JP2013084457A - 電解質膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ネックインやシワ、たわみなどの変形を抑制し、薄膜化が可能な電解質膜の製造方法を提供する。
【解決手段】所定の間隔を空けて配置された２つの第１の接着部材を同一の面に備える第１の支持材と、所定の間隔を空けて配置された２つの第２の接着部材を同一の面に備える第２の支持材とを用意し、第１の支持材に第１の補強材を、第２の支持材に第２の補強材をそれぞれの支持材の備える接着部材の間を跨いで配置する。第１の補強材と第２の補強材とを電解質膜を介して貼り合わせた後、第１の接着部材の所定の接着層から第２の支持材と第２の接着部材と第１の補強材と電解質膜と第２の補強材とを分離し、第１の補強材と電解質膜と第２の補強材とを、第２の接着部材の間で切断する。
【選択図】図９

Description

本発明は、電解質膜の製造方法に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ）は、電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）を備える。燃料電池に用いられる電解質膜は、イオン伝導性を向上させるために薄膜化される傾向にあるが、薄膜化された電解質膜は、機械的強度が低いため、加工性や取り扱い性などが低下する。そこで、このような薄い電解質膜の搬送を行う場合等には、電解質膜の全面に高剛性のバックアップフィルム等の支持材を密着させることで、加工性や取り扱い性を向上させている。

しかし、このような支持材と電解質膜とを全面で密着させると、支持材から電解質膜を剥離する際に、電解質膜に引っ張り応力がかかることによって電解質膜に膜幅方向の収縮（以下、「ネックイン」ともいう）やシワ、たわみなどの変形が生じることがあった。例えば、特許文献１には、電解質膜の外周部分を補強用面状材によって保持する技術が開示されている。しかし、この技術では、燃料電池の発電の際に生じる電解質膜の膨潤・収縮によるシワなどの発生を抑制することを図っているものの、補強用面状材の中央部分を電解質膜から剥離する際に生じる電解質膜の変形については考慮されていなかった。かかる問題は、固体高分子形燃料電池に限らず、薄い電解質膜を用いた燃料電池、例えば、ダイレクトメタノール形燃料電池などにも共通する問題であった。

特開２０１０−０２７２２７号公報 特開２００２−２８００１２号公報

前述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、ネックインやシワ、たわみなどの変形を抑制可能な、電解質膜の製造方法を提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］補強材を備える電解質膜の製造方法であって、複数の接着層が第１の接着強度で多層に接着された第１の接着部材が同一面上に所定の間隔を空けて少なくとも２つ配置された第１の支持材と、第２の接着部材が同一面上に所定の間隔を空けて少なくとも２つ配置された第２の支持材と、を用意する第１工程と、前記少なくとも２つの第１の接着部材上に前記第１の接着強度よりも大きな第２の接着強度で該少なくとも２つの第１の接着部材の間を跨いで第１の補強材を接着し、前記少なくとも２つの第２の接着部材上に該少なくとも２つの第２の接着部材の間を跨いで第２の補強材を接着する第２工程と、前記第１の接着部材上の前記第１の補強材と、前記第２の接着部材上の前記第２の補強材とを電解質膜を介して貼り合わせることで、前記電解質膜が、前記第１の補強材および前記第２の補強材によって狭持され、さらに、前記第１の接着部材の接着された前記第１の支持材と前記第２の接着部材の接着された前記第２の支持材とによって狭持された第１の中間部材を生成する第３工程と、前記各第１の接着部材中の所定の接着層間を剥離することで、前記第１の中間部材から、前記第２の支持材と前記少なくとも２つの第２の接着部材と前記第２の補強材と前記電解質膜と前記第１の補強材と前記第１の接着部材の一部とを有する第２の中間部材を分離する第４工程と、前記第２の中間部材の前記少なくとも２つの第２の接着部材の間で、該少なくとも２つの第２の接着部材上の前記第１の補強材と前記電解質膜と前記第２の補強材とを切断する第５工程と、を備える製造方法。

このような構成であれば、第１の支持材上の少なくとも２つの第１の接着部材の間を跨いで第１の補強材を接着し、第２の支持材上の少なくとも２つの第２の接着部材の間を跨いで第２の補強材を接着した後に、電解質膜を介して第１の補強材と第２の補強材とを貼り合わせるので、補強材や電解質膜を搬送する際に生じる変形を抑制することができる。また、第２の接着部材の間で第１の補強材と電解質膜と第２の補強材とを切断するので、ネックインやシワ、たわみなどの変形が抑制され、両面が補強材で補強された、強度の高い電解質膜を得ることができる。

［適用例２］適用例１に記載の製造方法であって、前記第３工程よりも前に、さらに、前記第１の接着部材上に接着された前記第１の補強材の表面から前記第１の接着部材中の前記所定の接着層間まで切り込みを入れる工程を備える、製造方法。このような製造方法であれば、切り込みを入れた箇所において、第１の中間部材から第２の中間部材を容易に分離することができる。

［適用例３］適用例１または２に記載の製造方法であって、前記第４工程において前記第２の中間部材が分離された前記第１の中間部材の少なくとも一部を、前記第１工程で用意する前記第１の支持材として用いる、製造方法。このような製造方法であれば、第２の中間部材が分離された第１の支持材を電解質膜の製造に再利用することができるので、電解質膜の製造にかかるコストを低減することができる。

［適用例４］適用例１から適用例３までのいずれか一の適用例に記載の製造方法であって、前記第５工程において前記第１の補強材と前記電解質膜と前記第２の補強材とが切断された後の前記第２の中間部材から、前記第２の支持材と該第２の支持材上に配置された前記第２の接着部材とを分離し、該分離された前記第２の支持材と該第２の支持材上に配置された前記第２の接着部材とを、前記第１工程で用意する前記第２の支持材として用いる、製造方法。このような製造方法であれば、第２の支持材と第２の接着部材とを電解質膜の製造に再利用することができるので、電解質膜の製造にかかるコストを低減することができる。

［適用例５］適用例１から適用例４までのいずれか一の適用例に記載の製造方法であって、さらに、前記第５工程において切断された前記第１の補強材と前記電解質膜と前記第２の補強材とに電解質を含浸して、イオン伝導性を付与する工程を備える、製造方法。このような製造方法であれば、切断された補強材および電解質膜に電解質を含浸して、イオン伝導性を付与することで燃料電池の電解質膜として利用できる。

本発明は、上述した電解質膜の製造方法の他、種々の形態で実現することが可能である。例えば、電解質膜の製造装置、電解質膜を備えた膜電極接合体や、膜電極接合体を備えた燃料電池、燃料電池を備えた燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することもできる。

本発明の一実施形態としての製造方法により製造された電解質膜を備える燃料電池の概略構成を示す部分断面図である。 補強材を備える電解質膜の製造方法を示すフローチャートである。 ステップＳ１０における第１の支持材の様子を説明するための模式図である。 ステップＳ１０における第２の支持材の様子を説明するための模式図である。 ステップＳ２０における第１の補強材を接着する様子を説明するための模式図である。 ステップＳ２０における第２の補強材を接着する様子を説明するための模式図である。 ステップＳ４０を説明するための模式図である。 ステップＳ５０を説明するための模式図である。 ステップＳ５０において、第１の補強材と第２の補強材とを電解質膜材前駆体を介して貼り合わせた様子を示した図である。 ステップＳ６０を説明するための模式図である。 ステップＳ７０を説明するための模式図である。 ステップＳ９０を説明するための模式図である。 ステップＳ１００を説明するための模式図である。 支持材を再利用する様子を示した模式図である。 電解質膜のネックイン量の測定結果を示した図である。 料電池のサイクル数とセル電圧との関係を示した図である。 第１の接着部材の所定の接着層間まで切り込みを入れない場合の電解質膜の製造方法を示した図である。 電解質膜材前駆体の上から切り込みを入れた場合における、電解質膜の製造方法を示した図である。 第２の接着部材の上で第１の補強材と電解質膜材前駆体と第２の補強材を切断する様子を示した図である。

Ａ．電解質膜を備える燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施形態としての製造方法によって製造された電解質膜を備える、燃料電池１００の概略構成を示す部分断面図である。この燃料電池１００は、反応ガスとして燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば酸素）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数の単セル３０が積層されたスタック構造を有する。

単セル３０は、電解質膜１０と、電解質膜１０の両面にそれぞれ形成されるアノード側電極３１ａおよびカソード側電極３１ｃと、を有する膜電極接合体２０を備える。膜電極接合体２０は、一方の面にアノード側ガス拡散層３２ａを、もう一方の面にカソード側ガス拡散層３２ｃを備えており、アノード側ガス拡散層３２ａはアノード側セパレータ３３ａと、カソード側ガス拡散層３２ｃはカソード側セパレータ３３ｃと隣接している。アノード側ガス拡散層３２ａとアノード側セパレータ３３ａの間には、燃料ガス流路３４ａが、カソード側ガス拡散層３２ｃとカソード側セパレータ３３ｃとの間には、酸化剤ガス流路３４ｃが形成されている。

電解質膜１０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素樹脂系のイオン交換膜であり、本実施形態においては電解質膜材１１のアノード側の面に第１の補強材１２ａが配置され、カソード側の面に第２の補強材１２ｃが配置された三層構造を有している。電解質膜１０を構成する電解質膜材１１は、固体高分子材料としてのフッ素系スルホン酸ポリマーにより形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。本実施形態では、電解質膜材１１として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）を用いる。第１の補強材１２ａおよび第２の補強材１２ｃは、多孔構造のフィルムに電解質が含浸された、プロトン伝導性を有する層であり、電解質膜材１１を補強する部材である。本実施形態では第１の補強材１２ａおよび第２の補強材１２ｃとして、薄膜状に形成されたＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を用いる。以降、第１の補強材１２ａおよび第２の補強材１２ｃをまとめて単に補強材１２とも記す。

アノード側電極３１ａおよびカソード側電極３１ｃは、白金や白金合金などの触媒を担持したカーボン粒子と、プロトン伝導性を示す固体高分子形電解質樹脂とを含んでいる。アノード側ガス拡散層３２ａおよびカソード側ガス拡散層３２ｃは、ガス透過性を有するとともに導電性を有する材料で形成されている。アノード側ガス拡散層３２ａおよびカソード側ガス拡散層３２ｃの材料としては、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素系多孔質体や、金属メッシュ、発泡金属などの金属多孔質体を用いることができる。

アノード側セパレータ３３ａおよびカソード側セパレータ３３ｃは、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレータ３３ａおよびカソード側セパレータ３３ｃは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって形成されている。なお、アノード側セパレータ３３ａおよびカソード側セパレータ３３ｃは、緻密質カーボン等のカーボン製部材の他に、プレス成形されたステンレス鋼などの金属部材によって形成することができる。

燃料ガス流路３４ａはアノード側ガス拡散層３２ａとアノード側セパレータ３３ａの間に、酸化剤ガス流路３４ｃはカソード側ガス拡散層３２ｃとカソード側セパレータ３３ｃとの間にそれぞれ形成されている。燃料ガス流路３４ａは水素（Ｈ₂）ガスの流炉として、酸化剤ガス流路３４ｃは酸素（Ｏ₂）ガスの流路である。

Ｂ．第１実施形態：
Ｂ−１．電解質膜の製造方法：
図２は、補強材１２を備える電解質膜１０の製造方法を示すフローチャートである。以下、図２に示す電解質膜の製造方法の各ステップを、図３〜図１１を用いて説明する。なお、ステップＳ１０は本願の第１工程に、ステップＳ２０は本願の第２工程に、ステップＳ５０は本願の第３工程に、ステップＳ６０は本願の第４工程に、ステップＳ７０は本願の第５工程にそれぞれ対応している。

図３および図４は、ステップＳ１０を説明するための模式図であり、図３は第１の支持材４ａの様子を、図４は第２の支持材４ｃの様子を示している。ステップＳ１０では、第１の接着部材３ａが同一面上に所定の間隔を空けて少なくとも２つ配置された第１の支持材４ａ（図３）と、第２の接着部材３ｃが同一面上に所定の間隔を空けて少なくとも２つ配置された第２の支持材４ｃ（図４）とを用意する。以降、第１の支持材４ａと第２の支持材４ｃをまとめて単に「支持材４」とも記す。また、第１の接着部材３ａと第２の接着部材３ｃをまとめて単に「接着部材３」とも記す。

支持材４は、電解質膜１０の備える補強材１２よりも剛性が高いという性質を有し、補強材１２や電解質膜材１１の形状を保持してネックインやシワ、たわみなどの変形なく搬送するための搬送材として用いられる。支持材４は、例えば、フィルム状に形成されたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＩ（ポリイミド）、フッ素樹脂などのバックアップフィルムを用いることができる。

接着部材３は、補強材１２と支持材４とを接着させるために用いられる。第１の接着部材３ａは、図３に示すように、本実施形態では４層（３ａａ、３ａｂ、３ａｃ、３ａｄ）の接着層が積層された多層構造を有している。第２の接着部材３ｃは、図４に示すように、本実施形態では１層の接着層からなる。接着部材３が支持材４上に配置される間隔（一方の接着部材３の最端部から、他方の接着部材３の最端部までをいい、図３に「Ｌ１ａ」、図４に「Ｌ１ｃ」で示した長さを意味する。以降、「Ｌ１ａ」と「Ｌ１ｃ」をまとめて単に「Ｌ１」とも記す。）は、後述するステップＳ７０において、第２の支持材４ｃから電解質膜１０を切断する幅（例えば、図３および図４に「Ｌ２」で示した長さ）よりも広い間隔である。本実施形態においては、第１の支持材４ａ上に配置される第１の接着部材３ａの間隔「Ｌ１ａ」と第２の支持材４ｃ上に配置される第２の接着部材３ｃの間隔「Ｌ１ｃ」は同じであるが、それぞれの間隔は、第２の支持材４ｃから電解質膜１０を切断する幅「Ｌ２」よりも広い間隔であれば、異なっていてもよい。接着部材３は、例えばシリコーンゴムを基材とした幅数ｍｍから２０ｍｍのテープを用いることができる。接着部材３としては、その他、天然ゴムや、アクリル酸エステル共重合体などを基材としたテープを用いてもよい。

接着部材３を同一の面上に備える支持材４を用意した後、ステップＳ２０では、接着部材３上に補強材１２を配置して接着する。図５および図６は、ステップＳ２０を説明するための模式図である。図５は第１の支持材４ａに第１の接着部材３ａの間を跨いで第１の補強材１２ａを配置して接着する様子を、図６は第２の支持材４ｃに第２の接着部材３ｃの間を跨いで第２の補強材１２ｃを配置する様子を示している。接着層３ａａと第１の補強材１２ａは、接着層３ａａと接着層３ａｂよりも大きな接着強度（接着している部材を剥離するために必要な強度）で接着している。接着層３ａａと接着層３ａｂとの接着強度は本願の「第１の接着強度」に、接着層３ａａと第１の補強材１２ａとの接着強度は本願の「第２の接着強度」に相当する。補強材１２は、図５および図６に示すように、接着部材３の間を跨いで配置されるため、接着部材３の間において支持材４と密着していない。また、補強材１２は支持材４の高い剛性により、支持材４上に接着部材３を介してシワやたわみなく配置される。

支持材４上に接着部材３の間を跨いで補強材１２が配置されると、補強材１２は、支持材４により所定の加工位置まで搬送される（ステップＳ３０）。補強材１２の搬送は、支持材４の高い剛性により、ネックインやシワ、たわみなどの変形が抑制された状態で行われる。

図７はステップＳ４０を説明するための模式図である。ステップＳ４０では、第１の支持材４ａ上に配置された第１の接着部材３ａの間を跨いで接着された第１の補強材１２ａの表面側から、第１の接着部材３ａの備える４層の接着層（３ａａ、３ａｂ、３ａｃ、３ａｄ）のうち、接着層３ａａと接着層３ａｂとの間まで、カッター９により切り込みを入れる。切り込みは、接着層３ａａと接着層３ａｂの間よりも深い層まで（例えば、接着層３ａｃと接着層３ａｄの間まで）入れることもできる。図７に示すように、カッター９にて第１の補強材１２ａの表面から切り込みを入れる箇所は、第１の接着部材３ａの上であるため、切断された第１の補強材１２ａは、第１の接着部材３ａを介して第１の支持材４ａに配置されたままになる。

図８はステップＳ５０を説明するための模式図である。ステップＳ５０では、第１の支持材４ａの備える第１の接着部材３ａの間を跨いで配置された第１の補強材１２ａと、第２の支持材４ｃの備える第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の補強材１２ｃとを、電解質膜材１１の前駆体を介して貼り合わせる。電解質膜材１１の前駆体（以降、電解質膜材前駆体１１ｆとも記す）とは、イオン伝導性が付与される前の電解質膜材１１を意味する。電解質膜材前駆体１１ｆを介しての貼り合わせは、図８に示すように第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとを同時に貼り合わせるようにしてもよく、あらかじめ第１の補強材１２ａまたは第２の補強材１２ｃ上に電解質膜材前駆体１１ｆを例えば押出成形により配置してから、貼り合わせるようにしてもよい。

図９はステップＳ５０において、第１の支持材４ａの備える第１の接着部材３ａの間を跨いで配置された第１の補強材１２ａと、第２の支持材４ｃの備える第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の補強材１２ｃとを、電解質膜材前駆体１１ｆを介して貼り合わせた様子を示した図である。第１の支持材４ａの備える第１の接着部材３ａの間を跨いで配置された第１の補強材１２ａと、第２の支持材４ｃの備える第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の補強材１２ｃとを、電解質膜材前駆体１１ｆを介して貼り合わせた部材を、以降、「第１の中間部材５０」ともいう。第１の中間部材５０の備える電解質膜材前駆体１１ｆは、図９に示すように、第２の支持材４ｃから電解質膜１０を切断する幅（図９に「Ｌ２」で示した長さ）よりも広い幅を覆っている。第１の中間部材５０は、第１の支持材４ａの備える第１の接着部材３ａの間において、第１の補強材１２ａが第１の支持材４ａと密着しておらず、第２の支持材４ｃの備える第２の接着部材３ｃの間において、第２の補強材１２ｃが第２の支持材４ｃと密着していない構造を有している。

図１０はステップＳ６０を説明するための模式図である。ステップＳ６０では、接着層３ａａと接着層３ａｂとの間で、第１の中間部材５０から、第２の支持材４ｃと第２の接着部材３ｃと第２の補強材１２ｃと電解質膜材前駆体１１ｆと第１の補強材１２ａと第１の接着部材３ａの一部と、を分離する。分離した第２の支持材４ｃと第２の接着部材３ｃと第２の補強材１２ｃと電解質膜材前駆体１１ｆと第１の補強材１２ａと第１の接着部材３ａの一部を、以降、「第２の中間部材６０」ともいう。具体的には、本実施形態においては、第１の支持材４ａ上の第１の接着部材３ａのうち、ステップＳ４０において切り込みが入れられた接着層３ａａの内側において、第１の中間部材５０から第２の中間部材６０を分離する。図１０に示すように、分離後の第２の支持材４ｃ上には、第２の接着部材３ｃを跨いで第２の補強材１２ｃが、補強材１２ｃ上に電解質膜材前駆体１１ｆが、電解質膜材前駆体１１ｆ上に第１の補強材１２ａが配置されており、第１の補強材１２ａの両端には、ステップＳ４０において切り込みの入れられた接着層３ａａの一部が残存している。一方、第１の支持材４ａ上には、接着層３ａａの一部と、接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄとが配置されており、接着層３ａａの一部の上には第１の補強材１２ａの一部が残存している。

図１１はステップＳ７０を説明するための模式図である。ステップＳ７０では、ステップＳ６０において第１の中間部材５０から分離された第２の中間部材６０の備える第２の接着部材３ｃの間で、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとを、例えばカッター９で切断する。図１１に示すように、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃからなる積層体を切断する箇所は、第２の接着部材３ｃの間において、第２の支持材４ｃと密着していない箇所である。また、その切断する幅は、図３、図４および図９において「Ｌ２」で示した幅である。したがって、切断された第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃを備える積層体は、図１１に示すように、第１の補強材１２ａに第１の接着部材３ａが接着しておらず、第２の補強材１２ｃに第２の接着部材３ｃが接着していない積層体である。なお、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃを備える積層体は、図１１に示すように切断した後に第２の支持材４ｃから分離されても、電解質膜材前駆体１１ｆがある程度の粘着力を有しているので、積層された形状を保つ程度に一体化している。

以上のステップＳ１０からステップＳ７０を行えば、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとが積層された電解質膜１０を得ることができる。本実施形態において得られる第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとが積層された電解質膜１０は、第２の支持材４ｃ上の２箇所の第２の接着部材３ｃの間において図３、図４および図９で「Ｌ２」で示した幅を、支持材４と密着していない箇所において切断するために、図１１に示すように、接着部材３および支持材４を備えていない。

次に、上記ステップＳ７０で得られた補強材１２および電解質膜材前駆体１１ｆが積層された電解質膜１０に電解質を含浸したのち、加水分解によりイオン伝導性を付与する（ステップＳ８０）。電解質の含浸は、例えば、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとが積層された電解質膜１０に電解質材を含む溶液を塗布した後、搬送用ロール上で熱を加えることにより行う。電解質としては、例えばフッ素系スルホン酸ポリマーなどのフッ素系固体高分子電解質を用いることができる。その後、電解質を含浸した電解質膜１０にイオン伝導性を付与する。イオン伝導性は、例えば、まずアルカリ溶液（ＮａＯＨ溶液）に、電解質を含浸した第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとが積層された電解質膜１０を浸漬して、補強材１２および電解質膜材前駆体１１ｆが有する−ＳＯ₂Ｆ基を−ＳＯ₃Ｎａ基に変性させる。その後、それらを水洗して酸性溶液（Ｈ₂ＳＯ₄溶液およびＨ₂ＮＯ₃溶液）に浸漬して−ＳＯ₃Ｎａ基を−ＳＯ₃Ｈ基へ変性させることによって、付与することができる。

ステップＳ８０を行えば、電解質が含浸され、イオン伝導性が付与された電解質膜１０を得ることができる。この電解質膜１０の両面に、アノード側電極３１ａ、カソード側電極３１ｃを形成することにより、図１に示す膜電極接合体２０を得ることができる。

Ｂ−２．支持材の再利用：
図１２は、図２のフローチャートに示されたステップＳ９０について説明するための模式図である。ステップＳ９０では、ステップＳ６０において第２の中間部材６０が分離された後の第１の中間部材５０から、第１の接着部材３ａの一部と第１の補強材１２ａの一部を剥離する。具体的には、本実施形態においては、上記ステップＳ６０において第１の支持材４ａ上に残存した接着層３ａａと、接着層３ａａ上の第１の補強材１２ａ（以降、第１の支持材４ａ上に残存した接着層３ａａと第１の補強材１２ａをまとめて「第１の端材」ともいう）を第１の支持材４ａ上から剥離する。第１の端材が剥離されると、第１の支持材４ａ上には接着層３ａｂ、３ａｃおよび３ａｄのみが残るため、第１の端材が剥離された第１の支持材４ａを上記ステップＳ１０で用いる第１の支持材４ａとして再利用することができる。なお、ステップＳ９０では、接着層３ａａが第１の補強材１２ａを第１の支持材４ａ上にネックインやシワ、たわみなく配置するために十分な面積を有していれば、第１の補強材１２ａのみを第１の支持材４ａ上から剥離して、接着層３ａａの一部と接着層３ａｂ、３ａｃおよび３ａｄを備える第１の支持材４ａを上記ステップＳ１０で用いる第１の支持材４ａとして再利用してもよい。

図１３は、図２のフローチャートに示されたステップＳ１００について説明するための模式図である。ステップＳ１００では、補強材１２および電解質膜材前駆体１１ｆが切断された後の第２の中間部材６０から、第２の支持材４ｃと第２の接着部材３ｃを分離する。具体的には、本実施形態においてはステップＳ７０において電解質膜１０を切断した後に図１３に示すように第２の支持材４ｃ上に残存した接着層３ａａ、第１の補強材１２ａ、電解質膜材前駆体１１ｆ、第２の補強材１２ｃ（以降、第２の支持材４ｃ上に残存した接着層３ａａ、第１の補強材１２ａ、電解質膜材前駆体１１ｆ、第２の補強材１２ｃをまとめて「第２の端材」ともいう）を、第２の接着部材３ｃの上から剥離する。第２の端材が剥離されると、第２の支持材４ｃ上には第２の接着部材３ｃのみが残るため、第２の端材が剥離された第２の支持材４ｃを上記ステップＳ１０で用いる第２の支持材として再利用することができる。なお、ステップＳ９０とステップＳ１００を行う順序は、図２のフローチャートに示された順序でなくてもよい。ステップＳ１００を行った後にステップＳ９０を行ってもよいし、ステップＳ９０とステップＳ１００を同時に行ってもよい。

図１４は、ステップＳ１０からステップＳ１００を行うことで支持材４を再利用する様子を示した模式図である。上記のような電解質膜１０の製造方法であれば、図１４に示すように電解質膜１０を製造する工程で第１の接着部材３ａを備える第１の支持材４ａと、第２の接着部材３ｃを備える第２の支持材４ｃをベルトコンベアやラインコンベアで循環させて電解質膜１０を製造することができるため、第１の接着部材３ａを備える第１の支持材４ａと、第２の接着部材３ｃを備える第２の支持材４ｃをステップＳ１０において毎回用意する必要がなくなり、作業性を向上することができる。また、比較的高価な第１の支持材４ａおよび第２の支持材４ｃの２つの支持材４を再利用して電解質膜１０を製造するため、電解質膜１０の製造コストを低減することができる。具体的には、ステップＳ９０において、第１の支持材４ａ上に残存した接着層３ａａと第１の補強材１２ａ（第１の端材）が剥離された、接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄを備える第１の支持材４ａは、ステップＳ１０に用いる第１の支持材４ａとして再利用される。第１の接着部材３ａは接着層３ａａ、３ａｂ、３ａｃ、３ａｄの４層からなるので、上記のようにステップＳ９０において接着層３ａａを含む第１の端材を剥離したとしても、あらたな接着層を第１の支持材４ａ上に配置することなく、第１の支持材４ａが備える残りの接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄを利用して、電解質膜１０を製造することができる。第１の接着部材３ａが第１の支持材４ａ上から全て剥離された場合は、ステップＳ１０においてあらたに接着層を多層に配置すればよいので、第１の支持材４ａを繰り返し再利用することができる。なお、第１の支持材４ａ上にあらたに接着層を配置するタイミングは、第１の支持材４ａ上から第１の接着部材３ａが全て剥離された後でなくてもよく、任意のタイミングを採用することができる。例えば、接着層３ａａおよび接着層３ａｂを剥離した後に、あらたな接着層３ａａおよび接着層３ａｂを配置してもよい。

一方、第２の支持材４ｃは、ステップＳ１００において第２の接着部材３ｃ上の第２の端材を剥離して、ステップＳ１０で用いる第２の支持材として再利用することができる。したがって、第２の接着部材３ｃを備える第２の支持材４ｃをステップＳ１０において毎回用意する必要がない。なお、第２の接着部材３ｃの接着力が、第２の補強材１２ｃを接着するために十分な接着力でなくなった場合には、ステップＳ１００において第２の支持材４ｃから十分な接着力でなくなった第２の接着部材３ｃをいったん剥離した後に、その第２の支持材４ｃにあらたな第２の接着部材３ｃを配置して循環させることもできる。

Ｂ−３．実験結果：
図１５は、本実施形態において作製した電解質膜１０と比較対象の電解質膜とのネックイン量の測定結果を示した図である。比較対象の電解質膜は支持材４と全面で密着した電解質膜であり、次のように作製した。まず、第１の支持材４ａ上にフィルム状の第１の接着部材３ａを全面に貼り合わせて、その上に直接第１の補強材１２ａを配置した。同様に、第２の支持材４ｃ上にフィルム状の第２の接着部材３ｃを全面に貼り合わせて、その上に直接第２の補強材１２ｃを配置した。次に、第１の支持材４ａ上の第１の補強材１２ａと、第２の支持材４ｃ上の第２の補強材１２ｃとを、電解質膜材前駆体１１ｆを介して重ね合わせて、図３、図４および図９で示した幅「Ｌ２」と同じ幅をカッター９で切断し、電解質膜材前駆体１１ｆの両面に補強材１２が、補強材１２の両面にフィルム状の接着部材３が、接着部材３の両面に支持材４が貼り合わされた積層体を作製した。最後に、この積層体から、第１の接着部材３ａおよび第１の支持材４ａと、第２の接着部材３ｃおよび第２の支持材４ｃとを剥離して、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃが貼り合わされた電解質膜を得た。このようにして作製した電解質膜を、比較対象の電解質膜とした。電解質膜のネックイン量は、それぞれの電解質膜をカッター９で切断する幅（カット幅）を基準として、作製後の電解質膜の幅を測定することにより、基準に対して収縮した割合を以下の式（１）にて算出した。

（（カット幅−作製後の電解質膜の幅）／カット幅）×１００ …（１）

図１５に示すように、比較対象の電解質膜のネックイン量は約１５％であるのに対して、本実施形態の電解質膜１０のネックイン量は１％未満である。この結果から、本実施形態において作製した電解質膜１０は、比較対象の電解質膜よりもネックイン量が大幅に減少することがわかる。

図１６は、本実施形態において作製した電解質膜１０を備える燃料電池１００を「本実施形態品」、比較対象の電解質膜を備える燃料電池を「比較対象品」として、それぞれの燃料電池のサイクル数とセル電圧との関係を示した図である。サイクル数とは、燃料電池の高温状態と低温状態を１サイクルとした場合の繰り返し回数であり、具体的には、燃料電池の起動と停止を１サイクルとした場合の繰り返し回数を意味する。この実験例では、−２０℃から８０℃までの温度範囲で冷熱サイクルを繰り返しながら、出力電流を０．８Ａ／ｃｍ²としてセル電圧を測定した。図１６に示すように、本実施形態の電解質膜を用いた燃料電池１００は、比較対象の電解質膜を備える燃料電池と比べて、サイクル数が増加した場合におけるセル電圧の低下が抑制されていた。

燃料電池の高温状態と低温状態を繰り返すと電解質膜も収縮・膨潤を繰り返すが、電解質膜がネックインやシワ、たわみなどにより変形している箇所は強度が弱いことから、そのような箇所においては電解質膜が劣化してクロスリークが生じることにより、セル電圧が低下しやすい。本実施形態の電解質膜１０を用いた燃料電池は、比較対象の電解質膜を用いた燃料電池と比較して電解質膜のネックイン量が少ないために、サイクル数が増加しても電解質膜の劣化が少なく、サイクル数の増加に伴うセル電圧の低下が抑制されたと考えられる。

Ｃ．第２実施形態：
第１実施形態においては、ステップＳ４０において切り込みを入れた接着層３ａａと接着層３ａｂとの間において、第１の中間部材５０から第２の中間部材６０を分離していたが、切り込みを入れずに、第２の中間部材６０を分離することもできる。

図１７は、第１の接着部材３ａの所定の接着層間まで切り込みを入れない場合の電解質膜１０の製造方法を示した図である。このような場合において、図１７に示すように、第１の接着部材３ａをカッター９で切断することなく貼り合わせる（ステップＳ５０ａ）。すると、第１の接着部材３ａを備える第１の補強材１２ａと、電解質膜材前駆体１１ｆと、第２の補強材１２ｃとが第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の支持材４ｃと、接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄを備える第１の支持材４ａとに分離することができる（ステップＳ６０ａ）。これは、接着層３ａａと第１の補強材１２ａとの接着強度が、接着層３ａａと接着層３ａｂとの接着強度よりも大きいためである。次に、第２の支持材４ｃ上の第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の補強材１２ｃと電解質膜材前駆体１１ｆと第１の補強材１２ａとを、例えばカッター９で切断すれば、補強材１２と電解質膜材前駆体１１ｆが積層された電解質膜１０を得ることができる（ステップＳ７０ａ）。ステップＳ６０ａにおいて接着層３ａａを備える第１の補強材１２ａと、電解質膜材前駆体１１ｆと、第２の補強材１２ｃとが第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の支持材４ｃと分離された第１の支持材４ａは、接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄを備えており、第１の端材を有していない。したがって、第１の支持材４ａは、そのまま上記ステップＳ１０で用いる第１の支持材４ａとして再利用することができる（ステップＳ９０ａ）。第２の支持材４ｃ上に残存した接着層３ａａ、第１の補強材１２ａ、電解質膜材前駆体１１ｆ、第２の補強材１２ｃを、第２の接着部材３ｃから剥離すれば、第２の接着部材３ｃを備える第２の支持材４ｃを上記ステップＳ１０で用いる第２の支持材４ｃとして再利用することができる（ステップＳ１００ａ）。

Ｄ．第３実施形態：
第１実施形態においては、ステップＳ４０において第１の支持材４ａの備える第１の接着部材３ａの間を跨いで配置された第１の補強材１２ａの表面側から接着層３ａａと３ａｂとの間までを、カッター９にて切断したが、第１の補強材１２ａの上にさらに電解質膜材前駆体１１ｆを重ね合わせた後にカッター９にて切断してもよい。

図１８は電解質膜材前駆体１１ｆの上から接着層３ａａと３ａｂとの間まで切り込みを入れた場合における、電解質膜１０の製造方法を示した図である。このような場合において、電解質膜材前駆体１１ｆをカッター９で切断した後に、第１の支持材４ａ上に配置され、カッター９にて切断された電解質膜材前駆体１１ｆと、第２の支持材４ｃ上に配置された第２の補強材１２ｃとを貼り合わせる（ステップＳ５０ｂ）。その後、接着層３ａａを備える第１の補強材１２ａと、電解質膜材前駆体１１ｆと、第２の補強材１２ｃとが第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の支持材４ｃと、電解質膜材前駆体１１ｆの一部を備える第１の補強材１２ａと、接着層３ａａの一部と、接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄとを備える第１の支持材４ａに分離することができる（ステップＳ６０ｂ）。第２の支持材４ｃ上の第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第２の補強材１２ｃと電解質膜材前駆体１１ｆと第１の補強材１２ａとを、例えばカッター９で切断すれば、補強材１２と電解質膜材前駆体１１ｆが積層された電解質膜１０を得ることができる（ステップＳ７０ｂ）。第１の支持材４ａの備える接着層３ａｂ上には、接着層３ａａと第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆが残存しているので、これらを剥離すれば、接着層３ａｂ、３ａｃ、３ａｄを備える第１の支持材４ａを上記ステップＳ１０で用いる第１の支持材４ａとして再利用することができる（ステップＳ９０ｂ）。第２の支持材４ｃの備える第２の接着部材３ｃ上には、上記の実施形態Ｂと同じように、接着層３ａａ、第１の補強材１２ａ、電解質膜材前駆体１１ｆ、第２の補強材１２ｃを第２の接着部材３ｃが残存するためこれらを第２の接着部材３ｃから剥離して、上記ステップＳ１０で用いる第２の支持材として再利用することができる（ステップＳ１００ｂ）。

Ｅ．まとめ：
以上説明したように、上述した種々の実施形態における電解質膜１０の製造方法によれば、補強材１２および電解質膜材前駆体１１ｆは、支持材４を用いて搬送されるので、搬送中のネックインやシワ、たわみなどの変形が抑制された電解質膜１０を製造することができる。電解質膜１０は、分離された第２の支持材４ｃが備える第２の接着部材３ｃの間を跨いで配置された第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃとを、第２の接着部材３ｃの間で切断して作製される。したがって、電解質膜１０から支持材４を剥離する際に生じる電解質膜１０のネックインやシワ、たわみなどの変形を抑制することができる。その結果、本実施形態の電解質膜１０を備える燃料電池は、高温状態と低温状態を繰り返しても、セル電圧の低下が抑制され、耐久性が高い。また、第１の補強材１２ａと第２の補強材１２ｃとを電解質膜材前駆体１１ｆを介して貼り合わせる際に、第１の補強材１２ａおよび第２の補強材１２ｃをそれぞれ第１の支持材４ａおよび第２の支持材４ｃで保持したまま貼り合わせることができるので、補強材１２が支持材４に支持されていない時間を減少することができ、補強材１２に生じるネックインやシワ、たわみを抑制することができる。したがって、電解質膜１０の製造ラインにおいて、補強材１２を供給する箇所などを所望の箇所にすることが可能になるので、電解質膜１０の製造ラインの設計の自由度を高めることができる。さらに、上述した種々の実施形態における電解質膜１０の製造方法は、比較的高価な支持材４を電解質膜１０の製造に再利用することが可能である。そのため、電解質膜１０の製造コストを低減することができる。よって、電解質膜の品質の向上と、設計の自由度の向上と、製造コストの低減とを同時に達成することができる。

Ｆ．変形例：
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、以下のような変形が可能である。

上述した電解質膜の製造方法では、電解質膜材１１として、ナフィオンを用いたが、電解質膜材１１はこれに限定されず、例えば、アシプレックス（登録商標）、フレミオン（登録商標）等の他のフッ素系スルホン酸膜を用いることができる。また、電解質膜材１１として、フッ素系ホスホン酸膜、フッ素系カルボン酸膜、フッ素炭化水素系グラフト膜、炭化水素系グラフト膜、芳香族膜等が用いられてもよい。

上述した電解質膜の製造方法では、補強材１２として、ＰＴＦＥフィルムを用いたが、補強材１２はこれに限定されず、耐酸性、アルカリ性の素材で形成することができ、例えば、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などのフッ素系樹脂で形成することができる。また、補強材１２は、電解質膜材１１を部分的に補強する形状（例えば、電解質膜材１１を部分的に補強する格子状の形状や、電解質膜の外周部を補強する形状）であってもよい。

上述した電解質膜の製造方法におけるステップＳ１０では、図３および図４に示すように所定の間隔を空けて２つの接着部材３を備える支持材４を用意したが、支持材４が備える接着部材３の数はこれに限らない。例えば、４つの接着部材３を矩形状に備える支持材４を用意することもできる。

上述した電解質膜の製造方法におけるステップＳ１０では、第２の支持材４ｃが備える第２の接着部材３ｃは１層のみであったが、第２の接着部材３ｃは、第１の支持材４ａが備える第１の接着部材３ａのように接着層が積層された多層構造であってもよい。また、ステップＳ２０では、第１の支持材４ａの備える第１の接着部材３ａ上に第１の補強材１２ａを、第２の支持材４ｃの備える第２の接着部材３ｃ上に第２の補強材１２ｃを設置したが、第１の補強材１２ａもしくは第２の補強材１２ｃの代わりに電解質膜材前駆体１１ｆを設置してもよい。そうすることで、補強材１２で片面が補強された電解質膜１０を作製することができる。

上述した電解質膜の製造方法におけるステップＳ４０では、カッター９にて接着層３ａａと接着層３ａｂの間まで切り込みを入れることで、第１の中間部材５０から接着層３ａａと接着層３ａｂの間で、接着層３ａａの切り込みが入れられた箇所の内側において、第２の中間部材６０を容易に分離したが、ステップＳ４０は省略しても、同じように容易に分離することができる。例えば、ステップＳ１０において、あらかじめミシン目のような点線の入った接着層が積層された第１の接着部材３ａを第１の支持材４ａ上に配置すれば、ミシン目の箇所において、第１の中間部材５０から、第２の中間部材６０を分離することができる。また、例えば、ステップＳ１０において、第１の支持材４ａ上の積層された複数の接着層の接着強度を、接着層ごとに異ならせることで、接着強度の異なる箇所において、第１の中間部材５０から第２の中間部材６０を分離してもよい。接着強度を接着層ごとに異ならせる方法は、接着層の材質を変更したり、接着面積を増減させたりすることによって行うことができる。接着面積の増減は、接着層自体の大きさによっても調節できるが、接着層の表面粗さによっても調節することができる。

上述した電解質膜の製造方法におけるステップＳ７０では、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃからなる積層体を、第２の接着部材３ｃの間でかつ第２の接着部材３ｃに接していない箇所において切断したが、切断箇所は、一方の第２の接着部材３ｃの最端部から、他方の第２の接着部材３ｃの最端部までであれば、第２の接着部材３ｃの上であってもかまわない。図１９は、第２の接着部材３ｃの上で第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃを切断する様子を示した図である。このような場合でも、上述した比較対象の電解質膜の製造方法のように第２の補強材１２ｃの全面に第２の接着部材３ｃや第２の支持材４ｃが貼りあわされていないので、第２の接着部材３ｃを剥離する際に生じるネックインやシワ、たわみなどの変形を抑制することができる。なお、この場合、第２の接着部材３ｃと第２の支持材４ｃの接着力の方が、第２の接着部材３ｃと第２の補強材１２ｃとの接着力よりも大きいと、第２の接着部材３ｃは第２の支持材４ｃ上に残るので、図１４に示すように第２の接着部材３ｃを備える第２の支持材４ｃを電解質膜１０の製造に容易に再利用することができる。

上述した電解質膜の製造方法におけるステップＳ７０では、第１の補強材１２ａと電解質膜材前駆体１１ｆと第２の補強材１２ｃからなる積層体を切断するカッター９の先端の侵入深さは、第２の支持材４ｃにカッター９が触れることがない深さであったが、カッター９の先端の侵入深さは第２の支持材４ｃの剛性を保つことができる程度の深さであれば、第２の支持材４ｃに触れる深さであってもよい。このような深さで第２の支持材４ｃ上の補強材１２と電解質膜材前駆体１１ｆを備える積層体を切断しても、第２の支持材４ｃの再利用が可能である。

３ａ…第１の接着部材
３ｃ…第２の接着部材
３ａａ、３ａｂ、３ａｃ、３ａｄ、…接着層
４ａ…第１の支持材
４ｃ…第２の支持材
９…カッター
１０…電解質膜
１１…電解質膜材
１１ｆ…電解質膜材前駆体
１２ａ…第１の補強材
１２ｃ…第２の補強材
２０…膜電極接合体
３０…単セル
３１ａ…アノード側電極
３１ｃ…カソード側電極
３２ａ…アノード側ガス拡散層
３２ｃ…カソード側ガス拡散層
３３ａ…アノード側セパレータ
３３ｃ…カソード側セパレータ
３４ａ…燃料ガス流路
３４ｃ…酸化剤ガス流路
５０…第１の中間部材
６０…第２の中間部材
１００…燃料電池
Ｌ１ａ、Ｌ１ｃ…接着層が支持材上に配置される間隔
Ｌ２…支持材から電解質膜を切断する幅

Claims (5)

1. 補強材を備える電解質膜の製造方法であって、
   複数の接着層が第１の接着強度で多層に接着された第１の接着部材が同一面上に所定の間隔を空けて少なくとも２つ配置された第１の支持材と、第２の接着部材が同一面上に所定の間隔を空けて少なくとも２つ配置された第２の支持材と、を用意する第１工程と、
   前記少なくとも２つの第１の接着部材上に前記第１の接着強度よりも大きな第２の接着強度で該少なくとも２つの第１の接着部材の間を跨いで第１の補強材を接着し、前記少なくとも２つの第２の接着部材上に該少なくとも２つの第２の接着部材の間を跨いで第２の補強材を接着する第２工程と、
   前記第１の接着部材上の前記第１の補強材と、前記第２の接着部材上の前記第２の補強材とを電解質膜を介して貼り合わせることで、前記電解質膜が、前記第１の補強材および前記第２の補強材によって狭持され、さらに、前記第１の接着部材の接着された前記第１の支持材と前記第２の接着部材の接着された前記第２の支持材とによって狭持された第１の中間部材を生成する第３工程と、
   前記各第１の接着部材中の所定の接着層間を剥離することで、前記第１の中間部材から、前記第２の支持材と前記少なくとも２つの第２の接着部材と前記第２の補強材と前記電解質膜と前記第１の補強材と前記第１の接着部材の一部とを有する第２の中間部材を分離する第４工程と、
   前記第２の中間部材の前記少なくとも２つの第２の接着部材の間で、該少なくとも２つの第２の接着部材上の前記第１の補強材と前記電解質膜と前記第２の補強材とを切断する第５工程と、
   を備える製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、
   前記第３工程よりも前に、さらに、前記第１の接着部材上に接着された前記第１の補強材の表面から前記第１の接着部材中の前記所定の接着層間まで切り込みを入れる工程を備える、製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法であって、
   前記第４工程において前記第２の中間部材が分離された前記第１の中間部材の少なくとも一部を、前記第１工程で用意する前記第１の支持材として用いる、製造方法。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の製造方法であって、
   前記第５工程において前記第１の補強材と前記電解質膜と前記第２の補強材とが切断された後の前記第２の中間部材から、前記第２の支持材と該第２の支持材上に配置された前記第２の接着部材とを分離し、該分離された前記第２の支持材と該第２の支持材上に配置された前記第２の接着部材とを、前記第１工程で用意する前記第２の支持材として用いる、製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の製造方法であって、
   さらに、前記第５工程において切断された前記第１の補強材と前記電解質膜と前記第２の補強材とに電解質を含浸して、イオン伝導性を付与する工程を備える、製造方法。

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