒電極層を電解質膜から良好に分離できず、所望の再生電解質膜を得ることができないおそれがあるからである。
In this step, it is preferable to carry out a cooling cycle so that the water in the membrane electrode assembly containing water does not evaporate. Specifically, a method of performing a cooling / heating cycle in a sealed state or the like in a sealed state can be used. Alternatively, a method in which the humidity around the membrane electrode assembly is sufficiently high to the extent that the water in the membrane electrode assembly does not evaporate, and a cooling cycle is performed may be used.
This is because the water in the membrane electrode composite will evaporate in the thermostatic bath if the membrane electrode composite containing water in this step is subjected to the above-described cooling cycle conditions of the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step. there is a possibility. When the membrane electrode composite is in a state where there is not enough moisture by such evaporation, the catalyst electrode layer in the catalyst electrode layer due to the volume expansion caused by the state change of water accompanying the cooling cycle over 0 ° C., and the catalyst electrode Cracks are less likely to occur at the interface between the layer and the electrolyte membrane. For this reason, it is because there exists a possibility that a catalyst electrode layer cannot be favorably isolate | separated from an electrolyte membrane, and a desired reproduction | regeneration electrolyte membrane cannot be obtained even when it is in a cold-heat cycle environment.
2.その他の工程
本発明においては、上記触媒電極層・電解質膜分離工程の前後に、(1)前処理工程、および(2)後処理工程を行うことができる。
(1)前処理工程
まず、上記の前処理工程について説明する。本発明の再生電解質膜の製造方法は上記触媒電極層・電解質膜分離工程前に前処理工程を行うことができ、上記前処理工程としては、例えば、(a)膜電極複合体回収工程、(b)膜電極複合体含水工程等が挙げられる。以下、各工程について、詳細に説明する。
2. Other Steps In the present invention, (1) a pretreatment step and (2) a posttreatment step can be performed before and after the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step.
(1) Pretreatment process First, the above pretreatment process will be described. The method for producing a regenerative electrolyte membrane of the present invention can perform a pretreatment step before the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step. Examples of the pretreatment step include (a) membrane electrode assembly recovery step, ( b) Membrane electrode composite water-containing step and the like. Hereinafter, each step will be described in detail.
(a)膜電極複合体回収工程
膜電極複合体回収工程について説明する。膜電極複合体回収工程とは、発電後の燃料電池から膜電極複合体を回収する工程である。図3は一般的な燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。図3に示すように燃料電池6においては、固体電解質膜2が触媒電極層3により挟持されており、この固体電解質膜2と触媒電極層3からなる膜電極複合体1のさらにその外側にガス拡散層7、セパレータ8が配されている。膜電極複合体1を回収するためには、まず、燃料電池6からセパレータ8を取り外す。例えば、使用済み、あるいは欠陥等の理由でリサイクルに供される燃料電池6から、締め付けボルト等を引き抜いて、セパレータ8を取り外す。その後、ガス拡散層7を分離させることにより膜電極複合体1を得ることができる。ガス拡散層7は触媒電極層3とガス拡散層7との界面、もしくは触媒電極層3の内部から比較的容易に分離することができるが、例えば、スライサー等で触媒電極層3とガス拡散層7との界面等をスライスしてガス拡散層7を分離させる方法を用いても良い。
(A) Membrane electrode composite recovery step The membrane electrode composite recovery step will be described. The membrane electrode assembly recovery step is a step of recovering the membrane electrode assembly from the fuel cell after power generation. FIG. 3 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of a general fuel cell. As shown in FIG. 3, in the
(b)膜電極複合体含水工程
次に、膜電極複合体含水工程について説明する。膜電極複合体含水工程とは、上記の膜電極複合体回収工程で回収された膜電極複合体を含水させる工程である。含水させる方法としては、膜電極複合体に含水させることができれば特に限定されるものではないが、例えば、常温で純水等に浸漬させて、膜電極複合体中の水が飽和状態になるまで放置しておく方法等が挙げられる。
(B) Membrane electrode composite water-containing step Next, the membrane electrode composite water-containing step will be described. The membrane electrode composite water-containing step is a step of containing the membrane electrode composite recovered in the membrane electrode composite recovery step. The method of hydrating is not particularly limited as long as it can be hydrated in the membrane electrode assembly. For example, until the water in the membrane electrode assembly is saturated by immersing in pure water at room temperature. For example, a method of leaving it to stand.
(2)後処理工程
次に、後処理工程について説明する。本発明の再生電解質膜の製造方法は上記触媒電極層・電解質膜分離工程後に後処理工程を行うことができる。このような後処理工程としては、例えば、(a)乾燥工程、(b)コンタミネーション除去工程、(c)貴金属等回収工程等が挙げられる。以下、各工程について、詳細に説明する。
(2) Post-processing step Next, the post-processing step will be described. The method for producing a regenerative electrolyte membrane of the present invention can perform a post-treatment step after the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step. Examples of such a post-treatment process include (a) a drying process, (b) a contamination removal process, and (c) a precious metal recovery process. Hereinafter, each step will be described in detail.
(a)乾燥工程
本工程は、上記の触媒電極層・電解質膜分離工程で得られた再生電解質膜等を乾燥させる工程である。本工程は、例えば、室温に放置することで完全に乾燥させる方法、乾燥室等で加熱処理を行うことによって乾燥させる方法等が挙げられる。上記の加熱処理によって乾燥させる場合には、具代的には0℃以上、中でも20〜100℃の範囲内、特に40〜80℃の範囲内であることが好ましい。
(A) Drying step This step is a step of drying the regenerated electrolyte membrane and the like obtained in the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step. Examples of this step include a method of completely drying by leaving at room temperature and a method of drying by performing a heat treatment in a drying chamber or the like. In the case of drying by the above heat treatment, it is preferable that the temperature is typically 0 ° C. or higher, particularly 20 to 100 ° C., particularly 40 to 80 ° C.
(b)コンタミネーション除去工程
次に、コンタミネーション除去工程について説明する。コンタミネーション除去工程とは、上記の触媒電極層・電解質膜分離工程で得られた再生電解質膜中のコンタミネーションを除去するための処理を行う工程である。具体的には、再生電解質膜中の有機物を除去する過酸化水素処理、再生電解質膜中の金属イオン等を除去する硫酸処理等が挙げられる。
(B) Contamination Removal Step Next, the contamination removal step will be described. The contamination removal step is a step of performing a treatment for removing contamination in the regenerated electrolyte membrane obtained in the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step. Specifically, hydrogen peroxide treatment for removing organic substances in the regenerative electrolyte membrane, sulfuric acid treatment for removing metal ions and the like in the regenerative electrolyte membrane, and the like can be mentioned.
(c)貴金属等回収工程
本工程は、上記の触媒電極層・電解質膜分離工程で電解質膜を分離した際に得られる触媒電極層中の貴金属等を回収する工程である。触媒電極層から白金等の触媒貴金属を回収する具体的な方法としては、従来の金属回収方法、例えば、燃焼法、王水溶解法、アルカリ溶融法、硫酸溶解法、および分離した触媒電極層を細粉比して水中に攪拌させ、その後、ろ過等により回収することによって、燃料電池用の触媒として再利用する方法等を適用することができる。また、分離した際に得られる触媒電極層を、そのまま脱水して、有機溶媒等に溶かし込んで電極用インクとして再利用しても良い。
(C) Noble metal recovery step This step is a step of recovering the noble metal and the like in the catalyst electrode layer obtained when the electrolyte membrane is separated in the catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation step. Specific methods for recovering catalytic noble metals such as platinum from the catalyst electrode layer include conventional metal recovery methods such as the combustion method, aqua regia dissolution method, alkali melting method, sulfuric acid dissolution method, and the separated catalyst electrode layer. A method of reusing as a catalyst for a fuel cell can be applied by stirring the powder in water and then collecting it by filtration or the like. Further, the catalyst electrode layer obtained upon separation may be dehydrated as it is, dissolved in an organic solvent, and reused as electrode ink.
3.用途
本発明の再生電解質膜の製造方法で得られた再生時の劣化を最大限抑制した再生電解質膜の用途としては、特に限定されるものではないが、例えば、自動車用の燃料電池の膜電極複合体の電解質膜等として、用いることができる。
3. Uses Although there is no particular limitation on the use of the regenerated electrolyte membrane obtained by the regenerated electrolyte membrane manufacturing method of the present invention that suppresses deterioration during regeneration as much as possible, for example, a membrane electrode of an automobile fuel cell It can be used as an electrolyte membrane of a composite.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[実施例]
(膜電極複合体回収工程)
燃料電池スタックからセルモジュール(セパレータ、ガス拡散層、膜電極複合体一体構造物)を取り出し、締め付けボルトを引き抜いて、セパレータを分離した。その後、ガス拡散層を引き剥がして分離し、膜電極複合体を得た。
(膜電極複合体含水工程)
次に、膜電極複合体回収工程で得られた膜電極複合体を、水を入れたポリエチレン製のチャック付袋中に膜電極複合体中の水が飽和状態になるまで30分間浸漬した。その後、膜電極複合体中の水分を保持するために、密閉した。
[Example]
(Membrane electrode composite recovery process)
The cell module (separator, gas diffusion layer, membrane electrode assembly integrated structure) was taken out from the fuel cell stack, and the clamping bolt was pulled out to separate the separator. Thereafter, the gas diffusion layer was peeled off and separated to obtain a membrane electrode assembly.
(Membrane electrode composite hydrous process)
Next, the membrane electrode composite obtained in the membrane electrode composite recovery step was immersed in a polyethylene zipper bag containing water for 30 minutes until the water in the membrane electrode composite became saturated. Thereafter, the membrane electrode assembly was sealed in order to retain moisture.
(触媒電極層・電解質膜分離工程)
膜電極複合体含水工程で飽和状態になるまで含水し、袋に封入、密閉された膜電極複合体を恒温槽中で0℃をまたぐ冷熱サイクル環境下においた。冷熱サイクルの条件としては、60℃から2時間で降温して−40℃で1時間保持し、その後さらに60℃まで2時間で昇温して1時間保持する冷熱サイクルを行った。これを1サイクルとして、この条件の冷熱サイクルを10回繰り返し(10サイクル)行った。冷熱サイクルを行った後の膜電極複合体は、密閉していた袋から取り出し、水洗浄することによって電解質膜表面に付着した触媒電極層を電解質膜から除去した。その後、乾燥室で加熱処理を行うことによって乾燥させ、再生電解質膜を得た。
(Catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation process)
The membrane electrode composite was hydrated in the water-containing step until it was saturated, sealed in a bag, and sealed. The membrane electrode composite was placed in a constant temperature bath in a cold cycle environment over 0 ° C. The conditions for the cooling / heating cycle were a cooling / heating cycle in which the temperature was lowered from 60 ° C. in 2 hours and held at −40 ° C. for 1 hour, and further raised to 60 ° C. in 2 hours and held for 1 hour. With this as one cycle, the cooling / heating cycle under these conditions was repeated 10 times (10 cycles). The membrane electrode assembly after the cooling / heating cycle was taken out from the sealed bag and washed with water to remove the catalyst electrode layer adhering to the electrolyte membrane surface from the electrolyte membrane. Then, it dried by performing heat processing in a drying chamber, and obtained the reproduction | regeneration electrolyte membrane.
[比較例]
(膜電極複合体回収工程)
燃料電池スタックからセルモジュール(セパレータ、ガス拡散層、膜電極複合体一体構造物)を取り出し、締め付けボルトを引き抜いて、セパレータを分離した。その後、ガス拡散層を引き剥がして分離して膜電極複合体を得た。
[Comparative example]
(Membrane electrode composite recovery process)
The cell module (separator, gas diffusion layer, membrane electrode assembly integrated structure) was taken out from the fuel cell stack, and the clamping bolt was pulled out to separate the separator. Thereafter, the gas diffusion layer was peeled off and separated to obtain a membrane electrode assembly.
(触媒電極層・電解質膜分離工程)
次に、エタノールを十分浸漬させたガーゼを用いて、膜電極複合体から触媒電極層を掻きとった。その後、電解質膜の異物等を水洗除去し、乾燥室で加熱処理を行うことによって乾燥させ、再生電解質膜を得た。
(Catalyst electrode layer / electrolyte membrane separation process)
Next, the catalyst electrode layer was scraped off from the membrane electrode assembly using gauze sufficiently immersed in ethanol. Then, the foreign material etc. of the electrolyte membrane were removed by washing with water, and dried by performing a heat treatment in a drying chamber to obtain a regenerated electrolyte membrane.
[評価]
実施例及び比較例で得られた再生電解質膜の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。測定条件は以下のとおりである。
加速電圧:5kV
エミッション電流:10μA
SEM観察の結果を図4に示す。図4(a)は実施例のSEM写真、図4(b)は比較例のSEM写真である。図4(a)に示されるように、実施例で得られた再生電解質膜の表面は触媒電極層の残存が少なく、表面の傷等も少なかった。一方、図4(b)に示されるように、比較例で得られた再生電解質膜の表面は触媒電極層の残存が多く、表面の傷も多く観察された。これは、比較例で使用したエタノールによって、電解質膜の成分が溶出して劣化したことが主な原因であると推測された。
[Evaluation]
The surfaces of the regenerated electrolyte membranes obtained in the examples and comparative examples were observed with a scanning electron microscope (SEM). The measurement conditions are as follows.
Acceleration voltage: 5 kV
Emission current: 10μA
The result of SEM observation is shown in FIG. 4A is an SEM photograph of the example, and FIG. 4B is an SEM photograph of the comparative example. As shown in FIG. 4 (a), the surface of the regenerated electrolyte membrane obtained in the example had few remaining catalyst electrode layers and few surface scratches. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the surface of the regenerated electrolyte membrane obtained in the comparative example had many remaining catalyst electrode layers, and many scratches on the surface were observed. It was speculated that this was mainly due to the fact that the components of the electrolyte membrane were eluted and deteriorated by the ethanol used in the comparative example.
以上の結果から、実施例では、膜電極複合体が含水状態で氷点下になると、触媒電極層中および触媒電極層と電解質膜との界面の水が凍結する。これに伴って、体積膨張が起こり、触媒電極層と電解質膜との界面で亀裂が生じる。このような0℃をまたぐ冷熱サイクルを繰り返すことにより、電解質膜をほとんど劣化させることなく触媒電極層を電解質膜から分離することができ、劣化を抑制した再生電解質膜を得ることができた。 From the above results, in the examples, when the membrane electrode assembly is below freezing in a water-containing state, water in the catalyst electrode layer and at the interface between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane is frozen. Along with this, volume expansion occurs, and a crack occurs at the interface between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane. By repeating such a heat cycle over 0 ° C., the catalyst electrode layer can be separated from the electrolyte membrane with almost no deterioration of the electrolyte membrane, and a regenerated electrolyte membrane with suppressed deterioration can be obtained.
1 … 膜電極複合体
2 … 固体電解質膜
3 … 触媒電極層
4 … 水
5 … 氷
6 … 燃料電池
7 … ガス拡散層
8 … セパレータ
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