JP2010232047A - 固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルムおよび固体高分子電解質膜保護部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする二軸配向ポリエステルフィルムにおいて、フィルム厚み方向の屈折率が1.500以上1.535以下であり、フィルムの固有粘度が0.45dl/g以上0.85dl/g以下である固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルムにより達成される。
【選択図】なし
Description
例えばそれぞれの電極との接合時、複数の単電池を積層してスタックとして組み合わせる組み立て作業時等の際に、その周縁部にしわが発生したり、傷ついたりすることが指摘されており、補強効果を有する補強部材を高分子電解質膜の周辺部に額縁状に貼り合せることが提案されている(特許文献1など)。
そこで、締結圧力耐性に優れガスシール性を高めることができ、かつ耐熱性、耐加水分解性にも優れた固体高分子電解質膜の保護部材に適した材料が望まれているのが現状である。
本発明はまた、該固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルムを含む固体高分子電解質膜保護部材に関するものである。
<ポリエチレンナフタレンジカルボキシレート>
本発明のフィルムを構成するポリエチレンナフタレンジカルボキシレートは、主たるジカルボン酸成分としてナフタレンジカルボン酸またはその誘導体が用いられ、主たるグリコール成分としてエチレングリコールが用いられる。ナフタレンジカルボン酸としては、たとえば2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸、1,5−ナフタレンジカルボン酸を挙げることができ、これらの中で2,6−ナフタレンジカルボン酸が好ましい。
ここで「主たる」とは、ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする層におけるポリエステルの全繰返し構造単位のモル数を基準として80モル%以上、好ましくは90モル%以上、さらに好ましくは95モル%以上を意味する。
なお、固有粘度はo−クロロフェノールを溶媒として用いて、35℃で測定した値(単位:dl/g)である。
本発明の二軸配向ポリステルフィルムは、フィルムの取り扱い性を向上させるため、発明の効果を損なわない範囲で不活性粒子などが添加されていても良い。不活性粒子として、例えば、周期律表第IIA、第IIB 、第IVA 、第IVBの元素を含有する無機粒子(例えば、カオリン、アルミナ、酸化チタン、炭酸カルシウム、二酸化ケイ素など)、架橋シリコーン樹脂、架橋ポリスチレン、架橋アクリル樹脂粒子等のごとき耐熱性の高いポリマーよりなる粒子などを含有させることができる。不活性粒子を含有させる場合、不活性粒子の平均粒径は、0.001〜5μmの範囲が好ましく、フィルム重量に対して0.01〜10重量%の範囲で含有されることが好ましい。また本発明の二軸配向フィルムは、必要に応じて少量の紫外線吸収剤、酸化防止剤、帯電防止剤、光安定剤、熱安定剤を含んでいてもよい。
本発明の二軸配向ポリステルフィルムは、厚み方向の屈折率が1.500以上1.535以下であることを要する。厚み方向の屈折率が下限値に満たない場合、セルスタック積層時に締結圧力をかけた際に、フィルムの厚み方向に沿ってひびや割れが発生し、かかる破損部分からガスが漏出するなど保護部材として十分なガスシール性が発現しない。また、厚み方向の屈折率が上限値を超える場合、耐加水分解性が十分でない。厚み方向の屈折率は、さらに好ましくは1.510以上1.530以下、特に好ましくは1.515以上1.525以下である。
厚み方向の屈折率をかかる範囲にするためには、ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを用い、フィルム各方向の延伸倍率が2.3倍以上4.0倍以下の範囲、熱固定温度が200℃以上260℃以下であることによって達成される。
本発明の二軸配向ポリエステルフィルムは、高温加工温度における耐熱寸法性の観点から、150℃、30分間熱処理された後の縦方向(以下、連続製膜方向、長手方向、MD方向と称することがある)および横方向(以下、幅方向、TD方向と称することがある)の熱収縮率がそれぞれ0.0%以上0.7%以下であることが好ましい。熱収縮率が上限を超えると、加工時に電解質膜が破れたりしわが発生することがあり、電解質膜の性能に支障が生じることがある。また、縦方向および横方向のいずれか一方が上限を超えると、電解質膜に歪みが生じやすく、本来の電解質膜の性能に支障が生じることがある。かかる範囲内で熱収縮率は小さい方がより好ましい。
厚み方向の屈折率を具備しつつさらに150℃における熱収縮率を上述の範囲にするには、ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを用い、フィルム各方向の延伸倍率が2.3倍以上4.0倍以下の範囲、熱固定温度が240℃以上260℃以下であることによって達成される。
本発明の二軸配向ポリエステルフィルムのフィルム厚みは、1μm〜100μmであることが好ましい。フィルム厚みの下限値はより好ましくは2μm、さらに好ましくは5μmである。またフィルム厚みの上限値はより好ましくは75μm、さらに好ましくは50μmである。フィルム厚みが下限値に満たない場合、保護フィルムとしての保護機能が十分でないことがある。また保護フィルムの取り扱い時にしわが発生しやすくなる。一方、フィルム厚みが上限を超える場合、電池のサイズを小さくすることが難しくなる場合がある。
本発明の二軸配向ポリエステルフィルムは、ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする層の少なくとも一方の面にアミド基を有するアクリル樹脂(以下、アクリル共重合体と称することがある)を含有する易接着層が積層されていることが好ましい。
かかる易接着層は、ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする層の少なくとも一方の面に積層されることが好ましく、また両面に積層されてもよい。
二軸配向ポリエステルフィルムが易接着層を介して少なくとも電解質膜または補強部材もしくはガスケットのいずれかの層と強固に接合されることにより、シール材としての性能がさらに高まる。また高湿度の使用環境でも長期に渡り高い密着性を維持することができる。
易接着層に含有されるアミド基を含有するアクリル樹脂は、アミド基を有しないアクリルモノマー成分(A)およびアミド基を有するアクリルモノマー成分(B)を含む共重合体であることが好ましく、さらにその他の共重合成分(C)を含んでいてもよい。
塗布方法としては、公知の任意の塗布方が適用できる。例えばロールコート法、グラビアコート法、ロールブラッシュ法、スプレーコート法、エアーナイフコート法、含浸法およびカーテンコート法などを単独または組み合わせて用いることができる。
本発明のポリエステルフィルムは二軸配向されている必要がある。二軸配向されていることにより、機械的強度や寸法変化、耐加水分解性に関する特性が良好なものとなり、固体高分子電解質膜の保護部材として充分な性能を発現することが可能となる。
また、さらに熱収縮率を小さくするために熱固定後に弛緩処理を行ってもよい。
本発明の二軸配向ポリエステルフィルムは、枠状または額縁状の形状に打ち抜き加工を行い、電解質膜の保護部材として電解質膜の周縁部と貼り合わせて使用される。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質の両側に電極層が配置されており、電極層は電解質膜よりも寸法が小さく、本発明の二軸配向ポリエステルフィルムからなる枠状の保護部材は、通常触媒層の外縁を囲むように配置される。すなわち、二軸配向ポリエステルフィルムからなる保護フィルムの一方の面は電解質膜の周縁部と接して配置される。
また、この保護フィルムの外側面にはさらに保護フィルムと同一形状の補強部材もしくはガスケットが配置されることが好ましく、もう一方の面は補強部材もしくはガスケットと接することが好ましい。
かかる固体高分子電解質膜保護部材を電極膜の周辺部に貼り合せて用いることにより、
セルスタック締結時にしわや破れが発生せず、また保護部材が締結圧力耐性に優れるため、高締結圧力のスタック環境下において保護部材にわれが発生せず、ガスシール性を保つことができ、使用温度域および高温加工温度で電解質膜にかかる負荷を低減することができる。
得られたフィルムを用い、波長633nmのレーザー光にて、屈折率計(Metricon社製、プリズムカプラ)を用いてフィルムの厚み方向における屈折率を求めた。
樹脂サンプルまたはフィルムサンプルを用い、25℃のo−クロロフェノール溶液で固有粘度([η]dl/g)を測定した。
温度150 ℃に設定されたオーブン中に、フィルムの縦方向および横方向がマーキングされ、あらかじめ正確な長さを測定した長さ30cm四方のフィルムを無荷重で入れ、30分間保持処理した後取り出し、室温に戻してからその寸法の変化を読み取る。熱処理前の長さ(L0)と熱処理による寸法変化量(ΔL)より、下記式(1)から縦方向および横方向の熱収縮率をそれぞれ求めた。
熱収縮率( % )=(ΔL/L0)×100 ・・・(1)
フィルムを150mm長×10mm幅に切り出した短冊状の試料片を、121℃・2atm・濡れ飽和モード・100%RHに設定した環境試験機内にステンレス製のクリップで吊り下げる。その後、所定時間ごとに試料片を取り出し、破断強度を測定する。測定は5回行い、その平均値を求め、下記式(2)で表される破断強度保持率が初期値の50%になるまでの時間を求め、以下の基準により耐加水分解性を評価した。測定装置としてオリエンテック社製テンシロンUCT−100型を用いた。
破断強度保持率(%)=(破断強度X/初期の破断強度X0)×100・・・(2)
(式中、破断強度Xは、121℃、2atm、100%RHの条件で所定時間処理後の破断強度、破断強度X0は処理前の初期の破断強度をそれぞれ表す)
◎: 50%破断強度保持率に至る時間が200時間以上
〇: 50%破断強度保持率に至る時間が175時間以上200時間未満
△: 50%破断強度保持率に至る時間が150時間以上175時間未満
電解質膜として50mm四方のパーフルオロスルホン酸樹脂(デュポン社製:ナフィオン117)を用い、その片面に同サイズのポリエステルフィルムを易接着層が電解質膜と接するように重ねて140℃で熱プレスにより接合した。得られた試験片の電解質膜側の面の角を指で10回こすり、電解質膜の剥離の有無を評価した。
電解質膜として100mm四方のパーフルオロスルホン酸樹脂(デュポン社製:ナフィオン117)を用い、その両面に枠状のポリエステルフィルム(外周100mm×100mm、内周80mm×80mm)を重ねて140℃で熱プレスにより接合し、燃料電池セルに組み込み、これを水没させセルの片側に圧縮空気を送り、反対側から気泡が発生するようにした。その際、圧縮空気の圧力を0MPaから徐々に上昇させていき、実施例1のフィルムについて気泡が生じない上限圧力を求め、その圧力を基準圧力として以下のように評価した。
〇: 基準圧力で気泡の発生が確認されない
×: 基準圧力で気泡の発生が確認される
電解質膜として100mm四方のパーフルオロスルホン酸樹脂(デュポン社製:ナフィオン117)を用い、その両面に枠状のポリエステルフィルム(外周100mm×100mm、内周80mm×80mm)を重ねて140℃で熱プレスにより接合した。処理後のポリエステルフィルム枠の枠内の電解質膜のしわの状態を目視で観察し、形状安定性について以下の基準で評価した。
○ : 電解質膜の部分に目視で小さなしわ、波うち状の変形ともに観察されない
△ : 電解質膜の部分に目視で波うち状の変形は見られないが、枠近辺に小さなしわが観察される
× : 電解質膜の部分に目視で波うち状の変形が観察される
2,6−ナフタレンジカルボン酸ジメチル100重量部、エチレングリコール60重量部、エステル交換触媒として酢酸マンガン四水塩0.03重量部、滑剤として平均粒径0.5μmの炭酸カルシウム粒子を0.25重量% 、平均粒径0.2μmの球状シリカ粒子を0.06重量%、および平均粒径0.1μmの球状シリカ粒子を0.1重量%を含有するように添加して、常法に従ってエステル交換反応をさせた。それぞれの滑剤はフィルム重量に対する配合量を示す。その後、トリエチルホスホノアセテート0.042重量部を添加し実質的にエステル交換反応を終了させた。ついで、三酸化アンチモン0.024重量部を添加し、引き続き高温、高真空下で常法にて重合反応を行い、固有粘度0.60dl/gのポリエチレン−2,6−ナフタレンジカルボキシレート(PEN Tg=121℃)を得た。このPENポリマーを175℃で5時間乾燥させた後、押出機に供給し、溶融温度300℃で溶融し、ダイスリットより押出した後、表面温度55℃に設定したキャスティングドラム上で冷却固化させて未延伸フィルムを作成した。
その後、135℃で横方向(幅方向)に3.3倍に逐次二軸延伸し、さらに250℃にて熱固定処理し、さらに200℃で横方向に1%収縮させながら再熱処理を行い、25μm厚の二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムの特性を表1に示す。得られたフィルムは、耐締結圧力、耐加水分解性、高温での寸法安定性に優れていた。また電解質膜との密着性にも優れていた。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を挙げていき、気泡が生じない上限圧力を求めた。
一軸延伸されたフィルムの両面に、塗布液を塗布しなかった以外は実施例1と同様にして25μm厚の二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムの特性を表1に示す。得られたフィルムは締結圧力耐性、高温での寸法安定性に優れていたが、電解質膜との密着性は実施例1に比べて低下した。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、実施例1と同様、気泡は生じなかった。
縦方向に3.7倍、横方向に3.8倍延伸した以外は実施例1と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムは、耐締結圧力、耐加水分解性、高温での寸法安定性、電解質膜との密着性に優れていた。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、実施例1と同様、気泡は生じなかった。
固有粘度0.55dl/gのポリエチレン−2,6−ナフタレンジカルボキシレートを用い、155℃にて縦方向(連続製膜方向)に3.1倍延伸し、145℃で横方向(幅方向)に3.4倍に逐次二軸延伸し、さらに200℃にて熱固定処理した以外は実施例1と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムは、耐締結圧力、耐加水分解性、電解質膜との密着性にも優れていたが、高温での寸法変化により電解質膜の形状安定性が実施例1に比べて低下した。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、実施例1と同様、気泡は生じなかった。
230℃にて熱固定処理した以外は実施例4と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムは、耐締結圧力、耐加水分解性、電解質膜との密着性にも優れていたが、高温での寸法変化により電解質膜の形状安定性が実施例1に比べて低下した。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、実施例1と同様、気泡は生じなかった。
縦方向に4.0倍、横方向に4.3倍延伸し、熱固定温度を260℃に変更した以外は実施例1と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。続いて、得られたフィルムの両エッジをクリップにて保持できるテンター式のオーブンにて、処理温度180℃、長手方向(MD方向)の弛緩率1.5%、幅方向(TD方向)の弛緩率1.5%で 2方向に同時に熱弛緩処理を行った。得られたフィルムの特性を表1に示す。得られたフィルムは耐加水分解性、高温での寸法安定性、電解質膜との密着性に優れていたが、締結の圧力によりフィルムに小さなひびが生じた。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、気泡の発生が確認された。
縦方向に4.0倍、横方向に4.3倍延伸した以外は実施例4と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムの特性を表1に示す。得られたフィルムは耐加水分解性、電解質膜との密着性に優れていたが、締結の圧力によりフィルムに小さなひびが生じた。また高温での寸法変化が大きく、電解質膜の形状安定性が比べて低下した。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、気泡の発生が確認された。
縦方向に1.8倍、横方向に2.5倍延伸した以外は実施例1と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムの特性を表1に示す。得られたフィルムは締結圧力耐性、高温での寸法安定性、電解質膜との密着性に優れていたが、耐加水分解性が十分ではなかった。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、実施例1と同様、気泡は生じなかった。
固有粘度0.53dl/gのポリエチレン−2,6−ナフタレンジカルボキシレートを用いた以外は実施例1と同様にして25μm厚みの二軸配向ポリエステルフィルムを得た。得られたフィルムの特性を表1に示す。得られたフィルムは締結圧力耐性、高温での寸法安定性、電解質膜との密着性に優れていたが、耐加水分解性が十分ではなかった。
また、測定方法(6)のガスシール性評価方法に従って圧縮空気の圧力を実施例1で気泡が生じない上限まで上げたところ、実施例1と同様、気泡は生じなかった。
Claims (6)
- ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする二軸配向ポリエステルフィルムにおいて、フィルム厚み方向の屈折率が1.500以上1.535以下であり、フィルムの固有粘度が0.45dl/g以上0.85dl/g以下であることを特徴とする固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルム。
- フィルムを構成するポリエステルの全繰り返し構造単位のモル数を基準としてエチレン−2,6−ナフタレンジカルボキシレートを80モル%以上含む請求項1に記載の固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルム。
- ポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする層の少なくとも一方の面にアミド基を含有するアクリル樹脂を含有する易接着層が積層されてなる請求項1または2に記載の固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルム。
- 150℃、30分熱処理後の縦方向および横方向の熱収縮率がそれぞれ0.0%以上0.7%以下である請求項1〜3のいずれかに記載の固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルム。
- 易接着層がポリエチレンナフタレンジカルボキシレートを主たる成分とする層の結晶配向が完了する前に塗布されてなる請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルム。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の固体高分子電解質膜保護用二軸配向ポリエステルフィルムを含む固体高分子電解質膜保護部材。
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