JP2007294431A - Solid electrolyte film and its manufacturing method, manufacturing facility, electrode membrane assembly, and fuel cell - Google Patents
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Abstract
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、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, and a method for producing the same, a production 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 method for producing the same. The present invention relates to equipment, 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発電手段として、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 power generation means 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等に加え、これら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 uniformity of these 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.
以下、溶液製膜方法の概要について述べる。まず、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する。自己支持性をもった流延膜を支持体から剥ぎ取り、乾燥手段により乾燥させて、フィルムとする。 The outline of the solution casting method will be described below. First, a dope containing an organic compound as a raw material and a solvent is cast on a support to form a cast film. A cast film having self-supporting properties is peeled off from the support and dried by a drying means to form a 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、特許文献1では、電解質と可塑剤とが混合された液にポリフッ化ビニリデン系樹脂を浸漬する方法が提案されている。また、特許文献2では、スルホン酸基をもつ芳香族系高分子材料を含有した溶液の中で、無機化合物を合成して、溶媒を除去することによりプロトン伝導膜を製造する方法が提案されている。この方法では細孔を改良するためにケイ素酸化物、リン酸誘導体等が添加されている。特許文献3では、イオン交換樹脂を含む溶液に金属酸化物前駆体を添加して、この前駆体を加水分解及び重縮合反応させて得られる液体をキャストし、これによりイオン交換膜を製造する方法が提案されている。そして、特許文献4では、溶液流延法、つまり溶液製膜法によりプロトン伝導性をもつフィルムを製造し、このフィルムを、水に可溶で沸点が100℃以上の有機化合物水溶液中に浸漬して平衡膨潤させ、加熱により水を蒸発させることによりプロトン伝導膜を製造する方法が提案されている。特許文献5では、アニオン性イオン性基を有するポリベンズイミダゾールを主成分とする化合物を、水酸化テトラアルキルアンモニウムを含む沸点90℃以上のアルコール系溶媒に溶解してこれにより固体電解質フィルムを得る方法が提案されている。特許文献6では、(a)イオン伝導成分を有するポリマーと、(b)水溶性無機化合物または分子量1000未満の水溶性有機化合物と、(c)有機溶媒とを含む塗布液を基体に塗布し、該有機溶媒(c)を除去して乾燥塗膜を形成した後、該水溶性化合物(b)を除去することによりプロトン伝導膜を製造する方法が提案されている。
ところで、固体電解質フィルムを溶液製膜法により製造する場合には、流延膜を乾燥し、流延膜に残留する有機溶媒を蒸発させる。固体電解質の溶媒となりうる化合物は、一般的に、高沸点である。また、この溶媒は、極性が大きく、プロトンと作用しやすい塩基性の有機化合物であることが多い。この塩基性の有機化合物が残留するフィルムを固体電解質フィルムとして用いると、塩基性の有機化合物がプロトンの固体電解質フィルムの通過を妨げ、固体電解質フィルムのプロトン伝導度が低下し、燃料電池として十分な起電力を発揮することができない。したがって、固体電解質フィルム製造工程ではフィルム内に残留する有機溶媒を除去する必要がある。しかしながら、高沸点の溶媒の完全な除去は容易ではなく、完全に除去するためには20時間以上もの時間を要する。特に、流延膜の乾燥時間が、固体電解質フィルムの製造工程に要する時間の大部分を占めているのが現状である。このように、溶液製膜法による固体電解質フィルムの製造方法では、製造時間の短縮化が大きな課題であり、大量生産の大きな障害であった。 By the way, when manufacturing a solid electrolyte film by a solution casting method, a cast film is dried and the organic solvent remaining on the cast film is evaporated. A compound that can be a solvent for a solid electrolyte generally has a high boiling point. In addition, this solvent is often a basic organic compound having a large polarity and easily acting with protons. When a film in which this basic organic compound remains is used as a solid electrolyte film, the basic organic compound prevents protons from passing through the solid electrolyte film, and the proton conductivity of the solid electrolyte film decreases, which is sufficient for a fuel cell. The electromotive force cannot be demonstrated. Therefore, it is necessary to remove the organic solvent remaining in the film in the solid electrolyte film manufacturing process. However, complete removal of the high boiling point solvent is not easy, and it takes 20 hours or more to completely remove the solvent. In particular, the present situation is that the drying time of the cast film occupies most of the time required for the production process of the solid electrolyte film. As described above, in the method for producing a solid electrolyte film by the solution casting method, shortening of the production time is a big problem, which is a big obstacle for mass production.
流延膜の乾燥時間を短縮するための方法として、流延膜乾燥工程における流延膜の乾燥の度合いを小さくする、或いは、流延膜を急激に乾燥するなどが考えられる。前者の場合では、流延膜が十分な自己支持性を有さないため、剥取工程における流延膜の剥ぎ取りが困難になる。また、流延膜を湿潤フィルムとして剥ぎ取りが行えたとしても、この湿潤フィルムが自重で変形してしまい、次工程に搬送することができない。各工程を連続的に行うオンライン方式で固体電解質フィルムの製造する場合、流延膜乾燥工程では、流延膜の剥ぎ取りの作業性の向上のみならず、湿潤フィルムが自重に耐えうる程度の自己支持性を流延膜に発現させる必要がある。一方、後者の場合では、流延膜を急激に乾燥すると、不均一な乾燥に起因する局所的なピンホールが流延膜に発生してしまう。このピンホールを有する流延膜から製造される固体電解質フィルムは、固体電解質フィルムとして十分な性能を発揮することができない。 As a method for shortening the drying time of the casting membrane, it is conceivable to reduce the degree of drying of the casting membrane in the casting membrane drying step, or to dry the casting membrane rapidly. In the former case, since the casting film does not have sufficient self-supporting property, it becomes difficult to peel off the casting film in the peeling process. Even if the cast film can be peeled off as a wet film, the wet film is deformed by its own weight and cannot be transported to the next step. When manufacturing a solid electrolyte film in an on-line system in which each process is performed continuously, the casting film drying process not only improves the workability of stripping the casting film, but also allows the wet film to withstand its own weight. It is necessary to develop support in the casting membrane. On the other hand, in the latter case, when the cast film is dried rapidly, local pinholes due to non-uniform drying are generated in the cast film. A solid electrolyte film produced from a cast film having pinholes cannot exhibit sufficient performance as a solid electrolyte film.
特許文献1では、溶液製膜方法が否定され、原材料に含まれる不純物がフィルム中に残る問題は解消されていない。特許文献2〜5の方法はいずれ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。そして、特許文献2の方法は、ポリマーと無機化合物とからなる複合体の分散が困難であるという問題がある。特許文献3の方法は、製膜工程が複雑という問題がある。特許文献4は、フィルムを水に浸漬させることにより細孔がフィルムに発生してしまい、均一なフィルムを得ることができないという問題があり、これを解消する方法は記載されていない。また、溶液製膜方法で多種の固体電解質フィルムを製造できると記載されているものの、具体的な方法の記載もない。特許文献5は用いる原料を限定しており、他の優れた性能をもつ材料を用いて製造できるような記載はされていない。特許文献6では、乾燥による高沸点の有機溶媒の除去の困難性について解決していない。 In Patent Document 1, the solution casting method is denied, and the problem that impurities contained in the raw material remain in the film is not solved. The methods of Patent Documents 2 to 5 are all manufacturing methods on a small scale, and are not considered methods for mass production. And the method of patent document 2 has the problem that dispersion | distribution of the composite_body | complex which consists of a polymer and an inorganic compound is difficult. The method of Patent Document 3 has a problem that the film forming process is complicated. Patent Document 4 has a problem that pores are generated in the film by immersing the film in water, and a uniform film cannot be obtained, and a method for solving this problem is not described. Further, although it is described that various kinds of solid electrolyte films can be produced by the solution casting method, there is no description of a specific method. Patent document 5 limits the raw material to be used, and does not describe that it can be manufactured using other materials having excellent performance. Patent Document 6 does not solve the difficulty of removing the high-boiling organic solvent by drying.
本発明者は鋭意検討の結果、固体電解質の貧溶媒と流延膜との接触により、流延膜の乾燥時間を短縮できることを見出した。更に、貧溶媒が接触された流延膜から得られる湿潤フィルムに溶媒置換を行うことにより、湿潤フィルムに含まれる溶媒を除去する時間を短縮できることを見出した。本発明により、製造される固体電解質フィルムの性能を維持しつつ、固体電解質フィルムの製造時間の短縮化を実現することができる。 As a result of intensive studies, the present inventor has found that the drying time of the cast film can be shortened by contact between the poor solvent of the solid electrolyte and the cast film. Furthermore, it discovered that the time which removes the solvent contained in a wet film can be shortened by performing solvent substitution to the wet film obtained from the cast film which the poor solvent contacted. According to the present invention, it is possible to reduce the manufacturing time of the solid electrolyte film while maintaining the performance of the manufactured solid electrolyte film.
本発明の固体電解質フィルムの製造方法は、固体電解質が有機溶媒に溶解しているドープを、流延ダイから走行する支持体上に流延して流延膜を形成する第1工程と、前記流延膜と前記固体電解質の貧溶媒である接触貧溶媒とを接触させて、前記流延膜に自己支持性を発現させる第2工程と、自己支持性を有する前記流延膜を湿潤フィルムとして前記支持体から剥ぎ取る第3工程と、前記湿潤フィルムを乾燥して固体電解質フィルムとする第4工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing a solid electrolyte film of the present invention includes a first step in which a dope in which a solid electrolyte is dissolved in an organic solvent is cast on a support traveling from a casting die to form a casting film; A second step of bringing the cast film into contact with a contact poor solvent that is a poor solvent for the solid electrolyte to develop self-supporting property in the cast film; and the casting film having self-supporting property as a wet film It has the 3rd process stripped off from the said support body, and the 4th process which dries the said wet film and makes it a solid electrolyte film, It is characterized by the above-mentioned.
前記有機溶媒は、固体電解質の良溶媒である第1化合物と貧溶媒である第2化合物とを含む混合物であること好ましく、前記接触貧溶媒が、水と、前記固体電解質の良溶媒である化合物の水溶液とのいずれか一方であることが好ましい。 The organic solvent is preferably a mixture containing a first compound that is a good solvent for a solid electrolyte and a second compound that is a poor solvent, and the contact poor solvent is water and a compound that is a good solvent for the solid electrolyte. It is preferable that it is either one of these aqueous solutions.
流延膜と接触貧溶媒との接触時間は、この接触により変化する流延膜の硬さと、接触により変化する流延膜中の第1化合物の重量との少なくともいずれか一方に応じて決定されることが好ましく、第3工程における、前記湿潤フィルムの弾性率が6×105Pa以上であることが好ましい。 The contact time between the cast film and the contact poor solvent is determined according to at least one of the hardness of the cast film that changes due to the contact and the weight of the first compound in the cast film that changes due to the contact. It is preferable that the elastic modulus of the wet film in the third step is 6 × 10 5 Pa or more.
前記湿潤フィルムと、前記有機溶媒に相溶する液体とを接触させる第5工程を有することが好ましい。前記液体が、水と、有機化合物の水溶液とのいずれか一方であることが好ましい。さらに、前記湿潤フィルムと前記液体との接触時間を10分以下にすることが好ましい。 It is preferable to have the 5th process which makes the said wet film and the liquid compatible with the said organic solvent contact. The liquid is preferably either water or an aqueous solution of an organic compound. Furthermore, the contact time between the wet film and the liquid is preferably 10 minutes or less.
前記第2工程前の前記流延膜を乾燥する第6工程を有することが好ましい。 It is preferable to have a sixth step of drying the cast film before the second step.
前記第1化合物はジメチルスルホキシドであり、前記第2化合物はアルコール(ただし、炭素数が1以上5以下)であることが好ましい。プロトン供与体である酸の溶液に湿潤フィルムを搬送しながら接触させる酸接触工程と、洗浄液で洗浄する洗浄工程とを、前記第4工程前に有することが好ましく、前記酸は、電離したときのアニオンの式量が40以上1000以下の化合物であることがより好ましい。 The first compound is preferably dimethyl sulfoxide, and the second compound is preferably an alcohol (however, having 1 to 5 carbon atoms). It is preferable to have an acid contact step in which the wet film is brought into contact with the proton donor acid solution while transporting the wet film, and a washing step of washing with the washing liquid before the fourth step, wherein the acid is ionized when ionized. It is more preferable that the anion formula weight is 40 or more and 1000 or less.
前記固体電解質は、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は、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。 The solid electrolyte is preferably a hydrocarbon polymer. The hydrocarbon polymer is preferably an aromatic polymer. Furthermore, the aromatic polymer is preferably a copolymer composed of structural units represented by the general formulas (I) to (III) of Chemical Formula 3.
本発明の固体電解質フィルムの製造設備は、固体電解質が有機溶媒に溶解しているドープを走行する支持体の上に流延して、前記支持体上に流延膜を形成する流延膜形成装置と、前記流延膜と前記固体電解質の貧溶媒である接触貧溶媒とを接触させ、前記流延膜に自己支持性を発現させる溶媒接触装置と、自己支持性をもった前記流延膜を湿潤フィルムとして剥ぎ取る剥取装置と、前記湿潤フィルムと前記有機溶媒に相溶する液体とを接触させる液体接触装置と、前記湿潤フィルムを乾燥して固体電解質フィルムとする乾燥装置と、を有することを特徴とする。 The production facility for a solid electrolyte film of the present invention is formed by casting a cast film on a support that travels a dope in which the solid electrolyte is dissolved in an organic solvent, thereby forming a cast film on the support. An apparatus, a solvent contact device for bringing the casting membrane into contact with a poor contact solvent that is a poor solvent for the solid electrolyte, and causing the casting membrane to exhibit self-supporting property, and the casting membrane having self-supporting property A wet stripping device, a liquid contact device for bringing the wet film into contact with a liquid compatible with the organic solvent, and a drying device for drying the wet film into a solid electrolyte film. It is characterized by that.
前記製造設備は、プロトン供与体である酸の溶液が収容され、前記酸の溶液中に前記湿潤フィルムを案内する案内手段が配された酸接触装置を、前記液体接触装置と前記乾燥装置との間に備えることが好ましい。 The production facility includes an acid contact device in which an acid solution as a proton donor is accommodated and guide means for guiding the wet film in the acid solution is disposed between the liquid contact device and the drying device. It is preferable to prepare in between.
本発明の固体電解質フィルムは、前記固体電解質フィルムの製造方法で製造されることを特徴とする。 The solid electrolyte film of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a solid electrolyte film.
本発明の電極膜複合体は、前記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含有物質から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と外部から供給される気体とから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 the solid electrolyte film, an anode electrode that is provided in close contact with one surface of the solid electrolyte film, and generates protons from a hydrogen-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 from the proton that has passed through the solid electrolyte film and a gas supplied from the outside.
本発明の燃料電池は、前記電極膜複合体と、前記電極膜複合体の前記アノード電極に接触して備えられ、前記アノード電極と外部との電子の受け渡しをする第1の集電体と、前記電極膜複合体の前記カソード電極と外部との電子の受け渡しをする第2の集電体と、を有することを特徴とする。 The fuel cell of the present invention is provided with the electrode membrane composite, a first current collector that is provided in contact with the anode electrode of the electrode membrane composite, and transfers electrons between the anode electrode and the outside, And a second current collector that transfers electrons between the cathode electrode of the electrode film composite and the outside.
本発明の固体電解質フィルムの製造方法によれば、固体電解質が有機溶媒に溶解しているドープを、流延ダイから走行する支持体上に流延して流延膜を形成する第1工程と、前記流延膜と前記固体電解質の貧溶媒である接触貧溶媒とを接触させて、前記流延膜に自己支持性を発現させる第2工程と、自己支持性を有する前記流延膜を湿潤フィルムとして前記支持体上から剥ぎ取る第3工程と、前記湿潤フィルムを乾燥して固体電解質フィルムとする第4工程と、を有するため、第2工程及び第4工程に要する時間を短縮化することが可能となり、ひいては、固体電解質フィルムの製造に要する時間を短縮化することにつながる。すなわち、本発明の固体電解質フィルムの製造方法は、大量生産に適した製造方法といえる。この固体電解質フィルムを用いた電極膜複合体が燃料電池に用いられると、この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, a first step in which a dope in which a solid electrolyte is dissolved in an organic solvent is cast on a support traveling from a casting die to form a casting film; A second step of bringing the casting film into contact with a poor contact solvent that is a poor solvent for the solid electrolyte to develop self-supporting property in the casting film; and moistening the casting film having self-supporting property Since it has the 3rd process peeled off from the said support body as a film, and the 4th process which dries the said wet film and makes it a solid electrolyte film, shortening the time which a 2nd process and a 4th process require As a result, the time required for manufacturing the solid electrolyte film can be shortened. That is, it can be said that the method for producing a solid electrolyte film of the present invention is a production method suitable for mass production. When an electrode membrane composite using this solid electrolyte film is used in a fuel cell, the fuel cell 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、本発明の固体電解質フィルムの原料について説明し、その後、固体電解質フィルムの製造方法について述べるものとする。 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 raw material of the solid electrolyte film of the present invention will be described, and then the method for producing the solid electrolyte film will be described.
〔原料〕
ドープは、固体電解質としてのポリマーと、このポリマーを溶解する溶媒とをその成分とする。固体電解質成分としては炭化水素系ポリマーが好ましく、炭化水素系ポリマーの中でも芳香族系ポリマーがより好ましく、芳香族系ポリマーの中でもカチオン種を有するポリマーがさらに好ましく、特に、化3に示す化合物が好ましい。カチオン種はH(水素原子)とH以外のものとに分けることができ、本発明ではいずれであってもよいが、化3に示す化合物を用いる場合には、XがHであるよりもH以外のカチオン種であることがより好ましい。XがH以外のカチオン種である場合には、製膜工程あるいは製膜後にプロトン置換を実施することが好ましい。つまり、化3のXがプロトン以外のカチオン種であるポリマーは、プロトン受容性のポリマーと言える。プロトン置換をする場合におけるプロトン置換前のポリマーと置換後のポリマーとの説明の明瞭化を図るために、前者を前駆体、後者を固体電解質と称するものとする。
〔material〕
The dope includes a polymer as a solid electrolyte and a solvent that dissolves the polymer as its components. The solid electrolyte component is preferably a hydrocarbon polymer, more preferably an aromatic polymer among hydrocarbon polymers, more preferably a polymer having a cationic species among aromatic polymers, and particularly preferably a compound represented by Chemical Formula 3. . The cationic species can be divided into H (hydrogen atom) and other than H, and any of them may be used in the present invention. However, when the compound shown in Chemical formula 3 is used, H is more than X is H. More preferred is a cationic species other than When X is a cationic species other than H, it is preferable to perform proton substitution after the film formation step or after film formation. That is, a polymer in which X in Chemical Formula 3 is a cationic species other than proton can be said to be a proton-accepting polymer. In the case of proton substitution, in order to clarify the explanation of the polymer before proton substitution and the polymer after substitution, the former is called a precursor and the latter is called a solid electrolyte.
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、カチオンは陽イオンを指す。 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. Moreover, in this specification, unless otherwise indicated, a cation refers to a cation.
前駆体からなるフィルム(以下、前駆体フィルムと称する)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、前駆体フィルムとする。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を水素原子に置換することにより、固体電解質からなるフィルム(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。 In the case of producing a film made of a precursor (hereinafter referred to as a precursor film), a dope containing the precursor shown in Chemical Formula 3 is produced, and this dope is cast on a support to be formed on the support. The cast film is peeled off to obtain a precursor film. And this precursor film is proton-substituted, and the film (henceforth a solid electrolyte film) which consists of solid electrolyte is manufactured by substituting X of the substance shown to Chemical formula 3 contained in a precursor film for a hydrogen atom. be able to.
また、化3に示す化合物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に示す化合物において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、固体電解質フィルムの中に、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、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に示す化合物において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 compound 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 compound shown in Chemical Formula 3, there are few proton acceptors in the precursor film, and a proton conduction path, so-called proton channel is sufficiently formed in the solid electrolyte film. There are times when you can't. For this reason, the solid electrolyte film may not exhibit proton conductivity sufficient for practical use. On the other hand, when n / (m + n)> 0.5 in the compound 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.
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。したがって、プロトン置換を行わなくても固体電解質フィルムとして使用することはできる。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。その意味では、燃料電池に用いるときのXはHであることが特に好ましい。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。 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. Therefore, it can be used as a solid electrolyte film without proton substitution. However, the proton conductivity tends to increase as the ratio of X substituted with H (hereinafter referred to as proton substitution rate) increases. In that sense, X is particularly preferably H when used in a fuel cell. 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.
化3に示す化合物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、カリウムイオンを挙げることができる。 Preferred cations in the compound shown in Chemical Formula 3 are preferably alkali metal cations, alkaline earth metal cations, and ammonium cations, and examples include calcium ions, barium ions, quaternary ammonium ions, lithium ions, sodium ions, and potassium ions. .
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。プロトン伝導度は、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、50%メタノール水溶液に18℃で一日浸漬した後のプロトン伝導度が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プロト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 proton 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%. Furthermore, the proton conductivity after being immersed in a 50% methanol aqueous solution at 18 ° C. for one day is preferably 0.003 S / cm or more, more preferably 0.008 S / cm or more, and particularly with respect to that before immersion. The rate of decrease in proton conductivity after immersion is preferably within 20%. 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プロトン伝導性能は、プロト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、その方向におけるプロト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、プロト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プロト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、プロト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、プロト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 proton conducting performance of the solid electrolyte film is expressed by a so-called index which is a ratio between proton conductivity and methanol permeability coefficient. And it can be said that the larger the index in a certain direction, the higher the proton conducting performance in that direction. In the thickness direction of the solid electrolyte film, the proton conductivity is proportional to the thickness, and the methanol permeability coefficient is inversely proportional to the thickness. Therefore, the proton 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 a high proton conductivity and a methanol diffusion coefficient, it is particularly preferable to produce a film having a thickness of 50 to 200 μm, and a solid having a low proton conductivity and a low 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、従来法によりフィルムとしてこれを燃料電池に用いたときに、その最大出力密度が10mW/cm2以上である固体電解質を用いると、本発明は特に効果がある。 Furthermore, the present invention is particularly effective when a solid electrolyte having a maximum power density of 10 mW / cm 2 or more is used as a film by a conventional method for a fuel cell.
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ドープとは、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ドープである。 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 dope suitable for producing the precursor film is, for example, a dope having a relatively low viscosity and easily removing foreign matters by filtration.
ドープの成分としてのポリマーは、固体電解質であるプロトン供与基をもつポリマーでもよい。プロトン供与基をもつポリマーは、特に限定されないが、酸残基をもち、プロトン伝導材料として公知であるものを用いることができる。中でも好ましいポリマーは、例えば、側鎖にスルホン酸を有する付加重合高分子化合物、側鎖リン酸基ポリ(メタ)アクリレート、ポリエーテルエーテルケトンをスルホン化したスルホ化ポリエーテルエーテルケトン、スルホ化ポリベンズイミダゾール、ポリスルホンをスルホン化したスルホ化ポリスルホン、耐熱性芳香族高分子化合物のスルホ化物などが挙げられる。側鎖にスルホン酸を有する付加重合高分子化合物としては、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や、スルホ化ポリスチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルスチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルブタジエンスチレンなどがあり、耐熱性芳香族高分子のスルホ化物としてはスルホ化ポリイミド等がある。 The polymer as a component of the dope may be a polymer having a proton donating group that is a solid electrolyte. The polymer having a proton donating group is not particularly limited, and a polymer having an acid residue and known as a proton conducting material can be used. Among them, preferred polymers include, for example, addition polymerization polymer compounds having sulfonic acid in the side chain, side chain phosphate group poly (meth) acrylate, sulfonated polyether ether ketone obtained by sulfonation of polyether ether ketone, and sulfonated polybenz. Examples thereof include imidazole, sulfonated polysulfone obtained by sulfonated polysulfone, and sulfonated products of heat-resistant aromatic polymer compounds. Examples of the addition polymerization polymer compound having sulfonic acid in the side chain include perfluorosulfonic acid represented by Nafion (registered trademark), sulfonated polystyrene, sulfonated polyacrylonitrile styrene, sulfonated polyacrylonitrile butadiene styrene, and the like. Examples of the sulfonated product of the heat resistant aromatic polymer include sulfonated polyimide.
パーフルオロスルホン酸の好ましい例としては、例えば特開平4−366137号公報、特開平6−231779号公報、特開平6−342665号公報に記載される物質が挙げられ、中でも、化5に示す物質が特に好ましい。ただし、化5において、mは100〜10000であり、200〜5000が好ましく、500〜2000がより好ましい。そして、nは0.5〜100であり、5〜13.5が特に好ましい。また、xはmと略同等であり、yはnと略同等である。 Preferable examples of perfluorosulfonic acid include substances described in, for example, JP-A-4-366137, JP-A-6-231777, and JP-A-6-342665. Is particularly preferred. However, in Chemical formula 5, m is 100 to 10000, 200 to 5000 is preferable, and 500 to 2000 is more preferable. And n is 0.5-100, and 5-13.5 is especially preferable. Moreover, x is substantially equivalent to m, and y is substantially equivalent to n.
スルホ化ポリスチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルスチレン、スルホ化ポリアクリロニトリルブタジエンスチレンの好ましい例としては、特開平5−174856号公報、特開平6−111834号公報に記載される化合物や化6に示される物質が挙げられる。 Preferable examples of sulfonated polystyrene, sulfonated polyacrylonitrile styrene, and sulfonated polyacrylonitrile butadiene styrene include compounds described in JP-A-5-174856 and JP-A-6-1111834, and substances shown in Chemical formula 6 below. Can be mentioned.
耐熱性芳香族高分子のスルホ化物の例としては、例えば、特開平6−49302号公報、特開2004−10677号公報、特開2004−345997号公報、特開2005−15541号公報、特開2002−110174号公報、特開2003−100317号公報、特開2003−55457号公報、特開平9345818号公報、特開2003−257451号公報、特表2000−510511号公報、特開2002−105200号公報に記載される物質が挙げられ、中でも、以下の化7、化8、及び化9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物質が特に好ましいものとして挙げられる。 Examples of the sulfonated product of the heat-resistant aromatic polymer include, for example, JP-A-6-49302, JP-A-2004-10777, JP-A-2004-345997, JP-A-2005-15541, JP-A-2005-15541. JP 2002-110174 A, JP 2003-100317 A, JP 2003-55457 A, JP 9345818 A, JP 2003-257451 A, JP 2000-510511 A, JP 2002-105200 A. Substances described in the publication are mentioned, and among them, a substance that is a copolymer composed of each structural unit represented by the following general formulas (I) to (III) of Chemical Formula 7, Chemical Formula 8, and Chemical Formula 9 is particularly preferable. It is mentioned as a thing.
また、化5ないし化9に示す化合物からなる固体電解質体フィルムは、吸湿膨張率とプロトン伝導度とを両立させる。化9に示す物質においてn/(m+n)<0.1である場合には、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、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9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。 In addition, the solid electrolyte film made of the compounds shown in Chemical Formulas 5 to 9 achieves both the hygroscopic expansion coefficient and the proton conductivity. When n / (m + n) <0.1 in the substance shown in Chemical formula 9, a proton conduction path, so-called proton channel, may not be formed sufficiently. For this reason, the solid electrolyte film 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 9, 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5〜化9に示す化合物を得る過程におけるスルホン化反応は、公知文献の各種合成法に従って行うことができる。スルホン化剤としては、硫酸(濃硫酸)、発煙硫酸、ガス状あるいは液状物の三酸化硫黄、三酸化硫黄錯体、アミド硫酸、クロロスルホン酸等を用いることができる。溶媒としては、炭化水素(ベンゼン、トルエン、ニトロベンゼン、クロロベンゼン、ジオキセタン等)、ハロゲン化アルキル(塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタン、四塩化炭素等)等を用いることができる。反応温度は、−20℃〜200℃の範囲でスルホン化剤の活性に応じて決定するとよい。また、別の方法として、モノマーにメルカプト基、ジスルフィド基、スルフィン酸基を予め導入しておいて、酸化剤による酸化反応によってスルホン化物を合成することもできる。このときには、酸化剤として、過酸化水素、硝酸、臭素水、次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、過マンガン酸カリウム、クロム酸等を用いることができ、溶媒としては、水、酢酸、プロピオン酸等を用いることができる。この方法における反応温度は、室温(例えば、25℃)〜200℃の範囲で酸化剤の活性に応じて決定するとよい。また、さらに別の方法として、モノマーにハロゲノアルキル基を予め導入しておいて、亜硫酸塩、亜硫酸水素塩等による置換反応をしてスルホン化物を合成してもよい。このときには溶媒として、水、アルコール類、アミド類、スルホキシド類、スルホン類等を用いることができる。反応温度は、室温(例えば、25℃)〜200℃の範囲で決定するとよい。なお、以上のスルホン化反応における溶媒は、2種以上の物質を混合した混合物であってもよい。 The sulfonation reaction in the process of obtaining the compounds shown in Chemical Formulas 5 to 9 can be carried out according to various synthetic methods in known literature. As the sulfonating agent, sulfuric acid (concentrated sulfuric acid), fuming sulfuric acid, gaseous or liquid sulfur trioxide, sulfur trioxide complex, amidosulfuric acid, chlorosulfonic acid and the like can be used. As the solvent, hydrocarbons (benzene, toluene, nitrobenzene, chlorobenzene, dioxetane, etc.), alkyl halides (methylene chloride, chloroform, dichloroethane, carbon tetrachloride, etc.) and the like can be used. The reaction temperature may be determined in the range of −20 ° C. to 200 ° C. according to the activity of the sulfonating agent. As another method, a mercapto group, a disulfide group, and a sulfinic acid group can be introduced into the monomer in advance, and a sulfonated product can be synthesized by an oxidation reaction with an oxidizing agent. At this time, hydrogen peroxide, nitric acid, bromine water, hypochlorite, hypobromite, potassium permanganate, chromic acid, etc. can be used as the oxidizing agent, and water, acetic acid, Propionic acid or the like can be used. The reaction temperature in this method may be determined in the range of room temperature (for example, 25 ° C.) to 200 ° C. according to the activity of the oxidizing agent. As yet another method, a sulfonated compound may be synthesized by introducing a halogenoalkyl group into the monomer in advance and performing a substitution reaction with sulfite, bisulfite, or the like. In this case, water, alcohols, amides, sulfoxides, sulfones and the like can be used as the solvent. The reaction temperature may be determined in the range of room temperature (for example, 25 ° C.) to 200 ° C. In addition, the solvent in the above sulfonation reaction may be a mixture in which two or more kinds of substances are mixed.
また、スルホン化物への反応工程では、アルキルスルホン化剤を用いてもよく、一般的な方法としてはスルホンとAlCl3を用いたフリーデルクラフツ反応がある(Journal of Applied Polymer Science,Vol.36,1753−1767,1988)。フリーデルクラフツ反応を行うためにアルキルスルホン化剤を用いた場合は、溶媒として炭化水素(ベンゼン、トルエン、ニトロベンゼン、アセトフェノン、クロロベンゼン、トリクロロベンゼン等)、ハロゲン化アルキル(塩化メチレン、クロロホルム、ジクロロエタン、四塩化炭素、トリクロロエタン、ジクロロエタン、テトラクロロエタン等、)等を用いることができる。反応温度は、室温から200℃の範囲で決定するとよい。なお、反応における溶媒は、2種以上の物質を混合した混合物であってもよい。 In the reaction step to the sulfonated product, an alkyl sulfonating agent may be used. As a general method, there is a Friedel-Crafts reaction using sulfone and AlCl 3 (Journal of Applied Polymer Science, Vol. 36, 1753-1767, 1988). When an alkyl sulfonating agent is used to perform the Friedel-Crafts reaction, hydrocarbons (benzene, toluene, nitrobenzene, acetophenone, chlorobenzene, trichlorobenzene, etc.), alkyl halides (methylene chloride, chloroform, dichloroethane, Carbon chloride, trichloroethane, dichloroethane, tetrachloroethane, etc.) can be used. The reaction temperature may be determined in the range of room temperature to 200 ° C. Note that the solvent in the reaction may be a mixture of two or more substances.
ドープの溶媒成分としては、上述した固体電解質としてのポリマーを溶解させるものであればよく、有機化合物が好ましい。前駆体をドープ原料として用いる場合には、前駆体を溶解するものであればよい。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 solvent component of the dope is not particularly limited as long as it dissolves the polymer as the solid electrolyte described above, and an organic compound is preferable. In the case of using a precursor as a dope raw material, any material that dissolves the precursor may be used. 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、複数の化合物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、ドープの固体電解質成分の良溶媒である化合物と貧溶媒である化合物との混合物とすることが好ましい。ある液体化合物が固体電解質の良溶媒であるか、または貧溶媒であるかは、固体電解質が全重量の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判断することができる。なお、前駆体をドープの原料として用いる場合には、前駆体に対して良溶媒であるか貧溶媒であるかを判定すればよい。固体電解質の良溶媒、つまり固体電解質を溶解する物質は、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、貧溶媒である化合物と良溶媒である化合物とを含む混合物をドープの溶媒として用いることにより、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 compounds. When the solvent is a mixture, it is preferable to use a mixture of a compound that is a good solvent and a compound that is a poor solvent of the solid electrolyte component of the dope. Whether a certain liquid compound is a good solvent or a poor solvent for a solid electrolyte is determined by mixing the solvent and the polymer so that the solid electrolyte is 5% by weight of the total weight, and by the presence or absence of insoluble matter. can do. In addition, what is necessary is just to determine whether it is a good solvent or a poor solvent with respect to a precursor, when using a precursor as a raw material of dope. A good solvent for the solid electrolyte, that is, a substance that dissolves the solid electrolyte has a relatively high boiling point among the compounds generally used as the solvent, while the poor solvent has a boiling point among the compounds generally used as the solvent. Is the relatively low one. Therefore, by using a mixture containing a compound that is a poor solvent and a compound that is a good solvent as the solvent for the dope, the efficiency and effect of removing the solvent in the film production process can be enhanced. Can be greatly improved.
ドープの溶媒を、固体電解質の貧溶媒である化合物と良溶媒である化合物との混合物にする場合においては、前者を貧溶媒成分、後者を良溶媒成分と称する。貧溶媒成分の重量比率は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、(良溶媒成分の重量):(貧溶媒成分の重量)が90:10〜10:90であることが好ましい。貧溶媒成分の重量比率が大きいほど、溶媒の全重量における低沸点物質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。 When the dope solvent is a mixture of a compound that is a poor solvent for a solid electrolyte and a compound that is a good solvent, the former is referred to as a poor solvent component and the latter is referred to as a good solvent component. The weight ratio of the poor solvent component is preferably as large as possible, specifically 10% or more and less than 100%. More preferably, (weight of good solvent component) :( weight of poor solvent component) is preferably 90:10 to 10:90. As the weight ratio of the poor solvent component increases, the ratio of the low-boiling substance in the total weight of the solvent increases, and therefore, the drying efficiency and the drying effect in the manufacturing process of the solid electrolyte film can be further improved.
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.
固体電解質を溶媒に溶解させる相溶剤としては、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 for dissolving the solid electrolyte in the solvent, 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.
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、固体電解質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 solid electrolyte 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。以下、前駆体を用いたドープの製造方法を例に挙げて説明する。なお、前駆体12aに代えて、固体電解質を用いてドープを製造する場合も、以下と同様の方法で行うことができる。
[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. Hereinafter, a method for producing a dope using a precursor will be described as an example. In addition, it replaces with the precursor 12a, and also when manufacturing dope using a solid electrolyte, it can carry out by the method similar to the following.
ドープ製造設備10は、有機溶媒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、有機溶媒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内で蒸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 dope manufacturing facility 10 includes a
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、有機溶媒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。添加剤溶液に使用する溶媒は、ドープにおける相溶性等の観点から、ポリマーの溶媒と同じ化合物を用いることが好ましい。
The process of manufacturing the dope 24 using the dope manufacturing facility 10 will be described below. By opening 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、有機溶媒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、好ましい量の有機溶媒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と有機溶媒11aと混合することに限定されず、後の工程で前駆体12aと有機溶媒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が有機溶媒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有機溶媒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有機溶媒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を有機溶媒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 organic 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。ただし、孔径が小さすぎる場合には、ドープを濾過する際に要する時間が長くなるため、フィルタの平均孔径は、製造時間等を考慮して適宜選択するとよい。
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の有機溶媒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。濾過装置の濾過口径は10μm以下であることが好ましい。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 dope 24. The filtration aperture of the filtration device is preferably 10 μm or less. In addition, the installation number and installation location of the filtration apparatus in the dope manufacturing facility 10 and the frequency | count of filtering dope are not specifically limited, What is necessary is just to determine as needed.
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、有機溶媒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 organic solvent 11a can be confirmed by illuminating the filtered dope 24 with a fluorescent lamp.
[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、化3に示されるような固体電解質の前駆体であるポリマーを含むドープを用いる場合の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。
[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 steps when using a dope containing a polymer that is a precursor of a solid electrolyte as shown in Chemical Formula 3 will be briefly described, and details of each step will be described with reference to FIG. .
固体電解質フィルム製造工程60は、ドープから流延膜61を支持体上に形成する流延膜形成工程63と、支持体上に形成された流延膜61に自己支持性を発現させる自己支持性発現工程66と、支持体から流延膜61を剥ぎ取って湿潤フィルム(以下、前駆体フィルムと称する)67とする剥取工程68と、前駆体フィルム67と置換溶媒とを接触させる溶媒置換工程70と、溶媒置換工程70を経た前駆体フィルム67に付着する液体を除去する水切工程71と、水切工程71を経た前駆体フィルム67を乾燥する前駆体フィルム乾燥工程72と、プロトン置換により、前駆体フィルム67を水素置換フィルム75とするプロトン置換工程76と、水素置換フィルム75を洗浄する水洗工程77と、洗浄後の水素置換フィルム75を乾燥して固体電解質フィルム79とする水素置換フィルム乾燥工程78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する。流延膜61は、後述する剥取工程68で前駆体フィルム67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
形成直後の流延膜61には自己支持性がない。これは、多量の有機溶媒が流延膜61に含まれているためでる。自己支持性発現工程66は、流延膜61に含まれる有機溶媒11a(図1参照)の一部を除去し、自己支持性発現させるための各処理を行う。自己支持性発現工程66は、流延膜乾燥工程66aと溶媒接触工程66bとを有する。なお、流延膜乾燥工程66aは、行わなくても良いが、流延膜乾燥工程66aを行ったほうが、本発明の効果がより顕著に発揮される。
The
流延膜乾燥工程66aでは、流延膜乾燥手段を用いて、支持体上の流延膜61を乾燥する。流延膜乾燥手段は、流延膜61の搬送路近傍に配される。この乾燥により、流延膜61に含まれる有機溶媒が蒸発する。この流延膜乾燥工程66aにて、流延膜61に残留する有機溶媒の量(以下、残留溶媒量と称する)を低下することができる。また、溶媒接触工程66bの効率を向上させることができる。なお、流延膜乾燥手段としては、加熱機や乾燥風を供給することができる乾燥装置などが用いられる。
In the cast
また、溶媒接触工程66bでは、支持体に搬送される流延膜61と固体電解質の貧溶媒とを接触させる。この貧溶媒(以下、接触貧溶媒と称する)との接触により、流延膜61に含まれる有機溶媒の一部が接触貧溶媒に置換される。これにより、(1)流延膜61の自己支持性の向上(2)流延膜61の乾燥効率の向上の2つの効果を得ることができる。また、接触貧溶媒として沸点の低い貧溶媒を用いると、溶媒置換により、流延膜61に含まれる有機溶媒の沸点が低下するため、乾燥手段による有機溶媒の除去が容易になる。こうして、流延膜61の残留溶媒量が低下する。すなわち、自己支持性発現工程66により、流延膜61に自己支持性を容易に発現させることができる。
Moreover, in the
剥取工程68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67とする。自己支持性発現工程66を経た前駆体フィルム67は自己支持性を備える。所定の範囲の弾性率を有する前駆体フィルム67は搬送が可能になる。剥取工程68における前駆体フィルム67の弾性率の好ましい範囲を搬送可能領域と称する。搬送可能領域は、前駆体フィルム67の弾性率が6×105Pa以上であることが好ましい。弾性率が6×105Pa未満の場合は、搬送中に自重で前駆体フィルム67が変形するため、好ましくない。
In the stripping
図2に示す固体電解質フィルム製造工程60の各工程を連続的に行う、いわゆるオンライン方式の場合において、搬送可能領域内の弾性率を有する前駆体フィルム67を得るためには、自己支持性発現工程66における各パラメータを最適値にして、自己支持性発現工程66を行えばよい。これらパラメータとして、前駆体フィルム67を構成する材料(残留溶媒量)、流延膜61の温度や濃度などが挙げられる。これらのパラメータの最適値は、自己支持性発現工程66の実験結果より得ることができる。また、前駆体フィルム67の弾性率の測定方法として、上述した方法の他、前駆体フィルム67を搬送するロールに印加するテンションの変動から求めることも可能である。
In order to obtain the
固体電解質フィルム製造工程60の各工程をバッチ処理で行う、いわゆるオフライン方式の場合において、上述した方法のほか、引張試験機を用いて前駆体フィルム67弾性率測定を行うことも可能である。ここでは、引張試験機を用いる弾性率の測定方法の一例について簡単に説明する。東洋ボールドウィン製万能引張試験機(STM T50BP)を用いて、温度23℃、湿度70%RH雰囲気中において引張試験を行う。引張試験の各条件は、前駆体フィルム67を引張速度10%/分で引張り、歪ε1が0.5%のときの前駆体フィルム67の応力σ1を測定する。こうして得られた歪ε1及び応力σ1並びにフックの法則から前駆体フィルム67の弾性率を求めることができる。
In the case of a so-called off-line method in which each step of the solid electrolyte film production process 60 is performed by batch processing, the modulus of elasticity of the
溶媒置換工程70では、前駆体フィルム67と液体とを接触させる。この液体として、前駆体フィルム67の内部に残留する有機溶媒と相溶性の高い液体(以下、置換溶媒と称する)を用いる。この置換溶媒と前駆体フィルム67との接触により、前駆体フィルム67に含まれる残留有機溶媒が置換溶媒と置換(以下、溶媒置換と称する)される。置換溶媒を用いた溶媒置換により、前駆体フィルム67の残留溶媒量が低下する。こうして、前駆体フィルム67の残留溶媒量が所定の値になるまで、溶媒置換が行われる。
In the
また、この溶媒置換工程70を複数回行っても良い。溶媒置換工程70を複数回行う場合は、後の溶媒置換工程になるに従って沸点が低くなるように各工程の置換溶媒を選択することが好ましい。この複数回の溶媒置換工程により、前駆体フィルム67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、溶媒置換工程70の後に行う乾燥工程を容易にすることができる。
Further, this
水切工程71では、エアシャワーなどを用いて、前駆体フィルム67に付着する余分な液体を除去する。この水切工程71により、前駆体フィルム乾燥工程72における前駆体フィルム72の乾燥に要する時間を短縮することができる。
In the
前駆体フィルム乾燥工程72では、前駆体フィルム67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67を乾燥させることができるものであれば良く、特に限定されるものではないが、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67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。なお、テンタに関しては、後で説明する。
In the precursor
プロトン置換工程76では、前駆体フィルム67を、酸の溶液(以下、酸溶液と称する)に接触させる。この酸溶液との接触により、前駆体フィルム67に含まれる前駆体がプロトン置換され、前駆体フィルム67が水素置換フィルム75となる。化3のXがHであるポリマーを原料とする場合にも、このプロトン置換工程76と同様に酸溶液と接触させることにより、フィルムのプロトン伝導度を向上させることができる。
In the
水洗工程77では、酸処理後の水素置換フィルム75を洗浄液に浸漬させることにより水素置換フィルム75の表面に付着している、あるいは水素置換フィルム75に含まれる酸溶液を洗い流す。この水洗工程77により、水素置換フィルム75を構成するポリマー等が酸により経時的に汚染されることを防止することができる。なお、本実施形態では、プロトン置換工程76の後に、1回の洗浄工程を行っているが、水素置換フィルム75に付着した余分な酸を完全に除去するために、洗浄回数を複数回としても良い。
In the
また、上記のようにプロトン置換工程76と水洗工程77とを行なうことにより、水素置換フィルム75に含まれる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、製造する固体電解質フィルム79の劣化を防止することもできる。
Further, by performing the
そして、水素置換フィルム乾燥工程78では、再度、乾燥手段により水素置換フィルム75を十分に乾燥する。これにより、プロトン伝導度に優れた固体電解質フィルム79を得ることができる。
In the hydrogen replacement
[固体電解質フィルム製造設備]
図3に、本発明の第1の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(図2参照)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。以下、固体電解質の前駆体であるポリマーを含むドープ24を用いる場合を例に挙げて、フィルム製造設備33について説明する。
[Solid electrolyte film manufacturing equipment]
FIG. 3 shows a film manufacturing facility 33 used in the first embodiment of the present invention. The film manufacturing facility 33 is a facility designed based on the solid electrolyte film manufacturing process 60 (see FIG. 2). However, this film manufacturing equipment 33 is an example of the present invention and does not limit the present invention. Hereinafter, the film manufacturing facility 33 will be described by taking as an example the case of using a dope 24 containing a polymer that is a precursor of a solid electrolyte.
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67を得た後、前駆体フィルム67の乾燥を促進させるテンタ83と、更に、前駆体フィルム67にプロトン置換を行い、前駆体フィルム67から水素置換フィルム75を生成する液槽84と、水素置換フィルム75を洗浄する水槽85と、水素置換フィルム75の乾燥を促進させて固体電解質フィルム79とする乾燥室86と、固体電解質フィルム79を調湿する調湿室87と、調湿後の固体電解質フィルム79をロール状に巻き取る巻取室88とを備えている。
The film production facility 33 includes a casting
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 film manufacturing facility 33 is connected to the dope manufacturing facility 10 via the
流延室80には、ドープ24を流出する流延ダイ92と、走行する支持体である流延バンド93とを備える。流延ダイ92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92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92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92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92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92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92の全巾にわたり一定かつ50μm以下とされている。流延ダイ92はコートハンガー型のダイが好ましい。
The casting
流延ダイ92の幅は特に限定されるものではないが、最終製品となる固体電解質フィルム79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92の温度を制御する温度コントローラが流延ダイ92に取り付けられることが好ましい。さらに、流延ダイ92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。製品としての固体電解質フィルム79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92を用いることが好ましい。
The width of the casting die 92 is not particularly limited, but is preferably about 1.1 to 2.0 times the width of the
流延ダイ92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)、Al2O3、TiN、Cr2O3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。 More preferably, a cured film is formed at the lip end of the casting die 92. 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92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 92, 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
ストックタンク32と流延ダイ92との間には、濾過装置96が備えられる。濾過装置96は、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。これら異物等を除去するために、濾過装置96の濾過口径は10μm以下であることが好ましい。
A
流延ダイ92の下方には、回転ローラ97a,97bに掛け渡される流延バンド93が設けられている。流延バンド93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93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93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93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93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97a,97b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93の表面温度を所定の値にすることが好ましい。回転ローラ97a,97b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97a,97b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93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 what has a heat transfer medium attached inside the
回転ローラ97a,97b、及び流延バンド93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93、回転ローラ97a,97b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。
A rotating drum (not shown) may be used as a support instead of the
流延ビードの上流側には、減圧チャンバ(図示せず)を備えることが好ましい。流延ビードとは、流延ダイ92から流延バンド93にかけて形成されるリボン状のドープ24である。また、流延ビードの上流側とは、流延バンド93の走行方向に関して流延ビードよりも上流側であることを意味する。この減圧チャンバにより、流延ビードの上流側のエリアの圧力を、流延ビードの下流側のエリアの圧力よりも低く維持する。また、流延バンド93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、蒸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。
It is preferable to provide a decompression chamber (not shown) on the upstream side of the casting bead. The casting bead is a ribbon-like dope 24 formed from the casting die 92 to the
また、流延ダイ92の下流側、流延バンド93の搬送路近傍には、乾燥装置98aが備えられる。乾燥装置98aは、乾燥風を流延膜61にあてる。この乾燥風は、流延膜61の乾燥条件を満足するように調節されている。流延膜61が吸水すると、流延膜24aが相分離・固形化し、空隙率の高いフィルムとなってしまう。形成直後の流延膜61は吸水しやすいため、乾燥風の湿度は低いほうが好ましく、具体的には、50%RH未満であることが好ましく、20%RH未満であることがより好ましい。
Further, a drying
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乾燥装置98b〜98d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98b〜98dを取り付ける等して、各区画の温度及び湿度が異なるように調整することが好ましい。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。こうして、流延ベルト93に搬送される流延膜61を徐々に乾燥することができるので、急激に溶媒が蒸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。また、搬送室81には、流延膜61を乾燥する際に発生する蒸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
乾燥装置98bは、搬送室81における流延バンド93の搬送方向の上流側に配される。乾燥装置98cは、乾燥装置98bの下流側へ、乾燥装置98dは、乾燥装置98cの下流側へそれぞれ配される。乾燥装置98b〜98dは、所定の乾燥風を流延膜61にあてる。この乾燥風の風向きは、流延膜61の移動方向と略同方向の風向きである。
The drying
また、搬送室81の内部における、乾燥装置98cと乾燥装置98dとの間の、流延バンド93の搬送路近傍には、塗布装置100が配される。塗布装置100の設置位置は、乾燥装置98cと乾燥装置98dとの間には限定されず、乾燥装置98bの上流側、乾燥装置98bと乾燥装置98cの間、乾燥装置98dの下流側のいずれかの位置でもよい。塗布装置100は、流延ダイ92と同様の構造を有する。塗布装置100は、水槽101と接続される。この水槽101には、接触貧溶媒200が貯留する。
Further, in the inside of the
また、水槽101は、温度調節部101aと接続する。この温度調節部101aは、水槽101に貯留される接触貧溶媒200の温度を所定の温度域に保持する。接触貧溶媒200の温度は、10℃以上70℃以下に保持することが好ましい。接触貧溶媒200の温度が10℃以下である場合には、ゲル化の効果が弱くとなり、接触貧溶媒200の温度が70℃以上である場合には、急激なゲル化によりベースが変形してしまうるためである。
The
固体電解質フィルム製造工程の効率化を考慮すると、この接触貧溶媒200としては、ドープ24に含まれるポリマーに対して貧溶媒の性質をもつ化合物であることが好ましい。更に、有機溶媒11a(図1参照)と相溶性が高いものを用いることがより好ましい。ポリマーの良溶媒である化合物と貧溶媒である化合物とを含む混合物をドープの有機溶媒として用いる場合には、良溶媒成分と貧溶媒成分との両方に相溶性をもつ化合物を接触貧溶媒200として用いることが好ましい。なお、ドープの有機溶媒としては、ポリマーを溶解するものであれば限定はされないが、沸点が低いものほど好ましい。この有機溶媒11aの具体的な例として、低級アルコール、アセトン、酢酸メチルなどが挙げられる。 In view of the efficiency of the solid electrolyte film manufacturing process, the contact poor solvent 200 is preferably a compound having a poor solvent property with respect to the polymer contained in the dope 24. Furthermore, it is more preferable to use a solvent having high compatibility with the organic solvent 11a (see FIG. 1). When a mixture containing a compound that is a good solvent for a polymer and a compound that is a poor solvent is used as the organic solvent for the dope, a compound that is compatible with both the good solvent component and the poor solvent component is used as the contact poor solvent 200. It is preferable to use it. The organic solvent for dope is not limited as long as it dissolves the polymer, but the lower the boiling point, the better. Specific examples of the organic solvent 11a include lower alcohol, acetone, methyl acetate and the like.
接触貧溶媒200として、水や有機溶媒の水溶液などを用いることが好ましい。接触貧溶媒として好適に用いられる水は、不純物を含まないものであればよい。この水として、純水、蒸留水やイオン交換水などを用いることが好ましい。なお、この第1の実施形態では、接触貧溶媒200として純水を用いている。また、接触貧溶媒200として、ドープ中のポリマーに対して良溶媒の性質をもつ化合物の水溶液を用いてもよく、例えば前駆体の良溶媒がDMSOであるときには、DMSO水溶液を接触貧溶媒として用いることができる。DMSO水溶液を接触貧溶媒として用いることにより、溶媒置換における溶媒抽出速度を制御することができる。また、DMSO水溶液の中でもより低沸点であるものを用いることがより好ましい。具体的には、水とDMSOとの重量割合kが、1%以上50%以下であることが特に好ましい。重量割合kは、100×{w1/(w1+w2)}で表される。ここで、w1はDMSO水溶液に含まれる水の重量であり、w2はDMSO水溶液に含まれるDMSOの重量である。また、接触貧溶媒として、2種類以上の有機溶媒からなる水溶液を用いても良い。なお、ポリマーが前述した化3に示される化合物である場合にも、上述した接触貧溶媒を用いることができる。なかでも、溶媒の抽出速度を制御できるDMSO水溶液を用いることが特に好ましい。 As the contact poor solvent 200, it is preferable to use water, an aqueous solution of an organic solvent, or the like. The water used suitably as a contact poor solvent should just contain no impurity. As this water, it is preferable to use pure water, distilled water, ion-exchanged water or the like. In the first embodiment, pure water is used as the contact poor solvent 200. Further, as the contact poor solvent 200, an aqueous solution of a compound having a good solvent property with respect to the polymer in the dope may be used. For example, when the precursor good solvent is DMSO, the DMSO aqueous solution is used as the contact poor solvent. be able to. By using the DMSO aqueous solution as the poor contact solvent, the solvent extraction rate in the solvent replacement can be controlled. Further, it is more preferable to use a DMSO aqueous solution having a lower boiling point. Specifically, the weight ratio k between water and DMSO is particularly preferably 1% or more and 50% or less. The weight ratio k is represented by 100 × {w1 / (w1 + w2)}. Here, w1 is the weight of water contained in the DMSO aqueous solution, and w2 is the weight of DMSO contained in the DMSO aqueous solution. Moreover, you may use the aqueous solution which consists of 2 or more types of organic solvents as a contact poor solvent. In addition, also when a polymer is a compound shown by the chemical formula 3 mentioned above, the contact poor solvent mentioned above can be used. Among these, it is particularly preferable to use a DMSO aqueous solution that can control the extraction rate of the solvent.
なお、このような塗布装置100により、前駆体フィルム67の片面上に塗布する接触貧溶媒200の量を、2ml/m2以上100ml/m2以下にすることが好ましい。接触貧溶媒200の塗布量が2ml/m2以下である場合には、溶媒置換が十分に行われず、前駆体フィルム67に十分な自己支持性を発現させることができない点で好ましくない。また、接触貧溶媒200の塗布量が100ml/m2以上である場合には、前駆体フィルム67の搬送を安定して行うことができないため好ましくない。前述した塗布装置100に代えて、E型ギーサ、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。なお、流延バンド93によって搬送される流延膜61に接触貧溶媒200を塗布する、いわゆるオンライン方式で固体電解質フィルムの製造を行う場合には、塗布装置100やE型ギーサを用いることがより好ましい。また、前述した接触貧溶媒200の塗布量を考慮すると、塗布装置100やE型ギーサを塗布手段として用いることがより好ましい。
In addition, it is preferable that the amount of the contact poor solvent 200 applied on one surface of the
搬送室81の外部における流延バンド93の搬送路近傍には、剥取ローラ103が備えられる。剥取ローラ103は、自己支持性を有する流延バンド93上の流延膜61を、前駆体フィルム67として剥ぎ取る。流延膜61を剥ぎ取られた流延バンド93は、ガイドローラにより搬送室81の内部へ案内される。
A stripping
また、この剥取ローラ103の下流には、タンク105が配される。タンク105は、ガイドローラ105aと、温度調節部105bとを備える。この温度調節部105bは、タンク105に貯留される置換溶媒202の温度を所定値に保持する。流延膜61と置換溶媒202との接触により、流延膜61の内部に残留する有機溶媒と置換溶媒202との間で溶媒置換が行われる。この溶媒置換を円滑に行うために、置換溶媒202の温度は、10℃以上70℃以下に保持することが好ましい。ガイドローラ105aは、流延ベルト93から剥ぎ取られた前駆体フィルム67を、置換溶媒202に浸漬した後、置換溶媒202から除去する。
Further, a
この置換溶媒202として、流延膜61に含まれる残留溶媒と相溶性が高く、溶媒抽出速度をコントロールできる液体を用いることが好ましい。この置換溶媒として、純水やイオン交換水、ドープの溶媒成分のうちポリマーの良溶媒である化合物の水溶液等を用いることが好ましい。ドープの溶媒がポリマーの良溶媒と貧溶媒との混合物であるときには、良溶媒成分と貧溶媒成分とに相溶する液が置換溶媒として用いられることが特に好ましい。この液としては、例えば、水と良溶媒成分との混合物、水と貧溶媒成分との混合物が挙げられる。ただし、この置換溶媒は、ドープの成分として用いている物質かどうかは関係なく、例えば、アセトンでもよい。この溶媒置換工程70(図2参照)により、流延膜61において溶媒置換が行われ、流延膜61の残留溶媒量が減少する。また、溶媒置換後に生成された前駆体フィルム67には、ドープの溶媒、接触貧溶媒や置換溶媒が残留する。このため、この置換溶媒として、沸点が低い液体を用いることがより好ましい。低沸点の置換溶媒を用いることにより、前駆体フィルム67の残留溶媒の沸点が低下するため、後述する前駆体フィルム乾燥工程72における残留溶媒の除去を容易に、短時間に行うことができる。なお、この第1の実施形態では、置換溶媒202として純水を用いている。
As the replacement solvent 202, it is preferable to use a liquid that is highly compatible with the residual solvent contained in the
溶媒置換工程においては、前駆体フィルム67と置換溶媒202との接触方法は、前駆体フィルム67への塗布や噴霧、または、前駆体フィルム67を置換溶媒の中に浸漬する方法など、いずれの方法を用いてもよい。また、この溶媒置換工程70における前駆体フィルム67と置換溶媒202との接触時間は、10分以下にすることが好ましい。この接触時間が10分を超えると、前駆体フィルム67に含まれる水分の膨張により、乾燥後の固体電解質フィルム79の厚み変動が大きくなるためである。また、この溶媒置換工程70における前駆体フィルム67の残留溶媒量は、自己支持性発現工程66により低減している。そのため、溶媒置換工程70において前駆体フィルム67と置換溶媒とを接触させても、前駆体フィルム67における細孔の発生を抑制し、欠陥の少ない固体電解質フィルムを得ることが可能となる。
In the solvent replacement step, the method of contacting the
タンク105の下流でありテンタ83の上流には、前駆体フィルム67の両面方向に向けられた送風口を備える一対のエアシャワー106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83a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67の両端部(耳部)を切り落とす耳切装置107が設けられている。耳切装置107には、切り取られた前駆体フィルム67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107aが接続されている。
A pair of
耳切装置107の下流には、液槽84が配される。液槽84には、酸を含む液(以下、酸溶液と称する)204が貯留する。また、液槽84は、温度調節部84aとガイドローラ84bとを備える。温度調節部84aは、液槽84に貯留する酸溶液204の温度を所定値に保持する。ガイドローラ84bは、前駆体フィルム67を、酸溶液204に浸漬した後、酸溶液204から除去する。所定の温度に保持された酸溶液204に浸漬された前駆体フィルム67は、プロトン置換され、水素置換フィルム75となる。
A
プロトン置換された割合は、高ければ高いほど、つまり100%であることが最も好ましい。しかしこのプロトン置換率を100%とせずともよく、本実施形態では生産性との兼ね合いから置換対象であるカチオン種のうち80%以上、より好ましくは90%以上であると十分固体電解質フィルムとしての機能を発現するとしている。なお、このプロトン置換率は、置換対象であるカチオン種の総数をx1とし、カチオン種を置換した水素原子の総数をy1として(y1/x1)×100で求められる値である。 Most preferably, the proportion of proton substitution is higher, that is, 100%. However, this proton substitution rate does not have to be 100%, and in this embodiment, 80% or more, more preferably 90% or more of the cationic species to be substituted is sufficient as a solid electrolyte film in consideration of productivity. It is supposed to express its function. The proton substitution rate is a value obtained by (y1 / x1) × 100, where x1 is the total number of cation species to be substituted and y1 is the total number of hydrogen atoms substituting the cation species.
酸溶液204は、酸性の水溶液に限られず、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、用いる酸よりもプロトン受容性が大きい化合物を前駆体として用いる場合には、酸溶液204に酸を用いてもよい。
The
酸溶液204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と、フィルム中にアニオンが侵入しにくいため、前駆体フィルム67に対し、高効率のプロトン置換を行うことができる。具体的には、例えば、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸、有機スルホン酸等を挙げることができるが、中でも、式量が大きく強酸の硫酸を用いることが好ましい。
When an acid having an anion formula weight of 40 or more and 1000 or less is used as the
酸溶液204の温度が高くなるほど、前駆体フィルム67との接触時におけるプロトン置換反応が円滑に行われる。具体的には、酸溶液204の温度が30℃以上酸溶液204の沸点以下であることが好ましい。また、前駆体フィルム67と酸溶液204との接触方法は、前駆体フィルム67への酸溶液の塗布や噴霧、または、前駆体フィルム67を酸溶液の中に浸漬する方法など、いずれの方法を用いてもよい。
As the temperature of the
液槽84の下流には、水槽85が配される。水槽85には、洗浄液としての水206が貯留する。また、水槽85は、温度調節部85aとガイドローラ85bとを備える。温度調節部85aは、水槽85に貯留する洗浄液206の温度を所定値に保持する。ガイドローラ85bは、水素置換フィルム75を、洗浄液206に浸漬した後、洗浄液206から除去する。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206の温度は30℃以上洗浄液206の沸点以下とすることが好ましい。
A
洗浄液206は、溶存酸素等がほとんど含まれておらず、理論上のH2Oに近い蒸留水、純水やイオン交換水であることが好ましい。本明細書における純水とは、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未満である水を指す。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。なお、上記水槽85のように、必ずしも水素置換フィルム75を洗浄液206に浸漬させる必要はなく、洗浄液206の塗布や吹きつけにより水素置換フィルム75の表面を洗浄することができる方法であれば良い。水洗工程77及び洗浄液206の詳細については、後述する。
The cleaning liquid 206 contains almost no dissolved oxygen or the like, and is preferably distilled water, pure water, or ion-exchanged water that is close to theoretical H 2 O. In the present specification, pure water means water having a specific electric resistance of at least 1 MΩ or more, in particular, metal ions such as sodium, potassium, magnesium and calcium are less than 1 ppm, and anions such as chloro and nitric acid are less than 0.1 ppm. Point to. Pure water can be easily obtained by a simple substance such as a reverse osmosis membrane, an ion exchange resin, distillation, or a combination thereof. It is not always necessary to immerse the
水槽85の下流には乾燥室86が配される。乾燥室86には、多数のパスローラ127と、乾燥室86の内部の蒸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86の下流に配される調湿室87には、乾燥室86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87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75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75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88の内部には、固体電解質フィルム79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。
A drying
次に、上記のフィルム製造設備33を用いて固体電解質フィルム79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に送り込む。濾過装置96では、固体電解質フィルム79の特性、特にプロトン伝導度の低下の要因となる不純物などをドープ24から除去する。
The dope 24 stored in the
濾過後のドープ24を流延ダイ92に送り込んだ後、流延ダイ92から流延ビードを形成させながら流延バンド93の上に流延する。この場合、流延バンド93に生じるテンションが103N/m×106N/mとなるように、回転ローラ97a,97b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93と回転ローラ97a,97b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 dope 24 is fed into the casting die 92, it is cast on the
流延バンド93の速度変動を0.5%以下とし、流延バンド93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93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93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93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92の直下における流延バンド93について、回転ローラ97a,97b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。
It is preferable that 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92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 92 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93上の流延膜61を、回転ローラ97a,97bを駆動させることにより流延バンド93を無端走行させる。流延室80及び搬送室81内では、乾燥装置98a〜98dから乾燥風を供給して流延膜61に含まれる有機溶媒を蒸発させる。このとき、流延膜61にあたるときの乾燥風の温度が30℃以上100℃未満となるように、より好ましくは20℃以上70℃以下となるようにすることが好ましい。なお、本実施例では流延膜61の近傍での温度が平均して45℃となるように乾燥風の温度を調整している。
The
流延バンド93上の流延膜61を乾燥する際には、出来る限り低湿とすることが好ましい。湿度を調整するには、流延室80や搬送室81の内部に市販の湿度制御装置等を設置する等して対応することができる。湿度制御装置については特にその形態や設置箇所は限定されない。また、コンデンサ99は、搬送室81の内部の蒸発溶媒を凝縮して回収する。
When the
塗布装置100では、水槽101に貯留する接触貧溶媒200と、流延バンド93により搬送される流延膜61とを接触させる。こうして、塗布装置100により、流延膜61の内部の有機溶媒と接触貧溶媒200との間で溶媒置換が行われる。流延膜61中に含まれる良溶媒成分よりも沸点が低い接触貧溶媒200を流延膜61に接触させると、流延膜61をゲル状にすることができる。すると、それ流延膜61自体が自己支持性を持つようになるため、流延バンド93から流延膜61を容易に剥ぎ取ることができるようになる。また、前駆体フィルム67を乾燥する工程でドープの溶媒成分を接触貧溶媒200とともに蒸発させることができる。さらにまた、流延膜61中に含まれる良溶媒が貧溶媒よりも多くなるために、全溶媒の重量における低沸点成分の割合が大きくなる。これにより、水を蒸発させる程度の温度で十分な乾燥を行うことができる。
In the
こうして、接触貧溶媒200による溶媒置換及び乾燥装置98a〜98dによる乾燥により、流延膜61に自己支持性が発現する。こうして、流延膜61の弾性率は、剥取可能な程度となる。
Thus, self-supporting property is exhibited in the
剥取ローラ103は、流延膜61を前駆体フィルム67として流延バンド93から剥ぎ取る。また、流延膜61が剥ぎ取られた後の流延バンド93は、回転ローラ97a,97b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。ガイドローラ105aは、前駆体フィルム67を置換溶媒202である純水中へ案内する。前駆体フィルム67と純水の接触により、純水と流延膜61に含まれる有機溶媒との間で溶媒置換が行われる。純水は、流延膜61に残留する有機溶媒に相溶し、純水と流延膜61に含まれる有機溶媒との間で溶媒置換が行われる。
The stripping
また、ドープの溶媒が良溶媒成分と貧溶媒成分との混合物であり、かつ、良溶媒が前駆体に対して100重量%以上のドープを流延する場合には、接触貧溶媒200及び置換溶媒202に接触させた後の前駆体フィルム67は、前駆体の重量に対する良溶媒成分の重量が100%未満とされていることが好ましい。これにより、後の乾燥工程を短時間で済ませることができる。
When the dope solvent is a mixture of a good solvent component and a poor solvent component and the good solvent casts a dope of 100% by weight or more with respect to the precursor, the contact poor solvent 200 and the substitution solvent The
接触貧溶媒200及び置換溶媒202に対する流延膜61及び前駆体フィルム67の接触時間は合わせて10分以下であることが好ましい。より好ましくは30秒以上10分以下であり、特に好ましくは1分以上5分以下である。本発明では、この時間が10分を超えると、前駆体フィルム67における水分量が多くなりすぎてしまい、前駆体フィルム67が大きく膨潤してしまうし、また、後工程での乾燥時間を長くせざるをえなくなることがある。一方、この時間が30秒未満の場合には、溶媒の置換が不十分であるためにゲル化が十分に促進されない。そのため、支持体からの剥ぎ取りがうまくできずに連続製膜できなくなる、あるいは乾燥時間の短縮を実現させるのが難しくなる。
The total contact time of the
ガイドローラ105aによって、前駆体フィルム67がタンク105から送り出される。エアシャワー106は前駆体フィルム67の表面にエアを吹き付け、前駆体フィルム67の表面に付着する水分を除去する。この前駆体フィルム67をテンタ83に送り込む。テンタ83では、クリップ83aで前駆体フィルム67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67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67にあてて、前駆体フィルム67の乾燥を促進させる。ただし、クリップ83aをピンに代えて、このピンを前駆体フィルム67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150℃以下とすることが好ましい。第1の実施形態では、その内部の温度を約120℃となるように調整する。この設定温度は、接触貧溶媒200や置換溶媒202を沸点の低いものにするほど、低くすることができる。テンタ83は、内部が搬送方向で異なった温度ゾーンとして4分割され、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。テンタ83の乾燥により、前駆体フィルム67の残留溶媒量が、乾量基準で10重量%程度にする。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x2、そのサンプリングフィルムを乾燥した後の重量をy2とするとき{(x2−y2)/y2}×100で算出される値である。
The
テンタ83では、前駆体フィルム67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67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67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67を延伸する場合には、前駆体フィルム67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67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67を耳切装置107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67の両側端部を切除することで、前駆体フィルム67の平面性を向上させることができる。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107aに送り込まれ、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67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67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
前駆体フィルム67を液槽84に送り込んで、前駆体フィルム67を、酸溶液204としての硫酸水溶液に浸漬する。こうして、硫酸水溶液への浸漬により、前駆体フィルム67のポリマー成分がプロトン置換され、前駆体フィルム67が水素置換フィルム75となる。酸溶液は、前駆体フィルム65に対して出来る限り均一に接触させることが好ましい。
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75を水槽85に送り込み、水槽85の純水中に浸漬する。こうして、水素置換フィルム75に付着した余分な硫酸水溶液を除去することができる。
Next, the
続けて、水素置換フィルム75を乾燥室86に送り込む。乾燥室86では、パスローラ127に巻き掛けながら水素置換フィルム75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86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86の内部温度は120℃以上185℃以下とすることが好ましく、固体電解質フィルム79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、固体電解質フィルム79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86の内部に送りこむ。
Subsequently, the
乾燥室86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107と乾燥室86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75を予備乾燥すると、乾燥室86で水素置換フィルム75の温度が急激に上昇することが防止されるので、乾燥室86での水素置換フィルム75の大幅な形状変化を抑制して、形状変化の少ない固体電解質フィルム79を得ることができる。
It is more preferable that the drying
接触貧溶媒200及び置換溶媒202として同質の溶媒を用いる場合には、溶媒中に浸漬した状態で、溶媒接触工程66と剥取工程68と溶媒置換工程70を行っても良い。これについては、第2の実施形態として後述する。このようにすることで、固体電解質フィルム79の製造に要する時間を更に短縮することができる。
When the same quality solvent is used as the contact poor solvent 200 and the substitution solvent 202, the solvent contact step 66, the stripping
上記実施形態では、自己支持性発現工程66において、流延膜乾燥工程66a及び接触溶媒工程66bを行うとしたが、流延膜乾燥工程66aを行わなくてもよい。ただし、自己支持性発現工程66全体として短時間で行う場合には、流延膜61に自己支持性を発現させる点で流延膜乾燥工程66aを行うほうが好ましい。
In the above embodiment, the casting
接触溶媒工程66bにおいて塗布装置100を用いて、接触貧溶媒200を流延膜61に塗布したが、これに限らず、接触貧溶媒200を吹き付けてもよい。また、接触貧溶媒200と接触後の流延膜61を乾燥する乾燥装置98dを用いなくても良い。この乾燥装置98dによる流延膜61の乾燥は、流延膜61に含まれるポリマーの良溶媒の更なる除去が可能な限り、有効な手段である。しかしながら、この乾燥装置98dにより、流延膜61に含まれる接触貧溶媒200が揮発する場合には、接触貧溶媒200と接触後の流延膜61の乾燥を行わないほうがよい。
In the contact
なお、水洗工程において、水素置換フィルムを洗浄する際には、必ずしも洗浄液に浸漬させる必要はなく、水素置換フィルムから酸を除去することができる洗浄液の接触方法であれば特に限定されるものではない。例えば、水素置換フィルムに対して洗浄液を塗布する方法、洗浄液を吹き付ける方法等が挙げられる。このように水素置換フィルムに対して洗浄液を塗布したり、吹き付けたりする方法では、水素置換フィルムを連続的に搬送しながら実施することができるので好ましい。 In the water washing step, when the hydrogen-substituted film is washed, it is not always necessary to immerse the film in the washing liquid, and there is no particular limitation as long as it is a cleaning liquid contact method that can remove acid from the hydrogen-substituted film. . For example, a method of applying a cleaning liquid to the hydrogen-substituted film, a method of spraying the cleaning liquid, and the like can be mentioned. Thus, the method of applying or spraying the cleaning liquid to the hydrogen-substituted film is preferable because the hydrogen-substituted film can be carried while being continuously conveyed.
上記のうち、塗布する方法と吹きつける方法との具体的例としては、エクトルージョンコータ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))にまとめられており、この記載も本発明に適用することができる。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。 Of the above, specific examples of the application method and the spraying method include methods using an application head such as an extrusion coater, fountain coater, frog mouth coater, air humidification and painting, automatic tank cleaning, etc. And a method using a spray nozzle. These coating methods are summarized in “All about Coating” (Edited by Masayoshi Araki, Processing Technology Research Group (1999)), and this description can also be applied to the present invention. In addition, the spray nozzles can be installed so that the water flow collides with the entire width by arranging spray nozzles such as conical and fan shapes from Ikeuchi Co., Ltd. in the width direction of the transparent resin film. .
洗浄液の吹き付け速度は大きいほど、高い洗浄効果を得ることができるが、水素置換フィルムを連続的に搬送しながら水洗工程を行なう場合には、搬送安定性が損なわれるおそれがある。そのため、洗浄液の吹き付け速度は、50〜1000cm/秒であることが好ましく、好ましくは100〜700cm/秒であり、より好ましくは100〜500cm/秒である。 The higher the spraying speed of the cleaning liquid, the higher the cleaning effect can be obtained. However, when the washing process is carried out while continuously transporting the hydrogen-substituted film, the transport stability may be impaired. Therefore, the spraying speed of the cleaning liquid is preferably 50 to 1000 cm / second, preferably 100 to 700 cm / second, and more preferably 100 to 500 cm / second.
洗浄液の量は、少なくとも下記式(1)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。すなわち、洗浄に使用される洗浄液121の全てが酸溶液110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206量を使用することとなる。用いた酸溶液204の酸濃度や酸溶液の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程度の量の洗浄液206を使用する。なお、下記の式(1)において、洗浄液206及び酸溶液204の量は、フィルムの単位面積あたりに接触する各液量である。
理論希釈倍率=(洗浄液206の量[cc/m2 ])÷(酸溶液204の量[cc/m2 ]・・・(1)
The amount of the cleaning liquid must be at least an amount exceeding the theoretical dilution rate defined in the following formula (1). In other words, the theoretical dilution rate is assumed on the assumption that all of the cleaning liquid 121 used for cleaning has contributed to the diluted mixing of the acid solution 110. In practice, since complete mixing does not occur, the amount of the cleaning
Theoretical dilution factor = (Amount of cleaning liquid 206 [cc / m 2 ]) ÷ (Amount of acid solution 204 [cc / m 2 ]] (1)
洗浄方法としてある決まった洗浄液206の量を用いる場合には、一度に全量の洗浄液を水素置換フィルムに接触させるよりも全量を数回分に分けて複数回の洗浄を行うことが好ましい。この場合、一つの洗浄手段と次の洗浄手段との間に、時間や距離を調整することにより適当な間を設けるようにすると、洗浄液を拡散させて酸溶液を希釈させることができるので好ましい。更には、搬送される水素置換フィルム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効果が得られるので好ましい。最も好ましい方法としては、洗浄手段と洗浄手段の間に水切り手段を設けてフィルム上の水切りを行なうことである。この方法は、酸溶液の希釈効率を高めることもできる。なお、具体的な水切り手段としては、ブレード、エアナイフ、或いはロール等が挙げられる。搬送路に沿って複数配された水槽の数は、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、通常は搬送方向に沿って2〜10箇所、好ましくは2〜5箇所が好ましい。
When a certain amount of cleaning
上記の水切り手段の中では、最も水切り効果を得ることができるためにエアナイフを用いることが好ましい。エアナイフを用いる場合には、固体電解質フィルムに対して送り出すエアの風量と風圧とを調整することにより、表面に残存する水分量をゼロに近づけることが出来る。ただし、エアの風量が大きすぎると、ばたつきや寄り等が生じてフィルムの搬送安定性に影響を及ぼすことがある。そのため、エアの風量は10〜500m/秒であることが好ましく、好ましくは20〜300m/秒であり、より好ましくは30〜200m/秒である。なお、上記のエアの風量は、特に限定されるものではなく、フィルム上に元々あった水分量やフィルムの搬送速度等により決定すれば良い。 Among the above draining means, it is preferable to use an air knife in order to obtain the most draining effect. In the case of using an air knife, the amount of moisture remaining on the surface can be made close to zero by adjusting the air volume and the air pressure of the air sent to the solid electrolyte film. However, if the air volume is too large, fluttering or shifting may occur, which may affect the film conveyance stability. Therefore, the air flow rate is preferably 10 to 500 m / second, preferably 20 to 300 m / second, and more preferably 30 to 200 m / second. Note that the air volume of the air is not particularly limited, and may be determined based on the amount of moisture originally on the film, the film conveyance speed, and the like.
また、均一に水分の除去を行うためには、固体電解質フィルム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。搬送する固体電解質フィルム表面とエアナイフ吹出し口との間隙が狭い方ほど水切り能は増すが、固体電解質フィルム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、固体電解質フィルムの水洗面と反対側と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、フィルムのバタツキやシワ、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。 In addition, in order to remove moisture uniformly, the air velocity distribution in the width direction of the solid electrolyte film is usually within 10%, and preferably within 5%, and the air supply method to the air knife outlet and the air knife. Adjust. The narrower the gap between the surface of the solid electrolyte film to be conveyed and the air knife outlet, the greater the water draining ability, but there is a higher possibility of contact with and damage to the solid electrolyte film. Usually, an air knife is installed with a gap of 10 μm to 10 cm, preferably 100 μm to 5 cm, more preferably 500 μm to 1 cm. Furthermore, by setting up a backup roll on the opposite side of the solid electrolyte film so that it faces the air knife, the setting of the gap is stabilized and the influence of fluttering, wrinkles, deformation, etc. of the film is reduced. It is preferable because
洗浄を行う際には、洗浄液として、純水を用いることが好ましい。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。中でも、溶存酸素がほとんどなく理論上H2Oに近い超純水であることが好ましい。また、酸をフィルムから除去する高い効果を得るために、使用する洗浄液の温度は30℃以上沸点以下とすることが好ましく、30℃以上120℃以下とすることがより好ましい。ただし、水の温度は、略室温から水が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。本実施形態では、30℃に調整した温水に浸漬させて、前駆体フィルム65の酸を除去する。 When performing cleaning, it is preferable to use pure water as the cleaning liquid. The pure water used in the present invention has a specific electric resistance of at least 1 MΩ or more, particularly metal ions such as sodium, potassium, magnesium and calcium are less than 1 ppm, and anions such as chloro and nitric acid are less than 0.1 ppm. Pure water can be easily obtained by a simple substance such as a reverse osmosis membrane, an ion exchange resin, distillation, or a combination thereof. Among these, ultrapure water that has almost no dissolved oxygen and is theoretically close to H 2 O is preferable. In order to obtain a high effect of removing the acid from the film, the temperature of the cleaning liquid used is preferably 30 ° C. or higher and the boiling point or lower, more preferably 30 ° C. or higher and 120 ° C. or lower. However, the temperature of water is not particularly limited as long as it is in the temperature range from approximately room temperature to the boiling of water. In this embodiment, the acid of the precursor film 65 is removed by immersing in warm water adjusted to 30 ° C.
上記のように酸処理と洗浄処理とを行なうと、流延膜を形成する時点でその中に含まれていた無機塩等の不純物を除去する効果も得られる。そのため、得られるフィルムは不純物による劣化等が抑制される。なお、酸処理及び洗浄をした後のフィルムに含まれる金属含有量は、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。なお、対象となる金属としては、Na、K、Ca、Fe、Ni、Cr、Zn等が挙げられ、これらの金属含有量は、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。 When the acid treatment and the washing treatment are performed as described above, an effect of removing impurities such as inorganic salts contained therein at the time of forming the cast film can be obtained. Therefore, the resulting film is suppressed from deterioration due to impurities. In addition, it is preferable that the metal content contained in the film after an acid treatment and washing | cleaning is 1000 ppm or less, More preferably, it is 100 ppm or less. In addition, Na, K, Ca, Fe, Ni, Cr, Zn etc. are mentioned as a target metal, These metal contents are grasped | ascertained by measuring with a commercially available atomic absorption photometer, for example. Can do.
第1の実施形態においては、固体電解質の前駆体であるポリマーに代えて、固体電解質であるポリマーを用いて、固体電解質フィルムを製造しても良い。この場合において、固体電解質フィルム製造工程60におけるプロトン置換工程76、水洗工程77は行わなくてよいが、プロトン伝導性を向上させる観点では行う方が好ましい。
In the first embodiment, a solid electrolyte film may be manufactured using a polymer that is a solid electrolyte instead of the polymer that is a precursor of the solid electrolyte. In this case, the
固体電解質フィルム79を調湿室87に搬入する。調湿室87では、乾燥室86と同様にローラ127に巻き掛けられて搬送される固体電解質フィルム79を、温度制御装置と湿度制御装置とにより所望の温度及び湿度として、その乾燥度合いを制御する。なお、調湿室87の内部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、固体電解質フィルム79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86と調湿室87との間に冷却室(図示しない)を設けて固体電解質フィルム79を略室温まで冷却すると、温度変化により固体電解質フィルム79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
調湿後の固体電解質フィルム79にナーリングを付与する場合には、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。
When giving knurling to the
固体電解質フィルム79を巻取室88に送り、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固体電解質フィルム79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固体電解質フィルム79に付与しつつ巻き取ると、平面性に優れるロール状の製品とす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、巻き取られる固体電解質フィルム79の幅は100mm以上であることが好ましく、本発明は、固体電解質フィルム79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。
The
フィルム製造設備33の各工程内、あるいは各工程間では、前駆体フィルム67や水素置換フィルム75、固体電解質フィルム79は、主にローラにより支持または搬送される。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。
The
図4は、本発明の第2の実施形態としてのフィルム製造設備である。図4においては、第1の実施形態の装置・部材と同じものについては図3と同じ符号を付し、説明を略す。なお、搬送室281よりも上流及び乾燥室86の下流、流延室80の内部の各構成については、図3に示すフィルム製造設備33と同じであるので図示を略す。フィルム製造設備233は、送液ラインL1からドープが送られてきて流延膜61を形成する流延室80と、流延膜61の搬送路近傍に配される乾燥装置93b〜93dにより流延膜61を乾燥し、流延室80を含む搬送室281と、流延膜61と支持体から剥ぎ取られた流延膜61である前駆体フィルム267とに対して溶媒接触工程66b(図2参照)を実施するとともに前駆体フィルム267に対して溶媒置換工程70(図2参照)を行う液槽205と、テンタ83と、プロトン置換工程76(図2参照)ならびに水洗工程77(図2参照)を実施する酸処理室288と、乾燥室86とを備える。
FIG. 4 shows a film manufacturing facility as a second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. The components upstream of the
流延バンド93は、流延室80と液槽215とを巡るように無端搬送される。流延バンド93の走行の向きに順に配される乾燥装置98b〜98dには、ここから吹き出す空気の流れによって流延膜61の表面が荒れてしまうことを防止するために、適宜遮風板を設けてもよい。
The
流延バンド93から流延膜61を剥ぎ取るために流延バンド93を支持するローラ210と前駆体フィルム267を支持するガイドローラ215aは液槽215の中に配される。液槽215は、流延バンド93を支持するローラ210を備える他は、第1実施形態におけるタンク105(図3参照)と基本的に同じ構成である。なお、ローラ210は、駆動ローラであってもよいし、非駆動ローラであってもよい。
A
搬送室82の下流の液槽215には、流延膜61に接触させる接触液216が入れられてある。そして、この接触液216を液槽215から出して精製し、精製した後に再び液槽215に送り込む接触液循環精製装置(図示なし)が液槽215には備えてある。接触液216は、第1実施形態における接触貧溶媒200(図3参照)と置換溶媒202(図3参照)との両作用をもつ。この接触液216は、流延膜61の中の溶媒と置き換わるとともに、流延膜61をゲル化する。ゲル化とは、本明細書中では、溶媒や接触液215が前駆体の分子鎖の中で保持された状態で流動性を失い、結果的に流延膜が硬くなることを意味するものである。このようにゲル化することによっても、流延膜61に自己支持性をもたせるができる。
A
接触液216は、ドープ24の溶媒よりも沸点が低く、溶媒に対し相溶性を示す液体である。溶媒よりも沸点が低い液体を接触液216とすることにより、テンタ83及び乾燥室86における乾燥を効果的かつ効率的に実施することができる。また、溶媒に対し相溶性を示す液体を接触液216とすることにより、流延膜61に含まれる溶媒との置換が迅速かつ効果的に行われるので、ゲル化する速度を大きくし、溶媒接触工程及び溶媒置換工程の時間を短縮することができる、液槽215の内部の搬送路を短くすることができる、等の効果がある。
The
ドープの溶媒が混合物であるときには、溶媒成分のうち、最も沸点が高いものと、前駆体との親和性が最も高いものと、配合比が最も大きいものとの少なくともいずれかひとつの条件を満たす溶媒成分に対して相溶性を示す液体を接触液216として用いることが好ましい。また、ドープ24の溶媒がポリマーの良溶媒である化合物と貧溶媒である化合物との混合物である場合には、両者に対して相溶性を示す液体を接触液216として用いることが好ましい。ドープ24の溶媒成分としてDMSOとメチルアルコールとを用いた場合には、接触液216を水とすることが好ましい。水に代えて、ドープの良溶媒成分の水溶液を用いてもよい。
When the solvent of the dope is a mixture, the solvent that satisfies at least one of the solvent components having the highest boiling point, the one having the highest affinity with the precursor, and the one having the highest compounding ratio A liquid that is compatible with the components is preferably used as the
酸処理室288には、酸溶液204を前駆体フィルム267に塗布する塗布ダイ211と、複数の水槽85とが設けられる。ローラにより、前駆体フィルム267は塗布ダイ111,水槽85の順に案内される。図が煩雑になることを避けるために、水槽85は2つのみを図示しているが、その数は3以上であってもよい。
The
塗布ダイ111は、前述した流延ダイ92(図3参照)と同様な構造を有する。塗布ダイ111は、タンク218から送られてきた酸溶液204を流出して前駆体フィルム267の片面に塗布する。タンク218は、酸溶液204の温度調節部を備えている。この温度調節部により、酸溶液204の温度は、所望の温度に保持される。なお、塗布ダイ111と水槽85との間の搬送路近傍には、ヒータを配して酸溶液204の塗膜を加熱してもよい。実施形態2ではこのように酸溶液を前駆体フィルムに塗布したが、この方法に代えて、第1の実施形態のような浸漬によっても実施することができるし、また噴霧等で実施することもできる。
The coating die 111 has the same structure as the casting die 92 (see FIG. 3) described above. The coating die 111 flows out the
このようなフィルム製造設備233により固体電解質フィルムを製造する場合には、搬送室281では、積極的に大量の良溶媒を蒸発させるということはしない。良溶媒は前述の通り通常は高沸点のものであることから流延膜61の中に残りやすく、これを無理に蒸発させようとすると流延膜61が変形しやすいからである。また、ドープ24の溶媒成分として貧溶媒を用いる場合には、搬送室281で貧溶媒が完全には蒸発してしまわないようにすることが好ましい。これは、液槽215にまで貧溶媒を流延膜の中に残しておくことにより、ポリマーの分子の網目がより形成されやすくなって液槽215における後述の接触液216と流延膜61の中の良溶媒成分との置換の速度が速くなるという効果が得られるからである。接触液216と接触を開始するときの流延膜61においては、ポリマーの重量に対する貧溶媒成分の重量の割合が2%以上100%未満、より好ましくは2%以上70%以下となるように、搬送室281での条件、特に乾燥装置98b〜98dでの条件を設定することがより好ましい。このように、搬送室281では、接触液216に流延膜61が接触しても変形しない程度に乾燥をすすめればよい。つまり、第2の実施形態では、流延膜61からの溶媒の除去については主として次工程である液接触工程にゆだねるものである。
When a solid electrolyte film is manufactured by such a film manufacturing facility 233, the
以上のことに鑑みて、第2の実施形態では、乾燥装置98b〜98dからの乾燥空気の温度は、下流側のテンタ83、乾燥室86での設定温度に比べて低くする。好ましくは100℃未満、より好ましくは20℃以上70℃以下であり、概ね45℃前後が最も好ましい。また流延膜61が吸水すると相分離した状態でゲル化することがあり、この場合には得られる固体電解質フィルムは空隙率の高いものとなってしまう。そこで、流延膜61の近傍はできるだけ低湿にしておくことが好ましく、特に、形成された直後の流延膜61ほど湿度が低い環境下を搬送させることが好ましい。乾燥装置98b〜98dからの乾燥空気の湿度は、50%RH未満であることが好ましく、20%RH未満であることがより好ましく、10%RH未満であることが特に好ましい。
In view of the above, in the second embodiment, the temperature of the drying air from the drying
流延膜の乾燥条件と、流延膜61の良溶媒成分と貧溶媒成分との蒸発の程度との関係については、製造前に予め別途求めておくとよい。例えば、流延膜61の搬送速度、温度や湿度、乾燥装置98b〜98dにより供給される乾燥空気の流量と流速と流れ方向、等を乾燥条件の因子とし、これら因子と流延膜中に残る溶媒量及び溶媒組成との関係を経時的に求める。求められた関係を基に、搬送室281における流延膜61の乾燥の条件を決定する。
The relationship between the drying conditions of the cast film and the degree of evaporation of the good solvent component and the poor solvent component of the
流延膜61を、流延バンド93とともに液槽215の接触液216の中に導き、浸漬する。そして、流延バンド93から流延膜61をローラ205aにより剥ぎ取って前駆体フィルム267とする。剥ぎ取りは、本実施形態のように接触液216の中で実施せずともよく、流延膜が自己支持性をもったところで実施すればよい。例えば、液槽215の下流側、あるいは液槽215を複数直列に配して液槽と液槽との間で実施することができる。なお、流延膜61が自己支持性をもつようになったら、できるだけ早めに流延バンド93から剥ぎ取ることが好ましい。これは、溶媒と接触液216との置換を前駆体フィルム267の両面からできるだけ早期に実施するためであり、これにより、置換を効率的に行うことができる。
The
第2の実施形態では、接触液216の温度は10℃以上80℃以下とすることが好ましく、20℃以上50℃以下とすることがより好ましい。80℃よりも高い温度とすると、流延膜61あるいは前駆体フィルム267にシワが発生することがあり、10℃よりも低い温度とすると、流延膜61に含まれる溶媒と接触液216との置換が効率的に行われないことがある。
In the second embodiment, the temperature of the
流延膜61を接触液216に浸漬させる時間は概ね30秒以上10分以下、より好ましくは1分以上5分以下である。これにより、溶媒と接触液216との置換を十分に行うことができ、流延膜61の自己支持性を発現させることができる。しかし、この浸漬時間は、流延膜61における溶媒の重量の変化と、流延膜61の硬さの変化との少なくともいずれか一方を指標として決めるものであるので、必ずしも上記範囲に限定されるものではない。
The time for immersing the
流延膜61と接触液216とを接触させる方法は、浸漬による方法に限定されない。他の方法としては、接触液を流延膜に吹き付ける方法、接触液を流延膜に塗布する方法、接触液を気化させて蒸気として流延膜に接触させる方法等がある。これらの方法と浸漬による方法とを複数組み合わせてもよい。
The method for bringing the
接触液216に流延膜61と前駆体フィルム267とを接触させる工程は、複数回実施してもよい。例えば、液槽215を搬送路に沿って直列に配し、流延膜61と剥ぎ取られた後の前駆体フィルム267とを複数の液槽215に順に送り込んでもよい。この工程を複数回実施する場合には、接触液を順次異なるものに変えることにより、テンタ83及び乾燥室86における乾燥を、より効果的かつ効率的に行うことができる。
The step of bringing the
前駆体フィルム267は、ガイドローラにより所定の方向に案内される。一方、流延膜61が剥ぎ取られた後の流延バンド93は、回転ローラ97a,97b(図3参照)のうち少なくともいずれか一方の駆動により、流延室80の内部へ再度案内される。
The
第1実施形態と同じように耳切装置107で両側端部が切断された前駆体フィルム267は、その片面に塗布ダイ111を用いて酸溶液110が塗布される。塗布した後に、ヒータ(図示せず)による加熱を実施する場合には、塗布された前駆体フィルム267を80℃以上100℃以下に加熱することが好ましい。前駆体フィルム267は効果的かつ効率的にプロトン置換が行われ、前駆体フィルム267が酸溶液を含む水素置換フィルム275となる。
As in the first embodiment, the acid film 110 is applied to one side of the
第1の実施形態の各工程と、第2の実施形態の各工程とは、組み合わせてもよい。例えば、テンタによる乾燥までの工程を第1の実施形態で実施し、テンタによる乾燥工程の後は第2の実施形態で実施する方法や、テンタでの乾燥工程までを第2の実施形態の方法とし、テンタでの乾燥工程より後の工程を第1の実施形態の方法としてもよい。また、第1の実施形態と第2の実施形態とは、ともに流延を連続的に実施して長尺の固体電解質フィルムを製造する態様であるが、本発明は、このような連続式の製造方法に限定されるものではない。例えば、矩形の支持体の上にドープを落として延ばすことにより流延膜を形成、これを支持体とともに水につけて溶媒置換を行い、剥がして乾燥することによりシート状の固体電解質フィルムを製造することができる。このようにシート状につくる場合には、長尺状につくる場合に比べて小さな自己支持性でも良好な固体電解質フィルムを製造することができるとともに、長尺状につくる場合と同様に乾燥時間を短くしてドープの溶媒を効果的、効率的にフィルムから無くすことができる。 Each process of the first embodiment and each process of the second embodiment may be combined. For example, the process up to drying with a tenter is performed in the first embodiment, and after the drying process with the tenter, the method according to the second embodiment is performed, and the process up to the drying process with the tenter is performed according to the second embodiment. The process after the drying process with the tenter may be the method of the first embodiment. Moreover, although both 1st Embodiment and 2nd Embodiment are the aspects which cast continuously and manufacture a elongate solid electrolyte film, this invention is such a continuous type. It is not limited to the manufacturing method. For example, a cast film is formed by dropping a dope on a rectangular support to form a cast film, which is immersed in water together with the support to perform solvent substitution, and then peeled off and dried to produce a sheet-like solid electrolyte film. be able to. In the case of making a sheet like this, it is possible to produce a solid electrolyte film that is good even with a small self-supporting property compared to the case of making it into a long shape, and the drying time is the same as in the case of making it into a long shape. By shortening, the solvent of dope can be effectively and efficiently removed from the film.
以上の第1及び第2の実施形態では、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 first and second embodiments described above, the case where one kind of dope is cast is shown. However, in the present invention, two or more kinds of dopes are co-cast simultaneously to form a laminated type casting film. Alternatively, a laminated type casting film may be formed by sequentially 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。MEA及び燃料電池に用いる固体電解質フィルムは、前述の第1,2実施形態におけるいずれの固体電解質フィルムでもよいが、以下の説明では、第1実施形態での固体電解質フィルム79を用いる場合のみを例に挙げて、MEA及び燃料電池の様態について説明する。図5は、MEAの断面概略図である。MEA161は、固体電解質フィルム79と、この固体電解質フィルム79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 the MEA and the fuel cell may be any solid electrolyte film in the first and second embodiments described above, but in the following description, only the case where the
アノード電極132は多孔質導電シート132aと固体電解質フィルム79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と固体電解質フィルム79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)を固体電解質フィルム79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、固体電解質フィルム79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、固体電解質フィルム79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固体電解質フィルム79、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固体電解質フィルム79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 application method: catalyst paste (ink) containing active metal-carrying carbon, proton conductive material, and solvent is directly applied to both surfaces of
(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: After a catalyst paste is applied on PTFE to form catalyst layers 132b and 133b, only the catalyst layers 132b and 133b are applied to the
(4) Post-catalyst loading method: A liquid containing platinum ions after coating and forming an ink in which a platinum unsupported carbon material is mixed with a proton conductive material on the
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が固体電解質フィルム79に接するように固体電解質フィルム79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固体電解質フィルム79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 stacked and pressure-bonded on both surfaces of the
図6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. 6 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、つまり固体電解質フィルム79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。固体電解質フィルム79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と固体電解質フィルム79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、プロトン伝導性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
アノード電極532、カソード電極533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 anode electrode 532 and the cathode electrode 533 are also referred to as an electrode base material, a permeable layer, or a backing material, and play a role of collecting current and preventing water accumulation and deterioration of gas permeation. 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(CH3OH+H2O→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−→H2O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1〜3、5〜8は本発明の第1の実施形態の例であり、実施例4は、本発明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 3 and 5 to 8 are examples of the first embodiment of the present invention, and Example 4 is a comparative experiment with respect to the present invention.
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。この原料Aは、化3における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と溶媒とを以下に示す比で混合して原料Aをこの溶媒に溶解し、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. In this raw material A, X in the chemical formula 3 is Na, Y is SO 2 , Z is the chemical formula (I), n is 0.33, m is 0.67, the number average molecular weight Mn is 61000, and the weight 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 at the ratio shown below, and the raw material A was dissolved in this 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]
走行する流延バンド93としてのPETフィルム上へ、流延ダイ92からドープAを流延して流延膜61を形成した。流延膜61に、乾燥装置98aの送風ダクトから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で180重量%になるまで流延膜61を乾燥した。E型ギーザを用いて、PETフィルム上の流延膜61に、純水50ml/m2で塗布した。そして、純水が塗布された面を非接触の状態を5分間維持しながら、流延膜61を搬送した。その後、PETフィルムから流延膜61を前駆体フィルム67として剥ぎ取った。流延膜61の形成から、流延膜61を前駆体フィルム67として剥ぎ取るまでの自己支持性工程は、予め行った実験から得られた最適条件に基づいて行った。このときの前駆体フィルム67の弾性率は、5.5×106Paであった。前駆体フィルム67を、30℃に保持された純水に5分間浸漬し、溶媒置換を行った。この前駆体フィルム67を純水から除去した後、エアシャワー106を用いて、前駆体フィルム67の表面に付着した水分を除去した。ガイドローラ105aは、前駆体フィルム67をテンタ83に送った。クリップ83aは、前駆体フィルム67の両側端部を把持した。クリップ83aの走行により、前駆体フィルム67はテンタ83の内部を通過した。テンタ83では、120℃の乾燥風により前駆体フィルム67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67を得た。テンタ83の出口にて、クリップ83aは、前駆体フィルム67の担持を解除した。耳切装置107は、前駆体フィルム67の両側端部を切断除去した。ガイドローラ84bは、温度80℃に保持され、濃度が0.5mol/リットルの硫酸水溶液の中へ前駆体フィルム67を案内し溶媒置換を行った。この溶媒置換により、前駆体フィルム67から水素置換フィルム75を得た。水素置換フィルム75を硫酸水溶液から除去した後、水洗をした。水洗後、エアシャワーを用いて水素置換フィルム75に付着する水分を水切りした。水切りした水素置換フィルム75を、乾燥室86に送り、複数のローラ127で搬送しながら120〜185℃で乾燥した。そして、溶媒残留量が乾量基準に対して5%未満とされた固体電解質フィルム79を得た。
[Production of solid electrolyte film]
A dope A was cast from a casting die 92 onto a PET film as a traveling
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1〜8全てに共通であり、各実施例での評価結果をまとめて表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. In addition, the following measurements are common to all Examples 1 to 8, 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.製造の連続性
固体電解質フィルムを連続して実施することができたか否かについての評価である。表2における結果の記載は以下の基準による。
○;連続して製造することができた。
△;連続製造はできるものの、製造を停止することがあった。
×;製造することができない。
1. Manufacturing continuity is an evaluation of whether or not the solid electrolyte film could be implemented continuously. The description of the results in Table 2 is based on the following criteria.
○: Continuous production was possible.
Δ: Although continuous production was possible, production was sometimes stopped.
X: Cannot be produced.
2.厚み変動
アンリツ電気社製の電子マイクロメータを用いて、固体電解質フィルムの厚みを600mm/分の速度で測定し、縮尺1/20、チャート紙速度30mm/分にてチャート紙に記録した。定規を用いて、チャート紙上に記録された測定結果から当該固体電解質フィルムの厚み変動、つまり厚みのばらつきを測定し、得られた測定値の小数点第1位を四捨五入した。
2. Thickness fluctuation Using an electronic micrometer manufactured by Anritsu Electric Co., Ltd., the thickness of the solid electrolyte film was measured at a speed of 600 mm / min and recorded on a chart paper at a scale of 1/20 and a chart paper speed of 30 mm / min. Using a ruler, the thickness variation of the solid electrolyte film, that is, the thickness variation was measured from the measurement result recorded on the chart paper, and the first decimal place of the obtained measured value was rounded off.
3.溶媒(DMSO)の残留率の測定
得られた各固体電解質フィルムから縦7mm横35mmの略長方形のフィルム片を切り出した。島津製作所(株)製ガスクロマトグラフィー(GC−18A)を用いて、このフィルム片の残留DSMO量を測定した。なお、残留DMSO量は、フィルム片に含まれるDMSOの重量の割合であり、表1における数値は、サンプル片の重量をx3、DMSOの重量をy3としたときに、(y3/x3)×100の式で求められる数値である。
3. Measurement of Residual Ratio of Solvent (DMSO) A substantially rectangular film piece having a length of 7 mm and a width of 35 mm was cut out from each obtained solid electrolyte film. The residual DSMO amount of this film piece was measured using Shimadzu Corporation gas chromatography (GC-18A). The residual DMSO amount is the ratio of the weight of DMSO contained in the film piece, and the numerical values in Table 1 are (y3 / x3) × 100, where x3 is the weight of the sample piece and y3 is the weight of the DMSO. It is a numerical value obtained by the formula.
4.電極の接着性
後述の評価項目6における(1)及び(2)の方法と同じ方法により、MEAを作成した。そして、各MEAの接着の評価は、210℃、3MPa、10分間の熱圧着をした後の接着状態を目視で観察することにより実施した。
○;均一に全面が接着していた
△;部分的に剥がれていた
×;剥がれた箇所の面積が全面積の10%以上あった
4). Electrode Adhesiveness MEA was prepared by the same method as (1) and (2) in Evaluation Item 6 described later. And evaluation of adhesion | attachment of each MEA was implemented by observing visually the adhesion state after thermocompression bonding for 210 degreeC and 3 Mpa for 10 minutes.
○: The entire surface was evenly adhered Δ: Partially peeled ×: The area of the peeled portion was 10% or more of the total area
5.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、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。
5). 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 cut out from a solid electrolyte film into 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.
6.燃料電池の出力密度
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。
6). Output density of fuel cell A fuel cell 141 was prepared using a solid electrolyte film, 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フルオロエチレンフィルム(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-supporting 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. The average particle size of the dispersion was about 500 nm. The obtained dispersion was coated on a polytetrafluoroethylene film containing a reinforcing material (manufactured by Saint-Gobain Co., Ltd.), dried, and then punched into a circle with 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 ).
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
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
ドープBを用いて、固体電解質フィルム79を製造した。流延膜乾燥工程で、45℃/10%RHの乾燥風を流延膜に20分間あてたこと以外は、実施例1と同様である。剥取工程における前駆体フィルム67の弾性率は、6.6×106Paであった。得られた固体電解質フィルム79についての評価結果については表1に示す。
A
接触工程の接触溶媒には20重量%のDMSO水溶液を用い、ドープBを用いた他は、実施例2と同じ様にして固体電解質フィルム79を製造した。剥取工程における前駆体フィルム67の弾性率は、2.3×106Paであった。得られた固体電解質フィルム79についての評価結果については表1に示す。
A
ドープBを用い、流延膜乾燥工程では、45℃/10%RHの乾燥風を流延膜に20分間あて、その直後、流延膜を前駆体フィルムとしてPETフィルムから剥ぎ取った。その他の条件は実施例2と同じである。この前駆体フィルムは、自重で変形してしまい、フィルム製造設備33で搬送することができなかった。 In the casting film drying step using the dope B, drying air of 45 ° C./10% RH was applied to the casting film for 20 minutes, and immediately thereafter, the casting film was peeled off from the PET film as a precursor film. Other conditions are the same as those in Example 2. This precursor film was deformed by its own weight and could not be transported by the film manufacturing facility 33.
ドープBを用い、流延膜乾燥工程で、45℃/10%RHの乾燥風を流延膜に20分間あてた。その後、E型ギーザを用いて、PETフィルム上の流延膜61に、純水50ml/m2で塗布した。そして、純水が塗布された面を非接触の状態で、1分間流延膜61を搬送した。この他の条件は、実施例2と同である。剥取工程における前駆体フィルム67の弾性率は、8.9×104Paであった。この前駆体フィルム67を水温30に保持された水中に導くと、ベースの縮みにより、前駆体フィルム67が変形し、フィルム製造設備33で搬送することができなかった。参考実験として、連続した流延ではなく、シート状の流延膜を形成するバッチ式流延を実施した。この他の条件は、連続流延の場合とできる限り同じものとした。この参考実験では、シート状の固体電解質フィルムを得ることができた。
Using the dope B, a drying air of 45 ° C./10% RH was applied to the casting membrane for 20 minutes in the casting membrane drying step. Then, it applied with 50 ml / m < 2 > of pure water to the
ドープBを用い、PETフィルムから剥ぎ取られた前駆体フィルム61を、純水に浸漬せずに、テンタへ搬送した。他の条件は実施例2と同じである。剥取工程における前駆体フィルム61の弾性率は、6.6×106Paであった。得られた固体電解質フィルム79についての評価結果については表1に示す。
The
ドープBを用い、原料Bにおいてメタノールの代わりにジメチルスルホキシドを用いた。他の条件は実施例2と同じである。剥取工程における前駆体フィルムの弾性率は、1.8×103Paであった。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。 Dope B was used, and dimethyl sulfoxide was used in the raw material B instead of methanol. Other conditions are the same as those in Example 2. The modulus of elasticity of the precursor film in the stripping process was 1.8 × 10 3 Pa. The evaluation results for the obtained solid electrolyte film are shown in Table 1.
ドープBを用い、溶媒置換工程では、PETフィルムから剥ぎ取った前駆体フィルムを30℃の純水に20分間浸漬して、溶媒置換を行った。他の条件は実施例2と同じである。剥取工程における前駆体フィルムの弾性率は、6.6×106Paであった。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 solvent replacement step using Dope B, the precursor film peeled off from the PET film was immersed in pure water at 30 ° C. for 20 minutes to perform solvent replacement. Other conditions are the same as those in Example 2. The modulus of elasticity of the precursor film in the stripping step was 6.6 × 10 6 Pa. The evaluation results for the obtained solid electrolyte film are shown in Table 1.
以上、各実施例の結果から、本発明に係る実施例1〜3では、厚み変動の少ない固体電解質フィルムを製造することができた。実施例1〜3における固体電解質フィルムは、優れたプロトン伝導度を備えていた。また、製造した固体電解質フィルムを用いた燃料電池の出力密度が0.49以上であり、燃料電池して優れた値を示す。一方、実施例4,5では、溶媒接触工程が充分に行われなかったため、剥取工程で得られる前駆体フィルムが、充分な自己支持性を備えていないことがわかった。ただし、実施例5の流延をバッチ式に実施した場合にはシート状の小型の固体電解質フィルムを得ることができたことから、シート状につくるには十分な条件と言える。また、実施例6、7では、固体電解質フィルムを製造することはできた。しかしながら、実施例6、7で製造された固体電解質フィルムは、実施例1〜3に比べ、厚み変動、プロトン伝導度及び出力密度の面において、劣っていた。これは、MEAの作成において、固体電解質フィルムと電極との接着性が悪かったことに起因する。そして、固体電解質フィルムの接着性の低下は、剥取工程において充分な弾性率をもたない流延膜の剥ぎ取りの結果、表面が平滑でない固体電解質フィルムが製造されたと推測される。このことから、品質・性能に優れた固体電解質フィルムを製造するためには、原料となるドープ24は、ポリマーの他に、ポリマーの良溶媒とポリマーの貧溶媒とが必要なこと、並びに、接触工程と溶媒置換工程とが必要なことがわかった。また、実施例8の結果より、溶媒置換工程を長時間行うと、フィルムに含まれる水の膨張により、乾燥後のフィルムの厚み変動が大きくなってしまうことがわかった。更に、本発明の固体電解質フィルムの製造方法によれば、製膜に要する時間が2時間以内で済むことがわかった。 As described above, from Examples 1 to 3 according to the present invention, it was possible to produce solid electrolyte films with little thickness variation. The solid electrolyte films in Examples 1 to 3 had excellent proton conductivity. Moreover, the output density of the fuel cell using the produced solid electrolyte film is 0.49 or more, which is an excellent value as a fuel cell. On the other hand, in Examples 4 and 5, since the solvent contact step was not sufficiently performed, it was found that the precursor film obtained in the stripping step did not have sufficient self-supporting property. However, when the casting of Example 5 was carried out batchwise, a small sheet-like solid electrolyte film could be obtained, so it can be said that the conditions are sufficient for producing a sheet. In Examples 6 and 7, a solid electrolyte film could be produced. However, the solid electrolyte films produced in Examples 6 and 7 were inferior in terms of thickness fluctuation, proton conductivity and power density as compared with Examples 1 to 3. This is due to the poor adhesion between the solid electrolyte film and the electrode in the production of MEA. The decrease in the adhesiveness of the solid electrolyte film is presumed that a solid electrolyte film having a non-smooth surface was produced as a result of peeling off the cast film having no sufficient elastic modulus in the peeling step. For this reason, in order to produce a solid electrolyte film excellent in quality and performance, the dope 24 as a raw material requires a polymer good solvent and a polymer poor solvent in addition to the polymer, and contact. It was found that a process and a solvent replacement process were necessary. In addition, from the results of Example 8, it was found that when the solvent substitution step was performed for a long time, the variation in the thickness of the film after drying increased due to the expansion of water contained in the film. Furthermore, according to the manufacturing method of the solid electrolyte film of this invention, it turned out that the time which film formation requires is less than 2 hours.
以下の各実施例において、実施例9〜13,15,16は本発明の第2の実施形態の例であり、実施例14は、本発明に対する比較実験である。 In the following Examples, Examples 9 to 13, 15, and 16 are examples of the second embodiment of the present invention, and Example 14 is a comparative experiment with respect to the present invention.
[固体電解質フィルムの製造]
実施例1と同じドープAを、走行するPETフィルムへ流延ダイ92から流延して流延膜61とし、乾燥装置98a〜98dの送風ダクトから45℃/10%RHの乾燥空気を吹き出した。流延膜61の任意の位置に対して乾燥空気があたる時間は連続して30分間とした。この時間は、接触液206に接触を開始するときの流延膜61が、原料A100重量部に対してDMSO240重量部、メタノール20重量部を含むようにするために設定した時間である。流延バンド93であるPETフィルムとともに流延膜61を30℃の水に浸漬させ、この水の中でPETフィルムから流延膜61を剥ぎ取り、前駆体フィルム267を得た。浸漬開始から剥ぎ取りまでに要した時間は5分であった。前駆体フィルム267をそのまま水中で搬送して、水から出しエアシャワー106で水きりを行った。この前駆体フィルム267を、テンタ83に送り、クリップ105でその両側端部を把持してテンタ83の内部を搬送した。テンタ83では、120℃の乾燥風により前駆体フィルム267を10分間乾燥した。こうして、前駆体フィルム267の残留溶媒量を乾量基準で10重量%未満とした。前駆体フィルム267はテンタ83の出口でクリップ105から離脱され、クリップ83aに把持された両側端部が耳切装置107により切断除去された。塗布ダイ211により、前駆体フィルム267の片面に酸溶液204を塗布してこのフィルムを水で洗浄した。乾燥が不完全である水素置換フィルム275を、乾燥室86に送り、複数のローラ127で搬送しながら120〜185℃で乾燥した。そして、溶媒残留量が乾量基準に対して3重量%未満とされた固体電解質フィルム77を得た。この溶媒残留量には、洗浄で使用した水の重量を含む。得られた固体電解質フィルムについての評価を後述の項目について実施した。
[Production of solid electrolyte film]
The same dope A as in Example 1 was cast from a casting die 92 to a running PET film to form a
実施例9における原料Aを実施例2と同じ原料Bに代えて、ドープBをつくった。また、乾燥装置98a〜98dの送風ダクトから流延膜61の任意の位置に対して乾燥空気があたる時間は連続して20分間とした。この時間は、液接触工程開始時における流延膜61が、原料B100重量部に対してDMSO185重量部、メタノール10重量部を含むようにするために設定した時間である。他の条件は実施例9と同じである。
Dope B was made by replacing the raw material A in Example 9 with the same raw material B as in Example 2. Moreover, the time for which dry air hits an arbitrary position of the
乾燥装置98a〜98dの送風ダクトから流延膜61の任意の位置に対して乾燥空気があてられる時間は連続して5分間とした他は、実施例10と同じ条件とした。乾燥装置98a〜98dにおける上記時間は、接触液206に接触を開始するときの流延膜61が、原料B100重量部に対してDMSO195重量部、メタノール100重量部を含むようにするために設定した時間である。
The conditions were the same as in Example 10 except that the dry air was continuously applied to any position of the
乾燥装置98a〜98dの送風ダクトからの乾燥空気の温度を110℃とした以外の条件は実施例10と同じである。
The conditions are the same as in Example 10 except that the temperature of the dry air from the air ducts of the
乾燥装置98a〜98dの送風ダクトからの乾燥空気の湿度を75%RHとした以外の条件は実施例10と同じである。
The conditions are the same as those in Example 10 except that the humidity of the dry air from the air ducts of the
剥離工程を接触液206に接触する前に実施した他は、実施例10と同じ条件とした。前駆体フィルムは自己支持性を十分にもたず、自身の重さで変形した。結果として、均質な固体電解質フィルムを連続して製造することはできなかった。
The conditions were the same as in Example 10 except that the peeling step was performed before contacting the
乾燥装置98a〜98dの送風ダクトから流延膜の任意の位置に対して乾燥空気があてられる時間は連続して60分間とした他は、実施例10と同じ条件とした。乾燥装置98a〜98dの送風ダクトにおける上記時間は、液接触工程開始時における流延膜が、メタノールを含まず、原料B100重量部に対してDMSO150重量部を含むようにするために設定した時間である。
The conditions were the same as those in Example 10 except that the drying air was continuously applied from the air ducts of the
ドープBに代えて以下の配合のドープCを用いた。これ以外の条件は実施例10と同じである。
・原料B; 100重量部
・溶媒成分1;DMSO 335重量部
Instead of the dope B, a dope C having the following composition was used. The other conditions are the same as in Example 10.
-Raw material B; 100 parts by weight-Solvent component 1; DMSO 335 parts by weight
実施例9〜16で得られた各固体電解質フィルムに関して、それぞれ以下の項目を測定することにより、その特性を評価した。なお、以下の評価方法ならびに評価基準は、実施例9〜16全てに共通であり、評価結果をまとめて表2に示す。なお、表2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。評価方法が実施例1〜9と同じ場合には説明を略す。 About each solid electrolyte film obtained in Examples 9-16, the characteristic was evaluated by measuring the following items, respectively. In addition, the following evaluation methods and evaluation criteria are common to all of Examples 9 to 16, and the evaluation results are summarized in Table 2. The numbers of the evaluation items in Table 2 correspond to the numbers given to the following evaluation items. The description is omitted when the evaluation method is the same as in Examples 1-9.
1.製造の連続性
2.厚みの平均値及びばらつき
アンリツ電気社製の電子マイクロメータを用いて600mm/分の速度にて連続的にフィルム62の厚みを測定した。測定により得られたデータは、縮尺1/20、チャート速度30mm/分にてチャート紙上に記録された。そして定規によりデータ曲線に関して計測を実施したのちに、その計測値を基に厚みの平均値とこの平均値に対する厚みのばらつきとを求めた。表2においては、(a)は厚みの平均値(単位;μm)、(b)は(a)に対する厚みのばらつき(単位;μm)を表す。
3.溶媒(DMSO)の残留率の測定
4.電極の接着性
5.プロトン伝導度
6.燃料電池の出力密度
1. Manufacturing continuity Average thickness and variation of thickness Using an electronic micrometer manufactured by Anritsu Electric Co., Ltd., the thickness of the film 62 was continuously measured at a speed of 600 mm / min. Data obtained by the measurement was recorded on the chart paper at a scale of 1/20 and a chart speed of 30 mm / min. And after measuring with respect to a data curve with a ruler, the average value of thickness and the dispersion | variation in the thickness with respect to this average value were calculated | required based on the measured value. In Table 2, (a) represents the average thickness (unit: μm), and (b) represents the thickness variation (unit: μm) relative to (a).
3. 3. Measurement of residual ratio of solvent (DMSO) 4. Adhesion of electrodes 5. Proton conductivity Fuel cell power density
固体電解質フィルムの実施例17〜23の各製造実験を行った。実施例17〜22は、第1実施形態における製造設備33を用いて実施した。なお、実施例23は、本発明に対する比較実験であり、製造設備33の一部の装置を使用しなかった。そして、実施例17〜23で得られた固体電解質フィルムにつき、実施例9〜16と同じ評価項目で評価を実施した。表3における評価項目は表2と同じである。 Each production experiment of Examples 17-23 of a solid electrolyte film was conducted. Examples 17 to 22 were performed using the manufacturing facility 33 in the first embodiment. In addition, Example 23 is a comparative experiment with respect to the present invention, and a part of the manufacturing equipment 33 was not used. And about the solid electrolyte film obtained in Examples 17-23, it evaluated by the same evaluation item as Examples 9-16. The evaluation items in Table 3 are the same as in Table 2.
実施例1と同じドープAを、流延バンド93の上へ流延して流延膜61を形成した。乾燥装置98a〜98dにより、流延膜61に対して45℃/10%RHの乾燥風を30分間当て続けて乾燥した。流延バンド93は、PETフィルムである。次に、流延膜61の表面に塗布装置100から30℃の純水を2分間吹き付けた後、流延バンド93から流延膜61を剥ぎ取って前駆体フィルム67とした。なお、流延バンド93から剥ぎ取る直前の流延膜61中のDMSOの量は65重量%であった。
A casting
前駆体フィルム67を置換溶媒202として30℃の純水が入れられているタンク105に送り込み、ここに3分間浸漬させた。そして、タンク105から送り出した前駆体フィルム67を、エアシャワー99により水切りした後、テンタ83に送り込んだ。テンタ83では、前駆体フィルム67の両側端部をクリップ83aで保持し搬送する間に、テンタ83内に備えられた乾燥装置(図示しない)から120℃の乾燥風を出して前駆体フィルム67の乾燥を進めた。なお、テンタ83での乾燥時間は10分間とし、前駆体フィルム67の残留溶媒量が10重量%未満になるようにした。
The
クリップ83aから解放した前駆体フィルム67をテンタ83から送り出した後、その両側端部を切断した。続けて、30℃に保温された0.5モル/Lの硫酸水溶液が入れられている液槽84に、前駆体フィルム67を送り込んだ後、30℃の純水が入れられている水槽85に送り込んだ。そして、120℃〜185℃に温度調整した乾燥室74に水素置換フィルム75を送り込み、多数のローラ127により30分間支持しながら搬送する間に乾燥して固体電解質フィルム79を得た。
After the
ドープBを用い、乾燥装置98a〜98dから流延膜61にあたる乾燥風の温度及び湿度を45℃/10%RHとし、あたる時間を20分間とした。他の条件は実施例17と同じである。
The dope B was used, the temperature and humidity of the drying air from the
流延膜61に、塗布装置100から30℃の純水を1分間吹き付けた。そして、この流延膜61を流延バンド93から剥ぎ取って前駆体フィルム67とした。他の条件は、実施例18と同じである。しかし、タンク105では、前駆体フィルム67が大きく縮んで形状が変化したために、その後の工程へと搬送することが不可能となり、結果としてフィルム70を製造することができなかった。なお、塗布装置100で純水を接触させた後の流延膜61は、DMSOの量が130重量%であった。参考実験として、バッチ式の流延を行い、シート状の固体電解質フィルムをつくった。この参考実験では、前駆体フィルムは少しだけ収縮したが、シート状のフィルムとしては十分な外観のものが得られた。
Pure water at 30 ° C. was sprayed onto the
前駆体フィルム67をタンク105に送り込むことなくフィルム79を製造した以外は、全て実施例18と同様にした。
All were the same as Example 18 except that the
ドープBのメタノールをジメチルスルホキシドに置き換えたこと以外は、全て実施例18と同様にして固体電解質フィルム79を製造した。
A
前駆体フィルム67をタンク105に浸漬させる時間を20分とした以外は、全て実施例18と同様にして固体電解質フィルム79を製造した。その結果、DMSOの量が0.1重量%である固体電解質フィルム79を得た。
A
塗布装置100による純水の接触をせずに、流延バンド93から流延膜61を剥ぎ取って前駆体フィルムを形成した。その他の条件は、全て実施例18と同様である。しかし、前駆体フィルムを形成した直後、フィルムが自重で変形してしまい、搬送することが不可能となったため、固体電解質フィルムを連続してつくることはできなかった。参考実験として、バッチ式の流延を実施し、シート状の固体電解質フィルムをつくろうとしたが、変形してしまい良好な外観のシートは得られなかった。
The
実施例17〜23の結果から、先ず、乾燥時間に着目すると、例えば、従来技術によると乾燥時間に5〜14時間以上を費やすのに対して、本発明に係る実施例17,18では、全工程を通じて乾燥時間が約65〜75分であり、乾燥時間を大幅に短縮出来ることが分かる。これは、固体電解質の貧溶媒である化合物を流延膜に接触させると、流延膜のゲル状にして、流延膜中に含まれる貧溶媒の量を多くすることができることに基づく。実施例19及びこの参考実験からは、流延膜にもたせる自己支持性の度合いにより、長尺の固体電解質フィルムと、シート状固体電解質フィルムとの製造条件を分けることができることがわかる。また、実施例17〜23より、本発明によると、温度や湿度等の環境の影響を受けることなく高いプロトン伝導度を示す固体電解質フィルムを、優れた生産性で大量に製造することができることがわかる。そして、この固体電解質フィルムを用いた燃料電池は、高い出力密度を発揮することがわかる。 From the results of Examples 17 to 23, when focusing attention on the drying time, for example, according to the prior art, 5 to 14 hours or more are spent on the drying time, whereas in Examples 17 and 18 according to the present invention, It can be seen that the drying time is about 65 to 75 minutes throughout the process, and the drying time can be greatly shortened. This is based on the fact that when the compound, which is a poor solvent of the solid electrolyte, is brought into contact with the cast film, the cast film can be gelled, and the amount of the poor solvent contained in the cast film can be increased. From Example 19 and this reference experiment, it can be seen that the production conditions for the long solid electrolyte film and the sheet-like solid electrolyte film can be separated depending on the degree of self-supporting property to be given to the cast film. Further, from Examples 17 to 23, according to the present invention, a solid electrolyte film showing high proton conductivity without being affected by the environment such as temperature and humidity can be produced in large quantities with excellent productivity. Recognize. And it turns out that the fuel cell using this solid electrolyte film exhibits a high output density.
テンタにおける乾燥工程までを図4に示す第2の実施形態により実施し、テンタ乾燥工程より後の工程を第1の実施形態の方法により実施した。 The process up to the drying process in the tenter was performed according to the second embodiment shown in FIG. 4, and the process after the tenter drying process was performed by the method of the first embodiment.
実施例9と同様に、ドープAを流延して流延膜61とし、この流延膜61を乾燥風で30分間乾燥した。流延バンド93に載せたままの流延膜61を液槽205に送ってその中の30℃の温水に浸漬させた後、剥取用のローラ210により流延バンド93から流延膜61を前駆体フィルム267として剥ぎ取った。この間、液槽205における流延膜61及び前駆体フィルム267の浸漬時間総計を5分間とした。
Similarly to Example 9, the dope A was cast to form a
エアシャワーでゲル状の前駆体フィルム267の表面に付着している水分を除去した。その後、実施例9と同様に、前駆体フィルム267をテンタ83で乾燥し、耳切装置107により側端部の切断を行った。
The water adhering to the surface of the gel-
両側端部を切断した前駆体フィルム267を、図3に示す液槽84に送り、70℃に保持した0.5モル/Lの硫酸水溶液でプロトン置換を実施した。これにより、前駆体フィルム267に含まれるNaを水素原子に置換して水素置換フィルムとした。
The
水槽85の下流に、さらに別の水槽を設け、水素置換フィルムの洗浄を複数回実施した。いずれの水槽の水も、温度は70℃とした。その後、エアシャワーにより水素置換フィルムの表面の水を除去し、乾燥室86で乾燥した。乾燥室86の内部温度は60〜120℃とした。そして、得られた固体電解質フィルムを調湿室87で調湿した後、巻取室88でロール状にした。
Another water tank was provided downstream of the
製造した固体電解質フィルムに関して、以下の1〜3の各項目につき評価した。評価結果は表4に示す。表4における評価項目の番号は、以下の各評価方法における番号にそれぞれ対応する。なお、以下の評価は、以下の実施例25〜30全てに共通である。実施例1と同じ評価方法の評価項目については、説明を略す。 With respect to the manufactured solid electrolyte film, the following items 1 to 3 were evaluated. The evaluation results are shown in Table 4. The numbers of the evaluation items in Table 4 correspond to the numbers in the following evaluation methods, respectively. The following evaluation is common to all the following Examples 25 to 30. Description of the evaluation items of the same evaluation method as in Example 1 is omitted.
1.製造の連続性
2.プロトン置換率
固体電解質フィルムからサンプリングし、サンプル片の重量を測定した後、サンプル片をアルカリ処理した。アルカリ処理は、0.1モル/リットルのNaOH水溶液に対する2時間の浸漬により行った。浸漬させている間は、NaOH水溶液を攪拌した。次に、固体電解質フィルムのサンプル片を取り出し、使用したNaOH水溶液に関して、塩酸水溶液による逆滴定を行なうことにより、固体電解質フィルムのイオン交換容量(ICE)を求めた。そして、このイオン交換容量と理論値とを比較して、前駆体のNaがHに置換された量を算出し、これをプロトン置換率とした。なお、上記の理論値とは、NMR測定等により構造解析から導かれたスルホン酸基導入量のことである。
3.プロトン伝導度
4.燃料電池の出力密度
1. Manufacturing continuity Proton substitution rate After sampling from the solid electrolyte film and measuring the weight of the sample piece, the sample piece was alkali-treated. The alkali treatment was performed by immersion in a 0.1 mol / liter NaOH aqueous solution for 2 hours. During the immersion, the NaOH aqueous solution was stirred. Next, a sample piece of the solid electrolyte film was taken out, and the ion exchange capacity (ICE) of the solid electrolyte film was determined by performing back titration on the used aqueous NaOH solution with an aqueous hydrochloric acid solution. Then, by comparing the ion exchange capacity with the theoretical value, the amount of the precursor Na substituted with H was calculated, and this was used as the proton substitution rate. In addition, said theoretical value is the introduction amount of sulfonic acid groups derived from structural analysis by NMR measurement or the like.
3. 3. Proton conductivity Fuel cell power density
実施例24のドープAを実施例2と同じドープBに代えて流延した。流延バンド93上の流延膜61を45℃/10%RHの風で20分間乾燥した。
The dope A of Example 24 was cast instead of the same dope B as in Example 2. The
液槽84の硫酸水溶液の温度を80℃に保持した以外は、全て実施例25と同様にして固体電解質フィルムを製造した。
A solid electrolyte film was produced in the same manner as in Example 25 except that the temperature of the aqueous sulfuric acid solution in the
浴槽84の硫酸水溶液の温度を20℃に保持した以外は、全て実施例25と同様にした。
All were the same as in Example 25 except that the temperature of the sulfuric acid aqueous solution in the
液槽84の酸溶液を1モル/Lの塩酸水溶液とした以外は、全て実施例25と同様にした。
All were the same as Example 25 except that the acid solution in the
実施例24〜26から、プロトン伝導度、プロトン置換率及び出力密度のいずれにおいても、本発明による固体電解質フィルムは非常に優れることが分かる。また、実施例27、30の結果から、酸処理時に使用する酸の溶液の温度や式量がプロトン伝導度やプロトン置換率に影響を与えることが分かる。 From Examples 24-26, it can be seen that the solid electrolyte film according to the present invention is very excellent in any of proton conductivity, proton substitution rate and power density. Further, from the results of Examples 27 and 30, it can be seen that the temperature and formula amount of the acid solution used during the acid treatment affect the proton conductivity and the proton substitution rate.
また、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。 In addition, according to the present invention, a high proton conductivity film can be continuously produced in large quantities 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
66 自己支持性発現工程
66a 流延膜乾燥工程
66b 溶媒接触工程
67 前駆体フィルム
68 剥取工程
70 溶媒置換工程
75 水素置換フィルム
79 固体電解質フィルム
100 塗布装置
103 剥取ローラ
105 タンク
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
200 接触溶媒
202 置換溶媒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Dope manufacturing equipment 11a Solvent 12a Precursor 24 Dope 33 Film manufacturing equipment 60 Solid electrolyte
132
Claims (20)
前記流延膜と前記固体電解質の貧溶媒である接触貧溶媒とを接触させて、前記流延膜に自己支持性を発現させる第2工程と、
自己支持性を有する前記流延膜を湿潤フィルムとして前記支持体から剥ぎ取る第3工程と、
前記湿潤フィルムを乾燥して固体電解質フィルムとする第4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。 A first step of casting a dope in which a solid electrolyte is dissolved in an organic solvent from a casting die onto a support to form a casting film;
A second step of bringing the cast film into contact with a poor contact solvent that is a poor solvent for the solid electrolyte, and causing the cast film to exhibit self-supporting properties;
A third step of peeling the cast film having self-supporting property from the support as a wet film;
A fourth step of drying the wet film to form a solid electrolyte film;
A method for producing a solid electrolyte film, comprising:
前記流延膜と前記固体電解質の貧溶媒である接触貧溶媒とを接触させ、前記流延膜に自己支持性を発現させる溶媒接触装置と、
前記流延膜を湿潤フィルムとして剥ぎ取る剥取装置と、
前記湿潤フィルムと前記有機溶媒に相溶する液体とを接触させる液体接触装置と、
前記湿潤フィルムを乾燥して固体電解質フィルムとする乾燥装置と、
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。 A cast film forming apparatus for casting a dope in which a solid electrolyte is dissolved in an organic solvent on a support that runs, and forming a cast film on the support;
A solvent contact device for bringing the casting membrane into contact with a poor contact solvent that is a poor solvent for the solid electrolyte, and expressing the casting membrane with a self-supporting property;
A stripping device for stripping the cast film as a wet film;
A liquid contact device for contacting the wet film and a liquid compatible with the organic solvent;
A drying device for drying the wet film to form a solid electrolyte film;
A facility for producing a solid electrolyte film, 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含有物質から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と外部から供給される気体とから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 18;
An anode electrode that is provided in close contact with one surface of the solid electrolyte film and generates protons from a hydrogen-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 from the proton that has passed through the solid electrolyte film and a gas supplied from the outside;
An electrode membrane composite comprising:
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電体と、
を有することを特徴とする燃料電池。 The electrode membrane composite according to claim 19,
A current collector that is provided in contact with the electrode of the electrode membrane composite, and transfers electrons between the anode electrode and the cathode electrode and the outside;
A fuel cell comprising:
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