JP2021125390A - Method for manufacturing electrolyte membrane - Google Patents

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靖浩 秋田
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Abstract

To provide a method for manufacturing an electrolyte membrane, by which an electrolyte membrane small in water content and capable of keeping the proton conductivity can be produced.SOLUTION: A method for manufacturing an electrolyte membrane comprises the steps of: preparing a solution which contains a sulfonate group-containing electrolyte membrane material, diacetone alcohol and water; and coating a base with the solution, followed by drying. The weight percentage of the diacetone alcohol to a total weight of the diacetone alcohol and water is 50 wt.% or more and 75 wt.% or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、電解質膜の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for producing an electrolyte membrane.

従来、燃料電池の高分子固体電解質膜(以下、電解質膜とよぶ)の製造において、溶媒としてアルコールを用いる電解質膜の製造方法が存在する(特許文献1)。特許文献1の技術においては、アルコールの選択肢の一つとして、ジアセトンアルコールが提示されている。 Conventionally, in the production of a polymer solid electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) of a fuel cell, there is a method for producing an electrolyte membrane using alcohol as a solvent (Patent Document 1). In the technique of Patent Document 1, diacetone alcohol is presented as one of the alcohol options.

特開2013−168368号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-168368

ところで、電解質膜には、湿潤状態で使用することによりプロトン伝導性を示すものがある。電解質膜を構成するアイオノマー中のスルホン酸基は、電解質膜中でランダムに配置される。そのため、ランダムに配置されたスルホン酸基と水がイオン結合することにより、電解質膜の含水率が上昇する可能性がある。電解質膜の含水率が上昇すると、氷点下時に電解質膜内の水が電解質膜の外に出て凍結し、電解質膜に隣接する触媒層を破損させるおそれがあった。 By the way, some electrolyte membranes exhibit proton conductivity when used in a wet state. The sulfonic acid groups in the ionomers constituting the electrolyte membrane are randomly arranged in the electrolyte membrane. Therefore, the water content of the electrolyte membrane may increase due to the ionic bonding between the randomly arranged sulfonic acid groups and water. When the water content of the electrolyte membrane increases, the water in the electrolyte membrane may come out of the electrolyte membrane and freeze when the temperature is below freezing, and the catalyst layer adjacent to the electrolyte membrane may be damaged.

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。 The present disclosure can be realized in the following forms.

(1)本開示の一形態によれば、電解質膜の製造方法が提供される。この電解質膜の製造方法は、スルホン酸基を含む前記電解質膜の材料と、ジアセトンアルコールと、水と、を含む溶液を準備する工程と、前記溶液を基材の上に塗布し、乾燥させる工程と、を備え、前記ジアセトンアルコールと前記水との合計重量に対して、前記ジアセトンアルコールの重量%が、50重量%以上75重量%以下である。このような態様においては、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%以上75重量%以下であると、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%よりも小さいか、または75重量%よりも大きい場合と比べて、乾燥時間を短縮することができる。また、ジアセトンアルコールの重量が50重量%以上であると、50重量%よりも小さい場合と比べて、電解質膜の含水率が小さくなる。含水率が小さくなる理由は、親水性基であるスルホン酸基が向き合うためだと考えられる。これにより電解質膜の周囲の水と反応するスルホン酸基の割合が少なくなるため、50重量%以上75重量%以下のジアセトンアルコールを含む溶液を用いない場合と比べて、電解質膜の含水率が小さくなる。そのため、氷点下時に電解質膜の水が電解質膜の外に出て凍結する可能性が小さくなる。また、スルホン酸基が向き合うことにより、プロトンがスルホン酸基の間を移動しやすくなる。そのため、電解質膜の含水率が小さくなっても、プロトン伝導性を維持することができると考えられる。 (1) According to one embodiment of the present disclosure, a method for producing an electrolyte membrane is provided. The method for producing the electrolyte membrane includes a step of preparing a solution containing the electrolyte membrane material containing a sulfonic acid group, diacetone alcohol, and water, and applying the solution onto a substrate and drying it. The step is provided, and the weight% of the diacetone alcohol is 50% by weight or more and 75% by weight or less with respect to the total weight of the diacetone alcohol and the water. In such an embodiment, when the weight% of diacetone alcohol is 50% by weight or more and 75% by weight or less, the weight% of diacetone alcohol is smaller than 50% by weight or larger than 75% by weight. In comparison, the drying time can be shortened. Further, when the weight of the diacetone alcohol is 50% by weight or more, the water content of the electrolyte membrane becomes smaller than that in the case where the weight of the diacetone alcohol is less than 50% by weight. It is considered that the reason why the water content becomes small is that the sulfonic acid groups, which are hydrophilic groups, face each other. As a result, the proportion of sulfonic acid groups that react with the water around the electrolyte membrane is reduced, so the water content of the electrolyte membrane is higher than when a solution containing diacetone alcohol of 50% by weight or more and 75% by weight or less is not used. It becomes smaller. Therefore, when the temperature is below freezing, the possibility that the water in the electrolyte membrane goes out of the electrolyte membrane and freezes is reduced. In addition, the facing of the sulfonic acid groups facilitates the movement of protons between the sulfonic acid groups. Therefore, it is considered that the proton conductivity can be maintained even if the water content of the electrolyte membrane becomes small.

本実施形態の電解質膜の概略模式図。Schematic diagram of the electrolyte membrane of this embodiment. 電解質膜と、第3電解質膜、第4電解質膜及び第5電解質膜の製造方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the electrolyte membrane and the manufacturing method of the 3rd electrolyte membrane, the 4th electrolyte membrane and the 5th electrolyte membrane. ジアセトンアルコールの重量%と、乾燥速度の関係を表すグラフ。The graph which shows the relationship between the weight% of diacetone alcohol and the drying rate. ジアセトンアルコールの重量%と、含水率との関係を表すグラフ。The graph which shows the relationship between the weight% of diacetone alcohol and the water content. ジアセトンアルコールの重量%と、プロトン抵抗値の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the weight% of diacetone alcohol and the proton resistance value. 第5電解質膜の概略模式図。Schematic diagram of the fifth electrolyte membrane.

A.実施形態
A1.電解質膜10の製造方法
図1は、本実施形態の電解質膜10の概略模式図である。電解質膜10は、プロトンを伝導するイオン交換膜として機能する。電解質膜10は、湿潤状態となることにより高いプロトン伝導性を示す。電解質膜10は、主鎖としてのテフロン骨格110(テフロンは登録商標)と、側鎖としてのスルホン酸基120と、を含む高分子同士が複雑に絡み合った構造をなす。テフロン骨格110は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)骨格である。テフロン骨格110は、疎水性を有する。1つのテフロン骨格110に、複数のスルホン酸基が結合する。スルホン酸基120は、親水性を有し、電解質膜10内でプロトンを選択的に透過させる。
A. Embodiment A1. Method for Manufacturing Electrolyte Membrane 10 FIG. 1 is a schematic schematic diagram of the electrolyte membrane 10 of the present embodiment. The electrolyte membrane 10 functions as an ion exchange membrane that conducts protons. The electrolyte membrane 10 exhibits high proton conductivity when it is in a wet state. The electrolyte membrane 10 has a structure in which polymers containing a Teflon skeleton 110 as a main chain (Teflon is a registered trademark) and a sulfonic acid group 120 as a side chain are intricately entangled with each other. The Teflon skeleton 110 is a PTFE (polytetrafluoroethylene) skeleton. The Teflon skeleton 110 has hydrophobicity. A plurality of sulfonic acid groups are bonded to one Teflon skeleton 110. The sulfonic acid group 120 has hydrophilicity and selectively allows protons to permeate within the electrolyte membrane 10.

図2は、電解質膜10と、第3電解質膜150、第4電解質膜160及び第5電解質膜200の製造方法を示すフローチャートである。第3電解質膜150と第4電解質膜160及び第5電解質膜200については、後述する。 FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing method of the electrolyte membrane 10, the third electrolyte membrane 150, the fourth electrolyte membrane 160, and the fifth electrolyte membrane 200. The third electrolyte membrane 150, the fourth electrolyte membrane 160, and the fifth electrolyte membrane 200 will be described later.

ステップS100において、スルホン酸基を含む電解質膜の材料を含む溶液が準備される。具体的には、ジアセトンアルコール(CHC(=O)CHC(OH)(CH)またはエタノール(CHCHOH)のアルコールに、高分子電解質(以下、アイオノマーと呼ぶ)が溶かされ、さらに水が加えられる。アイオノマーとして、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂が用いられている。なお、アイオノマーとしては、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホンなどを用いることができる。 In step S100, a solution containing the material of the electrolyte membrane containing the sulfonic acid group is prepared. Specifically, the alcohol of diacetone alcohol (CH 3 C (= O) CH 2 C (OH) (CH 3 ) 2 ) or ethanol (CH 3 CH 2 OH) is mixed with a polymer electrolyte (hereinafter referred to as ionomer). ) Is melted and water is added. A perfluorocarbon sulfonic acid resin is used as the ionomer. As the ionomer, sulfonated polyether sulfone, sulfonated polyether ether sulfone, or the like can be used.

ステップS200において、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)基材の上に、ステップS100の工程で準備された溶液が、塗布される。まず、厚さ100μmのPTFE基材が準備され、鉄板に固定される。基材としては、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)基材、ポリエチレンナフタレート(PEN)基材、ポリエチレン(PE)基材、シクロオレフィンポリマー(COP)、あるいはチタン基材などの単層体やコーティングされた多層体の基材を用いてもよい。 In step S200, the solution prepared in the step S100 is applied onto the PTFE (polytetrafluoroethylene) substrate. First, a 100 μm-thick PTFE base material is prepared and fixed to an iron plate. Examples of the base material include a single layer such as a polyethylene terephthalate (PET) base material, a polyethylene naphthalate (PEN) base material, a polyethylene (PE) base material, a cycloolefin polymer (COP), or a titanium base material, or a coating. A multilayer base material may be used.

次に、バーコーターを用いて、ステップS100で準備された溶液が、厚さ200μmとなるように、PTFE基材の上に塗布される。塗布する方法としては、バーコーター以外に、スピンコートやダイコーターなどの種々の一般的な塗布方法を用いることができる。 Next, using a bar coater, the solution prepared in step S100 is applied onto the PTFE substrate so as to have a thickness of 200 μm. As the coating method, various general coating methods such as spin coating and die coater can be used in addition to the bar coater.

ステップS300において、加熱によりステップS200で作製された溶液内のアルコールと水が蒸発される。まず、PTFE基材を固定した鉄板がオーブンに入れられ、ステップS200で作製された溶液が140度で3分間蒸発される。次に、オーブンの温度を160度に上げ、ステップS200で作製された溶液がさらに3分間蒸発される。ジアセトンアルコールの沸点よりも低い140度で蒸発させてから、次に160度で蒸発させることで、水やアルコールが泡立ちながら蒸発し、電解質膜の表面が凹凸となることを、抑制することができる。160度の温度で3分間蒸発させることによって、ステップS200で作製された溶液中のジアセトンアルコールを、ほぼ完全に蒸発させることができる。 In step S300, heating evaporates the alcohol and water in the solution prepared in step S200. First, an iron plate on which a PTFE base material is fixed is placed in an oven, and the solution prepared in step S200 is evaporated at 140 degrees for 3 minutes. The oven temperature is then raised to 160 degrees and the solution prepared in step S200 is evaporated for an additional 3 minutes. By evaporating at 140 degrees, which is lower than the boiling point of diacetone alcohol, and then at 160 degrees, it is possible to prevent water and alcohol from evaporating while foaming and the surface of the electrolyte membrane becoming uneven. can. By evaporating at a temperature of 160 degrees for 3 minutes, the diacetone alcohol in the solution prepared in step S200 can be evaporated almost completely.

次に、オーブンから取り出された鉄板から、PTFE基材が取り外される。最後にPTFE基材から、乾燥した膜が剥がされることにより、厚さが8μmの電解質膜が作製される。 Next, the PTFE base material is removed from the iron plate taken out of the oven. Finally, the dried membrane is peeled off from the PTFE substrate to prepare an electrolyte membrane having a thickness of 8 μm.

A2.実施例
溶液として、第1溶液と第2溶液と第3溶液と第4溶液、及び第5溶液が用意される。第1溶液と第2溶液と第3溶液と第4溶液は、水とジアセトンアルコールの含有量が異なる。第5溶液は、ジアセトンアルコールではなく、エタノールを含有している点で、第1溶液ないし第4溶液と異なる。
A2. Examples As the solutions, a first solution, a second solution, a third solution, a fourth solution, and a fifth solution are prepared. The first solution, the second solution, the third solution, and the fourth solution have different contents of water and diacetone alcohol. The fifth solution differs from the first to fourth solutions in that it contains ethanol rather than diacetone alcohol.

第1溶液の作製方法について説明する。まず、イオン交換容量が1.9(meq./g)のアイオノマー0.3gが、1.35gのジアセトンアルコールに浸漬される。アイオノマーが浸漬されたジアセトンアルコールに、1.35gの水が加えられることで、第1溶液が準備される。第1溶液においては、ジアセトンアルコールと水との合計重量2.7gを100重量%としたとき、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%となる。以下、ジアセトンアルコールの重量%とは、ジアセトンアルコールと水との合計重量を100重量%としたときの、ジアセトンアルコールの重量を表したものとする。なお、ここでいうジアセトンアルコールの重量%とは、PTFE基材に溶液を塗布する直前のジアセトンアルコールの重量%である。 A method for preparing the first solution will be described. First, 0.3 g of ionomer having an ion exchange capacity of 1.9 (meq./g) is immersed in 1.35 g of diacetone alcohol. The first solution is prepared by adding 1.35 g of water to the diacetone alcohol in which the ionomer is immersed. In the first solution, when the total weight of 2.7 g of diacetone alcohol and water is 100% by weight, the weight% of diacetone alcohol is 50% by weight. Hereinafter, the weight% of diacetone alcohol means the weight of diacetone alcohol when the total weight of diacetone alcohol and water is 100% by weight. The weight% of diacetone alcohol referred to here is the weight% of diacetone alcohol immediately before the solution is applied to the PTFE base material.

第2溶液の作製方法について説明する。イオン交換容量が1.9(meq./g)のアイオノマー0.3gが、2.025gのジアセトンアルコールに浸漬される。次にアイオノマーが浸漬されたジアセトンアルコールに、0.675gの水が加えられることで、第2溶液が準備される。第2溶液においては、ジアセトンアルコールと水との合計重量2.7gに対して、ジアセトンアルコールの重量%が75重量%となる。 A method for preparing the second solution will be described. 0.3 g of ionomer having an ion exchange capacity of 1.9 (meq./g) is immersed in 2.025 g of diacetone alcohol. Next, 0.675 g of water is added to the diacetone alcohol in which the ionomer is immersed to prepare a second solution. In the second solution, the weight% of diacetone alcohol is 75% by weight with respect to the total weight of 2.7 g of diacetone alcohol and water.

第3溶液の作製方法について説明する。イオン交換容量が1.9(meq./g)のアイオノマー0.3gが、2.7gのジアセトンアルコールに浸漬されることで、第3溶液が準備される。第3溶液においては、水が含まれていないため、ジアセトンアルコールの重量%が100重量%となる。 A method for preparing the third solution will be described. A third solution is prepared by immersing 0.3 g of ionomer with an ion exchange capacity of 1.9 (meq./g) in 2.7 g of diacetone alcohol. In the third solution, since water is not contained, the weight% of diacetone alcohol is 100% by weight.

第4溶液の作製方法について説明する。イオン交換容量が1.9(meq./g)のアイオノマー0.3gが、0.675gのジアセトンアルコールに浸漬される。次にアイオノマーが浸漬されたジアセトンアルコールに、2.025gの水が加えられることで、第4溶液が準備される。第4溶液においては、ジアセトンアルコールと水との合計重量2.7gに対して、ジアセトンアルコールの重量%が25重量%となる。 A method for preparing the fourth solution will be described. 0.3 g of ionomer having an ion exchange capacity of 1.9 (meq./g) is immersed in 0.675 g of diacetone alcohol. Next, 2.025 g of water is added to the diacetone alcohol in which the ionomer is immersed to prepare a fourth solution. In the fourth solution, the weight% of diacetone alcohol is 25% by weight with respect to the total weight of 2.7 g of diacetone alcohol and water.

第5溶液の作製方法について説明する。イオン交換容量が1.9(meq./g)のアイオノマー0.3gが、1.35gのエタノールに浸漬される。次に、アイオノマーが浸漬されたエタノールに、1.35gの水が加えられることで、第4溶液が準備される。第4溶液においては、ジアセトンアルコールが含まれていないため、ジアセトンアルコールの重量%が0重量%となる。以下、第1溶液ないし第5溶液をまとめてよぶ場合には、「各溶液」とよぶ。 A method for preparing the fifth solution will be described. 0.3 g of ionomer having an ion exchange capacity of 1.9 (meq./g) is immersed in 1.35 g of ethanol. Next, 1.35 g of water is added to the ethanol in which the ionomer is immersed to prepare a fourth solution. Since the fourth solution does not contain diacetone alcohol, the weight% of diacetone alcohol is 0% by weight. Hereinafter, when the first solution to the fifth solution are collectively referred to, they are referred to as "each solution".

第1溶液を用いて作製された電解質膜を第1電解質膜130、第2溶液を用いて作製された電解質膜を第2電解質膜140、第3溶液を用いて作製された電解質膜を第3電解質膜150、第4溶液を用いて作製された電解質膜を第4電解質膜160、第5溶液を用いて作製された電解質膜を第5電解質膜200とする。第1電解質膜130と第2電解質膜140を、「電解質膜10」ともいう。第1電解質膜130ないし第5電解質膜200をまとめてよぶ場合には、「各電解質膜」という。 The electrolyte membrane prepared using the first solution is the first electrolyte membrane 130, the electrolyte membrane prepared using the second solution is the second electrolyte membrane 140, and the electrolyte membrane prepared using the third solution is the third. The electrolyte membrane 150 prepared using the fourth solution is referred to as the fourth electrolyte membrane 160, and the electrolyte membrane prepared using the fifth solution is referred to as the fifth electrolyte membrane 200. The first electrolyte membrane 130 and the second electrolyte membrane 140 are also referred to as “electrolyte membrane 10”. When the first electrolyte membrane 130 to the fifth electrolyte membrane 200 are collectively referred to, they are referred to as "each electrolyte membrane".

A3.評価
(1)乾燥速度の評価
第1溶液、第2溶液及、第3溶液及び第4溶液について、ステップS300の乾燥における乾燥速度を測定した。乾燥速度は、以下のようにして算出した。まず、第1溶液、第2溶液、第3溶液及び第4溶液の、PTFE基材上にそれぞれ同じ面積となるように塗布されたものが、3サンプルずつ用意される。次に、全てのサンプルの重量が測定される。その後、サンプルが160度で60秒、乾燥される。乾燥後、それぞれのサンプルの重量が測定され、乾燥前の重量から乾燥後の重量を引いた値が算出される。重量の単位はグラムとする。その数値を、サンプルごとの塗布された溶液の面積と、乾燥時間60秒で割る。このようにして、それぞれのサンプルの、塗布された溶液の1mにおける、1秒あたりの溶液の蒸発量が算出される。3サンプルの蒸発量の平均を、乾燥速度とした。
A3. Evaluation (1) Evaluation of drying rate For the first solution, the second solution, the third solution, and the fourth solution, the drying rate in the drying in step S300 was measured. The drying rate was calculated as follows. First, three samples of the first solution, the second solution, the third solution, and the fourth solution, which are coated on the PTFE base material so as to have the same area, are prepared. Next, all samples are weighed. The sample is then dried at 160 degrees for 60 seconds. After drying, the weight of each sample is measured, and the value obtained by subtracting the weight after drying from the weight before drying is calculated. The unit of weight is grams. Divide that number by the area of the applied solution for each sample and the drying time of 60 seconds. In this way, the amount of evaporation of the solution per second in 1 m 2 of the applied solution of each sample is calculated. The average amount of evaporation of the three samples was taken as the drying rate.

図3は、ジアセトンアルコールの重量%と、乾燥速度の関係を表すグラフである。図3に示すようにジアセトンアルコールの重量%が50重量%以上75重量%以下である場合、乾燥速度が速くなる。これは、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%以上75%以下である場合、水とジアセトンアルコールの強い相互作用により、水に効率よく引き寄せられて蒸発するため、乾燥速度が速くなるためだと考えられる。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the weight% of diacetone alcohol and the drying rate. As shown in FIG. 3, when the weight% of diacetone alcohol is 50% by weight or more and 75% by weight or less, the drying speed becomes high. This is because when the weight% of diacetone alcohol is 50% by weight or more and 75% or less, the strong interaction between water and diacetone alcohol efficiently attracts it to water and evaporates, so that the drying speed becomes faster. it is conceivable that.

一方、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%よりも小さいか、または75重量%よりも大きいと、乾燥速度が遅くなる。ジアセトンアルコールの重量%が75重量%よりも大きいと、ジアセトンアルコールと水の相互作用が小さいため、水に引き寄せられるジアセトンアルコールの量が減るためだと考えられる。また、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%よりも小さいと、ジアセトンアルコールに対して水の量が多すぎるため、ジアセトンアルコールと水との相互作用が弱まり、水が先に蒸発してしまうと考えられる。 On the other hand, if the weight% of diacetone alcohol is less than 50% by weight or more than 75% by weight, the drying rate becomes slow. It is considered that when the weight% of diacetone alcohol is larger than 75% by weight, the interaction between diacetone alcohol and water is small, so that the amount of diacetone alcohol attracted to water is reduced. If the weight% of diacetone alcohol is less than 50% by weight, the amount of water is too large with respect to diacetone alcohol, so that the interaction between diacetone alcohol and water is weakened and the water evaporates first. It is thought that it will end up.

以上より、ジアセトンアルコールの重量%が、50重量%以上75%以下である場合、乾燥時間を短縮することができる From the above, when the weight% of diacetone alcohol is 50% by weight or more and 75% or less, the drying time can be shortened.

(2)含水率の評価
第1電解質膜130、第2電解質膜140及び第5電解質膜200の含水率を評価した。具体的には、それぞれ80度で30分間真空乾燥した後の質量と、80度の熱水に30分間浸した後の質量から、下記数式(1)に基づいて含水率を算出した。
含水率(%)=(熱水に浸した後の電解質膜の質量−真空乾燥した後の電解質膜の質量)/真空乾燥した後の電解質膜の質量・・・(1)
(2) Evaluation of Moisture Content The water content of the first electrolyte membrane 130, the second electrolyte membrane 140, and the fifth electrolyte membrane 200 was evaluated. Specifically, the water content was calculated based on the following mathematical formula (1) from the mass after vacuum drying at 80 ° C. for 30 minutes and the mass after being immersed in hot water at 80 ° C. for 30 minutes.
Moisture content (%) = (mass of electrolyte membrane after immersion in hot water-mass of electrolyte membrane after vacuum drying) / mass of electrolyte membrane after vacuum drying ... (1)

図4は、ジアセトンアルコールの重量%と、含水率との関係を表すグラフである。図4に示すように、ジアセトンアルコールの重量%が50重量%以上である場合、含水率は約5%となる。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the weight% of diacetone alcohol and the water content. As shown in FIG. 4, when the weight% of diacetone alcohol is 50% by weight or more, the water content is about 5%.

上述したように、第5電解質膜200は、ジアセトンアルコールを用いて作製されていないため、ジアセトンアルコール重量%が0重量%となる。図4に示すように、ジアセトンアルコール重量%が、0重量%の場合の含水率は、約70%である。そのため、第5電解質膜200と比べて、電解質膜10の含水率が低いことがわかる。 As described above, since the fifth electrolyte membrane 200 is not produced using diacetone alcohol, the weight% of diacetone alcohol is 0% by weight. As shown in FIG. 4, when the weight% of diacetone alcohol is 0% by weight, the water content is about 70%. Therefore, it can be seen that the water content of the electrolyte membrane 10 is lower than that of the fifth electrolyte membrane 200.

(3)プロトン抵抗の評価
第1電解質膜130、第2電解質膜140及び第5電解質膜200の、イオン伝導抵抗(以下、プロトン抵抗とよぶ)を評価した。プロトン抵抗値が低いほど、イオン伝導性が高いといえる。まず、各電解質膜をそれぞれ10枚ずつ準備し、積層する。次に、140度、3MPaで、積層した各電解質膜の積層体をホットプレスし、φ6mmの円板形状に打ち抜いた。打ち抜いた各電解質膜の積層体を治具にセットし、80度、98%RHの恒温高湿槽内で12時間静置した。その後、高温高湿槽の設定を80度、30%RHに変更し、各電解質膜をさらに1時間半静置した。各電解質膜を高温高湿槽から取り出し、LCRメーター(Solartrоn社製、1260型インピーダンスアナライザ)で、1kHzの周波数にて測定を実施し、プロトン抵抗を評価した。
(3) Evaluation of Proton Resistance The ionic conduction resistance (hereinafter referred to as proton resistance) of the first electrolyte membrane 130, the second electrolyte membrane 140, and the fifth electrolyte membrane 200 was evaluated. It can be said that the lower the proton resistance value, the higher the ionic conductivity. First, 10 sheets of each electrolyte membrane are prepared and laminated. Next, the laminated body of each of the laminated electrolyte membranes was hot-pressed at 140 ° C. and 3 MPa, and punched into a disk shape having a diameter of 6 mm. The laminated body of each punched electrolyte membrane was set on a jig and allowed to stand in a constant temperature and high humidity bath at 80 ° C. and 98% RH for 12 hours. After that, the setting of the high temperature and high humidity tank was changed to 80 ° C. and 30% RH, and each electrolyte membrane was allowed to stand for another one and a half hours. Each electrolyte membrane was taken out from a high temperature and high humidity bath, and measurement was carried out at a frequency of 1 kHz with an LCR meter (1260 type impedance analyzer manufactured by Solartrоn) to evaluate proton resistance.

図5は、ジアセトンアルコールの重量%と、プロトン抵抗値の関係を示すグラフである。図5には、ジアセトンアルコールの重量%の値に関わらず、プロトン抵抗値がほぼ一定であることが示されている。一般に、電解質膜は湿潤状態で使用されることにより高いイオン伝導性を示すことが知られているため、含水率が低い電解質膜はイオン伝導性が低くなる。しかし、電解質膜10は、上述したように含水率が低くても、第5電解質膜200とほぼ同じプロトン抵抗値を示している。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the weight% of diacetone alcohol and the proton resistance value. FIG. 5 shows that the proton resistance value is substantially constant regardless of the weight% value of diacetone alcohol. In general, it is known that an electrolyte membrane exhibits high ionic conductivity when used in a wet state, so that an electrolyte membrane having a low water content has low ionic conductivity. However, the electrolyte membrane 10 shows substantially the same proton resistance value as the fifth electrolyte membrane 200 even if the water content is low as described above.

A4.考察
図6は、第5電解質膜200の概略模式図である。本実施形態では、図1と図6の白抜き矢印が向いている方向を、電解質膜10と第5電解質膜200の内側として説明する。図1と図6に示すように、第5電解質膜200と比べると、電解質膜10のスルホン酸基120は内側を向いている。これは、乾燥時に水がジアセトンアルコールよりも先に蒸発することにより起こると考えられる。
A4. Discussion FIG. 6 is a schematic schematic diagram of the fifth electrolyte membrane 200. In the present embodiment, the direction in which the white arrows in FIGS. 1 and 6 are directed will be described as the inside of the electrolyte membrane 10 and the fifth electrolyte membrane 200. As shown in FIGS. 1 and 6, the sulfonic acid group 120 of the electrolyte membrane 10 faces inward as compared with the fifth electrolyte membrane 200. This is thought to occur because water evaporates before diacetone alcohol during drying.

アイオノマーは、アルコールと水に、浸漬した状態で乾燥される。このとき、親水性のスルホン酸基120が水とアルコール側を向く。ここで、上述したように、水とのイオン結合により、水の蒸発時にジアセトンアルコールが水に引っ張られて蒸発する。この際に、全てのジアセトンアルコールが水とともに蒸発するわけではなく、沸点の高い少量のジアセトンアルコールが残るものと推測される。この少量のジアセトンアルコールによって、スルホン酸基が内側に向き合って乾燥されると考えられる。 Ionomers are dried soaked in alcohol and water. At this time, the hydrophilic sulfonic acid group 120 faces the water and alcohol side. Here, as described above, due to the ionic bond with water, diacetone alcohol is pulled by water and evaporates when the water evaporates. At this time, it is presumed that not all diacetone alcohol evaporates with water, and a small amount of diacetone alcohol having a high boiling point remains. It is believed that this small amount of diacetone alcohol causes the sulfonic acid groups to face inward and dry.

親水性基であるスルホン酸基120が電解質膜10の内側を向いていると、以下の効果を奏する。まず、水が電解質膜10を覆っても、電解質膜10の外側は疎水性基であるテフロン骨格110により覆われている。このため、第5電解質膜200と比べて、電解質膜10の周囲の水と反応するスルホン酸基120の割合が少なくなる。このため、第5電解質膜200と比べて、電解質膜10の含水率が小さくなる。そのため、氷点下時に電解質膜10の水が電解質膜10の外に出て凍結する可能性が小さくなる。 When the sulfonic acid group 120, which is a hydrophilic group, faces the inside of the electrolyte membrane 10, the following effects are obtained. First, even if water covers the electrolyte membrane 10, the outside of the electrolyte membrane 10 is covered with the Teflon skeleton 110 which is a hydrophobic group. Therefore, the proportion of the sulfonic acid group 120 that reacts with the water around the electrolyte membrane 10 is smaller than that of the fifth electrolyte membrane 200. Therefore, the water content of the electrolyte membrane 10 is smaller than that of the fifth electrolyte membrane 200. Therefore, the possibility that the water in the electrolyte membrane 10 goes out of the electrolyte membrane 10 and freezes when the temperature is below freezing is reduced.

一般に、電解質膜が水を含むと、電解質膜の外部から供給されたプロトンが水分子と結合してオキソニウムイオン(H)となり、スルホン酸基の間を移動する。本明細書では、プロトンの移動と、オキソニウムイオンの移動は同義とする。第5電解質膜200のように親水性を有するスルホン酸基120が内側と外側をランダムに向く構造を有していると、水分子が分散しやすくオキソニウムイオンの発生が不安定となる。このため、電解質膜に水を多く含ませる必要がある。また、スルホン酸基が向く方向がランダムであると、スルホン酸間の距離が不安定となり、オキソニウムイオンの移動が遅くなることがある。 In general, the electrolyte membrane to contain water, oxonium ions (H 3 O +) next to protons supplied from the outside of the electrolyte membrane are bonded with water molecules to move between sulfonic acid groups. In the present specification, the transfer of protons and the transfer of oxonium ions are synonymous. When the hydrophilic sulfonic acid group 120 has a structure in which the hydrophilic sulfonic acid groups 120 are randomly oriented inward and outward as in the fifth electrolyte membrane 200, water molecules are easily dispersed and the generation of oxonium ions becomes unstable. Therefore, it is necessary to add a large amount of water to the electrolyte membrane. Further, if the direction in which the sulfonic acid group faces is random, the distance between the sulfonic acids becomes unstable, and the movement of the oxonium ion may be slowed down.

上述したように電解質膜10は、第5電解質膜200と比べて含水率が低い。しかし、親水性基のスルホン酸基120が膜の内側に向き合っているため、水が膜の内側に入り込み、効率よくオキソニウムイオンを生成することができると考えられる。さらに、スルホン酸基120が向かいあうことにより、スルホン酸基120間の距離が近くなるため、第5電解質膜200と比べてスルホン酸基120の間をオキソニウムイオンが移動しやすくなる。そのため、電解質膜10の含水率が小さくなっても、プロトン伝導性を維持することができると考えられる。 As described above, the electrolyte membrane 10 has a lower water content than the fifth electrolyte membrane 200. However, since the hydrophilic group sulfonic acid group 120 faces the inside of the membrane, it is considered that water can enter the inside of the membrane and efficiently generate oxonium ions. Further, since the sulfonic acid groups 120 face each other, the distance between the sulfonic acid groups 120 becomes short, so that the oxonium ion easily moves between the sulfonic acid groups 120 as compared with the fifth electrolyte membrane 200. Therefore, it is considered that the proton conductivity can be maintained even if the water content of the electrolyte membrane 10 becomes small.

B.他の実施形態
(B1)上記実施形態では、アイオノマーをアルコールに浸漬させた後、水が加えられていた。しかし、例えばアイオノマーを水に浸漬させたのち、アルコールが加えられてもよい。
B. Other Embodiment (B1) In the above embodiment, water was added after immersing the ionomer in alcohol. However, alcohol may be added after, for example, immersing the ionomer in water.

(B2)上記実施形態では、電解質膜10を作製するために、第1溶液と、第2溶液を用いていた。しかし、例えば電解質膜を作製するために、ジアセトンアルコール1.62gと、水1.08gを用いた、ジアセトンアルコールの重量%が60重量%の溶液が準備されてもよい。ジアセトンアルコールの重量%が、50重量%以上75重量%以下であることが好ましい。 (B2) In the above embodiment, the first solution and the second solution were used to prepare the electrolyte membrane 10. However, for example, in order to prepare an electrolyte membrane, a solution using 1.62 g of diacetone alcohol and 1.08 g of water may be prepared in an amount of 60% by weight of diacetone alcohol. The weight% of diacetone alcohol is preferably 50% by weight or more and 75% by weight or less.

(B3)上記実施形態では、アイオノマー0.3gを使用していた。しかし、例えばアイオノマーは0.5g使用されてもよい。 (B3) In the above embodiment, 0.3 g of ionomer was used. However, for example, 0.5 g of ionomer may be used.

(B4)電解質膜の構成として、PTFE、ポリプロピレン、ポリエチレン等の多孔質フィルムを芯材に用い、電解質層/芯材/電解質等の多層構造をとることができる。 (B4) As the structure of the electrolyte membrane, a porous film such as PTFE, polypropylene, or polyethylene can be used as the core material, and a multilayer structure such as an electrolyte layer / core material / electrolyte can be obtained.

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、開示の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be realized by various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each of the embodiments described in the summary of disclosure column may be used to solve some or all of the above problems, or some of the above effects. Alternatively, they can be replaced or combined as appropriate to achieve all of them. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

10…電解質膜、110…テフロン骨格、120…スルホン酸基、130…第1電解質膜、140…第2電解質膜、150…第3電解質膜、160…第4電解質膜、200…第5電解質膜 10 ... Electrolyte membrane, 110 ... Teflon skeleton, 120 ... Sulfonic acid group, 130 ... First electrolyte membrane, 140 ... Second electrolyte membrane, 150 ... Third electrolyte membrane, 160 ... Fourth electrolyte membrane, 200 ... Fifth electrolyte membrane

Claims (1)

電解質膜の製造方法であって、
スルホン酸基を含む前記電解質膜の材料と、ジアセトンアルコールと、水と、を含む溶液を準備する工程と、
前記溶液を基材の上に塗布し、乾燥させる工程と、
を備え、
前記ジアセトンアルコールと前記水との合計重量に対して、前記ジアセトンアルコールの重量%が、50重量%以上75重量%以下である、
電解質膜の製造方法。
It is a method of manufacturing an electrolyte membrane.
A step of preparing a solution containing the material of the electrolyte membrane containing a sulfonic acid group, diacetone alcohol, and water.
The step of applying the solution on the substrate and drying it,
With
The weight% of the diacetone alcohol is 50% by weight or more and 75% by weight or less with respect to the total weight of the diacetone alcohol and the water.
A method for producing an electrolyte membrane.
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