JP6451489B2 - Method for producing reinforced electrolyte membrane - Google Patents
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Description
本発明は、補強型電解質膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a reinforced electrolyte membrane.
補強膜である多孔性膜を電解質膜に含浸させて補強された補強型電解質膜が知られている。こうした補強型電解質膜は、補強型電解質膜が組み込まれた燃料電池の耐久性向上に寄与する。補強型電解質膜を得るに当たり、多孔性膜を幅方向に延伸させて補助シートに接着してロール状に巻き取り、巻き取った延伸済み多孔性膜を電解質膜に貼り合わせる製造手法が提案されている(例えば特許文献1)。 A reinforced electrolyte membrane reinforced by impregnating an electrolyte membrane with a porous membrane as a reinforcing membrane is known. Such a reinforced electrolyte membrane contributes to improving the durability of a fuel cell in which the reinforced electrolyte membrane is incorporated. In order to obtain a reinforced electrolyte membrane, a manufacturing method has been proposed in which a porous membrane is stretched in the width direction, bonded to an auxiliary sheet and wound into a roll, and the wound porous membrane is bonded to the electrolyte membrane. (For example, Patent Document 1).
上記の製造手法は、幅方向に延伸させた多孔性膜を補助シートの粘着領域に接着させてネックインの発生を抑制する点で優れている。他方、電解質膜の耐久性の向上には、補強膜である多孔性膜になるべく収縮が起きないようにすることが望ましい。こうしたことから、多孔性膜の収縮の抑制を通して耐久性の低下をも抑制可能な電解質膜の製造手法が要請されるに到った。 Said manufacturing method is excellent at the point which adhere | attaches the porous membrane extended | stretched to the width direction to the adhesion area | region of an auxiliary sheet, and suppresses generation | occurrence | production of a neck-in. On the other hand, in order to improve the durability of the electrolyte membrane, it is desirable to prevent the shrinkage from occurring as much as possible in the porous membrane as the reinforcing membrane. For these reasons, there has been a demand for a method for manufacturing an electrolyte membrane that can suppress a decrease in durability through suppression of shrinkage of the porous membrane.
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。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、多孔性膜により電解質膜を補強した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、前記多孔性膜を膜長手方向の搬送区域において搬送しつつ、前記多孔性膜を幅方向に延伸する工程と、前記搬送区域の終点に配設された多孔性膜搬送用の搬送ローラーを用いて、前記電解質膜を延伸済みの前記多孔性膜に貼り合わせる工程とを備える。 (1) According to one aspect of the present invention, a method for producing a reinforced electrolyte membrane in which an electrolyte membrane is reinforced with a porous membrane is provided. This manufacturing method includes a step of stretching the porous membrane in the width direction while transporting the porous membrane in a transport zone in the membrane longitudinal direction, and a porous membrane transporting device disposed at an end point of the transport zone. Bonding the electrolyte membrane to the stretched porous membrane using a transport roller.
この形態の製造方法は、多孔性膜の搬送区域の終点において、幅方向に延伸させた状態のままの多孔性膜に電解質膜を貼り合わせることから、電解質膜を構成する電解質樹脂を、幅方向の収縮が起きる前の多孔性膜の細孔に入り込ませる。よって、以下に説明する利点がある。 Since the manufacturing method of this embodiment attaches the electrolyte membrane to the porous membrane that has been stretched in the width direction at the end point of the transport area of the porous membrane, the electrolyte resin constituting the electrolyte membrane is It is allowed to enter the pores of the porous membrane before the shrinkage occurs. Therefore, there is an advantage described below.
幅方向に延伸された多孔性膜は、何の対処もされないままであると、経時的に幅方向において収縮し、この収縮は、多孔質膜単独でロール状に巻き取られた状態においても起きる。このため、延伸を受けてから電解質膜との貼り合わせがなされるまでの経過時間が長くなると、多孔性膜は、幅方向に収縮した状態で電解質膜に貼り合わされて含浸することになる。 If the porous film stretched in the width direction is left untreated, it shrinks in the width direction over time, and this shrinkage occurs even when the porous film alone is wound into a roll. . For this reason, when the elapsed time from when the film is stretched to when it is bonded to the electrolyte membrane becomes long, the porous film is bonded and impregnated to the electrolyte membrane in a contracted state in the width direction.
多孔性膜が電解質膜に含浸すると、電解質膜を構成する電解質樹脂(例えば、電解質前駆体)は、多孔性膜の細孔に入り込んだ状態となる。多孔性膜が幅方向に収縮した状態での含浸では、多孔性膜が収縮を起こした分に相当するだけ、多孔性膜の拡張の余地が残されていることから、電解質膜が発電運転中に膨潤すると、電解質膜および多孔性膜の膨張量が大きくなる。電解質膜の大きな膨張は、シワも招くので、電解質膜、延いては膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)の耐久性の低下が懸念される。 When the porous membrane is impregnated in the electrolyte membrane, the electrolyte resin (for example, electrolyte precursor) constituting the electrolyte membrane enters the pores of the porous membrane. In the impregnation with the porous membrane contracted in the width direction, there is room for expansion of the porous membrane corresponding to the amount of shrinkage of the porous membrane. When it swells, the amount of expansion of the electrolyte membrane and the porous membrane increases. Since the large expansion of the electrolyte membrane also causes wrinkles, there is a concern that the durability of the electrolyte membrane and thus the membrane electrode assembly (MEA) may be lowered.
ところが、上記形態の補強型電解質膜の製造方法は、既述したように、電解質樹脂を幅方向の収縮が起きる前の多孔性膜の細孔に入り込ませるので、こうして細孔に入り込んだ電解質樹脂は、その後の多孔性膜の収縮を規制する。この結果、この形態の補強型電解質膜の製造方法によれば、幅方向に延伸された多孔性膜の収縮の抑制と、収縮抑制に伴う発電運転中の電解質膜の膨張の抑制とにより、電解質膜の耐久性の低下を抑制できる。しかも、電解質膜の耐久性の低下抑制を、多孔性膜の搬送区域の終点における電解質膜の貼り合わせで、容易に達成できる。 However, as described above, the manufacturing method of the reinforced electrolyte membrane having the above-described form allows the electrolyte resin to enter the pores of the porous membrane before the shrinkage in the width direction occurs. Regulates subsequent shrinkage of the porous membrane. As a result, according to the manufacturing method of the reinforced electrolyte membrane of this embodiment, the electrolyte can be reduced by suppressing the shrinkage of the porous membrane stretched in the width direction and by suppressing the expansion of the electrolyte membrane during the power generation operation accompanying the shrinkage suppression. A decrease in the durability of the film can be suppressed. In addition, it is possible to easily achieve the suppression of the decrease in the durability of the electrolyte membrane by bonding the electrolyte membrane at the end point of the transport area of the porous membrane.
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装置、或いは、補強型電解質膜を備える燃料電池の製造方法等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it can be realized in the form of a manufacturing apparatus for a reinforced electrolyte membrane or a method for manufacturing a fuel cell including a reinforced electrolyte membrane.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図1は本実施形態における電解質膜製造装置100の構成を概略的に示す説明図であり、図2は電解質膜製造装置100を図1におけるA方向から平面視して模式的に示す説明図であり、図3は図1における3−3線に沿った概略断面図であり、図4は電解質膜製造装置100の概略構成を側面視して模式的に示す説明図である。図示するように、電解質膜製造装置100は、第1送出ローラー110と、第2送出ローラー120と、シート搬送ローラー130と、加圧搬送ローラー132と、巻取ローラー140と、巻取案内ローラー150と、拡幅機構160と、シート切刃170とを備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a configuration of an electrolyte
第1送出ローラー110は、巻き取り済みの多孔性膜シートPsを多孔性膜搬送用のシート搬送ローラー130の回転、および後述の拡幅機構160におけるシート端把持ローラーの回転に伴って送り出す。多孔性膜シートPsは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いて、厚さ1〜5μm、気孔率40〜75%程度の多孔性膜としてシート状に形成されている。この他、多孔性膜シートPsを、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン系樹脂;ポリシロキサン;ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのメタクリレート系樹脂;ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体(AS樹脂)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ABS樹脂)などのスチレン系樹脂;ポリアミド;ポリイミド(PI);ポリエーテルイミド(PEI);ポリアミドイミド;ポリエステルイミド;ポリカーボネート(PC);ポリアセタール;ポリフェニレンエーテル(PPO)などのポリアリーレンエーテル;ポリフェニレンスルフィド(PPS);ポリアリレート;ポリアリール;ポリスルホン(ポリサルホン);ポリエーテルスルホン(PES)(ポリエーテルサルホン);ポリウレタン類;ポリエチレンテレフタレート(PET)などのポリエステル系樹脂;ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)やポリエーテルケトンケトン(PEKK)などのポリエーテルケトン類;ポリアクリル酸ブチル、ポリアクリル酸エチルなどのポリアクリル酸エステル類;ポリブトオキシメチレンなどのポリビニルエステル類;ポリシロキサン類;ポリサルファイド類;ポリフォスファゼン類;ポリトリアジン類;ポリカーボラン類;ポリノルボルネン;エポキシ系樹脂;ポリビニルアルコール;ポリビニルピロリドン;ポリイソプレンやポリブタジエンなどのポリジエン類;ポリイソブチレンなどのポリアルケン類;フッ化ビニリデン系樹脂、ヘキサフルオロプロピレン系樹脂、ヘキサフルオロアセトン系樹脂などの樹脂(熱可塑性樹脂など)のいずれかを用いた多孔性膜としても良い。
The
第1送出ローラー110とシート搬送ローラー130との間には、後述の拡幅機構160が配設され、第1送出ローラー110からシート搬送ローラー130に到るまでが搬送・延伸セクションとされる。シート搬送ローラー130は、この搬送・延伸セクションにおける搬送区域の終点に配設される。拡幅機構160は、第1送出ローラー110から送り出される多孔性膜シートPsの幅方向両端に配設され、ワイヤー式の拡幅機構を構成する。この拡幅機構160は、上流側シート端把持ローラー161と、下流側シート端把持ローラー162と、無端状の把持ワイヤー163とを備える。上流側シート端把持ローラー161と下流側シート端把持ローラー162とは、図2に示すように、多孔性膜シートPsの膜長手方向たる搬送方向に対して傾斜して配設され、図3に示すように、把持ワイヤー163にて多孔性膜シートPsのシート端Pseを把持しつつ、回転する。上記の両端ローラーの間においては、多孔性膜シートPsのシート端Pseを把持ワイヤー163と共に把持する図示しない小径の把持ローラーが複数配設されている。こうした構成の拡幅機構160は、多孔性膜シートPsの幅方向両端に向かい合って位置して、シート端Pseを搬送区域に亘って把持したまま上流側シート端把持ローラー161と下流側シート端把持ローラー162および両端ローラー間の把持ローラーの回転により、多孔性膜シートPsを、搬送・延伸セクションにおける上流側シート端把持ローラー161から下流側シート端把持ローラー162までの間の搬送区域において搬送する。そして、拡幅機構160は、搬送方向に対する上流側シート端把持ローラー161と下流側シート端把持ローラー162の傾斜程度の調整を経て、多孔性膜シートPsを、膜幅が所定の倍率の膜幅となるように搬送しつつ幅方向に延伸する。本実施形態では、多孔性膜シートPsの巻取幅Psh0(図2参照)を搬送区域の終点における延伸幅Psh1で除算した拡幅率が110〜150%の範囲内の拡幅率となるように、拡幅機構160により多孔性膜シートPsを幅方向に延伸する。以下、多孔性膜シートPsのこうした幅方向の延伸を拡幅延伸と、便宜的に称する。
A
第2送出ローラー120は、巻き取り済みの電解質膜シートMsを、加圧搬送ローラー132の回転、および巻取ローラー140の回転に伴って送り出す。電解質膜シートMsは、加水分解等の所定の処理を経て水素イオン伝導性を発揮するスルホン酸系の電解質樹脂たる電解質前駆体のシート体であり、本実施形態では、4〜20μmの厚さのナフィオン膜(ナフィオンは登録商標)等の電解質前駆体のシート体を用いた。電解質膜シートMsは、バックシートBsに重ね合わせた形態で、第2送出ローラー120に巻き取られており、バックシートBsが加圧搬送ローラー132のロール表面側となり、電解質膜シートMsが多孔性膜シートPsと対向するように、加圧搬送ローラー132に送り込まれる。バックシートBsは、電解質膜シートMsに対する剥離性を有するフッ素系の樹脂製シート、例えばテフロン(テフロンは登録商標)または炭化水素系の樹脂で形成されたシート体である。
The
加圧搬送ローラー132は、シート搬送ローラー130と共に貼り合わせセクションを形成し、第2送出ローラー120から送り出された電解質膜シートMsを、シート搬送ローラー130のローラー表面の多孔性膜シートPsに加圧して貼り合わせる。加圧搬送ローラー132は、多孔性膜シートPsの搬送区域の終点のシート搬送ローラー130と対向して配設されていることから、加圧搬送ローラー132による電解質膜シートMsの貼り合わせ対象は、拡幅機構160にて所定の拡幅率に延伸済みの多孔性膜シートPsとなる。つまり、電解質膜シートMsは、所定の拡幅率に延伸済みの多孔性膜シートPsに、シート搬送ローラー130と加圧搬送ローラー132とを用いて、貼り合わせられることになる。こうしたシート貼り合わせに際し、加圧搬送ローラー132を加熱可能な構成とすることで、電解質膜シートMsを軟化させることができる。こうすれば、軟化した電解質膜シートMsを、所定の拡幅率に延伸済みの多孔性膜シートPsに貼り合わせできる。なお、シート貼り合わせの際の加圧圧力は、シート搬送ローラー130と加圧搬送ローラー132とのローラー表面間の間隔で調整されるニップ圧で規定される。
The
巻取ローラー140は、第1送出ローラー110からの多孔性膜シートPsの送り出しや第2送出ローラー120からの電解質膜シートMsの送り出し、およびシート搬送ローラー130と加圧搬送ローラー132とによる電解質膜シートMsの貼り合わせの各ローラーの回転に同期して回転し、電解質膜シートMsを、所定の拡幅率に延伸済みの多孔性膜シートPsに貼り合わせた状態で巻き取る。巻取案内ローラー150は、電解質膜シートMsをテンションを掛けて巻取ローラー140に案内する。シート切刃170は、電解質膜シートMsの貼り合わせ箇所の下流に、電解質膜シートMsの幅に合わせて配設され、多孔性膜シートPsのシート端側の余剰シート部Psoを切断する。よって、図1に概略的に示すように、巻取ローラー140には、所定の拡幅率に延伸済みで電解質膜シートMsと同じ幅の多孔性膜シートPsが電解質膜シートMsに貼り合わされた状態で、電解質膜シートMsがバックシートBsと共に巻き取られる。こうして巻き取られた電解質膜シートMsは、多孔性膜シートPsに貼り合わされた半製品電解質膜シートCEsとして扱われる。シート切刃170にて切断された余剰シート部Psoは、その間を長形状の切断部Pshとして、図示しない回収ローラーに巻き取られる。
The winding
巻取ローラー140に巻き取られた電解質膜シートMs(半製品電解質膜シートCEs)は、図示しない含浸セクションと加水分解処理セクションに順次、送り込まれる。含浸セクションでの加熱により、多孔性膜シートPsは電解質膜シートMs(詳しくは電解質前駆体)に含浸し、加水分解処理セクションでの加水分解を受けて、電解質膜シートMsは、水素イオン伝導性を有する補強型電解質膜として利用される。なお、所定の拡幅率に延伸済みの多孔性膜シートPsに貼り合わされた状態で、電解質膜シートMsを直に含浸セクションや加水分解処理セクションに搬送することも可能であり、この場合には、巻取ローラー140は不要となる。また、既述したように、加圧搬送ローラー132にて電解質膜シートMsを加熱した状態で多孔性膜シートPsに貼り合わせることで、多孔性膜シートPsの含浸を起こすことも可能である。
The electrolyte membrane sheet Ms (semi-finished electrolyte membrane sheet CEs) wound around the winding
図5は電解質膜製造装置100での製造対象である補強型電解質膜シートの製造手順を示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing procedure of a reinforced electrolyte membrane sheet which is a manufacturing target in the electrolyte
図示するように、電解質膜製造装置100にて補強型電解質膜シートを製造するに当たっては、第1送出ローラー110からの多孔性膜シートPsの送り出し搬送と拡幅機構160による搬送過程での既述した拡幅延伸(ステップS100)と、第2送出ローラー120からの電解質膜シートMsの送り出し搬送(ステップS110)とが同期して実行される。これにより、搬送・延伸セクション(図2参照)における搬送区域の終点では、多孔性膜シートPsは、既述した所定の拡幅率で幅方向に延伸した状態となり、この延伸済みの多孔性膜シートPsに、シート搬送ローラー130と加圧搬送ローラー132とにより、電解質膜シートMsが加圧して貼り合わされる(ステップS120)。その後、電解質膜シートMsより広がった部位の余剰シート部Psoを、電解質膜シートMsの貼り合わせ箇所の下流に配設されたシート切刃170により切断する(ステップS130)。そして、所定の拡幅率に延伸済みで電解質膜シートMsと同じ幅の多孔性膜シートPsが電解質膜シートMsに貼り合わされた半製品電解質膜シートCEsを巻取ローラー140に巻き取り(ステップS140)、シート切刃170にて切断された余剰シート部Pso(図1,図4参照)が回収ローラーに巻き取り回収され(ステップS150)、既述した各工程が繰り返される。なお、ステップS140で得られた半製品電解質膜シートCEsは、含浸セクションと加水分解処理セクションといった次工程に搬送される。
As shown in the drawing, in manufacturing the reinforced electrolyte membrane sheet with the electrolyte
次に、性能評価について説明する。性能評価は、寸法変化率とクロスリーク量について行った。寸法変化率の性能評価を行うに当たっては、まず、電解質膜製造装置100にて得られた実施例品の電解質膜シートMs(半製品電解質膜シートCEs)と、拡幅延伸を行わない多孔性膜シートPsに電解質膜シートMsを貼り合わせた比較例品の電解質膜シートMsとを、加熱ローラーを用いた多孔性膜シートPsの電解質樹脂(電解質前駆体)への含浸および加水分解に処して、完成品としての補強型電解質膜とした。次いで、得られた補強型電解質膜(実施形態品・比較例品)を、図1や図2に示す10センチの正方サンプル片形状に裁断し、裁断したサンプル品(実施形態品・比較例品)を、80℃の温水中に20分間、浸漬した後の搬送方向寸法MDと幅方向寸法TDの寸法変化率(膨潤)を求めた。図6は実施形態品と比較例品との寸法変化率を対比して示すグラフである。
Next, performance evaluation will be described. The performance evaluation was performed for the dimensional change rate and the cross leak amount. In performing the performance evaluation of the dimensional change rate, first, the electrolyte membrane sheet Ms (semi-finished electrolyte membrane sheet CEs) of the example product obtained by the electrolyte
図6から明らかなように、拡幅延伸済みの状態のままの多孔性膜シートPsに電解質膜シートMsを貼り合わせた実施形態品は、搬送方向寸法MDと幅方向寸法TDの両寸法とも、3〜4%程度しか寸法変化(膨潤)を起こさず、搬送方向と幅方向の寸法変化もバランスが取れている。これに対し、拡幅延伸を行わない多孔性膜シートPsに電解質膜シートMsを貼り合わせた比較例品は、搬送方向寸法MDの寸法変化は僅かであるものの、幅方向寸法TDは20%を越える寸法変化(膨潤)を起こし、搬送方向と幅方向の寸法変化にアンバランスが起きた。電解質膜の寸法変化が小さいと、電解質膜が組み込まれた燃料電池の発電運転中に生じる乾湿変化により電解質膜に及ぶ機械的なストレスは低減する。特に、燃料電池の発電運転が電解質膜の湿潤をもたらす状態であると、電解質膜が膨潤しやすくなるので、電解質膜の寸法変化が大きいと、電解質膜にシワが発生して、耐久性の低下を招く。こうしたことを図6の寸法対比結果に照らすと、実施形態品は、高い耐久性を備える電解質膜であると判別できる。 As is apparent from FIG. 6, the embodiment product in which the electrolyte membrane sheet Ms is bonded to the porous membrane sheet Ps that has been widened and stretched is 3 in both the transport direction dimension MD and the width direction dimension TD. Only about ˜4% causes a dimensional change (swelling), and the dimensional change in the conveyance direction and the width direction is balanced. On the other hand, the comparative product in which the electrolyte membrane sheet Ms is bonded to the porous membrane sheet Ps that is not subjected to widening stretching has a slight change in the dimension MD in the transport direction, but the width dimension TD exceeds 20%. A dimensional change (swelling) occurred, and an unbalance occurred in the dimensional change in the conveyance direction and the width direction. When the dimensional change of the electrolyte membrane is small, mechanical stress on the electrolyte membrane is reduced due to a change in wet and dry conditions during the power generation operation of the fuel cell in which the electrolyte membrane is incorporated. In particular, when the power generation operation of the fuel cell causes the electrolyte membrane to wet, the electrolyte membrane easily swells. Therefore, if the dimensional change of the electrolyte membrane is large, wrinkles occur in the electrolyte membrane, resulting in a decrease in durability. Invite. In light of the result of the dimensional comparison in FIG. 6, it can be determined that the embodiment product is an electrolyte membrane having high durability.
クロスリーク量の性能評価を行うに当たっては、まず、既述したように得られた完成品としての補強型電解質膜(実施形態品・比較例品)の両膜面にアノード・カソードの両電極触媒層を形成して燃料電池セル(実施形態品・比較例品)とし、この燃料電池セルに水素ガス・酸素含有ガス(空気)を供給して継続して発電させ、発電過程における乾湿サイクル評価を実施した。この乾湿サイクルでは、燃料電池セルの両電極から電流を引かない状態で発電する乾燥処理を所定時間継続し、その後、加湿しながら電流を引いて発電する湿潤処理を所定時間継続する。そして、乾燥処理と湿潤処理を1サイクルとしてカウントしつつ、クロスリーク量を求めた。図7は実施形態品と比較例品とのクロスリーク量を対比して示すグラフであり、横軸は乾湿サイクルのサイクル数を表し、縦軸はクロスリーク量を表す。 In evaluating the performance of the cross leak amount, first, both anode and cathode electrode catalysts are formed on both membrane surfaces of the reinforced electrolyte membrane (the embodiment product and the comparative example product) as a finished product obtained as described above. A fuel cell (formation product / comparative example product) is formed by forming a layer, and hydrogen gas / oxygen-containing gas (air) is supplied to the fuel cell to continuously generate power. Carried out. In this dry / wet cycle, the drying process of generating power without drawing current from both electrodes of the fuel cell is continued for a predetermined time, and then the wet process of generating power by drawing current while humidifying is continued for a predetermined time. And the amount of cross leak was calculated | required, counting a dry process and a wet process as 1 cycle. FIG. 7 is a graph showing the cross leak amount of the embodiment product and the comparative product in comparison, the horizontal axis represents the cycle number of the wet and dry cycle, and the vertical axis represents the cross leak amount.
図7から明らかなように、拡幅延伸済みの状態のままの多孔性膜シートPsに電解質膜シートMsを貼り合わせた実施形態品は、乾湿サイクルが1万サイクル数に達しても、燃料電池セルとして許容される許容リーク量の1/4〜1/3程度しかクロスリークを起こさなかった。これに対し、拡幅延伸を行わない多孔性膜シートPsに電解質膜シートMsを貼り合わせた比較例品は、乾湿サイクルが4千サイクル数程度に達すると、クロスリークが急増し、許容リーク量を大きく超えるクロスリークが起きた。このことから、実施形態品の補強型電解質膜は、膨潤が小さい故に、膨潤とこれに続く収縮の繰り返しに伴う電解質膜の機械的ストレスが低減された結果、高い耐久性を備えた電解質膜であると判別できる。 As is clear from FIG. 7, the embodiment product in which the electrolyte membrane sheet Ms is bonded to the porous membrane sheet Ps that has been widened and stretched is a fuel cell, even if the number of dry and wet cycles reaches 10,000 cycles. As a result, the cross leak occurred only about 1/4 to 1/3 of the allowable leak amount. On the other hand, in the comparative product in which the electrolyte membrane sheet Ms is bonded to the porous membrane sheet Ps that is not subjected to widening stretching, when the number of dry and wet cycles reaches about 4,000 cycles, the cross leak rapidly increases and the allowable leak amount is increased. A large cross leak occurred. Therefore, the reinforced electrolyte membrane of the embodiment product is a highly durable electrolyte membrane as a result of reducing the mechanical stress of the electrolyte membrane due to repeated swelling and subsequent shrinkage because the swelling is small. It can be determined that there is.
以上説明したように、電解質膜製造装置100を用いた本実施形態の補強型電解質膜の製造方法は、搬送・延伸セクションにおける多孔性膜シートPsの搬送区域の終点において、拡幅延伸させた状態のままの多孔性膜シートPsに電解質膜シートMsを貼り合わせることから、電解質膜シートMsを構成する電解質樹脂を、幅方向の収縮が起きる前の多孔性膜シートPsの細孔に入り込ませる。こうして細孔に入り込んだ電解質樹脂は、その後の多孔性膜シートPsの収縮を規制する。この結果、電解質膜製造装置100を用いた本実施形態の補強型電解質膜の製造方法によれば、拡幅延伸された多孔性膜シートPsの収縮の抑制と、収縮抑制に伴う発電運転中の電解質膜の膨張の抑制とにより、電解質膜の耐久性の低下を抑制できる。しかも、電解質膜の耐久性の低下の抑制を、多孔性膜シートPsの搬送区域の終点における電解質膜シートMsの貼り合わせで、容易に達成できるので、簡便である。
As described above, the manufacturing method of the reinforced electrolyte membrane of the present embodiment using the electrolyte
拡幅機構160による拡幅延伸や、シート搬送ローラー130と加圧搬送ローラー132とを用いた多孔性膜シートPsと電解質膜シートMsの重ね合わせは、既存設備で容易に達成可能であるので、既存の補強型電解質膜の製造装置を、耐久性に優れた補強型電解質膜を製造できるよう、容易に改変できる。
Widening stretching by the widening
次に、変形例について説明する。図8は第1変形例の電解質膜製造装置100Aの概略構成を側面視して模式的に示す説明図である。図示するように、この電解質膜製造装置100Aは、シート搬送ローラー130に他の電解質膜シートMsを送り出して、拡幅延伸済みの多孔性膜シートPsの両シート面に電解質膜シートMsを貼り合わせる点に特徴がある。つまり、電解質膜製造装置100Aは、第3送出ローラー180を備え、この第3送出ローラー180は、巻き取り済みの他の電解質膜シートMsを、シート搬送ローラー130の回転と、加圧搬送ローラー132の回転と、巻取ローラー140の回転、および第2送出ローラー120の回転に伴って、他の電解質膜シートMsをバックシートBsに重ね合わせた状態でシート搬送ローラー130に送り出す。この場合、電解質膜シートMsは、バックシートBsがシート搬送ローラー130のロール表面側となり、電解質膜シートMsが多孔性膜シートPsと対向するように、シート搬送ローラー130に送り込まれる。
Next, a modified example will be described. FIG. 8 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of the electrolyte
この電解質膜製造装置100Aは、搬送・延伸セクションにおける搬送区域において、多孔性膜シートPsを搬送しつつ拡幅延伸し、拡幅延伸済みの多孔性膜シートPsの両シート面に、搬送区域の終点のシート搬送ローラー130と加圧搬送ローラー132とを用いて、電解質膜シートMsをそれぞれに貼り合わせる。よって、この電解質膜製造装置100Aを用いた補強型電解質膜の製造方法によっても、補強型電解質膜の耐久性の低下を簡便に抑制できる。
The electrolyte
図9は第2変形例の電解質膜製造装置100Bの概略構成を側面視して模式的に示す説明図である。図示するように、この電解質膜製造装置100Bは、搬送・延伸セクションでの搬送区域における拡幅延伸済み多孔性膜シートPsへの電解質膜シートMsの貼り合わせ前に、電解質膜シートMsをバックシートBsに形成する点に特徴がある。つまり、電解質膜製造装置100Bは、シート搬送ローラー130より上流側に、第4送出ローラー200と、バックシート搬送ローラー210と、電解質樹脂の吐出ノズル220と、乾燥炉230とを備える。
FIG. 9 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of the electrolyte
第4送出ローラー200は、バックシートBsを単独で巻き取っており、バックシート搬送ローラー210は、バックシートBsをテンションを掛けた状態で搬送する。そして、この第4送出ローラー200とバックシート搬送ローラー210とは、シート搬送ローラー130の回転と、加圧搬送ローラー132の回転と、巻取ローラー140の回転、および第2送出ローラー120の回転伴って、バックシートBsをシート搬送ローラー130に送り出す。
The
吐出ノズル220は、バックシート搬送ローラー210のローラー表面に対向して配置され、電解質膜シートMsを形成するための電解質樹脂が所定濃度で溶解した溶解液を、ローラー表面のバックシートBsに向けて吐出する。この溶解液吐出により、バックシートBsには電解質膜シートMsが形成され、形成された電解質膜シートMsは、バックシートBsに重なった状態でシート搬送ローラー130に送り出され、搬送区域の終点のシート搬送ローラー130で、拡幅延伸済みの多孔性膜シートPsに貼り合わせられる。この際、電解質膜シートMsは、バックシートBsに電解質樹脂の溶解液吐出を経て形成された直後であることから、シート形態の保持が可能なペースト状である。よって、シート搬送ローラー130で貼り合わせの際、多孔性膜シートPsの細孔に電解質膜シートMsの電解質樹脂が毛管現象によって含浸し、シート搬送ローラー130の下流では、電解質膜シートMsは、多孔性膜シートPsが含浸した形態の半製品電解質膜シートCEsとなる。
The
乾燥炉230は、半製品電解質膜シートCEsを加熱して、電解質膜シートMsから電解質樹脂の溶解液の溶液成分を蒸発させ、電解質膜シートMsを固形状とする。よって、巻取ローラー140は、電解質膜シートMsの電解質樹脂に多孔性膜シートPsが含浸した半製品電解質膜シートCEsを巻き取ることになる。
The drying
この電解質膜製造装置100Bにあっても、搬送・延伸セクションにおける搬送区域において、多孔性膜シートPsを搬送しつつ拡幅延伸し、拡幅延伸済みの多孔性膜シートPsに、搬送区域の終点のシート搬送ローラー130で、電解質膜シートMsを貼り合わせる。よって、この電解質膜製造装置100Bを用いた補強型電解質膜の製造方法によっても、補強型電解質膜の耐久性の低下を簡便に抑制できる。これに加え、電解質膜製造装置100Bは、バックシートBsへの電解質樹脂の溶解液吐出を経て形成したペースト状の電解質膜シートMsを多孔性膜シートPsに貼り合わせるので、半製品電解質膜シートCEsは電解質膜シートMsの電解質樹脂が多孔性膜シートPsに含浸した電解質膜シートとなる。よって、この電解質膜製造装置100Bを用いた補強型電解質膜の製造方法によれば、後工程の含浸が不要となり、工程の簡略化を図ることができる。
Even in this electrolyte
図10は第3変形例の電解質膜製造装置100Cの概略構成を側面視して模式的に示す説明図である。図示するように、この電解質膜製造装置100Cは、多孔性膜シートPsへの電解質膜シートMsの貼り合わせ前に、電解質膜シートMsをバックシートBsに形成した上で、拡幅延伸済みの多孔性膜シートPsの両シート面に電解質膜シートMsを貼り合わせる点に特徴がある。つまり、電解質膜製造装置100Cは、乾燥炉230の下流側に、第1中間案内ローラー241と、第2中間案内ローラー242と、第3中間案内ローラー243と、第4中間案内ローラー244と、電解質樹脂の吐出ノズル221と、乾燥炉231とを備える。
FIG. 10 is an explanatory view schematically showing a schematic configuration of an electrolyte
第1中間案内ローラー241〜第4中間案内ローラー244の各案内ローラーは、乾燥炉230にて乾燥済みの電解質膜シートMs(半製品電解質膜シートCEs)を、テンションを掛けつつ乾燥炉231に搬送する。半製品電解質膜シートCEsは、これら案内ローラーにて搬送される間に冷却され、第4中間案内ローラー244のローラー表面において、吐出ノズル221から電解質樹脂の溶解液の吐出を受ける。吐出ノズル221は、冷却した半製品電解質膜シートCEsの表面、即ち電解質膜シートMsに含浸した状態の多孔性膜シートPsの表面に、新たに電解質樹脂の溶解液を吐出し、新たな電解質膜シートMsを、多孔性膜シートPsが含浸済みの電解質膜シートMsに重ねて形成する。
Each guide roller of the first
新たな電解質膜シートMsが形成された半製品電解質膜シートCEsは、乾燥炉231を通過する間に加熱され、新たに形成された電解質膜シートMsは、電解質樹脂の溶解液の溶液成分の蒸発により固形状となる。よって、巻取ローラー140は、先に形成された電解質膜シートMsの電解質樹脂に多孔性膜シートPsが含浸し、後に形成された電解質膜シートMsが先に形成された電解質膜シートMsに積層した形態の半製品電解質膜シートCEsを巻き取ることになる。ところで、多孔性膜シートPsは、その膜厚が電解質膜シートMsに比して薄いことから、先に形成された電解質膜シートMsに含浸した状態で、後に形成された電解質膜シートMsと先に形成された電解質膜シートMsとの積層境界に介在することになる。
The semi-finished electrolyte membrane sheet CEs on which the new electrolyte membrane sheet Ms is formed is heated while passing through the drying
この電解質膜製造装置100Cによっても、既述した電解質膜製造装置100Bと同様の効果を奏することができる。
Also with this electrolyte
本発明は、上述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することができる。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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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可能である。また、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、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
既述した実施形態では、多孔性膜シートPsへの電解質膜シートMsの貼り合わせを、ニップ圧を利用した加圧タイプのローラー構成にて行ったが、既存の貼り合わせ機構を用いるようにしてもよい。例えば、搬送区域の終点において、加圧搬送ローラー132をシート搬送ローラー130より搬送方向下流に配置して、加圧搬送ローラー132のローラー表面で電解質膜シートMsにテンションが掛かるようにして貼り合わせるラップタイプの貼り合わせ機構を設けてもよい。また、加圧搬送ローラー132をローラー表面からの吸引が可能な吸引ローラーに代えた吸引タイプの貼り合わせ機構を設けてもよい。
In the embodiment described above, the electrolyte membrane sheet Ms is bonded to the porous membrane sheet Ps with a pressure type roller configuration using a nip pressure. However, an existing bonding mechanism is used. Also good. For example, at the end point of the transport area, the
既述した実施形態では、拡幅機構160を把持ワイヤー163を用いたワイヤー式の拡幅機構を有するものとしたが、多孔性膜シートPsの幅方向両端のシート端Pseを搬送区域に亘って把持して、多孔性膜シートPsを搬送しながら拡幅できる機構であればよい。よって、シート端Pseを上下から把持するテンター式、或いはクリップ式の拡幅機構を用いるようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the widening
100、100A〜100C…電解質膜製造装置
110…第1送出ローラー
120…第2送出ローラー
130…シート搬送ローラー
132…加圧搬送ローラー
140…巻取ローラー
150…巻取案内ローラー
160…拡幅機構
161…上流側シート端把持ローラー
162…下流側シート端把持ローラー
163…把持ワイヤー
170…シート切刃
180…第3送出ローラー
200…第4送出ローラー
210…バックシート搬送ローラー
220…吐出ノズル
221…吐出ノズル
230…乾燥炉
231…乾燥炉
241…第1中間案内ローラー
242…第2中間案内ローラー
243…第3中間案内ローラー
244…第4中間案内ローラー
Bs…バックシート
CEs…半製品電解質膜シート
Ms…電解質膜シート
Ps…多孔性膜シート
Pse…シート端
Psh…切断部
Psh0…巻取幅
Psh1…延伸幅
Pso…余剰シート部
MD…搬送方向寸法
TD…幅方向寸法
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記多孔性膜を膜長手方向の搬送区域において搬送しつつ、前記多孔性膜を幅方向に延伸する工程と、
前記多孔性膜を前記幅方向に延伸する延伸区域の終点に配設された多孔性膜搬送用の搬送ローラーを用いて、前記電解質膜を延伸済みの前記多孔性膜に貼り合わせることで、前記幅方向に延伸させた状態の前記多孔性膜の細孔に前記電解質膜を構成する電解質樹脂を入り込ませる工程とを備える、補強型電解質膜の製造方法。 A method for producing a reinforced electrolyte membrane in which an electrolyte membrane is reinforced with a porous membrane,
Stretching the porous membrane in the width direction while transporting the porous membrane in the transport zone in the longitudinal direction of the membrane;
With the transport roller for endpoint porous membrane transport disposed stretching ku region of porous membrane is stretched in the width direction, in Rukoto bonded to the electrolyte membrane to stretch already said porous membrane And a step of allowing the electrolyte resin constituting the electrolyte membrane to enter the pores of the porous membrane in a state of being stretched in the width direction .
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