JP2006202532A

JP2006202532A - 電解質膜の製造方法および製造装置

Info

Publication number: JP2006202532A
Application number: JP2005010515A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tada; 健一郎多田; Satoru Nakanishi; 悟中西; Tadashi Yoshida; 正吉田; Hidetoshi Honbou; 英利本棒; Shin Morishima; 森島　　慎; Toshiyuki Kobayashi; 稔幸小林
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2005-01-18
Filing date: 2005-01-18
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】多孔質板状補強材を用いて強化した補強材入り電解質膜の製造時に、膜内に多数の空孔が発生するのを防止する。
【解決手段】基材の表面に高分子電解質溶液を塗工したのち、前記高分子電解質溶液が形成された面に多孔質補強材の片方の面を重ね合わせ、電解質溶液の一部を補強材の孔に浸透させる。次いで、補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する。これにより、補強材の両面を電解質溶液で覆う。その後、電解質溶液を乾燥させ、補強材入り電解質膜の製造を終了する。燃料電池に組み込むときには、基材を取り除く。補強材の内部に気泡が残留しにくく、膜内に多数の空孔が発生するのを防止できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、多孔質の板状補強材を入れて多層化した補強材入り高分子電解質膜の製造方法および製造装置に関する。

固体高分子形燃料電池或いは直接メタノール形燃料電池では、高分子電解質膜を電極と接合して膜・電極接合体（（Membrane・Electrode Assembly）にして、燃料電池に組み込む傾向にある。この種の燃料電池の寿命は、電解質膜の寿命により大きく左右されることが知られている。電解質膜の寿命を向上させるために、電解質膜に微多孔膜のように多孔質の補強材を入れて多層化した補強材入り電解質膜が開発されている（たとえば、特許文献１参照）。

この補強材入り電解質膜の製造法については、まだ確立された方法が無い。多孔質の補強材に電解質を含浸させる方法としては、電解質溶液溜めに補強材を浸したのち余分な電解質溶液を取り除く方法、或いは、電解質溶液溜めに補強材を浸しロールで扱いて含浸させる方法などが知られている。

特開2003-1421223号公報（要約）

前記の電解質溶液溜めに補強材を浸して電解質溶液を補強材に含浸させる方法では、補強材内に気泡が多数残りやすく、完成した電解質膜内に多数の空孔ができて、不良品が発生しやすいことがわかった。

本発明の目的は、膜内に多数の空孔ができるのを防止した、補強材入り電解質膜の製造方法および製造装置を提供することにある。

本発明は、多孔質板状補強材の片面にまず高分子電解質溶液を塗布あるいは他の方法によって塗工し、この高分子電解質溶液を補強材の孔に浸透させてから、補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工するようにしたものである。本発明では、具体的な実施態様として、以下の（１）〜（４）を提案する。

（１）基材の片面に高分子電解質溶液を塗工したのち多孔質板状補強材を重ね合わせることによって多質板状補強材の一方の面に高分子電解質溶液を塗工する工程と、前記高分子電解質溶液が前記多孔質板状補強材の孔に浸透した後に、前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する工程を含む電解質膜の製造方法。

（２）連続的に供給される帯状の基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工工程と、前記基材の前記高分子電解質溶液が塗工された面に、連続的に供給される帯状の多孔質補強材を重ね合わせて、前記第一電解質溶液塗工工程で塗工された前記高分子電解質溶液を前記多孔質補強材の片面に付着させるとともに一部の高分子電解質溶液を前記多孔質補強材の孔に浸透させる工程と、前記多孔質補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工工程、および、前記多孔質補強材の両面に形成された電解質溶液を乾燥させる乾燥工程を含む電解質膜の製造方法。

（３）高分子電解質膜に多孔質板状補強材を入れて多層化した補強材入り電解質膜の製造装置であって、基材コイルから帯状の基材を供給する基材巻出機と、前記多孔質板状補強材を補強材コイルから供給する補強材巻出機と、前記基材巻出機により供給された前記基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工部と、前記基材の前記高分子電解質溶液が塗工された面に前記補強材巻出機により供給された前記多孔質板状補強材の片方の面をガイドロールで押し付けて重ね合わせる補強材重ね合わせ部と、前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工部、および、前記多孔質板状補強材の両面に形成された高分子電解質溶液を乾燥させる乾燥機とを具備した電解質膜の製造装置。

（４）高分子電解質膜に多孔質板状補強材を入れて多層化した補強材入り電解質膜の製造装置であって、基材をコイルにして保管し巻き出す基材巻出機と、前記多孔質板状補強材をコイルにして保管し巻き出す補強材巻出機と、前記基材巻出機と前記補強材巻出機から巻き出された基材と補強材を一緒に巻き取るコイル巻取機とを有し、前記基材巻出機にて巻き出された基材が前記コイル巻取機にて巻き取られるまでの間に、前記基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工部と、前記基材の前記高分子電解質溶液が塗工された面に前記補強材巻出機から巻き出された前記多孔質板状補強材の一方の面をガイドロールで押し付けて重ね合わせる補強材重ね合わせ部と、前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工部、および、前記多孔質板状補強材の両面に形成された高分子電解質溶液を加熱乾燥する乾燥機とを備えた電解質膜の製造装置。

なお、前記の（１）〜（４）の製造方法あるいは製造装置により製造された補強材入り電解質膜を燃料電池に組み込む際には、基材は除去される。

本発明者は、補強材入り電解質膜の従来の製造方法において、膜内に多数の空孔ができる原因を検討した結果、電解質溶液溜めに補強材を浸すことで補強材の両面が電解質溶液で覆われ、補強材内の残留気体の逃げ口が閉ざされて気泡が残りやすくなり、膜内に多数の空孔が発生することを明らかにした。このことから、本発明では、補強材を電解質溶液溜めに浸して両面に同時に電解質溶液を塗工するのではなく、板状補強材の片面にまず電解質溶液を塗工して、電解質が補強材の孔に浸透してから、他方の面に電解質溶液を塗工するようにした。

本発明では、多孔質板状補強材の片面に塗工された電解質溶液が補強材の孔に浸透して、補強材内に残留していた気泡が補強材の外部に押し出されてから、補強材の他方の面に電解質溶液が塗工される。これにより、補強材内に気泡が残留しにくくなり、膜内に多数の空孔ができるのを防止あるいは抑制することが可能となる。

本発明により製造された電解質膜は、固体高分子形燃料電池あるいは直接メタノール形燃料電池に用いることができる。また、高分子電解質と触媒電極を一体化した膜・電極接合体として使用することができる。

本発明により、補強材入り電解質膜の製造において、電解質膜内に多数の空孔が発生するのを防止できるようになった。

以下、図面を用いて具体的に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、基材４上に本発明に係わる補強材入り電解質膜が設けられた状態を示した断面図である。図１の補強材入り電解質膜は、多孔質板状補強材層２と第一電解質層３ａと第二電解質層３ｂにより構成されている。補強材層には電解質が含浸されている。多孔質板状補強材層２と第一電解質層３ａと第二電解質層３ｂにより構成される電解質膜の仕上がり厚みは２０〜７０μｍが好ましく、補強材の厚みは１０〜４０μｍが好ましい。

本発明の補強材入り電解質膜の製造方法を、図２のフロー図を用いて説明する。ステップS1において、ポリエチレンテレフタレート（PET）フィルムなどの帯状基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する。続いて、ステップS2において、電解質溶液を塗工した面上に補強材を重ね合わせる。補強材に高分子有機化合物を用い、高分子電解質溶液に高分子スルホン酸溶液を用いた場合、両者間の接触角は鋭角であるので、塗工された電解質溶液の一部は毛細管現象等により基材側から補強材中に浸透し、やがて、基材に面した反対側の補強材面にまで到達する(ステップS3)。補強材中に浸透せず基材面に残った電解質溶液は第一電解質層を形成する。このように、電解質溶液は基材に面した側から補強材中に浸透するので、補強材内に当初存在した気体は基材に面した反対側の補強材面から押し出され、基材内に気泡が残ることは少ない。つぎに、ステップS4において、基材に面した反対側の補強材面に電解質溶液をさらに塗工する。この塗工された電解質溶液は第二電解質層を形成する。ステップS5において、前記の各工程を経て得られた加工物を乾燥炉に導き、加工物中の電解質溶液を乾燥させる。以上の工程により、図1に示したような補強材入り電解質膜（基材付き）を得ることができる(ステップS6)。

基材の材料には、補強材入り電解質膜を燃料電池に組み込む際に、基材を電解質層から剥がしやすい材料を用いることが望ましい。前述したPETフィルムのほかに、ポリイミドなどを用いることができる。補強材の材料には、高分子有機化合物、あるいは高分子有機化合物と無機物たとえばシリカやガラスとの混合物を用いることができる。また、補強材には多孔質の不織布あるいは微多孔膜を用いることができる。微多孔膜はポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン等でできている厚さが０．１〜１μｍ程度の膜である。乾燥時の加熱温度は、８０〜１４０℃程度がよく、この範囲内で、かつ補強材の材質が変化しない温度で行うことが望ましい。

次に、電解質膜の製造装置について説明する。図３に示す製造装置は、渦巻き状に巻かれた帯状の基材コイルを保持し、基材４を連続的に供給する基材巻出機６、渦巻き状に巻かれた帯状の補強材コイルを保持し、補強材１を連続的に供給する補強材巻出機７、および供給された基材４と補強材１を巻き取るコイル巻取機を具備する。また、基材巻出機６から供給された基材４に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工部１１、補強材巻出機７から供給された補強材１を、第一電解質溶液塗工部１１を通して送られてきた基材の電解質溶液塗工面に押し付けて、補強材１の片面に電解質溶液を付着させる補強材重ね合わせ部１６、補強材１の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工部１２を有する。さらに、第二電解質溶液塗工部を通って送られてきた加工物を加熱して電解質溶液を乾燥させる乾燥炉９を有する。図３に示す製造装置では、さらに、補強材１を補強材重ね合わせ部１６に案内するための補強材送り部１０が設けられている。

第一電解質溶液塗工部１１では、基材巻出機６から供給された基材を、次の補強材重ね合わせ部１６の方向にガイドロールを用いて案内する過程で、電解質溶液供給部５により高分子電解質溶液を供給し、基材の一方の面に電解質溶液を塗布する。補強材重ね合わせ部１６では、２つのガイドロール１３，１４を用いて、補強材の一方の面を基材の電解質溶液塗布面に押し付ける。電解質溶液が塗工された面上に、補強材１がガイドロール１３，１４を用いて重ね合わせられることで、塗工された電解質溶液の一部は毛細管現象等により基材側から補強材中に浸透する。補強材中に浸透せずに基材面に残った電解質溶液は、第一電解質層３ａを形成する。なお、この補強材重ね合わせ部１６で、補強材１に過度の張力が掛からないようにするために、本実施例では、補強材送り部１０を設け、ガイドロールを用いて補強材を送り出すようにしている。

第二電解質溶液塗工部１２では、補強材重ね合わせ部１６から送られてきた基材ならびに補強材のうち、補強材の他方の面に電解質溶液供給部１７から供給された高分子電解質溶液を塗布する。以上の工程を終了した半製品は、ガイドロール１５ａを用いて乾燥炉９に搬送し、太線の矢印で示すように移送して、その過程で電解質溶液を乾燥させる。乾燥を終えた加工物は、ガイドロール１５ｂを用いてコイル巻取機８に案内し、基材を付けた状態で補強材入り電解質膜を巻き取る。

なお、本実施例では、第一電解質溶液塗工部１１がリバースロールコーター、第二電解質溶液塗工部１２がGAPコーターとなっているが、塗工方式はこれに限定されるものではなく、他の方式でも構わない。実際には、電解質溶液の粘度や、希望する電解質溶液の塗工厚さなどから、適切な塗工方式が採用される。

本発明は、極めて実用的な補強材入り電解質膜製造方法及び製造装置を提供するものであり、その利用可能性は極めて大きい。

本発明による補強材入り電解質膜の一実施例を示す断面図である。本発明による電解質膜製造方法の一実施例を示すフロー図である。本発明による電解質膜製造装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

1…補強材、２…多孔質板状補強材層、３ａ…第一電解質層、３ｂ…第二電解質層、４…基材、５…電解質溶液供給部、６…基材巻出機、７…補強材巻出機、８…コイル巻取機、９…乾燥炉、１０…補強材送り部、１１…第一電解質溶液塗工部、１２…第二電解質溶液塗工部、１３…ガイドロール、１４…ガイドロール、１５ａ…ガイドロール、１５ｂ…ガイドロール、１６…補強材重ね合わせ部、１７…電解質溶液供給部。

Claims

高分子電解質膜に多孔質板状補強材を入れて多層化した補強材入り電解質膜の製造方法において、前記多孔質板状補強材の一方の面に高分子電解質溶液を塗工する工程と、前記高分子電解質溶液が前記多孔質板状補強材の孔に浸透した後に前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する工程を含むことを特徴とする電解質膜の製造方法。
基材の片面に高分子電解質溶液を塗工したのち前記多孔質板状補強材を重ね合わせることによって前記多孔質板状補強材の一方の面に高分子電解質溶液を塗工する工程と、前記高分子電解質溶液が前記多孔質板状補強材の孔に浸透した後に前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の電解質膜の製造方法。
連続的に供給される帯状の基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工工程と、前記基材の前記高分子電解質溶液が塗工された面に、連続的に供給される帯状の多孔質板状補強材を重ね合わせて、前記第一電解質溶液塗工工程で塗工された前記高分子電解質溶液を前記多孔質板状補強材の片面に付着させるとともに一部の高分子電解質溶液を前記多孔質板状補強材の孔に浸透させる工程と、前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工工程、および、前記多孔質板状補強材の両面に形成された高分子電解質溶液を乾燥させる乾燥工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の電解質膜の製造方法。
高分子電解質膜に多孔質板状補強材を入れて多層化した補強材入り電解質膜の製造装置であって、基材コイルから帯状の基材を供給する基材巻出機と、前記多孔質板状補強材を補強材コイルから供給する補強材巻出機と、前記基材巻出機により供給された前記基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工部と、前記基材の前記高分子電解質溶液が塗工された面に前記補強材巻出機により供給された前記多孔質板状補強材の片方の面をガイドロールで押し付けて重ね合わせる補強材重ね合わせ部と、前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工部、および、前記多孔質板状補強材の両面に形成された高分子電解質溶液を乾燥させる乾燥機を具備したことを特徴とする電解質膜の製造装置。
高分子電解質膜に多孔質板状補強材を入れて多層化した補強材入り電解質膜の製造装置であって、基材をコイルにして保管し巻き出す基材巻出機と、前記多孔質板状補強材をコイルにして保管し巻き出す補強材巻出機と、前記基材巻出機と前記補強材巻出機から巻き出された基材と補強材を一緒に巻き取るコイル巻取機とを有し、前記基材巻出機にて巻き出された基材が前記コイル巻取機にて巻き取られるまでの間に、前記基材の片面に高分子電解質溶液を塗工する第一電解質溶液塗工部と、前記基材の前記高分子電解質溶液が塗工された面に前記補強材巻出機から巻き出された前記多孔質板状補強材の一方の面をガイドロールで押し付けて重ね合わせる補強材重ね合わせ部と、前記多孔質板状補強材の他方の面に高分子電解質溶液を塗工する第二電解質溶液塗工部、および、前記多孔質板状補強材の両面に形成された高分子電解質溶液を加熱乾燥する乾燥機を備えたことを特徴とする電解質膜の製造装置。