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公開番号2025095402
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-26
出願番号2023211373
出願日2023-12-14
発明の名称水素イオン伝導性多層複合膜
出願人コメムテックカンパニーリミテッド
代理人個人
主分類B32B 27/30 20060101AFI20250619BHJP(積層体)
要約【課題】本発明は、耐久性、イオン伝導性および水素透過低減効果に優れた、水素イオン伝導性多層複合膜を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、アイオノマー組成物により含浸された多孔性PTFE層を含む内部強化膜;および上記内部強化膜の両面に位置し、アイオノマー組成物で含浸された多孔性PTFE層を含む外部強化膜;を含む水素イオン伝導性多層複合膜を提供する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アイオノマー組成物により含浸された多孔性PTFE層を含む内部強化膜; および
上記内部強化膜の両面に位置し、アイオノマー組成物で含浸された多孔性PTFE層を含む外部強化膜;を含む水素イオン伝導性多層複合膜。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
上記外部強化膜の多孔性PTFE層の平均気孔の大きさ及び気孔度は、上記内部強化膜のPTFEの平均気孔の大きさ及び気孔度より小さく、
上記外部強化膜のPTFEの平均気孔の大きさは0.1ないし0.2μmであり、気孔度は70%ないし80%範囲内であり、
上記内部強化膜のPTFEの平均気孔サイズは0.2ないし0.4μmであり、気孔度は80%ないし90%の範囲内である、請求項1に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項３】
上記内部強化膜は、1個または2個ないし5個の範囲内に積層された、請求項1に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項４】
上記外部強化膜は、
アイオノマーが内部に含浸されたPTFE層;
上記PTFE層の外側面または両面にプラズマ表面処理して形成された表面変性層; および
上記の外部面または両面に形成された表面変性層にコーティングされたアイオノマー層;を含む、請求項1に記載の水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項５】
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上記内部強化膜は、
アイオノマーが内部に含浸されたPTFE層;
上記PTFE層の外側面または両面にプラズマ表面処理して形成された表面変性層;および
上記の外部面または両面に形成された表面変性層にコーティングされたアイオノマー層;を含む、請求項1に記載の水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項６】
上記表面変性層にアイオノマー層コーティング時に使用されたアイオノマー組成物の粘度及びアイオノマー濃度は、上記PTFE層の内部にアイオノマー含浸時に使用されたアイオノマー組成物の粘度及びアイオノマー濃度より高い、請求項4に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項７】
上記粘度差は25℃から10cpないし100cp範囲内であり、上記濃度差は30重量%ないし80重量%範囲内である、請求項6に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項８】
上記内部強化膜および外部強化膜のいずれか1つ以上は、空隙を減少させるために酸で処理された、請求項1に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項９】
上記内部強化膜と上記外部強化膜は合着する前に合着される面を先にプラズマで前処理し、アイオノマー組成物で前処理された面をコーティングした後合着し、内部強化膜と外部強化膜との間に別途のアイオノマーコーティング層が存在する、請求項1に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
【請求項１０】
上記少なくとも1つ以上の外部強化膜と上記少なくとも1つ以上の内部強化膜との間に触媒メッシュ層を合地して触媒層が存在する、請求項9に記載された水素イオン伝導性多層複合膜。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【発明の詳細な説明】
【０００１】
続きを表示（約 1,600 文字）【技術分野】
【０００２】
本発明は、水素イオン伝導性多層複合膜に関する。
【背景技術】
【０００３】
水電解は、水を電気分解して水素を得る技術として、環境にやさしい水素を生成することができる。水電解の種類は、カチオン交換膜（ＰＥＭ；Proton Exchange Membrane）、アニオン交換膜（ＡＥＭ；Anion Exchange Membrane）、アルカリ（Alkaline）、固体酸化物（Solid Oxide）などに区分される。
【０００４】
一方、燃料電池は高効率発電装置として、既存の内燃機関に比べて効率が高く燃料使用量が少なく、ＳＯｘ、ＮＯｘ、ＶＯＣなどの環境汚染物質を発生させない無公害エネルギー源という利点がある。また、生産設備に必要な立地面積が少なく建設期間が短いなどの追加の利点があり、携帯機器などの移動用電源、自動車などの輸送用電源、家庭用および電力事業用に利用可能な分散型発電に至るまで応用分野が多様です。
【０００５】
燃料電池は動作温度と電解質によって大きく5つに分類され、具体的にはアルカリ燃料電池（AFC）、リン酸型燃料電池（PAFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体酸化物燃料電池（SOFC）、高分子電解質燃料電池（PEMFC）、直接メタノール燃料電池（DMFC）があります。なかでも、移動性に優れた高分子電解質燃料電池が大きな注目を集めている。
【０００６】
カチオン交換膜水電解及び高分子電解質燃料電池に用いられる電解質膜は主にフッ素化炭素系電解質膜であり、代表的な例としては１９６０年代初め、米国デュポン社が開発した過フッ素系水素イオン交換膜であるナフィオン（Nafion）が挙げられる。ナフィオン以外にも同様の過フッ素系高分子電解質商用膜として、旭化成社のアシプレックス-S(Aciplex-S)膜、ダウケミカルズ社のダウ(Dow)膜、旭硝子Glass社のプレミオン(Flemion)膜などがある。
【０００７】
このような単膜（ＣａｓｔｉｎｇＭｅｍｂｒａｎｅ）はイオン伝導性電解質でのみ構成されており、製造が容易であり、実験用及び量産製品として多様に適用されている。しかし、水電解システムおよび燃料電池システムの駆動条件で体積の変化による素材の疲労が蓄積し、耐久性に問題がある。また、膜の厚さが厚くなるほど膜抵抗が増加しつつ電気化学性能が低下し、膜の厚さを薄くすると水素透過問題および耐久性問題で性能が低下する。
従って、上記問題に対する改善が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、耐久性、イオン伝導性および水素透過低減効果に優れた、水素イオン伝導性多層複合膜を提供することを目的とする。
また、水素イオン伝導性多層複合膜を分離膜として用いる水電解システム及び燃料電池を提供することを目的とする。
しかしながら、本発明の目的は上記の目的に限定されず、言及されていない他の目的は以下の説明から当業者には明確に理解されるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための手段として、
本発明は、アイオノマー組成物で含浸された多孔質ＰＴＦＥ層を含む内部強化膜と、前記内部強化膜の両面に位置する外部強化膜とを含む水素イオン伝導性多層複合膜を提供し、前記外部強化膜はアイオノマー組成物を含浸させた多孔質ＰＴＦＥ層を含む。
【００１０】
また、上記外部強化膜の多孔性PTFE層の平均気孔の大きさおよび気孔度は、上記内部強化膜のPTFEの平均気孔の大きさおよび気孔度より小さいことができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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