JP2017103074A - 電解質膜の搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に用いられる電解質膜が、ローラによる搬送時に滑ることを抑制する。【解決手段】燃料電池用の電解質膜を搬送する搬送装置は、処理液を貯留する処理液槽と、処理液槽内に配置され、所定の方向に回転する上部ローラと、処理液槽内において、上部ローラよりも下部に配置されるとともに、上部ローラと平行に配置され、上部ローラの回転に対して逆回転する下部ローラと、を備える。電解質膜は、上部ローラと下部ローラとを支点に処理液槽内を折り返されて搬送され、上部ローラの電解質膜と接触する外周面と、下部ローラの電解質膜と接触する外周面とには、それぞれ同一巻方向の螺旋状の溝部が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電解質膜の搬送装置に関する。

燃料電池用の電解質膜に用いられるフィルムを搬送する搬送装置として、特許文献１には、処理液槽中にフィルムとの摩擦力によって回転する複数のローラを配置し、これらのローラによってフィルムを複数回反転させて搬送しながら液処理する搬送装置が開示されている。

特開２０１１−１９４５９３号公報

しかし、フィルムとローラとの間に処理液が浸入した場合には、フィルムとローラとの回転が同期せずにフィルムがローラの外周面上で滑り、フィルムに傷が生じる場合があった。そのため、燃料電池に用いられる電解質膜が、ローラによる搬送時に滑ることを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池用の電解質膜を搬送する搬送装置が提供される。この搬送装置は、処理液を貯留する処理液槽と；前記処理液槽内に配置され、所定の方向に回転する上部ローラと；前記処理液槽内において、前記上部ローラよりも下部に配置されるとともに、前記上部ローラと平行に配置され、前記上部ローラの回転に対して逆回転する下部ローラと、を備え；前記電解質膜は、前記上部ローラと前記下部ローラとを支点に前記処理液槽内を折り返されて搬送され；前記上部ローラの前記電解質膜と接触する外周面と、前記下部ローラの前記電解質膜と接触する外周面とには、それぞれ同一巻方向の螺旋状の溝部が形成されている。このような形態の搬送装置によれば、上部ローラの外周面と下部ローラの外周面とには、同一巻方向の螺旋状の溝部が形成されており、上部ローラと下部ローラとは互いに逆回転するため、上部ローラと下部ローラとにより電解質膜に対して互いに逆向きの力が加わる。この力に対する電解質膜の復元力により、電解質膜とローラとの間の接触圧が高まり、電解質膜とローラとの間に浸入した処理液が良好に排出されるので、電解質膜がローラによる搬送時に滑ることを抑制することができる。

本発明は、上述した電解質膜の搬送装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、電解質膜の搬送方法などの形態で実現することができる。

電解質膜の搬送装置の概略構成を説明するための図。 上部ローラ及び下部ローラを同一方向から見た図。 実験の結果を示す図。

Ａ．実施形態：
図１は本発明の一実施形態としての電解質膜の搬送装置１００の概略構成を説明するための図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。本実施形態の搬送装置１００は、処理液２５を貯留する処理液槽２０と、上部ローラ３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）と、下部ローラ４０（４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ）と、を備える。本実施形態の搬送装置１００は、さらに、巻出ローラ５０と、巻取ローラ６０と、を備える。

巻出ローラ５０は、電解質膜１０を所定の速度で処理液槽２０へ向けて巻き出す。巻取ローラ６０は、上部ローラ３０と下部ローラ４０とによって処理液槽２０内を搬送された電解質膜１０を、所定の速度で巻き取る。搬送装置１００では、巻出ローラ５０、巻取ローラ６０及び他のローラにより、電解質膜１０の搬送速度や搬送張力が制御される。

処理液槽２０は、燃料電池用の電解質膜１０を処理するための処理液２５を貯留する。本実施形態では、処理液槽２０は、処理液２５として４０ｗｔ％の水酸化カルシウム水溶液を貯留しており、搬送装置１００は、電解質膜１０（電解質膜前駆体）を処理液２５に浸漬させることによって電解質膜１０を加水分解処理しながら、搬送を行う。本実施形態では、処理液２５の粘度は、例えば空気の３００倍、水の１０倍である。そのため、上部ローラ３０と下部ローラ４０との間を搬送されている間に、電解質膜１０の表裏面や上部ローラ３０及び下部ローラ４０の外周面（表面）に処理液２５が吸着されやすくなり、上部ローラ３０と電解質膜１０及び下部ローラ４０と電解質膜１０との間には、処理液２５が浸入しやすい。なお、処理液槽２０は、処理液２５として水酸化ナトリウム水溶液などの他のアルカリ溶液や、硫酸水などの酸性溶液、水洗用の水など、他の液体を貯留してもよい。

上部ローラ３０と下部ローラ４０とは、処理液槽２０内に配置されている。上部ローラ３０と下部ローラ４０とは回転する動力源を備えないフリーローラである。上部ローラ３０は、処理液槽２０内に配置され、電解質膜１０に接触して所定の方向に回転する。下部ローラ４０は、処理液槽２０内において、上部ローラ３０よりも下部（−Ｙ方向）に配置されるとともに、上部ローラ３０と平行に配置される。本実施形態において、上部ローラ３０の回転軸と下部ローラ４０の回転軸とは、Ｘ軸と平行である。下部ローラ４０は、電解質膜１０に接触して、上部ローラ３０の回転に対して逆回転する。本実施形態において、上部ローラ３０と下部ローラ４０とは、処理液槽２０内の処理液２５に浸漬されている。電解質膜１０は、上部ローラ３０と下部ローラ４０とを支点に処理液槽２０内において折り返して搬送される。具体的には、巻出ローラ５０から繰り出された電解質膜１０は−Ｙ方向へ搬送されて下部ローラ４０ａの外周面に接触し、下部ローラ４０ａによってその搬送方向が＋Ｙ方向へ転換された後、上部ローラ３０ａに接触してその搬送方向がさらに−Ｙ方向へ転換される。続いて、電解質膜１０は、下部ローラ４０ｂ、上部ローラ３０ｂ、下部ローラ４０ｃ、上部ローラ３０ｃ・・・の順に上部ローラ３０及び下部ローラ４０の外周面に交互に接触して、処理液槽２０内を搬送され、巻取ローラ６０に巻き取られる。こうすることで、搬送装置１００は、電解質膜１０を処理液槽２０内の処理液２５に浸漬させながら、最終的には＋Ｚ方向から−Ｚ方向へ搬送する。

図２は、上部ローラ３０及び下部ローラ４０を同一方向（＋Ｚ方向）から見た図である。図２に示すように、上部ローラ３０の電解質膜１０と接触する外周面と、下部ローラ４０の電解質膜１０と接触する外周面とには、それぞれ同一巻方向の螺旋状の溝部３１及び溝部４１が形成されている。＋Ｚ方向から見た場合に、上部ローラ３０は＋Ｙ方向へ回転し、下部ローラ４０は−Ｙ方向へ回転する。本実施形態では、上部ローラ３０の溝部３１の傾斜方向と下部ローラ４０の溝部４１の傾斜方向は、同じ方向である。すなわち、上部ローラ３０及び下部ローラ４０の回転軸に対する、溝部３１及び溝部４１の螺旋の傾斜角度θは、同じである。なお、本実施形態では、角度θは３０°である。溝部３１及び溝部４１のＸ方向の幅Ｗ２は、電解質膜１０のＸ方向の幅Ｗ１よりも大きい。本実施形態では、電解質膜１０の幅Ｗ１は４００ｍｍであり、溝部３１及び溝部４１のＸ方向の幅Ｗ２は４５０ｍｍである。また、溝部３１及び溝部４１の螺旋の間隔であるピッチＤは１０ｍｍである。

以上のように構成された本実施形態の搬送装置１００では、上部ローラ３０の電解質膜１０と接触する外周面には螺旋状の溝部３１が形成されているため、電解質膜１０には、上部ローラ３０の溝部３１に沿って移動しようとすることにより、−Ｘ方向へ向かう力Ｆ１が加わる。また、電解質膜１０には、この力Ｆ１に対する復元力Ｆ３が生じる。一方、下部ローラ４０の電解質膜１０と接触する外周面には、上部ローラ３０の溝部３１と同一巻方向の溝部４１が形成されており、下部ローラ４０は上部ローラ３０とは逆回転するため、電解質膜１０には、下部ローラ４０の溝部４１に沿って移動しようとすることにより、＋Ｘ方向へ向かう力Ｆ２が加わる。また、電解質膜１０には、この力Ｆ３に対する復元力Ｆ４が生じる。この復元力Ｆ３と復元力Ｆ４とにより、電解質膜１０の上部ローラ３０及び下部ローラ４０に対する接触圧が大きくなり、上部ローラ３０と電解質膜１０及び下部ローラ４０と電解質膜１０との間の処理液２５が良好に排出される。そのため、電解質膜１０の搬送時に、電解質膜１０が上部ローラ３０及び下部ローラ４０の外周面上を滑ること抑制でき、電解質膜１０に傷が生じることを抑制できる。

また、本実施形態の搬送装置１００では、処理液２５が良好に排出されるので、搬送張力を大きくしなくとも滑りを抑制して電解質膜１０を搬送することができる。そのため、燃料電池の電解質膜１０のように薄く、処理液２５を吸収して膨潤するフィルムの搬送に適した搬送装置１００を提供することができる。

さらに、本実施形態の搬送装置１００では、上部ローラ３０の回転軸に対する溝部３１の傾斜角度θと、下部ローラ４０の回転軸に対する溝部４１の傾斜角度θとは同じであり、かつ、溝部３１のピッチＤと溝部４１のピッチＤとは同じであるため、上述の力Ｆ１と力Ｆ２との絶対値は等しく、復元力Ｆ３と復元力Ｆ４との絶対値は等しい。そのため、電解質膜１０が上部ローラ３０上を＋Ｘ方向へ移動することや、下部ローラ４０上を−Ｘ方向へ移動することが抑制されるので、電解質膜１０の搬送ズレを抑制することができる。

また、搬送装置１００では、上部ローラ３０及び下部ローラ４０の溝部３１、４１は連続した螺旋状の形状であるため、例えば格子状の形状の溝部と比較して、ゴミなどが詰まりにくい。そのため、搬送装置１００のメンテナンスにかかる手間を少なくすることができる。また、ゴミなどによって電解質膜１０に傷が生じることを抑制することができる。

以下では、上部ローラ３０の溝部３１及び下部ローラ４０の溝部４１を同一巻方向とすることで電解質膜１０の滑りを抑制することが可能な根拠について、実験結果に基づいて説明する。

Ｂ．実験内容及びその実験結果：
図３は、実験の結果を示す図である。本実験では、図３に示す溝形状を備える上部ローラ及び下部ローラの組合せを６種類用意し、各組合せのローラを、４０ｗｔ％の水酸化カルシウム水溶液が貯留された処理液槽２０に浸漬した。図３には、＋Ｚ方向から見た上部ローラ及び下部ローラの外周面が示されている。ローラ１は、外周面に溝部が形成されていないローラである。ローラ２は、Ｙ軸と平行な、ストレートの溝部が形成されたローラである。ローラ３は、ローラの長手方向の中央部に溝部が形成されておらず、中央部からローラの長手方向端部に向かって異なる向きの螺旋状の溝部（Ｗヘリカル状の溝部）が形成されたローラである。ローラ４は、上部ローラの螺旋状の溝部と、下部ローラの螺旋状の溝部と、の巻方向が異なるように配置されたローラである。ローラ５は、ダイヤ状の溝部が形成されたローラである。ローラ６は、上部ローラと下部ローラとに、同一巻方向の螺旋状の溝部が形成された、本発明（上述の実施形態）のローラである。本実験におけるローラ２〜６では、上部ローラの溝部及び下部ローラの溝部のＸ方向の幅Ｗ２は４５０ｍｍである。また、ローラ２〜６における溝部のピッチＤは１０ｍｍであり、溝部の傾斜角度θは３０°である。

実験では、各ローラを用いて、電解質膜１０を１０ｍ／ｍｉｎの搬送速度で搬送した場合における搬送張力と搬送ズレ量を測定した。なお、電解質膜の幅Ｗ１は４００ｍｍである。搬送張力は、搬送装置１００内に設置した張力検出器を用いて測定した。搬送ズレ量は、各ローラ外周面の端部付近に目盛りを付し、端部をカメラによって撮影し、５ｍの搬送による電解質膜１０の＋Ｘ方向及び−Ｘ方向へのズレ量の絶対値を測定した。電解質膜１０とローラとの間の処理液２５が排出されにくく、電解質膜１０が滑りやすい場合には、所定の速度（１０ｍ／ｍｉｎ）で電解質膜１０を搬送するために、比較的大きな搬送張力が必要となる。すなわち、電解質膜１０を搬送するための搬送張力が高いローラほど、電解質膜１０がローラ上を滑りやすいといえる。また、搬送ズレ量の大きいローラほど、電解質膜１０がローラ上を一方向に移動しやすいといえる。

図３に示した実験の結果によれば、本発明のローラ６を用いた場合には、搬送張力は５Ｎであり、搬送ズレは生じなかった。これに対し、ローラ１では、搬送張力は６０Ｎであり、搬送ズレ量は５ｍｍであった。ローラ１では、溝部が形成されていないため、ローラ１と電解質膜１０との間に浸入した処理液２５が排出されにくく、電解質膜１０が滑りやすいと考えられる。ローラ２を用いた場合には、搬送張力は１５Ｎであり、搬送ズレは生じなかった。ローラ２では、溝部の形状がストレートであるため、溝部によって−Ｘ方向へ移動しようとする力Ｆ１（図２）及び溝部によって＋Ｘ方向へ移動しようとする力Ｆ２（図２）が電解質膜１０に加わらず、電解質膜１０の復元力（Ｆ３，Ｆ４）が生じにくい。そのため、処理液２５の排出が促されず、ローラ６を用いた場合よりも搬送張力が大きくなると考えられる。ローラ３を用いた場合には、搬送張力は２０Ｎであり、搬送ズレ量は４０ｍｍであった。ローラ３のＷヘリカル状の溝部では、ローラ３と電解質膜１０との間の処理液２５が排出されにくいため、ローラ６よりも搬送張力が大きくなると考えられる。また、ローラ３では、ローラの長手方向の中央部から、＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向に電解質膜１０が一端ずれた場合には、そのずれた方向に形成されている螺旋状の溝部の巻方向に沿って電解質膜１０が移動しやすくなるため、搬送ズレ量が大きくなると考えられる。ローラ４を用いた場合には、搬送張力は１５Ｎであり、搬送ズレ量は１００ｍｍであった。ローラ４では、上部ローラと下部ローラとの螺旋状の溝部の巻方向が異なるため、復元力Ｆ３，Ｆ４による処理液２５の排出が促されず、ローラ６と比較して搬送張力が大きくなると考えられる。また、上部ローラと下部ローラとの溝部によって、同じ方向（＋Ｘ方向）に電解質膜１０が移動するため、搬送ズレ量が大きくなると考えられる。ローラ５では、搬送張力は２０Ｎであり、搬送ズレ量は２０ｍｍであった。ローラ５では、溝部の形状がダイヤ状であるため、ローラ２と同様に、−Ｘ方向へ移動しようとする力Ｆ１及び＋Ｘ方向へ移動しようとする力Ｆ２が電解質膜１０に加わりにくく、電解質膜１０の復元力（Ｆ３，Ｆ４）が生じにくい。そのため、処理液２５の排出が促されず、ローラ６を用いた場合よりも搬送張力が大きくなると考えられる。また、復元力Ｆ３，Ｆ４が生じにくいため、電解質膜１０が＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向に一端ずれた場合には、電解質膜１０がもとの位置に戻ろうとする力が生じず、搬送ズレ量が大きくなると考えられる。

以上の実験結果より、上部ローラ３０の溝部３１及び下部ローラ４０の溝部４１を同一巻方向とすることで電解質膜１０の滑りを抑制可能であることが示された。また、搬送ズレを抑制し、比較的高速で電解質膜１０を搬送可能であることが示された。

Ｃ．変形例：

上記実施形態では、上部ローラ３０と下部ローラ４０とは平行に配置されている。この上部ローラ３０と下部ローラ４０との配置は、略平行であってもよく、上部ローラ３０の回転軸と下部ローラ４０の回転軸とは、例えば、１°〜１０°ずれていてもよい。

上記実施形態では、溝部３１、４１のピッチＤは１０ｍｍである。これに対し、ピッチＤは、３０ｍｍ、６０ｍｍであってもよいし、電解質膜１０の幅Ｗ１の１０％であってもよい。また、溝部３１、４１の角度θは３０°である。これに対し、角度θは、１°以上９０°未満の間の他の角度であってもよく、例えば１０°、２０°、４５°であってもよい。また、溝部３１の角度θと溝部４１の角度θとは、同じでなくともよく、例えば１°〜１０°ずれていてもよい。

上記実施形態では、上部ローラ３０及び下部ローラ４０は、処理液２５中に浸漬されている。これに対し、上部ローラ３０は処理液２５中に浸漬されていなくともよい。

上記実施形態では、搬送装置１００は、処理液２５を貯留する処理液槽２０内において電解質膜１０を搬送している。これに対し、搬送装置１００は、電解質膜１０以外の他のフィルム、を搬送することとしてもよい。また、搬送装置１００は処理液槽２０を備えない構成とし、空気中に上部ローラ３０及び下部ローラ４０を配置して、電解質膜１０や、他のフィルムを搬送することとしてもよい。上部ローラ３０の電解質膜１０と接触する外周面と、下部ローラ４０の電解質膜１０と接触する外周面とに、それぞれ同一巻の螺旋状の溝部３１、溝部４１が形成されていれば、上部ローラ３０及び下部ローラ４０と電解質膜１０との間の空気を良好に排出することができるので、上部ローラ３０及び下部ローラ４０による搬送時における電解質膜１０の滑りを抑制することができる。

上記実施形態では、搬送装置１００は、図１に示すように上部ローラ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ及び下部ローラ４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆを備えているが、搬送装置１００の備える上部ローラ３０の数は図１に示す数よりも多くてもよいし、少なくともよい。また、搬送装置１００の備える下部ローラ４０の数は、図１に示す数よりも多くてもよいし、少なくともよい。

なお、上記実施形態では、本発明の特徴を示す上で必要な構成のみを示して説明したが、これらの構成要素のみに限定されるものではなく、搬送ローラや搬送張力調整機構、搬送速度調整機構等の実際の装置構成上望ましい種々の構成要素を適用することが可能である。

１０…電解質膜
２０…処理液槽
２５…処理液
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ…上部ローラ
３１…溝部
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ…下部ローラ
４１…溝部
５０…巻出ローラ
６０…巻取ローラ
１００…搬送装置
Ｆ１、Ｆ２…力
Ｆ３、Ｆ４…復元力
Ｗ１…電解質膜の幅
Ｗ２…溝３１，溝４１の幅
Ｄ…ピッチ

Claims (1)

1. 燃料電池用の電解質膜を搬送する搬送装置であって、
   処理液を貯留する処理液槽と、
   前記処理液槽内に配置され、所定の方向に回転する上部ローラと、
   前記処理液槽内において、前記上部ローラよりも下部に配置されるとともに、前記上部ローラと平行に配置され、前記上部ローラの回転に対して逆回転する下部ローラと、を備え、
   前記電解質膜は、前記上部ローラと前記下部ローラとを支点に前記処理液槽内を折り返されて搬送され、
   前記上部ローラの前記電解質膜と接触する外周面と、前記下部ローラの前記電解質膜と接触する外周面とには、それぞれ同一巻方向の螺旋状の溝部が形成されている、
   搬送装置。

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