JP2016023371A - Proton exchange membrane for electrochemical cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a proton exchange membrane capable of preventing pumping cost or the like caused by a large amount of flows for exporting oxygen from rising higher.SOLUTION: There is provided a proton exchange membrane 1 having a first layer and a second layer consisting of a first material, further having a third layer arranged between the first layer and the second layer and consisting of a second material. The first material has a hydrogen permeation degree of 9 10m/ms at maximum under hydrogen differential pressure of 3 MPa and conductivity of at least 0.5 S/m, and has moisture absorption of at least 15 wt.% compared to the material under a dry condition, and the second material is a material having open pores. The first layer contacts with a catalyst layer of a first electrode 2, the second layer contacts with a catalyst layer of a second electrode 3 in a first part of the proton exchange membrane 1 and a third layer projects in a medium supply part in a second part of the proton exchange membrane 1, in an electrochemical cell having the proton exchange membrane 1.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本願は、プロトン交換膜に関する。さらに本願は、本願に記載されているプロトン交換膜を含んでいる電気化学セル、殊に電解セルに関する。   The present application relates to a proton exchange membrane. The present application further relates to an electrochemical cell, in particular an electrolysis cell, comprising a proton exchange membrane as described herein.

水電解は、いわゆるスタックの形態で存在するPEM(プロトン交換膜:Proton Exchange Membrane)電気分解装置において行われる。PEM電気分解装置は、一般に二極式の、積層されている複数の電気化学セルから成る。各電気化学セルは、イオンを通す膜によって分けられているアノードとカソードとを一つずつ有している。この膜は、PEM電気分解装置の場合には、プロトンを通す。 Water electrolysis, PEM (proton exchange membrane: P roton E xchange M embrane) present in the form of a so-called stack performed in the electrolyzer. A PEM electrolyzer generally comprises a plurality of stacked electrochemical cells that are bipolar. Each electrochemical cell has one anode and one cathode separated by a membrane through which ions pass. This membrane passes protons in the case of PEM electrolysers.

一般に、電気分解される水はアノード側に供給され、電極面にわたって流れる。この流れは、平行して配置されたまたはメアンダ状に配置された複数の水路によって、または、任意の多孔質構造体を介して分配される。この流れ分配構造体と触媒層との間に、フロー分配構造体が配置されている。このフロー分配構造体は、流れ分配構造体から触媒層へ反応用の水を搬送する、および、水電解時にアノードで生じる酸素を触媒層から流れ分配構造体へ搬送する、および、水電解時に放出された電子を搬送する。搬送による過電圧のためにセル電圧が高くなることなく、ひいては、電気分解装置の効率が低くなることなく、発生した気体の酸素を搬出するために、流れ分配構造体には、化学量論量を越えた(λ)多量の流水が供給されなければならない。ここでは、λ=100の値が典型的である。この結果、システム側で高いポンピングコストが発生し、水の準備および処理時にも高いコストが発生する。   In general, electrolyzed water is supplied to the anode side and flows over the electrode surface. This flow is distributed by a plurality of water channels arranged in parallel or meandered or through any porous structure. A flow distribution structure is disposed between the flow distribution structure and the catalyst layer. This flow distribution structure transports water for reaction from the flow distribution structure to the catalyst layer, and oxygen generated at the anode during water electrolysis to the flow distribution structure from the catalyst layer and releases during water electrolysis. Transported electrons. In order to carry out the generated gaseous oxygen without increasing the cell voltage due to the overvoltage due to the transport, and thus without reducing the efficiency of the electrolyzer, the flow distribution structure must have a stoichiometric amount. A large quantity of running water beyond (λ) must be supplied. Here, a value of λ = 100 is typical. As a result, a high pumping cost is generated on the system side, and a high cost is also generated during water preparation and treatment.

アノードの触媒層には直接的に、プロトン透過膜が接する。このプロトン透過膜は、水電解時に生じたプロトンがカソードへ搬送されることを保証する。ここで水電解は、圧力および温度が標準的な状態である場合には、標準水素電極(Normal Hydrogen Elektrode;
NHE)に対して1.23Vを上回る電圧で起こる。膜材料としては、主に、パーフルオロスルホン酸(PFSA)ベースのポリマーが使用される。
A proton permeable membrane is in direct contact with the catalyst layer of the anode. This proton permeable membrane ensures that protons generated during water electrolysis are transported to the cathode. Here water electrolysis, if the pressure and temperature is a standard condition, the standard hydrogen electrode (N ormal H ydrogen E lektrode;
Occurs at voltages above 1.23V relative to (NHE). As the membrane material, perfluorosulfonic acid (PFSA) based polymers are mainly used.

カソード側には、水素発生反応を促す、別の触媒層が続く。この触媒層にもフロー分配層が接している。このフロー分配層は、発生した水素ガスを触媒層から導き出すとともに、水素発生反応に必要な電子を供給する。カソードのフロー分配層は、水素を流れ分配構造体内に導く。流れ分配構造体は、アノードの場合と同様に、水路構造体として、または、多孔質構造体として形成され得る。流れ分配構造体は、水素をセルから搬出して、媒質路に供給する。この媒質路は、全てのセルから水素を集めて、最終的に、スタックの外に出す。カソードの流れ分配構造体内には主に、高圧下で気体の水素が搬送されるので、カソードの流れ分配構造体を、アノード側の流れ分配構造体よりも格段に薄く構成することができる。これによって、構築スペースとコストを抑えることができる。   On the cathode side is another catalyst layer that promotes the hydrogen evolution reaction. The flow distribution layer is also in contact with this catalyst layer. The flow distribution layer guides the generated hydrogen gas from the catalyst layer and supplies electrons necessary for the hydrogen generation reaction. The cathode flow distribution layer conducts hydrogen into the flow distribution structure. The flow distribution structure can be formed as a water channel structure or as a porous structure, as in the case of the anode. The flow distribution structure carries hydrogen out of the cell and supplies it to the media path. This media path collects hydrogen from all the cells and finally out of the stack. Since gaseous hydrogen is mainly carried under high pressure in the cathode flow distribution structure, the cathode flow distribution structure can be made much thinner than the anode-side flow distribution structure. As a result, the construction space and cost can be reduced.

通常は、スタックを冷却するために、電気分解される水が使用される。この水は、アノードの流れ分配構造体を通って流れる。択一的に、あるセルのアノードと、このセルに隣接するセルのカソードとの間に、冷媒が流れる付加的な流れ分配プレートを配置することもできる。冷媒は、例えば水または水とグリコールとの混合物である。   Usually, electrolyzed water is used to cool the stack. This water flows through the anode flow distribution structure. Alternatively, an additional flow distribution plate through which the refrigerant flows can be arranged between the anode of a cell and the cathode of a cell adjacent to this cell. The refrigerant is, for example, water or a mixture of water and glycol.

本願はプロトン交換膜に関し、当該プロトン交換膜は、第1の層と第2の層と第3の層とを有しており、前記第1の層と第2の層は第1の材料から成り、前記第3の層は、前記第1の層と前記第2の層との間に配置されており、かつ、第2の材料から成る。前記第1の材料は、3MPaの水素差圧のもとで、最大で9・10−5/msの水素透過度を有しており、かつ、少なくとも0.5S/mの導電率を有しており、かつ、乾燥している当該材料と比べて、少なくとも15重量パーセントの吸湿量を有しており、前記第2の材料は、開気孔を有している材料である。 The present application relates to a proton exchange membrane, and the proton exchange membrane has a first layer, a second layer, and a third layer, and the first layer and the second layer are made of a first material. And the third layer is disposed between the first layer and the second layer and is made of a second material. The first material has a maximum hydrogen permeability of 9 · 10 −5 m 3 / m 2 s and a conductivity of at least 0.5 S / m under a hydrogen differential pressure of 3 MPa. The second material is a material having open pores, and has a moisture absorption of at least 15 weight percent as compared to the material that has a rate and is dry.

本願は電気化学セルに関し、当該電気化学セルは上記のプロトン交換膜を有しており、前記プロトン交換膜の第1の部分では、前記第1の層は第1の電極の触媒層と接触しており、前記第2の層は第2の電極の触媒層と接触しており、前記プロトン交換膜の第2の部分では、前記第3の層は媒質供給部内に突出している。   The present application relates to an electrochemical cell, and the electrochemical cell includes the proton exchange membrane, and in the first portion of the proton exchange membrane, the first layer is in contact with the catalyst layer of the first electrode. The second layer is in contact with the catalyst layer of the second electrode, and in the second part of the proton exchange membrane, the third layer protrudes into the medium supply unit.

本願の第1の実施例に即したプロトン交換膜の概略的な断面図Schematic sectional view of a proton exchange membrane according to the first embodiment of the present application 本願の第1の実施例に即した、電気化学セルのアノードとカソードとの間の、図1に示されたプロトン交換膜装置の概略的な断面図FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the proton exchange membrane device shown in FIG. 1 between the anode and cathode of an electrochemical cell according to the first embodiment of the present application. 図2に示されている、本願の実施例に即した電気化学セル内の構成部分が、どのように媒質供給部と接続されているのかを示す概略的な断面図2 is a schematic cross-sectional view showing how the components in the electrochemical cell according to the embodiment of the present application shown in FIG. 2 are connected to the medium supply unit. 本願の他の実施例に即したプロトン交換膜の断面図Sectional view of a proton exchange membrane according to another embodiment of the present application

発明の開示
本願のプロトン交換膜は、第1の層と、第2の層とを有している。これらの層はそれぞれ、第1の材料から成る。さらに、本願のプロトン交換膜は、第1の層と第2の層との間に配置された第3の層を有している。この第3の層は、第2の材料から成る。第1の材料は、最大で6・10−9/msの水素透過度を有している。これは、規格ISO9237に従って、差圧200Paのもとで測定されたものである。この水素透過度は、3MPaの水素差圧のもとでの、最大で9・10−5/msの水素透過度に相当する。さらに、第1の材料は、323Kの温度のもとで、少なくとも0.5S/mのプロトン伝導度を有している。このプロトン伝導度は、1Mの硫酸内の2つの白金電極から成る測定用セルにおいて、1kHzの周波数のもとで、小信号範囲(ΔU=20mV)でのAC抵抗を測定することによって求められる。測定用セルは一度、セパレータとして第1の材料から成る層が無い状態で動かされ、一度、第1の材料から成る層を有している状態で動かされる。層が有る場合の抵抗と、層が無い場合の抵抗との差は、層の抵抗を表す。膜の厚さが既知である場合には、ここから、プロトン伝導度が計算される。最終的に、第1の材料は、少なくとも15重量パーセントの吸湿量(吸収された水の質量/第1の材料の乾物量)を有する。この吸湿量は、気圧下で、かつ、298Kの温度下で、水に10時間浸した後に、第1の材料から成る層の質量増大分を測定することによって求められる。ここでは、水に浸す前と直後に計量が行われる。第2の材料は、開気孔を有する材料である。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The proton exchange membrane of the present application has a first layer and a second layer. Each of these layers consists of a first material. Furthermore, the proton exchange membrane of the present application has a third layer disposed between the first layer and the second layer. This third layer is made of the second material. The first material has a hydrogen permeability of up to 6 · 10 −9 m 3 / m 2 s. This is measured under a differential pressure of 200 Pa in accordance with the standard ISO9237. This hydrogen permeability corresponds to a hydrogen permeability of 9 · 10 −5 m 3 / m 2 s at maximum under a hydrogen differential pressure of 3 MPa. Furthermore, the first material has a proton conductivity of at least 0.5 S / m at a temperature of 323K. This proton conductivity is determined by measuring the AC resistance in a small signal range (ΔU = 20 mV) at a frequency of 1 kHz in a measuring cell consisting of two platinum electrodes in 1 M sulfuric acid. The measuring cell is moved once without a layer made of the first material as a separator and once with a layer made of the first material. The difference between the resistance with a layer and the resistance without a layer represents the resistance of the layer. If the thickness of the membrane is known, then the proton conductivity is calculated. Eventually, the first material has a moisture absorption (mass absorbed water / first material dry matter) of at least 15 weight percent. This moisture absorption is determined by measuring the increase in mass of the first material layer after soaking in water for 10 hours at atmospheric pressure and at a temperature of 298K. Here, weighing is carried out before and immediately after soaking in water. The second material is a material having open pores.

本願の膜構造体によって、ポンプを用いずに、電気分解反応に必要な量の水を提供することが可能になる。水の搬送は自発的に、膜構造体内での毛管力と拡散とを介して行われる。これによって、電気分解装置内で必要な、電解される水のためのポンプを、従来の電気分解装置の場合と比べて約100分の1の大きさにすることができる。ここでこのポンプは、5μS/cm、むしろ0.5μS/cmを下回る導電率を有する脱イオン水用に設計されていなければならない。設備が比較的小さい場合、および、中規模の場合には、このポンプを完全に省くことができる。殊に、本願のプロトン交換膜と接続されている媒質供給部の水接続部の管路圧が、必要な体積の水流を提供するのに足りている場合に、ポンプを省くことができる。第1の層の水透過度と第2の層の水素透過度は低いので、本願のプロトン交換膜は、気密性が高い。   The membrane structure of the present application makes it possible to provide an amount of water necessary for the electrolysis reaction without using a pump. Water transport occurs spontaneously through capillary forces and diffusion within the membrane structure. This allows the pump for the electrolyzed water required in the electrolyzer to be about 1/100 the size of conventional electrolyzers. Here the pump must be designed for deionized water having a conductivity below 5 μS / cm, rather than 0.5 μS / cm. The pump can be omitted completely if the equipment is relatively small and medium. In particular, the pump can be omitted if the line pressure in the water connection of the medium supply connected to the proton exchange membrane of the present application is sufficient to provide the required volume of water flow. Since the water permeability of the first layer and the hydrogen permeability of the second layer are low, the proton exchange membrane of the present application is highly airtight.

第1の層の厚さと第2の層の厚さはそれぞれ有利には5μm乃至50μmの範囲にあり、特に有利には10μm乃至18μmの範囲にあり、極めて有利には8μm乃至18μmの範囲にある。この厚さは、第1の材料の本願の水素透過度と相まって、本願のプロトン交換膜に高い気密性を付与するのに十分である。   The thickness of the first layer and the thickness of the second layer are each preferably in the range from 5 μm to 50 μm, particularly preferably in the range from 10 μm to 18 μm, very particularly preferably in the range from 8 μm to 18 μm. . This thickness, coupled with the hydrogen permeability of the first material of the present application, is sufficient to impart high hermeticity to the proton exchange membrane of the present application.

第3の層の厚さは、有利には250μm乃至2000μmの範囲にあり、特に有利には500μm乃至1000μmの範囲にある。これによって本願のプロトン交換膜に高い水搬送能力が与えられ、水をプロトン交換膜の近傍に導くためのポンプを、上述したように、従来の電気分解装置の場合よりも格段に小さくすることができる、むしろこのポンプを完全に省くことができる。同時にこのプロトン交換膜は、冒頭に記載されたようなプロトン交換膜において通常の弾性を伴って構成されるのに、十分な薄さを保っている。   The thickness of the third layer is preferably in the range from 250 μm to 2000 μm, particularly preferably in the range from 500 μm to 1000 μm. As a result, the proton exchange membrane of the present application has a high water conveyance capability, and the pump for guiding water to the vicinity of the proton exchange membrane can be made much smaller than the case of the conventional electrolyzer as described above. Yes, rather this pump can be omitted entirely. At the same time, the proton exchange membrane is sufficiently thin to be constructed with normal elasticity in a proton exchange membrane as described at the beginning.

第1の材料は有利には、パーフルオロスルホン酸(PFSA)ベースのポリマーであり、殊に、スルホン化されたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。これは、プロトンに対して選択的伝導性であり、同時に、アニオンに対して遮断作用を有している。   The first material is preferably a perfluorosulfonic acid (PFSA) based polymer, in particular sulfonated polytetrafluoroethylene (PTFE). This is selectively conductive to protons and at the same time has a blocking action on anions.

第2の材料の導電率は、有利には10−8S/mを下回る。従って、これは電気的な絶縁体として機能する。従って、第1の層または第2の層が小さい孔を有する場合には、電気化学セル内での本願のプロトン交換膜の使用時に、第3の層が短絡を阻止することができる。 The conductivity of the second material is advantageously below 10 −8 S / m. This therefore functions as an electrical insulator. Therefore, when the first layer or the second layer has small pores, the third layer can prevent short circuit when using the proton exchange membrane of the present application in an electrochemical cell.

水と第2の材料との間の接触角は、有利には5°を下回り、特に有利には1°を下回る。この結果、水溶液によって、第3の層の内側面は良好に濡れる。接触角は液滴法に従って求められる。このために、第2の材料から成る平坦な層の上に、所定の体積の水滴が(ピペットから)出される。広がった滴が球形キャップの形を有すると仮定し、さらに、既知の液体体積を用いて、広がった滴の直径を静止状態において測定することによって、単なる幾何学的観察から接触角を計算することができる。   The contact angle between water and the second material is preferably less than 5 °, particularly preferably less than 1 °. As a result, the inner surface of the third layer gets wet well by the aqueous solution. The contact angle is determined according to the droplet method. For this purpose, a predetermined volume of water droplets (from the pipette) is dispensed onto the flat layer of the second material. Assuming that the spread drop has the shape of a spherical cap, and using a known liquid volume, calculating the contact angle from a simple geometrical observation by measuring the diameter of the spread drop at rest Can do.

第2の材料の孔の大きさは算術平均で、有利には1μm乃至100μmの範囲にあり、特に有利には10μm乃至50μmの範囲にある。このような孔の大きさの範囲においては、500mA/cm乃至3000mA/cm、殊に1000mA/cm乃至2000mA/cmの、電解セル内で得ようとされている電流密度において、水ないしは水溶液の最大の毛管上昇に達する。これは殊に、200mm乃至500mmの範囲にある。 The pore size of the second material is arithmetically averaged, preferably in the range from 1 μm to 100 μm, particularly preferably in the range from 10 μm to 50 μm. In the size range of such holes, 500mA / cm 2 to 3000 mA / cm 2, in particular of 1000 mA / cm 2 to 2000 mA / cm 2, at a current density which is sought in the electrolytic cell, water Or the maximum capillary rise of the aqueous solution is reached. This is in particular in the range from 200 mm to 500 mm.

第2の材料の多孔率は、有利には50%を上回る。特に有利にはこれは、50%を超えて80%までの領域にある。   The porosity of the second material is advantageously greater than 50%. This is particularly preferably in the region of more than 50% and up to 80%.

第2の材料の、本願に記載された有利な物理的特性を容易に実現するために、有利には、第2の材料は高分子発泡体、発泡金属、焼結多孔質材料およびそれらの混合物から成るグループから選択される。適切な高分子発泡体は有利には、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリカーボネート(PC)、スチレン−アクリロニトリル(SAN)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン(ECTFE)、エチレン−テトラフルオロエチレン(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン(FEP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニリデンフルオライド(PFDV)およびフッ化物−ポリマー−ゴム(FKM)から成るグループのうちの一つの材料または複数の材料の組み合わせから成る。これらの高分子発泡体を、殊にセラミック粒子を用いて硬化させることができる。焼結多孔質材料は、殊に粒子焼結物または焼結繊維または切りくずである。   In order to easily realize the advantageous physical properties of the second material described herein, the second material is advantageously a polymer foam, a foam metal, a sintered porous material and mixtures thereof. Selected from the group consisting of Suitable polymeric foams are advantageously polyethylene (PE), polypropylene (PP), polycarbonate (PC), styrene-acrylonitrile (SAN), ethylene-chlorotrifluoroethylene (ECTFE), ethylene-tetrafluoroethylene (ETFE). ), Tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene (FEP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PFDV) and fluoride-polymer-rubber (FKM) Composed of a combination of materials. These polymer foams can be cured, in particular using ceramic particles. Sintered porous materials are in particular particle sinters or sintered fibers or chips.

有利には、第1の層と第3の層との間に第4の層が配置されており、第2の層と第3の層との間には第5の層が配置されている。第4の層と第5の層はそれぞれ、第3の材料から成る。第3の材料は、算術平均で、第2の材料と比べて孔の大きさが小さい開気孔を有する材料である。この微細な孔と、この結果生じる強い毛管力とによって、第3の層と第4の層との間ないしは第3の層と第5の層との間で、特に均一な濡れが得られ、ひいては、第1の層および第2の層上で、第3の層によって吸収された電解水の特に均一な分布が得られる。内部に本願のプロトン交換膜が構築されている電気化学セルの電極空間の間に圧力差が存在する場合には、プロトン交換膜は、付加的な第4の層および第5の層によって、より良好に機械的に支持される。なぜなら、第3の材料においては、隣接する孔のブリッジ間の自立領域の長さが、第2の材料の場合よりも短いからである。   Advantageously, a fourth layer is arranged between the first layer and the third layer, and a fifth layer is arranged between the second layer and the third layer. . Each of the fourth layer and the fifth layer is made of a third material. The third material is an arithmetic average material having open pores whose pore size is smaller than that of the second material. The fine pores and the resulting strong capillary forces provide particularly uniform wetting between the third and fourth layers or between the third and fifth layers, As a result, a particularly uniform distribution of the electrolyzed water absorbed by the third layer is obtained on the first and second layers. If there is a pressure difference between the electrode spaces of the electrochemical cell in which the proton exchange membrane of the present application is built, the proton exchange membrane is more reinforced by the additional fourth and fifth layers. Good mechanical support. This is because in the third material, the length of the self-supporting region between the bridges of adjacent holes is shorter than that in the second material.

特に有利には、第4の層の厚さと第5の層の厚さは、それぞれ10μm乃至200μmの範囲にあり、極めて有利には50μm乃至100μmの範囲にある。同時に、第3の層の厚さと、第4の層の厚さと、第5の層の厚さとの総計は、特に有利には250μm乃至2000μmの範囲にあり、極めて有利には500μm乃至1000μmの範囲にある。これによって、孔が大きい第3の層と孔が小さい第4の層および第5の層との間の厚さの釣り合いがとれ、これによって、第3の層から、第4の層を介した、第1の層への特に良好な水の搬送、および、第3の層から、第5の層を介した、第2の層への特に良好な水の搬送が可能になる。   The thickness of the fourth layer and the thickness of the fifth layer are particularly preferably in the range from 10 μm to 200 μm, very preferably in the range from 50 μm to 100 μm. At the same time, the sum of the thickness of the third layer, the thickness of the fourth layer and the thickness of the fifth layer is particularly preferably in the range from 250 μm to 2000 μm, very particularly preferably in the range from 500 μm to 1000 μm. It is in. This balances the thickness between the third layer with large pores and the fourth and fifth layers with small pores, from the third layer through the fourth layer. A particularly good water transfer to the first layer and a particularly good water transfer from the third layer through the fifth layer to the second layer are possible.

さらに特に有利には、第3の材料の孔の大きさは算術平均で100nm乃至10μmの範囲にあり、極めて有利には、1μm乃至5μmの範囲にある。これによって、第2の材料と第3の材料との間の孔の大きさの釣り合いがとれる。これは、より強い毛管力を得るのに有利である。   More particularly preferably, the pore size of the third material is in the range of 100 nm to 10 μm, very particularly preferably in the range of 1 μm to 5 μm, on the arithmetic average. This balances the size of the holes between the second material and the third material. This is advantageous for obtaining a stronger capillary force.

第3の材料の多孔率は、特に有利には35%乃至65%の範囲にあり、極めて有利には45%乃至55%の範囲にある。第3の材料のこの多孔率は、第2の材料の多効率と相まって、本願のプロトン交換膜に最適な剛性を与える。   The porosity of the third material is particularly preferably in the range 35% to 65%, very particularly preferably in the range 45% to 55%. This porosity of the third material, coupled with the multi-efficiency of the second material, provides optimal stiffness for the proton exchange membrane of the present application.

本願のプロトン交換膜に良好な剛性と耐圧性とを与えるために、有利には、材料、すなわち第1の材料、第2の材料および場合によっては第3の材料はそれぞれ、少なくとも0.03kN/mmの弾性率を有する。この弾性率は、規格DIN53457に即して引張試験から求められる。第2の材料および場合によっては第3の材料を殊に、繊維を織り込むことによって堅くすることができる。この繊維は有利には、金属繊維、ポリマー繊維、ガラス繊維、炭素繊維およびこれらの組み合わせから成るグループから選択される。 In order to provide good rigidity and pressure resistance to the proton exchange membrane of the present application, advantageously the material, i.e. the first material, the second material and possibly the third material, is each at least 0.03 kN / having a modulus of elasticity of mm 2. This elastic modulus is obtained from a tensile test according to the standard DIN 53457. The second material and possibly the third material can in particular be hardened by weaving the fibers. The fibers are advantageously selected from the group consisting of metal fibers, polymer fibers, glass fibers, carbon fibers and combinations thereof.

本願の電気化学セル、殊に電解セルは、本願のプロトン交換膜を有している。このプロトン交換膜の第1の部分では、第1の層は第1の電極の触媒層に接触し、第2の層は第2の電極の触媒層に接触する。プロトン交換膜の第2の部分では、第3の層は媒質供給部内に突出している。酸を用いた水電解に必要な水は、ここでは媒質供給部を介して、さらには、プロトン交換膜の第3の層を介して電気化学セルに供給される。従って従来のように、電極の流れ分配構造体を介す必要はない。これによって、アノード側の水を循環させるために必要であったポンプを省くことができ、エネルギー消費量が削減され、システム全体のエネルギー効率が高まる。本願の電気化学セルでは、プロトン交換膜から蒸発した水だけが、従来の電気化学セルと同様に、電気化学セルのアノードおよびカソードの流れ分配構造体に達する。本願のプロトン交換膜の第1の層と第2の層は気密性が高いので、この電気化学セルを電気分解装置として用いる場合には、僅かな水素しか酸素側に達しない、また、僅かな酸素しか水素側に達しない。   The electrochemical cell of the present application, particularly the electrolytic cell, has the proton exchange membrane of the present application. In the first part of the proton exchange membrane, the first layer contacts the catalyst layer of the first electrode, and the second layer contacts the catalyst layer of the second electrode. In the second part of the proton exchange membrane, the third layer protrudes into the medium supply unit. Here, water necessary for water electrolysis using an acid is supplied to the electrochemical cell through the medium supply unit and further through the third layer of the proton exchange membrane. Thus, there is no need for an electrode flow distribution structure as in the prior art. This eliminates the pump required to circulate the water on the anode side, reduces energy consumption and increases the energy efficiency of the entire system. In the electrochemical cell of the present application, only water evaporated from the proton exchange membrane reaches the flow distribution structure of the anode and cathode of the electrochemical cell, as in conventional electrochemical cells. Since the first layer and the second layer of the proton exchange membrane of the present application are highly airtight, only a small amount of hydrogen reaches the oxygen side when this electrochemical cell is used as an electrolysis apparatus. Only oxygen reaches the hydrogen side.

媒質供給部は、有利には、最大で3.5のpK値と10重量パーセント乃至50重量パーセントの範囲の濃度を有する、水で希釈された酸を含んでいる。特に有利には、この濃度は、20重量パーセント乃至40重量パーセントの範囲にある。この酸は特に有利には、硫酸、希硝酸および燐酸から成るグループから選択される。極めて有利なのは、硫酸である。これによって、酸を用いた水電解が実現される。ここでは本願のプロトン交換膜の傑出した濡れが実現されるのと同時に、プロトン交換膜は、使用されている酸に対して耐性を有する。 The medium supply advantageously comprises an acid diluted with water having a pK s value of up to 3.5 and a concentration in the range of 10 to 50 percent by weight. Particularly advantageously, this concentration is in the range of 20 to 40 percent by weight. This acid is particularly preferably selected from the group consisting of sulfuric acid, dilute nitric acid and phosphoric acid. Very advantageous is sulfuric acid. Thereby, water electrolysis using an acid is realized. Here, at the same time as the outstanding wetting of the proton exchange membrane of the present application is realized, the proton exchange membrane is resistant to the acid used.

本願の実施例を図示し、以降の明細書において詳細に説明する。   Examples of the present application are illustrated and described in detail in the following specification.

本願の第1の実施例では、図1に示されているプロトン交換膜1は、第1の層11と、第2の層12と、第3の層13とから成る。第1の層11と第2の層12はそれぞれ、PFSAをベースにした、スルホン化されたPTFEから成る(例えば、DuPont de Nemours社(米国)のナフィオン(R))。第1の層と第2の層はここでは、それぞれ13μmである厚さd11、d12を有している。第1の層11と第2の層12との間に第3の層13が配置されている。第3の層は750μmの厚さd13を有している。第3の層はここでは、開気孔を有するポリプロピレン発泡体から成る。これは、65%の多孔率と、30μmの孔の大きさ(算術平均)とを有する。全ての層11、12、13は電気的絶縁性である。従って、外側の層11、12の損傷時にも、プロトン交換膜1の短絡を避けることができる。 In the first embodiment of the present application, the proton exchange membrane 1 shown in FIG. 1 includes a first layer 11, a second layer 12, and a third layer 13. Each of the first layer 11 second layer 12 was based on the PFSA, consisting sulfonated PTFE (e.g., Nafion DuPont de Nemours, Inc. (USA) (R)). The first layer and the second layer here have thicknesses d 11 and d 12 which are each 13 μm. A third layer 13 is disposed between the first layer 11 and the second layer 12. The third layer has a thickness d 13 of 750 [mu] m. The third layer here consists of a polypropylene foam with open pores. This has a porosity of 65% and a pore size (arithmetic mean) of 30 μm. All layers 11, 12, 13 are electrically insulating. Therefore, even when the outer layers 11 and 12 are damaged, a short circuit of the proton exchange membrane 1 can be avoided.

電気分解装置の電気化学セル内への組み込みの際に、図2に示されているように、プロトン交換膜1は、第1の電極2と第2の電極3との間に配置される。第1の電極2は以降でアノードとして用いられ、第2の電極3はカソードとして用いられる。第1の電極2は、相互に重なって、触媒層21と、フロー分配層22と、流れ分配層23とを有する。第2の電極3も同様に、相互に重なって、触媒層31と、フロー分配層32と、流れ分配層33とを有する。第1の電極2の触媒層21は、プロトン交換膜1の長さの一部分にわたって、プロトン交換膜1の第1の層11と接触するように配置されている。プロトン交換膜1の長さの同一部分にわたって、第2の電極3の触媒層31は、プロトン交換膜1の第2の層12と接触する。プロトン交換膜1の、第1の電極2および第2の電極3と接触していない領域は、これら2つの電極2、3から突出している。   When the electrolysis apparatus is incorporated in the electrochemical cell, the proton exchange membrane 1 is disposed between the first electrode 2 and the second electrode 3 as shown in FIG. The first electrode 2 is used as an anode hereinafter, and the second electrode 3 is used as a cathode. The first electrode 2 includes a catalyst layer 21, a flow distribution layer 22, and a flow distribution layer 23 that overlap each other. Similarly, the second electrode 3 has a catalyst layer 31, a flow distribution layer 32, and a flow distribution layer 33 that overlap each other. The catalyst layer 21 of the first electrode 2 is disposed so as to be in contact with the first layer 11 of the proton exchange membrane 1 over a part of the length of the proton exchange membrane 1. The catalyst layer 31 of the second electrode 3 is in contact with the second layer 12 of the proton exchange membrane 1 over the same length of the proton exchange membrane 1. A region of the proton exchange membrane 1 that is not in contact with the first electrode 2 and the second electrode 3 protrudes from the two electrodes 2 and 3.

図3に示されているように、プロトン交換膜1と、2つの電極2、3とから成るこの装置は、湿気を帯びた部分として構成されている媒質供給部4と次のように接続される。すなわち、プロトン交換膜1がこの媒質供給部4内に突出するように接続される。媒質供給部4と2つの電極2、3との間の封止並びにプロトン交換膜1と2つの電極2、3の外部に対する封止並びに媒質供給部4の外部に対する封止は、非導電性プラスチックから成るシーリングフレーム5によって行われる。酸を用いた水電解用の電解セルとしてこの電気化学セルが動作される場合、媒質供給部4に、30重量パーセントの硫酸が酸6として充填される。図3において、矢印によって示されているように、酸6は、プロトン交換膜1の第3の層13内での毛管力によって、この層内へ導き入れられ、プロトン交換膜1の外側の層11、12も濡らす。電気分解の経過において、プロトン交換膜1から蒸発した水は、アノード2に達する。アノード側の触媒層21内では、酸素、プロトンおよび電子への水の酸化が行われる。プロトンは、第1の層11を通り、第3の層13内の酸6を通り、さらに、第2の層12を通って、カソード側の触媒層31内に搬送される。プロトンはそこで、外部の電流回路(図示されていない)を介して搬送された電子によって気体の水素に変換される。   As shown in FIG. 3, this apparatus comprising the proton exchange membrane 1 and the two electrodes 2 and 3 is connected as follows to a medium supply unit 4 configured as a wetted part. The That is, the proton exchange membrane 1 is connected so as to protrude into the medium supply unit 4. The sealing between the medium supply unit 4 and the two electrodes 2 and 3 and the sealing of the proton exchange membrane 1 and the two electrodes 2 and 3 with respect to the outside and the sealing with respect to the outside of the medium supply unit 4 are performed by non-conductive plastic. This is done by a sealing frame 5 consisting of When this electrochemical cell is operated as an electrolysis cell for water electrolysis using an acid, the medium supply unit 4 is filled with 30 weight percent sulfuric acid as the acid 6. In FIG. 3, as indicated by the arrow, the acid 6 is guided into this layer by capillary forces in the third layer 13 of the proton exchange membrane 1, and the outer layer of the proton exchange membrane 1. 11 and 12 are also wetted. In the course of electrolysis, water evaporated from the proton exchange membrane 1 reaches the anode 2. In the catalyst layer 21 on the anode side, water is oxidized to oxygen, protons and electrons. Protons are transported through the first layer 11, through the acid 6 in the third layer 13, through the second layer 12, and into the catalyst layer 31 on the cathode side. The protons are then converted to gaseous hydrogen by electrons carried through an external current circuit (not shown).

本願の第1の実施例に即した複数の電解セルは、スタック状に垂直に配置される。ここでこのスタックの全てのプロトン交換膜1は、自身の活性面を越えて、下方にある媒質供給部4の領域内に突出する。   A plurality of electrolysis cells according to the first embodiment of the present application are arranged vertically in a stack. Here, all the proton exchange membranes 1 of this stack protrude beyond the active surface of the stack into the region of the medium supply unit 4 below.

図4に示されている、本願のプロトン交換膜1の第2の実施例では、プロトン交換膜1の第1の層11と第2の層12は、それぞれ、本願の第1の実施例における第1の層と第2の層に相当する。第3の層13の厚さd13は僅か600μmである。第1の層11と第3の層13との間に、第4の層14が配置されている。第2の層12と第3の層13との間に、第5の層15が配置されている。第4の層14の厚さd14と、第5の層15の厚さd15はそれぞれ75μmであり、本願の第2の実施例における第3の層13と第4の層14と第5の層14の厚さの総計は、本願の第1の実施例における第3の層13の厚さd13に相当する。本願のプロトン交換膜1の第2の実施例における第3の層13の材料多孔率と孔の大きさ(算術平均)は、第1の実施例における材料多効率と孔の大きさ(算術平均)に相当する。第4の層14と第5の層15は、第3の層13と同じ材料から成る。しかし、この2つの層14および15の多孔率は僅か50%であり、これらの層の孔の大きさ(算術平均)は僅か3μmである。この結果、第3の層13と第4の層14との間、並びに、第3の層13と第5の層15との間に強い毛管力が生じ、第1の層11と第2の層12は、第3の層13によって媒質供給部4から吸収された水ないしは水で希釈された酸6によって特に良好に濡れる。 In the second embodiment of the proton exchange membrane 1 of the present application shown in FIG. 4, the first layer 11 and the second layer 12 of the proton exchange membrane 1 are respectively the same as in the first embodiment of the present application. It corresponds to the first layer and the second layer. The thickness d 13 of the third layer 13 is only 600 .mu.m. A fourth layer 14 is disposed between the first layer 11 and the third layer 13. A fifth layer 15 is disposed between the second layer 12 and the third layer 13. The thickness d 14 of the fourth layer 14, the thickness d 15 of the fifth layer 15 is 75μm, respectively, the third layer 13 in the second embodiment of the present and the fourth layer 14 fifth thick total of the layer 14 corresponds to the thickness d 13 of the third layer 13 in the first embodiment of the present application. The material porosity and the pore size (arithmetic mean) of the third layer 13 in the second embodiment of the proton exchange membrane 1 of the present application are the material multi-efficiency and pore size (arithmetic mean) in the first example. ). The fourth layer 14 and the fifth layer 15 are made of the same material as that of the third layer 13. However, the porosity of these two layers 14 and 15 is only 50% and the pore size (arithmetic mean) of these layers is only 3 μm. As a result, a strong capillary force is generated between the third layer 13 and the fourth layer 14 and between the third layer 13 and the fifth layer 15, and the first layer 11 and the second layer 15. The layer 12 is particularly well wetted by the water 6 absorbed by the third layer 13 from the medium supply 4 or the acid 6 diluted with water.

1 プロトン交換膜、 2 第1の電極、 3 第2の電極、 4 媒質供給部、 5 シーリングフレーム、 6 酸、 11 第1の層、 12 第2の層、 13 第3の層、 14 第4の層、 15 第5の層、 21 触媒層、 22 フロー分配層、 23 流れ分配層、 31 触媒層、 32 フロー分配層、 33 流れ分配層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Proton exchange membrane, 2 1st electrode, 3 2nd electrode, 4 Medium supply part, 5 Sealing frame, 6 Acid, 11 1st layer, 12 2nd layer, 13 3rd layer, 14 4th 15th layer, 21 catalyst layer, 22 flow distribution layer, 23 flow distribution layer, 31 catalyst layer, 32 flow distribution layer, 33 flow distribution layer

Claims (15)

プロトン交換膜(1)であって、
当該プロトン交換膜(1)は、第1の層(11)と第2の層(12)と第3の層(13)とを有しており、
前記第1の層(11)と第2の層(12)は第1の材料から成り、
前記第3の層(13)は、前記第1の層(11)と前記第2の層(12)との間に配置されており、かつ、第2の材料から成る、プロトン交換膜において、
前記第1の材料は、3MPaの水素差圧のもとで、最大で9・10−5/msの水素透過度を有しており、かつ、少なくとも0.5S/mの導電率を有しており、かつ、乾燥している当該材料と比べて、少なくとも15重量パーセントの吸湿量を有しており、
前記第2の材料は、開気孔を有している材料である、
ことを特徴とするプロトン交換膜(1)。
A proton exchange membrane (1),
The proton exchange membrane (1) has a first layer (11), a second layer (12), and a third layer (13),
The first layer (11) and the second layer (12) are made of a first material,
In the proton exchange membrane, the third layer (13) is disposed between the first layer (11) and the second layer (12) and is made of a second material.
The first material has a maximum hydrogen permeability of 9 · 10 −5 m 3 / m 2 s and a conductivity of at least 0.5 S / m under a hydrogen differential pressure of 3 MPa. And has a moisture absorption of at least 15 percent by weight relative to the material being dried,
The second material is a material having open pores.
A proton exchange membrane (1).
前記第1の層(11)の厚さ(d11)と前記第2の層(12)の厚さ(d12)は、それぞれ5μm乃至50μmの範囲にあり、前記第3の層(13)の厚さ(d13)は、250μm乃至2000μmの範囲にある、請求項1記載のプロトン交換膜(1)。 The thickness of the first layer (11) (d 11) and the thickness of the second layer (12) (d 12) is in the range of 5μm to 50μm, respectively, the third layer (13) The proton exchange membrane (1) according to claim 1, wherein the thickness (d 13 ) is in the range of 250 µm to 2000 µm. 前記第1の材料は、パーフルオロスルホン酸をベースにしたポリマーを含んでいる、請求項1または2記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane (1) according to claim 1 or 2, wherein the first material comprises a polymer based on perfluorosulfonic acid. 前記第2の材料の導電率は、10−8S/mを下回る、請求項1から3までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。 The proton exchange membrane (1) according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductivity of the second material is less than 10-8 S / m. 水と前記第2の材料との間の接触角は5°を下回る、請求項1から4までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane (1) according to any one of claims 1 to 4, wherein the contact angle between water and the second material is less than 5 °. 前記第2の材料の孔の大きさは算術平均で、1μm乃至100μmの範囲にある、請求項1から5までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane (1) according to any one of claims 1 to 5, wherein the pore size of the second material is an arithmetic average in the range of 1 µm to 100 µm. 前記第2の材料の多孔率は、50%を上回る、請求項1から6までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane (1) according to any one of claims 1 to 6, wherein the porosity of the second material is greater than 50%. 前記第2の材料は、高分子発泡体、発泡金属、焼結多孔質材料およびそれらの混合物から成るグループから選択されている、請求項1から7までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane according to any one of claims 1 to 7, wherein the second material is selected from the group consisting of a polymer foam, a foam metal, a sintered porous material, and a mixture thereof. 1). 前記第1の層(11)と前記第3の層(13)との間に第4の層(14)が配置されており、前記第2の層(12)と前記第3の層(13)との間に第5の層(15)が配置されており、
前記第4の層(14)と前記第5の層(15)はそれぞれ第3の材料から成り、当該第3の材料は、前記第2の材料よりも、算術平均での孔の大きさが小さい開気孔を有する材料である、請求項1から8までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。
A fourth layer (14) is disposed between the first layer (11) and the third layer (13), and the second layer (12) and the third layer (13). ) To the fifth layer (15),
Each of the fourth layer (14) and the fifth layer (15) is made of a third material, and the third material has an arithmetic average pore size larger than that of the second material. The proton exchange membrane (1) according to any one of claims 1 to 8, which is a material having small open pores.
前記第4の層(14)の厚さ(d14)と前記第5の層(15)の厚さ(d15)は、それぞれ10μm乃至200μmの範囲にあり、前記第3の層(13)の厚さ(d13)と、前記第4の層(14)の厚さ(d14)と、前記第5の層(15)の厚さ(d15)との総計は、250μm乃至2000μmの範囲にある、請求項9記載のプロトン交換膜(1)。 The thickness of the fourth layer (14) (d 14) and the thickness of the fifth layer (15) (d 15) is in the range of 10μm to 200μm, respectively, the third layer (13) thickness and (d 13), the thickness of the fourth layer (14) and (d 14), said fifth layer thickness (15) total and (d 15) is of 250μm to 2000μm The proton exchange membrane (1) according to claim 9, which is in range. 前記第3の材料の孔の大きさは算術平均で、100nm乃至10μmの範囲にある、請求項9または10記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane (1) according to claim 9 or 10, wherein the pore size of said third material is in the range of 100 nm to 10 µm in arithmetic mean. 前記第3の材料の多孔率は、35%乃至65%の範囲にある、請求項9から11までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。   The proton exchange membrane (1) according to any one of claims 9 to 11, wherein the porosity of the third material is in the range of 35% to 65%. 前記複数の材料はそれぞれ、少なくとも0.03kN/mmの弾性率を有している、請求項1から12までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)。 Each of the plurality of materials, has at least elastic modulus of 0.03kN / mm 2, a proton exchange membrane according to any one of claims 1 to 12 (1). 電気化学セルであって、
当該電気化学セルは、請求項1から13までのいずれか一項記載のプロトン交換膜(1)を有しており、
前記プロトン交換膜(1)の第1の部分では、前記第1の層(1)は第1の電極(2)の触媒層(21)と接触しており、前記第2の層(12)は第2の電極(3)の触媒層(31)と接触しており、
前記プロトン交換膜(1)の第2の部分では、前記第3の層(13)は媒質供給部(4)内に突出している、
ことを特徴とする電気化学セル。
An electrochemical cell,
The electrochemical cell has a proton exchange membrane (1) according to any one of claims 1 to 13,
In the first part of the proton exchange membrane (1), the first layer (1) is in contact with the catalyst layer (21) of the first electrode (2), and the second layer (12). Is in contact with the catalyst layer (31) of the second electrode (3),
In the second part of the proton exchange membrane (1), the third layer (13) protrudes into the medium supply part (4).
An electrochemical cell characterized by that.
前記媒質供給部(4)は、最大で3.5のpK値と10重量パーセント乃至50重量パーセントの範囲にある濃度とを有する、水で希釈された酸(6)を含んでいる、請求項14記載の電気化学セル。 The medium supply (4) comprises an acid (6) diluted with water having a pK s value of up to 3.5 and a concentration in the range of 10 to 50 weight percent. Item 15. The electrochemical cell according to Item 14.
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