电解质膜层叠体、带有催化剂层的电解质膜、膜电极接合体、水电解式氢气发生装置及带有催化剂层的电解质膜的制造方法与流程

本发明涉及电解质膜层叠体、带有催化剂层的电解质膜、膜电极接合体、水电解式氢气发生装置及带有催化剂层的电解质膜的制造方法。

背景技术：

1、近年来，作为新一代的能量的储藏/输送手段，氢能受到关注。氢通过用作为燃料电池的燃料，从而与使用了热机的发电相比，能够以理论上较高的能量效率转换为电力，并且无有害排出物，因此能成为高效率的清洁能源。

2、氢气制造方式之一有水的电解。若使用由可再生能源产生的剩余电力将水电解，则能够在不排出二氧化碳的情况下将电力转换为氢能。此外，氢根据储藏方式的不同，能够利用油罐车、油轮进行输送，可以在需要时供给至需要的场所，因此，水的电解具有作为电力储藏工具的高可能性。

3、利用水的电解进行的氢气制造方式有碱水电解和固体高分子电解质膜(pem)型水电解，pem型水电解能以高电流密度运转，具有能够灵活地应对可再生能源的输出变动这样的优点。

4、然而，在pem型水电解电池中使用的电解质膜的氢阻隔性不充分的情况下，由于所生成的氢从阴极向阳极透过，使阳极中产生氢与氧的混合气体，由此导致存在安全方面的课题。

5、因此，报道了如下例子：在电解质膜与阳极之间设置含有铂族金属的层(含铂族金属层)，利用催化作用使在电解质膜中透过扩散的氢与生成的氧反应而制成水，降低阳极中的氢浓度(专利文献1、2)。

6、另一方面，作为构成电解质膜的高分子电解质，一直以来，通常已知有全氟碳磺酸等氟系高分子电解质。上述专利文献1及2使用了氟系高分子电解质。然而，这些氟系高分子电解质存在昂贵、氢阻隔性较小、高温时机械强度较低等课题，正在研究使用烃系高分子电解质来代替氟系高分子电解质。

7、现有技术文献

8、专利文献

9、专利文献1：日本特表2020-514528号公报

10、专利文献2：日本特开2019-167619号公报

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、使用了烃系电解质的电解质膜与氟系电解质膜相比，氢阻隔性比较良好，但为了连续进行安全的氢气制造，重要的是进一步减少氢向阳极的透过。已知即使为了使透过的氢分解而尝试将上述那样的含铂族金属层层叠于电解质膜，电解质膜与含铂族金属层的密合性也低而在耐久性方面存在课题。

3、因此，本发明的课题是提供氢阻隔性优异并且耐久性良好的电解质膜层叠体。本发明的另一课题是提供氢阻隔性优异并且耐久性良好的带有催化剂层的电解质膜及其制造方法。本发明的又一课题是提供氢阻隔性优异并且耐久性良好的膜电极接合体。另外，本发明的另一课题是提供水电解式氢气发生装置。

4、用于解决课题的手段

5、本发明的电解质膜层叠体为了达成上述目的而采用以下构成。即，

6、为一种电解质膜层叠体，其依次具备具有第1主面和第2主面的第1电解质膜、以及位于所述第1电解质膜的第1主面上的第1中间层和第2电解质膜，所述第1电解质膜包含烃系高分子电解质，所述第1中间层包含高分子电解质和粒子，所述第2电解质膜包含高分子电解质和含有过渡金属元素的粒子。

7、本发明的带有催化剂层的电解质膜为了达成上述目的而采用以下构成。即，

8、为一种带有催化剂层的电解质膜，其是在所述电解质膜层叠体的两面分别具备催化剂层的带有催化剂层的电解质膜，其中，在所述电解质膜层叠体的所述第1电解质膜的第1主面侧具备第1催化剂层，在所述第1电解质膜的第2主面侧具备第2催化剂层。

9、本发明的膜电极接合体为了达成上述目的而采用以下构成。即，

10、为一种膜电极接合体，其包含所述带有催化剂层的电解质膜。

11、本发明的水电解式氢气发生装置为了达成上述目的而采用以下构成。即，为一种水电解式氢气发生装置，其包含所述带有催化剂层的电解质膜。

12、本发明的带有催化剂层的电解质膜的制造方法为了达成上述目的而采用以下的任意构成。即，

13、为一种带有催化剂层的电解质膜的制造方法，其中，分别准备在第1电解质膜上层叠有第1中间层的层叠体(l)、在第1支持体上依次层叠有第1催化剂层和第2电解质膜的第1催化剂层转印片(tc1)、以及在第2支持体上层叠有第2催化剂层的第2催化剂层转印片(tc2)，使层叠体(l)的第1中间层与第1催化剂层转印片(tc1)的第2电解质膜接触，并且使层叠体(l)的第1电解质膜与第2催化剂层转印片(tc2)的第2催化剂层接触，或者，

14、一种带有催化剂层的电解质膜的制造方法，其中，分别准备在第1电解质膜上层叠有第1中间层的层叠体(l)、在第1支持体上依次层叠有第1催化剂层和第2电解质膜的第1催化剂层转印片(tc1)、以及在第2支持体上依次层叠有第2催化剂层、第3电解质膜及第2中间层的第2催化剂层转印片(tc3)，使层叠体(l)的第1中间层与第1催化剂层转印片(tc1)的第2电解质膜接触，并且使层叠体(l)的第1电解质膜与第2催化剂层转印片(tc3)的第2中间层接触。

15、本发明的电解质膜层叠体优选在所述第1电解质膜的第2主面上具备第3电解质膜。

16、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，在所述第1电解质膜的第2主面与所述第3电解质膜之间具备第2中间层，所述第2中间层包含高分子电解质和粒子。

17、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第2电解质膜和/或所述第3电解质膜中所含的高分子电解质包含氟系高分子电解质。

18、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第2电解质膜和/或所述第3电解质膜中所含的含有过渡金属元素的粒子为含有选自铂、金、银、铜、钯、钌、铑、铈、锰、铱、镍及钴中的至少一种过渡金属元素的粒子。

19、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第2电解质膜和/或所述第3电解质膜中所含的含有过渡金属元素的粒子包含选自0价金属的粒子、金属氧化物的粒子及难溶性金属盐的粒子中的至少1种粒子。

20、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第2电解质膜和/或所述第3电解质膜中所含的含有过渡金属元素的粒子相对于高分子电解质的质量比(含有过渡金属元素的粒子的质量/高分子电解质的质量)为0.01～0.85。

21、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1中间层和/或所述第2中间层中所含的粒子为无机粒子。

22、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1中间层和/或所述第2中间层中所含的粒子为含有碳原子的粒子。

23、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1中间层和/或所述第2中间层中所含的粒子为碳粒子和/或担载有金属的碳粒子。

24、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1中间层和/或所述第2中间层中所含的粒子为碳粒子。

25、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1中间层和/或所述第2中间层中所含的高分子电解质包含氟系高分子电解质。

26、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1中间层和/或所述第2中间层中所含的粒子相对于高分子电解质的质量比(粒子的质量/高分子电解质的质量)为0.4～20.0。

27、对于本发明的电解质膜层叠体而言，优选的是，所述第1电解质膜中所含的烃系高分子电解质包含芳香族聚醚系高分子电解质。

28、对于本发明的带有催化剂层的电解质膜而言，优选的是，所述第1催化剂层为阳极催化剂层，第2催化剂层为阴极催化剂层。

29、对于本发明的带有催化剂层的电解质膜的制造方法而言，优选的是，第1电解质膜包含烃系高分子电解质，第1接合层包含高分子电解质和无机粒子。

30、对于本发明的带有催化剂层的电解质膜的制造方法而言，优选的是，所述带有催化剂层的电解质膜为长条的膜状。

31、发明效果

32、根据本发明，可以提供氢阻隔性优异并且耐久性良好的电解质膜层叠体。