JP7741918B1

JP7741918B1 - 膜電極構造体の製造方法

Info

Publication number: JP7741918B1
Application number: JP2024050959A
Authority: JP
Inventors: 健人草次; 亘菓子; 洋平片岡; 晋輔長久
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2024-03-27
Filing date: 2024-03-27
Publication date: 2025-09-18
Anticipated expiration: 2044-03-27
Also published as: US20250309291A1; CN120719310A; JP2025150196A

Abstract

【課題】水における電極と電解質の膨潤率の違いに起因して、膜電極構造体（特に、電解質膜）に皺が発生することを抑制できる、膜電極構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】第１積層体提供工程Ｓ１ａでは、イオン交換容量が所定値未満である第１アイオノマー原料７１と第１電極４４とを積層させた第１積層体７０を提供する。第２積層体提供工程Ｓ１ｂでは、イオン交換容量が所定値以上である第２アイオノマー原料７３と第２電極４６とを積層させた第２積層体７２を提供する。基材提供工程Ｓ１ｃでは、電解質基材７４を提供する。膨潤工程Ｓ２では、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４を膨潤させる。接合工程Ｓ３では、電解質基材７４と第１積層体７０の第１アイオノマー原料７１とを接合するとともに、電解質基材７４と第２積層体７２の第２アイオノマー原料７３とを接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、膜電極構造体の製造方法に関する。

近年、より多くの人々が手ごろで信頼できる持続可能且つ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する電解スタックに関する技術開発が行われている。従来、積層された複数の電解セルからなる電解スタックを備えた電解装置は公知である。電解セルは、膜電極構造体を有する。膜電極構造体は、電解質膜を一対の電極で挟み込んだ構造である。電解セルとして、水を電解する水電解セル、水素（水素ガス）を電解する水素電解セル等がある。複数の水電解セルが積層された積層体を備える電解スタックは、水電解装置と称される場合がある。複数の水素電解セルが積層された積層体を備える電解スタックは、ＥＨＣ（ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＨｙｄｒｏｇｅｎＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）と称される場合がある。例えば、特許文献１には、水電解セルを備える水電解装置が開示されている。

特開２０１９－１５７２１２号公報

例えば、水電解装置では、電解時に膜電極構造体が水を取り込んで膨潤するため、膜電極構造体の寸法変化が生じる。このため、水電解装置の組立完了時と使用時（電解時）とでは、膜電極構造体の状態が異なる。水電解装置の組立完了時の膜電極構造体の状態を、電解時と同じ状態にするために、電解スタックとして組み立てる前に膜電極構造体を水に漬けて膨潤させることが考えられる。

しかしながら上述の方法では、電極と電解質膜とが水によって膨潤した際の膨潤率の違いによって、膜電極構造体（特に、電解質膜）に皺が発生することが懸念される。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本開示の態様は、電解質膜と前記電解質膜の両側にそれぞれ積層された第１電極及び第２電極とを有する膜電極構造体を備え、前記第１電極に電解用の流体を供給し、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、前記第１電極で得られる第１ガスよりも高圧の第２ガスを前記第２電極で得る差圧式電解装置に用いられる前記膜電極構造体の製造方法であって、所定温度、所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量が所定値未満である第１アイオノマー原料と、前記第１電極とを積層させた第１積層体を提供する第１積層体提供工程と、前記所定温度、前記所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量が前記所定値以上である第２アイオノマー原料と、前記第２電極とを積層させた第２積層体を提供する第２積層体提供工程と、互いに反対側の第１面及び第２面を有する電解質基材を提供する基材提供工程と、前記第１積層体、前記第２積層体及び前記電解質基材を膨潤させる膨潤工程と、前記膨潤工程の後に、前記電解質基材の前記第１面と前記第１積層体の前記第１アイオノマー原料とを接合するとともに、前記電解質基材の前記第２面と前記第２積層体の前記第２アイオノマー原料とを接合する接合工程と、を有する、膜電極構造体の製造方法である。

本発明によれば、第１積層体、第２積層体及び電解質基材を膨潤させた後に、第１積層体と電解質基材との接合と、第２積層体と電解質基材との接合を行うため、電解質膜における皺の発生を抑制することができる。また、この製造方法によって得られた膜電極構造体では、電解質膜のうち第２電極に隣接する部分（第２隣接部）のイオン交換容量が、電解質膜のうち第１電極に隣接する部分（第１隣接部）のイオン交換容量よりも大きい。このため、差圧式電解装置が水電解装置である場合に、電解質膜のうち高圧側である第２隣接部の乾燥を抑制することにより、電気分解の効率の低下や電気抵抗の増加に伴う電解質膜の劣化の進行を抑制できる。

図１は、差圧式電解装置の斜視図である。図２は、電解セルの断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る膜電極構造体の製造方法を説明する概略図である。

図１に示すように、差圧式電解装置１０は、セル積層体１２を備える電解スタック１０Ａとして構成されている。電解スタック１０Ａは、全体として略円柱体形状を有しているが、立方体形状等の種々の形状に設定可能である。セル積層体１２は、鉛直方向又は水平方向に積層された複数の電解セル１４を有する。電解セル１４は、水電解セルである。電解セル１４は、水素電解セルであってもよい。以下の説明において、「積層方向」は、複数の電解セル１４の積層方向（Ａ方向）を意味する。

複数の電解セル１４のうちの積層方向の一端（下端）に位置する電解セル１４には、流体導入口１５ａが設けられる。複数の電解セル１４のうちの積層方向の他端（上端）に位置する電解セル１４には、流体導出口１５ｂが設けられる。

差圧式電解装置１０は、一対のターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、一対の絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、一対のエンドプレート２０ａ、２０ｂとをさらに備える。積層方向の一方（図１で上方）に向かって、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａはこの順で配設される。積層方向の他方（図１で下方）に向かって、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂは、この順で配設される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂには端子部２４ａ、２４ｂがそれぞれ設けられる。端子部２４ａ、２４ｂは、配線２６ａ、２６ｂを介して電解電源２８にそれぞれ電気的に接続される。

電解スタック１０Ａは、積層方向に延在する複数本のタイロッド２２等の押圧機構によってエンドプレート２０ａ、２０ｂを一体的に締め付けた状態に保持される。エンドプレート２０ａには、後述する高圧流体導出孔２１に連通する不図示の配管が接続される。この配管には、高圧流体導出孔２１を介したガスの排出を規制することが可能な背圧機構が設けられる。電解スタック１０Ａは、エンドプレート２０ａ、２０ｂを含む箱状ケーシング（図示せず）を備えてもよい。

図２に示すように、電解セル１４は、膜電極構造体３０と、第１給電体３２と、第２給電体３４と、第１セパレータ３６と、第２セパレータ３８と、樹脂枠部材４０とを有する。

膜電極構造体３０は、略円形リング状である。膜電極構造体３０は、電解質膜４２と、第１電極４４と、第２電極４６とを有する。電解質膜４２は、固体高分子からなる。電解質膜４２は、アイオノマーからなる。電解質膜４２は、イオンを交換可能な膜である。第１電極４４は、電解質膜４２の一方面に配置される。第１電極４４は、電極触媒層である。第１電極４４には、電解に用いられる流体が供給される。第２電極４６は電解質膜４２の他方面に配置される。第２電極４６は、第１電極４４とは反対側の電極触媒層である。電解電源２８（図１）により第１電極４４と第２電極４６の間に電圧が印加される。

電解セル１４が水電解セルである場合、電解質膜４２は、アニオン交換膜であってもよいし、プロトン交換膜であってもよい。

電解質膜４２がアニオン交換膜である場合、電解用の流体は、アルカリ性の水である。電解セル１４が水電解セルであり、電解質膜４２がアニオン交換膜であり、第１電極４４と第１給電体３２とがアノードであり、第２電極４６と第２給電体３４とがカソードである場合、第１電極４４では酸素が第１ガスとして生成され、第２電極４６では第２ガスとして水素が生成される。一方、電解セル１４が水電解セルであり、電解質膜４２がアニオン交換膜であり、第１電極４４と第１給電体３２とがカソードであり、第２電極４６と第２給電体３４とがアノードである場合、第１電極４４では水素が生成され、第２電極４６では酸素が生成される。

電解セル１４が水電解セルであり、電解質膜４２がプロトン交換膜である場合、電解に用いられる流体は、不純物が所定量以下の水（例えば、純水）である。電解質膜４２がプロトン交換膜であり、第１電極４４と第１給電体３２とがアノードであり、第２電極４６と第２給電体３４とがカソードである場合、第１電極４４では酸素が生成され、第２電極４６では水素が生成される。一方、電解セル１４が水電解セルであり、電解質膜４２がプロトン交換膜であり、第１電極４４と第１給電体３２とがカソードであり、第２電極４６と第２給電体３４とがアノードである場合、第１電極４４では水素が生成され、第２電極４６では酸素が生成される。

電解セル１４が水素電解セルである場合、電解質膜４２は、プロトン交換膜である。この場合、電解に用いられる流体は、水素である。また、第１電極４４と第１給電体３２とがアノードであり、第２電極４６と第２給電体３４とがカソードである。第２電極４６では、第１電極４４に供給された水素よりも高圧の水素が生成される。

電解質膜４２には、径方向の略中心に貫通孔４２ｈが形成される。第１電極４４は、電解質膜４２の一方の面において、電解質膜４２のうちの貫通孔４２ｈの周縁部位と外周縁部位との間の部位に設けられる。電解質膜４２の他方の面の一部には、第２電極４６が設けられる。第２電極４６は、電解質膜４２の他方の面において、電解質膜４２のうちの貫通孔４２ｈの周縁部位と外周縁部位との間の部位に設けられる。第１電極４４及び第２電極４６は、例えば、円形状に形成される。第１電極４４には、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）系触媒が使用される。第２電極４６には、例えば、白金触媒が使用される。

電解質膜４２は、第１電極４４に隣接する部分（以下、「第１隣接部４２１」ともいう）と、第２電極４６に隣接する部分（以下、「第２隣接部４２２」ともいう）とを有する。第１隣接部４２１の所定温度及び所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量（ＩＥＣ）は、所定値未満である。第２隣接部４２２の所定温度及び所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量（ＩＥＣ）は、所定値以上である。このため、所定温度及び所定湿度雰囲気下において、第２隣接部４２２の単位面積当たりのイオン交換容量は、第１隣接部４２１の単位面積当たりのイオン交換容量よりも大きい。イオン交換容量は、１モルのイオンを交換可能とするために必要な乾燥状態の電解質膜４２の重量の逆数（ｍｅｑ／ｇ）である。

膜電極構造体３０は、第１給電体３２と、第２給電体３４との間に配される。第１給電体３２及び第２給電体３４は、例えば、球状アトマイズチタン粉末の焼結体（多孔質導電体）により構成される。第１給電体３２及び第２給電体３４は、研削加工後にエッチング処理される平滑表面部を設けるとともに、空隙率が１０％～５０％、より好ましくは、２０％～４０％の範囲内に設定される。

第１給電体３２は、電解に用いられる流体が供給される給電体（流体供給側給電体）である。第１セパレータ３６と第１給電体３２との間には、流路部材５０が介装される。流路部材５０には、複数個の孔部５０ｈが形成される。第１給電体３２と第１電極４４との間には、保護シート部材５２が介装される。保護シート部材５２には、複数の連通孔５２ｈが形成される。

第２給電体３４は、第１給電体３２とは反対側の給電体である。第２給電体３４は、荷重付与機構５４によって第２電極４６に向かって押圧される。荷重付与機構５４は、例えば、板ばね等の導電性の弾性部材を備える。荷重付与機構５４は、金属製のホルダ５６を介して第２給電体３４に荷重を付与する。第２給電体３４とホルダ５６との間には、円形リング状の導電シート５８が配置される。

電解質膜４２と第２セパレータ３８との間であって、膜電極構造体３０の電解領域よりも径方向外側には、シール部材６０が配置される。シール部材６０の径方向外側には、耐圧部材６２が配置される。耐圧部材６２は、略リング形状を有する。耐圧部材６２の外周部は、樹脂枠部材４０の内周部に嵌合する。

第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８は、積層方向において膜電極構造体３０等を挟持する。第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８は、略円盤状であるとともに、例えば、カーボン部材等で構成される。第１セパレータ３６及び第２セパレータ３８は、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いは、その金属表面に防食用の表面処理を施した金属板をプレス成形してもよい。或いは、切削加工した後に防食用の表面処理を施して構成してもよい。

樹脂枠部材４０は、膜電極構造体３０等を囲繞するように、第１セパレータ３６と第２セパレータ３８との間に配置される。樹脂枠部材４０は、略リング形状である。樹脂枠部材４０の両面には、シール部材６４ａ、６４ｂが設けられる。樹脂枠部材４０は、流体導入孔４０ａと、流体導出孔４０ｂとを有する。流体導入孔４０ａは、電解に用いられる流体を導入するための流路である。流体導入孔４０ａは、積層方向に沿って延びる。積層された複数の電解セル１４の各々の流体導入孔４０ａは互いに連通する。複数の電解セル１４のうちの積層方向の一端（下端）に位置する電解セル１４の樹脂枠部材４０には、流体導入口１５ａ（図１参照）が接続される。

流体導出孔４０ｂは、電解されない未反応の流体を含む混合流体を導出するための流路である。流体導出孔４０ｂは、積層方向に沿って延びる。積層された複数の電解セル１４の各々の流体導出孔４０ｂは互いに連通する。複数の電解セル１４のうちの積層方向の他端（上端）に位置する電解セル１４の樹脂枠部材４０には、流体導出口１５ｂ（図１参照）が接続される。

電解セル１４には、径方向の中央部を積層方向に沿って貫通する高圧流体導出孔２１が設けられる。高圧流体導出孔２１は、電解に用いられる流体の電解により発生するガスを昇圧して導出するために形成される。積層された複数の電解セル１４の各々の高圧流体導出孔２１は互いに連通する。発生したガスは、例えば、１ＭＰａ～８０ＭＰａに昇圧された状態で高圧流体導出孔２１から導出される。

次に、本実施形態に係る膜電極構造体３０の製造方法について説明する。

図３に概略的に示すように、膜電極構造体３０の製造方法は、部材提供工程Ｓ１と、膨潤工程Ｓ２と、接合工程Ｓ３とを有する。部材提供工程Ｓ１は、第１積層体提供工程Ｓ１ａと、第２積層体提供工程Ｓ１ｂと、基材提供工程Ｓ１ｃとを有する。第１積層体提供工程Ｓ１ａは、第１積層体７０を提供する工程である。第２積層体提供工程Ｓ１ｂは、第２積層体７２を提供する工程である。基材提供工程Ｓ１ｃは、電解質基材７４を提供する工程である。なお、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４はリング状であるが、図３ではこれらの形状を省略して示している。

第１積層体７０は、第１電極４４と、第１層である第１アイオノマー原料７１とを有する。第１電極４４と第１アイオノマー原料７１とが互いに積層されている。例えば、第１電極４４の表面に第１アイオノマー原料７１を塗布することにより、第１積層体７０が得られる。或いは、第１アイオノマー原料７１からなるシートに第１電極４４を転写することにより、第１積層体７０が得られてもよい。

第１電極４４の直径と第１アイオノマー原料７１の直径とは互いに略同じである。第１電極４４と第１アイオノマー原料７１との積層方向における第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１は、電解質基材７４の厚みｔ３よりも遙かに小さい。第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１は、例えば、５μｍ～５０μｍである。第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１は、例えば、電解質基材７４の厚みｔ３の３％～５０％である。

第２積層体７２は、第２電極４６と、第２層である第２アイオノマー原料７３とを有する。第２電極４６と第２アイオノマー原料７３とが互いに積層されている。例えば、第２電極４６の表面に第２アイオノマー原料７３を塗布することにより、第２積層体７２が得られる。或いは、第２アイオノマー原料７３からなるシートに第２電極４６を転写することにより、第２積層体７２が得られてもよい。

第２電極４６の直径と第２アイオノマー原料７３の直径とは互いに略同じである。第２電極４６と第２アイオノマー原料７３との積層方向における第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２は、電解質基材７４の厚みｔ３よりも遙かに小さい。第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２は、例えば、５μｍ～５０μｍである。第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２は、例えば、電解質基材７４の厚みｔ３の３％～５０％である。

電解質基材７４は、アイオノマーからなる。電解質基材７４は、互いに反対側の第１面７４１及び第２面７４２を有する。電解質基材７４の厚みｔ３は、例えば、１００μｍ～１５０μｍである。電解質基材７４は、例えば、円形である。電解質基材７４の直径は、第１積層体７０の直径及び第２積層体７２の直径よりも大きい。

第１アイオノマー原料７１の、所定温度、所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量は、所定値未満である。所定温度及び所定湿度雰囲気下において、第１アイオノマー原料７１の単位面積当たりのイオン交換容量は、電解質基材７４の単位面積当たりのイオン交換容量よりも小さい。第２アイオノマー原料７３の、所定温度、所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量は、所定値以上である。所定温度及び所定湿度雰囲気下において、第２アイオノマー原料７３の単位面積当たりのイオン交換容量は、電解質基材７４の単位面積当たりのイオン交換容量よりも大きい。このため、所定温度及び所定湿度雰囲気下において、第２アイオノマー原料７３の単位面積当たりのイオン交換容量は、第１アイオノマー原料７１の単位面積当たりのイオン交換容量よりも大きい。

膨潤工程Ｓ２は、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４を膨潤させる工程である。具体的に、膨潤工程Ｓ２では、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４を水Ｗに浸漬する。浸漬により、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４の各々の内部に水分が浸透し、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４が膨潤する。このため、膨潤状態になった第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１及び直径は、膨潤前の第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１及び直径よりもそれぞれ大きい。膨潤状態になった第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２及び直径は、膨潤前の第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２及び直径よりもそれぞれ大きい。膨潤状態になった電解質基材７４の厚みｔ３及び直径は、膨潤前の電解質基材７４の厚みｔ３及び直径よりも大きい。

第１アイオノマー原料７１の膨潤率は、第１電極４４の膨潤率よりも大きいが、第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１は、電解質基材７４の厚みｔ３よりも遙かに小さいため、第１アイオノマー原料７１における皺の発生は抑制される。また仮に、第１アイオノマー原料７１において皺が発生した場合でも、その皺の大きさは微小である。同様に、第２アイオノマー原料７３の膨潤率は、第２電極４６の膨潤率よりも大きいが、第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２は、電解質基材７４の厚みｔ３よりも遙かに小さいため、第２アイオノマー原料７３における皺の発生は抑制される。また仮に、第２アイオノマー原料７３において皺が発生した場合でも、その皺の大きさは微小である。

膨潤工程Ｓ２の後、接合工程Ｓ３を実施する。接合工程Ｓ３は、電解質基材７４の第１面７４１と第１積層体７０の第１アイオノマー原料７１とを接合するとともに、電解質基材７４の第２面７４２と第２積層体７２の第２アイオノマー原料７３とを接合する工程である。接合工程Ｓ３は、例えば、ホットプレス装置８０を用いて実施することができる。

ホットプレス装置８０は、第１型８２と、第２型８４と、第１保持部材８６と、第２保持部材８８とを備える。第１型８２は、下型である。第２型８４は、上下方向に移動可能な上型である。

第１保持部材８６は、円形リング状である。第２保持部材８８は、円形リング状である。接合前の準備工程では、第１保持部材８６と第２保持部材８８とにより電解質基材７４の外周縁部を挟持する。これにより、第１保持部材８６は、電解質基材７４の第１面７４１に向かい且つ電解質基材７４の外周縁部に当接する。第２保持部材８８は、電解質基材７４の第２面７４２に向かい且つ電解質基材７４の外周縁部に当接する。

第１保持部材８６と第２保持部材８８とにより電解質基材７４の外周縁部を挟持することにより電解質基材７４を張らせた状態で、第１保持部材８６の内側に第１積層体７０を挿入し、第２保持部材８８の内側に第２積層体７２を挿入する。この結果、第１積層体７０と第２積層体７２との間に電解質基材７４が配置される。この場合、第１保持部材８６の内側に第１積層体７０が配置された状態で、第１積層体７０の第１アイオノマー原料７１と電解質基材７４の第１面７４１とが接触する。第２保持部材８８の内側に第２積層体７２が配置された状態で、第２積層体７２の第２アイオノマー原料７３と電解質基材７４の第２面７４２とが接触する。

接合工程Ｓ３では、第１積層体７０、電解質基材７４及び第２積層体７２からなる積層構造体７５を第１型８２と第２型８４とにより挟持して、加圧及び加熱する。これにより、電解質基材７４の第１面７４１と第１積層体７０の第１アイオノマー原料７１とが互いに接合され、電解質基材７４の第２面７４２と第２積層体７２の第２アイオノマー原料７３とが互いに接合される。

膨潤に伴う皺が第１アイオノマー原料７１に発生していた場合でも、電解質基材７４と第１アイオノマー原料７１とが互いに接合される際、ホットプレス装置８０からの圧力及び熱により、第１アイオノマー原料７１の皺は、電解質基材７４と一体化し、実質的に消失する。同様に、膨潤に伴う皺が第２アイオノマー原料７３に発生していた場合でも、電解質基材７４と第２アイオノマー原料７３とが互いに接合される際、ホットプレス装置８０からの圧力及び熱により、第２アイオノマー原料７３の皺は、電解質基材７４と一体化し、実質的に消失する。

電解質基材７４、第１アイオノマー原料７１及び第２アイオノマー原料７３が一体化することにより、電解質膜４２となる。このため、接合工程Ｓ３により、膜電極構造体３０（図２も参照）が得られる。膨潤工程Ｓ２の完了時から接合工程Ｓ３の開始時までの間、第１積層体７０、電解質基材７４及び第２積層体７２からは若干の水分が蒸発するが、第１積層体７０、電解質基材７４及び第２積層体７２は依然として膨潤している。また、接合工程Ｓ３によって第１積層体７０、電解質基材７４及び第２積層体７２からは若干の水分が蒸発するが、第１積層体７０、電解質基材７４及び第２積層体７２の各々には十分な水分量が保持されているため、第１積層体７０、電解質基材７４及び第２積層体７２は依然として膨潤している。このため、接合工程Ｓ３の完了時においても、膜電極構造体３０の膨潤状態は維持されている。

上述した製造方法によって、複数の膜電極構造体３０が得られる。複数の膜電極構造体３０を用いて、電解スタック１０Ａ（図１参照）が製造される。この場合、複数の膜電極構造体３０を電解時と同様の膨潤状態にして電解スタック１０Ａが組み立てられる。このため、電解時において膜電極構造体３０に皺が発生することを抑制することができる。

本実施形態は、以下の効果を奏する。

膜電極構造体３０の製造方法によれば、第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４を膨潤させた後に、第１積層体７０と電解質基材７４との接合と、第２積層体７２と電解質基材７４との接合を行うため、電解質膜４２における皺の発生を抑制することができる。

ところで、図２において、差圧式電解装置１０が水電解装置である場合、電解質膜４２内の水分は、第２電極４６に生成される高圧のガスによって、第１電極４４に向って押される。このため、本実施形態に係る製造方法によって製造された膜電極構造体３０と異なり、電解質膜４２のうち第２電極４６に隣接する部分（第２隣接部４２２）のイオン交換容量と、電解質膜４２のうち第１電極４４に隣接する部分（第１隣接部４２１）のイオン交換容量とが同じである場合、第１電極４４を通じて電解質膜４２に供給された水分のうち第２隣接部４２２の水分は高圧のガスの圧力によって第１電極４４側に押し戻されるため、第１隣接部４２１よりも乾燥しやすくなる。電解質膜４２の乾燥が発生すると、電解質膜４２内のイオンの移動が阻害されるため、電気分解の効率が低下することがある。また電解質膜４２の乾燥が発生すると、電気抵抗の増加に伴う電解質膜４２の劣化（特に第２隣接部４２２の劣化）が進行することがある。

これに対し、本実施形態に係る製造方法によって製造された膜電極構造体３０では、電解質膜４２のうち高圧側である第２隣接部４２２のイオン交換容量が、低圧側である第１隣接部４２１のイオン交換容量よりも大きい。このため、差圧式電解装置１０が水電解装置である場合に、第２隣接部４２２の最大水分含有量を第１隣接部４２１の最大水分含有量よりも大きくできる。このため、第１電極４４を通じて電解質膜４２に供給された水分が第２電極４６に生成された高圧のガスの圧力によって押し戻されても、第２隣接部４２２での乾燥が抑制され、電解質膜４２内のイオンの移動が阻害されることが抑制される。換言すれば、電解質膜４２の厚さ方向において、電解質膜４２の含水量のバラツキを抑制することができる。これにより、電解質膜４２のうち高圧側である第２隣接部４２２の乾燥を抑制することにより、電気分解の効率の低下や電解質膜４２の劣化（特に第２隣接部４２２の劣化）の進行を抑制できる。

図３において、第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１は、第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２と異なってもよい。第１アイオノマー原料７１の厚みｔ１と第２アイオノマー原料７３の厚みｔ２とを互いに異ならせることにより、図２において、電解時の電解質膜４２の第１隣接部４２１の水分量と第２隣接部４２２の水分量とを調整し、第２隣接部４２２の乾燥を抑制することができる。

第１積層体７０、第２積層体７２及び電解質基材７４の各々は、円形状である。第１積層体７０及び第２積層体７２の各々の直径は、電解質基材７４の直径よりも小さい。接合工程Ｓ３において、電解質基材７４の外周縁部を保持する第１保持部材８６及び第２保持部材８８よりも内側で、第１積層体７０と電解質基材７４とを接合し、第２積層体７２と電解質基材７４とを接合する。これにより、第１保持部材８６及び第２保持部材８８により電解質基材７４の外周縁部を保持しつつ、第１保持部材８６及び第２保持部材８８の内側で接合を行うため、接合工程Ｓ３を良好に実施することができる。

上記実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）本開示の膜電極構造体（３０）の製造方法は、電解質膜（４２）と前記電解質膜の両側にそれぞれ積層された第１電極（４４）及び第２電極（４６）とを有する膜電極構造体を備え、前記第１電極に電解用の流体を供給し、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、前記第１電極で得られる第１ガスよりも高圧の第２ガスを前記第２電極で得る差圧式電解装置（１０）に用いられる前記膜電極構造体の製造方法であって、所定温度、所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量が所定値未満である第１アイオノマー原料（７１）と、前記第１電極とを積層させた第１積層体（７０）を提供する第１積層体提供工程（Ｓ１ａ）と、前記所定温度、前記所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量が前記所定値以上である第２アイオノマー原料（７３）と、前記第２電極とを積層させた第２積層体（７２）を提供する第２積層体提供工程（Ｓ１ｂ）と、互いに反対側の第１面（７４１）及び第２面（７４２）を有する電解質基材（７４）を提供する基材提供工程（Ｓ１ｃ）と、前記第１積層体、前記第２積層体及び前記電解質基材を膨潤させる膨潤工程（Ｓ２）と、前記膨潤工程の後に、前記電解質基材の前記第１面と前記第１積層体の前記第１アイオノマー原料とを接合するとともに、前記電解質基材の前記第２面と前記第２積層体の前記第２アイオノマー原料とを接合する接合工程（Ｓ３）と、を有する。

（付記２）付記１に記載の膜電極構造体の製造方法において、前記第１電極と前記第１アイオノマー原料との積層方向における前記第１アイオノマー原料の厚み（ｔ１）は、前記第２電極と前記第２アイオノマー原料との積層方向における前記第２アイオノマー原料の厚み（ｔ２）と異なってもよい。

（付記３）付記１又は２に記載の膜電極構造体の製造方法において、前記第１積層体、前記第２積層体及び前記電解質基材の各々は、円形状であり、前記第１積層体及び前記第２積層体の各々の直径は、前記電解質基材の直径よりも小さく、前記接合工程において、前記電解質基材の外周縁部を保持する保持部材よりも内側で、前記第１積層体と前記電解質基材とを接合し、前記第２積層体と前記電解質基材とを接合してもよい。

本開示について詳述したが、本開示は上述した個々の実施形態に限定されるものではない。これらの実施形態は、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、又は、請求の範囲に記載された内容とその均等物から導き出される本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、置き換え、変更、部分的削除等が可能である。また、これらの実施形態は、組み合わせて実施することもできる。例えば、上述した実施形態において、各動作の順序や各処理の順序は、一例として示したものであり、これらに限定されるものではない。また、上述した実施形態の説明に数値又は数式が用いられている場合も同様である。

１０…差圧式電解装置３０…膜電極構造体
４２…電解質膜４４…第１電極
４６…第２電極７０…第１積層体
７１…第１アイオノマー原料７２…第２積層体
７３…第２アイオノマー原料７４…電解質基材

Claims

電解質膜と前記電解質膜の両側にそれぞれ積層された第１電極及び第２電極とを有する膜電極構造体を備え、前記第１電極に電解用の流体を供給し、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、前記第１電極で得られる第１ガスよりも高圧の第２ガスを前記第２電極で得る差圧式電解装置に用いられる前記膜電極構造体の製造方法であって、
所定温度、所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量が所定値未満である第１アイオノマー原料と、前記第１電極とを積層させた第１積層体を提供する第１積層体提供工程と、
前記所定温度、前記所定湿度雰囲気下での単位面積当たりのイオン交換容量が前記所定値以上である第２アイオノマー原料と、前記第２電極とを積層させた第２積層体を提供する第２積層体提供工程と、
互いに反対側の第１面及び第２面を有する電解質基材を提供する基材提供工程と、
前記第１積層体、前記第２積層体及び前記電解質基材を膨潤させる膨潤工程と、
前記膨潤工程の後に、前記電解質基材の前記第１面と前記第１積層体の前記第１アイオノマー原料とを接合するとともに、前記電解質基材の前記第２面と前記第２積層体の前記第２アイオノマー原料とを接合する接合工程と、を有する、膜電極構造体の製造方法。
請求項１に記載の膜電極構造体の製造方法において、
前記第１電極と前記第１アイオノマー原料との積層方向における前記第１アイオノマー原料の厚みは、前記第２電極と前記第２アイオノマー原料との積層方向における前記第２アイオノマー原料の厚みと異なる、膜電極構造体の製造方法。
請求項１又は２に記載の膜電極構造体の製造方法において、
前記第１積層体、前記第２積層体及び前記電解質基材の各々は、円形状であり、
前記第１積層体及び前記第２積層体の各々の直径は、前記電解質基材の直径よりも小さく、
前記接合工程において、前記電解質基材の外周縁部を保持する保持部材よりも内側で、前記第１積層体と前記電解質基材とを接合し、前記第２積層体と前記電解質基材とを接合する、膜電極構造体の製造方法。