JP6003933B2

JP6003933B2 - 補強型電解質膜の製造方法及び製造装置

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Publication number: JP6003933B2
Application number: JP2014053121A
Authority: JP
Inventors: 慎也竹下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP2015176790A; US20150263370A1

Description

本発明は、補強型電解質膜の製造方法及び製造装置に関する。

特許文献１には、燃料電池の電解質膜の製造方法が記載されている。この製造方法では、加熱溶融した電解質樹脂をダイの樹脂吐出口から押し出し、押し出した溶融電解質樹脂中に多孔質補強膜を供給する。また、対向配置した２つの加熱した回転ロールによって供給した多孔質補強膜を溶融電解質樹脂中に埋入させかつ多孔質補強膜中に溶融電解質樹脂を含浸させて補強型電解質膜とする燃料電池の電解質膜の製造方法が記載されている。

特開２００８−４３４４号公報

上記技術では、補強膜がバックシートに支えられていないと、補強層の引っ張りにより補強膜の幅が狭くなるネックインが発生するおそれがあった。

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、補強型電解質膜の製造方法が提供される。この補強型電解質膜の製造方法は、一方の面にバックシートを有する帯状の電解質膜材料を搬送する工程と、前記電解質膜材料の前記バックシートと反対側の面に帯状の補強部材を配置することによって前記電解質膜材料と前記補強部材とを貼り合わせる工程と、を備え、前記電解質膜材料は、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体で形成され、前記バックシートは、パーフルオロアルコキシアルカンで形成され、前記補強部材は、延伸ポリテトラフルオロエチレンで形成されている。
この形態によれば、バックシートを有する帯状の電解質膜材料を補強部材のバックシートとして機能させた状態で電解質膜材料と補強部材を搬送できるので、補強部材のネックインを抑制できる。また、補強部材用のバックシートが不要となる。

（１）本発明の一形態によれば、補強型電解質膜の製造方法が提供される。この製造方法は、一方の面にバックシートを有する帯状の電解質膜材料を搬送する工程と、前記電解質膜材料の前記バックシートと反対側の面に帯状の補強部材を配置することによって前記電解質膜材料と前記補強部材とを貼り合わせる工程と、を備える。この形態の製造方法によれば、バックシートを有する帯状の電解質膜材料を補強部材のバックシートとして機能させた状態で電解質膜材料と補強部材を搬送できるので、補強部材のネックインを抑制できる。また、補強部材用のバックシートが不要となる。

（２）上記形態の製造方法において、前記補強部材が貼り付けられた電解質膜材料を巻き取る工程を備え、前記補強部材と前記バックシートとの間の密着力は、前記バックシートと前記電解質膜材料との間の密着力、及び、前記補強部材と前記電解質膜材料との間の密着力よりも小さくてもよい。この形態の製造方法によれば、補強部材が貼り付けられた電解質膜材料を巻き出す（繰り出す）ときに、バックシートと電解質膜材料との間、あるいは、補強部材と電解質膜材料との間の剥離を抑制できる。

（３）上記形態の製造方法において、前記電解質膜材料は、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体で形成され、前記バックシートは、パーフルオロアルコキシアルカンで形成され、前記補強部材は、延伸ポリテトラフルオロエチレンで形成されていてもよい。この形態の製造方法によれば、補強部材とバックシートとの間の密着力を、バックシートと電解質膜材料との間の密着力、及び、補強部材と電解質膜材料との間の密着力よりも小さくできる。

（４）本発明の一形態によれば、補強型電解質膜の製造装置が提供される。この製造装置は、一方の面にバックシートを有する帯状の電解質膜材料を製造する電解質膜製造装置と、帯状の補強部材を、前記バックシートを有する帯状の電解質膜材料の一方の面であって前記バックシートと反対側の面に配置して貼り合わせる補強部材製造装置と、を備える。この形態の製造装置によれば、バックシートを有する帯状の電解質膜材料を補強部材のバックシートとして機能させた状態で搬送できるので、バックシートのネックインを抑制できる。また、補強部材用のバックシートが不要となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、補強型電解質膜の製造方法の他、補強型電解質膜の製造装置等の形態で実現することができる。

第１の実施形態の補強型電解質膜の製造工程を示す説明図である。比較例の補強型電解質膜の製造工程を示す説明図である。第２の実施形態の補強型電解質膜の製造装置を示す説明図である。巻き取りロールからの補強型電解質膜の繰り出しを示す説明図である。

第１の実施形態：
図１は、第１の実施形態の補強型電解質膜の製造工程を示す説明図である。補強型電解質膜の製造工程は、（Ａ）バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を製造する工程と、（Ｂ）補強部材３００を製造し、電解質膜材料１００に配置して貼り合わせる工程と、を備える。

（Ａ）バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を製造する工程
電解質膜製造装置１０は、帯状のバックシート２００の上に帯状の電解質膜材料１００を形成する。バックシート２００は、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）で形成されている。第１の実施形態では、電解質膜材料１００の材料として、ＤＯＷＣｈｅｍｉｃａｌ社のパーフルオロアルキルスルホン酸前駆体を用いた。電解質膜製造装置１０は、バックシート２００の上にパーフルオロアルキルスルホン酸前駆体を塗工することにより、バックシート２００の上に帯状の電解質膜材料１００を形成する。これにより、一方の面にバックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を形成できる。前駆体とは、加水分解処理によってプロトン伝導性が付与される前の電解質材料を意味する。

（Ｂ）補強部材３００を製造し、電解質膜材料１００に配置して貼り合わせる工程
補強部材製造装置３０は、補強部材３００を製造し、バックシート２００を備える電解質膜材料１００のバックシート２００と反対側の面に配置する。本実施形態では、補強部材３００として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＥＦ）を延伸したものが用いられる。補強部材製造装置３０は、ポリテトラフルオロエチレンの膜を帯状に延伸し、電解質膜材料１００上に直接配置して貼り付ける。これにより、補強型電解質膜４００が製造される。なお、電解質膜材料１００と、補強部材３００は、接着剤なしでも貼り合わされるような材料で形成されている。

補強型電解質膜４００は、その後、後工程に送られる。後工程では、耐熱バックシートが貼り付けられた後、補強部材３００を電解質膜材料１００に含浸する含浸工程が行われる。含浸工程は、加熱プレスにより補強部材３００を電解質膜材料１００に含浸する溶融含浸成形法により行われても良い。

図２は、比較例の補強型電解質膜の製造工程を示す説明図である。比較例の補強型電解質膜の製造工程は、（Ａ）バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を製造する工程と、（Ｂ’）補強部材３００を製造し、補強部材用バックシート２０５に貼り付ける工程と、（Ｃ）バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００と、補強部材用バックシート２０５が貼り付けられた補強部材３００とを重ねてラミネートする工程と、（Ｄ）補強部材用バックシート２０５を剥離する工程と、を備える。

（Ａ）バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を製造する工程
この工程は、本実施形態のバックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を製造する工程と同じであるので、説明を省略する。

（Ｂ’）補強部材３００を製造し、補強部材用バックシート２０５に貼り付ける工程
強部材製造装置３１は、ポリテトラフルオロエチレンの膜を延伸し、補強部材用バックシート２０５に貼り付けることで、補強部材用バックシート２０５を備える補強部材３００を製造する。補強部材用バックシート２０５は、補強部材３００がネックインすることを抑制するために用いられる。部材が搬送あるいは巻き取られるときには、部材は搬送方向あるいは巻きとり方向に引っ張られる。ネックインとは、部材が引っ張られたときに、引っ張り方向と交差する方向に細く変形することを意味する。

（Ｃ）バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００と、補強部材用バックシート２０５が貼り付けられた補強部材３００とを重ねてラミネートする工程
ラミネート機４０は、補強部材３００が電解質膜材料１００に重なるように、補強部材用バックシート２０５が砂利つけられた補強部材３００と、バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００と、を重ね合わせてラミネート体４０５を形成する。

（Ｄ）補強部材用バックシート２０５を剥離する工程
この工程では、ラミネート体４０５から補強部材用バックシート２０５が剥離されて、補強型電解質膜４００が形成される。なお、この後の耐熱バックシートが貼り付けられて、補強部材３００が電解質膜材料１００に含浸される含浸工程は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

第１の実施形態と、比較例とを比較すると、比較例では、補強部材３００を、補強部材用バックシート２０５に貼り付けるため、補強部材用バックシート２０５が必要とされる。これに対し、第１の実施形態では、バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を補強部材用のバックシートとして機能させるので、別部材としての補強部材用バックシート２０５が不要である。その結果、製造コストの削減、省資源が実現可能となる。また、第１の実施形態では、バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を補強部材用のバックシートとして機能させるので、補強部材３００のネックインを抑制できる。

第１の実施形態では、バックシート２００の材料としてパーフルオロアルコキシアルカンを用いたが、ポリプロピレン、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）を用いても良い。

第１の実施形態では、補強部材の材料として延伸ポリテトラフルオロエチレンを用いたが、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリイミド等の他の多孔質の高分子樹脂を延伸して作成された膜を用いても良い。

第１の実施形態では、電解質膜材料１００の材料として、ＤＯＷＣｈｅｍｉｃａｌ社のパーフルオロアルキルスルホン酸前駆体を用いたが、ナフィオン（登録商標）などのパーフルオロスルホン酸系ポリマーによって構成されてもよい。

第２の実施形態：
図３は、第２の実施形態の補強型電解質膜の製造装置１０００を示す説明図である。第１の実施例では、補強型電解質膜４００を製造した後、耐熱バックシートを貼り付けて、補強部材３００を電解質膜材料１００に含浸する含浸工程（後工程）が行われるが、第２の実施形態では、補強型電解質膜４００を製造した後、製造された補強型電解質膜４００が巻き取りロール６０に巻き取られ、後工程を実行するときに、巻き取りロール６０から巻き出される（繰り出される）点が異なる。なお、図１では、製造工程として示したが、図３では、製造装置１０００として示している。補強型電解質膜の製造装置１０００は、電解質膜製造装置１０と、補強部材製造装置３０と、搬送装置５０と、巻き取りロール６０と、を備える。

電解質膜製造装置１０は、パーフルオロアルコキシアルカンで形成されたバックシート２００に、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体を塗工して、バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００を形成する。本実施形態では、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体として、ＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ社のパーフルオロアルキルスルホン酸前駆体（ＤＯＷ型、ＥＷ６５０、ＭＩ２０）を用いた。ＤＯＷは登録商標である。ＥＷは、スルホン酸１モル当たりのパーフルオロアルキルスルホン酸前駆体の乾燥重量（グラム）である。ＭＩは、メルトインデックスである（メルトフローレートとも呼ばれる）。メルトインデックスは、ヒーターで加熱された円筒容器内で一定量の樹脂を、定められた温度で加熱・加圧し、容器底部に設けられた開口部（ノズル）から10分間あたりに押出された樹脂量を測定することにより得られる。なお、メルトインデックスの単位はｇ／１０ｍｉｎで表示される。

補強部材製造装置３０は、ポリテトラフルオロエチレンの膜を帯状に延伸してバックシート２００の電解質膜材料１００と反対側の面に配置する。搬送装置５０は、バックシート２００を有する帯状の電解質膜材料１００と、補強型電解質膜４００を搬送する。搬送装置５０として、搬送ローラーが用いられる。巻き取りロール６０は、補強型電解質膜４００を巻き取る。補強型電解質膜４００は、図３に示すように、内層、外層の各層において、内側から補強部材３００、電解質膜材料１００、バックシート２００の順番に並んでおり、内層のバックシート２００の外側に外層の補強部材３００が位置している。なお、内層、外層は繋がっているが、巻き取りロール６０の半径方向では、複数層が重なっているように見えるため、便宜上、内層、外層と表記している。

図４は、巻き取りロール６０からの補強型電解質膜４００の繰り出しを示す説明図である。巻き取りロール６０は、補強型電解質膜４００を巻き出す（繰り出す）。このとき、補強部材３００とバックシート２００との間の密着力が、バックシート２００と電解質膜材料１００との間の密着力、及び、補強部材３００と電解質膜材料１００との間の密着力よりも小さい。これにより、補強型電解質膜４００を巻き出すときに、補強部材３００とバックシート２００との間で剥がれ、バックシート２００、電解質膜材料１００、補強部材３００が各１層の補強型電解質膜４００が巻き出される。

なお、補強部材３００とバックシート２００との間の密着力が、バックシート２００と電解質膜材料１００との間の密着力、あるいは補強部材３００と電解質膜材料１００との間の密着力よりも大きい場合には、バックシート２００と電解質膜材料１００との間で剥がれ、バックシート２００のみが巻き出され、あるいは、補強部材３００と電解質膜材料１００との間で剥がれて電解質膜材料１００とバックシート２００の２層のみが巻き出される。

第２の実施形態では、電解質膜材料１００の材料として、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体（ＤＯＷ型、ＥＷ６５０、ＭＩ２０）を採用し、バックシート２００の材料として、パーフルオロアルコキシアルカンを採用し、補強部材３００の材料として、延伸ポリテトラフルオロエチレンを採用することで、補強部材３００とバックシート２００との間の密着力が、バックシート２００と電解質膜材料１００との間の密着力、及び、補強部材３００と電解質膜材料１００との間の密着力よりも小さいことを実現でき、巻き取りロール６０から、バックシート２００、電解質膜材料１００、補強部材３００が各１層の補強型電解質膜４００を巻き出すことが出来た。

第２の実施形態では、電解質膜材料１００の材料として、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体（ＤＯＷ型、ＥＷ６５０、ＭＩ２０）を採用し、バックシート２００の材料として、パーフルオロアルコキシアルカンを採用し、補強部材３００の材料として、延伸ポリテトラフルオロエチレンを採用したが、補強部材３００とバックシート２００との間の密着力が、バックシート２００と電解質膜材料１００との間の密着力、及び、補強部材３００と電解質膜材料１００との間の密着力よりも小さければ、巻き取りロール６０から、バックシート２００、電解質膜材料１００、補強部材３００が各１層の補強型電解質膜４００を巻き出すことが出来るので、電解質膜材料１００の材料としてパーフルオロアルキルスルホン酸前駆体以外の材料、バックシート２００の材料としてパーフルオロアルコキシアルカン以外の材料、補強部材３００の材料として、延伸ポリテトラフルオロエチレン以外の材料を採用することも可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…電解質膜製造装置
３０…補強部材製造装置
３１…強部材製造装置
４０…ラミネート機
５０…搬送装置
６０…ロール
１００…電解質膜材料
２００…バックシート
２０５…補強部材用バックシート
３００…補強部材
４００…補強型電解質膜
４０５…ラミネート体
１０００…製造装置

Claims

補強型電解質膜の製造方法であって、
一方の面にバックシートを有する帯状の電解質膜材料を搬送する工程と、
前記電解質膜材料の前記バックシートと反対側の面に帯状の補強部材を配置することによって前記電解質膜材料と前記補強部材とを貼り合わせる工程と、
を備え、
前記電解質膜材料は、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体で形成され、
前記バックシートは、パーフルオロアルコキシアルカンで形成され、
前記補強部材は、延伸ポリテトラフルオロエチレンで形成されている、
補強型電解質膜の製造方法。
請求項１に記載の補強型電解質膜の製造方法において、さらに、
前記補強部材が貼り付けられた電解質膜材料を巻き取る工程を備える、
補強型電解質膜の製造方法。
補強型電解質膜の製造装置であって、
一方の面にパーフルオロアルコキシアルカンで形成されたバックシートを有する、パーフルオロアルキルスルホン酸前駆体で形成された帯状の電解質膜材料を製造する電解質膜製造装置と、
延伸ポリテトラフルオロエチレンで形成された帯状の補強部材を、前記バックシートを有する帯状の電解質膜材料の一方の面であって前記バックシートと反対側の面に配置して貼り合わせる補強部材製造装置と、
を備える、補強型電解質膜の製造装置。
請求項３に記載の補強型電解質膜の製造装置において、さらに、
前記補強部材が貼り付けられた電解質膜材料を巻き取る巻き取りロールと、
を備える、
補強型電解質膜の製造装置。