JP6090122B2

JP6090122B2 - 電解質膜構造体の製造方法

Info

Publication number: JP6090122B2
Application number: JP2013233801A
Authority: JP
Inventors: 直弘三谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: JP2015095349A

Description

本発明は、電解質膜に関する。

電解質膜構造体の製造過程において、多孔性補強膜の両側から電解質膜を貼り合わせ、多孔性補強膜を電解質膜に含浸させる手法が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００９−２８３４４８号公報

上記先行技術が有する課題は、電解質膜構造体の製造不良を低減することについて改善の余地があることである。この他、装置の小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

本発明の一形態によれば、電解質膜構造体の製造方法が提供される。この製造方法は、電解質単膜の所定面から多孔性補強膜を含浸させる工程と；前記含浸済みの電解質単膜同士を、前記所定面同士で貼り合わせる工程とを含む。この形態によれば、含浸させる工程においてエアが封入されることによる製造不良が低減される。この形態のように、２枚の電解質膜に多孔性補強膜を含浸させて電解質膜構造体を製造する場合であっても、含浸させる工程において多孔性補強膜の片面からエアが排出されるからである。

ＭＥＧＡの製造方法を示す工程図。中間含浸膜と含浸膜との製造方法を示す図。比較例１における含浸膜の作製を示す図。比較例２における含浸膜の作製を示す図。電解質膜の表面に露出した補強筋を示す図。

図１は、本実施形態におけるＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体：Membrane Electrode & Gas diffusion layer Assembly）の製造方法を示す工程図である。まず、電解質単膜２０を作製する（ステップＳ１００）。具体的には、電解質樹脂の前駆体高分子樹脂を押出成形することによって作製する。前駆体高分子樹脂は、高分子鎖末端が−ＳＯ₂Ｆであり、イオン交換容量（IEC：Ion Exchange Capacity）が１．５４ｍｅｑ／ｇである。電解質単膜２０の厚さは約３μｍである。

次に、補強膜３０を作製する（ステップＳ２００）。具体的には、生テープを同時二軸延伸機によって延伸し、さらに焼成を施すことによって作製する。生テープは、ＰＴＦＥファインパウダに対して、ペースト押出と圧延処理とを施すことによって作製する。本実施形態における補強膜３０は、厚さが約４μｍであり、多孔性（気孔率が４０〜６０％）である。

続いて、中間含浸膜４０を作製する（ステップＳ３００）。図２は、中間含浸膜４０と、後述する含浸膜５０との製造方法を示す図である。中間含浸膜４０は、ステップＳ１００，２００で作製した電解質単膜２０と補強膜３０とを貼り合わせることによって作製する。この貼り合わせは、加熱ローラ９０を用いた熱プレスによって実現する。具体的な条件は、温度が２５０℃、面圧が０．５ＭＰａ、搬送速度が０．１ｍ／ｍｉｎである。

続けて含浸膜５０を作製する（ステップＳ４００）。具体的には、加熱ローラ９０を用いた熱プレスによって、２枚の中間含浸膜４０を貼り合わせることによって作製する。熱プレスの条件は、上記と同じである。この貼り合わせは、中間含浸膜４０の所定面同士を接触させて実施する。所定面とは、図２に示されるように、ステップＳ２００において、補強膜３０と接触していた面のこと、つまり含浸の入り口となった面のことである。

続いて、電解質膜を作製する（ステップＳ５００）。具体的な手順は次の通りである。まず、含浸膜５０を水酸化ナトリウム水溶液で加水分解処理する。この水溶液は、濃度が９ｍｏｌ／ｌ、温度が８０℃である。次に純水で洗浄し、硝酸水溶液によって高分子鎖末端を酸型（−ＳＯ₃Ｈ）に置換する。この水溶液は、濃度が１ｍｏｌ／ｌ、温度が８０℃である。再び純水で洗浄し、その後、乾燥させることによって電解質膜が作製される。

最後に、ＭＥＧＡを作製する（ステップＳ６００）。具体的には、転写法によってＣＣＭ（膜触媒層接合体：Catalyst Coated Membrane）を形成した後、２つのＧＤＬ(ガス拡散層：Gas Diffusion Layer)によってＣＣＭを挟み込むことによって作製される。転写法の条件は、温度が１３０℃、面圧が４ＭＰａ、時間は４分である。

図３は、比較例１における含浸膜５１の作製を示す図である。含浸膜５１は、図３に示されるように、電解質単膜２０の両側に補強膜３０を配置し、熱プレスを施すことによって作製される。但し、実施形態とは異なり、電解質単膜２０の厚さは約６μｍであり、熱プレスにおける搬送速度を０．０５ｍ／ｍｉｎとする。他の条件は、実施形態と同じである。含浸膜５１を用いて、実施形態と同じ手法（ステップＳ５００）によって電解質膜を作製する。

図４は、比較例２における含浸膜５２の作製を示す図である。含浸膜５２は、図４に示されるように、２枚の電解質単膜２０の間に補強膜３０を配置し、熱プレスを施すことによって作製される。但し、実施形態とは異なり、補強膜３０の厚さは約８μｍであり、熱プレスにおける搬送速度を０．０５ｍ／ｍｉｎとする。他の条件は、実施形態と同じである。含浸膜５２を用いて、実施形態と同じ手法（ステップＳ５００）によって電解質膜を作製する。

実施形態と比較例１，２とで、電解質膜の表面形状を比較した。表面にシワやボイドが無ければＯＫ、有ればＮＧと判定した。実施形態と比較例１はＯＫだった。比較例２は、ボイドが多発したのでＮＧだった。

続いて、実施形態の製造方法によって作成されたＭＥＧＡと、比較例１，２の電解質膜を用いて作製されたＭＥＧＡとの発電性能を比較する実験をした。比較例１，２におけるＭＥＧＡの作製方法は、実施形態と同じ手法（ステップＳ６００）を用いた。

実験条件は、アノードの流量を０．５ＮＬ／ｍｉｎ、カソードの流量を２．０ＮＬ／ｍｉｎ、アノードを６０℃で加湿、カソードはドライ、セル温度を８３℃、電流を１．２Ａ／ｃｍ²、アノード及びカソードの背圧を０．１４ＭＰａＧに設定した。

実験結果は、実施形態の場合の発電電圧を１とした場合、比較例１の場合の発電電圧は０．９５、比較例２の場合の発電電圧は１．００であった。このように、実施形態によれば、表面形状における異常を抑制し、且つ、発電性能が良好になることが確認された。

なお、比較例１において発電性能が良好でなかった理由は、電解質膜と触媒層のアイオノマとの接合性が悪くなるからであると推測される。図５は、電解質膜の表面に露出した補強筋を模式的に示す。比較例１のように、電解質膜の外側として露出することになる部位から補強膜を含浸させると、電解質膜の表面に補強成分の一部が露出し、上記接合性を悪化させると考えられる。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。

２０…電解質単膜
３０…補強膜
４０…中間含浸膜
５０…含浸膜（実施形態）
５１…含浸膜（比較例１）
５２…含浸膜（比較例２）
９０…加熱ローラ

Claims

第１の電解質単膜の所定面から多孔性補強膜を含浸させることで、第１の含浸済みの電解質単膜を作成する工程と、
第２の電解質単膜の所定面から多孔性補強膜を含浸させることで、第２の含浸済みの電解質単膜を作成する工程と、
前記第１の含浸済みの電解質単膜と、前記第２の含浸済み電解質膜とを、前記所定面同士で貼り合わせる工程と
を含む電解質膜構造体の製造方法。