JP7379651B2 - 電解質膜又は膜電極接合体の製造に使用するための剥離フィルム - Google Patents
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Description
燃料電池は、水素又はメタノールなどの燃料の化学エネルギーを、燃料と酸素又は別の酸化剤との電気化学反応によって電気エネルギーに変換する。
少なくとも95質量%のシンジオタクチックポリスチレン(sPS)を含む単層フィルムは、電解質膜又は膜電極接合体を製造する際に、必要な機械的強度、耐薬品性及び耐熱性、ならびに剥離可能な支持フィルム(以下、剥離フィルムと呼ぶ)としての使用に有利な適切な剥離及び接着特性を有することが見出された。電解質膜又は膜電極接合体は、ポリマー電解質燃料電池、フロー電池及び電気分解用の多層ダイヤフラムなどの電気化学デバイスの製造に使用できる。
単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、及び、
乾燥により溶媒を除去し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換膜を提供すること、
を含む。
単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、
前記イオン交換ポリマーの湿潤コーティング上に多孔質強化材料(例えば、延伸ポリテトラフルオロエチレン)を適用すること、
乾燥して溶媒を除去すること、
前記溶媒中のイオン交換ポリマーの追加の溶液を前記多孔質強化材料上に適用すること、及び、
乾燥により溶媒を除去し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換膜を提供すること、
を含む。
本明細書に開示されるラミネートにおいて、イオン交換膜の少なくとも片側に取り外し可能に接着された単層剥離フィルムは、少なくとも95質量%のシンジオタクチックポリスチレン(sPS)を含む。
a)単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、
b)乾燥により溶媒を除去し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換膜を提供すること、
によって得ることができる。
a)剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、剥離フィルム上にイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、
b)多孔質強化材料(例えば、延伸ポリテトラフルオロエチレン)をイオン交換ポリマーの湿潤コーティング上に適用すること、
c)乾燥して溶媒を除去すること、
d)前記溶媒中のイオン交換ポリマーの追加の溶液を多孔質強化材料上に適用すること、及び、その後、
e)乾燥により溶媒を除去し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換膜を提供すること、
の工程を含む。
単層剥離層上のイオン交換膜で作られたラミネートの製造
イオン交換膜を、バーコーター(K202コントロールコーター、RK Print Coat Instrument Ltd.)による2回のコーティングプロセス及びオーブン内でのアニーリングプロセスによって製造した。
剥離強度は、引張試験機(AG-I、島津製作所)を用いた90度剥離試験(サンプルサイズ及び剥離速度の変更を除いてASTM D6862)で測定した。まず、様々なポリマーフィルムの単層剥離フィルム(表1を参照されたい)上のイオン交換膜を、カットスタンプによって幅20mm、長さ150mmにカットした。剥離フィルム面を、両面粘着テープでベークライトボードに貼り付けた。剥離中にボードを自動的にスライドさせるロールを備えた引張試験治具にボードをセットした。引張試験機のベースに治具を取り付けた。膜の片側を引張試験機のチャックでつかんだ。チャックを15mm/分の速度で引き上げることにより、膜を剥離フィルムから剥離し、剥離力を記録した。剥離強度は、10mm~50mmの距離の3つの測定点の平均値として計算した。
剥離フィルムとしての様々なポリマーフィルムの表面エネルギーを、それぞれ水及びジヨードメタンとの接触角の測定を含む二成分モデルによって決定した。
本明細書に記載の方法を使用して測定された、様々なポリマーフィルムの剥離強度及び表面エネルギーを表1に示す。剥離強度vs表面エネルギーはまた、図2に示されている(PBT及びPPを除く)。表1の膜厚値は、厚さゲージで測定されているか、又は、供給者による製品データシートに提供されている厚さである。
(態様)
(態様1)
イオン交換ポリマーを含むイオン交換膜、及び、
前記イオン交換膜の少なくとも片側に取り外し可能に接着された単層剥離フィルム、
を含み、前記単層剥離フィルムは少なくとも95質量%のシンジオタクチックポリスチレン(sPS)を含む、積層体。
(態様2)
イオン交換ポリマーを含むイオン交換膜、及び、
前記イオン交換膜の少なくとも片側に取り外し可能に接着された単層剥離フィルム、
を含み、前記単層剥離フィルムは、本明細書に記載の測定方法を使用して500mN/cm以下の剥離力、及び、本明細書に記載の測定方法を使用して23~50mJ/m2の範囲内の表面エネルギーを有する、積層体。
(態様3)
前記単層剥離フィルムは二軸配向シンジオタクチックポリスチレンフィルムを含む、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様4)
前記単層剥離フィルムは発泡シンジオタクチックポリスチレンを含む、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様5)
前記単層剥離フィルムは、100000~300000g/モルの範囲内の重量平均分子量を有するシンジオタクチックポリスチレンを含む、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様6)
前記単層剥離フィルムは非置換シンジオタクチックポリスチレンを含む、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様7)
前記単層剥離フィルムは、機械方向及び横断方向の少なくとも1つにおける引張弾性率が2000~5000MPaの範囲内である、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様8)
前記単層剥離フィルムは、機械方向における引張弾性率が2500~4000MPaであり、横断方向における引張弾性率が2500~4000MPaの範囲にある、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様9)
前記単層剥離フィルムは、機械方向及び横断方向の少なくとも1つにおける引張強度が少なくとも50MPaである、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様10)
前記単層剥離フィルムは、機械方向における引張強度が少なくとも100MPa及び横断方向における引張強度が少なくとも100MPaである、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様11)
前記積層体はイオン交換膜及び単層剥離フィルムからなる、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様12)
前記イオン交換ポリマーは、スルホン酸基を有する側鎖を含むフルオロポリマーである、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様13)
前記単層剥離フィルムは25~45μmの範囲内など、50μm未満の平均厚さを有する、先行の態様のいずれか1項記載の積層体。
(態様14)
前記イオン交換膜は電極膜である、態様1~13のいずれか1項記載の積層体。
(態様15)
前記イオン交換膜は、電極膜が電解質膜の各側に接合されている電極接合体である、態様1~13のいずれか1項記載の積層体。
(態様16)
前記イオン交換膜は電解質膜である、態様1~13のいずれか1項記載の積層体。
(態様17)
前記イオン交換膜は強化電解質膜である、態様16記載の積層体。
(態様18)
前記単層剥離フィルム上に前記イオン交換膜を適用する工程を含む、態様1~17のいずれか1項記載の積層体を製造するための方法。
(態様19)
前記イオン交換膜を適用する工程はロールツーロール処理によって行われる、態様18記載の方法。
(態様20)
前記イオン交換膜を適用する工程は、
前記単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、及び、
乾燥により溶媒を除去し、それにより、イオン交換膜を提供すること、
を含む、態様18記載の方法。
(態様21)
前記単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上のイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、
延伸ポリテトラフルオロエチレンなどの多孔質強化材料を、前記イオン交換ポリマーの湿潤コーティング上に適用すること、
乾燥して溶媒を除去すること、
前記溶媒中のイオン交換ポリマーの追加の溶液を前記多孔質強化材料上に適用すること、及び、
乾燥により溶媒を除去し、それにより、イオン交換膜を提供すること、
を含む、態様18記載の方法。
(態様22)
膜電極接合体を製造する際の剥離フィルムとして、少なくとも95質量%のシンジオタクチックポリスチレン(sPS)を含む単層フィルムの使用。
(態様23)
電解質膜を製造する際の剥離フィルムとして、少なくとも95質量%のシンジオタクチックポリスチレン(sPS)を含む単層フィルムの使用。
(態様24)
ポリマー電解質燃料電池の膜電極接合体を製造するための方法であって、
態様15記載の積層体を提供すること、及び、
単層剥離フィルムをイオン交換膜から分離すること、
を含む、方法。
(態様25)
電解質膜を製造するための方法であって、
態様16記載の積層体を提供すること、及び、
単層剥離フィルムをイオン交換膜から分離すること、
を含む、方法。
Claims (15)
- イオン交換ポリマーを含むイオン交換膜、及び、
前記イオン交換膜の少なくとも片側に取り外し可能に接着された単層剥離フィルム、
を含み、前記単層剥離フィルムは少なくとも95質量%(フィルムの総重量に基づく)のシンジオタクチックポリスチレン(sPS)を含む、積層体であって、
前記単層剥離フィルムはおもて面および前記おもて面と反対側のうら面を有し、前記単層剥離フィルムのおもて面はコーティングされておらずかつ化学表面修飾がなくおよび前記イオン交換膜に取り外し可能に接着されており、および前記単層剥離フィルムの前記うら面はラミネート化されておらずおよびコーティングされていない、積層体。 - 前記単層剥離フィルムは二軸配向シンジオタクチックポリスチレンフィルム、発泡シンジオタクチックポリスチレン、および非置換シンジオタクチックポリスチレンの少なくとも1つを含む、請求項1記載の積層体。
- (a)および/又は(b)、すなわち(a)前記単層剥離フィルムは、機械方向及び横断方向の少なくとも1つにおける引張弾性率が2000~5000MPaの範囲内である、および/又は
(b)前記単層剥離フィルムは、機械方向における引張弾性率が2500~4000MPaであり、横断方向における引張弾性率が2500~4000MPaの範囲にある、請求項1~2のいずれか1項記載の積層体。 - (c)および/又は(d)、すなわち(c)前記単層剥離フィルムは、機械方向及び横断方向の少なくとも1つにおける引張強度が少なくとも50MPaである、および/又は
(d)前記単層剥離フィルムは、機械方向における引張強度が少なくとも100MPa及び横断方向における引張強度が少なくとも100MPaである、請求項1~3のいずれか1項記載の積層体。 - (e)および/又は(f)、すなわち(e)前記積層体はイオン交換膜及び単層剥離フィルムからなる、および/又は
(f)前記イオン交換ポリマーは、スルホン酸基を有する側鎖を含むフルオロポリマーである、請求項1~4のいずれか1項記載の積層体。 - 前記単層剥離フィルムは、50μm未満の平均厚さを有する、請求項1~5のいずれか1項記載の積層体。
- 前記イオン交換膜は電極膜である、請求項1~6のいずれか1項記載の積層体。
- 前記イオン交換膜は、電極膜が電解質膜の各側に接合されている膜電極接合体である、請求項1~6のいずれか1項記載の積層体。
- 前記イオン交換膜は電解質膜である、請求項1~6のいずれか1項記載の積層体。
- 前記イオン交換膜は強化電解質膜である、請求項9記載の積層体。
- 前記単層剥離フィルム上に前記イオン交換膜を適用する工程を含む、請求項1~10のいずれか1項記載の積層体を製造するための方法。
- 前記イオン交換膜を適用する工程はロールツーロール処理によって行われる、請求項11記載の方法。
- 前記イオン交換膜を適用する工程は、
前記単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上にイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、及び、
乾燥により溶媒を除去し、それにより、イオン交換膜を提供すること、
を含むか、または
前記工程は、
前記単層剥離フィルム上に溶媒中のイオン交換ポリマーの溶液を適用し、それにより、単層剥離フィルム上のイオン交換ポリマーの湿潤コーティングを提供すること、
多孔質強化材料を、前記イオン交換ポリマーの湿潤コーティング上に適用すること、
乾燥して溶媒を除去すること、
前記溶媒中のイオン交換ポリマーの追加の溶液を前記多孔質強化材料上に適用すること、及び、
乾燥により溶媒を除去し、それにより、イオン交換膜を提供すること、
を含む、請求項11記載の方法。 - ポリマー電解質燃料電池の膜電極接合体を製造するための方法であって、
請求項8記載の積層体を提供すること、及び、
単層剥離フィルムをイオン交換膜から分離すること、
を含む、方法。 - 電解質膜を製造するための方法であって、
請求項9記載の積層体を提供すること、及び、
単層剥離フィルムをイオン交換膜から分離すること、
を含む、方法。
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