(57)【要約】【課題】補強膜型電解質膜の表面を電解質が十分に含浸した状態にする。【解決手段】補強膜型電解質膜の製造方法であって、（ａ）電解質膜の少なくとも一方の面に補強膜を配置しさらに両面にバックシートを配置する工程と、（ｂ）前記バックシートを加熱しながら押圧して前記補強膜に前記電解質膜を含浸させることによって補強膜型電解質膜を形成する工程と、（ｃ）前記バックシートを剥離する工程と、（ｄ）前記補強膜型電解質膜の前記補強膜が配置された面を削取又は研磨する工程と、を備える。【選択図】図２
2015095380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強膜型電解質膜の製造方法であって、
（ａ）電解質膜の少なくとも一方の面に補強膜を配置しさらに両面にバックシートを配置する工程と、
（ｂ）前記バックシートを加熱しながら押圧して前記補強膜に前記電解質膜を含浸させることによって補強膜型電解質膜を形成する工程と、
（ｃ）前記バックシートを剥離する工程と、
（ｄ）前記補強膜型電解質膜の前記補強膜が配置された面を削取又は研磨する工程と、
を備える補強膜型電解質膜の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の補強膜型電解質膜の製造方法において、さらに、
前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）との間に、（ｅ）前記補強膜型電解質膜を凍結する工程を備える補強膜型電解質膜の製造方法。
【請求項３】
補強膜型電解質膜の製造装置であって、
電解質膜繰り出す電解質膜繰出ロールと、
補強膜を繰り出す補強膜繰出ロールと、
バックシートを繰り出すバックシート繰出ロールと、
前記電解質膜と、前記補強膜と、前記バックシートとを重ねて加熱しながら押圧して補強膜型電解質膜を形成する加熱ロールと、
前記補強膜型電解質膜の表面を、削取する刃具または研磨する研磨機と、
を備える補強膜型電解質膜の製造装置。
【請求項４】
請求項１に記載の補強膜型電解質膜の製造装置において、さらに、
前記加熱ロールと、前記刃具または研磨機と、の間に、前記補強膜型電解質膜を凍結させる冷却装置を備える補強膜型電解質膜の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補強膜が埋設された電解質膜（補強膜型電解質膜）の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電解質樹脂膜の中に延伸多孔質膜が補強膜として埋設された補強膜型電解質膜およびその製造方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４６２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電解質樹脂膜の中に延伸多孔質膜を埋設する際に、それぞれの膜のばらつきや埋設工程における熱の伝わり方によっては、補強膜表面上の電解質樹脂の含浸割合がばらつく虞があった。このようなバラツキは、その後の触媒層を接着する工程を行う場合に接着ムラを生じさせる原因となる虞があった。
【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、補強膜型電解質膜の製造方法が提供される。この補強膜型電解質膜の製造方法は、（ａ）電解質膜の少なくとも一方の面に補強膜を配置しさらに両面にバックシートを配置する工程と、（ｂ）前記バックシートを加熱しながら押圧して前記補強膜に前記電解質膜を含浸させることによって補強膜型電解質膜を形成する工程と、（ｃ）前記バックシートを剥離する工程と、（ｄ）前記補強膜型電解質膜の前記補強膜が配置された面を削取又は研磨して前記補強膜型電解質膜の前記電解質の含浸率を均一化する工程と、を備える。この形態の補強膜型電解質膜の製造方法によれば、補強膜型電解質膜の補強膜が配置された面を削取又は研磨するので、補強膜の表面に電解質が十分に含浸していなくても、十分に含浸していない部分を削取又は研磨して前記補強膜型電解質膜の前記電解質の含浸率を均一化することができる。
【０００７】
（２）上記形態の補強膜型電解質膜の製造方法において、さらに、前記工程（ｃ）と前記工程（ｄ）との間に、（ｅ）前記補強膜型電解質膜を凍結する工程を備えてもよい。この形態の補強膜型電解質膜の製造方法によれば、補強膜型電解質膜を凍結させるので、削取又は研磨が容易となる。
【０００８】
（３）本発明の一形態によれば、補強膜型電解質膜の製造装置が提供される。この補強膜型電解質膜の製造装置は、電解質膜繰り出す電解質膜繰出ロールと、補強膜を繰り出す補強膜繰出ロールと、バックシートを繰り出すバックシート繰出ロールと、前記電解質膜と、前記補強膜と、前記バックシートとを重ねて加熱しながら押圧して補強膜型電解質膜を形成する加熱ロールと、前記補強膜型電解質膜の表面を、削取する刃具または研磨する研磨機と、を備える。この形態の補強膜型電解質膜の製造装置によれば、電解質の含浸率を均一化した補強膜型電解質膜を容易に製造できる。
【０００９】
（４）上記形態の補強膜型電解質膜の製造装置において、さらに、前記加熱ロールと、前記刃具または研磨機と、の間に、前記補強膜型電解質膜を凍結させる冷却装置を備えてもよい。この形態の補強膜型電解質膜の製造装置によれば、補強膜型電解質膜を凍結させるので、削取又は研磨が容易となる。
【００１０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、補強膜型電解質膜の製造方法、製造装置の他、燃料電池用膜電極接合体の製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】補強膜型電解質膜の製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】補強膜型電解質膜の製造フローチャートである。
【図３】電解質膜の表面の状態を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、補強膜型電解質膜の製造装置の概略構成を示す説明図である。補強膜型電解質膜の製造装置１０（以下「製造装置１０」と略す。）は、５つの繰出ロール２００、２１０、２１５、２２０、２２５と、第１のフリーロール２３０と、加熱ロール２３５、２４０と、第２のフリーロール２４５と、剥離ロール２５０、２５５と、５つの巻取ロール２６０、２６５、２７０、２７５、２８０と、刃具３００、３０５と、冷却装置３１０、３１５と、を備える。５つの繰出ロール２００、２１０、２１５、２２０、２２５と、加熱ロール２３５、２４０と、５つの巻取ロール２６０、２６５、２７０、２７５、２８０とは、駆動装置が付いている駆動ロールであり、第１のフリーロール２３０と、第２のフリーロール２４５と、剥離ロール２５０、２５５とは、駆動装置が付いていない非駆動ロールである。
【００１３】
繰出ロール２００には、電解質膜１００が巻かれており、繰出ロール２００は、電解質膜１００を繰り出す。繰出ロール２００は、電解質繰出ロール２００とも呼ぶ。電解質膜１００としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマのようなフッ素系電解質樹脂（イオン交換樹脂）が用いられる。電解質樹脂単独の電解質膜では十分な強度が得られないことから、一般に多孔質の補強膜が用いられる。
【００１４】
繰出ロール２１０には、補強膜１１０が巻かれており、繰出ロール２１０は、補強膜１１０を繰り出す。繰出ロール２１５にも同様に補強膜１１５が巻かれており、繰出ロール２１５は、補強膜１１５を繰り出す。繰出ロール２１０、２１５は、それぞれ補強膜繰出ロール２１０、２１５とも呼ぶ。補強膜１１０、１１５としては、例えば、ポリテトラフルオルエチレン（ＰＴＦＥ）やポリオレフィン樹脂等を延伸して、気孔率が４０〜９０％とされた膜が用いられる。ＰＴＥＦやポリオレフィン樹脂の代わりに、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド等の他の多孔質の高分子樹脂を延伸して作成された膜を用いても良い。
【００１５】
繰出ロール２２０には、バックシート１２０が巻かれており、繰出ロール２２０は、バックシート１２０を繰り出す。繰出ロール２２５にも同様に、バックシート１２５が巻かれており、繰出ロール２２５は、バックシート１２５を繰り出す。繰出ロール２２０、２２５は、それぞれバックシート繰出ロール２２０、２２５とも呼ぶ。バックシート１２０、１２５としては、例えば、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）を用いることができる。ＰＦＡの代わりに、自己粘着性のＯＰＰ（＝Oriented Polypropylene）フィルムや、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）を用いても良い。
【００１６】
加熱ロール２３５、２４０は、重ねられた電解質膜１００、補強膜１１０、１１５、バックシート１２０、１２５に対して加熱しながら押圧し、バックシート１２０、１２５に挟まれた補強膜型電解質膜１３０を形成する。
【００１７】
剥離ロール２５０、２５５は、バックシート１２０、１２５に挟まれた補強膜型電解質膜１３０からバックシート１２０、１２５を剥離し、補強膜型電解質膜１４０を形成する。剥離されたバックシート１２０、１２５は、それぞれ、巻取ロール２６０、２６５に巻き取られる。
【００１８】
冷却装置３１０、３１５は、凍結用ガスを吹き出して、補強膜型電解質膜１４０を凍結させる。なお、補強膜型電解質膜１４０中の水が凍結するときに、氷分子が電解質膜１００を壊さないように、瞬間的に補強膜型電解質膜１４０を凍結させることが好ましい。そのため、凍結用ガスとしては、例えば、液体窒素から作られる低温の窒素ガスが好ましい。
【００１９】
刃具３００、３０５は、補強膜型電解質膜１４０の表面を削取する。削取された削取物１６０、１６５は、それぞれ巻取ロール２７０、２７５によって巻き取られる。表面が削取された補強膜型電解質膜１５０は、巻取ロール２８０によって巻き取られる。
【００２０】
図２は、補強膜型電解質膜の製造フローチャートである。ステップＳ１００では、電解質膜１００が巻かれた電解質繰出ロール２００と、補強膜１１０が巻かれた補強膜繰出ロール２１０と、補強膜１１５が巻かれた補強膜繰出ロール２１５と、バックシート１２０が巻かれたバックシート繰出ロール２２０と、バックシート１２５が巻かれたバックシート繰出ロール２２５と、が製造装置１０に取り付けられる。本実施形態では、処理の対象となる材料、及び、処理後の生産物をワークと呼び、ワークと呼ぶ場合には、ワークには、例えば、電解質膜１００、補強膜１１０、１１５、バックシート１２０、１２５、補強膜型電解質膜１３０、１４０、１５０が含まれる。
【００２１】
図３は、電解質膜及び補強膜型電解質膜の表面の状態を模式的に示す説明図である。図３（Ａ）は、貼り合わせる前の電解質膜１００と補強膜の表面１００ａを示している。電解質膜１００の補強膜１１０が貼り合わされる表面１００ａには、凹凸がある。また、補強膜１１０の２つの表面１１０ａ、１１０ｂにも、凹凸がある。
【００２２】
図２のステップＳ１１０では、フリーロール２３０上で、補強膜１１０と、電解質膜１００と、補強膜１１５とを重ねて貼り合わせ、バックシート１２０と、バックシート１２５で挟み込んで、補強膜型電解質膜１３０を形成する。補強膜型電解質膜１３０は、加熱ロール２３５により予熱された後、加熱ロール２３５、２４０によって加熱プレスされ、一体化される。加熱プレスでは、加熱された電解質膜１００が軟化して補強膜１１０、１１５の空隙に浸入する。加熱プレスの加熱温度としては、１００℃〜１５０℃程度が好ましい。本実施形態では、電解質膜１００の両面にそれぞれ補強膜１１０、１１５を配置したが、電解質膜１００のいずれか一方にのみ補強膜１１０を配置してもよい。
【００２３】
ステップＳ１２０では、第２のフリーロール２４５を用いて補強膜型電解質膜１３０を加熱ロール２４０から剥離し、放冷する。補強膜型電解質膜１３０は、剥離ロール２５０、２５５によって、バックシート１２０、１２５が剥離され、補強膜型電解質膜１４０が形成される。剥離されたバックシート１２０、１２５は、それぞれ巻取ロール２６０、２６５に巻き取られる。
【００２４】
図３（Ｂ）は、バックシートが剥がされた後の補強膜型電解質膜１４０を示している。補強膜型電解質膜１４０の表面には、補強膜１１０に電解質膜１００が浸透して表面に露出した含浸良好部１４０ａと、補強膜１１０に電解質膜１００が浸透せず表面に露出していない含浸不良部１４０ｂとの２種がある。含浸不良部１４０ｂは、その後の塗工工程（図示せず）において触媒層を塗工しても、触媒層が電解質膜１００に接合せず、発電能力の低下の原因となり得る。したがって、含浸不良部１４０ｂの面積を少なくすることが好ましい。
【００２５】
図２のステップＳ１３０では、冷却装置３１０、３１５から補強膜型電解質膜１４０に液体窒素から作られた低温の窒素ガスが吹き付けられ、補強膜型電解質膜１４０を凍結させる。ステップＳ１４０では、刃具３００、３０５を用いて補強膜型電解質膜１４０の表面を削取し、補強膜型電解質膜１５０を作成する。削取された削取物は、巻取ロール２７０、２９０に巻き取られる。
【００２６】
図３（Ｃ）は、補強膜型電解質膜１４０の表面を削取した後の補強膜型電解質膜１５０と、削取物１６０を示している。補強膜型電解質膜１５０の表面１５０ａは、刃具３００（図１）により削取されてほぼ平らになっている。
【００２７】
図２のステップＳ１５０では、補強膜型電解質膜１５０を常温にて解凍する。ステップＳ１６０では、巻取ロール２７０にて補強膜型電解質膜１５０を巻き取る。
【００２８】
ステップＳ１７０では、補強膜型電解質膜１５０の膜厚及び表面の硫黄濃度を測定する。テクロック社製膜厚計を用い、図３（Ｂ）の補強膜型電解質膜１４０の膜厚ｔ１４０と、図３（Ｃ）補強膜型電解質膜１５０の膜厚ｔ１５０を測定した。測定点としては、１０ｃｍ×１０ｃｍの補強膜型電解質膜１４０、補強膜型電解質膜１５０の中から１００点を無作為に選んだ。結果は、削取前の補強膜型電解質膜１４０の膜厚ｔ１４０が１０±２μｍであり、削取後の補強膜型電解質膜１５０の膜厚ｔ１５０が７±０μｍであった。削取すると、膜厚は薄くなるが、凹凸が削取された分、膜厚のバラツキは無くなった。
【００２９】
補強膜１１０の材料は、ＰＴＦＥであり、硫黄は含まれていない。したがって、硫黄は、電解質膜１００を構成するパーフルオロカーボンスルホン酸のスルホン酸基に依存する。表面の硫黄濃度が高ければ、それだけ、補強膜１１０に電解質膜１００が十分に含浸して外部に露出していることになる。一方、表面の硫黄濃度が低ければ、補強膜１１０に電解質膜１００が含浸せず表面に露出していない含浸不良部１４０ｂの面積が大きいと言える。そして、含浸不良部１４０ｂの面積が大きいと、表面の硫黄濃度のバラツキも大きくなると考えられる。換言すれば、補強膜１１０への電解質膜１００の含浸率は、表面硫黄濃度によって表されると考えられる。
【００３０】
表面の硫黄濃度は、アルバックファイ社製のＱｕａｎｔｕｍ−２０００を用い、ＡｌＫａ（２０Ｗ、１５ｋＶ）のモノクロＸ線源を用いて、ＸＰＳ帯電中和機構を利用して測定した。測定点としては、１０ｃｍ×１０ｃｍの補強膜型電解質膜１４０、補強膜型電解質膜１５０の中から０．７×０．４ｍｍ2の測定点を２０点無作為に選んだ。結果は、削取前の補強膜型電解質膜１４０の表面硫黄濃度が、０．５±０．３％であり、削取後の補強膜型電解質膜１５０の表面硫黄濃度が、０．８±０．１％であった。削取すると、表面硫黄濃度が大きくなるとともに、バラツキも少なくなった。含浸不良部１４０ｂの面積が少なくなったと言える。
【００３１】
以上、本実施形態によれば、補強膜型電解質膜１４０の表面を刃具３００、３０５により削取するので、膜厚のバラツキが少なくなり、含浸不良部１４０ｂも少なくなった。その結果、補強膜型電解質膜１５０の表面における電解質１００の含浸率を均一化することが出来、その後の塗工工程（図示せず）において触媒層を塗工する場合、触媒層を電解質膜１００に十分接合させることが出来るため、発電能力の低下を起こり難くできる。
【００３２】
冷却装置３１０、３１５は、補強膜型電解質膜１４０を凍結して、表面を刃具３００、３０５により削取し易くするために用いられる。したがって、凍結しなくても削取出来る場合には、冷却装置３１０、３１５はなくてもよい。この場合、図２のステップＳ１３０、Ｓ１５０は不要である。
【００３３】
なお、ステップＳ１７０の膜厚測定、表面硫黄濃度の測定は、補強膜型電解質膜１５０の評価を行うための工程である。したがって、補強膜型電解質膜１５０の製造において、ステップＳ１７０は、抜き取りで行われても良く、あるいは、行われなくても良い。
【００３４】
本実施形態では、刃具３００、３０５により補強膜型電解質膜１４０の表面を削取したが、刃具３００、３０５による削取の変わりに、研磨装置による研磨を行っても良い。
【００３５】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３６】
１０…製造装置
１００…電解質膜
１００ａ…表面
１１０、１１５…補強膜
１１０ａ…表面
１２０、１２５…バックシート
１３０…補強膜型電解質膜
１４０…補強膜型電解質膜
１４０ａ…含浸良好部
１４０ｂ…含浸不良部
１５０…補強膜型電解質膜
１５０ａ…表面
１６０…削取物
２００…電解質繰出ロール
２１０、２１５…補強膜繰出ロール
２２０、２２５…バックシート繰出ロール
２３０…第１のフリーロール
２３５…加熱ロール
２４０…加熱ロール
２４５…第２のフリーロール
２５０、２５５…剥離ロール
２６０、２７０、２８０…巻取ロール
３００、３０５…刃具
３１０、３１５…冷却装置
【図１】
2015095380.tif 000003
【図２】
2015095380.tif 000004
【図３】
2015095380.tif 000005