JP2007262346A - Solid electrolyte film and method for producing the same, production equipment and electrode composite and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質フィルム、及びその製造方法、製造設備、並びに電極膜複合体、燃料電池に関するものであり、特に、プロトン伝導性をもち燃料電池に用いられる固体電解質フィルム、及びその製造方法、製造設備、並びに電極膜複合体、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte film, a manufacturing method thereof, a manufacturing facility, an electrode membrane composite, and a fuel cell, and more particularly, a solid electrolyte film having proton conductivity and used in a fuel cell, and a manufacturing method thereof, The present invention relates to a manufacturing facility, an electrode membrane composite, and a fuel cell.
環境汚染やエネルギー問題を改善することができる次世代燃料として、燃料電池が注目されている。燃料電池は積層された複数の燃料電池セル(電極膜複合体(MEA)とも称される)を有し、これらの燃料電池セルは、電気的に直列に接続されている。燃料電池セルは、外部回路で接続されるアノード電極及びカソード電極と、これらの電極に挟まれた固体電解質フィルムとを有する。燃料電池セルが起電力を発生する代表的なプロセスは、次のとおりである。まず、カソード電極に水素原子含有物質が供給されると、この水素原子はカソード電極内でプロトンとなる。次に、このプロトンが、固体電解質フィルムを通過してアノード電極で酸素と結合することにより、燃料電池セルの2つの電極間に起電力を発生することができる。 Fuel cells are attracting attention as next-generation fuels that can improve environmental pollution and energy problems. The fuel cell has a plurality of stacked fuel cells (also referred to as electrode membrane composite (MEA)), and these fuel cells are electrically connected in series. The fuel cell has an anode electrode and a cathode electrode connected by an external circuit, and a solid electrolyte film sandwiched between these electrodes. A typical process in which the fuel cell generates an electromotive force is as follows. First, when a hydrogen atom-containing substance is supplied to the cathode electrode, the hydrogen atoms become protons in the cathode electrode. Next, this proton passes through the solid electrolyte film and combines with oxygen at the anode electrode, so that an electromotive force can be generated between the two electrodes of the fuel cell.
最近では、固体電解質の中でもポリマーから形成される固体電解質フィルム(有機高分子型フィルムと称する)が注目されている。この有機高分子型フィルムは、作動温度が低く、且つ小型・軽量化が可能である特徴を有するため、家庭用や車載用途の燃料電池への利用が期待される。したがって、有機高分子型フィルムには、プロトン伝導度が高いこと、耐熱性に優れること、面内での特性が均一であること等の特性が要求される。 Recently, solid electrolyte films (referred to as organic polymer type films) formed of polymers have attracted attention among solid electrolytes. Since this organic polymer film has the characteristics that the operating temperature is low and it can be reduced in size and weight, it is expected to be used for a fuel cell for home use or in-vehicle use. Therefore, the organic polymer type film is required to have characteristics such as high proton conductivity, excellent heat resistance, and uniform in-plane characteristics.
ところで、ポリマーをフィルム化する方法としては、周知のように溶融製膜方法と溶液製膜方法とがある。前者は、溶媒を使わずにフィルムを製造することができるが、加熱によるポリマーの変性や、原料ポリマー中の不純物がそのままフィルム中に残るという問題がある。一方、後者は、溶液の製造設備及び溶媒回収設備等の設備的な問題があるものの、加熱における温度が低くてもよく、また、溶液製造工程でポリマー中の不純物を除去することが可能という利点がある。さらに、後者では、前者によるフィルムよりも平面性及び平滑性に優れたフィルムを製造することができるという利点もある。 By the way, as a method for forming a polymer into a film, there are a melt film forming method and a solution film forming method as well known. The former can produce a film without using a solvent, but there are problems that the polymer is modified by heating and impurities in the raw polymer remain in the film as they are. On the other hand, although the latter has problems in equipment such as solution production equipment and solvent recovery equipment, the temperature during heating may be low, and it is possible to remove impurities in the polymer in the solution production process. There is. Furthermore, the latter also has an advantage that a film excellent in flatness and smoothness can be produced as compared with the former film.
溶液製膜方法は、原料となる有機化合物と溶媒とを含むドープを支持体上に流延して流延膜を形成した後、この流延膜を支持体から剥ぎ取り、更に、乾燥手段により乾燥させてフィルムとする方法であり、有機高分子型フィルムの製造方法のみならず、光学用途等のポリマーフィルムの製造方法としても幅広く利用されている。しかしながら、有機高分子型フィルムは、高分子化合物からなるため温度や湿度に敏感であること、また、その反応程度の調整等が難しいこと等の理由から、前述した要求を満たすような有機高分子型フィルムを製造することは難しい。 In the solution casting method, a dope containing an organic compound as a raw material and a solvent is cast on a support to form a cast film, and then the cast film is peeled off from the support and further dried by a drying means. This is a method of drying to form a film, and is widely used not only as a method for producing an organic polymer film but also as a method for producing a polymer film for optical applications. However, the organic polymer film is an organic polymer that satisfies the above-mentioned requirements because it is made of a polymer compound and is sensitive to temperature and humidity, and it is difficult to adjust the reaction level. It is difficult to manufacture a mold film.
そこで、先ず、良好な品位及び耐熱性に優れる有機高分子型フィルムの製造方法として、例えば、酸性基含有ポリマーを含むドープを用いて溶液製膜方法により製造する方法(例えば、特許文献1参照)や、酸性基含有ポリマーを含むドープを溶液製膜方法によりゲル状膜とした後、これを水洗してから乾燥させてフィルムとする方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、高プロトン伝導度や熱に対する安定性及び加工性に優れる有機高分子型フィルムの製造方法としては、溶液製膜方法により形成したフィルムを、水溶性であり、かつ沸点が100℃以上の有機化合物水溶液に浸漬させて平衡膨潤させてから、これを乾燥させる方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Therefore, first, as a method for producing an organic polymer film excellent in quality and heat resistance, for example, a method of producing by a solution casting method using a dope containing an acidic group-containing polymer (see, for example, Patent Document 1) Alternatively, a method has been proposed in which a dope containing an acidic group-containing polymer is made into a gel film by a solution casting method, and then washed with water and dried to form a film (see, for example, Patent Document 2). In addition, as a method for producing an organic polymer film excellent in high proton conductivity, heat stability and processability, a film formed by a solution casting method is water-soluble and an organic compound having a boiling point of 100 ° C. or higher. There has been proposed a method of dipping in an aqueous compound solution to cause equilibrium swelling and then drying it (see, for example, Patent Document 3).
その他にも、プロトン伝導度が高く、機械的強度に優れる有機高分子型フィルムの製造方法として、イオン導電性成分を含むドープをキャスティング方法によりフィルムとした後、これを溶媒に浸漬して水溶性化合物を除去してから乾燥させる方法が提案されている(例えば、特許文献4参照)。更に、特許文献5〜7には、プロトン伝導度が高い有機高分子型フィルムとして、溶液製膜方法により所定のポリアリーレンを含むドープから形成されるものが提案されている。 In addition, as a method for producing an organic polymer film having high proton conductivity and excellent mechanical strength, a dope containing an ion conductive component is formed into a film by a casting method, and then immersed in a solvent to dissolve in water. A method of removing the compound and drying it has been proposed (see, for example, Patent Document 4). Further, Patent Documents 5 to 7 propose an organic polymer film having high proton conductivity formed from a dope containing a predetermined polyarylene by a solution casting method.
また、プロトン伝導度が高い有機高分子型フィルムの製造方法として、スルホン酸基を有するポリマーを含むドープからフィルムを形成する方法(例えば、特許文献8参照)やポリマーを含むドープからフィルムを形成した後、これを酸処理してスルホン化する方法(例えば、特許文献9参照)が提案されている。
特許文献8,9いずれの方法も、製膜と酸処理とをそれぞれ異なる製造ラインで実施する、いわゆるオフライン方式の製造方法であるため、連続かつ大量にフィルムを製造することが難しい。また、これらの方法に係らず、特許文献1〜7も少規模スケールでの製造方法であり、大量生産を意識した方法とはされていない。更に、特許文献5〜7に関しては、溶液製膜方法で多種の有機高分子型フィルムを製造することができると記載されているが、具体的な方法の記載はなされていない。 Since both methods of Patent Documents 8 and 9 are so-called off-line manufacturing methods in which film formation and acid treatment are performed in different production lines, it is difficult to manufacture films continuously and in large quantities. Regardless of these methods, Patent Documents 1 to 7 are also manufacturing methods on a small scale, and are not considered methods for mass production. Further, Patent Documents 5 to 7 describe that various organic polymer films can be produced by a solution casting method, but no specific method is described.
本発明は、上記問題を解決することを目的とし、プロトン伝導度が高く、かつプロトン伝導度が均一な固体電解質フィルム、この固体電解質フィルムを連続的かつ大量に生産することができる製造方法及び製造設備、並びに、この固体電解質フィルムを用いた電極膜複合体及び燃料電池に関するものである。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and has a high proton conductivity and a uniform proton conductivity, and a manufacturing method and a manufacturing method capable of continuously and mass-producing this solid electrolyte film. The present invention relates to an equipment, and an electrode membrane composite and a fuel cell using the solid electrolyte film.
本発明の固体電解質フィルムの製造方法は、固体電解質の前駆体であるポリマーを含む前駆体フィルムに、プロトン供与体である酸が含まれる液を接触させる固体電解質フィルムの製造方法において、カチオン種を有する前記前駆体フィルムの片面に、プロトンの濃度が0.05mol/l以上の前記液を接触させて、前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムとする第1工程と、前記水素置換フィルムを洗浄する第2工程と、前記水素置換フィルムを乾燥し、前記固体電解質を含む固体電解質フィルムする第3工程と、を有することを特徴とする。 In the method for producing a solid electrolyte film of the present invention, in the method for producing a solid electrolyte film, a precursor film containing a polymer which is a precursor of a solid electrolyte is contacted with a liquid containing an acid which is a proton donor. A first step of bringing the liquid having a proton concentration of 0.05 mol / l or more into contact with one side of the precursor film having a hydrogen-substituted film in which the cation species are replaced with hydrogen atoms; and the hydrogen substitution A second step of cleaning the film; and a third step of drying the hydrogen-substituted film to form a solid electrolyte film containing the solid electrolyte.
前記前駆体フィルムの温度を、30℃以上前記前駆体フィルムのガラス転移温度以下とすることが好ましい。 It is preferable that the temperature of the precursor film is 30 ° C. or higher and the glass transition temperature of the precursor film or lower.
前記第1工程では、前記液よりもプロトンの濃度が低い溶液を前記前駆体フィルムの他面に接触させた後、前記他面側を加熱することが好ましい。また、前記液と前記溶液との前記プロトンの濃度の差が、0.05mol/l以上であることが好ましい。更に、前記液及び前記溶液に含まれるアニオンの式量が40以上1000以下であることが好ましい。前記溶液に純水を用いても良い。 In the first step, it is preferable to heat the other surface side after bringing a solution having a proton concentration lower than that of the liquid into contact with the other surface of the precursor film. The difference in proton concentration between the liquid and the solution is preferably 0.05 mol / l or more. Furthermore, it is preferable that the formula amount of the liquid and the anion contained in the solution is 40 or more and 1000 or less. Pure water may be used for the solution.
前記第1工程と前記第2工程と前記第3工程とが連続して行われることが好ましい。 The first step, the second step, and the third step are preferably performed continuously.
前記溶液と前記液とのうち少なくとも1つの温度を、30℃以上前記前駆体フィルムのガラス転移温度以下とすることが好ましい。 It is preferable that at least one temperature of the solution and the solution is 30 ° C. or higher and a glass transition temperature of the precursor film or lower.
走行する支持体上に、有機溶媒と前記ポリマーとを含むドープを流延ダイから流延して流延膜を形成する第4工程と、前記流延膜を前記支持体から前記前駆体フィルムとして剥がす第5工程と、を有することが好ましい。また、前記第1工程と前記第2工程と前記第3工程と前記第4工程と前記第5工程とが連続して行われることが好ましい。 A fourth step of casting a dope containing an organic solvent and the polymer on a traveling support from a casting die to form a casting film; and using the casting film as the precursor film from the support. And a fifth step of peeling. Moreover, it is preferable that the said 1st process, the said 2nd process, the said 3rd process, the said 4th process, and the said 5th process are performed continuously.
前記ポリマーが炭化水素系ポリマーであることが好ましい。また、前記炭化水素系ポリマーが芳香族系ポリマーであることが好ましい。更に、前記芳香族系ポリマーは、化3の一般式(I)〜(III)で示される各構造単位からなる共重合体であることが好ましい。
また、本発明は、固体電解質の前駆体であるポリマーを含む前駆体フィルムに、プロトン供与体である酸が含まれる液を接触させる固体電解質フィルムの製造設備において、カチオン種を有する前記前駆体フィルムの片面に前記液を接触させる接触装置と、前記前駆体フィルムの前記片面側を加熱し、前記前駆体フィルムから前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムを生成する加熱装置と、前記水素置換フィルムを洗浄する洗浄装置と、前記水素置換フィルムを乾燥し、前記固体電解質を含む固体電解質フィルムする乾燥装置と、を有することを特徴とする。 Further, the present invention provides the precursor film having a cationic species in a manufacturing facility for a solid electrolyte film in which a liquid containing an acid as a proton donor is brought into contact with a precursor film containing a polymer as a solid electrolyte precursor. A contact device for bringing the liquid into contact with one side of the heating device, a heating device for heating the one side of the precursor film, and generating a hydrogen-substituted film in which the cation species are replaced with hydrogen atoms from the precursor film, and It has a washing | cleaning apparatus which wash | cleans a hydrogen substitution film, and the drying apparatus which dries the said hydrogen substitution film and carries out the solid electrolyte film containing the said solid electrolyte, It is characterized by the above-mentioned.
前記接触装置が、前記液よりもプロトンの濃度が低い溶液を前記前駆体フィルムの他面に接触させる他面接触装置を備え、前記加熱装置が、前記前駆体フィルムの前記他面側を加熱し、前記前駆体フィルムから前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムを生成する他面加熱装置と、を有することが好ましい。 The contact device includes an other surface contact device for bringing a solution having a proton concentration lower than that of the liquid into contact with the other surface of the precursor film, and the heating device heats the other surface side of the precursor film. It is preferable that the other surface heating device generates a hydrogen substitution film in which the cation species is substituted with hydrogen atoms from the precursor film.
走行する支持体上に、固体電解質の前駆体であるポリマーと有機溶媒とを含むドープを流延ダイから流延して流延膜を形成する流延膜形成装置と、前記流延膜を前記支持体から前記前駆体フィルムとして剥がす剥取装置と、を有することが好ましい。 A cast film forming apparatus for forming a cast film by casting a dope containing a polymer that is a precursor of a solid electrolyte and an organic solvent from a casting die on a traveling support; and It is preferable to have a peeling device that peels off as a precursor film from a support.
本発明の電極膜複合体は、前述の製造方法により製造された固体電解質フィルムと、前記固体電解質フィルムの一方の面に密着して備えられ、外部から供給される水素原子含有物質から前記プロトンを発生するためのアノード電極と、前記固体電解質フィルムの他方の面に密着して備えられ、前記固体電解質フィルムを通過した前記プロトン及び外部から供給される気体からなる水を合成するカソード電極と、を有することを特徴とする。 The electrode membrane composite of the present invention comprises a solid electrolyte film manufactured by the above-described manufacturing method, and is closely attached to one surface of the solid electrolyte film, and the protons from a hydrogen atom-containing substance supplied from the outside. An anode electrode for generating, and a cathode electrode that is provided in close contact with the other surface of the solid electrolyte film, and synthesizes the proton that has passed through the solid electrolyte film and water composed of gas supplied from the outside. It is characterized by having.
本発明の燃料電池は、請求項18記載の電極膜複合体と、前記電極膜複合体の電極に接触して備えられ前記アノード電極及び前記カソード電極と外部との電子の受け渡しをする集合体とを有することを特徴とする。
A fuel cell according to the present invention comprises: the electrode membrane composite according to
本発明の固体電解質フィルムの製造方法によれば、カチオン種を有する前記前駆体フィルムの片面に、プロトンの濃度が0.05mol/l以上の前記液を接触させて、前記片面側を加熱し、前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムとする第1工程と、前記水素置換フィルムを洗浄する第2工程と、前記水素置換フィルムを乾燥し、前記固体電解質を含む固体電解質フィルムする第3工程と、を有するため、プロトン伝導度が高く、かつプロトン伝導度が均一な固体電解質フィルム、この固体電解質フィルムを連続的かつ大量に生産することができる。また、この固体電解質フィルムを用いた電極膜接合体は優れたプロトン伝導性を発現する。また、この電極膜接合体を用いた燃料電池は、優れた起電力を発現する。 According to the method for producing a solid electrolyte film of the present invention, one side of the precursor film having a cationic species is brought into contact with the liquid having a proton concentration of 0.05 mol / l or more, and the one side is heated, A first step of forming a hydrogen-substituted film in which the cation species are replaced with hydrogen atoms; a second step of washing the hydrogen-substituted film; and drying the hydrogen-substituted film to form a solid electrolyte film containing the solid electrolyte. Therefore, the solid electrolyte film having high proton conductivity and uniform proton conductivity, and the solid electrolyte film can be produced continuously and in large quantities. In addition, an electrode membrane assembly using this solid electrolyte film exhibits excellent proton conductivity. In addition, a fuel cell using this electrode membrane assembly exhibits an excellent electromotive force.
以下に、本発明の実施様態について詳細に説明する。ただし、本発明はここに挙げる実施様態に限定されるものではない。まず、本発明に係る固体電解質フィルムについて説明し、その後、その固体電解質フィルムの製造方法について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described here. First, the solid electrolyte film according to the present invention will be described, and then the method for producing the solid electrolyte film will be described.
〔原料〕
本発明では、後述の製造方法に供するドープのポリマー成分として、カチオン種を有する化合物を用いている。特に、化3に示す物質からなるポリマーは、いわゆる固体電解質の前駆体である。この前駆体を含むフィルム(以下、前駆体フィルムと称する)にプロトン置換を施すことにより、前駆体フィルム内の前駆体から固体電解質が生成する。こうして、プロトン置換により、前駆体フィルムから固体電解質を備えるフィルム(以下、固体電解質フィルムと称する)を製造することができる。なお、本明細書におけるプロトン置換とは、ポリマー中の水素原子以外のカチオン種を、水素原子に置換することである。また、カチオン種とは、電離したときにカチオンを生成する原子または原子団を意味する。このカチオン種は1価である必要はない。また、本明細書では、特に断らない限り、カチオンは、プロトンを除く陽イオンを指し、カチオン種は、水素原子を除く、カチオンとなり得る原子のことを指す。
〔material〕
In the present invention, a compound having a cationic species is used as the polymer component of the dope used in the production method described later. In particular, the polymer composed of the substance shown in Chemical Formula 3 is a so-called solid electrolyte precursor. By subjecting a film containing this precursor (hereinafter referred to as a precursor film) to proton substitution, a solid electrolyte is generated from the precursor in the precursor film. Thus, a film including a solid electrolyte (hereinafter referred to as a solid electrolyte film) can be produced from the precursor film by proton substitution. In the present specification, proton substitution refers to substitution of a cation species other than a hydrogen atom in a polymer with a hydrogen atom. The cationic species means an atom or an atomic group that generates a cation when ionized. This cationic species need not be monovalent. In the present specification, unless otherwise specified, a cation refers to a cation other than a proton, and a cation species refers to an atom that can be a cation except a hydrogen atom.
例えば、前駆体フィルムを製造する場合には、化3に示す前駆体を含むドープをつくり、このドープを支持体上に流延し、支持体上に形成された流延膜を剥ぎ取ることにより、前駆体フィルムを製造することができる。そして、この前駆体フィルムをプロトン置換し、前駆体フィルムに含まれる化3に示す物質のXをHに置換することにより、固体電解質フィルムを製造することができる。 For example, when producing a precursor film, a dope containing the precursor shown in Chemical Formula 3 is prepared, the dope is cast on a support, and the cast film formed on the support is peeled off. A precursor film can be produced. And this solid precursor film can be manufactured by carrying out proton substitution of this precursor film, and substituting X of the substance shown in chemical formula 3 contained in a precursor film to H.
また、化3に示す前駆体からなる前駆体フィルムは、プロトン置換によって製造される固体電解質フィルムの吸湿膨張率とプロトン伝導度とを両立させる。化3に示す物質においてn/(m+n)<0.1である場合には、前駆体フィルムにおけるプロトン受容体が少なく、プロトン伝導路、いわゆるプロトンチャンネルを十分に形成することができないことがある。そのため、プロトン置換により生成される固体電解質フィルムは実用に十分なプロトン伝導性を発現しないことがある。一方、化3に示す物質においてn/(m+n)>0.5である場合には、固体電解質フィルムの水分吸収性が高くなってしまうため、吸水による膨張率、つまり吸水膨張率が大きくなり、固体電解質フィルムが劣化しやすくなる。 Moreover, the precursor film which consists of a precursor shown to Chemical formula 3 makes the moisture absorption expansion coefficient and proton conductivity of the solid electrolyte film manufactured by proton substitution compatible. When n / (m + n) <0.1 in the substance shown in Chemical Formula 3, there are few proton acceptors in the precursor film, and proton conduction paths, so-called proton channels may not be formed sufficiently. Therefore, a solid electrolyte film produced by proton substitution may not exhibit proton conductivity sufficient for practical use. On the other hand, when n / (m + n)> 0.5 in the substance shown in Chemical Formula 3, the water absorption of the solid electrolyte film is increased, so that the expansion coefficient due to water absorption, that is, the water absorption expansion coefficient is increased. The solid electrolyte film tends to deteriorate.
化3に示す物質において好ましいカチオンとしては、アルカリ金属カチオン、アルカリ土類金属カチオン、アンモニウムカチオンが好ましく、カルシウムイオン、バリウムイオン、四級アンモニウムイオン、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンがより好ましい。なお、化3に示す化合物おけるXをH(水素原子)に置換せずにカチオン種のままフィルムを製造しても、そのフィルムは固体電解質フィルムとしての機能をもつ。しかし、そのプロトン伝導性は、Hに置換されたXの割合(以下、プロトン置換率と称する)が高いほど高くなる傾向にある。すなわち、前駆体フィルムから固体電解質フィルムを生成するプロトン置換において、プロトン置換率が高いことが好ましい。 Preferred cations in the substance shown in Chemical Formula 3 are preferably alkali metal cations, alkaline earth metal cations, and ammonium cations, and more preferably calcium ions, barium ions, quaternary ammonium ions, lithium ions, sodium ions, and potassium ions. In addition, even if it manufactures a film with a cationic seed | species without replacing X in the compound shown in Chemical formula 3 with H (hydrogen atom), the film has a function as a solid electrolyte film. However, the proton conductivity tends to increase as the ratio of X substituted with H (hereinafter referred to as proton substitution rate) increases. That is, it is preferable that the proton substitution rate is high in proton substitution for producing a solid electrolyte film from a precursor film.
固体電解質としては、以下の諸性能をもつものが好ましい。イオン伝導度は、例えば25℃、相対湿度70%において、0.005S/cm以上であることが好ましく、0.01S/cm以上であるものがより好ましい。さらに、64重量%メタノール水溶液に18℃で一日浸漬した後のイオン伝導度が0.003S/cm以上であることが好ましく、0.008S/cm以上であるものがより好ましく、特に、浸漬前に対する浸漬後のイオン伝導度の低下率が20%以内であるものが好ましい。そして、メタノール拡散係数が4×10−7cm2 /s以下であることが好ましく、2×10−7cm2 /s以下であるものが特に好ましい。 As solid electrolyte, what has the following various performance is preferable. The ionic conductivity is preferably 0.005 S / cm or more, and more preferably 0.01 S / cm or more, for example, at 25 ° C. and a relative humidity of 70%. Further, the ionic conductivity after being immersed in a 64% by weight aqueous methanol solution at 18 ° C. for one day is preferably 0.003 S / cm or more, more preferably 0.008 S / cm or more, particularly before immersion. What the fall rate of the ionic conductivity after immersion with respect to 20% or less is preferable. The methanol diffusion coefficient is preferably 4 × 10 −7 cm 2 / s or less, and particularly preferably 2 × 10 −7 cm 2 / s or less.
強度については、弾性率が10MPa以上であるものが好ましく、20MPa以上であるものが特に好ましい。なお、弾性率の測定方法については、特開2005−104148号公報の段落[0138]に詳細に記されており、弾性率の上記値は、東洋ボールドウィン社製の引っ張り試験機による値である。したがって、他の試験方法や試験機を用いて弾性率を求める場合には、上記試験方法や試験機による値との相関性を予め求めておくとよい。 As for strength, those having an elastic modulus of 10 MPa or more are preferred, and those having a modulus of 20 MPa or more are particularly preferred. The method for measuring the elastic modulus is described in detail in paragraph [0138] of JP-A-2005-104148, and the above value of the elastic modulus is a value obtained by a tensile tester manufactured by Toyo Baldwin. Therefore, when obtaining the elastic modulus using another test method or tester, it is preferable to obtain the correlation with the value obtained by the test method or tester in advance.
耐久性については、64重量%メタノール水溶液中に一定温度で浸漬する経時試験の前後で、重量、イオン交換容量、メタノール拡散係数の各変化率が、それぞれ20%以下であるものが好ましく、15%以下であるものが特に好ましい。さらに過酸化水素中における経時試験の前後でも、同様に重量、イオン交換容量、メタノール拡散係数の各変化率が20%以下であるものが好ましく、10%以下であるものが特に好ましい。また、64重量%メタノール水溶液中、一定温度での体積膨潤率が10%以下であるものことが好ましく、5%以下であるものが特に好ましい。 As for durability, it is preferable that each change rate of weight, ion exchange capacity, and methanol diffusion coefficient is 20% or less before and after a time-lapse test immersed in a 64 wt% methanol aqueous solution at a constant temperature, and 15% The following are particularly preferred. Further, before and after the time-lapse test in hydrogen peroxide, the rate of change in weight, ion exchange capacity, and methanol diffusion coefficient is preferably 20% or less, and particularly preferably 10% or less. Further, in a 64 wt% aqueous methanol solution, the volume swelling rate at a constant temperature is preferably 10% or less, and particularly preferably 5% or less.
さらに、安定した吸水率および含水率をもつものが好ましい。また、アルコール類、水、アルコールと水との混合溶媒に対し、溶解度が実質的に無視できる程に小さいものであることが好ましい。また上記液に浸漬した時の重量減少、形態変化についても実質的に無視できる程小さいものであることが好ましい。 Further, those having a stable water absorption and water content are preferred. Moreover, it is preferable that it is so small that solubility is substantially negligible with respect to alcohols, water, and a mixed solvent of alcohol and water. Further, it is preferable that the weight loss and the shape change when immersed in the liquid are small enough to be substantially ignored.
固体電解質フィルムのイオン伝導性能は、イオン伝導度とメタノール透過係数との比であるいわゆる指数により表される。そして、ある方向における指数が大きいほど、その方向におけるイオン伝導性能が高いといえる。また、固体電解質フィルムの厚み方向においては、イオン伝導度は厚みに比例し、メタノール透過係数は厚みに反比例するので、厚みを変えることにより固体電解質フィルムのイオン伝導性能を制御することができる。燃料電池に用いる固体電解質フィルムでは、一方の面側にアノード電極、他方の面側にカソード電極が設けられることになるので、固体電解質フィルムの厚み方向における指数が他の方向における指数よりも大きいことが好ましい。固体電解質フィルムの厚みは10〜300μmが好ましい。例えば、イオン伝導度とメタノール拡散係数とが共に高い固体電解質の場合には、厚みが50〜200μmとなるようにフィルムを製造することが特に好ましく、イオン伝導度とメタノール拡散係数とが共に低い固体電解質の場合には、厚みが20〜100μmとなるようにフィルムをする製造することが特に好ましい。 The ionic conduction performance of the solid electrolyte film is expressed by a so-called index which is a ratio between the ionic conductivity and the methanol permeability coefficient. And it can be said that the larger the index in a certain direction, the higher the ion conduction performance in that direction. In the thickness direction of the solid electrolyte film, the ionic conductivity is proportional to the thickness, and the methanol permeability coefficient is inversely proportional to the thickness. Therefore, the ionic conductivity of the solid electrolyte film can be controlled by changing the thickness. In a solid electrolyte film used for a fuel cell, an anode electrode is provided on one side and a cathode electrode is provided on the other side. Therefore, the index in the thickness direction of the solid electrolyte film is larger than the index in the other direction. Is preferred. The thickness of the solid electrolyte film is preferably 10 to 300 μm. For example, in the case of a solid electrolyte having both high ionic conductivity and methanol diffusion coefficient, it is particularly preferable to produce a film having a thickness of 50 to 200 μm, and a solid having both low ionic conductivity and methanol diffusion coefficient. In the case of an electrolyte, it is particularly preferable to produce a film so that the thickness is 20 to 100 μm.
耐熱温度については、200℃以上であるものが好ましく、250℃以上のものがさらに好ましく、300℃以上のものが特に好ましい。ここでの耐熱温度は、1℃/分の加熱速度で加熱し、重量減少が5%に達したときの温度を意味する。なお、この重量減少は、水分等の蒸発分を除いて計算される。 The heat resistant temperature is preferably 200 ° C. or higher, more preferably 250 ° C. or higher, and particularly preferably 300 ° C. or higher. The heat-resistant temperature here means a temperature when heating is performed at a heating rate of 1 ° C./min and weight loss reaches 5%. Note that this weight reduction is calculated excluding the amount of evaporation such as moisture.
さらに、固体電解質をフィルムとしてこれを燃料電池に用いる場合には、その最大出力密度が10mW/cm2以上である固体電解質であることが好ましい。 Furthermore, when a solid electrolyte is used as a film for a fuel cell, the solid electrolyte is preferably a solid electrolyte having a maximum output density of 10 mW / cm 2 or more.
以上の固体電解質の前駆体であるポリマーを用いることにより、前駆体フィルムの製造に好適なドープを製造することができる。また、この前駆体フィルムを用いてプロトン置換することにより、燃料電池として好適な固体電解質フィルムを製造することができる。前駆体フィルムの製造に好適な溶液とは、例えば、粘度が比較的低く、濾過により異物を予め除去しやすい溶液である。 By using the polymer which is the precursor of the above solid electrolyte, a dope suitable for the production of the precursor film can be produced. Moreover, the solid electrolyte film suitable as a fuel cell can be manufactured by carrying out proton substitution using this precursor film. The solution suitable for the production of the precursor film is, for example, a solution having a relatively low viscosity and easily removing foreign matters by filtration.
ドープの溶媒としては、固体電解質の前駆体であるポリマーを溶解させることができる有機化合物であればよい。例としては、芳香族炭化水素(例えば、ベンゼン,トルエンなど)、ハロゲン化炭化水素(例えば、ジクロロメタン,クロロベンゼンなど)、アルコール(例えば、メタノール,エタノール,n−プロパノール,n−ブタノール,ジエチレングリコールなど)、ケトン(例えば、アセトン,メチルエチルケトンなど)、エステル(例えば、酢酸メチル,酢酸エチル,酢酸プロピルなど)、エーテル(例えば、テトラヒドロフラン,メチルセロソルブなど)、及び窒素を含有する化合物(N−メチルピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N’−ジメチルアセトアミド(DMAc)など)、ジメチルスルホキシド(DMSO)などが挙げられる。 The dope solvent may be an organic compound that can dissolve the polymer that is the precursor of the solid electrolyte. Examples include aromatic hydrocarbons (eg, benzene, toluene, etc.), halogenated hydrocarbons (eg, dichloromethane, chlorobenzene, etc.), alcohols (eg, methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol, diethylene glycol, etc.), Ketones (eg, acetone, methyl ethyl ketone, etc.), esters (eg, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, etc.), ethers (eg, tetrahydrofuran, methyl cellosolve, etc.), and nitrogen-containing compounds (N-methylpyrrolidone (NMP)) N, N-dimethylformamide (DMF), N, N′-dimethylacetamide (DMAc) and the like), dimethyl sulfoxide (DMSO) and the like.
ドープの溶媒は、複数の物質を混合した混合物であってもよい。溶媒を混合物とする場合には、ポリマーの良溶媒と貧溶媒との混合物とすることが好ましい。化3の構造を有する前駆体フィルムをつくる場合には、ポリマーの良溶媒と貧溶媒との混合物を溶媒として使うとよい。ポリマーが全重量の5重量%となるように溶媒とポリマーとを混合して、不溶解物の有無により、使用した溶媒がそのポリマーの貧溶媒であるか良溶媒であるかを判断することができる。ポリマーの良溶媒、つまりポリマーを溶解する物質は、溶媒として一般的に用いられる化合物の中でも沸点が比較的高い方であり、一方、貧溶媒は溶媒として一般的に用いられる化合物の中でも沸点が比較的低い方である。したがって、貧溶媒を良溶媒に混合することにより、フィルム製造工程における溶媒除去の効率及び効果を高めることができ、特に、流延膜の乾燥効率について大きく向上することができる。 The dope solvent may be a mixture of a plurality of substances. When the solvent is a mixture, it is preferable to use a mixture of a good solvent and a poor solvent for the polymer. In the case of producing a precursor film having the structure of Chemical Formula 3, it is preferable to use a mixture of a good solvent and a poor solvent of a polymer as a solvent. Mixing the solvent and polymer so that the polymer is 5% by weight of the total weight, it is possible to determine whether the solvent used is a poor solvent or a good solvent of the polymer, depending on the presence or absence of insoluble matter it can. The good solvent of the polymer, that is, the substance that dissolves the polymer, has a relatively high boiling point among the compounds generally used as the solvent, while the poor solvent has a comparative boiling point among the compounds generally used as the solvent. The lower one. Therefore, by mixing the poor solvent with the good solvent, the efficiency and effect of removing the solvent in the film production process can be enhanced, and in particular, the drying efficiency of the cast film can be greatly improved.
良溶媒と貧溶媒との混合物においては、貧溶媒の重量比率が大きいほど好ましく、具体的には10%以上100%未満であること好ましい。より好ましくは、(良溶媒の重量):(貧溶媒の重量)が90:10〜10:90であることが好ましい。これにより、全溶媒の重量における低沸点成分の割合が大きくなるので、固体電解質フィルムの製造工程における乾燥効率及び乾燥効果をより向上させることができる。 In a mixture of a good solvent and a poor solvent, the weight ratio of the poor solvent is preferably as large as possible, specifically 10% or more and less than 100%. More preferably, (weight of good solvent) :( weight of poor solvent) is 90:10 to 10:90. Thereby, since the ratio of the low boiling-point component in the weight of all the solvents becomes large, the drying efficiency and the drying effect in the manufacturing process of a solid electrolyte film can be improved more.
良溶媒成分としてはDMF、DMAc、DMSO、NMPが好ましく、中でも、安全性や沸点が比較的低いという点からDMSOが特に好ましい。貧溶媒成分としては、炭素数が1以上5以下であるいわゆる低級アルコール、酢酸メチル、アセトンが好ましく、中でも炭素数が1以上3以下の低級アルコールがより好ましく、良溶媒としてDMSOを用いた場合にはこれとの相溶性が最も優れる点からメチルアルコールが特に好ましい。 As the good solvent component, DMF, DMAc, DMSO, and NMP are preferable. Among them, DMSO is particularly preferable in terms of safety and relatively low boiling point. As the poor solvent component, a so-called lower alcohol having 1 to 5 carbon atoms, methyl acetate, and acetone are preferable. Among them, a lower alcohol having 1 to 3 carbon atoms is more preferable, and when DMSO is used as a good solvent. Methyl alcohol is particularly preferred from the viewpoint of the most excellent compatibility with it.
固体電解質フィルムの各種特性を向上させるためには、添加剤をドープに加えることができる。添加剤としては、酸化防止剤、繊維、微粒子、吸水剤、可塑剤、相溶剤等が挙げられる。これら添加剤の添加率は、ドープ中の固形分全体を100重量%としたときに1重量%以上30重量%以下の範囲とすることが好ましい。ただし、添加率及び物質の種類は、プロトン伝導性に悪影響を与えないものとする。以下に添加剤について具体的に説明する。 In order to improve various properties of the solid electrolyte film, an additive can be added to the dope. Examples of the additive include an antioxidant, fibers, fine particles, a water absorbing agent, a plasticizer, and a compatibilizer. The addition rate of these additives is preferably in the range of 1% by weight to 30% by weight when the total solid content in the dope is 100% by weight. However, the addition rate and the type of substance do not adversely affect proton conductivity. The additive will be specifically described below.
酸化防止剤としては、(ヒンダード)フェノール系、一価または二価のイオウ系、三価のリン系、ベンゾフェノン系、ベンゾトリアゾール系、ヒンダードアミン系、シアノアクリレート系、サリチレート系、オキザリックアシッドアニリド系の各化合物が好ましい例として挙げられる。具体的には、特開平8−53614号公報、特開平10−101873号公報、特開平11−114430号公報、特開2003−151346号の各公報に記載の化合物が挙げられる。 Antioxidants include (hindered) phenolic, monovalent or divalent sulfur, trivalent phosphorus, benzophenone, benzotriazole, hindered amine, cyanoacrylate, salicylate, oxalic acid anilide These compounds are listed as preferred examples. Specific examples thereof include compounds described in JP-A-8-53614, JP-A-10-101873, JP-A-11-114430, and JP-A-2003-151346.
繊維としては、パーフルオロカーボン繊維、セルロース繊維、ガラス繊維、ポリエチレン繊維等が好ましい例として挙げられ、具体的には、特開平10−312815号公報、特開2000−231938号公報、特開2001−307545号公報、特開2003−317748号公報、特開2004−63430号公報、特開2004−107461号の各公報に記載の繊維が挙げられる。 Preferred examples of the fibers include perfluorocarbon fibers, cellulose fibers, glass fibers, polyethylene fibers, and the like, and specifically, JP-A-10-31815, JP-A-2000-231938, JP-A-2001-307545. And fibers described in JP-A Nos. 2003-317748, 2004-63430, and 2004-107461.
微粒子としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム等が好ましい例として挙げられ、具体的には、特開2003−178777号、特開2004−217931号の各公報に記載の各種微粒子が挙げられる。 Examples of the fine particles include titanium oxide, zirconium oxide, and the like. Specific examples include various fine particles described in JP-A Nos. 2003-178777 and 2004-217931.
吸水剤、つまり親水性物質としては、架橋ポリアクリル酸塩、デンプン−アクリル酸塩、ポバール、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリグリコールジアルキルエーテル、ポリグリコールジアルキルエステル、合成ゼオライト、チタニアゲル、ジルコニアゲル、イットリアゲルが好ましい例として挙げられ、具体的には、特開平7−135003号、特開平8−20716号、特開平9351857号の各公報に記載の吸水剤が挙げられる。 Water-absorbing agents, that is, hydrophilic substances include cross-linked polyacrylate, starch-acrylate, poval, polyacrylonitrile, carboxymethylcellulose, polyvinylpyrrolidone, polyglycol dialkyl ether, polyglycol dialkyl ester, synthetic zeolite, titania gel, zirconia gel And yttria gel are preferable examples. Specific examples include water absorbing agents described in JP-A Nos. 7-135033, 8-20716, and 9351857.
可塑剤としては、リン酸エステル系化合物、塩素化パラフィン、アルキルナフタレン系化合物、スルホンアルキルアミド系化合物、オリゴエーテル類、芳香族ニトリル類が好ましい例として挙げられ、具体的には、特開2003−288916号、特開2003−317539号の各公報に記載の可塑剤が挙げられる。 Preferred examples of the plasticizer include phosphate ester compounds, chlorinated paraffins, alkylnaphthalene compounds, sulfone alkylamide compounds, oligoethers, and aromatic nitriles. Examples thereof include plasticizers described in JP-A Nos. 288916 and 2003-317539.
相溶剤としては、沸点または昇華点が250℃以上の物が好ましく、300℃以上のものがさらに好ましい。 As the compatibilizer, those having a boiling point or sublimation point of 250 ° C. or higher are preferable, and those having a boiling point or 300 ° C. or higher are more preferable.
ドープにはさらに、(1)フィルムの機械的強度を高める目的、(2)固体電解質フィルム中の酸濃度を高める目的で、前駆体と異なる種々のポリマーを含有させてもよい。 The dope may further contain various polymers different from the precursor for the purpose of (1) increasing the mechanical strength of the film and (2) increasing the acid concentration in the solid electrolyte film.
上記の目的のうち(1)には、分子量が10000〜1000000程度であり、前駆体と相溶性のよいポリマーが適する。例えば、パーフッ素化ポリマー、ポリスチレン、ポリエチレングリコール、ポリオキセタン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、およびこれらのうち2以上のポリマーの繰り返し単位を含むポリマーが好ましい。また、フィルムとしたときの全重量に対し1〜30重量%の範囲となるようにこれらの物質をドープに含有させることが好ましい。なお、相溶剤を用いることにより前駆体との相溶性を向上させてもよい。相溶剤としては、沸点または昇華点が250℃以上であるものが好ましく、300℃以上のものがさらに好ましい。 Among the above objects, a polymer having a molecular weight of about 10,000 to 1,000,000 and having good compatibility with the precursor is suitable for (1). For example, perfluorinated polymers, polystyrene, polyethylene glycol, polyoxetane, polyether ketone, polyether sulfone, and polymers containing two or more polymer repeating units are preferred. Moreover, it is preferable to contain these substances in dope so that it may become the range of 1-30 weight% with respect to the total weight when it is set as a film. In addition, you may improve compatibility with a precursor by using a compatibilizer. As the compatibilizer, those having a boiling point or sublimation point of 250 ° C. or higher are preferable, and those having a boiling point of 300 ° C. or higher are more preferable.
上記目的のうち(2)には、プロトン酸部位を有するポリマー等が好ましい。このようなポリマーとしては、ナフィオン(登録商標)等のパーフルオロスルホン酸ポリマー、側鎖にリン酸基を有するスルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱芳香族高分子化合物のスルホン化物等を例示することができる。また、フィルムとしたときの全重量に対し1〜30重量%の範囲となるようにこれらの物質をドープに含有させることが好ましい。 Among the above objects, (2) is preferably a polymer having a proton acid site. Examples of such a polymer include perfluorosulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark), sulfonated polyetheretherketone having a phosphate group in the side chain, sulfonated polyethersulfone, sulfonated polysulfone, and sulfonated polybenzimidazole. Examples thereof include sulfonated products of heat-resistant aromatic polymer compounds such as Moreover, it is preferable to contain these substances in dope so that it may become the range of 1-30 weight% with respect to the total weight when it is set as a film.
さらに、得られる固体電解質フィルムを燃料電池に用いる場合には、アノード燃料とカソード燃料との酸化還元反応を促進させる活性金属触媒をドープに添加してもよい。これにより、固体電解質フィルムの中に一方の極から浸透した燃料が他方の極に到達することなく固体電解質中で消費されるので、クロスオーバー現象を防止することができる。活性金属触媒は、電極触媒として機能するものであれば特に限定されないが、白金または白金を基にした合金が特に適している。 Furthermore, when the obtained solid electrolyte film is used in a fuel cell, an active metal catalyst that promotes the redox reaction between the anode fuel and the cathode fuel may be added to the dope. As a result, the fuel that has permeated into the solid electrolyte film from one electrode is consumed in the solid electrolyte without reaching the other electrode, so that the crossover phenomenon can be prevented. The active metal catalyst is not particularly limited as long as it functions as an electrode catalyst, but platinum or an alloy based on platinum is particularly suitable.
[ドープ製造]
以下に、本発明のフィルムの製造に用いるドープについて説明する。図1は、本発明に係るドープ製造設備である。ただし、本発明はここに示すドープ製造装置及び方法に限定されない。
[Dope production]
Below, dope used for manufacture of the film of this invention is demonstrated. FIG. 1 shows a dope manufacturing facility according to the present invention. However, the present invention is not limited to the dope manufacturing apparatus and method shown here.
ドープ製造設備10は、溶媒11aを貯留するための溶媒タンク11と、前駆体12aを供給するためのホッパ12と、添加剤を貯留するための添加剤タンク15と、溶媒11aと前駆体12aと添加剤とを混合して混合液16とする混合タンク17と、混合液16を加熱するための加熱装置18と、加熱された混合液16の温度を調整するための温度調整器21と、温度調整器21を出た混合液16を濾過してドープ24とする第1濾過装置22と、ドープ24の濃度を調整するためのフラッシュ装置26と、濃度調整されたドープ24を濾過するための第2濾過装置27とを備える。更に、ドープ製造設備10には、フラッシュ装置26内で揮発する溶媒を回収するための回収装置28と、回収された溶媒を再生するための再生装置29とが備えられている。また、ドープ製造設備10は、ストックタンク32を介してフィルム製造設備33に接続されている。なお、送液量を調節するためのバルブ36〜38と、送液用のポンプ41,42とがドープ製造設備10には設けられているが、これらが配される位置及び数の増減については適宜変更される。
The
ドープ製造設備10を用いてドープ24を製造する工程を以下に説明する。バルブ37を開とすることにより、溶媒11aは溶媒タンク11から混合タンク17に送られる。次に、前駆体12aがホッパ12から混合タンク17に送り込まれる。このとき、前駆体12aは、計量と送出とを連続的に行う送出手段により混合タンク17に連続的に送りこまれてもよいし、計量して所定量を送出するような送出手段により混合タンク17に断続的に送り込まれてもよい。また、添加剤溶液は、バルブ36の開閉操作により必要量が添加剤タンク15から混合タンク17に送り込まれる。
The process of manufacturing the dope 24 using the
添加剤は、溶液として送り込む方法の他に、例えば添加剤が常温で液体である場合には、その液体状態のままで混合タンク17に送り込むことができる。また、添加剤が固体の場合には、ホッパ等を用いて混合タンク17に送り込む方法も可能である。添加剤を複数種類添加する場合には、添加剤タンク15の中に複数種類の添加剤を溶解させた溶液を入れておくこともできる。または、複数の添加剤タンクを用いて、それぞれに添加剤が溶解している溶液を入れ、それぞれ独立した配管により混合タンク17に送り込むこともできる。
In addition to the method of sending the additive as a solution, for example, when the additive is liquid at room temperature, the additive can be fed into the mixing
なお、前述した説明においては、混合タンク17に入れる順番が、溶媒11a、前駆体12a、添加剤であったが、この順番に限定されるものではない。例えば、前駆体12aを混合タンク17に送り込んだ後に、好ましい量の溶媒11aを送液することもできる。また、添加剤は必ずしも混合タンク17で前駆体12aと溶媒11aと混合することに限定されず、後の工程で前駆体12aと溶媒11aとの混合物にインライン混合方式等で混合されてもよい。
In the above description, the order of putting in the
混合タンク17には、その外表を包み込み、混合タンク17との間に伝熱媒体が供給されるジャケット46と、モータ47により回転する第1攪拌機48と、モータ51により回転する第2攪拌機52とを備えている。混合タンク17は、ジャケット46の内側に伝熱媒体を供給し、これを循環させることにより、その内部の温度が調整される。混合タンク17の内部温度は、−10℃〜55℃の範囲であることが好ましい。第1攪拌機48,第2攪拌機52のタイプを適宜選択して使用することにより、前駆体12aが溶媒11aにより膨潤した混合液16を得る。なお、第1攪拌機48は、アンカー翼を有するものであることが好ましく、第2攪拌機52は、ディゾルバータイプの偏芯型攪拌機であることが好ましい。
The mixing
次に、混合液16は、ポンプ41により加熱装置18に送られる。加熱装置18は、管本体(図示しない)とこの管本体との間に伝熱媒体を通すためのジャケット(図示しない)とを有するジャケット付き管であることが好ましく、さらに、混合液16を加圧する加圧部(図示しない)を有することが好ましい。このような加熱装置18を用いることにより、加熱条件下または加圧加熱条件下で混合液16中の固形分を効果的かつ効率的に溶解させることができる。以下、このように加熱により固形成分を溶媒11aに溶解する方法を加熱溶解法と称する。加熱溶解法においては、混合液16を60℃〜250℃となるように加熱することが好ましい。
Next, the
なお、加熱溶解法に代えて冷却溶解法により固形成分を溶媒11aに溶解させてもよい。冷却溶解法とは、混合液16を温度保持した状態またはさらに低温となるように冷却しながら溶解を進める方法である。冷却溶解法では、混合液16を−100℃〜−10℃の温度に冷却することが好ましい。以上のような加熱溶解法または冷却溶解法により前駆体12aを溶媒11aに十分溶解させることが可能となる。
Note that the solid component may be dissolved in the solvent 11a by a cooling dissolution method instead of the heating dissolution method. The cooling dissolution method is a method of proceeding dissolution while cooling the
混合液16を温度調整器21により略室温とした後に、第1濾過装置22により濾過して不純物や凝集物等の異物を取り除きドープ24とする。第1濾過装置22に使用されるフィルタは、その平均孔径が10μm以下であることが好ましい。
After the
濾過後のドープ24は、バルブ38によりストックタンク32に送られて一旦貯留された後、フィルムの製造に用いられる。
The dope 24 after filtration is sent to the
ところで、上記のように、固形成分を一旦膨潤させてから、溶解して溶液とする方法は、前駆体12aの溶液における濃度を上昇させる場合ほど、ドープ製造に要する時間が長くなり、製造効率の点で問題となる場合がある。そのような場合には、目的とする濃度よりも低濃度のドープを一旦つくり、その後に目的の濃度とする濃縮工程を実施することが好ましい。例えば、バルブ38により、第1濾過装置22で濾過されたドープ24をフラッシュ装置26に送り、このフラッシュ装置26でドープ24の溶媒11aの一部を蒸発させることによりドープ24を濃縮することができる。濃縮されたドープ24はポンプ42によりフラッシュ装置26から抜き出されて第2濾過装置27へ送られる。濾過の際のドープ24の温度は、0℃〜200℃であることが好ましい。第2濾過装置27で異物を除去されたドープ24は、ストックタンク32へ送られ一旦貯留されてからフィルム製造に用いられる。なお、濃縮されたドープ24には気泡が含まれていることがあるので、第2濾過装置27に送る前に予め泡抜き処理を実施することが好ましい。泡抜き方法としては、例えばドープ24に超音波を照射する超音波照射法等の、公知の種々の方法が適用される。
By the way, as described above, the method in which the solid component is once swollen and then dissolved to form a solution increases the time required for the dope production as the concentration of the precursor 12a in the solution increases. May be problematic in terms. In such a case, it is preferable to once make a dope having a concentration lower than the target concentration and then carry out a concentration step to achieve the target concentration. For example, the dope 24 filtered by the
また、フラッシュ装置26でのフラッシュ蒸発により発生した溶媒ガスは、凝縮器(図示せず)を備える回収装置28により凝縮されて液体となり回収される。回収された溶媒は、再生装置29によりドープ製造用の溶媒として再生されて再利用される。このような回収及び再生利用により、製造コストの点での利点があるとともに、ドープ24の製造工程が閉鎖系で実施されるため、人体及び環境への悪影響を防ぐ効果がある。
Further, the solvent gas generated by the flash evaporation in the
また、ドープ24中に粗大な微粒子や異物等の不純物が含まれていると、このドープ24を用いて固体電解質フィルムとした場合、固体電解質フィルムのプロトン伝導度が低下したり、固体電解質フィルム自体が劣化したりするおそれがある。そのため、ドープ24を製造する途中の段階で、少なくとも1回以上は濾過装置を用いてドープ24を濾過することが好ましい。なお、ドープ製造設備10内での濾過装置の設置個数や設置箇所及びドープを濾過する回数は特に限定されるものではなく、必要に応じて決定すれば良い。
In addition, when impurities such as coarse particles or foreign matters are contained in the dope 24, when the dope 24 is used as a solid electrolyte film, the proton conductivity of the solid electrolyte film decreases, or the solid electrolyte film itself May deteriorate. Therefore, it is preferable to filter the dope 24 by using a filtering device at least once in the course of manufacturing the
以上の製造方法により、前駆体12aの濃度が、全重量に対し5重量%以上50重量%以下であるドープ24を製造することができる。ドープ24の前駆体12aの濃度を全重量に対し10重量%以上40重量%以下の範囲とすることがより好ましい。また、添加剤の濃度をドープ中の固形分全体を100重量%とすると1重量%以上30重量%以下の範囲とすることが好ましい。なお、ドープ24中において、溶媒11aに固形分が溶解しているかどうかは、濾過した後のドープ24を蛍光灯に照らすことで確認することができる。
By the above manufacturing method, the dope 24 in which the concentration of the precursor 12a is 5% by weight or more and 50% by weight or less with respect to the total weight can be manufactured. More preferably, the concentration of the precursor 12a of the dope 24 is in the range of 10 wt% to 40 wt% with respect to the total weight. Further, the concentration of the additive is preferably in the range of 1% by weight to 30% by weight when the entire solid content in the dope is 100% by weight. In the dope 24, whether the solid content is dissolved in the solvent 11 a can be confirmed by illuminating the filtered
[固体電解質フィルム製造工程]
次に、本発明の固体電解質フィルムの製造方法について説明する。図2に、本発明に係る固体電解質フィルム製造工程60の流れを示す。図2では、工程の流れのみを簡単に説明するものとし、各工程の詳細は図3を用いて説明する。なお、以下の説明では、固体電解質フィルムをフィルムと称する場合もある。
[Solid electrolyte film manufacturing process]
Next, the manufacturing method of the solid electrolyte film of this invention is demonstrated. In FIG. 2, the flow of the solid electrolyte film manufacturing process 60 which concerns on this invention is shown. In FIG. 2, only the flow of the process will be described briefly, and details of each process will be described with reference to FIG. In the following description, the solid electrolyte film may be referred to as a film.
固体電解質フィルム製造工程60は、ドープ24から流延膜61を形成する流延膜形成工程63と、形成した流延膜61を液に浸漬させる浸漬工程64と、支持体から流延膜61を剥ぎ取って前駆体フィルム65とする剥取工程66と、前駆体フィルム65を乾燥する第1乾燥工程67と、プロトン供与体である酸を含む液前駆体フィルム65に接触させ、水素置換フィルム65aとする酸処理工程68と、酸処理工程68を経た水素置換フィルム65aを洗浄する水洗工程69と、洗浄後の水素置換フィルム65aを乾燥して固体電解質フィルム70とする第2乾燥工程72とを有する。
The solid electrolyte film manufacturing process 60 includes a casting
流延膜形成工程63では、支持体の上にドープを流延して流延膜61を形成する。支持体は駆動ローラに巻き掛けられて無端で走行しており、流延膜61は、剥取工程63で前駆体フィルム65として剥ぎ取られるまで、この支持体の走行に伴い移動する。
In the cast
浸漬工程64では、支持体上の流延膜61を液(以下、浸漬液と称する)に浸漬する。この浸漬工程64により、流延膜61に含まれる溶媒の一部と浸漬液とが置換され(以下、溶媒置換と称する)、流延膜61に残留する溶媒量が減少する。そして、この溶媒量が一定以下になるまでこの溶媒置換を行うことにより、流延膜61に自己支持性を発現させることができる。続けて、剥取工程66では、自己支持性を有する流延膜61を支持体から剥ぎ取って前駆体フィルム65とする。なお、剥取工程66は、流延膜61が浸漬液に浸漬している間に行っても良いし、浸漬液から流延膜61を取り出した後に行っても良い。また、浸漬工程64の代わりに、流延膜形成工程63において流延膜61に乾燥した風をあてることにより、流延膜61に自己支持性を発現させて、これを剥ぎ取ったものを前駆体フィルムとしてもよい。
In the
第1乾燥工程67では、前駆体フィルム65を乾燥手段により乾燥させる。乾燥手段としては、前駆体フィルム65を乾燥させることができるものであれば良い。例えば、乾燥装置と多数の把持手段(例えば、クリップ)とを備え、把持手段により前駆体フィルム65の両側端部を固定しながら搬送する間に乾燥を促進させるテンタが挙げられ、本実施形態でも採用している。また、テンタにより前駆体フィルム65を乾燥する前に、エアナイフなどにより前駆体フィルム65の表面の水切りを行うことが好ましい。なお、テンタに関しては、後で説明する。
In the
酸処理工程68では、乾燥処理が施された前駆体フィルム65の片面301に、接触手段を用いて、酸を含む第1液300を接触する。第1液300は、前駆体フィルム65のいずれか一方の面に形成すればよい。前駆体フィルム65と第1液300との接触により、前駆体フィルム65に含まれる前駆体がプロトン置換され、固体電解質となる。すなわち、この酸処理工程68にて、前駆体フィルム65から水素置換フィルム65aが生成される。
In the
水洗工程69では、酸処理後の水素置換フィルム65aと洗浄液とを接触させることにより水素置換フィルム65aの表面に付着している、或いは水素置換フィルム65aに含まれる余分な第1液300を除去する。この水洗工程69により、水素置換フィルム65aを構成するポリマー等が酸により汚染されるのも防止することができる。
In the
また、上記のように酸処理工程68と水洗工程69とを行なうことにより、水素置換フィルム65aに含まれる固体電解質中の無機塩等の不純物を除去する効果も得ることができるため、製造するフィルム70の劣化を防止することもできる。なお、酸処理工程68及び水洗工程69を行なうことにより、水洗工程69後の水素置換フィルム65aに含まれる金属の含有量が1000ppm以下であることが好ましく、より好ましくは100ppm以下である。上記の金属としては、Na、K、Ca、Fe、Ni、Cr、Zn等が挙げられる。これらの金属の含有量は、例えば、市販の原子吸光光度計により測定することで把握することができる。
In addition, by performing the
第2乾燥工程72では、再度、乾燥手段により水素置換フィルム65aを乾燥させる。通常は、エアナイフなどの水切り手段で十分に水膜を除去できるため、乾燥工程は必要ないが、透明樹脂フィルムをロール状に巻き取る前に、好ましい含水率に調整するために加熱乾燥したり、逆に設定された湿度を有する風で調湿したりも出来る。これにより、優れたプロトン伝導性を発現する固体電解質フィルム70を得ることができる。
In the
次に、浸漬工程64、剥取工程66、酸処理工程68及び水洗工程69の詳細について説明する。
Next, the details of the
浸漬工程64では、流延膜61を浸漬液に浸漬することにより、前駆体フィルムは自己支持性を発現する。前駆体フィルムが自己支持性を発現する要因としては、次のとおりである。
(1)水と流延膜61中に含まれる溶媒の一部との置換により、残留溶媒量が低減する。(2)前駆体の貧溶媒である水に浸漬することにより、前駆体フィルム65が固化する。
こうして、剥取工程66において、自己支持性を有する流延膜61を前駆体フィルム65として容易に剥ぎ取ることができると同時に、後の第1乾燥工程67における、前駆体フィルム65の残留溶媒の除去をすることができる。
In the
(1) The amount of residual solvent is reduced by replacing water with a part of the solvent contained in the
Thus, in the stripping
この浸漬液は、溶媒11aよりも低い沸点であり、前駆体12aに対して貧溶媒であればよい。また、この浸漬工程を複数回行っても良い。浸漬工程を複数回行う場合は、後の浸漬工程になるに従って沸点が低くなるように各工程の浸漬液を選択することが好ましい。この複数回の浸漬工程により、前駆体フィルムに含まれる残留溶媒の沸点を低下させることが可能になるため、浸漬工程の後に行う乾燥工程を容易にすることができる。 This immersion liquid has a boiling point lower than that of the solvent 11a and may be a poor solvent with respect to the precursor 12a. Moreover, you may perform this immersion process in multiple times. When performing an immersion process in multiple times, it is preferable to select the immersion liquid of each process so that a boiling point may become low as it becomes a subsequent immersion process. Since it becomes possible to reduce the boiling point of the residual solvent contained in the precursor film by this multiple dipping process, the drying process performed after the dipping process can be facilitated.
浸漬液としては、流延膜61に含まれる溶媒よりも沸点が低く、有機溶媒の良溶媒であることが好ましい。このような浸漬液に流延膜61を浸漬すると、流延膜61内に含まれる有機溶媒が抽出される速度が向上するとともに、後の乾燥工程において流延膜61に残留した有機溶媒の除去をすることが容易になる。この浸漬液として、純水を用いることが好ましい。
The immersion liquid preferably has a lower boiling point than the solvent contained in the
なお、流延膜61の溶媒置換の方法としては、流延膜61を浸漬液に浸漬する方法に限られず、例えば、流延膜61に浸漬液を接触させる方法を用いても良い。この浸漬液を接触させる方法の具体的なものとして、例えば、支持体上の流延膜61に浸漬液を吹付ける或いは塗布する方式等が挙げられる。
In addition, the method of solvent replacement of the
酸処理工程68における第1液300と前駆体フィルム65の片面301との接触方式としては、(1)前駆体フィルム65に第1液300を均一に接触させることができること(2)片面301に接触する第1液300の量の調節が容易であること、の要件を満たす方式が好ましい。この接触方式としては、エクストルージョン、スライドなどのダイコータ、順転ロール、逆転ロール、グラビアなどのロールコータ、細い金属線を巻いたロッドコータ等が好ましく利用できる。これらの塗布方式に関しては、Modern Coating and Drying Technology, Edward Cohen and Edgar B. Gutoff, Edits., VCH Publishers, Inc, 1992にまとめられている。塗布される第1液300は、その後、水洗除去するため、環境保護のための廃液処理を考えた場合、極力塗布量を抑えることが望ましい。この観点では、少ない塗布量域でも安定に操作できるロッドコータ、グラビアコータ、ブレードコータが好ましく利用できる。
As a contact method between the
第1液300は、酸性の水溶液に限られず、プロトン置換において、前駆体のプロトン受容体にプロトンを与え得るものであればよい。例えば、酸がアニオンとプロトンに電離した際、アニオンよりもプロトン受容性が大きいものを前駆体として用いる場合には、第1液300に酸を用いてもよい。
The
また、第1液300に含まれる酸として、例えば、硫酸、リン酸、硝酸や有機スルホン酸等を用いることができる。上記に列挙する酸のうち、アニオンの式量が40以上1000以下である酸を使用すると、プロトン置換を阻害するアニオンが前駆体フィルム65に侵入しにくくなるため、高効率のプロトン置換を行うことができる。具体的には、硫酸、リン酸、硝酸などを挙げることができるが、中でも、アニオンの式量が大きい硫酸を使用することが好ましい。
Moreover, as an acid contained in the
第1液300として、上述した酸を水、或いは有機溶剤と水との混合液に酸を溶解させたものを用いることができる。本発明で用いる水として、純水を用いる。本発明に用いられる純水とは、比電気抵抗が少なくとも1MΩ以上であり、特にナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウムなどの金属イオンは1ppm未満、クロル、硝酸などのアニオンは0.1ppm未満を指す。純水は、逆浸透膜、イオン交換樹脂、蒸留などの単体、あるいは組み合わせによって、容易に得ることができる。
As the
本発明で用いる有機溶剤は1種でも複数組み合わせてもかまわないが、前駆体フィルム65を溶解したり膨潤したりしないものを選ぶ必要がある。本発明に用いられる有機溶剤の例としては、新版溶剤ポケットブック(オーム社、1994年刊)などに挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えばアルコール類(メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、シクロヘキサノール、ベンジルアルコール、フッ素化アルコール)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン)、エステル類(酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル)、多価アルコール類(エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、エチレングリコールジエチルエーテル)、N,N−ジメチルホルムアミド、パーフルオロトリブチルアミン、トリエチルアミン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルセルソルブなどが挙げられる。
The organic solvent used in the present invention may be one kind or a combination of two or more kinds, but it is necessary to select one that does not dissolve or swell the
第1液300に含まれるプロトンの濃度(以下、プロトン濃度と称する)は、0.05mol/l以上である。第1液300のプロトン濃度が0.05mol/l未満であると、前駆体フィルム65におけるプロトン置換が十分に行われず好ましくない。なお、プロトン濃度とは、従来用いられていた規定度を表す概念であり、第1液のプロトン濃度とは、第1液300中に含まれ、プロトンとなりうる水素原子の濃度を表す。
The concentration of protons contained in the first liquid 300 (hereinafter referred to as proton concentration) is 0.05 mol / l or more. When the proton concentration of the
プロトン置換の際、前駆体フィルム65の片面301の温度が高くなるほど、プロトン置換が促進される。特に前駆体フィルム65のガラス転移温度Tg近傍では、プロトン置換の反応速度が最も大きくなる。そのため、(1)酸処理工程68における前駆体フィルム65の加熱する(2)所望の温度に保持された第1液300を前駆体フィルム65に接触させる、のいずれかの方法、または、これらの方法の組合せにより、酸処理工程68におけるプロトン置換に要する時間を短縮することができる。
In proton substitution, proton substitution is promoted as the temperature of one surface 301 of the
本発明における第1液300の温度は、反応させたい温度(=前駆体フィルム65のガラス転移温度Tg)に等しいことが望ましいが、使用する第1液300の種類によっては、Tgが第1液300の沸点を越えてしまうことがある。安定な塗布を行うためには、第1液300の沸点未満、好ましくは沸点(℃)の90%未満、更に好ましくは沸点(℃)の80%未満の温度に設定する。また、フィルムの製造ラインが設置される環境を考慮すると、第1液300の温度は室温以上であることが好ましく、30度以上に調整することがより好ましい。
In the present invention, the temperature of the
酸処理工程68において、前駆体フィルム65aの片面301の加熱手段として、片面301への熱風の衝突、加熱ロールによる接触伝熱、マイクロ波による誘導加熱、赤外線ヒータによる輻射熱加熱等が好ましく利用できる。特に赤外線ヒータは、非接触、かつ空気の流れを伴わずに行えるので、第1液300が塗布された片面301面への影響を最小にできるため好ましい。赤外線ヒータの種類としては、例えば(株)ノリタケカンパニーリミテド製の電気式、ガス式、オイル式、スチーム式などの各種遠赤外セラミックヒータが利用できる。特に熱媒体がオイル、またはスチームを用いるオイル式ならびにスチーム式は、有機溶剤が共存する雰囲気では防爆の観点で好ましい。水素置換フィルム65aの温度は、25℃以上150℃未満、好ましくは25℃以上100℃未満、更に好ましくは40℃以上80℃未満である。フィルム温度の検出には、一般に市販されている非接触の赤外線温度計が利用でき、上記温度範囲に制御するために、加熱手段に対してフィードバック制御を行ってもよい。
In the
この酸処理工程68において、前駆体フィルム65に高効率のプロトン置換を行うためには、前駆体フィルム65の残留溶媒量が、乾量基準に対して1重量%以上100重量%以下であることが好ましい。残留溶媒量が乾量基準に対して1重量%以下まで乾燥を進めると乾燥時間が長くなり、好ましくなく、残留溶媒量が乾量基準に対して100重量%以上の前駆体フィルム65に酸処理を行うと膜の空隙率が大きくなってしまい、好ましくない。なお、この乾量基準による残留溶媒量は、サンプリング時におけるフィルム重量をx、そのサンプリングフィルムを乾燥した後の重量をyとするとき{(x−y)/y}×100で算出される値である。
In this
この酸処理工程68において、前駆体フィルム65の前駆体がプロトンに置換された割合(以下、プロトン置換率と称する)が80モル%以上であることが好ましく、プロトン置換率が90モル%以上であることがより好ましい。このような高いプロトン置換率のプロトン置換を行なうことにより、優れたプロトン伝導性の固体電解質フィルム70を製造することができる。
In the
水洗工程69における水素置換フィルム65aの水洗方法としては、水素置換フィルム65aを連続搬送しながら実施することを考慮すると、洗浄液を塗布する方法、洗浄液を吹き付ける方法、洗浄液の入った容器に水素置換フィルム65aごと浸漬する方法が挙げられ、これらの方法のうちいずれの方法を用いても良い。
In consideration of carrying out the
水洗に使用する洗浄液の量は、少なくとも下記に定義される理論希釈率を上回る量を用いなければならない。
理論希釈倍率 = 洗浄液の塗布量[ml/m2]÷第1液300の塗布量[ml/m2]
すなわち、水洗に使用される洗浄液の全てが第1液300の希釈混合に寄与したという仮定の理論希釈率を定義する。実際には、完全混合は起こらないので、理論希釈率を上回る洗浄液量を使用することとなる。用いた第1液のプロトン濃度や副次添加物、溶媒の種類にもよるが、少なくとも100〜1000倍、好ましくは500〜1万倍、さらに好ましくは1000〜十万倍の希釈が得られる洗浄液を使用する。
The amount of the cleaning solution used for washing with water must be at least an amount exceeding the theoretical dilution rate defined below.
Theoretical dilution factor = application amount of cleaning liquid [ml / m 2 ] ÷ application amount of first liquid 300 [ml / m 2 ]
That is, the theoretical dilution ratio is defined on the assumption that all of the cleaning liquid used for the water washing contributed to the dilution and mixing of the
水洗方法は、ある決まった洗浄液の量を用いる場合、一度に全量適用するよりも数回に分割して適用する回分式洗浄方法が好ましい。即ち、洗浄液の量を幾つかに分けて、水素置換フィルム65aの搬送方向にタンデムに設置した複数の水洗手段に供給する。一つの水洗手段と次の水洗手段との間には適当な時間(距離)を設けて、拡散による第1液300の希釈を進行させる。さらに好ましくは、搬送される水素置換フィルム65aに傾斜を設けるなどして、フィルム上の洗浄液がフィルム面に沿って流れる様にすれば、拡散に加えて、流動による混合希釈が得られる。最も好ましい方法としては、水洗手段と水洗手段の間に水素置換フィルム65a上の洗浄液の膜を除去する水切り手段を設けることで、更に水洗希釈効率を高められる。具体的な水切り手段としては、ブレードコータに用いられるブレード、エアナイフコーターに用いられるエアナイフ、ロッドコータに用いられるロッド、ロールコータに用いられるロールが挙げられる。こうしたタンデムに配置された水洗手段の数は、多いほうが有利であるが、設置スペースならびに設備コストの観点より、通常は2〜10段、好ましくは2〜5段が使用される。
In the case of using a certain amount of cleaning liquid, the water-washing method is preferably a batch-type cleaning method in which it is divided and applied several times, rather than being applied all at once. That is, the amount of the cleaning liquid is divided into several parts and supplied to a plurality of water washing means installed in tandem in the transport direction of the
水切り手段後の洗浄液の膜(以下、水膜と称する)の厚みは、薄い方が好ましいが、用いる切り手段の種類によって、水素置換フィルム65aに残留する水膜の厚みが異なる。ブレード、ロッド、ロールなど、物理的に固体を水素置換フィルム65aに接触させる方法においては、例え固体がゴムなどの硬度の低い弾性体であったとしても、水素置換フィルム65aの表面にキズを付けたり、弾性体が磨り減ったりするので有限の水膜を潤滑流体として残す必要がある。通常は、数μm以上、好ましくは10μm以上の水膜を潤滑流体として残存させる。
The thickness of the cleaning liquid film (hereinafter referred to as the water film) after the draining means is preferably thin, but the thickness of the water film remaining on the hydrogen-substituted
極限まで水膜厚みを減少させられる水切り手段としては、エアナイフを用いることが好ましい。十分な風量と風圧を設定することにより、水膜厚みをゼロに近づけることが出来る。ただし、エアナイフからのエアの吹出し量が大きすぎると、ばたつきや寄りなど、水素置換フィルム65aの搬送安定性に影響を及ぼすことがあるので、好ましい範囲が存在する。水素置換フィルム65a上の元の水膜厚み、水素置換フィルム65aの搬送速度にもよるが、通常は10〜500m/秒、好ましくは20〜300m/秒、より好ましくは30〜200m/秒の風速を使用する。また、均一に水膜除去を行うためには、水素置換フィルム65aの幅方向の風速分布を、通常は10%以内、好ましくは5%以内になる様、エアナイフの吹出し口やエアナイフへの給気方法を調整する。搬送する透明樹脂フィルム表面とエアナイフ吹出し口の間隙が狭くなるほど、その水切り能力が増すが、水素置換フィルム65aと接触して傷付ける可能性が高くなるため、適当な範囲がある。通常は、10μm〜10cm、好ましくは100μm〜5cm、さらに好ましくは500μm〜1cmの間隙をもって、エアナイフを設置する。さらに、エアナイフと対向する様に、水素置換フィルム65aの水洗面と反対側にバックアップロールを設置することで、間隙の設定が安定するとともに、水素置換フィルム65aのバタツキやシワ、変形などの影響を緩和することができるために好ましい。
An air knife is preferably used as a draining means that can reduce the thickness of the water film to the limit. By setting a sufficient air volume and pressure, the water film thickness can be brought close to zero. However, if the amount of air blown from the air knife is too large, it may affect the transport stability of the hydrogen-substituted
洗浄液には、純水を用いることが好ましい。また、酸を洗い流す高い効果を得るために、使用する洗浄液の温度は30℃以上洗浄液の沸点以下とすることが好ましい。ただし、洗浄液の温度は、略室温から沸騰するまでの温度範囲であれば特に限定されるものではない。 It is preferable to use pure water as the cleaning liquid. In order to obtain a high effect of washing out the acid, the temperature of the cleaning liquid used is preferably 30 ° C. or higher and the boiling point of the cleaning liquid or lower. However, the temperature of the cleaning liquid is not particularly limited as long as it is in a temperature range from approximately room temperature to boiling.
[固体電解質フィルム製造設備]
図3に、本実施形態で用いるフィルム製造設備33を示す。フィルム製造設備33は、固体電解質フィルム製造工程60に基づいて設計された設備である。ただし、このフィルム製造設備33は本発明の一例であり、本発明を限定するものではない。
[Solid electrolyte film manufacturing equipment]
FIG. 3 shows a
フィルム製造設備33は、支持体上にドープ24を流延して流延膜61を形成する流延室80と、支持体の走行に伴い流延膜61を搬送する間に乾燥手段により流延膜61を乾燥する搬送室81と、支持体から流延膜61を剥ぎ取って前駆体フィルム65を得た後、前駆体フィルム65の乾燥を促進させるテンタ83と、更に前駆体フィルム65の乾燥を促進させてフィルム70とする乾燥室84と、フィルム70を調湿する調湿室85と、調湿後のフィルム70をロール状に巻き取る巻取室86とを備えている。また、耳切装置105と乾燥室84との間には、酸処理室88が配される。
The
フィルム製造設備33は、ストックタンク32を介してドープ製造設備10と接続されている。ストックタンク32には、モータ90により回転する攪拌機91が備えられている。ドープ製造設備10で調製されたドープ24は、ストックタンク32に貯留される。攪拌機91は、常時回転しているため、ドープ24の中に固形分の析出や凝集が発生するのを抑制してドープ24の状態を均一に保持することができる。なお、このようにドープ24を攪拌している際に、ドープ24に対して、各種添加剤を適宜混合させることもできる。
The
流延室80には、ドープ24を流出する流延ダイ93と、走行する支持体である流延バンド94とを備える。流延ダイ93の材質としては、析出硬化型のステンレス鋼が好ましく、その熱膨張率は2×10−5(℃−1)以下であることが好ましい。そして、電解質水溶液での強制腐食試験でSUS316と略同等の耐腐食性を有し、さらに、ジクロロメタン、メタノール、水の混合液に3ヵ月浸漬しても気液界面にピッティング(孔開き)が生じないような耐腐食性を有するものが好ましい。なお、流延ダイ93は、鋳造後1ヶ月以上経過した素材を研削加工することにより作製されることが好ましく、これにより、流延ダイ93の内部をドープ24が一様に流れ、後述する流延膜61にスジなどが生じることが防止される。流延ダイ93のドープ24と接する、いわゆる接液面は、その仕上げ精度が表面粗さで1μm以下、真直度がいずれの方向にも1μm/m以下であることが好ましい。流延ダイ93のスリットのクリアランスは、自動調整により0.5mm〜3.5mmの範囲で調整可能とされている。流延ダイ93のリップ先端の接液部の角部分について、その面取り半径Rは、流延ダイ93の全巾にわたり一定かつ50μm以下とされている。流延ダイ93はコートハンガー型のダイが好ましい。
The casting
流延ダイ93の幅は特に限定されるものではないが、最終製品となるフィルム70の幅の1.1倍〜2.0倍程度であることが好ましい。また、製膜の際のドープ24の温度が所定温度に保持されるように、流延ダイ93の温度を制御する温度コントローラが流延ダイ93に取り付けられることが好ましい。さらに、流延ダイ93には、幅方向に所定の間隔で複数備えられた厚み調整ボルト(ヒートボルト)と、このヒートボルトによりスリットの隙間を調整する自動厚み調整機構が備えられることがより好ましい。ヒートボルトは予め設定されるプログラムによりポンプ(高精度ギアポンプが好ましい)95の送液量に応じてプロファイルを設定し製膜を行うことが好ましい。ドープの送り量を精緻に制御するために、ポンプ95は高精度ギアポンプであることが好ましい。また、フィルム製造設備33中には、例えば赤外線厚み計のような厚み測定機を設け、厚みプロファイルに基づく調整プログラムと厚み測定機による検知結果とにより、自動厚み調整機構へのフィードバック制御を行ってもよい。製品としてのフィルム70の両側端を除く任意の2つの位置での厚み差が1μm以内となるように、先端リップのスリット間隔を±50μm以下に調整できる流延ダイ93を用いることが好ましい。
The width of the casting die 93 is not particularly limited, but is preferably about 1.1 to 2.0 times the width of the
流延ダイ93のリップ先端には硬化膜が形成されていることがより好ましい。硬化膜の形成方法は、特に限定されるものではないが、セラミックスコーティング、ハードクロムめっき、窒化処理方法などが挙げられる。硬化膜としてセラミックスを用いる場合には、研削することができ気孔率が低く脆くなく耐腐食性が良く、かつドープ24との親和性や密着性がないものが好ましい。具体的には、タングステン・カーバイド(WC)、Al2 O3 、TiN、Cr2 O3 などが挙げられるが、中でも特に好ましくはWCである。WCコーティングは、溶射法で行うことができる。 It is more preferable that a cured film is formed at the lip end of the casting die 93. The method for forming the cured film is not particularly limited, and examples thereof include ceramic coating, hard chrome plating, and a nitriding method. In the case of using ceramics as the cured film, it is preferable to use a ceramic that can be ground, has a low porosity, is not brittle, has good corrosion resistance, and has no affinity or adhesion to the dope 24. Specific examples include tungsten carbide (WC), Al 2 O 3 , TiN, Cr 2 O 3 and the like. Among them, WC is particularly preferable. The WC coating can be performed by a thermal spraying method.
ドープ24が流延ダイ93のリップ先端で局所的に乾燥固化することを防止するために、リップ先端に溶媒を供給するための溶媒供給装置(図示しない)をリップ先端近傍に取り付けることが好ましい。溶媒が供給される位置は、流延ビードの両端部とリップ先端の両端部と外気とにより形成される三相接触線の周辺部が好ましい。供給される溶媒の流量は、片側それぞれに対し0.1mL/分〜1.0mL/分とすることが好ましい。これにより、異物、例えばドープ24から析出した固形成分や外部から流延ビードに混入したものが流延膜61中に混合してしまうことを防止することができる。なお、溶媒を供給するポンプとしては、脈動率が5%以下のものを用いることが好ましい。
In order to prevent the dope 24 from locally drying and solidifying at the lip tip of the casting die 93, it is preferable to attach a solvent supply device (not shown) for supplying a solvent to the lip tip in the vicinity of the lip tip. The position where the solvent is supplied is preferably a peripheral portion of a three-phase contact line formed by both ends of the casting bead, both ends of the lip tip, and the outside air. The flow rate of the supplied solvent is preferably 0.1 mL / min to 1.0 mL / min for each side. Thereby, it is possible to prevent foreign matters such as solid components precipitated from the dope 24 and those mixed in the casting bead from the outside from being mixed in the
流延ダイ93の下方には、回転ローラ97,98に掛け渡される流延バンド94が設けられている。流延バンド94は、少なくともいずれか一方の回転ローラの駆動回転により連続的に搬送される。この流延バンド94は、流延室80、搬送室81及び後述するタンクを巡回するように無端で搬送される。
A casting
流延バンド94の幅は特に限定されるものではないが、ドープ24の流延幅の1.1倍〜2.0倍の範囲のものを用いることが好ましい。また、長さは20m〜200m、厚みは0.5mm〜2.5mmであり、表面粗さは0.05μm以下となるように研磨されていることが好ましい。
The width of the
流延バンド94の素材は特に限定されるものではなく、例えば、ステンレス等の無機材料であっても良いし、有機材料からなるプラスチックフィルムでも良い。プラスチックフィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム、ポリブチレンテレフタレート(PBT)フィルム、ナイロン6フィルム、ナイロン6,6フィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリイミドフィルム等の不織布のプラスチックフィルムが挙げられる。使用する溶媒、製膜温度に対応できるような化学的安定性と耐熱性とをもつ長尺物であることが好ましい。なお、本実施形態では、流延バンド94としてプラスチックフィルムであるPETフィルムを使用している。
The material of the
回転ローラ97,98の内部には、伝熱媒体が取り付けられているものを用いて、これにより流延バンド94の表面温度を所定の値にすることが好ましい。本実施形態では、回転ローラ97,98に伝熱媒体流路(図示しない)が形成されており、その流路中を、所定の温度に保持されている伝熱媒体が通過することにより、回転ローラ97,98の温度が所定の値に保持されるものとなっている。流延バンド94の表面温度は、溶媒の種類、固形成分の種類、ドープ24の濃度等に応じて適宜設定する。
It is preferable to use a roller having a heat transfer medium attached inside the
回転ローラ97,98、及び流延バンド94に代えて回転ドラム(図示しない)を支持体として用いることもできる。この場合には、回転速度ムラが0.2%以下となるように高精度で回転できるものであることが好ましい。回転ドラムは、表面の平均粗さが0.01μm以下であることが好ましく、表面がハードクロムめっき処理等を施されているものが好ましい。これにより、十分な硬度と耐久性とを向上させることができる。なお、回転ドラム、流延バンド94、回転ローラ97,98は、表面欠陥が最小限に抑制されていることが好ましい。具体的には、30μm以上のピンホールが無く、10μm以上30μm未満のピンホールは1個/m2 以下であり、10μm未満のピンホールは2個/m2 以下であることが好ましい。
Instead of the
流延ダイ93の近傍には、流延ダイ93から流延バンド94にかけて形成されるリボン状のドープ24、すなわち流延ビードの流延バンド94走行方向における上流側を圧力制御するために減圧チャンバ(図示しない)を設けることが好ましい。また、流延バンド94の近傍には送風装置(図示しない)を設けて、流延膜61の溶媒を蒸発させるために風を吹き付けることが好ましい。なお、上記の送風装置には遮風板を設けて、流延膜61の形状を乱すような風が流延膜61にあたるのを抑制することが好ましい。その他に、流延室80には、その内部温度を所定の値に保つための温度コントローラと、揮発している有機溶媒を凝縮回収するための凝縮器(コンデンサ)(共に図示しない)とが設けられる。このコンデンサは、凝縮液化した有機溶媒を回収するための回収装置が備えられている形態であることが好ましい。
In the vicinity of the casting die 93, a decompression chamber is provided to control the pressure on the upstream side in the running direction of the
搬送室81の内部には、所望の温度になるよう調整した乾燥風を送り出して流延膜61の乾燥を促進させる送風機(図示しない)が備えられている。また、搬送室81は、複数の区画に分け、更に各区画内に乾燥装置を取り付ける等して、各区画の乾燥温度が異なるように調整することが好ましい。これにより、流延膜61を徐々に乾燥することができるので、急激に溶媒が揮発してしわやつれなどの形状変化が発生するのを抑制することができる。搬送室81における区画の個数等は特に限定されるものではないが、搬送室81内の乾燥温度を30℃以上60℃以下の範囲となるように調整することが好ましい。また、搬送室81には、流延膜61を乾燥する際に発生する揮発溶剤を回収するための凝縮器(コンデンサ)99を設けている。凝縮器99は、凝縮液化した有機溶媒を回収するための回収装置が備えられている形態であることが好ましい。
Inside the
搬送室81の下流には、剥取ローラ100を備えるタンク101が設けられている。本実施形態のタンク101には、浸漬液として純水が貯留されており、流延バンド94と共に流延膜61をタンク101内に浸漬させる。
A
タンク101の下流でありテンタ83の上流には、前駆体フィルム65の両面方向に向けられた送風口を備える一対のエアナイフ103が設けられている。また、テンタ83には、乾燥風を送り出す乾燥装置と、チェーン(図示しない)の走行に伴い走行する多数のクリップ104とが備えられている。そして、テンタ83の下流には、前駆体フィルム65の両端部(耳部)を切り落とす耳切装置105が設けられている。耳切装置105には、切り取られた前駆体フィルム65の両側端部(耳と称される)の屑を細かく切断処理するためのクラッシャ105aが接続されている。
A pair of
酸処理室88には、図4のように、塗布装置110と、塗布装置110の下流に配される第1水槽111及び第2水槽112とが設けられる。
As shown in FIG. 4, the acid treatment chamber 88 is provided with a
塗布装置110は、エクストルージョン方式のダイコータである。塗布装置110は、酸を含む第1液300が貯留する槽115と接続する供給口116と、供給口116から供給された第1液300を流出する流出口117とを備える。流出口117は、前駆体フィルム65の幅方向に延びる開口部を備える。供給装置115から第1液300が供給されると、塗布装置110は、第1液300を開口部から排出し、第1液300を前駆体フィルム65の片面に均一に塗布する。この第1液300の塗布により、前駆体フィルム65の当該片面に塗膜301aが形成される。
The
また、槽115と塗布装置110とを接続する管118の間には、ポンプやバルブが備えられる。このポンプやバルブの操作によって、前駆体フィルム65の片面上に所望量の第1液300を塗布することができる。更に、槽115は、第1液300の温度調節部115aを備えている。この温度調節部115aにより、第1液300の温度は、所望の温度に保持される。
A pump and a valve are provided between the
なお、このような塗布装置110により、前駆体フィルム65の片面上に塗布する第1液300の量を、2ml/m2以上100ml/m2以下にすることが好ましい。第1液300の塗布量が2ml/m2以下である場合には、前駆体フィルム65におけるプロトン置換反応が十分行われず、第1液300の塗布量が100ml/m2以上である場合には、フィルムを安定に搬送することができず好ましくない。
In addition, it is preferable that the quantity of the
また、塗布装置110の下流側には、赤外線ヒータ(以下、ヒータと称する)120が配される。ヒータ120は、水素置換フィルム65aを加熱し、水素置換フィルム65aの片面301を所望の温度にすることができる。本実施形態では、第1液300として硫酸水溶液を用いるため、ヒータ120の加熱による片面301の温度は、80℃以上100℃以下であることが好ましい。
An infrared heater (hereinafter referred to as a heater) 120 is disposed on the downstream side of the
第1水槽111には、洗浄液として水200が貯留されている。第2水槽112には、洗浄液として水201が貯留されている。第1水槽111及び第2水槽112は、温度調節部111aに接続される。温度調節部111aは、第1水槽111及び第2水槽112に貯留される水200及び201の温度を、独立して保持することができる。また、第1水槽111及び第2水槽112の下流には、1組のエアナイフ(図示しない)が、水素置換フィルム65aの搬送路に対し、対向するようにそれぞれ配される。
The
図3に示すように、乾燥室84には、多数のパスローラ127と、乾燥室84の内部の揮発溶媒を回収するために吸着回収装置128と、乾燥風を供給する乾燥装置(図示しない)とが備えられている。また、乾燥室84の下流に配される調湿室85には、乾燥室84と同じパスローラ127と温度制御装置と湿度制御装置(共に図示しない)とが備えられている。調湿室85の下流には、除電バー等の除電装置(図示しない)を設けて、水素置換フィルム65aの帯電圧を所定の範囲(例えば、−3kV〜+3kV)となるように調整することが好ましく、更には、ナーリング付与ローラ対(図示しない)を設けて、水素置換フィルム65aの両側端部にエンボス加工でナーリングを付与することが好ましい。巻取室86の内部には、フィルム70を巻き取るための巻取ロール130と、巻き取り時のテンションを制御するためのプレスローラ131とが備えられている。
As shown in FIG. 3, the drying
次に、上記のフィルム製造設備33を用いてフィルム70を製造する方法の一例を説明する。
Next, an example of a method for manufacturing the
ストックタンク32に貯留されているドープ24をポンプ95により濾過装置96に送り込み、濾過することによりドープ24中に含まれる所定粒径よりも大きい微粒子や異物、及びゲル状の異物等を取り除く。
The dope 24 stored in the
濾過後のドープ24を流延ダイ93に送り込んだ後、流延ダイ93から流延ビードを形成させながら流延バンド94の上に流延する。この場合、流延バンド94に生じるテンションが103 N/m×106 N/mとなるように、回転ローラ97,98の相対位置、及び少なくともいずれか一方の回転速度が調整する。また、流延バンド94と回転ローラ97,98との相対速度差は、0.01m/分以下となるように調整する。なお、流延時においては、使用するドープ24の濃度及び所望のフィルム製品の厚みを考慮して、ドープ24の流延量を決定する。
After the filtered
流延バンド94の速度変動を0.5%以下とし、流延バンド94が一周する際に生じる幅方向における蛇行は1.5mm以下とすることが好ましい。なお、この蛇行を抑制するためには、流延バンド94の両端の位置を検出する検出器(図示しない)と、この検出器による検出データに応じて流延バンド94の位置を調整する位置調整機(図示しない)とを設けて、流延バンド94の位置をフィードバック制御することがより好ましい。その他にも、流延ダイ93の直下における流延バンド94について、回転ローラ97,98の回転に伴う上下方向の位置変動が200μm以内となるようにすることが好ましい。流延室80には温度コントローラ(図示しない)を設けて、これにより−10℃〜57℃とされることが好ましい。流延室80の内部で蒸発した溶媒は回収装置(図示しない)により回収した後、再生させてドープ製造用の溶媒として再利用すると、製造コスト低減を実現できる等の効果を得る上でも好ましい。
The speed fluctuation of the
流延ビードの様態を安定させるために、このビードに関し上流側のエリアが所定の圧力値となるように減圧チャンバで制御することが好ましい。減圧チャンバによる減圧値は、ビードに関し下流側のエリアよりも−2500Pa〜−10Paとすることが好ましい。なお、減圧チャンバにジャケット(図示しない)を取り付けて、内部温度が所定の温度を保つようにすることが好ましい。また、流延ビードの形状を所望のものに保つために、流延ダイ93のエッジ部に吸引装置(図示しない)を取り付けて流延ビードの両側を吸引することが好ましい。このエッジ吸引風量は、1L/分〜100L/分の範囲であることが好ましい。 In order to stabilize the state of the casting bead, it is preferable to control in the decompression chamber so that the upstream area of the bead has a predetermined pressure value. The reduced pressure value by the decompression chamber is preferably −2500 Pa to −10 Pa from the downstream area with respect to the bead. It is preferable to attach a jacket (not shown) to the decompression chamber so that the internal temperature is kept at a predetermined temperature. In order to keep the shape of the casting bead desired, it is preferable to attach a suction device (not shown) to the edge portion of the casting die 93 to suck both sides of the casting bead. The edge suction air volume is preferably in the range of 1 L / min to 100 L / min.
流延バンド94上の流延膜61を、回転ローラ97,98を駆動させることにより流延バンド94を走行させて流延室80及び搬送室81内を搬送する。搬送室81内では、乾燥装置(図示しない)から乾燥風を供給して流延膜61の乾燥を促進させる。また、コンデンサ99は、搬送室81の内部の揮発溶媒を凝縮して回収する。
The
続けて、流延膜61が形成された流延バンド94をタンク101に送り込んで、浸水液に浸漬させる。なお、本実施形態では、浸水液として水を使用している。そして、流延バンド94から流延膜61を剥取ローラ100により剥ぎ取って前駆体フィルム65を得る。前駆体フィルム65は、ガイドローラにより所定の方向に案内される。また、流延膜61が剥ぎ取られた後の流延バンド94は、回転ローラ97,98の駆動に伴い無端で走行しているため、再度流延室80内に送り込まれる。
Subsequently, the
なお、タンク101内において、流延膜61を水に浸漬させる形態は特に限定されるものではないが、流延膜61を水溶液に浸漬させる時間を1分以上60分以下とすることにより、流延膜61の自己支持性を発現させ、流延バンド94から前駆体フィルム65を剥ぎ取ることができる。
The form in which the
続けて、ガイドローラによって、前駆体フィルム65がタンク101から送り出される。エアナイフ103により前駆体フィルム65の表面にエアーを吹き付けて、前駆体フィルム65の表面に付着している水分を除去する。この前駆体フィルム65をテンタ83に送り込む。テンタ83では、クリップ104で前駆体フィルム65の両側端部を把持して、チェーンの走行に伴い搬送する。この前駆体フィルム65の搬送の間に、所望の温度に調整した乾燥風を前駆体フィルム65にあてて、前駆体フィルム65の乾燥を促進させる。ただし、クリップ104をピンに代えて、このピンを前駆体フィルム65の両側端部に突き刺すことにより保持してから搬送させても良い。このとき、乾燥風の温度を調整することにより、テンタ83の内部の温度を80℃以上140℃以下とすることが好ましい。本実施形態では、その内部の温度を約120℃となるように調整する。また、本実施形態ではテンタ83の内部を搬送方向で異なった温度ゾーンとして4分割して、そのゾーン毎に乾燥条件を適宜調整することが好ましい。
Subsequently, the
テンタ83では、前駆体フィルム65を幅方向に延伸させることが可能とされている。テンタ83に送り込む前の前駆体フィルム65に付与する搬送方向における張力を調整することにより、前駆体フィルム65を搬送方向に延伸することも可能である。また、前駆体フィルム65を延伸する場合には、前駆体フィルム65の搬送方向と幅方向との少なくとも1方向を、延伸前の寸法に対し100.5%〜300%の寸法となるように延伸することが好ましい。これにより、前駆体フィルム65の分子配向を調整することができる。
In the
前駆体フィルム65を耳切装置105に送り込み、ここでその両側端部を切断除去する。このようにクリップで傷ついた前駆体フィルム65の両側端部を切除することで、平面性に優れるフィルム70を得ることができる。なお、切断された両側端部は、カッターブロワ(図示しない)によりクラッシャ105aに送り込られ、ここで粉砕してチップとなる。このチップを、ドープ製造用のポリマー原料として再利用すると、原料の有効利用或いは製造コストの低減を図ることが出来る。なお、前駆体フィルム65の両側端部を切断する工程は省略することもできるが、前駆体フィルム65として支持体から剥ぎ取った後、フィルムを巻き取るまでのいずれかで行うことが好ましい。
The
塗布装置110を用いて、両側端部が切断された前駆体フィルム65の片面に、酸を含む第1液300を塗布する。そして、ヒータ120を用いて、この前駆体フィルム65の片面301を80℃以上100℃以下に加熱する。このヒータ120の加熱により、前駆体フィルム65においてプロトン置換が十分に行われ、前駆体フィルム65が水素置換フィルム65aとなる。
Using the
次に、プロトン置換が十分に行われた水素置換フィルム65aを第1水槽111に送り込んで、水素置換フィルム65aを水200に浸漬し、洗浄する。洗浄した水素置換フィルム65aを水200から除去する。次に、エアナイフを用いて、この水素置換フィルム65aに付着する水200を水切りする。水切りされた水素置換フィルム65aを、第1水槽112に送り込んで、水素置換フィルム65aを水201に浸漬し、洗浄する。洗浄した水素置換フィルム65aを水200から除去する。エアナイフを用いて、この水素置換フィルム65aに付着する水200を水切りする。また、第1水槽111及び第2水槽112では、水200、201の温度が30℃以上に保持されているため、洗浄工程における水素置換フィルム65aに付着した酸の除去効果が向上する。
Next, the
続けて、水素置換フィルム65aを乾燥室84に送り込む。乾燥室84では、パスローラ127に巻き掛けながら水素置換フィルム65aを搬送する間に乾燥装置から乾燥風を供給して乾燥させる。乾燥室84の内部温度は、特に限定されるものではないが、固体電解質の耐熱性(ガラス転移点Tg、熱変形温度、融点Tm、連続使用温度等)に応じて決定され、Tg以下とすることが好ましく、本発明では、乾燥室84の内部温度は80℃以上200℃以下とすることが好ましく、フィルム70の残留溶媒量が乾量基準に対して10重量%未満となるまで乾燥することが好ましい。なお、フィルム70から蒸発して発生した溶媒ガスは、吸着回収装置108により吸着回収してから、溶媒成分を除去した後、再度、乾燥風として乾燥室84の内部に送りこむ。
Subsequently, the
乾燥室84は、送風温度を変えるために、搬送方向で複数の区画に分割されていることがより好ましい。また、耳切装置105と乾燥室84との間に予備乾燥室(図示しない)を設けて水素置換フィルム65aを予備乾燥すると、乾燥室84で水素置換フィルム65aの温度が急激に上昇することが防止されるので、乾燥室84での水素置換フィルム65aの大幅な形状変化を抑制して、形状変化の少ないフィルム70を得ることができる。
It is more preferable that the drying
フィルム70を調湿室85に搬入する。調湿室85では、乾燥室84と同様にパスローラ127に巻き掛けながらフィルム70を搬送する間に、温度制御装置と湿度制御装置により所望の温度及び湿度となるように調整することにより調湿して、その含水量を制御する。なお、調湿室85内の温度及び湿度は特に限定されるものではないが、温度は20℃以上30℃以下であることが好ましく、湿度は40RH%以上70RH%以下であることが好ましい。これにより、フィルム70の表面にカールが発生したり、巻き取る際に巻取り不良が発生したりするのを抑制することができる。なお、乾燥室84と調湿室85との間に冷却室(図示しない)を設けてフィルム70を略室温まで冷却すると、温度変化によりフィルム70が形状変化するのを抑制することができるので好ましい。
The
調湿室85と巻取室86との間に除電装置(図示しない)を設けて、フィルム70が搬送されている間に帯電圧を所定の値とする。除電後の帯電圧は、−3kV〜+3kVとされることが好ましい。更に、フィルム70は、ナーリング付与ローラ対を設けて、ナーリングが付与されることが好ましい。なお、ナーリングを付与した箇所の凹凸の高さが1μm〜200μmであることが好ましい。
A static eliminator (not shown) is provided between the
最後に、フィルム70を巻取室86に送り込んで、プレスローラ131で張力を付与しながら巻取ロール130に巻き取る。これにより、しわやつれ等の発生を抑制しながらロール状のフィルム70を得ることができる。このようにプレスローラ131で所望のテンションをフィルム70に付与しつつ巻き取ると、平面性に優れるロール状のフィルム製品を得ることができるので好ましい。なお、フィルムロールにおける過度な巻き締めを防止するために、上記のテンションは巻取開始時から終了時まで徐々に変化させることがより好ましい。また、巻き取られるフィルム70の幅は100mm以上であることが好ましいが、本発明は、フィルム70の厚みが5μm以上300μm以下の薄いフィルムを製造する際にも本発明は適用される。
Finally, the
以上のように、本発明では固体電解質フィルム製造工程10の各工程に基づき複数の装置が組み合わされたフィルム製造設備33を用いてフィルム70を製造するようにしたので、今までオフラインで行なわれていた酸処理等も含めて、いずれの工程もオンラインで連続的に行なうことができる。これにより、高プロトン伝導度を有するフィルム70を連続して大量に生産することが可能となる。
As described above, in the present invention, since the
上記実施形態において、水洗工程69において、水素置換フィルム65aを洗浄液に浸漬する方法の代わりに、水素置換フィルム65aに洗浄液を吹き付ける方法を用いても良い。本発明に用いられる水吹きつけ方法の具体的例として、エクトルージョンあるいは、ファウンテンコーター、フロッグマウスコーター等の塗布ヘッドを用いる方法、空気の加湿や塗装、タンクの自動洗浄などに利用されるスプレーノズルを用いる方法が挙げられる。これらの塗布方式に関しては、「コーティングのすべて」荒木正義編集、(株)加工技術研究会(1999年)にまとめられている。また、スプレーノズルについては、(株)いけうち、スプレーイングシステムズ社の円錐状、扇状などのスプレーノズルを透明樹脂フィルムの幅方向に配列して、全幅に水流が衝突する様に設置することができる。
In the above embodiment, in the
水の吹き付け速度は、大きいほうが高い乱流混合が得られるが、連続搬送する透明樹脂フィルムの搬送安定性を損なう危険があるので好ましい範囲がある。通常は、50〜1000cm/秒、好ましくは100〜700cm/秒、より好ましくは100〜500cm/秒の衝突速度でアルカリ性塗布液面に吹き付ける。 The higher the water spray speed, the higher the turbulent mixing, but there is a preferable range because there is a risk of impairing the transport stability of the transparent resin film that is continuously transported. Usually, it sprays on the alkaline coating liquid surface with the impact speed of 50-1000 cm / sec, Preferably it is 100-700 cm / sec, More preferably, it is 100-500 cm / sec.
前述した固体電解質フィルム製造工程10では、酸処理工程68において、前駆体フィルム65の片面に第1液300を塗布する塗布装置110を用いたが、これに加えて、前駆体フィルム65の他面に第2液302を塗布する塗布装置170を用いても良い。図5に、塗布装置110に加えて、ロッドコータ式の塗布装置170を用いる場合の酸処理室88の概要を示す。なお、前述した実施形態と同様の装置や部材については同様の符号を用い、これらの詳細の説明は省略する。
In the solid electrolyte
前述した酸処理室88において、塗布装置170は、塗布装置110の上流側に配される。塗布装置170は、ローラ171と、容器172と、ガイドローラ173a及び173bとから構成される。また、ヒータ175は、前駆体フィルム65を介して、ヒータ120と対向する位置に配される。容器172には、酸を含む第2液302が貯留されている。容器172は、温度調節部172aに接続され、この温度調節部172aにより第2液302の温度が所定値に保持される。ローラ171は、円筒状に形成される。ローラ171は、ローラ171の周面の一部が第2液302に浸るように容器172内に配される。ローラ171の軸151aは、モータ(図示しない)に接続する。モータの駆動により、ローラ171は軸171aを中心に所定方向に所定速度で回転する。ローラ171の回転により、第2液302中に浸っていたローラ171の周面が第2液302から露出する。この露出したローラ171の周面には所定量の第2液302が付着する。ローラ171の回転に従い、周面に付着した第2液302が前駆体フィルム65へと案内される。
In the acid treatment chamber 88 described above, the
ガイドローラ173aは、ローラ171の上流側に配され、ガイドローラ173bは、ローラ171の下流側に配される。これらガイドローラ173a、173bは、耳切装置105から酸処理室88へ送られてきた前駆体フィルム65を所定の方向に搬送する。
The
これらガイドローラ173a、173bにより搬送された前駆体フィルム65の他面303、つまり片面と反対側の面は、第2液302を搬送するローラ171の周面に接触する。前駆体フィルム65の他面303とローラ171の周面との接触により、ローラ171の周面上の第2液302が前駆体フィルム65の他面303上に連続的に塗布される。こうして、前駆体フィルム65の他面303には塗膜303aが形成される。
The other surface 303 of the
他面303上に塗膜303aが形成された前駆体フィルム65は、ガイドローラ173a、173bによって塗布装置110へ案内される。塗布装置110は、前駆体フィルム65の片面301に第1液300を塗布し、塗膜301aを片面上301に形成する。
The
両面に第1液300及び第2液302の塗膜301a及び303aが形成された前駆体フィルム65は、ヒータ120、175に搬送される。ヒータ120は、前駆体フィルム65の片面301を加熱し、ヒータ175は、前駆体フィルム65の他面303を加熱する。こうして、第1液300及び第2液302が塗布された片面301及び他面303が所望の温度に加熱され、前駆体フィルム65に含まれる前駆体12aがプロトン置換されて、固体電解質となる。このようにして得られた水素置換フィルム65bは、前述した実施形態と同様に、水洗工程69及び第2乾燥工程72を経て、フィルム70bとなる。
The
ヒータ175は、所望の温度で、前駆体フィルム65の他面303を加熱することができる。ヒータ175の加熱による前駆体フィルム65の温度は、ヒータ120と同様に、80℃以上100℃以下であることが好ましい。
The heater 175 can heat the other surface 303 of the
第1液300は、前述した実施形態と同様のものを用いる。第2液302は、純水、或いは、酸を含む液、のいずれかを用いてもよい。第2液302が、酸を含む液の場合は、第1液300より低いプロトン濃度であり、第1液300と第2液302とのプロトン濃度の差が0.05mol/l以上であるものを用いる。第1液300と第2液302とのプロトン濃度の差が0.05mol/l未満であると、前駆体フィルム65におけるプロトン置換が十分に行われず好ましくない。また、第1液300と同様に、第2液302として、アニオンの式量が40以上1000以下である酸を使用することにより、酸処理工程68において高効率のプロトン置換を行うことができる。更に、第1液300と同様に、第2液302の温度を30℃以上第2液302の沸点以下に調整することにより、プロトン置換率を更に向上することができる。
The
この塗布装置170により、前駆体フィルム65の他面303上における第2液302の塗布量を、2ml/m2以上100ml/m2以下にすることが好ましい。第2液302の塗布量が2ml/m2以下である場合には、前駆体フィルム65におけるプロトン置換が十分に行われない。一方、第2液302の塗布量が100ml/m2以上である場合には、フィルムを安定に搬送することができず好ましくない。なお、前述した塗布装置170に代えて、上述した塗布手段、塗布装置110、ロッドコータやグラビアコータなど公知の塗布手段を用いてもよい。固体電解質フィルム製造工程60をオンライン方式で行うこと、及び、第1液300及び第2液300の塗布量の調節の容易性を考慮すると塗布装置110或いは170を用いることがより好ましい。
With this
なお、上記実施形態では、(1)前駆体フィルム65の他面303に第2液302の塗布(2)前駆体フィルム65の片面301に第1液300の塗布(3)前駆体フィルム65の両面の加熱、の順に各工程を行ったが、これに限らず、他の順序で行っても良い。すなわち、所定の酸の濃度の第1及び第2液302をそれぞれの面に塗布し、所定の温度で各面を加熱し、前駆体フィルム65にてプロトン置換を行えばよい。例えば、前駆体フィルム65の片面301に第1液300を塗布し、片面301を加熱し、その後、前駆体フィルム65の他面303に第2液302を塗布し、他面303を加熱する、等としてもよい。
In the above embodiment, (1) Application of the second liquid 302 to the other surface 303 of the precursor film 65 (2) Application of the
なお、前述した前駆体フィルム65を乾燥させ、ロールに巻き取られたフィルムや、前駆体フィルム65から切り出された前駆体フィルム片189に、酸処理工程68、水洗工程69、第2乾燥工程72を逐次施すことにより、固体電解質フィルムを得ることができる。なお、これらの固体電解質フィルムの製造工程は、オンライン方式に限らず、オフライン方式で各工程を行っても良い。
The above-described
以下、オフライン方式で前駆体フィルム65の両面に酸処理を行う装置の一例として、酸処理装置190を例に挙げて説明する。なお、本発明に用いられる酸処理装置は、以下に限られるものではない。図6に示すように、酸処理装置190は、パイプ191と、マントルヒータ193と、固定リング195とから構成される。マントルヒータ193は、容器193aと温度制御部193bとを備える。温度制御部193bは、所定の加熱量で容器193aを加熱する。容器193aには、第1液300が貯留されている。
Hereinafter, as an example of an apparatus that performs acid treatment on both surfaces of the
パイプ191は、その両端部に開口部191a、開口部191bを備える。開口部191a側の周面上には、嵌合溝が形成される。固定リング195は、中空部を有する。固定リング195の片端195a側の中空部の内径は、パイプ191の外径と略同一の寸法に形成される。一方、他端195b側の中空部の内周面上には、固定部195が形成される。この固定部195の形成により、他端195側の中空部の内径は、パイプ191の内径と略同一の寸法に形成される。そして、固定リング195の片端195a側の内周面には、パイプ191の嵌合溝に嵌合可能な溝が形成される。固定部195cの内径は、こうして、固定リング195の片端195a側と、パイプ191の開口部191a側とを嵌合することができる。
The
前駆体フィルム65から所定の寸法に切り出された前駆体フィルム片189を、パイプ191の開口部191aと、固定リング195の端面195aとの間に配する。固定リング195とパイプ191とを嵌合すると、前駆体フィルム片189を介して、固定部195cと端面191cとが当接する。こうして、前駆体フィルム片189が固定リング195の開口部191aを塞ぐように保持される。
A precursor film piece 189 cut out to a predetermined size from the
このパイプ191を、開口部191aから第1液300に浸漬する。そして、パイプ191の他端の開口部191cから所定量の第2液302を注ぐ。マントルヒータ193の温度制御部193bにより容器193aが加熱され、第1液300、第2液302の加熱を介して、前駆体フィルム片189が所望温度で加熱される。こうして、酸処理装置190により、前駆体フィルム片189の両面に第1液300及び第2液302を接触させて、酸処理を行うことができる。
The
溶液製膜方法では、支持体から剥ぎ取られたフィルム(固体電解質フィルム)を巻き取るまでの間に、乾燥工程や側端部の切除除去工程などの様々な工程が行われている。これらの各工程内、あるいは各工程間では、フィルムは主にローラにより支持または搬送されている。これらのローラには、駆動ローラと非駆動ローラとがあり、非駆動ローラは、主に、フィルムの搬送路を決定するとともに搬送安定性を向上させるために使用される。 In the solution casting method, various steps such as a drying step and a side edge portion excision and removal step are performed before the film (solid electrolyte film) peeled off from the support is wound up. In each of these processes or between each process, the film is mainly supported or conveyed by a roller. These rollers include a driving roller and a non-driving roller, and the non-driving roller is mainly used for determining a film conveyance path and improving conveyance stability.
本実施形態では、1種類のドープを流延する場合を示したが、本発明では、2種類以上のドープを同時に共流延して積層タイプの流延膜を形成しても良いし、逐次に共流延させて積層タイプの流延膜を形成させても良い。なお、2種類以上のドープを同時に共流延する場合には、フィードブロックを取り付けた流延ダイを用いても良いし、マルチマニホールド型流延ダイを用いても良い。ただし、共流延により多層からなるフィルムは、表面に露出する2層のうちいずれか一層が、フィルム全体の厚みの0.5%〜30%であることが好ましい。また、同時に共流延をする場合には、ダイスリットから支持体にドープを流延する際に、高粘度ドープが低粘度ドープにより包み込まれて流延されるように各ドープの濃度を予め調整しておくことが好ましく、ダイスリットから支持体にかけて形成されるビードのうち、外界と接する、つまり露出するドープが内部のドープよりも貧溶媒の比率が大きい処方とされることが好ましい。 In the present embodiment, the case where one kind of dope is cast is shown. However, in the present invention, two or more kinds of dopes may be co-cast simultaneously to form a laminated type casting film, or sequentially. Alternatively, a laminated type cast film may be formed by co-casting. In the case where two or more kinds of dopes are co-cast simultaneously, a casting die provided with a feed block may be used, or a multi-manifold casting die may be used. However, as for the film which consists of a multilayer by co-casting, it is preferable that any one of the two layers exposed on the surface is 0.5% to 30% of the total thickness of the film. In addition, when co-casting at the same time, when dope is cast from the die slit to the support, the concentration of each dope is adjusted in advance so that the high-viscosity dope is wrapped and cast by the low-viscosity dope. In the bead formed from the die slit to the support, it is preferable that the dope in contact with the outside world, that is, the exposed dope has a larger proportion of the poor solvent than the inner dope.
なお、前駆体フィルムを製造する方法を上記方法に代えて、細孔が複数形成されている、いわゆる多孔質基材の細孔に前駆体を保持させて、上記実施形態とは異なる前駆体フィルムを製造することができる。このような前駆体フィルムの製造方法としては、前駆体が含まれるゾル−ゲル反応液を多孔質基材上に塗布して細孔に前駆体を入れる方法、多孔質基材を前駆体が含まれるゾル−ゲル反応液に浸漬し、細孔内に前駆体を満たす方法等がある。多孔質基材の好ましい例としては、多孔性ポリプロピレン、多孔性ポリテトラフルオロエチレン、多孔性架橋型耐熱性ポリエチレン、多孔性ポリイミドなどが挙げられる。また、前駆体を繊維状に加工し、繊維中の空隙を他の高分子化合物等で満たし、その繊維を用いてフィルム状とすることにより前駆体フィルムを形成することもできる。この場合には、空隙を満たすための他の高分子化合物の例としては、本明細書における添加剤として挙げた物質を挙げることができる。これらの各前駆体フィルムについて、上述した酸処理によるプロトン置換を行うことにより、固体電解質フィルムを製造することができる。 In addition, it replaces with the said method the method of manufacturing a precursor film, a precursor film different from the said embodiment is made to hold | maintain a precursor to the pore of what is called a porous base material in which multiple pores are formed. Can be manufactured. As a method for producing such a precursor film, a method in which a sol-gel reaction liquid containing a precursor is applied onto a porous substrate and the precursor is put into pores, and the porous substrate includes the precursor. There is a method of immersing in a sol-gel reaction solution to fill the precursor in the pores. Preferable examples of the porous substrate include porous polypropylene, porous polytetrafluoroethylene, porous cross-linked heat-resistant polyethylene, and porous polyimide. Alternatively, the precursor film can be formed by processing the precursor into a fiber shape, filling the voids in the fiber with another polymer compound, and forming the film using the fiber. In this case, examples of the other polymer compound for filling the void include the substances mentioned as additives in the present specification. About each of these precursor films, a solid electrolyte film can be manufactured by performing proton substitution by the acid treatment mentioned above.
本発明の固体電解質フィルムは、燃料電池用、特に特に直接メタノール型燃料電池用のプロトン伝導膜として好適に利用することができる他に、燃料電池の2つの電極に挟まれる固体電解質フィルムとして用いることができる。さらに、各種電池(レドックスフロー電池、リチウム電池等)における電解質、表示素子、電気化学センサー、信号伝達媒体、コンデンサ、電気透析、電気分解用電解質膜、ゲルアクチュエーター、塩電解膜、プロトン交換樹脂としても本発明の固体電解質フィルムを用いることができる。 The solid electrolyte film of the present invention can be suitably used as a proton conductive membrane for a fuel cell, in particular, a direct methanol fuel cell, and also used as a solid electrolyte film sandwiched between two electrodes of a fuel cell. Can do. Furthermore, as electrolytes, display elements, electrochemical sensors, signal transmission media, capacitors, electrodialysis, electrolytic membranes for electrolysis, gel actuators, salt electrolytic membranes, proton exchange resins in various batteries (redox flow batteries, lithium batteries, etc.) The solid electrolyte film of the present invention can be used.
(燃料電池)
以下に、固体電解質フィルムを電極膜複合体(Membrane and Electrode Assembly,以下、MEAと称する)に使用する例と、この電極膜複合体を燃料電池に用いる例とを説明する。ただし、ここに示すMEA及び燃料電池の様態は本発明の一例であり、本発明はこれに限定されない。本実施形態に用いる固体電解質フィルムは、前述したフィルム70でもフィルム70bいずれでもよい。以下、フィルム70を用いる場合を例に挙げて、MEA及び燃料電池の様態について説明する。図7は、MEAの断面概略図である。MEA161は、フィルム70と、このフィルム70を挟んで対向するアノード電極162及びカソード電極163とを備える。
(Fuel cell)
Hereinafter, an example in which the solid electrolyte film is used for an electrode membrane composite (hereinafter referred to as MEA) and an example in which the electrode membrane composite is used for a fuel cell will be described. However, the modes of the MEA and the fuel cell shown here are examples of the present invention, and the present invention is not limited thereto. The solid electrolyte film used in this embodiment may be either the
アノード電極132は多孔質導電シート132aとフィルム70に接する触媒層132bとを有し、カソード電極133は多孔質導電シート133aとフィルム70に接する触媒層133bとを有する。多孔質導電シート132a,133aとしては、カーボンペーパー等がある。触媒層132b,133bは、白金粒子等の触媒金属を担持したカーボン粒子をプロトン伝導材料に分散させた分散物からなる。カーボン粒子としては、例えばケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ等があり、プロトン伝導材料としては、例えば、ナフィオン(登録商標)等がある。
The
MEA131の製造方法としては、次の4つの方法が好ましい。
(1)プロトン伝導材料塗布法:活性金属担持カーボン、プロトン伝導材料、溶媒を含む触媒ペースト(インク)をフィルム70の両面に直接塗布し、多孔質導電シート132a,133aを(熱)塗布層に圧着して5層構成のMEAを作製する。
(2)多孔質導電シート塗布法:触媒層132b,133bの材料を含んだ液、例えば触媒ペーストを、多孔質導電シート132a,133aの表面に塗布し、触媒層132b,133bを形成させた後、フィルム70と圧着し、5層構成のMEA131を作製する。
(3)Decal法:触媒ペーストをPTFE上に塗布し、触媒層132b,133bを形成させた後、フィルム70に触媒層132b,133bのみをうつし、3層構造を形成し、これに多孔質導電シート132a,133aを圧着し、5層構成のMEA131を作製する。
(4)触媒後担持法:白金未担持カーボン材料をプロトン伝導材料とともに混合したインクをフィルム70、多孔質導電シート132a,133aあるいはPTFE上に塗布・製膜した後、白金イオンを含む液にフィルム70を含浸させ、白金粒子をフィルム中で還元析出させて触媒層132b,133bを形成させる。触媒層132b,133bを形成させた後は、上記(1)〜(3)の方法にてMEA131を作製する。
As the manufacturing method of the
(1) Proton conductive material coating method: A catalyst paste (ink) containing active metal-carrying carbon, proton conductive material, and solvent is directly applied to both surfaces of the
(2) Porous conductive sheet coating method: After a liquid containing the material of the catalyst layers 132b and 133b, for example, a catalyst paste, is applied to the surfaces of the porous
(3) Decal method: a catalyst paste is applied on PTFE to form catalyst layers 132b and 133b, and then only the catalyst layers 132b and 133b are formed on the
(4) Post-catalyst support method: After coating and forming a
ただし、MEAの作り方としては、上記の方法には限定されず、公知の各種方法を適用することができる。例えば、上記の(1)〜(4)の方法の他に次の方法がある。触媒層132b,133bの材料を含んだ塗布液を予めつくり、この塗布液を支持体に塗布して乾燥する。触媒層132b,133bが形成された支持体を、触媒層132b,133bがフィルム70に接するようにフィルム70の両面にそれぞれ重ねて圧着する。そして支持体を剥がしてから、触媒層132b,133bが両面に形成されたフィルム70を多孔質導電シート132a,133aで挟み込む。そして、多孔質導電シート132a,133aと触媒層132b,133bとを密着させてMEAを製造することができる。
However, the method of making the MEA is not limited to the above method, and various known methods can be applied. For example, in addition to the above methods (1) to (4), there are the following methods. A coating solution containing the materials of the catalyst layers 132b and 133b is prepared in advance, and this coating solution is applied to a support and dried. The support on which the catalyst layers 132b and 133b are formed is pressure-bonded on the both surfaces of the
図8は、燃料電池の概略図である。燃料電池141は、MEA131と、MEA131を挟持する一対のセパレータ142,143と、これらのセパレータ142,143に取り付けられたステンレスネットからなる集電体146と、パッキン147とを有する。アノード極側のセパレータ142にはアノード極側開口部151が設けられ、カソード極側のセパレータ143にはカソード極側開口152設けられている。アノード極側開口部151からは、水素、アルコール類(メタノール等)等のガス燃料またはアルコール水溶液等の液体燃料が供給され、カソード極側開口部152からは、酸素ガス、空気等の酸化剤ガスが供給される。
FIG. 8 is a schematic view of a fuel cell. The fuel cell 141 includes an
アノード電極132およびカソード電極133には、カーボン材料に白金などの活性金属粒子が担持された触媒が用いられる。通常用いられる活性金属の粒子サイズは、2〜10nmの範囲である。ただし、粒子サイズが小さいほど単位重量当りの表面積が大きくなるので活性が高まり有利であるが小さすぎると凝集させることなく分散させることが難しくなるために、2nm程度が小ささの限度といわれている。
A catalyst in which active metal particles such as platinum are supported on a carbon material is used for the
水素−酸素系燃料電池における活性分極はアノード極、つまり水素極に比べ、カソード極、つまり空気極の方が大きい。これは、カソード極の反応、つまり酸素の還元反応の速度がアノード極に比べて遅いためである。酸素極の活性向上を目的として、Pt−Cr、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Cu、Pt−Feなどのさまざまな白金基二元金属を用いることができる。アノード燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール燃料電池においては、メタノールの酸化過程で生じるCOによる触媒被毒を抑制するために、Pt−Ru、Pt−Fe、Pt−Ni、Pt−Co、Pt−Moなどの白金基二元金属、Pt−Ru−Mo、Pt−Ru−W、Pt−Ru−Co、Pt−Ru−Fe、Pt−Ru−Ni、Pt−Ru−Cu、Pt−Ru−Sn、Pt−Ru−Auなどの白金基三元金属を用いることができる。活性金属を担持させるカーボン材料としては、アセチレンブラック、Vulcan XC−72、ケチェンブラック、カーボンナノホーン(CNH)、カーボンナノチューブ(CNT)が好ましく用いられる。 The active polarization in the hydrogen-oxygen fuel cell is larger in the cathode electrode, that is, the air electrode than in the anode electrode, that is, the hydrogen electrode. This is because the rate of the cathode electrode reaction, that is, the oxygen reduction reaction, is slower than that of the anode electrode. For the purpose of improving the activity of the oxygen electrode, various platinum-based binary metals such as Pt—Cr, Pt—Ni, Pt—Co, Pt—Cu, and Pt—Fe can be used. In a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution as the anode fuel, in order to suppress catalyst poisoning by CO generated during the oxidation process of methanol, Pt—Ru, Pt—Fe, Pt—Ni, Pt—Co, and Pt—Mo are used. Pt-Ru-Mo, Pt-Ru-W, Pt-Ru-Co, Pt-Ru-Fe, Pt-Ru-Ni, Pt-Ru-Cu, Pt-Ru-Sn, etc. A platinum group ternary metal such as Pt—Ru—Au can be used. As the carbon material for supporting the active metal, acetylene black, Vulcan XC-72, ketjen black, carbon nanohorn (CNH), and carbon nanotube (CNT) are preferably used.
触媒層132b,133bは、(1)燃料を活性金属に輸送すること、(2)燃料の酸化(アノード極)、還元(カソード極)反応の場を提供すること、(3)酸化還元により生じた電子を集電体146に伝達すること、(4)反応により生じたプロトンを固体電解質、つまりフィルム70に輸送すること、という機能をもつ。(1)のために触媒層132b,133bは、液体および気体燃料が奥まで透過できる多孔質性とされる。(2)についてはカーボン材料に担持される活性金属触媒が担い、(3)は同じくカーボン材料が担う。そして、(4)の機能を果たすために、触媒層132b,133bにプロトン伝導材料を混在させる。触媒層のプロトン伝導材料としては、プロトン供与基を持った固体であれば制限はないが、酸残基を有する高分子化合物、例えばナフィオン(登録商標)に代表されるパーフルオロスルホン酸、側鎖リン酸基ポリ(メタ)アクリレート、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリベンズイミダゾールなどの耐熱性芳香族高分子のスルホン化物等が好ましく用いられる。フィルム70に含まれる固体電解質を触媒層132b,133bに用いると、触媒層132b,133bとフィルム70とが同種の材料となるため、固体電解質と触媒層との電気化学的密着性が高まり、プロトン伝導の点でより有利である。活性金属の使用量を0.03〜10mg/cm2 の範囲とすることが、電池出力と経済性との観点から適する。活性金属を担持するカーボン材料の量は、活性金属の重量に対して1〜10倍であることが好ましい。プロトン伝導材料の量は、活性金属担持カーボンの重量に対して、0.1〜0.7倍が好ましい。
The catalyst layers 132b and 133b are generated by (1) transporting the fuel to the active metal, (2) providing a field for the oxidation (anode electrode) and reduction (cathode electrode) reaction of the fuel, and (3) oxidation / reduction. And (4) transports protons generated by the reaction to the solid electrolyte, that is, the
触媒層132b,133bは、電極基材、透過層、あるいは裏打ち材とも呼ばれ、集電機能および水がたまりガスの透過が悪化するのを防ぐ役割を担う。通常は、カーボンペーパーやカーボン布を使用し、撥水化のためにポリテトラフルオロエチレン(PTFE)処理を施したものを使用することもできる。 The catalyst layers 132b and 133b are also referred to as an electrode base material, a permeable layer, or a backing material, and play a role of preventing current collection and deterioration of gas permeation and accumulation of water. Usually, carbon paper or carbon cloth can be used, and polytetrafluoroethylene (PTFE) treated for water repellency can be used.
MEAは電池に組み込み、燃料を充填した状態での交流インピーダンス法による面積抵抗値が3Ωcm2 以下のものが好ましく、1Ωcm2 以下のものがさらに好ましく、0.5Ωcm2 以下のものが最も好ましい。面積抵抗値は実測の抵抗値とサンプルの面積の積から得られる。 MEA is incorporated into a battery, preferably having an area resistance value of 3Omucm 2 below by the AC impedance method in a state filled with fuel, more preferably those of 1 .OMEGA.cm 2 or less, and most preferably those 0.5Omucm 2 below. The area resistance value is obtained from the product of the actually measured resistance value and the area of the sample.
燃料電池の燃料として用いることのできるものを説明する。アノード燃料としては、水素、アルコール類(メタノール、イソプロパノール、エチレングリコールなど)、エーテル類(ジメチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタンなど)、ギ酸、水素化ホウ素錯体、アスコルビン酸などが挙げられる。カソード燃料としては、酸素(大気中の酸素も含む)、過酸化水素などが挙げられる。 What can be used as a fuel of a fuel cell will be described. Examples of the anode fuel include hydrogen, alcohols (such as methanol, isopropanol, and ethylene glycol), ethers (such as dimethyl ether, dimethoxymethane, and trimethoxymethane), formic acid, borohydride complex, and ascorbic acid. Examples of the cathode fuel include oxygen (including oxygen in the atmosphere) and hydrogen peroxide.
直接メタノール型燃料電池では、アノード燃料として、メタノール濃度3〜64重量%のメタノール水溶液が使用される。アノード反応式(CH3 OH+H2 O→CO2 +6H+ +6e− )により、1モルのメタノールに対し、1モルの水が必要であり、この時のメタノール濃度は64重量%に相当する。メタノール濃度が高い程、同エネルギー容量での燃料タンクを含めた電池の重量および体積が小さくできる利点がある。しかしながら、メタノール濃度が高い程、メタノールが固体電解質フィルムを透過しカソード側で酸素と反応し電圧を低下させる、いわゆるクロスオーバー現象が顕著となり、出力が低下する傾向にある。そこで、用いる固体電解質フィルムのメタノール透過性により、最適濃度が決められる。直接メタノール型燃料電池のカソード反応式は、(3/2)O2 +6H+ +6e− →H2 Oであり、燃料として酸素(通常は空気中の酸素)が用いられる。 In the direct methanol fuel cell, a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 3 to 64% by weight is used as the anode fuel. According to the anode reaction formula (CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − ), 1 mol of water is required for 1 mol of methanol, and the methanol concentration at this time corresponds to 64% by weight. The higher the methanol concentration, there is an advantage that the weight and volume of the battery including the fuel tank with the same energy capacity can be reduced. However, as the methanol concentration is higher, the so-called crossover phenomenon, in which methanol permeates the solid electrolyte film and reacts with oxygen on the cathode side to lower the voltage, becomes more prominent, and the output tends to decrease. Therefore, the optimum concentration is determined by the methanol permeability of the solid electrolyte film to be used. The cathode reaction formula of the direct methanol fuel cell is (3/2) O 2 + 6H + + 6e − → H 2 O, and oxygen (usually oxygen in the air) is used as the fuel.
上記アノード燃料およびカソード燃料を、それぞれの触媒層132b,133bに供給する方法としては、(1)ポンプ等の補助機器を用いて強制的に送りこむ方法(アクティブ型)と、(2)補助機器を用いない方法、例えば、燃料が液体である場合には毛管現象や自然落下により、気体である場合には大気に触媒層をさらして供給するパッシブ型との2通りの方法があり、また、(1)と(2)とを組み合わせることも可能である。(1)は、カソード側で生成する水を抜き出すことにより、燃料として高濃度のメタノールを使用することができ、空気供給による高出力化ができる等の利点がある反面、燃料供給系を備える事により小型化がし難い欠点がある。(2)は、小型化が可能な利点がある反面、燃料供給が律速となり易く高い出力が出にくい欠点がある。 As a method of supplying the anode fuel and the cathode fuel to the respective catalyst layers 132b and 133b, (1) a method of forcibly feeding using an auxiliary device such as a pump (active type), and (2) an auxiliary device There are two methods that are not used, for example, a passive type in which the fuel is exposed to the atmosphere by exposing the catalyst layer to the atmosphere due to capillary action or natural fall when the fuel is a liquid, and ( It is also possible to combine 1) and (2). (1) has the advantage that by extracting the water produced on the cathode side, high-concentration methanol can be used as the fuel, and high output can be achieved by air supply, but a fuel supply system is provided. Therefore, there is a drawback that miniaturization is difficult. Although (2) has the advantage that it can be downsized, it has a drawback that the fuel supply is likely to be rate-limiting and it is difficult to produce a high output.
燃料電池の単セル電圧は一般的に1V以下であるので、負荷の必要電圧に合わせて、単セルを直列スタッキングして用いる。スタッキングの方法としては、単セルを平面上に並べる「平面スタッキング」および、単セルを、両側に燃料流路の形成されたセパレータを介して積み重ねる「バイポーラースタッキング」が用いられる。前者は、カソード極(空気極)が表面に出るため、空気を取り入れ易く、薄型にできることから小型燃料電池に適している。この他にも、MEMS技術を応用し、シリコンウェハー上に微細加工を施し、スタッキングする方法も提案されている。 Since the single cell voltage of the fuel cell is generally 1 V or less, the single cells are used by stacking in series according to the required voltage of the load. As the stacking method, “planar stacking” in which single cells are arranged on a plane and “bipolar stacking” in which single cells are stacked via separators having fuel flow paths formed on both sides thereof are used. The former is suitable for a small fuel cell because the cathode electrode (air electrode) comes out on the surface, so that air can be easily taken in and can be made thin. In addition to this, a method of applying MEMS technology, performing fine processing on a silicon wafer, and stacking has been proposed.
燃料電池は、自動車用、家庭用、携帯機器用など様々な利用が考えられているが、特に、直接メタノール型燃料電池は、小型、軽量化が可能であり充電が不要である利点を活かし、様々な携帯機器やポータブル機器用エネルギー源としての利用が期待されている。例えば、好ましく適用できる携帯機器としては、携帯電話、モバイルノートパソコン、電子スチルカメラ、PDA、ビデオカメラ、携帯ゲーム機、モバイルサーバー、ウエラブルパソコン、モバイルディスプレイなどが挙げられる。好ましく適用できるポータブル機器としては、ポータブル発電機、野外照明機器、懐中電灯、電動(アシスト)自転車などが挙げられる。また、産業用や家庭用などのロボットあるいはその他の玩具の電源としても好ましく用いることができる。さらには、これらの機器に搭載された2次電池の充電用電源としても有用である。 Fuel cells are considered for various uses such as for automobiles, homes, and portable devices.In particular, direct methanol fuel cells are advantageous in that they can be reduced in size and weight and do not require charging. It is expected to be used as an energy source for various portable devices and portable devices. For example, mobile devices that can be preferably applied include mobile phones, mobile laptop computers, electronic still cameras, PDAs, video cameras, portable game machines, mobile servers, wearable personal computers, mobile displays, and the like. Examples of portable devices that can be preferably applied include portable generators, outdoor lighting devices, flashlights, and electric (assist) bicycles. It can also be preferably used as a power source for industrial or household robots or other toys. Furthermore, it is also useful as a power source for charging secondary batteries mounted on these devices.
次に、本発明の実施例を説明する。なお、以下の各実施例において、実施例1〜5は本発明の実施様態の例であり、実施例6〜10は、実施例1〜5に対する比較実験である。 Next, examples of the present invention will be described. In each of the following Examples, Examples 1 to 5 are examples of embodiments of the present invention, and Examples 6 to 10 are comparative experiments with respect to Examples 1 to 5.
化3のXがH以外のカチオン種である化合物を前駆体として用いた。この前駆体を原料Aとする。また、本実施例における化3の化合物は、XがNa、YがSO2 、Zが化4の(I)、nが0.33、mが0.67、数平均分子量Mnが61000、量平均分子量Mwが159000である。溶媒は、溶媒成分1と溶媒成分2との混合物である。溶媒成分1は原料Aの良溶媒であり、溶媒成分2は原料Aの貧溶媒である。原料Aと溶媒とを所定の配合で混合して原料Aの固形分を溶媒に溶解し、全重量に対し20重量%の前駆体を含むドープを製造した。このドープを以降の説明ではドープAと称する。
・原料A; 100重量部
・溶媒成分1;ジメチルスルホキシド 256重量部
・溶媒成分2;メタノール 171重量部
A compound in which X in Chemical Formula 3 is a cationic species other than H was used as a precursor. This precursor is referred to as raw material A. Further, the compound of Chemical Formula 3 in this example is such that X is Na, Y is SO 2 , Z is Chemical Formula (I), n is 0.33, m is 0.67, number average molecular weight Mn is 61000, amount The average molecular weight Mw is 159000. The solvent is a mixture of the solvent component 1 and the solvent component 2. The solvent component 1 is a good solvent for the raw material A, and the solvent component 2 is a poor solvent for the raw material A. The raw material A and the solvent were mixed in a predetermined composition, and the solid content of the raw material A was dissolved in the solvent to produce a dope containing 20% by weight of the precursor based on the total weight. This dope is referred to as dope A in the following description.
-Raw material A; 100 parts by weight-Solvent component 1; 256 parts by weight of dimethyl sulfoxide-Solvent component 2; 171 parts by weight of methanol
[固体電解質フィルムの製造]
流延ダイ93からドープAを走行するPETフィルムへ流延して流延膜61とし、送風ダクトにより45℃/10%RHの乾燥風を30分間吹き付け、残留溶媒量が乾量基準に対し200重量%になるまで流延膜を乾燥した。PETフィルムとともに流延膜61を30℃の水に浸漬させ、PETフィルムから流延膜61を剥ぎ取り、前駆体フィルム65を得た。そして、前駆体フィルム65をそのまま水中に浸漬させて、溶媒置換を行った。PETフィルムからの剥離時間及び溶媒置換に要した時間は、5分間だった。こうして、自己支持性を有し、溶媒残留量が乾量基準に対し150重量%の前駆体フィルム65を得た。この前駆体フィルム65は、テンタ83に送られて、クリップ104でその両側端部を把持されながらテンタ83の内部を搬送された。テンタ83では、120℃の乾燥風により前駆体フィルム65を10分間乾燥した。こうして、残留溶媒量が乾量基準に対し10重量%の前駆体フィルム65を得た。前駆体フィルム65はテンタ83の出口でクリップ104から離脱され、クリップ104に把持された両側端部がテンタ83の下流に備えられる耳切装置105により切断除去された。塗布装置110を用いて、前駆体フィルム65の片面に第1液300を50ml/m2で塗布し、前駆体フィルム65の片面に塗膜を形成した。第1液300には、70℃のプロトン濃度2.0mol/lの硫酸水溶液を用いた。ヒータ120を用いて、搬送される前駆体フィルム65を80℃〜100℃で加熱した。この加熱により、前駆体フィルム65が水素置換フィルム65aとなる。この水素置換フィルム65aを、水温70℃の水200が貯留される第1水槽111に浸漬し、水洗した。更に、この水素置換フィルム65aを、水温70℃の水201が貯留される第2水槽112に浸漬し、再度、水洗した。続いて、エアナイフを用いて、水素置換フィルム65aを水切りした。水切りした水素置換フィルム65aを、乾燥室84に送り、複数のローラ127で搬送しながら60〜120℃で乾燥した。そして、溶媒残留量が乾量基準に対して5%未満とされたフィルム70を得た。得られたフィルム70についての評価結果については表1に示す。
[Production of solid electrolyte film]
A casting film is cast from the casting die 93 to the PET film running on the dope A to form a
固体電解質フィルム製造工程10において、形成された前駆体フィルム65に第1乾燥工程67、第2乾燥工程72を通過させて、乾燥前駆体フィルムを得る。その後、前述した酸処理装置190を用いて、乾燥前駆体フィルムから所定の寸法に切り出した前駆体フィルム片189に酸処理を行った。第1液300には、プロトン濃度が1.0mol/lの硫酸水溶液を用いた。第2液302には、イオン交換水を用いた。前駆体フィルム片198の片面に第1液300を接触させ、他面に第2液302を接触させた状態で、第1及び第2液302を2時間煮沸し、酸処理を行った。酸処理後の前駆体フィルム片189にイオン交換水を注いで水洗した。この水洗を2回行った後、前駆体フィルム片189を蒸留水に浸漬し、2時間煮沸した。こうして、得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。
In the solid electrolyte
化3のXがH以外のカチオン種である化合物を前駆体として用いた。この前駆体を原料Bとする。また、本実施例における化3の化合物は、XがNa、YがSO2 、Zが化4の(I)、nが0.33、mが0.67、数平均分子量Mnが68000、量平均分子量Mwが200000である。溶媒は、溶媒成分1と溶媒成分2との混合物である。溶媒成分1は原料Bの良溶媒であり、溶媒成分2は原料Bの貧溶媒である。原料Bと溶媒とを所定の配合で混合して原料Bの固形分を溶媒に溶解し、全重量に対し20重量%の前駆体を含むドープを製造した。このドープを以降の説明ではドープBと称する。
・原料B; 100重量部
・溶媒成分1;ジメチルスルホキシド 200重量部
・溶媒成分2;メタノール 135重量部
このドープBを用いて、固体電解質フィルムを製造した。固体電解質フィルムの製造方法は、実施例1と同様にした。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。
A compound in which X in Chemical Formula 3 is a cationic species other than H was used as a precursor. This precursor is referred to as raw material B. In addition, the compound of Chemical Formula 3 in this example has X as Na, Y as SO 2 , Z as Chemical Formula (I), n as 0.33, m as 0.67, number average molecular weight Mn as 68000, amount The average molecular weight Mw is 200,000. The solvent is a mixture of the solvent component 1 and the solvent component 2. The solvent component 1 is a good solvent for the raw material B, and the solvent component 2 is a poor solvent for the raw material B. The raw material B and the solvent were mixed in a predetermined composition, and the solid content of the raw material B was dissolved in the solvent to produce a dope containing 20% by weight of the precursor based on the total weight. This dope is referred to as dope B in the following description.
-Raw material B; 100 parts by weight-Solvent component 1; 200 parts by weight of dimethyl sulfoxide-Solvent component 2; 135 parts by weight of methanol Using this dope B, a solid electrolyte film was produced. The method for producing the solid electrolyte film was the same as in Example 1. The evaluation results for the obtained solid electrolyte film are shown in Table 1.
ドープBを用いて実施例2と同様にして固体電解質フィルムを製造した。ただし、酸処理工程において、第1液300にはプロトン濃度2.0mol/lの硫酸水溶液を用いた。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。
Using Dope B, a solid electrolyte film was produced in the same manner as in Example 2. However, in the acid treatment step, a sulfuric acid aqueous solution having a proton concentration of 2.0 mol / l was used for the
実施例4と同様にして固体電解質フィルムを製造した。ただし、酸処理工程において、第1液300にはプロトン濃度1.0mol/lの硫酸水溶液、第2液302にはプロトン濃度0.5mol/lの硫酸水溶液をそれぞれ用いた。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。
A solid electrolyte film was produced in the same manner as in Example 4. However, in the acid treatment step, a sulfuric acid aqueous solution having a proton concentration of 1.0 mol / l was used for the
実施例1と同様に、ドープAを用いて固体電解質フィルムを製造した。ただし、酸処理工程において、前駆体フィルムを液温70℃のプロトン濃度1.0mol/lの硫酸水溶液に浸漬し、水素置換フィルムを得た。そして、水素置換フィルムを70℃の純水に浸漬させて、水洗した。更に、新たな純水を用いて、同様の水洗を行った。水洗後、エアナイフにより水切りした後、乾燥室84に送り、複数のローラ127で搬送しながら60〜120℃で乾燥した。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。
In the same manner as in Example 1, a solid electrolyte film was produced using Dope A. However, in the acid treatment step, the precursor film was immersed in an aqueous sulfuric acid solution with a proton temperature of 1.0 mol / l at a liquid temperature of 70 ° C. to obtain a hydrogen-substituted film. The hydrogen-substituted film was immersed in pure water at 70 ° C. and washed with water. Furthermore, the same water washing was performed using new pure water. After washing with water and draining with an air knife, it was sent to the drying
実施例2と同様に、ドープAを用いて固体電解質フィルムを製造した。ただし、酸処理工程において、前駆体フィルム片をプロトン濃度1.0mol/lの硫酸水溶液に浸漬し、2時間煮沸した。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。 In the same manner as in Example 2, a solid electrolyte film was produced using Dope A. However, in the acid treatment step, the precursor film piece was immersed in a sulfuric acid aqueous solution having a proton concentration of 1.0 mol / l and boiled for 2 hours. The evaluation results for the obtained solid electrolyte film are shown in Table 1.
ドープBについて、実施例6と同様にして固体電解質フィルムを製造した。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。 About dope B, it carried out similarly to Example 6, and manufactured the solid electrolyte membrane. The evaluation results for the obtained solid electrolyte film are shown in Table 1.
ドープBについて、実施例7と同様にして固体電解質フィルムを製造した。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。 About dope B, it carried out similarly to Example 7, and manufactured the solid electrolyte membrane. The evaluation results for the obtained solid electrolyte film are shown in Table 1.
実施例5と同様にして固体電解質フィルムを製造した。ただし、酸処理工程において、第1液300にはプロトン濃度1.0mol/lの硫酸水溶液、第2液302にはプロトン濃度0.95mol/lの硫酸水溶液をそれぞれ用いた。得られた固体電解質フィルムについての評価結果については表1に示す。
A solid electrolyte film was produced in the same manner as in Example 5. However, in the acid treatment step, a sulfuric acid aqueous solution having a proton concentration of 1.0 mol / l was used for the
得られた固体電解質フィルムに関して、以下の各項目を測定することにより、その特性を評価した。なお、以下の測定は、実施例1〜10全てに共通であり、各実施例での評価結果を纏めて表1に示す。なお、表1における評価項目の番号は、以下の各評価項目に付した番号に対応する。 The characteristics of the obtained solid electrolyte film were evaluated by measuring the following items. The following measurements are common to all Examples 1 to 10, and the evaluation results in each example are summarized in Table 1. The numbers of the evaluation items in Table 1 correspond to the numbers given to the following evaluation items.
1.プロトン置換率
乾燥したフィルムの重量を測った後、濃度が0.2mol/lのNaOH水溶液に2時間浸漬させてアルカリ処理を施した。また、浸漬させている間は、NaOH水溶液を攪拌した。アルカリ処理した後のフィルムを取り出してから、これを塩酸水溶液による逆滴定を行なってイオン交換容量(ICE)を求めた。そして、スルホン酸基導入量(n=0.33)から算出した理論値との比較により、プロトンに置換されたスルホン酸基の量を算出し、これをプロトン置換率として評価した。
1. Proton substitution rate After measuring the weight of the dried film, it was immersed in an aqueous NaOH solution having a concentration of 0.2 mol / l for 2 hours for alkali treatment. Moreover, the NaOH aqueous solution was stirred during immersion. After the alkali-treated film was taken out, it was subjected to back titration with an aqueous hydrochloric acid solution to determine the ion exchange capacity (ICE). And the amount of the sulfonic acid group substituted by the proton was calculated by comparison with the theoretical value calculated from the introduction amount of the sulfonic acid group (n = 0.33), and this was evaluated as the proton substitution rate.
2.プロトン伝導度
プロトン伝導度の測定は、Journal of the Electrochemical Society 143巻4号1254−1259項(1996年)に従い、4端子交流法を用いて行なった。具体的には、先ず、実施例1〜10で作製した固体電解質フィルムから長さ2cm、幅1cmに切り抜いたものをサンプルとした。次に、PTFE板に5mm間隔で白金線を4本固定したものに先ほどのサンプルを載せた後、更にPTFE板を載せてから、これらをビスで固定して試験セルとした。そして、この試験セルと、ソーラトロン製1480型及び1225B型を組合せたインピーダンスアナライザーとを用いて、80℃のオン水中で交流インピーダンス法によりプロトン伝導度の測定を行なった。
2. Proton conductivity The proton conductivity was measured using a four-terminal AC method according to Journal of the Electronic Society 143, No. 4, 1254-1259 (1996). Specifically, first, a sample obtained by cutting out the solid electrolyte film produced in Examples 1 to 10 to a length of 2 cm and a width of 1 cm was used as a sample. Next, after placing the previous sample on a PTFE plate with four platinum wires fixed at intervals of 5 mm, a PTFE plate was further placed thereon, and these were fixed with screws to form a test cell. Then, using this test cell and an impedance analyzer combining Solartron 1480 type and 1225B type, proton conductivity was measured by an AC impedance method in 80 ° C. on water.
3.燃料電池の出力密度
実施例1〜10で得た固体電解質フィルムを用いて燃料電池141を作製し、その燃料電池141の出力を測定した。燃料電池141の作製方法及び出力密度の測定方法は、下記の方法による。
3. Output density of fuel cell A fuel cell 141 was produced using the solid electrolyte films obtained in Examples 1 to 10, and the output of the fuel cell 141 was measured. The production method of the fuel cell 141 and the measurement method of the power density are as follows.
(1)触媒層132b,133bとされる触媒シートAの作製
白金担持カーボン(VulcanXC72に白金50wt%が担持されたもの)2gと、ナフィオン溶液(登録商標デュポン(株))として5%アルコール水溶液を15gとを混合し、超音波分散器で30分0間分散させた。分散物の平均粒子径は約500nmであった。得られた分散物を、補強材入りのポリテトラエチレンフィルム(サンゴバン(株)製)の上に塗設し、乾燥した後、直径9mmの円形に打ち抜いて触媒シートAを作製した。
(1) Preparation of catalyst sheet A as catalyst layers 132b and 133b 2g of platinum-supported carbon (50% by weight of platinum supported on Vulcan XC72) and 5% alcohol aqueous solution as Nafion solution (registered trademark DuPont) 15 g was mixed and dispersed with an ultrasonic disperser for 30 minutes for 0 minutes. The average particle size of the dispersion was about 500 nm. The obtained dispersion was coated on a polytetraethylene film containing a reinforcing material (manufactured by Saint-Gobain Co., Ltd.), dried, and then punched into a circle having a diameter of 9 mm to prepare a catalyst sheet A.
(2)MEA131の作製
実施例1〜10で得た固体電解質フィルムの両面に、塗膜が固体電解質フィルムに接するように触媒シートAを張り合わせ、210℃、3MPa、10分間で熱圧着し、圧力をかけたままで降温してから、触媒シートAの支持体を剥離することで順にMEAを作製した。
(2) Production of
(3)燃料電池141の出力密度
(2)で得られたMEAに電極と同じサイズにカットしたガス拡散電極(E−TEK製)を積層した後、更に標準燃料電池試験セル(エレクトロケム社製)にセットした。そしてこの試験セルを燃料電池評価システム((株)エヌエフ回路設計ブロック製 As−510)に接続した。そして、アノード側に加湿した水素ガスを流し、一方のカソード側には加湿した模擬大気を流して電圧が安定するまで運転した。その後、アノード電極とカソード電極との間に負荷をかけて、その際の電流−電圧特性を記録し、これを出力密度(W/cm2 )として測定した。
(3) Output density of fuel cell 141 After stacking a gas diffusion electrode (manufactured by E-TEK) cut to the same size as the electrode on the MEA obtained in (2), a standard fuel cell test cell (manufactured by Electrochem) ). The test cell was connected to a fuel cell evaluation system (As-510, manufactured by NF Circuit Design Block Co., Ltd.). Then, a humidified hydrogen gas was supplied to the anode side, and a humidified simulated atmosphere was supplied to the one cathode side until the voltage was stabilized. Thereafter, a load was applied between the anode electrode and the cathode electrode, current-voltage characteristics at that time were recorded, and this was measured as the output density (W / cm 2 ).
以上、各実施例の結果から、実施例1〜5で製造された固体電解質フィルムは、実施例6〜10と比較し、優れたプロトン伝導度を備えていることがわかる。また、実施例1〜5で製造された固体電解質フィルムを備える燃料電池の出力密度も、実施例6〜10と比較し、燃料電池して優れた値を示す。一方、プロトン置換率に関して、実施例1〜5で製造された固体電解質フィルムは、実施例6〜10と比較し、大きな差異が見られない。この結果から、固体電解質フィルムのプロトン伝導度の向上が、プロトン置換率のみによるものではないことがわかる。すなわち、本発明の固体電解質フィルムの製造方法が、固体電解質フィルムのプロトン伝導度を向上させる要因を引き出したことができたといえる。このプロトン伝導度の向上は、前駆体フィルム65の片面のみに酸処理を行ったことによるものと推測できる。また、実施例5と実施例10との比較から、酸処理における前駆体フィルム65の片面及び他面に接触する第1液300と第2液302とのプロトン濃度の差が一定以上であるときに、本発明の効果が発現することがわかる。
As mentioned above, it turns out that the solid electrolyte film manufactured by Examples 1-5 is equipped with the outstanding proton conductivity compared with Examples 6-10 from the result of each Example. Moreover, the power density of a fuel cell provided with the solid electrolyte film manufactured in Examples 1-5 also shows the value excellent as a fuel cell compared with Examples 6-10. On the other hand, regarding the proton substitution rate, the solid electrolyte films produced in Examples 1 to 5 are not significantly different from those in Examples 6 to 10. From this result, it is understood that the proton conductivity of the solid electrolyte film is not improved only by the proton substitution rate. That is, it can be said that the method for producing a solid electrolyte film of the present invention has led to a factor for improving the proton conductivity of the solid electrolyte film. This improvement in proton conductivity can be presumed to be due to the acid treatment performed on only one side of the
したがって、本発明によると、オンラインによる酸処理を行いながらも、高いプロトン置換率を維持しつつ、高プロトン伝導度のフィルムを連続して大量に生産することができる。また、本製造方法により得られる固体電解質フィルムは、燃料電池の固体電解質層として使用する場合、優れた出力密度を実現させることができる。 Therefore, according to the present invention, a high proton conductivity film can be continuously produced in large quantities while maintaining a high proton substitution rate while performing on-line acid treatment. Moreover, when the solid electrolyte film obtained by this manufacturing method is used as a solid electrolyte layer of a fuel cell, an excellent output density can be realized.
10 ドープ製造設備
11a 溶媒
12a 前駆体
24 ドープ
33 フィルム製造設備
60 固体電解質フィルム製造工程
61 流延膜
65 前駆体フィルム
65a、65b 水素置換フィルム
68 酸処理工程
70、70b 固体電解質フィルム
88 酸処理室
110、170 塗布装置
120、175 ヒータ
131 電極膜複合体(MEA)
132 アノード電極
133 カソード電極
141 燃料電池
146 集電体
300 第1液
301 片面
302 第2液
303 他面
DESCRIPTION OF
132
Claims (19)
カチオン種を有する前記前駆体フィルムの片面に、プロトンの濃度が0.05mol/l以上の前記液を接触させて、前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムとする第1工程と、
前記水素置換フィルムを洗浄する第2工程と、
前記水素置換フィルムを乾燥し、前記固体電解質を含む固体電解質フィルムする第3工程と、
を有することを特徴とする固体電解質フィルムの製造方法。 In the method for producing a solid electrolyte film, a liquid containing an acid that is a proton donor is brought into contact with a precursor film that contains a polymer that is a precursor of a solid electrolyte.
A first step of bringing the liquid having a proton concentration of 0.05 mol / l or more into contact with one surface of the precursor film having a cation species to form a hydrogen-substituted film in which the cation species are substituted with hydrogen atoms;
A second step of cleaning the hydrogen-substituted film;
A third step of drying the hydrogen-substituted film and solid electrolyte film containing the solid electrolyte;
A method for producing a solid electrolyte film, comprising:
前記流延膜を前記支持体から前記前駆体フィルムとして剥がす第5工程と、
を有することを特徴とする請求項1ないし8いずれか1項記載の固体電解質フィルムの製造方法。 A fourth step of casting a dope containing an organic solvent and the polymer on a traveling support from a casting die to form a casting film;
A fifth step of peeling the cast film from the support as the precursor film;
The method for producing a solid electrolyte film according to claim 1, comprising:
カチオン種を有する前記前駆体フィルムの片面に前記液を接触させる接触装置と、
前記前駆体フィルムの前記片面側を加熱し、前記前駆体フィルムから前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムを生成する加熱装置と、
前記水素置換フィルムを洗浄する洗浄装置と、
前記水素置換フィルムを乾燥し、前記固体電解質を含む固体電解質フィルムする乾燥装置と、
を有することを特徴とする固体電解質フィルムの製造設備。 In a production facility for a solid electrolyte film in which a liquid containing an acid as a proton donor is brought into contact with a precursor film containing a polymer that is a precursor of a solid electrolyte,
A contact device for bringing the liquid into contact with one side of the precursor film having a cationic species;
A heating device that heats the one side of the precursor film, and generates a hydrogen-substituted film in which the cationic species are replaced with hydrogen atoms from the precursor film;
A cleaning device for cleaning the hydrogen-substituted film;
A drying apparatus for drying the hydrogen-substituted film and solid electrolyte film containing the solid electrolyte;
A facility for producing a solid electrolyte film, comprising:
前記加熱装置が、前記前駆体フィルムの前記他面側を加熱し、前記前駆体フィルムから前記カチオン種が水素原子に置換された水素置換フィルムを生成する他面加熱装置と、
を有することを特徴とする請求項14記載の固体電解質フィルムの製造設備。 The contact device comprises an other surface contact device for contacting a solution having a lower proton concentration than the liquid with the other surface of the precursor film;
The other surface heating device that heats the other surface side of the precursor film and generates a hydrogen substitution film in which the cation species are replaced with hydrogen atoms from the precursor film; and
The solid electrolyte film manufacturing facility according to claim 14, comprising:
前記流延膜を前記支持体から前記前駆体フィルムとして剥がす剥取装置と、
を有することを特徴とする請求項14または15記載の固体電解質フィルムの製造設備。 A casting film forming apparatus for casting a dope containing a polymer that is a precursor of a solid electrolyte and an organic solvent on a traveling support to form a casting film;
A stripping device for stripping the cast film as the precursor film from the support;
16. The facility for producing a solid electrolyte film according to claim 14 or 15, characterized by comprising:
前記固体電解質フィルムの一方の面に密着して備えられ、外部から供給される水素原子含有物質から前記プロトンを発生するためのアノード電極と、
前記固体電解質フィルムの他方の面に密着して備えられ、前記固体電解質フィルムを通過した前記プロトン及び外部から供給される気体からなる水を合成するカソード電極と、
を有することを特徴とする電極膜複合体。 A solid electrolyte film according to claim 17,
An anode electrode that is provided in close contact with one surface of the solid electrolyte film and generates the proton from a hydrogen atom-containing substance supplied from the outside;
A cathode electrode that is provided in close contact with the other surface of the solid electrolyte film, and synthesizes water composed of the proton that has passed through the solid electrolyte film and a gas supplied from the outside;
An electrode membrane composite comprising:
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