(57)【要約】【課題】接着剤を用いず、また濡れ性を改善するプラズマ処理やコロナ処理を行わずに、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力まで向上させた電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一態様に係る電解質構造体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１と接合した保護フィルム１２とを備え、保護フィルム１２の表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜と接合した保護フィルムとを備え、
前記保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である、
電解質構造体。
【請求項２】
前記保護フィルムの表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下である、
請求項１に記載の電解質構造体。
【請求項３】
前記保護フィルムの表面張力は、前記保護フィルムの表面張力の分散成分と極性成分と水素結合成分との合計値である、
請求項１または２に記載の電解質構造体。
【請求項４】
表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である第１保護フィルムを第１電解質膜前駆体膜の第１主面に接合し、
前記第１保護フィルムと接合していない前記第１電解質膜前駆体膜の第２主面を多孔質膜の第１主面に接合し、
前記第１電解質膜前駆体膜中の電解質膜前駆体を前記多孔質膜に含浸させることにより、接合膜を形成し、
前記接合膜を加水分解する、
電解質構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１保護フィルムの表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下である、
請求項４に記載の電解質構造体の製造方法。
【請求項６】
前記第１保護フィルムの表面張力は、前記第１保護フィルムの表面張力の分散成分と極性成分と水素結合成分との合計値である、
請求項４または５に記載の電解質構造体の製造方法。
【請求項７】
表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である第２保護フィルムを第２電解質膜前駆体膜の第１主面に接合し、
前記第２保護フィルムと接合していない前記第２電解質膜前駆体膜の第２主面を前記多孔質膜の第２主面に接合し、
前記第１及び第２保護フィルムの一方を剥離した後、前記接合膜を加水分解する、
請求項４〜６のいずれか一項に記載の電解質構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電解質構造体及び電解質構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用電解質膜は、厚みが数μｍと薄く、膜単体を搬送すると破れが発生する虞があるので、電解質膜を保護フィルムに接合して、搬送している。
【０００３】
一方、燃料電池用電解質膜では、前駆体の側鎖末端を親水化する必要がある。例えば、電解質膜が高温の苛性ソーダに浸漬されて、前駆体の側鎖末端が加水分解されることにより、前駆体の側鎖末端が親水化されている。そして、加水分解工程において電解質膜をロールする場合は、連続的に苛性ソーダに浸漬するため電解質膜を液中で搬送する必要がある。ところが、この搬送により電解質膜と保護フィルムとが剥がれてしまうことがある。
【０００４】
そこで、電解質膜と保護フィルムとが剥がれてしまうことを防ぐために、電解質膜と保護フィルムとの接合力を大きくすることが検討されている。
【０００５】
しかし、接合力を大きくするために、例えば接着剤を用いると電解質膜の物性が損なわれてしまう。したがって、接着剤を用いずに接合力を向上することが求められている。
【０００６】
また、プラズマ処理やコロナ処理で濡れ性を改善し、接合をよくする手法が一般的に知られている。しかし、電解質膜または保護フィルムにプラズマ処理やコロナ処理を施しても、逆に接合力が弱まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２２２４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように電解質膜と保護フィルムの接合では、一般的に言われる濡れ性との関係が成り立たたず、どのように決まるのかがわかっていない。
【０００９】
そのため、接着剤を用いず、また濡れ性を改善するプラズマ処理やコロナ処理を行わずに、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力まで向上させる条件はこれまでわかっていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る電解質構造体は、電解質膜と、前記電解質膜と接合した保護フィルムとを備え、前記保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である。
【００１１】
本発明の一態様に係る電解質構造体は、保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下であるため、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【００１２】
前記保護フィルムの表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下であってもよい。前記保護フィルムの表面張力は、前記保護フィルムの表面張力の分散成分と極性成分と水素結合成分との合計値であってもよい。
【００１３】
保護フィルムの表面張力を４０ｍＮ／ｍ以下とすることにより、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【００１４】
本発明の一態様に係る電解質構造体の製造方法は、表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である第１保護フィルムを第１電解質膜前駆体膜の第１主面に接合し、前記第１保護フィルムと接合していない前記第１電解質膜前駆体膜の第２主面を多孔質膜の第１主面に接合し、前記第１電解質膜前駆体膜中の電解質膜前駆体を前記多孔質膜に含浸させることにより、接合膜を形成し、前記接合膜を加水分解する。
【００１５】
第１保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値を１ｍＮ／ｍ以下とすることにより、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【００１６】
前記第１保護フィルムの表面張力が４０ｍＮ／ｍ以下であってもよい。前記第１保護フィルムの表面張力は、前記第１保護フィルムの表面張力の分散成分と極性成分と水素結合成分との合計値であってもよい。
【００１７】
第１保護フィルムの表面張力を４０ｍＮ／ｍ以下とすることにより、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【００１８】
表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である第２保護フィルムを第２電解質膜前駆体膜の第１主面に接合し、前記第２保護フィルムと接合していない前記第２電解質膜前駆体膜の第２主面を前記多孔質膜の第２主面に接合し、前記第１及び第２保護フィルムの一方を剥離した後、前記接合膜を加水分解してもよい。
【００１９】
このような構成によって、含浸と親水化との間の保管または搬送時に膜が破れる等の損傷を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態にかかる電解質構造体の断面図である。
【図２】本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法のフローチャートである。
【図３】本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における接合前の断面図である。
【図４】本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における含浸時の断面図である。
【図５】本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における剥離後の断面図である。
【図６】本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における加水分解の図である。
【図７】本実施の形態にかかる電解質構造体における電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力との関係を示すグラフである。
【図８】本実施の形態にかかる電解質構造体における電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施の形態の概要）
離形材として用いられるフッ素を主成分とした電解質膜を保護フィルムに接合することは、互いに接合しにくい電解質膜と保護フィルムを貼り合わせることになる。
【００２３】
そこで、電解質膜を加水分解することで、膜に親水性を付与する。すなわち、加水分解は、膜が有する物性を大きく変化させる処理であるので、接合力も大きく変化することが考えられる。
【００２４】
本実施の形態では、電解質構造体における電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計との関係に着目している。また、本実施の形態では、電解質構造体における電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力（すなわち保護フィルムの表面張力の分散成分、極性成分、水素結合成分の合計）との関係に着目している。
【００２５】
（本実施の形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる電解質構造体の断面図である。図１において、電解質構造体１０は、電解質膜１１と、保護フィルム１２とを備える。
【００２６】
電解質膜１１は、電解質を内部に含む膜である。例えば、電解質膜１１は、多孔質膜の孔内に電解質を含む。多孔質膜の材質としてはプロトン伝導を遮断や妨害しないもので前記特性を満足すれば特に限定されない。例えば、多孔質膜は、脂肪族系高分子、芳香族系高分子または含フッ素高分子が好ましく使用される。脂肪族系高分子としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：Polytetrafluoroethylene）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、電解質は、フッ素系のイオン交換樹脂であり、例えばパーフルオロスルホン酸系ポリマーによって構成されている。
【００２７】
保護フィルム１２は、少なくとも一つの主面に電解質膜１１を接合している。そして、保護フィルム１２の表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値が１ｍＮ／ｍ以下である。また、保護フィルム１２の表面張力（すなわち保護フィルム１２の表面張力の分散成分、極性成分、水素結合成分の合計）が４０ｍＮ／ｍ以下であることが好ましい。例えば、保護フィルム１２は、機械的強度（高弾性率）、耐熱性、耐酸性、耐薬品性など耐久性の観点からテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体フィルム、４フッ化ポリテトラフルオロエチレンフィルム、ポリフェニレンスルフィドフィルムやポリイミドフィルムが好ましくは挙げられる。
【００２８】
次に、本実施の形態の電解質構造体の製造方法について説明する。図２は、本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法のフローチャートである。
【００２９】
最初に、ステップＳ２１において、保護フィルム１２、１３と電解質膜前駆体膜１４、１５が接合され、ステップＳ２２に進む。
【００３０】
ステップＳ２２において、電解質膜前駆体膜１４、１５と多孔質膜１６が接合され、ステップＳ２３に進む。図３は、本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における接合前の断面図である。図３に示すように、保護フィルム１２と接合していない電解質膜前駆体膜１４の面が多孔質膜１６に接合される。同様に保護フィルム１３と接合していない電解質膜前駆体膜１５の面が多孔質膜１６に接合される。
【００３１】
ステップＳ２３において、電解質膜前駆体膜１４、１５を多孔質膜１６に含浸させて、ステップＳ２４に進む。図４は、本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における含浸時の断面図である。電解質膜前駆体膜１４、１５を多孔質膜１６に含浸させることにより、多孔質膜１６の孔内に電解質が含まれた接合膜１７が形成される。接合膜１７は図１の電解質膜１１に対応する。
【００３２】
ステップＳ２４において、接合膜１７から保護フィルム１３を剥離し、ステップＳ２５に進む。図５は、本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における剥離後の断面図である。
【００３３】
ステップＳ２５において、接合膜１７が加水分解される。具体的には、保護フィルム１２と接合膜１７をアルカリ処理槽に浸漬し、その後、接合膜１７を酸処理槽に浸漬する。図６は、本実施の形態にかかる電解質構造体の製造方法における加水分解の図である。
【００３４】
まず、アルカリ処理槽３１で以下のような親水化反応を実施する。なお、ＮａＯＨの代わりにＫＯＨを用いてもよい。
ＣｎＦｍ−ＳＯ２Ｆ＋ＮａＯＨ→ＣｎＦｍ−ＳＯ３Ｎａ＋ＨＦ
【００３５】
そして、酸処理槽３２で以下のような末端基の置換を実施する。
ＣｎＦｍ−ＳＯ３Ｎａ＋ＨＮＯ３→ＣｎＦｍ−ＳＯ２Ｈ＋ＮａＮＯ３
以上の製造方法により、電解質構造体を作成する。
【００３６】
次に、電解質構造体の評価について説明する。
まず、電解質膜前駆体と保護フィルムの接合膜について、以下の評価を行った。
１．保護フィルムとして異なる複数種のフィルムを準備し、保護フィルムの表面張力の成分分析を実施した。
２．ＰＴＦＥ多孔質を中心として電解質膜前駆体を上下に配置し、上記保護フィルムを１８０℃、線圧５ｋＮで連続的に電解質膜前駆体に接合しつつ、電解質膜前駆体をＰＴＦＥ多孔質に含浸した。
３．ＪＩＳ  Ｋ  ６８５４−２に規定される１８０°剥離法に従い電解質膜前駆体と保護フィルムの接合力を測定した。
【００３７】
そして、加水分解処理を行い、剥がれを観察した。
１．アルカリ処理槽は１０ｍｏｌ／ｄｍ３（１０Ｎ）のＫＯＨ水溶液、酸処理槽は１ｍｏｌ／ｄｍ３（１Ｎ）のＨＮＯ３をそれぞれ薬品として用い、上部ローラーが薬品下部に配された反応槽を準備した。
２．上記ローラーと薬品槽内に電解質膜前駆体を連続的に液中搬送した。その際、外部からアルカリ処理槽を８０℃まで加熱し、酸処理は室温とした。
３．電解質膜前駆体と保護フィルム接合体との剥がれを観察した。
【００３８】
以上の評価試験結果を以下の表１に示す。
【表１】
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【００３９】
表１について、加水分解前の電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計との関係をグラフにすると図７のようになる。図７は、本実施の形態にかかる電解質構造体における電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力との関係を示すグラフである。図７において、縦軸は、加水分解前の電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力（Ｎ／ｍ）を示し、横軸は、保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計（ｍＮ／ｍ）を示す。
【００４０】
図７に示すように、保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計が１ｍＮ／ｍ以下である場合に、加水分解前の電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力が６０Ｎ／ｍ以上となっている。
【００４１】
このように本実施の形態の電解質構造体は、保護フィルムの表面張力の極性成分及び水素結合成分の合計値を１ｍＮ／ｍ以下とすることにより、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【００４２】
また、表１について、加水分解前の電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力（すなわち分散成分、極性成分、水素結合成分の合計）との関係をグラフにすると図８のようになる。図８は、本実施の形態にかかる電解質構造体における電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力と、保護フィルムの表面張力との関係を示すグラフである。図８において、縦軸は、加水分解前の電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力（Ｎ／ｍ）を示し、横軸は、保護フィルムの表面張力の分散成分、極性成分、水素結合成分の合計（ｍＮ／ｍ）を示す。
【００４３】
図８に示すように、表面張力の分散成分、極性成分、水素結合成分の合計が４０ｍＮ／ｍ以下である場合に、加水分解前の電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力が６０Ｎ／ｍ以上となっている。
【００４４】
表１、図７、図８に示すように、電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力が６０Ｎ／ｍ以上の場合に、電解質膜前駆体と保護フィルムは、加水分解による剥がれが発生しない。すなわち、１８０°剥離法において、接合力が６０Ｎ／ｍ以上確保できれば、電解質膜前駆体と保護フィルムは、加水分解における剥がれ不良が回避できる。そして、保護フィルムの表面張力（の成分）と、電解質膜前駆体と保護フィルムとの接合力との間に関係性を確認することができた。
【００４５】
このように、本実施の形態の電解質構造体は、保護フィルムの表面張力を４０ｍＮ／ｍ以下とすることにより、浸漬過程で電解質膜と保護フィルムとが剥がれない適切な接合力を有する電解質構造体及び電解質構造体の製造方法を提供することができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本実施の形態では、電解質膜前駆体を接合した多孔質膜の両面に保護フィルムを接合しているが、一方の面に保護フィルムを接合し、他方の面から保護フィルムを剥離する剥離工程を省略して親水化処理を行ってもよい。この場合、剥離工程を省略できるので、製造工程をより少なくできる。
【００４７】
また、電解質膜前駆体を接合した多孔質膜の両面に保護フィルムを接合し、親水化処理の前に一面の保護フィルムを剥離する場合、含浸と親水化との間の保管または搬送時に膜が破れる等の損傷を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００４８】
１０  電解質構造体
１１  電解質膜
１２、１３  保護フィルム
１４、１５  電解質膜前駆体膜
１６  多孔質膜
１７  接合膜
３１  アルカリ処理槽
３２  酸処理槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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