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JP2008277288A - Composite polymer electrolyte membrane manufacturing apparatus, composite polymer electrolyte membrane manufacturing method, functional membrane, and fuel cell - Google Patents

Composite polymer electrolyte membrane manufacturing apparatus, composite polymer electrolyte membrane manufacturing method, functional membrane, and fuel cell Download PDF

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JP2008277288A
JP2008277288A JP2008098412A JP2008098412A JP2008277288A JP 2008277288 A JP2008277288 A JP 2008277288A JP 2008098412 A JP2008098412 A JP 2008098412A JP 2008098412 A JP2008098412 A JP 2008098412A JP 2008277288 A JP2008277288 A JP 2008277288A
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polymer electrolyte
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hydrolysis
producing
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】電解質樹脂を多孔質膜に含浸させて複合高分子電解質膜を製造するにあたり、含浸ムラを抑制し、電解質膜の表面の均一性を向上させ、複合高分子膜の品質を向上させ、製造装置及び作業環境をコンパクトにし、電解質樹脂のはみ出しをなくして効率よく含浸させることを目的とする。また、これにより、該複合高分子膜を備えた燃料電池の発電性能の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】補強膜である多孔性膜を送給する手段と、プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を送給する手段と、該多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段と、該高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる手段とを備える複合高分子電解質膜の製造装置。
【選択図】図2
In manufacturing a composite polymer electrolyte membrane by impregnating a porous membrane with an electrolyte resin, impregnation unevenness is suppressed, the surface uniformity of the electrolyte membrane is improved, and the quality of the composite polymer membrane is improved. The purpose is to make the manufacturing apparatus and the working environment compact and to efficiently impregnate the electrolyte resin without protruding. Another object of the present invention is to improve the power generation performance of the fuel cell provided with the composite polymer membrane.
Means for feeding a porous membrane as a reinforcing membrane, and means for feeding a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis Means for heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, and the polymer electrolyte single membrane or proton by hydrolysis. An apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane, comprising means for pressurizing and impregnating the porous membrane with a conductive polymer electrolyte precursor single membrane.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、各種機能性膜、特に固体高分子型燃料電池、水電解装置などに用いる固体高分子電解質に最適な複合高分子電解質膜の製造装置、及び複合高分子電解質膜の製造方法、さらに複合高分子電解質膜を用いた燃料電池に関する。特に、燃料電池に用いた時に、運転状況の繰り返し変化に対する破損のない耐久性に優れた複合高分子電解質膜を効率よく生産するための製造装置、及びその連続製造方法に関する。   The present invention relates to an apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane optimal for a solid polymer electrolyte used in various functional membranes, particularly solid polymer fuel cells, water electrolysis devices, etc., and a method for producing a composite polymer electrolyte membrane, The present invention relates to a fuel cell using a composite polymer electrolyte membrane. In particular, the present invention relates to a manufacturing apparatus for efficiently producing a composite polymer electrolyte membrane excellent in durability without damage due to repeated changes in operating conditions when used in a fuel cell, and a continuous manufacturing method thereof.

固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用い、この膜の両面に触媒電極を接合した構造を有する。   A solid polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is used as an electrolyte and catalyst electrodes are bonded to both surfaces of the membrane.

燃料電池として使用する際に高分子固体電解質膜は、それ自体の膜抵抗が低い必要があり、その為には膜厚はできるだけ薄い方が望ましい。しかしながら、膜厚を余り薄くすると、製膜時にピンホールが生じたり、電極成形時に膜が破れてしまったり、電極間の短絡が発生したりしやすいという問題点があった。また、燃料電池に使用される高分子固体電解質膜は、常に湿潤状態で使用されるため、湿潤による高分子膜の膨潤、変形等による差圧運転時の耐圧性やクロスリーク等、信頼性に問題が生じるようになる。   When used as a fuel cell, the polymer solid electrolyte membrane needs to have a low membrane resistance. For that purpose, it is desirable that the film thickness be as thin as possible. However, if the film thickness is too thin, there are problems that pinholes are easily formed during film formation, the film is broken during electrode forming, and a short circuit between the electrodes is likely to occur. In addition, since solid polymer electrolyte membranes used in fuel cells are always used in a wet state, reliability such as pressure resistance and cross-leakage during differential pressure operation due to swelling, deformation, etc. of the polymer membrane due to wetting is reliable. Problems will arise.

そこで、下記特許文献1には、イオン交換樹脂の含水量の変化が繰り返し生じても破損せず、かつイオン交換樹脂とフッ素樹脂等の多孔膜が互いに密着し、ピンホールができ難いイオン交換膜を目的として、延伸により作製されたフッ素樹脂等の多孔膜の少なくとも孔中に、溶媒に溶解したポリマーを含浸させ、乾燥することにより多孔膜に付着させた後、イオン交換基を導入してイオン交換膜を製造する方法が開示されている。   Therefore, in Patent Document 1 below, an ion exchange membrane that does not break even when a change in the water content of the ion exchange resin repeatedly occurs, and the ion exchange resin and a porous membrane such as a fluororesin are in close contact with each other and pinholes are difficult to form. For the purpose of the above, at least the pores of a porous membrane such as a fluororesin prepared by stretching are impregnated with a polymer dissolved in a solvent and dried to adhere to the porous membrane, and then ion exchange groups are introduced to introduce ions. A method of manufacturing an exchange membrane is disclosed.

ところで、下記特許文献1に開示されたイオン交換膜の製造方法は、ポリマーが溶媒に可溶であることから化学的安定性が低く、電解質性能の劣化が生じやすいという問題点があった。すなわち、溶媒に溶解したポリマーを用いてイオン交換膜を製造するため、前記のような問題が発生していた。また、電解質膜の含水による膨潤変化によって膜の劣化が起こりやすく、燃料電池等の耐久性を短くするという問題点があった。さらに、電解質は保水性を持ち、膜内のプロトンの移動や電極での水の精製などにより電解質が膨潤するが、多孔体は膨潤しないため、多孔体膜に含浸した電解質が遊離しやすく、プロトン伝導性が落ちるという問題点があった。アルコール系の溶媒に加水分解処理されプロトン伝導性をもった電解質レジン(H型レジン)を混ぜて含浸させ、多孔体に電解質性能を持たせることはできるが、分子間の結びつきが弱く、溶解性をもっているため電極等で発生するラジカルの影響を受けやすいという問題点があった。   By the way, the method for producing an ion exchange membrane disclosed in the following Patent Document 1 has a problem in that since the polymer is soluble in a solvent, the chemical stability is low and the electrolyte performance is likely to deteriorate. That is, since the ion exchange membrane is produced using a polymer dissolved in a solvent, the above-described problems have occurred. In addition, the membrane easily deteriorates due to the swelling change caused by the water content of the electrolyte membrane, and there is a problem that the durability of the fuel cell or the like is shortened. Furthermore, the electrolyte has water retention, and the electrolyte swells due to the movement of protons in the membrane or the purification of water at the electrode, but the porous body does not swell. There was a problem that conductivity was lowered. Electrolyte resin (H-type resin) that has been hydrolyzed in an alcohol solvent and mixed with proton conductivity can be impregnated to give the porous body electrolyte performance, but the intermolecular bonds are weak and soluble. Therefore, there is a problem that it is easily affected by radicals generated at the electrode.

そこで、下記特許文献2には、スルホン酸基又はその前駆体基を有するパーフルオロカーボン重合体とフィブリル化可能なフルオロカーボン重合体との混合物をフィルム状に成形し、得られたフィルムの少なくとも片面に延伸補助フィルムを積層した後、加熱下で延伸することを特徴とする固体高分子型燃料電池用電解質膜の製造方法が開示されている。また、積層物を加熱下で延伸するために加熱ロールプレスを用いることも開示されている。   Therefore, in Patent Document 2 below, a mixture of a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group or a precursor group thereof and a fibrillated fluorocarbon polymer is formed into a film shape and stretched on at least one side of the obtained film. A method for producing an electrolyte membrane for a polymer electrolyte fuel cell is disclosed in which an auxiliary film is laminated and then stretched under heating. It is also disclosed that a heated roll press is used to stretch the laminate under heating.

また、下記特許文献3には、化学的に安定しており、電解質性能の劣化が生じにくいイオン交換膜を連続的に効率良く製造できる製造装置と、製造方法を提供するとともに、強度向上が図れ、多孔体膜(基材シート)の気孔のつぶれを抑制でき、電極触媒との接合の安定性が向上するイオン交換膜の製造装置と、製造方法を提供することを目的として、多孔体膜を連続的に送給する手段と、前記多孔体膜に溶融した電解質ポリマーを加圧含浸して電解質膜を形成する手段と、前記電解質膜中の電解質ポリマーにイオン交換性を付与する手段とを備えたイオン交換膜の製造装置が開示されている。このイオン交換膜の製造装置は、連続的に送給される多孔体膜に溶融した電解質ポリマーを加圧含浸して電解質膜(F型樹脂)を形成し、そのあと電解質膜中の電解質ポリマーにイオン交換性を付与(H型樹脂)しており、多孔体膜の送給手段、電解質ポリマーを加熱溶融して多孔体膜に電解質膜を形成している。   Patent Document 3 below provides a manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of continuously and efficiently manufacturing an ion exchange membrane that is chemically stable and hardly causes deterioration in electrolyte performance, and can improve strength. For the purpose of providing an ion exchange membrane production apparatus and production method that can suppress pore collapse of the porous membrane (base material sheet) and improve the stability of bonding with an electrode catalyst, Means for continuously feeding, means for pressurizing and impregnating molten electrolyte polymer in the porous membrane to form an electrolyte membrane, and means for imparting ion exchange to the electrolyte polymer in the electrolyte membrane An ion exchange membrane manufacturing apparatus is disclosed. This ion exchange membrane manufacturing apparatus pressurizes and impregnates a molten electrolyte polymer into a continuously supplied porous membrane to form an electrolyte membrane (F-type resin), and then forms an electrolyte polymer in the electrolyte membrane. Ion exchange properties are imparted (H-type resin), and the electrolyte membrane is formed on the porous membrane by heating and melting the electrolyte membrane and the electrolyte polymer.

特開平9−194609号公報JP-A-9-194609 特開2001−345111号公報JP 2001-345111 A 特開2005−162784号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-162784

上記特許文献1に開示された方法では、ポリマーは親水性であるのに対し延伸多孔膜は疎水性であり、溶媒にて馴染み易くしてはいるが、耐久性の高い複合化は行われていない。したがって、使用中に電解質とPTFEが分離するという懸念がある。   In the method disclosed in Patent Document 1, the polymer is hydrophilic, while the stretched porous membrane is hydrophobic, and it is easy to become familiar with the solvent, but is highly durable. Absent. Therefore, there is a concern that the electrolyte and PTFE are separated during use.

又、上記特許文献2や上記特許文献3に開示された、補強膜に電解質を溶融含浸する技術は複合電解質膜の製造方法として優れたものではあるが、(1)製膜における課題として、溶融含浸膜製膜時間の短縮が要求され、また、(2)ロールプレス工法における問題として、(i)未含浸部分と含浸部分が存在する、含浸ムラがある、(ii)十分に電解質が含浸する前に補強膜が破損する、(iii)電解質樹脂のはみ出しにより膜が変形する、などの問題があった。   Moreover, although the technique disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3 described above for melting and impregnating a reinforcing membrane with an electrolyte is an excellent method for producing a composite electrolyte membrane, (1) Shortening of the impregnated film formation time is required, and (2) problems in the roll press method include (i) non-impregnated part and impregnated part, impregnation unevenness, (ii) sufficient electrolyte impregnation There were problems such as damage to the reinforcing membrane before and (iii) deformation of the membrane due to the protrusion of the electrolyte resin.

このような問題点が発生する理由としては、以下のような事項が挙げられる。
(1)枚葉式である為に、膜切断の回避、試料取り出し時間、及び張り合せ時間、プレス治具全体の伝熱を考慮したプレス時間等により、一枚を製作する時間が大幅にかかる。
(2)ロールプレスの工程は、サンプルが加熱ロールに接触しながら高圧プレスを実施するが、接触時間がニップ中でしかないため、極端に伝熱時間が短い。そのため、伝熱量が不十分となり、荷重が最大となる時と電解質樹脂が十分に溶融状態とならないため、電解質樹脂を介してロールプレスの圧力が補強膜に伝わるため、含浸せずに補強膜が破損する。
(3)含浸条件は樹脂流動する高温条件で実施する為に、含浸中に加圧すると樹脂が面外方向へ流動してしまう。
The reason why such a problem occurs is as follows.
(1) Since it is a single wafer type, it takes a lot of time to manufacture one sheet due to avoidance of membrane cutting, sample take-out time, pasting time, press time considering heat transfer of the entire press jig, etc. .
(2) In the roll pressing step, the sample is subjected to high-pressure pressing while being in contact with the heating roll, but since the contact time is only in the nip, the heat transfer time is extremely short. For this reason, the amount of heat transfer becomes insufficient, and when the load is maximized, the electrolyte resin is not sufficiently melted, so the pressure of the roll press is transmitted to the reinforcement membrane through the electrolyte resin, so that the reinforcement membrane is not impregnated. fall into disrepair.
(3) Since the impregnation conditions are carried out under high temperature conditions where the resin flows, if the pressure is applied during the impregnation, the resin flows in the out-of-plane direction.

また、上記特許文献3には、多孔体膜に溶融したプロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体樹脂を加圧含浸して複合高分子電解質膜を形成する手段として、スクリュー押出機から吐出される前記樹脂を、樹脂型と対向させた送給ロール間に搬送される補強膜に、直接接触させることで加圧含浸する方法が開示されている。樹脂型と送給ロール間隔を狭くすることで加圧するが、補強膜搬送テンションと加圧力とのバランスが含浸均一性に直接影響し、搬送条件設定に困難性が伴う装置であった。また、押出された前記樹脂は下流工程で膜厚調製を行なう際に、多孔性膜外へはみ出すなどの問題があった。   Patent Document 3 discloses a composite polymer electrolyte membrane obtained by pressure-impregnating a polymer electrolyte having proton conductivity melted in a porous membrane or a polymer electrolyte precursor resin having proton conductivity by hydrolysis. As a means for forming, a method is disclosed in which the resin discharged from a screw extruder is pressure impregnated by directly contacting a reinforcing film conveyed between feeding rolls opposed to a resin mold. Although pressurization is performed by narrowing the distance between the resin mold and the feed roll, the balance between the reinforcing film transport tension and the applied pressure directly affects the impregnation uniformity, and the apparatus involves difficulty in setting transport conditions. Further, the extruded resin has a problem that it protrudes out of the porous film when the film thickness is adjusted in the downstream process.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて発明されたものであり、電解質樹脂を多孔質膜に含浸させて複合高分子電解質膜を製造するにあたり、含浸ムラを抑制し、電解質膜の表面の均一性を向上させ、複合高分子膜の品質を向上させ、製造装置及び作業環境をコンパクトにし、電解質樹脂のはみ出しをなくして効率よく含浸させることを目的とする。また、これにより、該複合高分子膜を備えた燃料電池の発電性能の向上を図ることを目的とする。   The present invention was invented in view of the above-mentioned problems of the prior art, and in the production of a composite polymer electrolyte membrane by impregnating a porous membrane with an electrolyte resin, impregnation unevenness was suppressed and the surface of the electrolyte membrane was The purpose of the present invention is to improve the uniformity of the resin, improve the quality of the composite polymer film, make the manufacturing apparatus and the working environment compact, and efficiently impregnate the electrolyte resin without protruding. Another object of the present invention is to improve the power generation performance of the fuel cell provided with the composite polymer membrane.

本発明者は、電解質樹脂を多孔質膜に含浸させて複合高分子電解質膜を製造するにあたり、電解質樹脂からなる単膜及び多孔質膜の連続加熱方法及びプレスロールの組み合わせを鋭意検討した結果、上記課題が解決されることを見出し、本発明に至った。   As a result of earnestly examining the combination of a single membrane and a porous membrane made of an electrolyte resin and a press roll, in order to produce a composite polymer electrolyte membrane by impregnating a porous membrane with an electrolyte resin, The present inventors have found that the above problems can be solved, and have reached the present invention.

即ち、第1に、本発明は、複合高分子電解質膜の製造装置の発明であり、少なくとも、(1)補強膜である多孔性膜を送給する手段と、(2)プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を送給する手段と、(3)該多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段と、(4)該高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる手段とを備える。   That is, first, the present invention is an invention of an apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane, and has at least (1) a means for feeding a porous membrane as a reinforcing membrane, and (2) proton conductivity. Means for feeding a polymer electrolyte single membrane or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis; (3) the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and the hydrolysis A means for heating the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by means of (4) the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis as the porous membrane Means for impregnation under pressure.

ここで、プロトン伝導性を有する高分子電解質(以下、H型樹脂という場合がある)とはスルホン酸基等有し、特に後工程で変性させなくてもそれ自体がプロトン伝導性を有するものであり、加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体(以下、単に高分子電解質前駆体やF型樹脂という場合がある)とは、後工程で加水分解処理や酸型化処理を行うことによってスルホン酸基等のプロトン伝導性基に変性される前駆体基、例えば−SOF基、−SOCl基、を有するものである。 Here, the proton-conducting polymer electrolyte (hereinafter sometimes referred to as H-type resin) has a sulfonic acid group and the like, and has proton conductivity even if it is not modified in a later step. Yes, a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis (hereinafter sometimes simply referred to as a polymer electrolyte precursor or F-type resin) is a hydrolysis process or an acidification process in a later step. Has a precursor group that is modified to a proton conductive group such as a sulfonic acid group, for example, a —SO 2 F group or a —SO 2 Cl group.

また、高分子電解質単膜及び高分子電解質前駆体単膜とは、それぞれ高分子電解質及び高分子電解質前駆体が、樹脂塊状態や溶融状態でなく、それ自体で自立した膜状(フィルム又はシート状)であることを意味する。   In addition, the polymer electrolyte single membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane are respectively a film shape (film or sheet) in which the polymer electrolyte and the polymer electrolyte precursor are not in a resin mass state or a molten state, but are themselves self-supporting. ).

更に、本発明でいう複合高分子電解質膜とは、補強膜である多孔性膜の孔に高分子電解質が充填されて、強度と電導性を有する電解質膜である。   Furthermore, the composite polymer electrolyte membrane referred to in the present invention is an electrolyte membrane having strength and conductivity by filling the pores of a porous membrane as a reinforcing membrane with a polymer electrolyte.

本発明において、上記(1)〜(4)の各手段を連続操作可能として、複合高分子電解質膜の連続製造装置とすることが好ましい。即ち、高分子電解質単膜及び高分子電解質前駆体単膜、及び多孔体質膜を一定の速度で連続して移動できるため、高分子電解質膜を連続して製造することができる。   In the present invention, it is preferable that each of the above means (1) to (4) can be continuously operated to provide a continuous production apparatus for a composite polymer electrolyte membrane. That is, since the polymer electrolyte single membrane, the polymer electrolyte precursor single membrane, and the porous membrane can be continuously moved at a constant speed, the polymer electrolyte membrane can be continuously produced.

本発明の製造装置において、前記(3)多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段と、前記(4)高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を多孔性膜に加圧含浸させる手段は、それぞれ独立した機構であっても良いが、これら(3)と(4)の手段が、一連のベルトプレス及びロールからなることが好ましい。本発明の製造装置において、前記(4)の含浸温度を恒温に保つことは、含浸性向上に大きく影響する因子となるために、前記(3)において、加熱温度は該高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を溶融温度に近い温度で加熱することで生産性を向上させることができる。しかし、連続搬送において、溶融状態の樹脂は自立することが困難となるため、前記(4)の手段にて含浸不均一部分を発生させる原因となる。一連のベルトプレス及びロールとすることにより、面内変形を制限させながら加熱搬送することが可能となり、均一に含浸させることが可能となり、生産性を向上させることができる。   In the production apparatus of the present invention, (3) means for heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis; 4) The means for pressure impregnating the porous membrane with the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis may be independent mechanisms, but these (3) The means (4) and (4) preferably comprise a series of belt presses and rolls. In the production apparatus of the present invention, maintaining the impregnation temperature in (4) at a constant temperature is a factor that greatly affects the improvement in impregnation, so in (3), the heating temperature is the polymer electrolyte single membrane or Productivity can be improved by heating the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis at a temperature close to the melting temperature. However, in continuous conveyance, it becomes difficult for the molten resin to stand on its own, and this causes the non-uniform impregnation portion to be generated by the means (4). By using a series of belt presses and rolls, it is possible to heat and convey while restricting in-plane deformation, it is possible to impregnate uniformly, and productivity can be improved.

本発明の製造装置においては、前記(3)多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段は、前記(4)高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を多孔性膜に加圧含浸させる手段に先立って、多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を予備加熱(プレヒート)するものであり、具体的にはベルトプレス及び加熱ローラの組み合わせが好ましい。ベルトプレス及び加熱ローラを組み合わせることで、単に一対の加熱ローラを用いる場合に比べて、高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜を十分に均一に予備加熱することができる。   In the production apparatus of the present invention, the means for heating (3) the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, (4) Prior to the means for pressure impregnating the porous membrane with the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the A porous membrane and a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis are preheated (specifically, preheating). Specifically, a combination of a belt press and a heating roller is preferable. By combining the belt press and the heating roller, the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane can be preheated sufficiently uniformly as compared with the case where a pair of heating rollers is simply used.

ベルトプレスの材質としては特に制限されないが、耐食性、伝熱性などの観点からステンレススチール(SUS)ベルトや、表面に耐食性を付与させる表面処理(テフロン(商標名)コートなど)をしたスチールベルトなどが好ましく例示される。同様に、加熱ローラの材質としては、特に制限されないが、ステンレススチール(SUS)ローラや、表面に耐食性を付与させる表面処理(ハードクロム鍍金など)をしたスチールローラなどが好ましく例示される。   The material of the belt press is not particularly limited, but a stainless steel (SUS) belt or a steel belt with a surface treatment (such as a Teflon (trade name) coat) that imparts corrosion resistance to the surface from the viewpoint of corrosion resistance, heat transfer, etc. Preferably exemplified. Similarly, the material of the heating roller is not particularly limited, but a stainless steel (SUS) roller, a steel roller having a surface treatment (such as hard chrome plating) that imparts corrosion resistance to the surface, and the like are preferably exemplified.

本発明の製造装置において、高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜を多孔性膜に加圧含浸させる手段には、連続性の観点から、1対の加圧ローラが好ましく用いられる。該1対の加圧ローラの少なくとも1方のローラの表面が軟質であると、高分子電解質又は高分子電解質前駆体が多孔性膜外へはみ出すことを防止できて好適である。   In the production apparatus of the present invention, a pair of pressure rollers is preferably used from the viewpoint of continuity as the means for pressure impregnating the porous membrane with the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane. When the surface of at least one of the pair of pressure rollers is soft, it is preferable that the polymer electrolyte or the polymer electrolyte precursor can be prevented from protruding outside the porous membrane.

ところで、燃料電池発電を続けると、セル壁面部分近傍の電解質膜からガスリークが発生し、起電力が低下し、耐久性評価で不合格となる。セル端部近傍では、発電中のMEAの膨潤収縮変形による応力が、締結構造フリーとなっている膜端部に集中する。もしくは、端部特有の化学的劣化による膜やせが発生している。そのため、ガス透過が部分的に発生しやすくなる。一方で、性能向上には、IR損低減による性能向上が狙える為、電解質薄膜化が推奨できる。この電解質膜薄膜化と経時評価でのガス透過率増加がトレードオフとなっているためである。   By the way, if fuel cell power generation is continued, a gas leak occurs from the electrolyte membrane in the vicinity of the cell wall portion, the electromotive force decreases, and the durability evaluation fails. In the vicinity of the cell edge, the stress due to the swelling / shrinking deformation of the MEA during power generation concentrates on the film edge where the fastening structure is free. Or the film | membrane thinness by the chemical degradation peculiar to an edge has generate | occur | produced. Therefore, gas permeation is likely to occur partially. On the other hand, in order to improve the performance, it is possible to improve the performance by reducing the IR loss. This is because there is a trade-off between the electrolyte membrane thinning and the increase in gas permeability in the evaluation over time.

そこで、本発明の製造装置において、プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御する膜厚調整手段を備えることができる。単膜の厚みを局部的に制御することで、燃料電池運転時に膜劣化が進行し、膜やせが発生する、セル壁面近傍や膜端部などを厚膜化するとともに、電池性能に寄与するMEA部分の電解質膜を薄膜化することができる。   Therefore, in the production apparatus of the present invention, in producing a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, the thickness of these single membranes is locally determined. A film thickness adjusting means to be controlled can be provided. By controlling the thickness of the single membrane locally, the membrane degradation progresses during fuel cell operation, and membrane thinning occurs. The MEA contributes to battery performance while increasing the thickness near the cell wall and the membrane edge. A portion of the electrolyte membrane can be thinned.

膜厚調整手段の具体例としては、溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の吐出量を周期的に変動させるものや、溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の引き取り速度を周期的に変動させるものが好ましく例示される。   As a specific example of the film thickness adjusting means, a discharge amount when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film is periodically changed. Preferred are those that fluctuate and those that periodically change the take-up speed when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film. Illustrated.

第2に、本発明は、上記の複合高分子電解質膜の製造装置を用いる、複合高分子電解質膜の製造方法の発明であり、(5)補強膜である多孔性膜を送給する工程と、(6)プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を送給する工程と、(7)該多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を後述の加圧含浸工程の前に加熱する工程と、(8)該高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる工程とを備える。   2ndly, this invention is invention of the manufacturing method of a composite polymer electrolyte membrane using the manufacturing apparatus of said composite polymer electrolyte membrane, (5) The process of feeding the porous membrane which is a reinforcement film | membrane, (6) a step of feeding a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis; and (7) the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane. Or a step of heating the porous membrane and a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step described below, and (8) the polymer electrolyte single membrane or hydrolysis And a step of impregnating the porous membrane with a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity.

本発明の複合高分子電解質膜の製造方法において、前記(5)〜(8)の各工程を連続に操作することが可能であること、前記(7)多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加圧含浸工程の前に加熱する工程と、前記(8)高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜を多孔性膜に加圧含浸させる工程を、一連のベルトプレス及びロールを用いて行なうことが好ましいこと、高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜を加熱する工程をベルトプレス及び加熱ローラで行なうことが好ましいこと、ベルトプレスがスチールベルトであり、加熱ローラがスチールローラであることが好ましいこと、高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる工程を1対の加圧ローラで行なうのが好ましいこと、1対の加圧ローラの少なくとも1方のローラの表面が軟質であることが好ましいこと等は、上述の複合高分子電解質膜の製造装置において説明した通りである。   In the method for producing a composite polymer electrolyte membrane of the present invention, it is possible to continuously operate the steps (5) to (8), (7) the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, Or a step of heating the porous membrane and a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step, and (8) the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single The step of pressure impregnating the membrane into the porous membrane is preferably performed using a series of belt presses and rolls, and the step of heating the polymer electrolyte single membrane or polymer electrolyte precursor single membrane is belt pressed and heated. It is preferable to use a roller, the belt press is a steel belt, the heating roller is preferably a steel roller, and a polymer electrolyte single membrane or a polymer electrolyte precursor single membrane is pressed against the porous membrane. The dipping step is preferably performed with a pair of pressure rollers, the surface of at least one of the pair of pressure rollers is preferably soft, and the like. As described in the manufacturing apparatus.

本発明の方法では、多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加圧含浸工程の前に加熱する時間は、樹脂が溶融する温度や含浸性を考慮して決められる。例えば、上述のベルトプレス及び加熱ローラを組み合わせる場合では、10秒〜2分間の予備加熱時間が選定されるのが好ましい。   In the method of the present invention, the time for heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step is as follows: It is determined in consideration of the temperature at which the resin melts and the impregnation property. For example, when combining the above-described belt press and heating roller, it is preferable to select a preheating time of 10 seconds to 2 minutes.

本発明の複合高分子電解質膜の製造方法のより具体的な態様としては、補強膜である多孔性膜と、該多孔性膜の両側に2枚のプロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を挟み、且つこれらの両側から2枚の剥離性保護シートを挟んで、これら剥離性保護シート−高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜−多孔性膜−高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜−剥離性保護シートを積層して送給することが好ましく挙げられる。   As a more specific aspect of the method for producing a composite polymer electrolyte membrane of the present invention, a porous membrane as a reinforcing membrane and two polymer electrolyte single membranes having proton conductivity on both sides of the porous membrane or By sandwiching a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis and sandwiching two peelable protective sheets from both sides, these peelable protective sheets-polymer electrolyte single membrane or polymer electrolyte precursor It is preferable to laminate and feed the body single membrane-porous membrane-polymer electrolyte single membrane or polymer electrolyte precursor single membrane-peelable protective sheet.

本発明の方法では、前記プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御することができること、具体的には、溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の吐出量を周期的に変動させることや、溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の引き取り速度を周期的に変動させることにより、これら単膜の厚みを局部的に制御する方法が好ましいことは、上述の複合高分子電解質膜の製造装置において説明した通りである。   In the method of the present invention, when the polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis is produced, the thickness of these single membranes is locally controlled. In particular, the discharge rate when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film varies periodically. Or by periodically changing the take-up speed when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film. The method of locally controlling the thickness of the single membrane is preferable as described in the above-described composite polymer electrolyte membrane production apparatus.

ここで、多孔性膜としては複合高分子電解質膜の補強材として公知のものを用いることができる。その中で、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、共重合成分を10モル%以下含むテトラフルオロエチレン共重合体、及び、ポリシロキサンから選択される1種以上が好ましく例示される。   Here, as the porous membrane, a known material can be used as a reinforcing material for the composite polymer electrolyte membrane. Among these, at least one selected from polytetrafluoroethylene (PTFE), a tetrafluoroethylene copolymer containing 10 mol% or less of a copolymer component, and polysiloxane is preferably exemplified.

本発明の装置又は方法で製造される複合高分子電解質膜は、機能性膜として各種用途に用いることができる。第3に、本発明は、上記の複合高分子電解質膜からなる機能性膜である。   The composite polymer electrolyte membrane produced by the apparatus or method of the present invention can be used for various applications as a functional membrane. 3rdly, this invention is a functional film which consists of said composite polymer electrolyte membrane.

第4に、本発明は、上記装置又は方法で製造される複合高分子電解質膜を有する固体高分子型燃料電池である。   Fourth, the present invention is a polymer electrolyte fuel cell having a composite polymer electrolyte membrane produced by the above apparatus or method.

本発明によれば、固体高分子電解質膜の厚さを薄くすることが可能であり、また、高分子フィルム又は高分子シート基材を電解質膜の支持体として用いるため、電解質膜の強度を補強することができるので、本発明に係る固体高分子電解質膜を備えた燃料電池は、高耐久性であるとともに、燃料ガスのクロスリーク量が少なく、電流−電圧特性を向上することができる。   According to the present invention, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced, and the polymer film or the polymer sheet substrate is used as a support for the electrolyte membrane, so that the strength of the electrolyte membrane is reinforced. Therefore, the fuel cell including the solid polymer electrolyte membrane according to the present invention is highly durable, has a small amount of fuel gas cross-leakage, and can improve current-voltage characteristics.

電解質樹脂を多孔質膜に含浸させるにあたり、電解質樹脂からなる単膜及び多孔質膜を予備加熱することにより、含浸ムラを抑制し、電解質膜の表面の均一性を向上させ、複合高分子膜の品質を向上させ、製造装置及び作業環境をコンパクトにし、電解質樹脂のはみ出しをなくして効率よく含浸させることができる。また、これにより、該複合高分子膜を備えた燃料電池の発電性能を向上させることができる。   In impregnating the porous membrane with the electrolyte resin, preheating the single membrane and the porous membrane made of the electrolyte resin suppresses uneven impregnation and improves the uniformity of the surface of the electrolyte membrane. The quality can be improved, the manufacturing apparatus and the working environment can be made compact, and the electrolyte resin can be effectively impregnated without protruding. Thereby, the power generation performance of the fuel cell including the composite polymer membrane can be improved.

又、プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御することにより、セル化工程で端部となる位置の膜厚を、幅方向および長手方向の部分で格子状に厚くすることや、セル中央部分(触媒層が積層される部分)の薄膜化も端部の厚みとは独立に行うことが可能となり、耐久性向上と性能獲得の取り組みを独立にアプローチすることが可能となる。その結果、触媒層を張り合わせるMEA部分の膜厚を極薄くし発電性能を向上させつつ、高耐久性能を確保することが可能となる。   In addition, when producing polymer electrolyte single membranes having proton conductivity or polymer electrolyte precursor single membranes having proton conductivity by hydrolysis, the thickness of these single membranes is locally controlled to produce cells. In the process, the film thickness at the edge is thickened in a grid pattern in the width direction and the longitudinal direction, and the thickness of the cell center part (the part where the catalyst layer is laminated) is also the edge thickness. It can be done independently, and approaches to improve durability and acquire performance can be approached independently. As a result, it is possible to ensure high durability performance while improving the power generation performance by making the film thickness of the MEA portion where the catalyst layer is bonded extremely thin.

図1に、従来の、平板プレスを用いた多孔質膜に電解質を熱圧着して複合高分子電解質膜を製造する工程の一例を示す。補強膜の上下両側を電解質膜で挟み、その上下両側にテフロン(商標名)で挟んだものを、シリコンラバーを緩衝材に用いて、加熱加圧する。具体的には、高圧だと補強膜が破損するので、平板プレスで10〜15min程度、積層膜全体が溶融温度に到達するまで5kg/cm程度の低圧で加圧する。 FIG. 1 shows an example of a conventional process for producing a composite polymer electrolyte membrane by thermocompressing an electrolyte to a porous membrane using a flat plate press. The upper and lower sides of the reinforcing membrane are sandwiched between electrolyte membranes, and the upper and lower sides are sandwiched with Teflon (trade name), and heated and pressurized using silicon rubber as a buffer material. Specifically, since the reinforcing film is damaged at high pressure, pressurization is performed at a low pressure of about 5 kg / cm 2 for about 10 to 15 minutes with a flat plate press until the entire laminated film reaches the melting temperature.

図2に、本発明の、多孔質膜に予備加熱した電解質を熱圧着して複合高分子電解質膜を製造する工程の一例を示す。全てロールtoロールで、補強膜である多孔性膜を中心基材とし、該多孔性膜の両側に2枚のプロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を挟み、且つこれらの両側から2枚の剥離性保護シート(テフロンシート:商標名)を挟んで、これら剥離性保護シート−高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜−多孔性膜−高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜−剥離性保護シートを積層して送給する。これら積層体を一対の圧着ロールを構成する片方のロールとこれら一対の圧着ロール表面上を逆S字状にエンドレスに回転するSUSベルトで挟んで搬送させ、これら積層体を予備加熱して軟化させるとともに、一対のロールで圧着する。これにより、高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜が適度に軟化し、多孔性膜に均一に含浸する。具体的には、連続ロールtoロールで1minのプレ加熱により十分電解質樹脂を軟化させ、含浸させる分だけ加圧し、連続で達成可能である。   FIG. 2 shows an example of a process for producing a composite polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding of an electrolyte preheated to a porous membrane according to the present invention. All roll-to-roll, with a porous membrane as a reinforcing membrane as a central base material, two polymer electrolyte single membranes having proton conductivity on both sides of the porous membrane or a polymer having proton conductivity by hydrolysis The electrolyte precursor single film is sandwiched, and two peelable protective sheets (Teflon sheet: trade name) are sandwiched from both sides thereof, and these peelable protective sheets-polymer electrolyte single film or polymer electrolyte precursor single film -Porous membrane-Polymer electrolyte single membrane or polymer electrolyte precursor single membrane-Peelable protective sheet is laminated and fed. These laminates are transported by sandwiching one of the rolls constituting the pair of crimping rolls and the surface of the pair of crimping rolls with an SUS belt that rotates endlessly in an inverted S shape, and preliminarily heating these laminates. At the same time, it is crimped by a pair of rolls. As a result, the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane is moderately softened, and the porous membrane is uniformly impregnated. Specifically, the electrolyte resin can be sufficiently softened by preheating for 1 min with a continuous roll-to-roll, and the pressure can be continuously increased by impregnation.

図3に、本発明の、プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御する膜厚調整工程の模式図を示す。   FIG. 3 shows the control of the thickness of these single membranes in the production of the proton conductive polymer electrolyte single membrane or the proton conductive polymer electrolyte precursor single membrane according to the present invention. The schematic diagram of the film thickness adjustment process to perform is shown.

図3に示す膜厚調整方法により、幅方向・長手方向で厚膜部分が出来るように製膜する。図3中、各符号は下記の事項を表す。
X:セル化時に端部となる膜幅寸法
Y:セル化時に轄部となる長手方向寸法
D1:耐久性を確保する為に必要な膜厚
D2:性能を確保する為に必要な膜厚
L1:厚膜部分リップクリアランス
L2:薄膜部分リップクリアランス
W1:厚膜時樹脂吐出量
W2:薄膜時樹脂吐出量
V1:厚膜時引取速度
V2:薄膜時引取速度
By the film thickness adjusting method shown in FIG. 3, the film is formed so that a thick film portion is formed in the width direction and the longitudinal direction. In FIG. 3, each symbol represents the following matters.
X: film width dimension that becomes an end when formed into a cell Y: longitudinal dimension that becomes a control section when formed into a cell D1: film thickness required to ensure durability D2: film thickness L1 required to ensure performance : Thick film partial lip clearance L2: Thin film partial lip clearance W1: Thick film resin discharge amount W2: Thin film resin discharge amount V1: Thick film pulling speed V2: Thin film pulling speed

樹脂吐出量Wl及び/又はW2を周期的(Yづつ)変動させたり、引取速度V1及び/又はV2を周期的(Yづつ)変動させて、長手方向で厚膜部分が出来るように製膜する。又、リップクリアランスL1及びL2に差を設けることで、幅方向で厚膜部分が出来るように製膜する。   The resin discharge amount Wl and / or W2 is periodically changed (by Y), or the take-up speeds V1 and / or V2 are periodically changed (by Y) to form a thick film portion in the longitudinal direction. . Further, by forming a difference between the lip clearances L1 and L2, the film is formed so that a thick film portion is formed in the width direction.

図4に、図3で製造された、厚みが局部的に制御されたプロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜と補強膜との張り合わせ工程とこれらの一体化工程の模式図を示す。   FIG. 4 shows a structure of a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity whose thickness is controlled locally or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis and a reinforcing membrane manufactured in FIG. The schematic diagram of a bonding process and these integration processes is shown.

図4に示すように、補強膜の両面に電解質樹脂単膜を、電解質樹脂単膜の厚膜部分と葎膜部分が表裏で一致するように貼り合せる。次に、加熱・加圧により、溶融台浸して補強膜と電解質樹脂単膜を一体化する。これにより、格子状に厚膜化された電解質膜が完成する。   As shown in FIG. 4, the electrolyte resin single film is bonded to both surfaces of the reinforcing film so that the thick film portion and the capsule portion of the single electrolyte resin film coincide with each other. Next, the reinforcing film and the electrolyte resin single film are integrated by heating and pressing so as to be immersed in the melting table. Thereby, the electrolyte membrane thickened in a lattice shape is completed.

図5に、図4で製造された、格子状に厚膜化された電解質膜を用いて燃料電池セル組みつけ工程の模式図を示す。図5に示すように、格子状に厚膜化された電解質膜の膜厚部分がちょうどセル端部に来るように配置して、該電解質膜に触媒層、拡散層及びセパレータを組み付ける。   FIG. 5 shows a schematic view of a fuel cell assembly process using the electrolyte membrane manufactured in FIG. 4 and thickened in a lattice shape. As shown in FIG. 5, the electrolyte membrane that has been thickened in a lattice shape is arranged so that the film thickness portion is just at the end of the cell, and a catalyst layer, a diffusion layer, and a separator are assembled to the electrolyte membrane.

以下、上記図3〜図5の工程を詳しく説明する。本説明では、溶融含浸工法による電解質膜製膜工法に従って記述している。   Hereinafter, the steps of FIGS. 3 to 5 will be described in detail. In this description, the electrolyte membrane is formed according to the melt impregnation method.

図3の膜厚調整工程において、電解質単膜製造時に、セル組み付け時に端部となる部分を膜厚に製膜する。具体的には、(1)溶融押出製膜で電解質樹脂単膜を製膜する工程において、セル化工程で端部となるダイ幅方向位置を、ダイリップ調整により膜厚を厚くする、(2)セル化工程で端部となる搬送方向位置を、引取速度を減少させることによりもしくは、樹脂押出し量を減少させること等により膜厚を厚くする。   In the film thickness adjusting step of FIG. 3, at the time of manufacturing the electrolyte single film, a portion that becomes an end when the cell is assembled is formed into a film thickness. Specifically, (1) In the step of forming an electrolyte resin single film by melt extrusion film formation, the die width adjustment is performed to increase the film thickness by adjusting the die lip in the die width direction position that is the end in the cell forming step. The film thickness is increased by reducing the take-off speed or by reducing the resin extrusion amount, etc., at the conveyance direction position that becomes the end in the cell forming step.

図4の膜厚調整工程において、溶融含浸工程で補強膜の表裏に上記膜厚調整工程で製作した電解質単膜を張り合わせるが、各々セル化工程で端部とすべき膜厚を厚くしてある為、貼り合せ時にその位置が一致するように調整を実施し張り合わせる。次に、貼り合せ後に、溶融含浸する。
上記図3〜図4はロールtoロールで実現でき、生産性の観点からも好ましい。
In the film thickness adjusting process of FIG. 4, the electrolyte single film manufactured in the film thickness adjusting process is bonded to the front and back of the reinforcing film in the melt impregnation process. For this reason, adjustment is performed so that the positions match when bonding. Next, it melt-impregnates after bonding.
3 to 4 can be realized by roll-to-roll, which is preferable from the viewpoint of productivity.

図3〜図4の工程により電解質膜を作製することにより、セル化工程で端部となる位置の膜厚を、幅方向および長手方向の部分で格子状に厚くすることが可能となる。あわせて、セル中央部分(触媒層が積層される部分)の薄膜化も端部の厚みとは独立に行うことが可能となり、耐久性向上と性能獲得の取り組みを独立にアプローチすることが可能となる。その結果、触媒層を張り合わせるMEA部分の膜厚を極薄くし発電性能を向上させつつ、高耐久性能を確保することが可能となる。   By producing the electrolyte membrane by the steps of FIGS. 3 to 4, it becomes possible to increase the thickness of the end portion in the cell forming step in a lattice shape in the width direction and the longitudinal direction. At the same time, it is possible to reduce the thickness of the cell center (the part where the catalyst layer is laminated) independently of the thickness of the edges, and to approach approaches to improve durability and acquire performance independently. Become. As a result, it is possible to ensure high durability performance while improving the power generation performance by making the film thickness of the MEA portion where the catalyst layer is bonded extremely thin.

なお、上記の一連の工程はロールtoロールで製造することが可能であり、生産性にも優れている。実際の工程については、一般的な搬送技術・機構によることが可能である。   The series of steps described above can be manufactured by roll-to-roll, and is excellent in productivity. About an actual process, it is possible by a general conveyance technique and mechanism.

本発明で用いられる、多孔性膜の基材である高分子フィルム又は高分子シートとしては、共重合体を含めた単一化学構造のポリマー材料からなるものだけでなく、異なる化学構造を有する複数のポリマー材料からなるポリマーアロイやポリマーブレンドも用いることができる。また、高分子フィルム又は高分子シートとしては、無機化合物や金属などの他の材料を分散状態で含んだ複合体であってもよく、異なるプラスチックや他の材料からなる層を含んだ2以上の層構造からなる積層体であってもよい。   The polymer film or polymer sheet, which is a base material for the porous membrane, used in the present invention is not only composed of a polymer material having a single chemical structure including a copolymer, but also having a plurality of different chemical structures. Polymer alloys and polymer blends made of these polymer materials can also be used. The polymer film or polymer sheet may be a composite containing other materials such as inorganic compounds and metals in a dispersed state, and may include two or more layers including layers made of different plastics or other materials. A laminate having a layer structure may be used.

高分子フィルム又はシートの具体例としては、例えば、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、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂;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などのポリオレフィン樹脂などの樹脂(熱可塑性樹脂など)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Specific examples of the polymer film or sheet include, for example, methacrylate resins such as polymethyl methacrylate (PMMA); polystyrene, acrylonitrile-styrene copolymer (AS resin), and acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS resin). Polystyrene; Polyimide (PI); Polyetherimide (PEI); Polyamideimide; Polyesterimide; Polycarbonate (PC); Polyacetal; Polyarylene ether such as polyphenylene ether (PPO); Polyphenylene sulfide (PPS); Polyarylate; Polyaryl; Polysulfone (Polysulfone); Polyethersulfone (PES) (Polyethersulfone); Polyurethanes; Polyethylene terephthalate (PET) Polyester resins such as polyether ether ketone (PEEK) and polyether ketone ketone (PEKK); polyacrylic esters such as polybutyl acrylate and polyethyl acrylate; polybutoxymethylene Polyesters; Polysulfides; Polyphosphazenes; Polytriazines; Polycarboranes; Polynorbornene; Epoxy resin; Polyvinyl alcohol; Polyvinylpyrrolidone; Polydienes such as polyisoprene and polybutadiene; Polyisobutylene, etc. Polyalkenes; Fluorine resins such as vinylidene fluoride resin, hexafluoropropylene resin, hexafluoroacetone resin, polytetrafluoroethylene resin; polyethylene, Polypropylene, ethylene - (a thermoplastic resin) resins such as polyolefin resins such as propylene copolymer including without being limited thereto.

これら高分子フィルム又はシート基材は、細孔を有する複合高分子多孔質膜の用途に応じて適宜選択することができ、例えば、フィルター、セパレータ等の用途では、化学安定性等を考慮して、フッ素系樹脂またはオレフィン系樹脂を好適に用いることができる。   These polymer films or sheet base materials can be appropriately selected according to the use of the composite polymer porous membrane having pores. For example, in applications such as filters and separators, chemical stability and the like are considered. Fluorine resin or olefin resin can be preferably used.

高分子フィルム又はシート基材としては、その厚みは特に制限されず、細孔を有する複合高分子多孔質膜の用途に応じて適宜選択することができ、例えば、0.1μm以上(例えば、0.1μm〜10mm)であってもよい。   The thickness of the polymer film or sheet substrate is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the use of the composite polymer porous membrane having pores. For example, 0.1 μm or more (for example, 0 .1 μm to 10 mm).

本発明において高分子電解質単膜の材料となる高分子電解質には公知の種々のものを用いることができる。例えば、化学構造中にスルホン酸等の強酸基を有する化合物である、ビニルスルホン酸、ビニルホスホン酸、アリルスルホン酸、アリルホスホン酸、スチレンスルホン酸、スチレンホスホン酸等の重合物が好ましいが、本発明ではこれらに限定されるものではない。   In the present invention, various known polymer electrolytes can be used as the material for the polymer electrolyte single membrane. For example, a polymer having a strong acid group such as sulfonic acid in its chemical structure, such as a polymer such as vinyl sulfonic acid, vinyl phosphonic acid, allyl sulfonic acid, allyl phosphonic acid, styrene sulfonic acid, styrene phosphonic acid, is preferable. The invention is not limited to these.

又、本発明において高分子電解質前駆体単膜の材料となる高分子電解質前駆体には公知の種々のものを用いることができる。高分子電解質前駆体は、上記のイオン性官能基を有する高分子電解質モノマー自体だけでなく、後工程の反応によりイオン性官能基に変換する基を有するモノマーである。例えば、本発明では、高分子フィルム又はシート基材中に電解質生成モノマーを含浸させ、重合させ、さらに、分子鎖内のスルホニルハライド基[−SO]、スルホン酸エステル基[−SO]、又はハロゲン基[−X]をスルホン酸基[−SOH]とすることにより製造する。また、高分子フィルム又はシート基材中に存在する電解質生成モノマー単位に存在するフェニル基、ケトン、エーテル基などはクロルスルホン酸でスルホン酸基を導入して製造することができる。 In the present invention, various known polymer electrolyte precursors can be used as the polymer electrolyte precursor single film material. The polymer electrolyte precursor is not only a polymer electrolyte monomer itself having the above ionic functional group but also a monomer having a group that is converted into an ionic functional group by a reaction in a subsequent step. For example, in the present invention, a polymer film or sheet substrate is impregnated with an electrolyte-generating monomer, polymerized, and further, a sulfonyl halide group [—SO 2 X 1 ] or a sulfonate group [—SO 3 ] in the molecular chain. R 1 ] or a halogen group [—X 2 ] is produced by making it into a sulfonic acid group [—SO 3 H]. In addition, phenyl groups, ketones, ether groups and the like present in the electrolyte-generating monomer units present in the polymer film or sheet substrate can be produced by introducing sulfonic acid groups with chlorosulfonic acid.

本発明において、重合して高分子電解質前駆体となる電解質生成モノマーは、以下の(1)〜(6)に示すモノマーが代表的である。
(1)スルホニルハライド基を有するモノマーである、CF=CF(SO)(式中、Xはハロゲン基で−Fまたは−Clである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、及びCF=CF(OCH(CFSO)(式中、mは1〜4である。以下同じ。)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(2)スルホン酸エステル基を有するモノマーである、CF=CF(SO)(式中、Rはアルキル基で−CH、−Cまたは−C(CHである。以下同じ。)、CH=CF(SO)、及びCF=CF(OCH(CFSO)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
In the present invention, the electrolyte-forming monomers that are polymerized to become polymer electrolyte precursors are typically monomers shown in the following (1) to (6).
(1) CF 2 ═CF (SO 2 X 1 ), which is a monomer having a sulfonyl halide group (wherein X 1 is a halogen group —F or —Cl; the same shall apply hereinafter), CH 2 ═CF ( SO 2 X 1 ), and CF 2 ═CF (OCH 2 (CF 2 ) m SO 2 X 1 ) (wherein, m is 1 to 4, the same shall apply hereinafter). Monomer.
(2) CF 2 ═CF (SO 3 R 1 ), which is a monomer having a sulfonate group (wherein R 1 is an alkyl group, —CH 3 , —C 2 H 5 or —C (CH 3 ) 3 The same shall apply hereinafter.), One or more monomers selected from the group consisting of CH 2 = CF (SO 3 R 1 ) and CF 2 = CF (OCH 2 (CF 2 ) m SO 3 R 1 ).

(3)CF=CF(O(CH)(式中、Xはハロゲン基で−Br又は−Clである。以下同じ。)、及びCF=CF(OCH(CF)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(4)アクリルモノマーである、CF=CR(COOR)(式中、Rは−CH又は−Fであり、Rは−H、−CH、−C又は−C(CHである。以下同じ。)、及びCH=CR(COOR)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(3) CF 2 = CF ( O (CH 2) m X 2) ( wherein, X 2 is -Br or -Cl halogen group. Hereinafter the same.), And CF 2 = CF (OCH 2 ( CF 2 ) One or more monomers selected from the group consisting of m X 2 ).
(4) CF 2 = CR 2 (COOR 3 ) which is an acrylic monomer (wherein R 2 is —CH 3 or —F, and R 3 is —H, —CH 3 , —C 2 H 5 or — And C (CH 3 ) 3. The same shall apply hereinafter.), And one or more monomers selected from the group consisting of CH 2 = CR 2 (COOR 3 ).

(5)スチレン、スチレン誘導体モノマーである2,4−ジメチルスチレン、ビニルトルエン、及び4−tertブチルスチレンからなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(6)アセチルナフチレン、ビニルケトンCH=CH(COR)(式中、Rは−CH、−C又はフェニル基(−C)である。)、及びビニルエーテルCH=CH(OR)(式中、Rは−C2n+1(n=1〜5)、−CH(CH、−C(CH、又はフェニル基である。)からなる群から選択される1種類以上のモノマー。
(5) One or more monomers selected from the group consisting of styrene, styrene derivative monomers 2,4-dimethylstyrene, vinyltoluene, and 4-tertbutylstyrene.
(6) Acetylnaphthylene, vinyl ketone CH 2 ═CH (COR 4 ) (wherein R 4 is —CH 3 , —C 2 H 5 or a phenyl group (—C 6 H 5 )), and vinyl ether CH. 2 = CH (OR 5 ) (wherein R 5 is —C n H 2n + 1 (n = 1 to 5), —CH (CH 3 ) 2 , —C (CH 3 ) 3 , or a phenyl group. .) One or more monomers selected from the group consisting of:

所望により、本発明で用いられる電解質生成モノマーに対する架橋剤の具体例としては、ジビニルベンゼン、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、3,5−ビス(トリフルオロビニル)フェノール、及び3,5−ビス(トリフルオロビニロキシ)フェノール等が挙げられる。これら1種類以上の架橋剤を、全モノマー基準で30モル%以下の量加えて架橋重合させる。   If desired, specific examples of crosslinking agents for the electrolyte-forming monomers used in the present invention include divinylbenzene, triallyl cyanurate, triallyl isocyanurate, 3,5-bis (trifluorovinyl) phenol, and 3,5- Examples thereof include bis (trifluorovinyloxy) phenol. One or more kinds of these cross-linking agents are added in an amount of 30 mol% or less based on the total monomer to cause cross-linking polymerization.

本発明で製造される複合高分子電解質膜の用途としては、例えば、ガス拡散層、集電層、透湿層、保湿層などの燃料電池で用いられる各種部材、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の各種電池で利用される電池用セパレータなどの各種機能部材に用いることができる。   Examples of the use of the composite polymer electrolyte membrane produced in the present invention include various members used in fuel cells such as a gas diffusion layer, a current collecting layer, a moisture permeable layer, and a moisture retaining layer, a nickel metal hydride battery, and a lithium ion battery. It can be used for various functional members such as battery separators used in various types of batteries.

本発明で製造される複合高分子電解質膜を燃料電池に用いると、固体高分子電解質膜の厚さを薄くすることが可能であり、また、高分子フィルム又は高分子シート基材を電解質膜の支持体として用いるため、電解質膜の強度を補強することができるので、本発明で製造される複合高分子電解質膜を備えた燃料電池は、高耐久性であるとともに、燃料ガスのクロスリーク量が少なく、電流−電圧特性を向上することができる。   When the composite polymer electrolyte membrane produced in the present invention is used for a fuel cell, the thickness of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced, and the polymer film or the polymer sheet substrate can be used as the electrolyte membrane. Since the strength of the electrolyte membrane can be reinforced because it is used as a support, the fuel cell provided with the composite polymer electrolyte membrane produced in the present invention is highly durable and has a cross leak amount of fuel gas. Less current-voltage characteristics can be achieved.

以下、本発明の実施例を示す。
[実施例1,2及び比較例1,2]
図2に示される装置と工程で、本発明を実施した。補強膜である多孔性膜として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を2軸延伸して作製した厚さ10μmのPTFE多孔性膜を用い、電解質膜として厚さ13μmのNafion100(商標名)を用い、剥離性保護シートとして厚さ100μmのテフロンシート(商標名)を用いた。
Examples of the present invention will be described below.
[Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2]
The present invention was implemented with the apparatus and process shown in FIG. As a porous membrane as a reinforcing membrane, a PTFE porous membrane having a thickness of 10 μm prepared by biaxial stretching of polytetrafluoroethylene (PTFE) is used, and Nafion100 (trade name) having a thickness of 13 μm is used as an electrolyte membrane. A Teflon sheet (trade name) having a thickness of 100 μm was used as the peelable protective sheet.

なお、図2中、(1)〜(6)は以下の工程の領域を示す。
(1)ワッ素系電解質樹脂・補強膜、剥離性合紙を送出す工程
(2)フッ素系電解質樹脂と補強膜と剥離性合紙をラミネートする工程
(3)加熱搬送する工程
(4)ロールプレスにより加圧する工程
(5)合紙を剥離する工程
(6)溶融含浸膜を巻き取る工程
下記表1に示すロールプレス条件で比較例及び実施例を製膜した。
In FIG. 2, (1) to (6) indicate regions of the following steps.
(1) Step of sending out a fluorine-based electrolyte resin / reinforcing film and peelable slip sheet (2) Step of laminating fluorine-based electrolyte resin, reinforcing film and peelable slip sheet (3) Step of heating and conveying (4) Roll Step of pressurizing by pressing (5) Step of peeling interleaving paper (6) Step of winding up melt-impregnated film A comparative example and examples were formed under the roll press conditions shown in Table 1 below.

Figure 2008277288
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また、耐久評価は、発電試験を実施し、カソード側とアノード側の封圧変化が0.01MPaを閾値とした。下記表2に耐久評価の結果を示す。   For durability evaluation, a power generation test was performed, and a change in the sealing pressure between the cathode side and the anode side was set to 0.01 MPa as a threshold value. Table 2 below shows the results of durability evaluation.

Figure 2008277288
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以下、本発明の連続工法、予熱の技術的意義、耐熱ゴムロールの使用などについて、上記実施例に付随する事項を述べる。   Hereinafter, the matters accompanying the above-mentioned examples will be described with respect to the continuous method of the present invention, the technical significance of preheating, the use of heat-resistant rubber rolls and the like.

[連続工法]
ロールtoロール方式により含浸させる事で、単位面積あたり含浸させるのに必要な作業量(枚様式独特の切り出し・位置決め・セット等)を大幅に改善でき、必要面積を製造する時間の短縮化が図れる。ロールtoロールで製造可能となる事で、燃料電池のセル化工程すなわち触媒層形成・拡散層形成・セパレーター形成の一連の工程がロールtoロール方式で可能となり生産性が大幅に向上する。
[Continuous construction method]
By impregnating with the roll-to-roll method, the amount of work required for impregnation per unit area (cutting, positioning, setting, etc. peculiar to the sheet format) can be greatly improved, and the time required for manufacturing the required area can be shortened. . By being able to manufacture with a roll-to-roll process, a series of processes for forming a fuel cell, that is, forming a catalyst layer, forming a diffusion layer, and forming a separator, can be performed by a roll-to-roll method, and productivity is greatly improved.

[予熱の技術的意義]
予熱することで樹脂流動状態まで加熱する。このような予熱工程により、加圧時間がロールニップ時間程度の極端に短時間でも含浸することが可能となる。予熱温度は、電解質樹脂の弾性率が室温の1/10以下、1×10−7Pa以下程度になる温度以上が好ましい。フッ素系電解質樹脂の場合、200℃以上が好ましい予熱温度である。温度上限は、搬送時に生じるシワや合紙の熱的変形等を考慮して決定される。テンター把持・ロール間処理・ベルト把持等の搬送方法が適用できる。
[Technical significance of preheating]
Heat to resin flow by preheating. By such a preheating step, it is possible to impregnate even when the pressing time is extremely short such as the roll nip time. The preheating temperature is preferably equal to or higher than the temperature at which the elastic modulus of the electrolyte resin is 1/10 or less of room temperature and 1 × 10 −7 Pa or less. In the case of a fluorinated electrolyte resin, 200 ° C. or higher is a preferable preheating temperature. The upper temperature limit is determined in consideration of wrinkles generated during conveyance, thermal deformation of interleaf sheets, and the like. Conveying methods such as tenter gripping, inter-roll processing, and belt gripping can be applied.

[耐熱ゴムロールの使用]
樹脂流動状態でも流出しないように耐熱ゴムロールを使用して幅方向を密閉することも効果的である。加圧時にシリコンゴムとスチール面で膜存在空間を限定できることにより、樹脂流動状態でも膜端部からの樹脂流動を抑制することができる。電解質樹脂の弾性率が含浸を目的とした高温処理で低下している為、加圧時に樹脂がラミネート端部から流出する。ニップ時に端部が密閉されるロールの組み合わせが好適に使用できる。一例として、ゴムロールの適用が考えられる。ゴムロールの硬さはJIS−A型試験機などで定義され、およそ15〜90が一般的である。耐熱性やプレス面状や端部からの電解質樹脂は見出しを評価することでロールの組み合わせは考えられるが、少なくとも上下プレスロールのうち一本をゴムロールとし密閉性を確保するのが効果的である。
[Use of heat-resistant rubber roll]
It is also effective to use a heat-resistant rubber roll to seal the width direction so that it does not flow out even in a resin flow state. Since the film existence space can be limited by the silicon rubber and the steel surface at the time of pressurization, the resin flow from the film end can be suppressed even in the resin flow state. Since the elastic modulus of the electrolyte resin is reduced by high-temperature treatment for the purpose of impregnation, the resin flows out from the end of the laminate during pressurization. A combination of rolls whose ends are sealed at the nip can be suitably used. As an example, application of a rubber roll can be considered. The hardness of the rubber roll is defined by a JIS-A type testing machine or the like, and is generally about 15 to 90. The combination of rolls can be considered by evaluating the heading of the heat resistance, press surface shape and electrolyte resin from the end, but at least one of the upper and lower press rolls is a rubber roll and it is effective to ensure sealing .

[実施例3及び比較例3,4]
図3〜図5に示される工程で、本発明を実施した。用いた電解質膜は以下の通りである。
電解質単膜A:厚膜部分50μm、薄膜部分6μmで製作したNafionl000単膜
電解質単膜B:均一50μm膜厚条件で作製したNafion1000単膜
電解質単膜C:均一6μm膜厚条件で作製したNafion1000単膜
[Example 3 and Comparative Examples 3 and 4]
The present invention was implemented through the steps shown in FIGS. The electrolyte membrane used is as follows.
Electrolyte single membrane A: Nafion 1000 single membrane electrolyte single membrane B manufactured with thick film portion 50 μm, thin film portion 6 μm Nafion 1000 single membrane electrolyte single membrane C prepared with uniform 50 μm film thickness condition Nafion 1000 single film manufactured with uniform 6 μm film thickness condition film

貼り合せ、連続ロールプレス含浸を行い、下記条件による貼り合せ・含浸を実施した。なお、耐久評価は、発電試験を実施し、カソード側とアノード側の封圧変化が0.01MPaを閾値とした。   Bonding and continuous roll press impregnation were performed, and bonding and impregnation were performed under the following conditions. For durability evaluation, a power generation test was performed, and a change in the sealing pressure on the cathode side and the anode side was set to 0.01 MPa as a threshold value.

[実施例3]
電解質膜AをPTFEを二軸延伸して作製した厚さ10μmのPTFE多孔膜に張り合わせる。その際、表裏の厚みプロファイルが同一となるようにロール端部を位置決めして張り合わせた。
[Example 3]
The electrolyte membrane A is bonded to a 10 μm thick PTFE porous membrane produced by biaxially stretching PTFE. At that time, the roll ends were positioned and bonded so that the thickness profiles of the front and back surfaces were the same.

上述張り合わせたシートを、270℃のハードクローム鍍金ロールに180℃のシリコンゴムロールを対向させた対のロールプレス装置を用いて、搬送速度0.5m/min、プレス圧力1.2tonで熱圧ロールプレスを実施し、補強膜に電解質樹脂を含浸させ溶融含浸膜を作製した。
表裏に触媒層を貼り合せMEA前駆体とし、加水分解し発電可能なMEAとした。
Using a pair of roll press devices in which a 180 ° C. silicon rubber roll is opposed to a 270 ° C. hard chrome plating roll, the laminated sheet is a hot press roll press at a conveyance speed of 0.5 m / min and a press pressure of 1.2 ton. And a reinforcing membrane was impregnated with an electrolyte resin to prepare a melt-impregnated membrane.
The catalyst layers were bonded to the front and back to make an MEA precursor, which was hydrolyzed to generate MEA.

[比較例3]
電解質膜BをPTFEを二軸延伸して作製した厚さ10μmのPTFE多孔膜に張り合わせた。上述張り合わせたシートを、270℃のハードクローム鍍金ロールに180℃のシリコンゴムロールを対向させた対のロールプレス装置を用いて、搬送速度0.5m/minプレス圧力1.2tonで熱圧ロールプレスを実施し、補強膜に電解質樹脂を含浸させ溶融含浸膜を作製した。
表裏に触媒層を貼り合せMEA前駆体とし、加水分解し発電可能なMEAとした。
[Comparative Example 3]
The electrolyte membrane B was bonded to a 10 μm thick PTFE porous membrane produced by biaxially stretching PTFE. Using the pair of roll press devices in which the above-mentioned laminated sheets are opposed to a hard rubber plating roll of 270 ° C. with a silicon rubber roll of 180 ° C., a hot press roll press at a conveying speed of 0.5 m / min and a press pressure of 1.2 ton In practice, a reinforcing membrane was impregnated with an electrolyte resin to produce a melt-impregnated membrane.
The catalyst layers were bonded to the front and back to make an MEA precursor, which was hydrolyzed to generate MEA.

[比較例4]
電解質膜CをPTFEを二軸延伸して作製した厚さ10μmのPTFE多孔膜に張り合わせた。上述張り合わせたシートを、270℃のハードクローム鍍金ロールに180℃のシリコンゴムロールを対向させた、一対のロールプレス装置を用いて、搬送速度0.5m/minプレス圧力1.2tonで熱圧ロールプレスを実施し、補強膜に電解質樹脂を含浸させ溶融含浸膜を作製した。
[Comparative Example 4]
The electrolyte membrane C was bonded to a 10 μm thick PTFE porous membrane prepared by biaxially stretching PTFE. Using the pair of roll press devices in which the 180 ℃ silicon rubber roll is opposed to the 270 ° C. hard chrome plating roll, the laminated sheet is a hot press roll press at a conveying speed of 0.5 m / min and a press pressure of 1.2 ton. And a reinforcing membrane was impregnated with an electrolyte resin to prepare a melt-impregnated membrane.

表裏に触媒層を貼り合せMEA前駆体とし、加水分解し発電可能なMEAとした。下記表3に発電性能評価及び耐久評価の結果を示す。   The catalyst layers were bonded to the front and back to make an MEA precursor, which was hydrolyzed to generate MEA. Table 3 below shows the results of power generation performance evaluation and durability evaluation.

Figure 2008277288
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本発明によれば、複合多孔質電解質膜の耐久性を向上させることが可能であり、本発明で製造された高分子電解質膜を備えた燃料電池は、高耐久性であるとともに、燃料ガスのクロスリーク量が少なく、電流−電圧特性を向上することができる。これにより、燃料電池の耐久性と発電性能を高め、その実用化及び普及に貢献する。   According to the present invention, it is possible to improve the durability of the composite porous electrolyte membrane, and the fuel cell including the polymer electrolyte membrane manufactured according to the present invention is highly durable, and the fuel gas The amount of cross leak is small, and the current-voltage characteristics can be improved. This enhances the durability and power generation performance of the fuel cell and contributes to its practical use and spread.

従来の、平板プレスを用いた多孔質膜に電解質を熱圧着して複合高分子電解質膜を製造する工程の一例を示す。An example of a conventional process for producing a composite polymer electrolyte membrane by thermocompressing an electrolyte to a porous membrane using a flat plate press will be described. 本発明の、多孔質膜に予備加熱した電解質を熱圧着して複合高分子電解質膜を製造する工程の一例を示す。An example of the process of manufacturing a composite polymer electrolyte membrane by thermocompression bonding of an electrolyte preheated to a porous membrane according to the present invention will be described. プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御する膜厚調整工程の模式図を示す。Schematic diagram of film thickness adjustment process for locally controlling the thickness of these single membranes in the production of proton conductive polymer electrolyte single membranes or polymer electrolyte precursor single membranes having proton conductivity by hydrolysis Indicates. 図3で製造された、厚みが局部的に制御されたプロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜と補強膜との張り合わせ工程とこれらの一体化工程の模式図を示す。3. A process of bonding a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity whose thickness is locally controlled or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis and a reinforcing membrane manufactured in FIG. The schematic diagram of the integration process is shown. 図4で製造された、格子状に厚膜化された電解質膜を用いて燃料電池セル組みつけ工程の模式図を示す。The schematic diagram of a fuel cell assembly | attachment process is shown using the electrolyte membrane thickened in the grid | lattice form manufactured in FIG.

Claims (24)

補強膜である多孔性膜を送給する手段と、プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を送給する手段と、該多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段と、該高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる手段とを備える複合高分子電解質膜の製造装置。   Means for feeding a porous membrane as a reinforcing membrane, means for feeding a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, and the porosity Means for heating a membrane and a polymer electrolyte single membrane, or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis with the porous membrane, and proton conductivity by the polymer electrolyte single membrane or hydrolysis An apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane comprising means for pressure impregnating the porous membrane with a polymer electrolyte precursor single membrane. 前記各手段が連続操作可能であることを特徴とする請求項1に記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   2. The apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein each means can be operated continuously. 前記多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段と、前記高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を多孔性膜に加圧含浸させる手段が、一連のベルトプレス及びロールからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   Means for heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, and the proton conduction by the polymer electrolyte single membrane or hydrolysis The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 1 or 2, wherein the means for pressurizing and impregnating the porous membrane with the polymer electrolyte precursor single membrane having a property comprises a series of belt presses and rolls. apparatus. 前記高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加熱する手段がベルトプレス及び加熱ローラであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   The means for heating the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis is a belt press or a heating roller. Production equipment for composite polymer electrolyte membranes. 前記ベルトプレスがスチールベルトであり、前記加熱ローラがスチールローラであることを特徴とする請求項4に記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   The apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 4, wherein the belt press is a steel belt, and the heating roller is a steel roller. 前記高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる手段が、1対の加圧ローラであり、その少なくとも1方のローラの表面が軟質であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   The means for pressure impregnating the porous membrane with the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis is a pair of pressure rollers, and at least one of the rollers The apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 1, wherein the surface of the composite polymer electrolyte is soft. 前記プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御する膜厚調整手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   When manufacturing the polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, a film thickness adjusting means for locally controlling the thickness of these single membranes is provided. The apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 1 to 6, wherein: 前記膜厚調整手段が、溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の吐出量を周期的に変動させるものであることを特徴とする請求項7に記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   The film thickness adjusting means periodically varies the discharge rate when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film. The apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 7, wherein: 前記膜厚調整手段が、溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の引き取り速度を周期的に変動させるものであることを特徴とする請求項7に記載の複合高分子電解質膜の製造装置。   The film thickness adjusting means periodically varies the take-up speed when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is formed by extrusion. The apparatus for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 7, wherein: 補強膜である多孔性膜を送給する工程と、プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を送給する工程と、該多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を後述の加圧含浸工程の前に加熱する工程と、該高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる工程とを備える複合高分子電解質膜の製造方法。   A step of feeding a porous membrane as a reinforcing membrane, a step of feeding a polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, and the porosity Heating the membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step described below, and the polymer electrolyte single membrane Or a method of producing a composite polymer electrolyte membrane comprising a step of pressure impregnating the porous membrane with a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis. 前記各工程を連続に操作することを特徴とする請求項10に記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 10, wherein the steps are continuously operated. 前記多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を後述の加圧含浸工程の前に加熱する工程と、前記高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を多孔性膜に加圧含浸させる工程を、一連のベルトプレス及びロールを用いて行なうことを特徴とする請求項10又は11に記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   Heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step described later, and the polymer 11. The process of pressure impregnating a porous membrane with an electrolyte single membrane or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, using a series of belt presses and rolls. 11. A method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to item 11. 前記多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を後述の加圧含浸工程の前に加熱する工程をベルトプレス及び加熱ローラで行なうことを特徴とする請求項10乃至12のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The step of heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step described below is performed by a belt press and heating. The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 10 to 12, wherein the method is carried out using a roller. 前記ベルトプレスがスチールベルトであり、前記加熱ローラがスチールローラであることを特徴とする請求項13に記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 13, wherein the belt press is a steel belt, and the heating roller is a steel roller. 前記多孔性膜と高分子電解質単膜、又は該多孔性膜と加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を加圧含浸工程の前に加熱する工程が、10秒〜2分間であることを特徴とする請求項10乃至14のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The step of heating the porous membrane and the polymer electrolyte single membrane, or the porous membrane and the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis before the pressure impregnation step is 10 seconds to 2 minutes. The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 10 to 14, wherein: 前記高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を該多孔性膜に加圧含浸させる工程を、1対の加圧ローラで少なくとも1回以上行なうことを特徴とする請求項10乃至15のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The step of pressure impregnating the porous membrane with the polymer electrolyte single membrane or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis is performed at least once with a pair of pressure rollers. The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 10 to 15. 前記1対の加圧ローラの少なくとも1方のローラの表面が軟質であることを特徴とする請求項16に記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 16, wherein the surface of at least one of the pair of pressure rollers is soft. 補強膜である多孔性膜と、該多孔性膜の両側に2枚のプロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を挟み、且つこれらの両側から2枚の剥離性保護シートを挟んで、これら剥離性保護シート−高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜−多孔性膜−高分子電解質単膜又は高分子電解質前駆体単膜−剥離性保護シートを積層して送給することを特徴とする請求項10乃至17のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   Sandwiching a porous membrane as a reinforcing membrane and two polymer electrolyte single membranes having proton conductivity on both sides of the porous membrane or a polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis; and Two peelable protective sheets are sandwiched from both sides of the film, and these peelable protective sheets-polymer electrolyte single membrane or polymer electrolyte precursor single membrane-porous membrane-polymer electrolyte single membrane or polymer electrolyte precursor single The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to any one of claims 10 to 17, wherein a membrane-peelable protective sheet is laminated and fed. 前記プロトン伝導性を有する高分子電解質単膜又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体単膜を製造するに当り、これら単膜の厚みを局部的に制御することを特徴とする請求項10乃至18のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   In manufacturing the polymer electrolyte single membrane having proton conductivity or the polymer electrolyte precursor single membrane having proton conductivity by hydrolysis, the thickness of these single membranes is locally controlled. Item 19. A method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to any one of Items 10 to 18. 溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の吐出量を周期的に変動させることにより、これら単膜の厚みを局部的に制御することを特徴とする請求項19に記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The thickness of these single membranes can be varied by periodically varying the discharge rate when a molten polymer electrolyte having proton conductivity or a polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film. The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 19, wherein the control is locally controlled. 溶融された、プロトン伝導性を有する高分子電解質又は加水分解によりプロトン伝導性を有する高分子電解質前駆体を押出して製膜する際の引き取り速度を周期的に変動させることにより、これら単膜の厚みを局部的に制御することを特徴とする請求項19に記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The thickness of these single membranes is varied by periodically varying the take-off speed when the molten polymer electrolyte having proton conductivity or the polymer electrolyte precursor having proton conductivity by hydrolysis is extruded to form a film. The method for producing a composite polymer electrolyte membrane according to claim 19, wherein the control is locally controlled. 前記多孔性膜が、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、共重合成分を10モル%以下含むテトラフルオロエチレン共重合体、及び、ポリシロキサンから選択される1種以上であることを特徴とする請求項10乃至21のいずれかに記載の複合高分子電解質膜の製造方法。   The porous membrane is at least one selected from polytetrafluoroethylene (PTFE), a tetrafluoroethylene copolymer containing 10 mol% or less of a copolymer component, and polysiloxane. The manufacturing method of the composite polymer electrolyte membrane in any one of 10 thru | or 21. 請求項1乃至9のいずれかに記載の装置で製造される複合高分子電解質膜からなる機能性膜。   A functional membrane comprising a composite polymer electrolyte membrane produced by the apparatus according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれかに記載の装置で製造される複合高分子電解質膜を有する固体高分子型燃料電池。   A polymer electrolyte fuel cell having a composite polymer electrolyte membrane produced by the apparatus according to claim 1.
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