(57)【要約】【課題】補強型電解質膜の製造コストを低減させること。【解決手段】固体高分子形燃料電池に用いられる補強型電解質膜の製造方法において、シート上に電解質ポリマーを貼り合せ、電解質ポリマー上に帯状の電解質ポリマーより比重の大きい多孔質の補強膜を貼り合せて中間体を作成する工程と、中間体を回転中心から順に補強膜、電解質ポリマー、シートとなるように配置して、中間体を加熱しながら回転させる工程と、を備え、回転させる工程において、補強膜の膜厚方向における中心位置を電解質ポリマーの膜厚方向における中心位置まで移動させる、ことを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子形燃料電池に用いられる補強型電解質膜の製造方法において、
シート上に帯状の電解質ポリマーを貼り合せ、前記電解質ポリマー上に前記電解質ポリマーより比重の大きい多孔質の補強膜を貼り合せて中間体を作成する工程と、
前記中間体を回転中心から順に前記補強膜、前記電解質ポリマー、前記シートとなるように配置して、前記中間体を加熱しながら回転させる工程と、を備え、
前記回転させる工程において、前記補強膜の膜厚方向における中心位置を前記電解質ポリマーの膜厚方向における中心位置まで移動させる、ことを特徴とする補強型電解質膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補強型電解質膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質が固体高分子膜である固体高分子形燃料電池において、電解質として内部に多孔質の補強部材を有する補強型電解質膜を用いることが知られている（特許文献１）。特許文献１には、バックシートと呼ばれるシートで支持された帯状の電解質ポリマーを補強膜の両面に接合して、補強膜に溶融含浸させることで補強型電解質膜を製造する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２００８−２７７２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された補強型電解質膜の製造方法では補強膜に対して両側から帯状の電解質ポリマーを含浸させるため、電解質ポリマーを補強層に溶融含浸させる際に電解質ポリマーを両面からバックシートで保護する必要がある。そのため、バックシートの使用量が多いという問題があった。
【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）本発明の補強型電解質膜の製造方法は、シート上に帯状の電解質ポリマーを貼り合せ、前記電解質ポリマー上に前記電解質ポリマーより比重の大きい多孔質の補強膜を貼り合せて中間体を作成する工程と；前記中間体を回転中心から順に前記補強膜、前記電解質ポリマー、前記シートとなるように配置して、前記中間体を加熱しながら回転させる工程と、を備え；前記回転させる工程において、前記補強膜の膜厚方向における中心位置を前記電解質ポリマーの膜厚方向における中心位置まで移動させる、ことを特徴とする。このような補強型電解質膜の製造方法であれば、電解質ポリマーを補強層に溶融含浸させる際に電解質ポリマーを片面からのみシートで支持すればよいので、製造に必要なシートを低減できる。そのため、シートの使用量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の補強型電解質膜を製造する際に得られる中間体の断面図である。
【図２】本発明における中間体を作成する中間体製造装置の断面を概略的に示す図である。
【図３】本発明において補強膜に電解質ポリマーを含浸させる遠心機の断面を概略的に示す図である。
【図４】本発明の補強型電解質膜の断面図である。
【図５】本発明の補強型電解質膜の製造方法の流れを示す説明図である。
【図６】本発明における遠心機の回転時間と補強膜の位置との関係を示すグラフである。
【図７】本発明における遠心機の回転速度と補強膜の位置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】
【０００８】
本発明の補強型電解質膜は、まず補強型電解質膜を製造する際に得られる中間体を作成し、この中間体を加熱しながら回転させることで得られる。図１は、本発明の補強型電解質膜を製造する際に得られる中間体の断面図である。図１で示すように、中間体１００は、バックシート３０と、バックシート３０上に貼り合わされた電解質ポリマー１０と、電解質ポリマー１０上に貼り合わされた補強膜２０と、を有する。
【０００９】
電解質ポリマー１０は、帯状に成形され、加水分解処理によってプロトン伝導性が付与される前のフッ素系のイオン交換樹脂であり、例えば、ＤＵＰＯＮＴ社のナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸ポリマーによって構成されている。本実施形態において、電解質ポリマー１０の比重は、１．８ｇ／ｃｍ３であり、電解質ポリマー１０の厚さは、約４０μｍである。
【００１０】
補強膜２０は、溶解した電解質ポリマー１０を内部に含浸させることができる多孔質の帯状の部材であり、例えば、延伸したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によって構成されている。本実施形態において、補強膜２０の比重は、電解質ポリマー１０の比重より大きい２．１ｇ／ｃｍ３であり、補強膜２０の厚さは、約１０μｍである。
【００１１】
バックシート３０は、搬送による電解質ポリマー１０の損傷・劣化を抑制でき、かつ、後述の加熱工程に耐えることができる帯状のシートであり、例えば、フッ素樹脂の一種であるパーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）によって構成されている。本実施形態において、バックシート３０の厚さは、約５０μｍである。
【００１２】
図２は、中間体を作成する中間体製造装置２００の断面を概略的に示す図である。中間体製造装置２００は、ダイコーター２０１と、搬送ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、巻出しロールＲ１１，Ｒ１２と、巻取りロールＲ１３と、を備える。中間体製造装置２００において、電解質ポリマー１０の搬送方向の上流から順に、ダイコーター２０１、搬送ローラＲ１、搬送ローラＲ３、巻取りロールＲ１３が配置されている。
【００１３】
ダイコーター２０１は、断面形状が台形の柱状部材であり、内部に加熱溶融したペレット状の電解質ポリマーが流通する流路と、先端部分であるリップを有し、ペレット状の電解質ポリマーの温度が調整可能な図示しないフィーダーを備える。フィーダーは、フィーダー内で加熱溶融したペレット状の電解質ポリマーをダイコーター２０１に供給する。ダイコーター２０１は、内部の流路を介して先端のリップからフィーダーで加熱溶融した電解質ポリマーを搬送ローラＲ１に吐出して、帯状の電解質ポリマー１０を作成する。
【００１４】
搬送ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、回転可能な円柱状のローラであり、それぞれのローラの軸方向が平行となるように配置されている。全ての搬送ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の直径はほぼ同じである。搬送ローラＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、それぞれ図示しない駆動装置（例えばモータ）を有し、電解質ポリマー１０、バックシート３０、補強膜２０を搬送する。搬送ローラＲ２は、搬送ローラＲ１の下方に位置する。搬送ローラＲ１と搬送ローラＲ２は、電解質ポリマー１０と後述する巻出しロールＲ１１からのバックシート３０とを挟んでおり、互いに面接触させて貼り合せている。搬送ローラＲ４は、搬送ローラＲ３の下方に位置する。搬送ローラＲ３と搬送ローラＲ４は、電解質ポリマー１０とバックシート３０と後述する巻出しロールＲ１２からの補強膜２０とを挟んでおり、電解質ポリマー１０と補強膜２０とを互いに面接触させて貼り合せている。搬送ローラＲ１の中心軸と搬送ローラＲ３の中心軸とを結んだ直線は電解質ポリマー１０の搬送方向と平行である。
【００１５】
巻出しロールＲ１１は、ボビン形状であり、バックシート３０が予め巻回されている。巻出しロールＲ１１は、電解質ポリマー１０の搬送方向とは異なるバックシート３０の搬送方向において搬送ローラＲ１の上流に位置する。搬送ローラＲ１より下流のバックシート３０の搬送方向は電解質ポリマー１０の搬送方向と同様である。巻出しロールＲ１１は、搬送ローラＲ２にバックシート３０を供給する。また、巻出しロールＲ１２は、ボビン形状であり、補強膜２０が予め巻回されている。巻出しロールＲ１２は、電解質ポリマー１０の搬送方向とは異なる補強膜２０の搬送方向において搬送ローラＲ３の上流に位置する。搬送ローラＲ３より下流の補強膜２０の搬送方向は電解質ポリマー１０の搬送方向と同様である。巻出しロールＲ１２は、搬送ローラＲ３に補強膜２０を供給する。巻取りロールＲ１３は、ボビン形状であり、中間体製造装置２００で製造された中間体１００を巻き取る。また、巻取りロールＲ１３は、中間体１００を巻き取る図示しない駆動部材（例えばモーター）を有する。なお、巻出しロールＲ１１，Ｒ１２は、それぞれ巻回されている部材を巻き出すための駆動部材を別途備えてもよい。
【００１６】
図３は、本発明において補強膜２０に電解質ポリマー１０を含浸させる遠心機３００を上面視したときの断面を概略的に示す図である。遠心機３００は、円筒状の内壁面３０１と、内壁面３０１を支持する図示しないシャフトと、シャフトを介して内壁面３０１を回転させる図示しないモータと、遠心機３００の内部に設置された図示しない加熱部材と、モータと加熱部材を制御する図示しない制御部と、を備える。内壁面３０１は、内壁面３０１の中心軸とシャフトが一致するようにシャフトを介してモータに支持されている。加熱部材は、内壁面３０１の内部の空気を加熱できるように内壁面３０１の内部空間に配置されている。制御部は、モータと加熱部材とにそれぞれ配線を介して通電可能に接続されている。遠心機３００は、バックシート３０が内壁面３０１と接するように配置された中間体１００を加熱しながら回転させることで、補強膜２０に電解質ポリマー１０を溶融含浸させ、補強型電解質膜１０１を作成する。
【００１７】
図４は、本発明の補強型電解質膜の断面図である。図４で示すように、補強型電解質膜１０１は、電解質ポリマー１０と、多孔質の補強膜２０と、を有し、補強膜２０の内部に電解質ポリマー１０が含浸されている。また、補強型電解質膜１０１は、補強膜２０の膜厚方向における中心位置と、電解質ポリマー１０の膜厚方向における中心位置と、がおおよそ一致している。補強型電解質膜１０１は、遠心機３００で中間体１００を加熱しながら回転させることで作成される。
【００１８】
図５は、補強型電解質膜１０１の製造方法の流れを示す説明図である。本実施形態では、図２に示すように、フィーダーで加熱溶融したペレット状の電解質ポリマーをダイコーター２０１から搬送ローラＲ１に吐出することで帯状の電解質ポリマー１０を作成する。帯状の電解質ポリマー１０は回転する搬送ローラＲ１によって搬送される。バックシート３０は巻出しロールＲ１１から巻き出され、回転する搬送ローラＲ２によって搬送される。帯状の電解質ポリマー１０とバックシート３０がそれぞれ搬送ローラＲ１，Ｒ２によって搬送されながら、搬送ローラＲ１、Ｒ２に挟まれることによって貼り合わされる（ステップＳ１０）。
【００１９】
補強膜２０は巻出しロールＲ１２から巻き出され、搬送ローラＲ３によって搬送される。帯状の電解質ポリマー１０とバックシート３０とが貼り合わされたシートと、補強膜２０が搬送ローラＲ３、Ｒ４に挟まれることによって貼り合わされ、中間体１００が成形される（ステップＳ２０）。成形された中間体１００は駆動部材によって回転する巻取りロールＲ１３に巻き取られる。
【００２０】
次に巻取りロールＲ１３に巻かれている中間体１００を適当な大きさに切断し、図３に示すように、中間体１００を遠心機３００の内壁面３０１上に人の手で配置する（ステップＳ３０）。この時に、内壁面３０１の回転中心から順に補強膜２０、電解質ポリマー１０、バックシート３０となるように中間体１００を配置する。
【００２１】
遠心機３００は、遠心機３００の内部に配置された加熱部材で遠心機３００の内部を加熱しながら、内壁面３０１を回転させることで、中間体１００を回転させる（ステップＳ４０）。電解質ポリマー１０が加熱されることで、電解質ポリマー１０の粘度が低下する。そのため、補強膜２０に電解質ポリマー１０が含浸される。また、補強膜２０の比重は電解質ポリマー１０の比重より大きいため、補強膜２０が遠心力を受けることによって、補強膜２０は内壁面３０１の回転中心から離れる方向、つまり、電解質ポリマー１０の内部方向へ移動する。
【００２２】
ここで、補強膜２０の位置は、遠心機３００の内壁面３０１の回転時間と回転速度によって変化する。詳細を以下に示す。
【００２３】
図６は、遠心機３００の内壁面３０１の回転時間と補強膜２０の位置との関係を示すグラフである。横軸は内壁面３０１の回転時間を示し、縦軸は電解質ポリマー１０の中央位置と補強膜２０の中央位置との距離を示す。なお、補強膜２０の中央位置が電解質ポリマー１０の中央位置に対してバックシート３０と接しない面に近い場合に、距離はプラスとする。なお、図６のグラフは、内壁面３０１の回転速度は３ｒｐｍ、加熱温度は２５０℃とした場合の内壁面３０１の回転時間と補強膜２０の位置との関係を示すグラフである。
【００２４】
図６のグラフに示すように、内壁面３０１の回転時間の増加に伴い補強膜２０の中央位置は、電解質ポリマー１０の中央位置へ近づく。そして、内壁面３０１の回転時間が１０ｓ程度のときに、補強膜２０と電解質ポリマー１０の中央位置はほぼ一致する。そのまま回転時間を増加させると、補強膜２０の中央位置は、電解質ポリマー１０の中央位置からバックシート３０側へ移動する。
【００２５】
また、図７は、遠心機３００の内壁面３０１の回転速度と補強膜２０の位置との関係を示すグラフである。横軸は内壁面３０１の回転速度を示し、縦軸は電解質ポリマー１０の中央位置と補強膜２０の中央位置との距離を示す。なお、図７のグラフは、内壁面３０１の回転時間は１３ｓ、加熱温度は２５０℃とした場合の内壁面３０１の回転速度と補強膜２０の位置との関係を示すグラフである。なお、距離の定義は図６と同様である。
【００２６】
図７のグラフに示すように、内壁面３０１の回転速度の増加に伴い補強膜２０の中央位置は、電解質ポリマー１０の中央位置へ近づく。そして、内壁面３０１の回転速度が３ｒｐｍ程度のときに補強膜２０と電解質ポリマー１０の中央位置はほぼ一致する。そのまま回転速度を増加させると、補強膜２０の中央位置は、電解質ポリマー１０の中央位置からバックシート３０側へ移動する。
【００２７】
本実施形態では、制御部は、内壁面３０１の内部が所定温度下（例えば２５０℃）となるように加熱部材を加熱させる。また、制御部は、所定温度下で補強膜２０の膜厚方向における中心位置と電解質ポリマー１０の膜厚方向における中心位置とがおおよそ一致するように実験等によって予め定めた回転速度、かつ、回転時間で内壁面３０１を回転させる。これによって、補強膜２０に電解質ポリマー１０が含浸する。補強膜２０に電解質ポリマー１０を含浸させた後、制御部は、加熱部材の加熱を停止する。そして、図示しない弁から内壁面３０１の内部の気体を外部へ排気して、内壁面３０１の内部を冷却する。冷却後、補強型電解質膜１０１を遠心機３００から取り出す（ステップＳ５０）。その後、図示しない加水分解処理部にて、補強型電解質膜１０１をアルカリ溶液浸漬させ、電解質ポリマー１０が有する側鎖端末である−ＳＯ2Ｆ基を−ＳＯ3Ｎａ基に変性させる。次に、加水分解処理部にて、アルカリ処理した補強型電解質膜１０１を水洗した後に、酸性溶液浸漬させることで、−ＳＯ3Ｎａ基を、プロトン伝導性を有する−ＳＯ3Ｈ基へと変性させる。つまり、加水分解処理部にて補強型電解質膜１０１が処理されることで、補強型電解質膜１０１にプロトン伝導性を持たせることができる。さらに、補強型電解質膜１０１に貼り合わされているバックシート３０が除去された後に、補強型電解質膜１０１は固体高分子形燃料電池の電解質として用いられる。
【００２８】
本実施形態では、補強膜２０の膜厚方向における中心位置と電解質ポリマー１０の膜厚方向における中心位置とがおおよそ一致した補強型電解質膜１０１を製造でき、かつ、加熱時のバックシート３０を１枚とすることができる。したがって、バックシート３０の使用量を低減することができる。
【００２９】
＜変形例１＞
上記実施形態では、遠心機３００の内壁面３０１の内部に配置された加熱部材で内壁面３０１の内部の空気を加熱することで中間体１００を加熱したが、加熱方法はこれに限られない。例えば、遠心機３００の内壁面３０１に直接取り付けられた加熱部材によって内壁面３０１を直接加熱することで内壁面３０１に設置している中間体１００を加熱しても良い。
【００３０】
本発明は、上述の実施形態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あるいは変形例１中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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】
【００３１】
１０…電解質ポリマー
２０…補強膜
３０…バックシート
１００…中間体
１０１…補強型電解質膜
２００…中間体製造装置
２０１…ダイコーター
３００…遠心機
３０１…内壁面
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４…搬送ローラ
Ｒ１１、Ｒ１２…巻出しロール
Ｒ１３…巻取りロール
【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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