(57)【要約】【課題】電解質膜を多孔質層に溶融含浸させる際の加熱によって、膨張率の高いバックシートにシワが発生することを抑制できる。【解決手段】第１の電解質膜と、第１のバックシートと、を有する第１の積層体と、第２の電解質膜と、前記第１のバックシートより膨張率が大きい第２のバックシートと、を有する第２の積層体と、を用いて複合電解質膜を製造する製造方法であって、多孔質層が、前記第１の積層体と前記第２の積層体とのうちいずれか一方に配され、前記製造方法は、加熱されることによって前記第２の積層体が膨張している状態にされてから、前記第１の積層体と前記第２の積層体とを合わせた状態において、前記第１の積層体と前記第２の積層体とを貼り合わせて前記第１の電解質膜および前記第２の電解質膜を前記多孔質層の細孔内に溶融含浸させる熱圧着工程を備える、複合電解質膜を製造する製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電解質膜と、前記第１の電解質膜の面の一方の面に配された第１のバックシートと、を有する第１の積層体と、
第２の電解質膜と、前記第２の電解質膜の面の一方の面に配され、前記第１のバックシートより膨張率が大きい第２のバックシートと、を有する第２の積層体と、を用いて複合電解質膜を製造する製造方法であって、
多孔質層が、前記第１の電解質膜の面のうち前記第１のバックシートの側を向いた面とは反対側の面と、前記第２の電解質膜の面のうち前記第２のバックシートの側を向いた面とは反対側の面と、のうちいずれか一方に配され、
前記製造方法は、加熱されることによって前記第２の積層体が膨張している状態にされてから、前記第１の電解質膜と前記第２の電解質膜との間に前記多孔質層が配されるよう前記第１の積層体と前記第２の積層体とを合わせた状態において、前記第１の積層体と前記第２の積層体とを貼り合わせて前記第１の電解質膜および前記第２の電解質膜を前記多孔質層の細孔内に溶融含浸させる熱圧着工程を備える、複合電解質膜を製造する製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合電解質膜を製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池に用いられる電解質膜の機械的強度を高めるために、電解質膜を溶融させて多孔質層に含浸させた複合電解質膜が知られている。複合電解質膜の製造方法には、電解質膜の搬送を補助するバックシートが一方の面に貼り合わされた電解質膜を、電解質膜の他方の面を介して、多孔質層に貼り合わせて積層体を形成させてから、電解質膜を溶融させて多孔質層に含浸させる方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１４４１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の複合電解質膜の製造方法では、上記した電解質膜を、多孔質層の両面にそれぞれ貼り合わせて積層体を形成させてから、電解質膜を溶融させて多孔質層に含浸させている。積層体の構造は、多孔質層の両面に電解質膜が配され、さらに電解質膜の外側にバックシートが配された構造である。そして、電解質膜を含浸させたのち、積層体が有する２枚のバックシートのうち一方のバックシートを剥離させてから、積層体に対して加水分解処理を行うことによって、複合電解質膜が作製される。このような複合電解質膜の製造方法において、一方のバックシートが電解質膜から剥離されるときに、一方のバックシートに電解質膜が引っ張られることによって、他方のバックシートの一部まで電解質膜から剥離される場合があった。このような課題を解決するために、本件出願人は、一方のバックシートにおける膨張率を他方のバックシートにおける膨張率より小さくすることを提案している（本出願と同日出願）。この提案では、膨張率の差を利用して、他方のバックシートの一部まで電解質膜から剥離されることを防止することができる。しかし、このような２枚のバックシートを有する積層体では、電解質膜を溶融させて多孔質層に含浸させる際の加熱によって、バックシート間における膨張量の差によって膨張率の高いバックシートの側にシワが発生する場合があった。このため、膨張率が異なる２枚のバックシートを有する積層体を用いて複合電解質膜を製造する製造方法において、電解質膜を溶融含浸させる際の加熱によって、膨張率の高いバックシートの側にシワが発生することを抑制できる技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、複合電解質膜を製造する製造方法が提供される。この複合電解質膜を製造する製造方法は、第１の電解質膜と、前記第１の電解質膜の面の一方の面に配された第１のバックシートと、を有する第１の積層体と、第２の電解質膜と、前記第２の電解質膜の面の一方の面に配され、前記第１のバックシートより膨張率が大きい第２のバックシートと、を有する第２の積層体と、を用いて複合電解質膜を製造する製造方法であって、多孔質層が、前記第１の電解質膜の面のうち前記第１のバックシートの側を向いた面とは反対側の面と、前記第２の電解質膜の面のうち前記第２のバックシートの側を向いた面とは反対側の面と、のうちいずれか一方に配され、前記製造方法は、加熱されることによって前記第２の積層体が膨張している状態にされてから、前記第１の電解質膜と前記第２の電解質膜との間に前記多孔質層が配されるよう前記第１の積層体と前記第２の積層体とを合わせた状態において、前記第１の積層体と前記第２の積層体とを貼り合わせて前記第１の電解質膜および前記第２の電解質膜を前記多孔質層の細孔内に溶融含浸させる熱圧着工程を備える。このような形態とすれば、第２の積層体が膨張している状態において、第１の積層体と第２の積層体とが貼り合わされる。よって、第１のバックシートと第２のバックシートとの間における膨張量の差が低減された状態で第１の積層体と第２の積層体とが貼り合わされているため、電解質膜を多孔質層に溶融含浸させる際の加熱によって、膨張率の高い第２のバックシートの側にシワが発生することを抑制できる。
【０００７】
本発明の形態は、複合電解質膜の製造方法に限るものではなく、例えば、複合電解質膜の製造方法を備える燃料電池の製造方法、複合電解質膜の製造装置、複合電解質膜の製造装置を備える燃料電池の製造装置等の種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】複合電解質膜の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】熱圧着工程を示した説明図である。
【図３】参考例における複合電解質膜の製造方法の工程を示した説明図である。
【図４】参考例における複合電解質膜の製造方法を用いて形成された積層体の一例を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、複合電解質膜の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態で製造される複合電解質膜は、燃料電池の電解質膜に用いられる。まず、第１の積層体１０Ｐ１および第２の積層体１０Ｐ２（符合１０Ｐ１および１０Ｐ２は図２に図示）を準備する（ステップＳ１１０）。
【００１０】
図２は、熱圧着工程を示した説明図である。図２における熱圧着工程とは、ステップＳ１２０の熱圧着工程のことである。図２を用いて、まず、第１の積層体１０Ｐ１および第２の積層体１０Ｐ２について説明する。
【００１１】
第１の積層体１０Ｐ１は、第１の電解質膜１１２と、第１のバックシート１１４とを備える。第１の電解質膜１１２は、末端基がＦ型（ＳＯ２Ｆ）のフッ素性電解質樹脂を用いて形成された層である。第１のバックシート１１４は、第１の電解質膜１１２の一方の面に配され、ＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）樹脂を用いて形成されたシートである。第１のバックシート１１４の厚さは、１００μｍである。他の実施形態では、第１のバックシート１１４の材質は、耐薬品性および耐熱性を有するシートであればよい。第１のバックシート１１４の厚さは、２０μｍから２００μｍの範囲内で設定されてもよい。
【００１２】
第２の積層体１０Ｐ２は、多孔質層１００ｐと、第２の電解質膜１２２と、第２のバックシート１２４とを備える。多孔質層１００ｐは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）の延伸多孔質膜である。第２の電解質膜１２２は、多孔質層１００ｐの一方の面に配され、末端基がＦ型（ＳＯ２Ｆ）のフッ素性電解質樹脂を用いて形成された層である。第２のバックシート１２４は、第２の電解質膜１２２の面のうち多孔質層１００ｐを向いた面とは反対の面に配され、フッ素系フィルムを用いて形成されたシートである。第２のバックシート１２４の厚さは、５０μｍである。他の実施形態では、第２のバックシート１２４の厚さは、２０μｍから１００μｍの範囲内で設定されてもよい。
【００１３】
第２のバックシート１２４における膨張率は、第１のバックシート１１４における膨張率より大きい。ここでいう「膨張率」とは、第１のバックシート１１４および第２のバックシート１２４が加熱された状態と第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２を含浸した多孔質層１００ｍの含水量が増えた状態とのうち少なくともいずれか一方の状態になったとき、第１のバックシート１１４および第２のバックシート１２４が線膨張する割合を示したものである。ここでいう「膨張率が大きい」とは、比較する対象同士を、同じ温度条件および同じ含水量条件においた状態から、少なくとも一方の条件を変化させたときの対象における寸法の変化する割合を比較した際、その割合について、一方の対象より他方の対象の方が大きいことをいう。
【００１４】
第１のバックシート１１４の熱膨張率は、５．０×１０−５／Ｋである。第２のバックシート１２４の熱膨張率は、２．５×１０−４／Ｋである。他の実施形態では、第１のバックシート１１４の熱膨張率は、５．０×１０−５／Ｋより小さく、第２のバックシート１２４の熱膨張率は、５．０×１０−５／Ｋから１．０×１０−３／Ｋの範囲内で設定されてもよい。また、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２を含浸した多孔質層１００ｍの面内方向の膨張率は８％である。多孔質層１００ｍの面内方向の膨張率は、１％から１６％の範囲内で設定されてもよい。
【００１５】
図２に示すように、準備された第１の積層体１０Ｐ１と準備された第２の積層体１０Ｐ２とを用いて、熱圧着工程が行われる（図１のステップＳ１２０）。熱圧着工程とは、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とを貼り合わせる第１の工程と、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２を多孔質層１００ｐの細孔内に溶融含浸させる第２の工程と、を含む。第１の工程とは、第２の積層体１０Ｐ２が加熱ローラ２２０ａに加熱されることによって膨張している状態にされてから、第１の電解質膜１１２のうち第１のバックシート１１４が配された側の面とは反対の面と、多孔質層１００ｐのうち第２の電解質膜１２２が配された側の面とは反対の面と、を合わせた状態において、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とを貼り合わせる工程のことである。第２の工程とは、第１の工程の後、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２を多孔質層１００ｐの細孔内に溶融含浸させる工程のことである。加熱ローラ２２０ａ（加熱ローラ２２０ｂ）の温度は、摂氏２４０度である。他の実施形態では、加熱ローラ２２０ａ（加熱ローラ２２０ｂ）の温度は、摂氏１８０度から摂氏３００度の範囲であってもよい。
【００１６】
熱圧着工程において、第２の積層体１０Ｐ２は、加熱ローラ２２０ａに巻き取られて第１の積層体１０Ｐ１と貼り合わされる前に、加熱ローラ２２０ａによって加熱される。第１の積層体１０Ｐ１と貼り合わされる前に、第２の積層体１０Ｐ２が加熱ローラ２２０ａに加熱される時間は、１０秒である。他の実施形態では、第１の積層体１０Ｐ１と貼り合わされる前に、第２の積層体１０Ｐ２が加熱ローラ２２０ａに加熱される時間は、１０秒より長くてもよい。
【００１７】
第２の積層体１０Ｐ２が加熱ローラ２２０ａに加熱されることによって、第２のバックシート１２４は膨張する。また、加熱による多孔質層１００ｐおよび第２の電解質膜１２２の膨張率は、第２のバックシート１２４と同程度（あるいはそれ以上）であるため、第２のバックシート１２４と同様に膨張する。すなわち、第２の積層体１０Ｐ２が加熱ローラ２２０ａに加熱されることによって、第２の積層体１０Ｐ２は、膨張している状態にされる。
【００１８】
膨張している状態にされた第２の積層体１０Ｐ２と、第１の積層体１０Ｐ１と、が加熱ローラ２２０ａおよび加熱ローラ２２０ｂに挟まれることによって貼り合わされる。そして、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２が加熱ローラ２２０ａおよび加熱ローラ２２０ｂに加熱されることによって多孔質層１００ｐの細孔内に溶融含浸させられることにより、多孔質層１００ｍが形成される。第１の積層体１０Ｐ１および第２の積層体１０Ｐ２は、熱圧着工程を経て、積層体１０Ｐ３になる。積層体１０Ｐ３は、電解質膜樹脂が溶融含浸された多孔質層１００ｍと、第１のバックシート１１４と、第２のバックシート１２４とを備えた積層体である。その後、加水分解処理を経て（図１のステップＳ１３０）、多孔質層１００ｍは、完成品である複合電解質膜となる。
【００１９】
以上説明した実施形態によれば、第２の積層体１０Ｐ２は、第１の積層体１０Ｐ１と貼り合わされる前に、加熱ローラ２２０ａによって加熱される。すなわち、第２の積層体１０Ｐ２が膨張している状態において、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とが貼り合わされる。よって、第１のバックシート１１４と第２のバックシート１２４との間における膨張量の差が低減された状態であるため、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２を多孔質層１００ｐに溶融含浸させる際の加熱によって、膨張率の高い第２のバックシートの側にシワが発生することを抑制できる。尚、溶融含浸後の積層体である積層体１０Ｐ３において、第２のバックシート１２４が加熱されている状態が冷めたとしても、第２のバックシート１２４と多孔質層１００ｍとの間における結合力は、第２のバックシート１２４が収縮する力より強いため、第２のバックシート１２４は、収縮することなく膨張した状態のまま多孔質層１００ｍと貼り合わされた状態が維持される。
【００２０】
以上説明した実施形態にて形成される積層体１０Ｐ３では、第１のバックシート１１４における膨張率より第２のバックシート１２４における膨張率が大きい。よって、例えば、加水分解処理の過程（アルカリ溶液への積層体１０Ｐ３の浸漬等）において積層体１０Ｐ３を膨張させたとき、第２のバックシート１２４より膨張率が小さい第１のバックシート１１４が積層体１０Ｐ３全体の膨張方向に引っ張られることにより、その内部に応力が働くことによって、多孔質層１００ｍから第１のバックシート１１４が剥離される。よって、第１のバックシート１１４が多孔質層１００ｍから剥離されるときに、多孔質層１００ｍが第１のバックシート１１４に引っ張られることによって、第２のバックシート１２４の一部まで多孔質層１００ｍから剥離されることを防止できる。
【００２１】
Ｂ．参考例：
図３は、参考例における複合電解質膜の製造方法の工程を示した説明図である。参考例における複合電解質膜の製造方法では、積層体１０Ｐ３ｍを準備する。積層体１０Ｐ３ｍは、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とが貼り合わされた積層体である。第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とが貼り合わされる際に用いられた面は、第１の電解質膜１１２のうち第１のバックシート１１４が配された側の面とは反対の面と、多孔質層１００ｐのうち第２の電解質膜１２２が配された側の面とは反対の面と、である。第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とが貼り合わされる際には、第１の積層体１０Ｐ１および第２の積層体１０Ｐ２は、加熱されない。
【００２２】
参考例における複合電解質膜の製造方法では、積層体１０Ｐ３ｍが加熱ローラ２２０ａおよび加熱ローラ２２０ｂに挟まれることによって、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２が多孔質層１００ｐの細孔内に溶融含浸させられる。その結果、多孔質層１００ｍが形成される。積層体１０Ｐ３ｍは、加熱ローラ２２０ａおよび加熱ローラ２２０ｂに加熱される工程を経て、積層体１０Ｐ３になる。
【００２３】
図４は、参考例における複合電解質膜の製造方法を用いて形成された積層体１０Ｐ３の一例を示した説明図である。参考例における複合電解質膜の製造方法では、積層体１０Ｐ３ｍが用いられる。しかし、積層体１０Ｐ３ｍが加熱ローラ２２０ａおよび加熱ローラ２２０ｂに挟まれることによって、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２が多孔質層１００ｐに溶融含浸させられる際、第１のバックシート１１４と第２のバックシート１２４との間における膨張量の差によって、第１のバックシート１１４より膨張率の高い第２のバックシート１２４の側にシワが発生する場合がある。図４における積層体１０Ｐ３は、第２のバックシート１２４の側にシワが発生した状態にある積層体１０Ｐ３の状態を示している。
【００２４】
積層体１０Ｐ３ｍを用いる参考例に対して、第１実施形態では、第１の積層体１０Ｐ１および第２の積層体１０Ｐ２を用いるとともに、第２の積層体１０Ｐ２が膨張している状態において、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とが貼り合わされる。よって、第１のバックシート１１４と第２のバックシート１２４との間における膨張量の差が低減された状態で、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とが貼り合わされる。このため、第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２が多孔質層１００ｐに溶融含浸される際の加熱によって、膨張率の高い第２のバックシート１２４の側にシワが発生することを抑制できる。
【００２５】
Ｃ．変形例：
第１実施形態では、第１の積層体１０Ｐ１と第２の積層体１０Ｐ２とを貼り合わせていたが、本発明はこれに限られない。例えば、第１の電解質膜１１２と、第１のバックシート１１４と、多孔質層１００ｐとを備える積層体に対して、第２の電解質膜１２２と、第２のバックシート１２４とを備える積層体であって加熱されて膨張している状態にあるものを、第１の電解質膜１１２と第２の電解質膜１２２との間に多孔質層１００ｐが配されるよう貼り合わせて第１の電解質膜１１２および第２の電解質膜１２２を多孔質層１００ｐの細孔内に溶融含浸させてもよい。
【００２６】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０Ｐ１…第１の積層体
１０Ｐ２…第２の積層体
１０Ｐ３…積層体
１０Ｐ３ｍ…積層体
１００ｍ…多孔質層
１００ｐ…多孔質層
１１２…第１の電解質膜
１１４…第１のバックシート
１２２…第２の電解質膜
１２４…第２のバックシート
２２０ａ…加熱ローラ
２２０ｂ…加熱ローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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