JP5533688B2 - 燃料電池用の電解質膜の製造方法 - Google Patents
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Description
燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法であって、
(a)電解質ポリマー膜を準備する工程と、
(b)前記電解質ポリマー膜の外表面に、電解質ポリマー溶液を塗布して乾燥させることにより、電解質ポリマーを補充する工程と、
(c)前記電解質ポリマー膜と、前記工程(b)において補充された電解質ポリマーとを加熱溶融して一体化する工程と、
(d)前記電解質ポリマー膜に対して加水分解処理を施すことにより、イオン伝導性を付与する工程と、を備える、電解質膜の製造方法。
この製造方法によれば、電解質ポリマー膜の外表面に存在する孔部などの欠損部に電解質ポリマーが補充された上で、加熱溶融処理によって、その電解質ポリマー膜と補充された電解質ポリマーとを溶融一体化させることができる。このように、欠損部が補修された電解質ポリマー膜を用いて電解質膜が製造されるため、電解質膜の欠損部の発生が抑制される。
適用例1記載の製造方法であって、前記電解質膜は、電解質ポリマーを含む第1電解質層と、電解質ポリマーおよび補強部材を含む第2電解質層とを有する多層構造の電解質膜を含み、前記工程(c)は、前記電解質ポリマー膜を、補強部材としての多孔質膜に重ねて配置した後に、前記電解質ポリマー膜を加熱溶融して、前記電解質ポリマー膜の電解質ポリマーを前記多孔質膜の細孔に含浸させることにより、前記電解質ポリマー膜と前記多孔質膜とを一体化させる工程を含む、電解質膜の製造方法。
この製造方法によれば、補強部材を包含して強度が向上された多層構造の電解質膜を得ることができるとともに、その電解質膜において、欠損部の発生を抑制することができる。
適用例1記載の製造方法であって、前記工程(b)は、前記電解質ポリマー膜の外表面に存在する欠損部を検出し、前記欠損部に前記電解質ポリマー溶液を塗布して乾燥させることにより、前記欠損部に電解質ポリマーを補充する工程を含む、製造方法。
この製造方法によれば、補修されるべき部位にのみ電解質ポリマーが補充されるため、電解質膜の製造効率が向上する。また、補修工程において、電解質ポリマーが過剰に補充されることが抑制されるため、電解質ポリマーの補充によって製造される電解質膜の膜厚が増大してしまうことを抑制できる。
適用例1〜3のいずれか一つに記載の製造方法であって、前記工程(b)において、前記ポリマー溶液は、フッ素系溶媒に前記電解質ポリマーが溶解された溶液を含む、製造方法。
この製造方法によれば、電解質ポリマー膜に電解質ポリマーを補充する際に、電解質ポリマー溶液の溶媒が、電解質ポリマー膜を溶融するため、電解質ポリマー膜と補充された電解質ポリマーとの間の接合性が向上する。
図1は、燃料電池100の構成を示す概略図である。この燃料電池100は、反応ガスとして水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池100には、以下に説明する本発明の一実施例である製造工程によって製造された電解質膜10が用いられている。
図6,図7は本発明の第2実施例としての電解質膜10の製造工程を説明するための説明図である。図6は、電解質膜10の製造工程を示すフローチャートであり、ステップS25が追加されている点と、ステップS30に換えてステップS30Aが設けられている点と、各ブロック内に示された図面番号が異なる点以外は、図2とほぼ同じである。図7(A)〜(E)は、図6に示された各工程を説明するための模式図を工程順に示した概略図である。なお、図7(A),(B),(E)はそれぞれ、図3(A),(B),(D)とほぼ同じである。
図9は、本発明の第3実施例としての電解質膜10の製造工程を示すフローチャートである。第3実施例の製造工程では、電解質ポリマー膜1fと多孔質樹脂膜3とを加熱溶融処理によって一体化した後に、欠損部を検出し、その補修を行う。具体的には、以下のような手順で電解質膜10を製造する。
図10は、本発明の第4実施例としての製造工程によって製造された電解質膜10Aを用いた燃料電池100Aの構成を示す概略図である。図10は、電解質膜10に換えて電解質膜10Aが設けられている点以外は、図1とほぼ同じである。この燃料電池100Aの電解質膜10Aは、上記実施例で説明した多層構造の電解質膜10とは異なり、補強部材としての多孔質樹脂膜3が省略された単層構造を有している。
図13は、本発明の参考例としての電解質膜の製造工程を示すフローチャートである。図13は、ステップS110,S120,S160が省略されている点以外は、図9とほぼ同じである。即ち、この参考例の製造工程では、多孔質樹脂膜3の使用が省略されるとともに、電解質ポリマー膜1fが補修された後の加熱溶融処理が省略され、第4実施例で説明したのと同様な単層構造の電解質膜10Aが製造される。具体的な製造工程は以下の通りである。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施例では、電解質ポリマー膜1fの補修に用いられる電解質ポリマー溶液の溶媒としてフッ素系の溶媒を用いていた。しかし、電解質ポリマー溶液の溶媒は、フッ素系の溶媒でなくとも良く、例えば、界面活性剤を含有した水を溶媒として用いるものとしても良い。
上記第1〜第3実施例では、3次元網目構造を有する多孔質樹脂膜3を補強部材として用いていたが、補強部材としては、他の多孔質の膜部材が用いられるものとしても良い。例えば、厚み方向に貫通する複数の孔部が面全体に設けられた多孔質の膜部材を補強部材として用いるものとしても良い。
上記第1〜第3実施例では、電解質ポリマー膜1fの一方の面側に多孔質樹脂膜3を配置した状態で電解質ポリマーを加熱溶融することにより、2層構造の電解質膜10を製造していた。しかし、電解質膜10は、さらに複数の層が積層された多層構造を有するように形成されるものとしても良い。例えば、外表面の欠損部1dに電解質ポリマー1sが補充された補修後の電解質ポリマー膜1fの両側に、多孔質樹脂膜3を配置して加熱溶融することにより、3層構造の電解質膜10を製造するものとしても良い。
上記第1〜第3実施例では、電解質ポリマー膜1fを多孔質樹脂膜3の上に配置し、電解質ポリマー膜1fの多孔質樹脂膜3とは対向しない側の面に対してのみ欠損部1dの補修を行っていた。しかし、電解質ポリマー膜1fの補修は、電解質ポリマー膜1fの両面について行われるものとしても良い。この場合には、電解質ポリマー膜1fの両面を補修した後に、補修後の電解質ポリマー膜1fを多孔質樹脂膜3の上に配置するものとしても良い。
1d,1di…欠損部
1f…電解質ポリマー膜
1SL…補充層
3…多孔質樹脂膜
5…複合膜
10,10A…電解質膜
11…第1電解質層
12…第2電解質層
20…第1の電極
21…触媒層
22…ガス拡散層
30…第2の電極
31…触媒層
32…ガス拡散層
41…第1のセパレータ
42…第2のセパレータ
45…流路溝
100,100A…燃料電池
110…単セル
120…膜電極接合体
200…成膜装置
201…加熱溶融部
201s…スクリュー
202…材料投入口
203…成膜部
204…搬送ローラー
205…膜巻取部
210…成膜装置
211…フィルム基材
212…搬送ローラー
213…ダイコータ
220…スプレー
230…撮像素子
300…支持基台
310…加熱部
Claims (4)
- 燃料電池に用いられる電解質膜の製造方法であって、
(a)電解質ポリマー膜を準備する工程と、
(b)前記電解質ポリマー膜の外表面に、電解質ポリマー溶液を塗布して乾燥させることにより、電解質ポリマーを補充する工程と、
(c)前記電解質ポリマー膜と、前記工程(b)において補充された電解質ポリマーとを加熱溶融して一体化する工程と、
(d)前記電解質ポリマー膜に対して加水分解処理を施すことにより、イオン伝導性を付与する工程と、
を備える、電解質膜の製造方法。 - 請求項1記載の製造方法であって、
前記電解質膜は、電解質ポリマーを含む第1電解質層と、電解質ポリマーおよび補強部材を含む第2電解質層とを有する多層構造の電解質膜を含み、
前記工程(c)は、前記電解質ポリマー膜を、補強部材としての多孔質膜に重ねて配置した後に、前記電解質ポリマー膜を加熱溶融して、前記電解質ポリマー膜の電解質ポリマーを前記多孔質膜の細孔に含浸させることにより、前記電解質ポリマー膜と前記多孔質膜とを一体化させる工程を含む、電解質膜の製造方法。 - 請求項1記載の製造方法であって、
前記工程(b)は、前記電解質ポリマー膜の外表面に存在する欠損部を検出し、前記欠損部に前記電解質ポリマー溶液を塗布して乾燥させることにより、前記欠損部に電解質ポリマーを補充する工程を含む、製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記工程(b)において、前記ポリマー溶液は、フッ素系溶媒に前記電解質ポリマーが溶解された溶液を含む、製造方法。
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