JP2017500524A - 加湿制御装置 - Google Patents

Abstract

加湿制御装置、及びその加湿制御装置を備える装置が提供される。装置は、電気分解によって密閉空間の湿度を制御するための膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、アノード、カソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）を含む。ＰＥＭは、ＰＥＭを横断する水の逆拡散を低減することによって加湿制御装置の効率を上昇させるよう選択される。ＰＥＭは、ＴＦＥのポリマー鎖と、前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーとを有する官能性テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）コポリマーを含んでもよい。コモノマーは、ＴＦＥコポリマーの約０．０１モル％から約７モル％の量で存在してもよい。一実施形態において、コモノマーは、フルオロビニルエーテル、例えばパーフルオロスルホニルビニルエーテル（ＰＳＶＥ）である。

Description

本明細書は、電気分解によるエンクロージャの加湿制御のための膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を利用する、加湿制御装置の分野に関する。そのようなエンクロージャとしては、限定されないが、照明エンクロージャ、例えば自動車ヘッドランプ、車両電子制御ユニット、小型太陽電池アレイ、カメラ、例えば監視カメラ、バーコードスキャナ、バッテリパック、パワーコントロールユニット、流体リザーバ、充電ステーション、遠隔通信デバイス、変圧器ユニット、ハードディスクドライブ等が挙げられる。

除湿素子として膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を用いた加湿制御装置が知られている。ＭＥＡは、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）が、２つの電極、すなわちアノードとカソードとの間に挟まれるよう構成される。ＭＥＡにわたって電位を適用したとき、エンクロージャ内に面するアノード側で、水分子が水素イオン（Ｈ^＋）及び酸素イオン（Ｏ^２−）に電気分解される。ＰＥＭは、水素イオン交換膜として役立ち、水素イオンを、周囲環境に面していることがあるカソード側へと移動させる。カソード側において、水素イオンは空気中で酸素と反応して、水分子を形成する。したがって、エンクロージャは、ＭＥＡのアノード側からカソード側の環境へと水分を移動させることによって除湿される。

除湿素子としてＭＥＡを使用することに関する一つの課題は、エンクロージャが除湿されたあと、カソード側（例えば、エンクロージャの外）で生成された水が、ＰＥＭを通してエンクロージャの中へ拡散して戻る傾向があるという、逆拡散と呼ばれる現象である。エンクロージャへと逆拡散する水は、エンクロージャから再び除去することが必要であり、ＭＥＡを運転するのに必要な電流を増加させる。その結果、逆拡散は、ＭＥＡの全体的な除湿効率を低下させる。

ＭＥＡを用いた除湿装置は、商業的に入手可能である。一つの例は、除湿装置のＲｏｓａｈｌ製品である（ウエストサイドインターナショナル社、オックスフォードシャー、英国）。これらの装置は、ＰＥＭとしてＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５（イー．アイ．デュポンドヌムールアンドカンパニー社、ウィルミントン、デラウェア州）を典型的に利用する。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５は、テトラフルオロエチレン骨格上へ取り入れられたスルホン酸基で終端するパーフルオロビニルエーテル基を含む、スルホン化テトラフルオロエチレンベースのフルオロポリマーである。しかしながら、ＰＥＭとしてＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５を用いた除湿素子の全体的な除湿効率は、逆拡散により制限される。より厚い膜材料は、逆拡散をある程度低減することがある。しかしながら、より厚い膜を使用すると、除湿素子の材料コストが著しく増加する。

一実施形態は、エンクロージャの湿度を制御するよう構成された加湿制御装置に関する。加湿制御装置は、膜電極アセンブリを含み、膜電極アセンブリは、アノード及びカソード、並びにアノードとカソードとの間に配置された少なくとも第一のプロトン交換膜を含む。プロトン交換膜は、ＴＦＥのポリマー鎖と、ポリマー鎖の側鎖（ｐｅｎｄａｎｔ）であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーとを有する官能性ＴＦＥコポリマーを含む樹脂を含むポリマー材料を含み、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーは、官能性ＴＦＥコポリマーの約０．０１モル％以上約７モル％以下の量で存在する。装置は、それぞれアノード及びカソードに相互接続され、膜電極アセンブリにわたって電位を適用するよう構成された、第一及び第二の導電性端子もまた含む。

一つの特徴において、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーは、パーフルオロスルホニルビニルエーテル（ＰＳＶＥ）である。他の特徴において、ポリマー材料の当量（ＥＷ）は、少なくとも約１５００、例えば少なくとも約２４００である。

他の特徴において、ポリマー材料は、微粉末樹脂を押し出してテープにし、テープをカレンダー加工し、カレンダー加工したテープを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の結晶融点より高い温度に熱処理して非多孔質テープを形成することによって製造される。他の特徴において、ポリマー材料は、樹脂を延伸して、フィブリルによって相互接続したノードによって特徴づけられるミクロ構造を有する多孔質官能性テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）コポリマー材料にし、多孔質材料を更に緻密化し、材料にＰＴＦＥの結晶融点より高い熱処理をして非多孔質構造を形成することによって、製造される。

加湿制御装置は、エンクロージャの開口にわたって配置され、エンクロージャによって画定される密閉空間内の気体の封入された体積を除湿するよう構成されてもよい。他の特徴において、ＤＣ電源は、第一及び第二の導電性端子へと作動可能に接続される。更に他の特徴において、プロトン交換膜の厚さは、約２００μｍ未満である。更に他の特徴において、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーは、官能性ＴＦＥコポリマーの約７モル％以下の量で存在する。更なる特徴において、プロトン交換膜のガーレー数は、少なくとも約１０００秒である。

他の実施形態において、密閉空間を画定するエンクロージャと、エンクロージャに作動可能に固定された加湿制御装置とを含む、装置が提供される。加湿制御装置は、アノード及びカソード、並びにアノードとカソードとの間に配置された少なくとも第一のプロトン交換膜を含む。プロトン交換膜は、ＴＦＥのポリマー鎖と、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーとを有する官能性ＴＦＥコポリマーを含む樹脂を含むポリマー材料を含み、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーは、官能性ＴＦＥコポリマーの約０．０１モル％以上約７モル％以下の量で存在する。第一及び第二の導電性端子は、アノード及びカソード、並びに第一及び第二の導電性端子へと作動可能に相互接続されたＤＣ電源へと接続されている。

更なる特徴において、加湿制御装置は、アノードが密閉空間と流体連結されて、例えばエンクロージャを除湿するよう、エンクロージャに固定されている。他の特徴において、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーは、ＰＳＶＥである。

他の特徴において、ポリマー材料の当量は、少なくとも約１５００、例えば少なくとも約２４００である。更に他の特徴において、プロトン交換膜の厚さは、約２００μｍ未満である。

更に他の特徴において、ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーは、官能性ＴＦＥコポリマーの約５モル％以下の量で存在してもよい。他の特徴において、プロトン交換膜のガーレー数は、少なくとも約１０００秒である。

図１は、加湿制御装置の概略図を示す。

図２は、密閉空間を除湿するため、エンクロージャへと作動可能に固定された除湿装置を含む、模式的な装置図を示す。

エンクロージャ内の高い相対湿度は、エンクロージャ内に封入された一つ又は複数の部品の、機能特性及び／又は有用な有効期間に影響を及ぼす可能性がある。したがって、そのようなエンクロージャは、除湿素子として膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を用いた湿度制御装置（例えば、除湿装置）を備えていてもよい。そのようなエンクロージャとしては、例えば、エンクロージャ内の不十分な湿度制御に影響を受けることがある感受性が高い部品を含む、照明及び電子機器のエンクロージャが挙げられる。

図１は、本明細書の一実施形態による、湿度制御装置１０４の概略断面図を示す。湿度制御装置１０４は、湿度制御素子として膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０８を利用する。ＭＥＡ１０８は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）１２０によって分離されたアノード１１２及びカソード１１６を含む。湿度制御装置１０４は、アノード１１２及びカソード１１６へと作動可能に接続された、導電性端子１２４ａ及び１２４ｂを更に含む。電圧源１２８（例えば、ＤＣ電源）は、導電性端子１２４ａ及び１２４ｂへと作動可能に取り付けられ、アノード１１２及びカソード１１６にわたって電圧を適用するよう構成される。

アノード１１２及びカソード１１６にわたって電圧を適用するとき、アノード１１２に隣接する水は、式１によってプロトン及び酸素へと還元される：
Ｈ_２Ｏ→２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ （１）

プロトン（Ｈ^＋）は、ＰＥＭ１２０を通してカソード１１６へと選択的に輸送され、式２によって（例えば、周囲空気中の）Ｏ_２と反応して、水を形成する：
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ （２）

したがって、装置１０４のアノード側から水が除去され、装置１０４のカソード側に水が成形される。その結果、アノード側の相対湿度は低下し（すなわち、除湿され）、カソード側の相対湿度は増加する（すなわち、加湿される）。

電極（すなわち、アノード１１２及びカソード１１６）は、導電性材料、例えば粒状炭素、及び高分子バインダーを含んでもよい。導電性材料は、多くの場合、その上に分散さされ、電極で所望の反応を触媒するよう選択される、触媒材料を含む。例えば、カソード１１６は、粒状炭素上に分散され、プロトン（Ｈ^＋）の酸化を触媒して水を形成する、プラチナ（Ｐｔ）触媒を含んでもよい。アノード１１２は、水を還元するための触媒、例えばＰｔ金属、及びイリジウム化合物（例えば、イリジウム酸化物）の混合物を含んでもよい。電極のための触媒として有用な他の金属又は金属化合物は、当業者であれば明らかであろう。電極は、本技術分野において公知の方法、例えばＫａｔｏによる米国特許第６，０５４，２３０号明細書、及びＴａｂａｔａ他による米国特許第６，７２３，４６４号明細書に記載されている方法を使用して調製してもよい。

カソード１１６において形成される水の、ＰＥＭ１２０及びアノード１１２を横切る逆拡散の現象を、図１に矢印Ａで示す。そのような逆拡散は、外部の条件（例えば、カソード１１６に隣接する外部の条件）が強制対流なしで周囲を取り巻くときに存在し、カソード１１６から水分を離して移動させることがある。アノードにおいて式１を駆動するには多くのエネルギーが必要であるため、そのような逆拡散は、ＭＥＡ１０８の全体的な効率を低下させる。本開示のＰＥＭ材料は、商業的なＰＥＭ材料（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５）に比べて、装置の全体的な効率（例えば、除湿効率）を改善する、官能性テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）コポリマーを有利に利用する。

一実施形態において、ＰＥＭ１２０は、官能性ＴＦＥコポリマーを含む。官能性ＴＦＥコポリマーは、ポリマー鎖の側鎖である官能基を含む。官能性ＴＦＥコポリマーは、ＴＦＥと、少なくとも一つの官能性コモノマー、すなわち、少なくとも一つの官能基を有するコモノマーとを共重合することによって形成してもよい。官能性コモノマーは、有利にも、プロトン伝導性基、例えば、ホスホン酸基、及びスルホン酸基を含んでもよい。ある特定の実施形態では、官能性コモノマーは、フルオロビニルエーテル、例えばパーフルオロスルホニルビニルエーテル（ＰＳＶＥ）を含む。

本明細書に開示される実施形態によれば、コモノマーは、従来の装置と比べて比較的少ない量で、コポリマー中に存在してもよい。一つの特定の特徴において、コモノマーは、少なくとも約０．０１モル％、例えば少なくとも約０．１モル％の量でコポリマーに存在してもよい。しかしながら、コポリマー中に存在するコモノマーの量は、約７モル％以下であるべきであり、又は更には約６モル％以下であり、例えば約５モル％以下である。ＰＥＭ１２０は、比較的大きな当量（ＥＷ）を有することもまた望ましい。当量は、１当量のＮａＯＨを中和するのに必要な酸形態のポリマーの質量に等しい、イオノマーの特徴である。より高い当量は、存在する活性イオン性種（例えば、Ｈ^＋）がより少ないことを示す。ＮａＯＨからのヒドロキシル基イオンの１当量を中和するのにより多くのポリマーを必要とする場合、ポリマー内にある活性イオン性種は、より少ないはずである。膜のイオン伝導率は、一般に、ポリマー中の活性イオン性種の数に比例する。

本開示によれば、ＰＥＭの当量は、少なくとも約１５００、少なくとも約２０００、又は少なくとも約２４００であってもよい。例示的な実施形態において、ＰＥＭの当量は、約９０００以下である。

加湿制御装置１０４の効率的な作動のため、ＰＥＭ１２０は、比較的薄いこともまた望ましい。この点に関し、比較的薄いＰＥＭ１２０を利用したとしても、装置１０４における水の逆拡散を低減することができることが分かった。この点に関し、ＰＥＭの厚さは、約２００μｍ以下、例えば約１５０μｍ以下、又は約１２５μｍ以下であってもよい。例示的な実施形態において、ＰＥＭの厚さは、少なくとも約１０μｍである。

Ｘｕ等による米国特許第公開第２０１０／０２４８３２４号公報は、本開示によるＰＥＭを製造するために部分的に利用してもよい、多孔質官能性ＴＦＥコポリマー材料の製造方法を記載している。Ｘｕ等は、官能性ＴＦＥコポリマーの微粉末樹脂の製造方法を記載している。次に微粉末樹脂を押し出し、延伸して、微多孔延伸ＴＦＥコポリマーフィルムを形成している。加湿制御装置に使用するためのＰＥＭ１２０を形成するために、官能性ＴＦＥコポリマーを緻密化し、ＰＴＦＥの結晶融点より高い温度で処理し、実質的に非多孔質にしている。したがって、一実施形態において、官能性ＴＦＥコポリマー材料を押し出してテープを製造してもよく、テープは、ＴＦＥの結晶融点より高い温度へと更に熱処理して、非多孔質構造を形成してもよい。

他の実施形態において、官能性ＴＦＥコポリマー材料を延伸して、ノード及びフィブリルによって特徴づけられるミクロ構造にしてもよい。緻密（非多孔質）物品は、延伸ＴＦＥコポリマー材料から、緻密化し、ＰＴＦＥの結晶融点より高く加熱することによって、ゴア社による米国特許第３，９５３，５６６号明細書及び／又はケネディ他による米国特許第７，５２１，０１０号明細書に記載されている方法に従い形成してもよい。

ＭＥＡ中で効率的に機能するために、ＰＥＭは、膜を通る流体の流れに対して耐性であるべきであり、すなわち、膜の多孔性は比較的低くすべきである。したがって、本発明によるＰＥＭは、比較的高いガーレー数を有することで特徴づけられてもよい。ガーレー数は、１００ｃｍ^３の空気が、平方インチ（ｉｎ^２）の材料を通過するのにかかる秒数を表す単位である。ガーレー数の測定は、例えば、バハール等による米国特許第５，５４７，５５１号明細書に記載されており、したがって、一実施形態において、ＰＥＭのガーレー数は、少なくとも約１０００秒、例えば少なくとも約５０００秒、及び更には少なくとも約１０，０００秒であってもよい。

明らかなように、ＭＥＡ１０８の他の部品としては、ＰＥＭ１２０からアノード１１２及びカソード１１６の反対側に配置されることがある気体拡散層１３２ａ及び１３２ｂが挙げられる。気体拡散層１３２ａ／１３２ｂは、例えば、多孔質炭素布を含んでもよい。上記のように、装置１０４は、アノード１１２及びカソード１１６へと作動可能に接続され、電圧源１２８から電位を供給する、導電性端子１２４ａ及び１２４ｂを更に含む。

図２は、エンクロージャ２００に作動可能に固定され、エンクロージャ２００によって画定される密閉空間２３６を除湿することによりエンクロージャ内の湿度を制御する、湿度制御装置２０４（例えば、除湿装置）を含む、本開示による装置を模式的に示す。装置２０４は、ＭＥＡ１０４（図１）について記載した態様で構成されてもよいＭＥＡ２０８を含む。図２に示すように、アノード２１２は、密閉空間２３６に面している（例えば、流体連結している）。カソード２１６は、密閉空間２３６から分離された環境、例えば、エンクロージャ２００を囲む周囲環境に面している（例えば、流体連結している）。このように、水分は、密閉空間２３６から除去されてもよく、周囲環境に排気されてもよい。密閉空間２３６は、部品の最適な作動及び／又は長い有効期間のために低い相対湿度が求められる部品（例えば、照明部品又は電気部品）を含んでもよい。

密閉空間から水分を除去して密閉空間内の相対湿度を低下させるよう構成された除湿装置として示し、記載しているが、しかしながら、装置は、他の構成で利用できることが理解されよう。例えば、装置は、カソードが密閉空間に面し、かつアノードが周囲環境に面して、例えば密閉空間の湿度を増加させ、例えば密閉空間内の所望の最小限の湿度を維持するよう構成されてもよい。

例１

３．２モル％のＰＳＶＥを含むＴＦＥ−ＰＳＶＥコポリマーの微粉末を、Ｉｓｏｐａｒ（登録商標）Ｋ（エクソンモービル社、フェアファクス、バージニア州）と、０．２５ｇ／ｇ微粉末の割合で混合した。潤滑性になった粉末を、筒状体内で圧縮してペレットを形成し、約４９℃に設定したオーブンに約１２時間置いた。圧縮及び加熱したペレットを押し出して、幅約１６ｃｍ、厚さ約０．７８ｍｍのテープを製造した。テープを、第一のカレンダー工程で、厚さ約０．３８１ｍｍにカレンダー加工し、更に第二のカレンダー工程で、厚さ約０．１２５ｍｍにカレンダー加工した。カレンダー加工したテープを、拘束せずに室温で乾燥させた。カレンダー加工及び乾燥したテープを、拘束し、約３６５℃のオーブンで約９０秒間加熱して、実質的に非多孔質なテープを形成した。

得られた非多孔質テープを、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に約８５℃で約１９時間浸漬し、続いて２０質量％ＫＯＨ水溶液に約１２５℃で約７２時間浸漬した。テープを脱イオン水ですすぎ、１５質量％の硝酸に約１２５℃で約４８時間浸漬し、脱イオン水ですすいだ。次にテープを室温で空気乾燥した。この反応させた非多孔質テープは、３．２モル％のスルホン酸官能基を有する官能性ＴＦＥコポリマーを含んでおり、ＰＥＭ材料として用いた。ＰＥＭ材料の当量（ＥＷ）は、約４５１０であった。

エタノール及び水中の、カーボンブラック上のプラチナ（Ｐｔ／Ｃ）、及びＴＦＥ／ＰＳＶＥコポリマー（ＥＷ＝８００）の分散体を、厚さ約０．１６ｍｍ、密度約０．５９ｇ／ｃｍ^３の延伸ＰＴＦＥ基材上にキャストすることによって、カソード層を形成した。基材上へ分散体をキャストした後、分散体を約１４０℃で乾燥させた。得られたカソード層のＰｔ充填量は約０．４ｍｇ／ｃｍ^２であった。

エタノール及び水中の、Ｐｔブラック、イリジウム酸化物、及びＴＦＥ／ＰＳＶＥコポリマー（ＥＷ＝８００）の分散体を、厚さ約０．１６ｍｍ、密度約０．５９ｇ／ｃｍ^３の延伸ＰＴＦＥ基材上にキャストすることによって、アノード層を形成した。得られたアノードのＰｔ充填量は、約０．３５ｍｇ／ｃｍ^２であり、イリジウム充填量は約０．３５ｍｇ／ｃｍ^２であった。

アノード層とカソード層との間にＰＥＭ材料を置いた。ＰＥＭと電極とを確実に良好に結合させるために、４質量％のＴＦＥ／ＰＳＶＥコポリマー（ＥＷ＝８００）、４質量％の水、及び残部のエタノールを含む分散体をＰＥＭ層に塗り、ヘアドライヤーを使用して乾燥させた。

３枚の層（カソード、ＰＥＭ、アノード）は全て、公称直径６３．５ｍｍであったが、しかしながら、アノード及びカソードは、ＰＥＭと比較して直径が約４ｍｍ小さく、ＰＥＭを越えて短絡することを回避した。

３枚の層を約１１５ｐｓｉの圧力で、約１７３℃で約５分間押圧した。アノード及びカソードのｅＰＴＦＥ基材層を除去して、３層の積層体にした。気体拡散層（Ｃａｒｂｅｌ（登録商標）ＣＬ、ダブリュ．エル．ゴア＆アソシエーツ社、ニューアーク、デラウェア州）を、約１７３℃に加熱し、圧力約１１５ｐｓｉで約１８０秒間電極に接触させることによって、３層の積層体の両側に、一つずつ取り付けた。

取付けタブを有するスクリーンの形態の円形ステンレス鋼集電体を、５層のＭＥＡ構造体の両側に置いた。ＭＥＡの厚み、及び全体的な除湿効率を測定し、表１に報告する。

例２
４．７モル％のＰＳＶＥを含むＴＦＥ―ＰＳＶＥコポリマーの微粉末を、Ｉｓｏｐａｒ（登録商標）Ｋ（エクソンモービル社、フェアファクス、バージニア州）と、０．２４３ｇ／ｇ微粉末の割合で混合した。潤滑性にした粉末を、筒状体中で圧縮してペレットを形成し、約４９℃に設定したオーブンに約１２時間置いた。圧縮及び加熱したペレットを押し出して、幅約１５．８７ｃｍ、厚み約０．８１ｍｍのテープを製造した。テープを、第一のカレンダー工程で、厚さ約０．２５４ｍｍにカレンダー加工した。カレンダー加工したテープを、第二のカレンダー工程で、厚さ約０．１２２ｍｍに更にカレンダー加工した。カレンダー加工したテープを拘束し、約２５０℃で乾燥させた。乾燥テープを、拘束しながら約３６５℃のオーブンで約９０秒間加熱して、実質的に非多孔質なテープを形成した。

得られた非多孔質テープを、ＩＰＡに８５℃で約１９時間浸漬し、続いて２０質量％のＫＯＨ水溶液に１２５℃で約７２時間浸漬した。次にテープを脱イオン水ですすぎ、１５質量％の硝酸に約１２５℃で約４８時間浸漬し、脱イオン水ですすいだ。次にテープを室温で空気乾燥した。この反応させた非多孔質テープは、４．７モル％のスルホン酸官能基を有する官能性ＴＦＥコポリマーを含んでおり、ＰＥＭ材料として用いた。ＰＥＭ材料の当量（ＥＷ）は、２８００であった。

例１に記載したように、ＰＥＭ材料を使用して５層のＭＥＡを製造した。ＭＥＡの厚み及び全体的な除湿効率を測定し、表１に報告する。

比較例１
ＰＥＭ材料としてＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１５（イー．アイ．デュポンドヌムールアンドカンパニー社、ウィルミントン、デラウェア州）を１層、２層、及び５層使用して、例１に記載したようなＭＥＡを製造した。ＰＥＭの当量は、１１００であった。これらのＭＥＡの厚み及び全体的な除湿効率を測定し、表１に報告する。

比較例２
商業的に入手可能な、燃料電池に用いられる、１４．８モル％のＰＳＶＥを含むＰＥＭ材料（ＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）品番：ＧＳＭ６５０．３５）を用いて、例１に記載したようなＭＥＡを製造した。ＰＥＭの当量は、１０２０であった。これらのＭＥＡの厚み及び全体的な除湿効率を測定し、表１に報告する。

表１に示すように、同等の厚みでは、ＰＥＭとして本明細書に記載の官能性ＴＦＥコポリマーを使用したＭＥＡは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５の単一の層を用いたＭＥＡのより、少なくとも５倍高い全体的な除湿効率を提供した。Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５の厚みを４倍増大させたとしてもなお、本明細書に開示のＭＥＡの除湿効率は、少なくとも２倍高い。

試験方法

全体的除湿効率試験
表１に報告した全体的除湿効率の試験は、カソード側及びアノード側における、固定した相対湿度（ＲＨ）及び温度での、電圧をかけたＭＥＡの水ポンピング速度及び消費電流を測定する、定常状態測定である。

カソード側の温度及びＲＨは、専用の空間換気システムで管理し、それぞれ約２２℃及び約５０％ＲＨに維持した。ＭＥＡのカソード側上に、強制的な空気の対流はなかった。

アノード側の温度を約２２℃に維持した。水２．２ｇ中、酢酸カリウム６．６ｇの２相混合物を有するペトリ皿上にＭＥＡを置くことによって、この温度における約２２％のＲＨを確立した。溶液とアノードの表面との間の距離は短く、約３ｍｍであった。

５層のＭＥＡ構造体を、サンプルホルダに螺合した。ホルダ／ペトリ皿組立体を、風袋引きした微量天秤（Ｍｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＡＧ２０４）上に置き、ホルダ／ペトリ皿組立体の初期重量（Ｗ_０）を測定した。微量天秤の扉をわずかに開け、ＤＣ電力供給ユニット（Ｉｎｓｔｅｋ ＰＳ―３２２５Ｄ）を、ＭＥＡ上の集電体タブの導線に取り付けた。電力供給源を電流計（Ａｈｌｂｏｒｎ ＺＡ９９０１―ＡＢ３）へと接続して、電流を測定した。電流計からの出力を、データロガー（Ａｈｌｂｏｒｎ Ａｌｍｅｍｏ ２８９０―９）に送信した。

ＤＣ電力供給源をオンにして、３０分間１．５ボルトを生じさせ、この間、電流を測定した。３０分後、ＭＥＡ上の集電体タブに取り付けられた導線を除去することによって、電力供給をオフにした。天秤の扉を閉じ、ハウジング／ペトリ皿組立体を計量した（Ｗ_１）。

電力供給源をＭＥＡに再び接続して再びオンにして、上記のサイクルを、３回繰り返し、１．５時間かけてＷ_２、Ｗ_３、Ｗ_４を測定した。Ｗ_１とＷ_０、Ｗ_２とＷ_１、Ｗ_３とＷ_２、及びＷ_４とＷ_３の間の質量の差を経時的にプロットした。

除湿効率（クーロン当たりにポンピングされる水ｍｇ）は、以下のように算出した。
（水ポンピング速度の漸近値（ｍｇ／秒））／（電流密度の漸近値（クーロン／秒又はアンペア））

当量の決定
当量を決定するために用いた方法は、固体サンプルの測定された質量をとり、ｐＨ７付近の滴定曲線の第一変曲点に基づいて、酸性の当量を算出した。具体的には、それぞれのサンプルについて、それぞれさらに０．０５ｇを超えない約５ｇの固体サンプルを、最大限の減圧（〜２インチＨｇ）の下、８０℃のオーブンで少なくとも２時間乾燥させた。乾燥させた断片をオーブンから除去し、蓋をした容器内に置いて、水分の収集を最小化した。蓋をした容器内で乾燥サンプルを室温に冷却した後、１００ｍＬ滴定カップに約０．１５ｇをすばやく計量した。乾燥質量が分かったサンプルを、滴定カップ内で、５ｍＬの脱イオン水及び５ｍＬのエタノール中に１５分間浸漬させた。浸漬したサンプルに、５５ｍＬの２．０ＮのＮａＣｌ溶液を加えた。５ｍＬの０．０５ＮのＮａＯＨ溶液の添加で始まる、ＴＩＭ９００ Ｔｉｔｒａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｒ（ラジオメーターアナリティカルエス．エー．社、ライアン、フランス）を用いた逆滴定法を開始した。０．０１ＮのＨＣｌ溶液で酸滴定する前に、混合物全体を、窒素雰囲気下で１５分間撹拌した。ｐＨ７付近の終点を用いて、以下に従ってイオン交換能（ＩＥＣ）及びサンプルの酸当量（ＥＷ）を算出した。

乾燥イオノマー固体質量（例えば、分母）は、サンプル質量に等しい。それぞれの膜の２つの異なるサンプルから測定した結果の算術平均を、当量として報告する。

本発明の様々な実施形態を詳細に記載したが、当業者にとってそれらの実施形態の変形及び適応が生ずることは明らかである。しかしながら、そのような変形例と適応例は、本発明の精神及び範囲内であることは明白に理解される。

Claims (19)

1. エンクロージャの湿度を制御するよう構成された加湿制御装置であって、前記加湿制御装置は：
   膜電極アセンブリであって、
   アノード及びカソードと、
   前記アノードと前記カソードとの間に配置された、少なくとも第一のプロトン交換膜であって、前記プロトン交換膜は、ＴＦＥのポリマー鎖と、前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーとを有する官能性ＴＦＥコポリマーを含む樹脂を含むポリマー材料を含み、前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する前記少なくとも一つのコモノマーは、前記官能性ＴＦＥコポリマーの約０．０１モル％以上約７モル％以下の量で存在する、第一のプロトン交換膜と
   を含む、膜電極アセンブリと；
   前記アノード及び前記カソードにそれぞれ相互接続され、前記膜電極アセンブリにわたって電位を適用するよう構成された、第一及び第二の導電性端子と
   を含む、加湿制御装置。
2. 前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する前記少なくとも一つのコモノマーがＰＳＶＥである、請求項１に記載の加湿制御装置。
3. 前記ポリマー材料の当量が少なくとも約１５００である、請求項１に記載の加湿制御装置。
4. 前記ポリマー材料の当量が少なくとも約２４００である、請求項１に記載の加湿制御装置。
5. 微粉末樹脂を押し出してテープにし、前記テープをカレンダー加工し、前記カレンダー加工したテープを、ＰＴＦＥの結晶融点より高い温度に熱処理して、非多孔質テープを形成することによって、前記ポリマー材料が製造される、請求項１に記載の加湿制御装置。
6. 前記樹脂を延伸して、フィブリルによって相互接続したノードによって特徴づけられる微小構造を有する多孔質官能性ＴＦＥコポリマー材料にし、前記多孔質材料を更に緻密化して非多孔質構造を形成することによって、前記ポリマー材料が製造される、請求項１に記載の加湿制御装置。
7. 前記膜電極アセンブリは、エンクロージャの開口にわたって配置され、前記エンクロージャによって画定される密閉空間内の気体の封入された体積を除湿するよう構成された、請求項１に記載の加湿制御装置。
8. 前記第一及び第二の導電性端子へと作動可能に接続されたＤＣ電源を更に含む、請求項１に記載の加湿制御装置。
9. 前記プロトン交換膜の厚さが約２００μｍ以下である、請求項１に記載の加湿制御装置。
10. 前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する前記少なくとも一つのコモノマーが、前記官能性ＴＦＥコポリマーの約５モル％以下の量で存在する、請求項１に記載の加湿制御装置。
11. 前記プロトン交換膜のガーレー数が少なくとも約１０００秒である、請求項１に記載の加湿制御装置。
12. 密閉空間を画定するエンクロージャと；
    前記エンクロージャへと作動可能に固定された加湿制御装置であって、前記加湿制御装置は、
    アノード及びカソードと、
    前記アノードと前記カソードとの間に配置された、少なくとも第一のプロトン交換膜であって、前記プロトン交換膜は、ＴＦＥのポリマー鎖と、前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する少なくとも一つのコモノマーとを有する官能性ＴＦＥコポリマーを含む樹脂を含むポリマー材料を含み、前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する前記少なくとも一つのコモノマーは、前記官能性ＴＦＥコポリマーの約０．０１モル％以上約７モル％以下の量で存在する、第一のプロトン交換膜と
    を含む、前記加湿制御装置と；
    前記アノード及び前記カソードに相互接続した、第一及び第二の導電性端子と；
    前記第一及び第二の導電性端子へと作動可能に接続された、ＤＣ電源と
    を含む、装置。
13. 前記加湿制御装置は、前記アノードが前記密閉空間と流体連結するように、前記エンクロージャに固定されている、請求項１２に記載の装置。
14. 前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する前記少なくとも一つのコモノマーがＰＳＶＥである、請求項１２に記載の装置。
15. 前記ポリマー材料の当量が少なくとも約１５００である、請求項１２に記載の装置。
16. 前記ポリマー材料の当量が少なくとも約２４００である、請求項１２に記載の装置。
17. 前記プロトン交換膜の厚さが約２００μｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
18. 前記ポリマー鎖の側鎖であるプロトン伝導性官能基を有する前記少なくとも一つのコモノマーが、前記官能性ＴＦＥコポリマーの約５モル％以下の量で存在する、請求項１２に記載の装置。
19. 前記プロトン交換膜のガーレー数が少なくとも約１０００秒である、請求項１２に記載の装置。

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