JP5772752B2 - Electrolyte membrane manufacturing method and electrolyte membrane manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、電解質膜を製造する技術に関する。 The present invention relates to a technique for manufacturing an electrolyte membrane.
電解質膜を製造する方法として、電解質膜前駆体を加水分解して生成する方法が知られている。具体的には、電解質膜前駆体を構成するF型電解質樹脂(末端基が−SO2F)を、加水分解によってH型電解質樹脂(末端基が−SO3H)に変化させることによって電解質膜の製造を行う。加水分解に関する技術としては、例えば下記特許文献1,2が知られている。下記特許文献1には、アルカリ金属水酸化物(NaOHやKOH)が混合された電解質膜前駆体を燃料電池成形型で挟持し、この成形型内に過熱水蒸気を導入することによって、加水分解処理の一工程であるアルカリ処理を行う技術が記載されている。また、下記特許文献2には、アルカリ処理を、100℃以下の湿潤不活性ガス下のアルカリ水溶液を用いて行うことによって、アルカリ水溶液の蒸発による濃度変化を防ぐ技術が記載されている。 As a method for producing an electrolyte membrane, a method for producing an electrolyte membrane precursor by hydrolysis is known. Specifically, the electrolyte membrane is obtained by changing the F-type electrolyte resin (terminal group is —SO 2 F) constituting the electrolyte membrane precursor into an H-type electrolyte resin (terminal group is —SO 3 H) by hydrolysis. Manufacture. As techniques relating to hydrolysis, for example, Patent Documents 1 and 2 below are known. In the following Patent Document 1, an electrolyte membrane precursor mixed with alkali metal hydroxide (NaOH or KOH) is sandwiched between fuel cell molds, and a hydrolysis treatment is performed by introducing superheated steam into the mold. A technique for performing alkali treatment, which is one step of the above, is described. Patent Document 2 below describes a technique for preventing a concentration change due to evaporation of an alkaline aqueous solution by performing an alkali treatment using an alkaline aqueous solution under a wet inert gas at 100 ° C. or lower.
ところで、従来、通常雰囲気下で加水分解の一工程であるアルカリ処理を行う場合には、アルカリ水溶液に反応推進剤としてアルコールや、ジメチルスルホキシドを添加する。しかし、これら反応推進剤によって電解質樹脂が溶解する場合があるといった問題が指摘されていた。また、ジメチルスルホキシドを用いて加水分解処理を行った場合、生成した電解質膜に電極を組み付けMEA(膜電極接合体)としたときに、電解質膜に含まれるジメチルスルホキシドによって、電極に含まれる白金を被毒し燃料電池の性能低下を引き起こす可能性があるといった問題が指摘されていた。 By the way, conventionally, when performing the alkali treatment which is one step of hydrolysis under a normal atmosphere, alcohol or dimethyl sulfoxide is added to the alkaline aqueous solution as a reaction propellant. However, the problem that the electrolyte resin may be dissolved by these reaction propellants has been pointed out. In addition, when hydrolysis is performed using dimethyl sulfoxide, when an electrode is assembled to the produced electrolyte membrane to form an MEA (membrane electrode assembly), platinum contained in the electrode is converted by dimethyl sulfoxide contained in the electrolyte membrane. Problems have been pointed out that poisoning can lead to performance degradation of fuel cells.
他方、反応促進剤を不使用としてアルカリ処理を行うと処理速度が低下する。生産に適した速度を確保するために高温・高濃度でアルカリ処理を行うと、水の蒸発によりアルカリ水溶液の濃度が大きく変化するため、濃度調整が必要となる。しかし、例えば、処理速度の速い100℃以上のアルカリ水溶液を用いた場合、濃度調整を目的としてアルカリ水溶液に水を添加すると、突沸が生じ、アルカリ水溶液が飛散する可能性があるといった問題が指摘されていた。さらに、燃料電池の運転においては、高温・低湿度環境下での性能維持が求められているが、従来の方法によって生成された電解質膜を用いて製造した燃料電池は、高温・低湿度下での性能維持が十分でないといった問題が指摘されていた。 On the other hand, when alkali treatment is carried out without using a reaction accelerator, the treatment speed decreases. If alkali treatment is performed at a high temperature and high concentration in order to ensure a speed suitable for production, the concentration of the aqueous alkali solution changes greatly due to evaporation of water, and thus concentration adjustment is necessary. However, for example, when an alkaline aqueous solution having a high processing speed of 100 ° C. or higher is used, if water is added to the alkaline aqueous solution for the purpose of adjusting the concentration, bumping may occur and the alkaline aqueous solution may be scattered. It was. Furthermore, in the operation of a fuel cell, it is required to maintain the performance in a high temperature / low humidity environment. However, a fuel cell manufactured using an electrolyte membrane produced by a conventional method is used under high temperature / low humidity conditions. There has been a problem that performance maintenance is not sufficient.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。本発明の一形態は、電解質膜の製造方法であって、加水分解によってイオン伝導性を付与可能な電解質膜前駆体を準備する準備工程と;過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液を用いて前記電解質膜前駆体の加水分解の少なくとも一部の工程であるアルカリ処理を100℃以上の温度下で行い、前記電解質膜前駆体を搬送させる搬送路上に設けられた前記過熱水蒸気中のアルカリ水溶液に浸漬する工程を備えるアルカリ処理工程と;を備える。このような形態であれば、熱水蒸気に接するアルカリ水溶液は100℃以上となる。100℃以上のアルカリ水溶液によって加水分解の一工程であるアルカリ処理を行うので、アルカリ処理を行うよりも反応速度が早くなり処理速度を向上させることができる。しかも、水の蒸発によるアルカリ水溶液の濃度の変化についても、アルカリ水溶液は過熱水蒸気と接しているため、過熱水蒸気の液化によって濃度が一定に保たれる。その他、本発明は、以下のような形態として実現することも可能である。
(1)本発明の一形態によれば、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、加水分解によってイオン伝導性を付与可能な電解質膜前駆体を準備する準備工程と;過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液を用いて前記電解質膜前駆体の加水分解の少なくとも一部の工程であるアルカリ処理を行うアルカリ処理工程と;を備える。この形態の電解質膜の製造方法によれば、過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液は100℃以上となる。100℃以上のアルカリ水溶液によって加水分解の一工程であるアルカリ処理を行うので、アルカリ処理を行うよりも反応速度が早くなり処理速度を向上させることができる。しかも、水の蒸発によるアルカリ水溶液の濃度の変化についても、アルカリ水溶液は過熱水蒸気と接しているため、過熱水蒸気の液化によって濃度が一定に保たれる。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms. One aspect of the present invention is a method for producing an electrolyte membrane, comprising a preparation step of preparing an electrolyte membrane precursor capable of imparting ionic conductivity by hydrolysis; and the electrolyte membrane precursor using an alkaline aqueous solution in contact with superheated steam Performing an alkali treatment that is at least a part of the hydrolysis of the body at a temperature of 100 ° C. or higher, and immersing in an alkaline aqueous solution in the superheated steam provided on a conveyance path for conveying the electrolyte membrane precursor. And an alkali treatment step. If it is such a form, the aqueous alkali solution which contacts thermal steam will be 100 degreeC or more. Since the alkali treatment, which is one step of hydrolysis, is performed with an aqueous alkali solution at 100 ° C. or higher, the reaction rate is faster than the alkali treatment, and the treatment rate can be improved. In addition, regarding the change in the concentration of the alkaline aqueous solution due to the evaporation of water, the alkaline aqueous solution is in contact with the superheated steam, so that the concentration is kept constant by liquefaction of the superheated steam. In addition, the present invention can be realized in the following forms.
(1) According to one form of this invention, the manufacturing method of an electrolyte membrane is provided. The method for producing an electrolyte membrane includes a preparation step of preparing an electrolyte membrane precursor capable of imparting ionic conductivity by hydrolysis; and at least a part of hydrolysis of the electrolyte membrane precursor using an alkaline aqueous solution in contact with superheated steam An alkali treatment step of performing an alkali treatment which is a step of According to the manufacturing method of the electrolyte membrane of this form, the alkaline aqueous solution in contact with the superheated steam is 100 ° C. or higher. Since the alkali treatment, which is one step of hydrolysis, is performed with an aqueous alkali solution at 100 ° C. or higher, the reaction rate is faster than the alkali treatment, and the treatment rate can be improved. In addition, regarding the change in the concentration of the alkaline aqueous solution due to the evaporation of water, the alkaline aqueous solution is in contact with the superheated steam, so that the concentration is kept constant by liquefaction of the superheated steam.
(2)上記形態の電解質膜の製造方法において、前記アルカリ処理工程は、前記過熱水蒸気を所定の温度に調整して行うとしてもよい。圧力が一定の環境下においては、過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液は、温度を決定すれば濃度が一意に決定する。従って、この形態の電解質膜の製造方法によれば、過熱水蒸気の温度を調整することによって、アルカリ水溶液の濃度を調整することができる。 (2) In the method for manufacturing an electrolyte membrane of the above aspect, the alkali treatment step may be performed by adjusting the superheated steam to a predetermined temperature. Under an environment where the pressure is constant, the concentration of the alkaline aqueous solution in contact with the superheated steam is uniquely determined by determining the temperature. Therefore, according to the manufacturing method of the electrolyte membrane of this embodiment, the concentration of the alkaline aqueous solution can be adjusted by adjusting the temperature of the superheated steam.
(3)上記形態の電解質膜の製造方法において、前記過熱水蒸気の所定の温度は100℃以上250℃以下であるとしてもよい。この形態の電解質膜の製造方法によれば、水が水蒸気として安定的に存在する温度である100℃以上、かつ、電解質膜が熱分解を始める温度である250℃以下の過熱水蒸気の下でアルカリ処理を行うので、電解質膜の熱分解を回避して処理を行うことができる。 (3) In the manufacturing method of the electrolyte membrane of the said form, the predetermined temperature of the said superheated steam is good also as 100 degreeC or more and 250 degrees C or less. According to the method for producing an electrolyte membrane of this aspect, the alkaline membrane is used under superheated steam at a temperature of 100 ° C. or higher, at which water is stably present as water vapor, and at 250 ° C. or lower, at which the electrolyte membrane starts thermal decomposition. Since the treatment is performed, the treatment can be performed while avoiding thermal decomposition of the electrolyte membrane.
(4)上記形態の電解質膜の製造方法において、前記過熱水蒸気の所定の温度は130℃以上180℃以下であるとしてもよい。この形態の電解質膜の製造方法によれば、当該製造方法によって製造した電解質膜に性能上の明確な性能向上が見出される温度である130℃以上、かつ、電解質膜の強度が低下する温度である180℃以下の過熱水蒸気の下でアルカリ処理行うことができる。 (4) In the method for manufacturing an electrolyte membrane of the above aspect, the predetermined temperature of the superheated steam may be 130 ° C. or higher and 180 ° C. or lower. According to the method for producing an electrolyte membrane of this embodiment, the electrolyte membrane produced by the production method is at a temperature at which a clear performance improvement is found at 130 ° C. or more, and the temperature at which the strength of the electrolyte membrane is reduced. Alkaline treatment can be performed under superheated steam at 180 ° C. or lower.
(5)上記形態の電解質膜の製造方法において、前記アルカリ処理工程は、前記電解質膜前駆体を搬送させる搬送路上に設けられた前記過熱水蒸気中のアルカリ水溶液に浸漬する工程を備えるものとしてもよい。この形態の電解質膜の製造方法によれば、電解質膜前駆体を搬送させながら連続的にアルカリ処理を行うことができるので、電解質膜の製造効率を高めることができる。 (5) In the method for manufacturing an electrolyte membrane of the above aspect, the alkali treatment step may include a step of immersing in an alkaline aqueous solution in the superheated steam provided on a transport path for transporting the electrolyte membrane precursor. . According to the method for manufacturing an electrolyte membrane in this aspect, the alkali treatment can be continuously performed while the electrolyte membrane precursor is conveyed, so that the manufacturing efficiency of the electrolyte membrane can be increased.
(6)上記形態の電解質膜の製造方法において、当該製造方法によって製造される電解質膜は、さらに、前記アルカリ処理工程に先立って、前記準備工程において準備した電解質膜前駆体に、電極を形成する工程を備え;前記アルカリ処理工程は、前記電極が形成された前記電解質膜前駆体に対して行うものとしてもよい。この形態の電解質膜の製造方法によれば、加水分解処理によって、触媒電極が形成された状態の電解質膜を生成することができる。 (6) In the method for producing an electrolyte membrane of the above aspect, the electrolyte membrane produced by the production method further forms an electrode on the electrolyte membrane precursor prepared in the preparation step prior to the alkali treatment step. The alkali treatment step may be performed on the electrolyte membrane precursor on which the electrode is formed. According to the method for manufacturing an electrolyte membrane in this form, an electrolyte membrane in which a catalyst electrode is formed can be generated by hydrolysis.
(7)また、本発明の他の形態によれば、電解質膜を製造する電解質膜製造装置が提供される。この電解質膜製造装置は、過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液を収容する収容部と;加水分解によってイオン伝導性を付与可能な電解質膜前駆体に対し、前記収容部に収容されたアルカリ水溶液によって、前記加水分解の一部であるアルカリ処理を行うアルカリ処理部と;を備えるものとしてもよい。過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液は100℃以上となる。この電解質膜製造装置によれば、100℃以上のアルカリ水溶液によってアルカリ処理を行うので、常温でアルカリ処理を行うよりも反応速度を早め、処理速度を向上させることができる。 (7) Moreover, according to the other form of this invention, the electrolyte membrane manufacturing apparatus which manufactures an electrolyte membrane is provided. The electrolyte membrane manufacturing apparatus includes: a storage unit that stores an alkaline aqueous solution that contacts superheated steam; and an alkaline aqueous solution stored in the storage unit for the electrolyte membrane precursor that can impart ion conductivity by hydrolysis. An alkali treatment unit that performs alkali treatment that is part of the decomposition. The alkaline aqueous solution in contact with the superheated steam is 100 ° C. or higher. According to this electrolyte membrane manufacturing apparatus, since the alkali treatment is performed with an alkaline aqueous solution at 100 ° C. or higher, the reaction rate can be increased and the treatment rate can be improved as compared with the alkali treatment at room temperature.
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。 A plurality of constituent elements of each aspect of the present invention described above are not indispensable, and some or all of the effects described in the present specification are to be solved to solve part or all of the above-described problems. In order to achieve the above, it is possible to appropriately change, delete, replace with another new component, and partially delete the limited contents of some of the plurality of components. In order to solve part or all of the above-described problems or to achieve part or all of the effects described in this specification, technical features included in one embodiment of the present invention described above. A part or all of the technical features included in the other aspects of the present invention described above may be combined to form an independent form of the present invention.
例えば、本発明の一形態は、準備工程と、アルカリ処理工程の2つの要素の内の一つ以上の要素を備えた製造方法として実現可能である。すなわち、この製造方法は、準備工程を有していても良く、有していなくても良い。また、この製造方法は、アルカリ処理工程を有していてもよく、有していなくても良い。こうした製造方法は、例えば電解質膜の製造方法として実現できるが、電解質膜以外の他の物の製造方法としても実現可能である。このような形態によれば、処理の高速化、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上、製造効率の向上等の種々の課題の少なくとも1つを解決することができる。前述した電解質膜の製造方法の各形態の技術的特徴の一部又は全部は、いずれもこの製造方法に適用することが可能である。 For example, one embodiment of the present invention can be realized as a manufacturing method including one or more elements of two elements of a preparation process and an alkali treatment process. That is, this manufacturing method may have a preparatory process and does not need to have it. Moreover, this manufacturing method may have an alkali treatment process and does not need to have it. Such a manufacturing method can be realized as a manufacturing method of an electrolyte membrane, for example, but can also be realized as a manufacturing method of other things than the electrolyte membrane. According to such a form, it is possible to solve at least one of various problems such as high-speed processing, low cost, resource saving, easy manufacturing, improved usability, and improved manufacturing efficiency. Some or all of the technical features of the respective forms of the electrolyte membrane manufacturing method described above can be applied to this manufacturing method.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、イオン交換膜、イオン交換膜の製造装置および製造方法、燃料電池、燃料電池の製造システムおよび製造方法、電解質膜、電解質膜の製造システム、加水分解処理方法、加水分解処理装置、アルカリ処理方法、アルカリ処理装置などの形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, ion exchange membrane, ion exchange membrane production apparatus and production method, fuel cell, fuel cell production system and production method, electrolyte membrane, electrolyte membrane production system, hydrolysis treatment method, hydrolysis treatment apparatus, alkali treatment method It can be realized in the form of an alkali treatment apparatus.
A.第1実施形態:
(A1)燃料電池の構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての電解質膜の製造方法を採用して作製した燃料電池における、単セル10の構成を説明する説明図である。図は、単セル10の断面を模式的に表してる。本実施形態の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セル10を複数積層したスタック構造を有している。図示するように、単セル10は、電解質を含む膜電極接合体(以下、MEAとも呼ぶ)12と、MEA12を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成する一対のガス拡散層16,17と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持する一対のセパレータ20,21とから構成されている。
A. First embodiment:
(A1) Configuration of fuel cell:
FIG. 1 is an explanatory view illustrating the configuration of a
MEA12は、電解質膜13と、電解質膜13の両面に形成されたアノード(燃料極)14およびカソード(酸素極)15を備える。電解質膜13は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜13については、後で詳しく説明する。アノード14およびカソード15は、電気化学反応を促進する触媒(例えば白金(Pt))が担持されたガス拡散性を有する触媒電極である。
The
ガス拡散層16,17は、ガス透過性および導電性を有する部材によって構成されている。本実施形態では、ガス拡散層16,17は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン多孔質部材によって形成されている。ガス拡散層16,17を設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、セパレータ20,21と電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜13を保護することができる。なお、ガス拡散層16,17は、カーボン多孔質部材に換えて、チタンやステンレスなどの金属多孔質材など、他の導電性多孔質部材により形成する構成としてもよい。
The gas diffusion layers 16 and 17 are configured by members having gas permeability and conductivity. In the present embodiment, the gas diffusion layers 16 and 17 are formed of a carbon porous member such as carbon cloth or carbon paper. By providing the gas diffusion layers 16 and 17, the gas supply efficiency to the electrodes can be improved, the current collecting property between the
セパレータ20,21は、ガス不透過の導電性部材であり、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、金属製部材などにより形成される。セパレータ20,21は、その表面に所定の形状のリブ部を形成しており、隣接するガス拡散層16,17との間に、燃料ガス及び酸化ガスの単セル内流路20P、21Pを形成する。単セル10を積層して燃料電池を構成し発電を行う際には、単セル内流路20Pに燃料ガス(水素ガス)が、単セル内流路21Pには酸化ガス(酸素を含む空気)がそれぞれ供給される。そして、ガス拡散層16,17およびアノード14、カソード15を介して、電解質膜13において燃料ガスと酸化ガスとが電気化学反応を起こし発電する。以上、単セル10の構成について説明をした。
The
(A2)燃料電池の製造方法:
図2は、単セル10の製造工程を説明する工程図である。図示するように、単セル10の製造工程として、最初に、電解質膜13を製造する(工程S110)。電解質膜13の製造方法については後で詳しく説明する。電解質膜13の製造後、電解質膜13の一方の面にアノード14を、他方の面にカソード15をそれぞれ形成してMEA12を生成する(工程S130)。具体的には、白金と炭素粉末とアイオノマーとを含む触媒インクを電解質膜13の両面に塗布し温風乾燥させることによって形成する。その後、生成したMEA12の両面に、ガス拡散層16,17としてのカーボン多孔質部材を積層し(工程S140)、その外側をセパレータ20,21で挟持することによって単セル10を製造する(工程S150)。
(A2) Fuel cell manufacturing method:
FIG. 2 is a process diagram for explaining the manufacturing process of the
(A3)電解質膜の製造方法:
次に、図2の工程S110に示した電解質膜13の製造方法について説明する。図3は、電解質膜13の製造工程を示す工程図である。本実施形態においては、多孔質膜を補強部材として用いた電解質膜を製造する。電解質膜13の製造工程として、最初に、補強部材としての多孔質膜を生成する(工程S112)。具体的には、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)のファインパウダーからなるペーストを、押し出し成形によって円柱状に成形する。そして、ロール圧延によって、円柱状のペーストをテープ状のPTFEテープに成形する。さらに、PTFEテープを多軸延伸機を用いて、所定の温度に加熱しながら面積比900倍に延伸加工し、厚みが約20μmの多孔質膜を生成する。
(A3) Manufacturing method of electrolyte membrane:
Next, the manufacturing method of the
多孔質膜生成後、電解質前駆体からなる薄膜(以下、F型電解質薄膜とも呼ぶ)を生成する(工程S114)。具体的には、電解質樹脂の前駆体高分子であるF型電解質樹脂(末端基が−SO2F:デュポン社製高分子のNafion(登録商標))を押出し成形機のT型コートハンガーダイによって厚み約12μmの薄膜に成形する。 After the porous film is generated, a thin film made of an electrolyte precursor (hereinafter also referred to as F-type electrolyte thin film) is generated (step S114). Specifically, an F-type electrolyte resin (terminal group is —SO 2 F: polymer Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont), which is a precursor polymer of the electrolyte resin, is thickened by a T-type coat hanger die of an extrusion molding machine. Form a thin film of about 12 μm.
F型電解質薄膜生成後、多孔質膜の両面にF型電解質薄膜を貼り合わせ(工程S116)、温度230℃で、ロールプレスによって多孔質膜にF型電解質樹脂を含浸させる含浸処理を行い、厚さ30μmの電解質膜前駆体を生成する(工程S118)。そして、生成した電解質膜前駆体に対して加水分解処理を行うことによって電解質膜を生成する(工程S120)。 After the formation of the F-type electrolyte thin film, the F-type electrolyte thin film is bonded to both sides of the porous film (step S116), and the impregnation treatment is performed by impregnating the F-type electrolyte resin into the porous film by a roll press at a temperature of 230 ° C. An electrolyte membrane precursor having a thickness of 30 μm is generated (step S118). And an electrolyte membrane is produced | generated by performing a hydrolysis process with respect to the produced | generated electrolyte membrane precursor (process S120).
(A4)加水分解処理:
図4は、本実施形態における加水分解処理(図3:工程S120)を説明する説明図である。本実施形態における加水分解処理は、電解質膜製造装置としての加水分解処理装置30によって行う。加水分解処理装置30は、繰出部32と、アルカリ処理部40と、水洗部50と、酸処理部52と、水洗部54と、巻取部34と、搬送ローラーR1〜R10とを備える。
(A4) Hydrolysis treatment:
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the hydrolysis treatment (FIG. 3: step S120) in the present embodiment. The hydrolysis treatment in the present embodiment is performed by a
繰出部32には、電解質膜前駆体からなる薄膜ロールRLがセットされている。薄膜ロールRLは、図3の工程S112〜工程S118によって生成した電解質膜前駆体からなる帯状の薄膜FLに、搬送補助用バックシート(図示省略)を貼り付け、ロール状に巻き取ったものである。繰出部32は、搬送補助用バックシートが貼り合わされた薄膜FLを、各処理部(アルカリ処理部40,水洗部50,酸処理部52,水洗部54)に向けて繰り出す。搬送ローラーR1〜R10は、繰出部32から繰り出された薄膜FLを、各処理部に搬送するための搬送路を構成し、最終的に、薄膜FLを巻取部34へと搬送する。
A thin film roll RL made of an electrolyte membrane precursor is set in the feeding
アルカリ処理部40は、繰出部32から繰り出された薄膜FLを、温度と濃度とを調整したアルカリ水溶液(本実施形態においては水酸化ナトリウム水溶液)に浸漬することによってアルカリ処理を行う。アルカリ処理部40が行うアルカリ処理については後で詳しく説明する。アルカリ処理部40におけるアルカリ処理によって、薄膜FLのF型電解質樹脂に以下の反応が起こり、末端基が−SO2Fから−SO3Naに変化する。
The
−SO2F+2NaOH → −SO3Na+NaF+H20 -SO 2 F + 2NaOH → -SO 3 Na + NaF + H 2 0
水洗部50は、アルカリ処理後の薄膜FLからアルカリ水溶液を洗い流す。酸処理部52は、アルカリ処理後の薄膜FLに対して酸処理を行う。具体的には、酸処理部52に収容されている硝酸に所定時間、薄膜FLを浸漬する。酸処理部52における酸処理によって、薄膜FLに以下の反応が起こり、末端機が、−SO3Naから−SO3Hに変化する。
The
−SO3Na+HNO3 → −SO3H+NaNO3 -SO 3 Na + HNO 3 → -SO 3 H + NaNO 3
水洗部54は、酸処理後の薄膜FLから硝酸を洗い流す。巻取部34は、水洗部54を通過し乾燥させた薄膜FLを巻き取る。加水分解処理装置30の各処理部が行う処理によって、薄膜FLは、プロトン伝導性を備えないF型電解質樹脂から、プロトン伝導性を備えるH型電解質樹脂(高分子鎖末端が−SO3H)からなる電解質膜に変化する。加水分解処理装置30はこのようにして薄膜FLに対して加水分解処理を行う。なお、巻取部34に巻き取った薄膜FLは、その後、所定形状に裁断され、図2に示した工程S130〜工程S150を経て単セルに組み込まれる。
The
(A5)アルカリ処理:
次に、アルカリ処理部40が行うアルカリ処理の詳細を説明する。図4に示すように、アルカリ処理部40は、過熱水蒸気発生装置41と、チャンバー42と、収容部44とを備える。過熱水蒸気発生装置41とチャンバー42とは、流路46で連通している。また、チャンバー42は、外部との開放口45を有する。
(A5) Alkali treatment:
Next, details of the alkali treatment performed by the
過熱水蒸気発生装置41は、100℃以上の所定の温度の水蒸気を発生させる装置である。過熱水蒸気発生装置41は、内部に備えるヒーターとサーミスタによって、発生させる過熱水蒸気の温度を調整する。過熱水蒸気発生装置41は、発生させた過熱水蒸気を流路46を介してチャンバー42に供給する。過熱水蒸気発生装置41から流路46を介して導入された過熱水蒸気は、チャンバー42内に充満し、開放口45から放出される。
The
チャンバー42はその内部に収容部44を備える。収容部44は、アルカリ水溶液としての水酸化ナトリウム水溶液を収容する。収容部44に収容される水酸化ナトリウム水溶液は、過熱水蒸気発生装置41から供給された過熱水蒸気によってチャンバー42の内部で生成される。
The
図5は、チャンバー42内で水酸化ナトリウム水溶液が生成される工程を説明する説明図である。図5は、チャンバー42の内部に載置された収容部44を示している。水酸化ナトリウム水溶液の生成として、内部が空の状態の収容部44に、固形水酸化ナトリウム47を投入する(工程C1)。この時点では、チャンバー42の内部には過熱水蒸気は供給されていない。
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating a process in which an aqueous sodium hydroxide solution is generated in the
収容部44に固形水酸化ナトリウム47を投入後、過熱水蒸気発生装置41を動作させて、約100℃に調整した水蒸気をチャンバー42に供給する(工程C2)。周囲が水蒸気で満たされた固形水酸化ナトリウム47は、潮解性によって溶解し、収容部44内にアルカリ水溶液が生成される。
After putting
その後、過熱水蒸気発生装置41によって、所望の温度に調整した過熱水蒸気をチャンバー42に常時供給し、チャンバー42の内部を過熱水蒸気で充満させる(工程C3)。供給された過熱水蒸気のうち、チャンバー42の内部に収まらない過熱水蒸気は、チャンバー42内を循環し、開放口45(図4参照)から放出される。すなわち、チャンバー42の内部の圧力は、外部の圧力とほぼ等しく、本実施形態においては約1気圧である。チャンバー42に所定時間連続的に過熱水蒸気を供給し続けると、収容部44の水酸化ナトリウム水溶液は、過熱水蒸気によって、過熱水蒸気とほぼ等しい温度になる。温度が一定の過熱水蒸気中の水酸化ナトリウム水溶液は、温度が一定となり、濃度も一定となる。水酸化ナトリウム水溶液の濃度が一定となる理由は、後で詳しく説明する。所定の一定濃度の水酸化ナトリウム水溶液を生成後、搬送ローラーR2によって水酸化ナトリウム水溶液に薄膜FLを浸漬し、アルカリ処理を行う(工程C4)。
Thereafter, the
次に、工程C3において、温度一定の過熱水蒸気中の水酸化ナトリウム水溶液の濃度が一定となる原理について説明する。図6は、1気圧における水酸化ナトリウム水溶液の濃度と沸点の相関関係を示すグラフである。所定の気圧(本実施形態では1気圧)における水溶液の濃度と沸点の相関関係は、水に溶解する媒体に依存して一意に定まる。図6のグラフに示すように、水酸化ナトリウム水溶液の沸点は、濃度が上がるほど高くなる。このグラフを用いて、温度一定の過熱水蒸気中の水酸化ナトリウム水溶液が濃度一定となることを説明する。 Next, the principle that the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution in the superheated steam at a constant temperature is constant in step C3 will be described. FIG. 6 is a graph showing the correlation between the concentration of sodium hydroxide aqueous solution at 1 atm and the boiling point. The correlation between the concentration of the aqueous solution and the boiling point at a predetermined pressure (1 atm in the present embodiment) is uniquely determined depending on the medium dissolved in water. As shown in the graph of FIG. 6, the boiling point of the aqueous sodium hydroxide solution increases as the concentration increases. This graph will be used to explain that the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution in the superheated steam at a constant temperature is constant.
一例として、過熱水蒸気発生装置41を制御し、チャンバー42に130℃の過熱水蒸気を供給してアルカリ処理を行った場合(以下、実施例1とも呼ぶ)について説明する。この場合、収容部44の水酸化ナトリウム水溶液は約130℃に近づく。このとき、仮に、収容部44の水酸化ナトリウム水溶液の濃度が40(%)以下(例えば30%)であった場合、図6のグラフに示すように、水酸化ナトリウム水溶液の沸点は130℃以下(例えば濃度30%の場合は沸点116℃)である。従って、約130℃の過熱水蒸気によって加熱され、水酸化ナトリウム水溶液が116℃に達すると、水酸化ナトリウム水溶液から水が蒸発する。実際には、水酸化ナトリウム水溶液中の水の蒸発と、水酸化ナトリウム水溶液表面での過熱水蒸気の液化とが同時に起こっており、水の蒸発量が過熱水蒸気の液化量より多くなる。
As an example, the case where the
水の蒸発によって、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は上昇する。図6に示すように、水酸化ナトリウム水溶液の濃度の上昇とともに沸点が上昇する。そして、水の蒸発によって水酸化ナトリウム水溶液の濃度が約40%に達すると、沸点が130℃となり、過熱水蒸気の温度(130℃)と同じになる。このとき、水酸化ナトリウム水溶液の水の蒸発と、過熱水蒸気の液化とが平衡状態となる。従って、水酸化ナトリウム水溶液の濃度の上昇が停止する。また、過熱水蒸気の温度が130℃であるため、水酸化ナトリウム水溶液の温度は130℃以上に上昇することはない。従って、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は40%で一定となる。 As the water evaporates, the concentration of the aqueous sodium hydroxide increases. As shown in FIG. 6, the boiling point increases as the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution increases. When the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution reaches about 40% due to evaporation of water, the boiling point becomes 130 ° C., which is the same as the temperature of the superheated steam (130 ° C.). At this time, evaporation of water of the sodium hydroxide aqueous solution and liquefaction of superheated steam are in an equilibrium state. Therefore, the increase in the concentration of the sodium hydroxide aqueous solution stops. Moreover, since the temperature of superheated steam is 130 degreeC, the temperature of sodium hydroxide aqueous solution does not rise to 130 degreeC or more. Accordingly, the concentration of the sodium hydroxide aqueous solution is constant at 40%.
次に、仮に、この濃度40%に調整された水酸化ナトリウム水溶液中に固形の水酸化ナトリウムを投入し濃度を上昇させた場合(例えば、濃度が50%に上昇)、図6のグラフに示すように、水酸化ナトリウム水溶液の沸点は143℃となる。このとき、水酸化ナトリウム水溶液の沸点より過熱水蒸気の温度(130℃)が低いため、水酸化ナトリウム水溶液表面での過熱水蒸気の液化量が水酸化ナトリウム水溶液中の水の蒸発量を上回る。実質的には、水酸化ナトリウム水溶液に水が添加されることになる。従って、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は低下する。図6のグラフに示すように、水酸化ナトリウム水溶液の濃度の低下とともに沸点も低下する。そして、濃度の低下に伴い水酸化ナトリウム水溶液の沸点が130℃まで低下したとき、過熱水蒸気の温度(130℃)と同じになる。過熱水蒸気の温度が130℃であるため、水酸化ナトリウム水溶液の温度は130℃以下に低下することはない。このとき、水酸化ナトリウム水溶液の水の蒸発と過熱水蒸気の液化とが平衡状態となる。従って、水酸化ナトリウム水溶液の濃度の低下が停止し、濃度40%で一定となる。 Next, if the sodium hydroxide aqueous solution adjusted to a concentration of 40% is charged with solid sodium hydroxide and the concentration is increased (for example, the concentration is increased to 50%), the graph shown in FIG. Thus, the boiling point of the aqueous sodium hydroxide solution is 143 ° C. At this time, since the temperature of the superheated steam (130 ° C.) is lower than the boiling point of the sodium hydroxide aqueous solution, the amount of superheated steam liquefied on the surface of the sodium hydroxide aqueous solution exceeds the amount of water evaporated in the sodium hydroxide aqueous solution. In effect, water is added to the aqueous sodium hydroxide solution. Accordingly, the concentration of the sodium hydroxide aqueous solution decreases. As shown in the graph of FIG. 6, the boiling point decreases as the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution decreases. And when the boiling point of sodium hydroxide aqueous solution falls to 130 degreeC with the fall of a density | concentration, it becomes the same as the temperature (130 degreeC) of superheated steam. Since the temperature of the superheated steam is 130 ° C., the temperature of the aqueous sodium hydroxide solution does not fall below 130 ° C. At this time, the evaporation of water in the aqueous sodium hydroxide solution and the liquefaction of superheated steam are in an equilibrium state. Therefore, the decrease in the concentration of the aqueous sodium hydroxide solution stops and becomes constant at a concentration of 40%.
すなわち、アルカリ処理部40は、過熱水蒸気発生装置41からチャンバー42に供給する過熱水蒸気の温度を制御することによって、収容部44の水酸化ナトリウム水溶液の濃度を制御してアルカリ処理を行うことができる。また、アルカリ処理部40は、100℃以上のアルカリ水溶液によってアルカリ処理を行うため、100℃以下の水酸化ナトリウム水溶液によってアルカリ処理を行う場合と比較して反応速度が早く、短時間でアルカリ処理を行うことができる。このようにして、アルカリ処理部40は薄膜FLに対してアルカリ処理を行う。
That is, the
(A6)性能評価:
次に、アルカリ処理部40を用いたアルカリ処理の効果を評価するため、本実施形態の実施例1として、過熱水蒸気の温度を130℃に制御したアルカリ処理を含む加水分解処理を行い電解質膜を生成した。すなわち、アルカリ処理においては、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は約40%に制御されている。実施例2として、過熱水蒸気の温度を160℃に制御したアルカリ処理を含む加水分解処理を行い電解質膜を生成した。すなわち、アルカリ処理においては、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は約60%に制御されている。また、実施例3として、過熱水蒸気の温度を180℃に制御したアルカリ処理を含む加水分解処理を行い電解質膜を生成した。すなわち、アルカリ処理においては、水酸化ナトリウム水溶液の濃度は約65%に制御されている。これら、実施例1〜3によるアルカリ処理後の薄膜FLについて、FT−IR(フーリエ変換赤外分光高度計)による構造解析を行ったところ、アルカリ処理が完了していることが確認された。
(A6) Performance evaluation:
Next, in order to evaluate the effect of the alkali treatment using the
さらに、比較例1として、加水分解処理装置30(図4参照)とは異なる加水分解処理装置70を用いて加水分解処理を行い電解質膜の生成を試みた。図7は、加水分解処理装置70の構成を説明する説明図である。実施例1〜3で用いた加水分解処理装置30と異なる点は、アルカリ処理部40をアルカリ処理部71に変更したことである。それ以外の水洗部50、酸処理部52、水洗部54は加水分解処理装置30と同じである。アルカリ処理部71は、濃度40%の水酸化ナトリウム水溶液を収容する。アルカリ処理部71は、ヒーター(図示省略)によって水酸化ナトリウム水溶液を130℃に加熱・保温する。このようなアルカリ処理部71によって通常雰囲気下でアルカリ処理を試みたところ、アルカリ処理中に、水酸化ナトリウム水溶液の水が蒸発し、濃度が上昇した。その後、水酸化ナトリウム水溶液から水酸化ナトリウムの析出が生じた。水酸化ナトリウム水溶液の濃度を低下させるために純水を添加しようとしたが、純水の添加に伴い突沸が生じた。突沸により水酸化ナトリウム水溶液が飛散したため、アルカリ処理を中止した。結果、電解質膜の生成には至らなかった。
Furthermore, as Comparative Example 1, a hydrolysis treatment was performed using a
また、比較例2として、加水分解処理装置70を用い、アルカリ処理部71に濃度40%の水酸化ナトリウム水溶液を収容し、ヒーターによって温度80℃に加熱・保温し、通常雰囲気下でアルカリ処理を行った。水酸化ナトリウム水溶液への薄膜FLの浸漬時間は10分とした。浸漬時間を10分とした理由は、浸漬時間を1分〜9分としてアルカリ処理を行った薄膜FLに対してFT−IR(フーリエ変換赤外分光高度計)による構造解析を行ったところ、アルカリ処理が完了していなかったためである。浸漬時間を10分(600秒)とした場合には、FT−IRによって、アルカリ処理が完了していることが確認された。このようなアルカリ処理を行った後、水洗部50による水洗、酸処理部52による酸処理、水洗部54による水洗の工程を経て加水分解処理を行い、電解質膜の生成を行った。比較例2においては、アルカリ処理を含む加水分解処理を行い電解質膜を得ることができた。
Further, as Comparative Example 2, a
図8は、実施例1〜3および比較例1,2によるアルカリ処理の処理条件についてまとめた説明図である。図示するように、各実施例および各比較例ごとに、アルカリ処理に用いたアルカリ処理部の種類、水酸化ナトリウム水溶液の温度、濃度、処理時間、最終的にアルカリ処理を含む加水分解処理によって電解質膜の生成が出来たか否かについて示している。比較例1については、水酸化ナトリウム水溶液への純水の添加によって突沸が生じアルカリ処理を中止したため、電解質膜の生成には至っていない。 FIG. 8 is an explanatory diagram summarizing the processing conditions of the alkali treatment according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. As shown in the figure, for each example and each comparative example, the type of the alkali treatment part used for the alkali treatment, the temperature, concentration and treatment time of the aqueous sodium hydroxide solution, and finally the electrolyte by the hydrolysis treatment including the alkali treatment It shows whether or not the film was formed. In Comparative Example 1, bumping occurred due to the addition of pure water to the aqueous sodium hydroxide solution, and the alkali treatment was stopped, so that no electrolyte membrane was formed.
次に、実施例1〜3および比較例2によって得られた電解質膜の性能評価を行うため、各電解質膜を用いて単セルを製造した。そして、各単セルの単セル内流路20Pと単セル内流路21Pに、燃料ガス(水素)と酸化ガス(空気)を供給し、所定の温度下および電流値におけるセル電圧を測定した。図9は、セル電圧の測定結果を示すグラフである。このグラフは、横軸をアルカリ処理温度、縦軸をセル電圧として、各単セルのセル電圧をプロットしたものである。その結果、図示するように、比較例2よりも、実施例1,2,3によって生成した電解質膜を用いた単セルの方が、セル電圧が高く性能の向上が確認された。これは、100℃以上の温度下で安定してアルカリ処理を行うことにより、ガラス転移点以上の温度で電解質膜に含水させることが可能となり、常温の加水分解より電解質膜の含水率が向上したことに起因すると考えられる。また、実施例1によって生成された電解質膜が、最もセル電圧が高く、電解質膜としての性能が高いことが確認された。
Next, in order to evaluate the performance of the electrolyte membranes obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2, a single cell was manufactured using each electrolyte membrane. Then, the fuel gas (hydrogen) and the oxidizing gas (air) were supplied to the in-unit
また、実施例1,2,3によって生成した電解質膜を用いた燃料電池を、高温・低湿度下で運転し、所定の方法により性能評価を行った。その結果、通常雰囲気下でアルカリ処理を行い生成した電解質膜を用いた燃料電池と比較して、実施例1,2,3によって生成した電解質膜を用いた燃料電池は、高温・低湿度下の性能低下の割合が低く、高性能を維持することが見出された。これは、上述したように、100℃以上の温度でのアルカリ処理により、電解質膜の含水率が向上したことに起因すると考えられる。 Moreover, the fuel cell using the electrolyte membrane produced | generated by Example 1, 2, 3 was drive | operated under high temperature and low humidity, and performance evaluation was performed by the predetermined method. As a result, the fuel cells using the electrolyte membranes produced in Examples 1, 2 and 3 were less hot and low in humidity than the fuel cells using the electrolyte membranes produced by alkali treatment in a normal atmosphere. It has been found that the rate of performance degradation is low and high performance is maintained. As described above, this is considered to be due to the improvement of the moisture content of the electrolyte membrane by the alkali treatment at a temperature of 100 ° C. or higher.
これら性能評価の結果を踏まえ、アルカリ処理においてチャンバー42に供給する過熱水蒸気の温度としては、水が水蒸気として安定的に存在する温度以上、かつ、電解質膜が熱分解を始める温度以下であることが好ましい。具体的には、過熱水蒸気の温度は、100℃以上250℃以下であることが好ましい。さらに、チャンバー42に供給する過熱水蒸気の温度は、上記実施例において電解質膜に性能上の明確な効果が見出された温度以上、かつ、薄膜FLおよび搬送補助用バックシートの強度が低下する温度以下であることがより好ましい。具体的には、過熱水蒸気の温度は、130℃以上180℃以下であることがより好ましい。
Based on the results of these performance evaluations, the temperature of the superheated steam supplied to the
以上説明したように、本実施形態におけるアルカリ処理部40を用いたアルカリ処理は、高温(100℃以上)、高濃度のアルカリ水溶液によって安定してアルカリ処理を行うことが可能である。従って、100℃以下でアルカリ処理を行う場合と比較して反応速度が速く、アルカリ処理の処理速度の向上、および、処理時間の短縮を実現することができる。具体的には、100℃以下の通常雰囲気下でのアルカリ処理(例えば比較例2)では、処理時間として数分必要であったが、本実施形態のように過熱水蒸気下でのアルカリ処理では、数秒レベルまで処理時間を短縮することができる。
As described above, the alkali treatment using the
また、比較例1,2から分かるように、通常雰囲気下でアルカリ処理を行う場合には、アルカリ水溶液の温度や濃度の測定、および、濃度を一定に保つために必要量の水の添加が必要であった。一方、過熱水蒸気下のアルカリ水溶液の濃度は、過熱水蒸気の温度によって一意に決まるので、アルカリ処理部40を用いたアルカリ処理においては、過熱水蒸気の温度を制御することによってアルカリ水溶液の温度、濃度を制御することができる。従って、アルカリ水溶液の温度、濃度の測定作業を省略することができる。さらに、アルカリ処理部40は、過熱水蒸気の温度を一定に保つことによって、アルカリ水溶液の濃度を一定に保ちアルカリ処理を行うことができる。従って、アルカリ水溶液の濃度を調整するための水の添加作業を省略することができる。また、アルカリ処理部40は、過熱水蒸気の温度を制御することによってアルカリ水溶液の温度、濃度を一定に保つことができる。従って、毎回同じ処理条件下でアルカリ処理を行うことが容易となり、品質の安定した電解質膜を生成することができる。また、上述したように、過熱水蒸気下にてアルカリ処理を実施し生成した電解質膜を用いた燃料電池は、高温、低湿度下での運転においても高性能を維持することができる。
As can be seen from Comparative Examples 1 and 2, when alkali treatment is performed in a normal atmosphere, it is necessary to measure the temperature and concentration of the aqueous alkali solution and to add a necessary amount of water to keep the concentration constant. Met. On the other hand, the concentration of the alkaline aqueous solution under the superheated steam is uniquely determined by the temperature of the superheated steam. Therefore, in the alkali treatment using the
さらに、本実施形態における加水分解処理は、搬送ローラーを用いた搬送路を利用して行うことができるので、電解質膜の連続生産を可能とすることができる。また、上述したようにアルカリ処理速度を高速に行うことができるため、電解質膜を量産する場合にも設備を小型化が可能となり、電解質膜の生産設備の低コスト化および生産コストの低コスト化を実現することができる。 Furthermore, since the hydrolysis process in this embodiment can be performed using the conveyance path using a conveyance roller, continuous production of an electrolyte membrane can be enabled. In addition, since the alkali treatment speed can be increased as described above, it is possible to reduce the size of the equipment even when the electrolyte membrane is mass-produced, and the production cost of the electrolyte membrane can be reduced and the production cost can be reduced. Can be realized.
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
(B1)変形例1:
上記実施形態においては、電解質膜前駆体に対して加水分解処理を行ったが、電解質膜前駆体に電極(図1:アノード14,カソード15)を形成したMEA前駆体を生成し、MEA前駆体に対して加水分解処理を行うとしてもよい。また、F型電解質樹脂を構成要素とする触媒電極を電解質膜前駆体に形成し、加水分解処理を行うとしてもよい。F型電解質樹脂は、ある程度の高温でも変性しにくい。従って、電解質膜前駆体上にF型電解質樹脂からなる触媒電極を形成し、ホットプレートや熱風によって乾燥させる際に、高温で乾燥させることができる。また、乾燥によってMEA12が変性することを抑制することができる。この場合、F型電解質樹脂を含む触媒インクを電解質膜前駆体上に塗布し、ホットプレートまたは温風で乾燥させMEA前駆体を生成し、ロール上に巻き取ったMEA前駆体を繰出部32にセットして、上記実施形態と同様の加水分解処理を行うことによって、実現することが可能である。また、後述の変形例5で説明するように、電解質膜を電解コンデンサーにて適用する場合にも、電解質膜前駆体に電解コンデンサーの電極を形成後に加水分解を行うことができる。
B. Variation:
The present invention is not limited to the above-described embodiments and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
(B1) Modification 1:
In the above embodiment, the electrolyte membrane precursor is hydrolyzed, but an MEA precursor in which electrodes (FIG. 1:
(B2)変形例2:
上記実施形態においては、アルカリ処理に用いる物質として水酸化ナトリウムを採用したが、それに限らず、他の物質を採用するとしてもよい。例えば、水酸化カリウムや、水酸化リチウム、水酸化カルシウムなどイオン化傾向が比較的高いアルカリ金属水酸化物を採用することができる。
(B2) Modification 2:
In the above embodiment, sodium hydroxide is used as the substance used for the alkali treatment. However, the present invention is not limited to this, and other substances may be used. For example, an alkali metal hydroxide having a relatively high ionization tendency such as potassium hydroxide, lithium hydroxide, or calcium hydroxide can be used.
(B3)変形例3:
上記実施形態においては、アルカリ処理部40は、チャンバー42に過熱水蒸気を充満させることによって、水酸化ナトリウム水溶液に過熱水蒸気を接触させるとしたが、他の方法によって接触させるとしてもよい。図10は、一例としてのアルカリ処理部80を説明する説明図である。図示するように、過熱水蒸気発生装置41から供給される水蒸気を、流路81によって、収容部44の水酸化ナトリウム水溶液中に直接導入する。このようにしても、水酸化ナトリウム水溶液への過熱水蒸気の供給量を調整することにより、水酸化ナトリウム水溶液の温度を過熱水蒸気の温度と略等しくすることが可能である。従って、上記実施形態と同様に、供給する過熱水蒸気の温度を制御することによって、水酸化ナトリウム水溶液の温度、濃度を制御することができ、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変形例3の場合、収容部44を半密閉とし、チャンバー42を省略することができる。従って、さらに、設備の小型化、低コスト化を実現することができる。
(B3) Modification 3:
In the above embodiment, the
(B4)変形例4:
上記実施形態においては、アルカリ処理、水洗、酸処理、水洗からなる一連の加水分解処理を行い電解質膜を生成したが、これら加水分解処理工程の一部のみで処理を停止するとしてもよい。例えば、アルカリ処理のみ行った電解質膜前駆体を所定の用途に利用可能な場合は、アルカリ処理のみ行うとしてもよい。アルカリ処理のみ行う場合であっても、上記実施形態によるアルカリ処理を採用することで、アルカリ処理を高速に、安定して行うことができる。また、品質の安定したアルカリ処理後の電解質膜前駆体を生成することができる。
(B4) Modification 4:
In the above embodiment, a series of hydrolysis treatments including alkali treatment, water washing, acid treatment, and water washing were performed to generate the electrolyte membrane. However, the treatment may be stopped only in a part of these hydrolysis treatment steps. For example, when an electrolyte membrane precursor subjected to only alkali treatment can be used for a predetermined application, only alkali treatment may be performed. Even when only the alkali treatment is performed, the alkali treatment can be stably performed at high speed by employing the alkali treatment according to the above-described embodiment. Moreover, the electrolyte membrane precursor after the alkali treatment with stable quality can be generated.
(B5)変形例5:
上記実施形態においては、加水分解処理によって生成した電解質膜を燃料電池に用いるとしたが、電解コンデンサー(電気二重層コンデンサーなど)に用いるとしてもよい。また、生成した電解質膜を、イオン交換膜として他の用途に用いるとしてもよい。例えば、人口の皮膚や透析装置などに用いることが可能である。
(B5) Modification 5:
In the above embodiment, the electrolyte membrane produced by the hydrolysis treatment is used for the fuel cell, but it may be used for an electrolytic capacitor (such as an electric double layer capacitor). Further, the produced electrolyte membrane may be used for other purposes as an ion exchange membrane. For example, it can be used for artificial skin and dialysis machines.
10…単セル
12…MEA
13…電解質膜
14…アノード
15…カソード
16…ガス拡散層
20…セパレータ
20P…単セル内流路
21P…単セル内流路
30…加水分解処理装置
32…繰出部
34…巻取部
40…アルカリ処理部
41…過熱水蒸気発生装置
42…チャンバー
44…収容部
45…開放口
46…流路
47…固形水酸化ナトリウム
50,54…水洗部
52…酸処理部
70…加水分解処理装置
71…アルカリ処理部
80…アルカリ処理部
81…流路
R1〜R29…搬送ローラー
RL…薄膜ロール
FL…薄膜
10 ...
DESCRIPTION OF
Claims (6)
加水分解によってイオン伝導性を付与可能な電解質膜前駆体を準備する準備工程と、
過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液を用いて前記電解質膜前駆体の加水分解の少なくとも一部の工程であるアルカリ処理を100℃以上の温度下で行い、前記電解質膜前駆体を搬送させる搬送路上に設けられた前記過熱水蒸気中のアルカリ水溶液に浸漬する工程を備えるアルカリ処理工程と
を備える電解質膜の製造方法。 An electrolyte membrane manufacturing method comprising:
A preparation step of preparing an electrolyte membrane precursor capable of imparting ionic conductivity by hydrolysis;
There at least a part of the line at a temperature of more than 100 ° C. The alkali treatment is a step of hydrolysis of the electrolyte membrane precursor with an alkaline aqueous solution in contact with the superheated steam, provided on the transport path for transporting the electrolyte membrane precursor And an alkaline treatment step comprising a step of immersing in an alkaline aqueous solution in the superheated steam obtained .
前記アルカリ処理工程は、前記過熱水蒸気が常時供給され、供給された前記過熱水蒸気を開放する開放口を有する空間内において行われる
電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane according to claim 1,
The method for producing an electrolyte membrane, wherein the alkali treatment step is performed in a space in which the superheated water vapor is constantly supplied and the open superheated water vapor is opened .
前記アルカリ処理工程は、前記過熱水蒸気の温度を100℃以上250℃以下に調整して行う
電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane according to claim 1 or claim 2,
The alkali treatment step, the manufacturing method of the electrolyte membrane, by adjusting the temperature of the superheated steam to 100 ° C. or higher 250 ° C. or less.
前記アルカリ処理工程は、前記過熱水蒸気の温度を130℃以上180℃以下に調整して行う
電解質膜の製造方法。 A method for producing an electrolyte membrane according to claim 3,
The alkali treatment step, the manufacturing method of the electrolyte membrane, by adjusting the temperature of the superheated steam to 130 ° C. or higher 180 ° C. or less.
前記アルカリ処理工程に先立って、前記準備工程において準備した電解質膜前駆体に電極を形成する工程を備え、
前記アルカリ処理工程は、前記電極が形成された前記電解質膜前駆体に対して行う
電解質膜の製造方法。 The method for producing an electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 4 , further comprising:
Prior to the alkali treatment step, comprising the step of forming an electrode on the electrolyte membrane precursor prepared in the preparation step,
The alkali treatment step is performed on the electrolyte membrane precursor on which the electrode is formed.
過熱水蒸気に接するアルカリ水溶液を収容する収容部と、
加水分解によってイオン伝導性を付与可能な電解質膜前駆体に対し、前記電解質膜前駆体を搬送させる搬送路上に設けられた前記収容部に収容された前記過熱水蒸気中のアルカリ水溶液に浸漬させることよって、前記加水分解の一部であるアルカリ処理を100℃以上の温度下で行うアルカリ処理部と
を備える
電解質膜製造装置。 An electrolyte membrane manufacturing apparatus for manufacturing an electrolyte membrane,
A container for containing an alkaline aqueous solution in contact with superheated steam;
By immersing the electrolyte membrane precursor capable of imparting ionic conductivity by hydrolysis in an alkaline aqueous solution in the superheated steam accommodated in the accommodating portion provided on the conveyance path for conveying the electrolyte membrane precursor . An electrolyte membrane manufacturing apparatus comprising: an alkali treatment unit that performs an alkali treatment that is a part of the hydrolysis at a temperature of 100 ° C. or higher .
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