CN102763255A - 膜-催化剂层接合体的制造方法 - Google Patents

膜-催化剂层接合体的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法。为了抑制在使催化剂浆液干燥来形成催化剂层(4a)时高分子电解质膜(1)发生卷曲的情况，根据本发明的膜-催化剂层接合体的制造方法，准备通过将形状保持薄膜(2)以向高分子电解质膜(1)的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴在高分子电解质膜(1)的一方的面上而形成的膜-形状保持薄膜接合体，之后，在高分子电解质膜(1)的另一方的面上形成催化剂层(4a)。

Description

膜-催化剂层接合体的制造方法
技术领域
本发明涉及例如作为便携式电子设备、机动车等移动体、分散发电系统及家庭用的热电联供系统等的驱动电源而使用的燃料电池，尤其涉及该燃料电池所具备的膜-催化剂层接合体的制造方法。
背景技术
燃料电池(例如高分子电解质形燃料电池)是通过使含有氢的燃料气体和空气等含有氧的氧化剂气体发生电化学反应，而同时产生电力、热量和水的装置。
燃料电池通常通过将多个单体层叠，并利用螺栓或带等紧固构件将这多个单体加压紧固而构成。一个单体通过利用一对板状的导电性的隔板夹持膜电极接合体(以下，称为MEA：Membrane-Electrode-Assembly)而构成。
MEA由高分子电解质膜和在该高分子电解质膜的两面配置的一对电极层构成。一对电极层中的一方为阳极电极，另一方为阴极电极。一对电极层分别由催化剂层和气体扩散层构成，其中，催化剂层以担载有金属催化剂的碳粉末为主成分，气体扩散层配置在该催化剂层上，多孔质且具有导电性。在此，将高分子电解质膜与催化剂层的接合体称为膜-催化剂层接合体(CCM：Catalyst-coated membrane)。通过使燃料气体与所述阳极电极接触，且使氧化剂气体与所述阴极电极接触，由此产生电化学反应，从而产生电力、热量和水。
接着，利用图9A～图9F，对现有的膜-催化剂层接合体的制造方法的一例进行说明(例如，参照专利文献1：日本特开2002-289207号公报)。
首先，如图9A所示，在高分子电解质膜101的一方的面上粘贴第一形状保持薄膜102。接着，如图9B所示，在高分子电解质膜101的另一方的面上涂敷第一催化剂浆液(ink)，之后使其干燥而形成第一催化剂层104a。接着，如图9C所示，在第一催化剂层104a上粘贴第二形状保持薄膜103。接着，如图9D所示，将粘贴在高分子电解质膜101的一方的面上的第一形状保持薄膜102除去。接着，如图9E所示，在高分子电解质膜101的一方的面上涂敷第二催化剂浆液，之后使其干燥而形成第二催化剂层104b。接着，如图9F所示，在第二催化剂层104b上粘贴第三形状保持薄膜105。
如上所述，在高分子电解质膜101上直接印刷或涂敷催化剂浆液来制造膜-催化剂层接合体的技术能够使高分子电解质膜101与催化剂层104a、104b的界面阻力极其低，因此作为理想的膜-催化剂层接合体的制造方法而受到注目。
通常，高分子电解质膜101为非常薄(例如20μm～50μm)且即使在少量的湿气作用下也容易变形的构件。因此，在高分子电解质膜101上直接印刷或涂敷有催化剂浆液的情况下，催化剂浆液所含有的溶剂会浸入高分子电解质膜101中，而如图10中箭头所示那样作用使高分子电解质膜101从内侧朝向外侧要鼓起的力。在该力的作用下，高分子电解质膜101溶胀，因该溶胀而容易在高分子电解质膜101上产生褶皱及针孔。该高分子电解质膜101的褶皱及针孔成为使燃料电池的发电性能降低的主要原因。与此相对，根据上述现有的制造方法，由于在高分子电解质膜101的涂敷催化剂浆液的面的相反侧的面上预先粘贴形状保持薄膜101、102，因此能够抑制褶皱及针孔的产生。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2002-289207号公报
然而，在上述制造方法中，存在如下问题：在为了形成催化剂层104a而使催化剂浆液干燥时，高分子电解质膜101中的水分也被干燥。这种情况下，如图11中箭头所示那样作用使高分子电解质膜101从外侧朝向内侧要收缩的力，从而高分子电解质膜101收缩。因该收缩，如图12所示，高分子电解质膜101与第一形状保持薄膜102及第一催化剂层104a一起卷曲(在宽度方向上弯曲)。这样的高分子电解质膜101的卷曲引起外观不良，尤其是在利用辊对辊方式的制造装置来制造膜-催化剂层接合体的情况下，会引起搬运故障等。此外，高分子电解质膜101的卷曲在使第二催化剂浆液干燥时也发生。
发明内容
因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够在为了形成催化剂层而使催化剂浆液干燥时抑制高分子电解质膜发生卷曲的膜-催化剂层接合体的制造方法。
为了实现上述目的，本发明如下这样构成。
根据本发明，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，其为燃料电池用的膜-催化剂层接合体的制造方法，包括：
准备膜-形状保持薄膜接合体的准备工序，该膜-形状保持薄膜接合体通过在高分子电解质膜的一方的面上将比所述电解质膜宽度长的形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴而形成；
在粘贴有所述形状保持薄膜的所述电解质膜的另一方的面上涂敷催化剂浆液，之后使其干燥而形成催化剂层的催化剂层形成工序。
【发明效果】
根据本发明的膜-催化剂层接合体的制造方法，准备通过将形状保持薄膜以向高分子电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴在高分子电解质膜的一方的面上而形成的膜-形状保持薄膜接合体，之后，在高分子电解质膜的另一方的面上形成催化剂层，因此能够抑制高分子电解质膜发生卷曲的情况。由此，能够抑制搬运故障或外观不良的产生。其结果是，能够利用辊·对·辊方式的制造装置来制造膜-催化剂层接合体，并能够使膜-催化剂层接合体的生产效率提高。
附图说明
本发明的上述及其它目的、特征通过基于附图对优选实施方式的如下相关记述而得以明确。在该附图中，
图1是本发明的实施方式的膜-催化剂层接合体的制造装置的简要说明图。
图2A是示意性表示本发明的实施方式的膜-催化剂层接合体的制造方法的剖视图。
图2B是表示接着图2A的工序的剖视图。
图2C是表示接着图2B的工序的剖视图。
图2D是表示接着图2C的工序的剖视图。
图2E是表示接着图2D的工序的剖视图。
图2F是表示接着图2E的工序的剖视图。
图3是表示第一形状保持薄膜的耳部的宽度与高分子电解质膜的卷曲高度的关系的图表。
图4是表示第二形状保持薄膜与高分子电解质膜的粘接强度和第二形状保持薄膜的耳部的宽度的关系的图表。
图5是示意性表示空气流入到高分子电解质膜与具有耳部的第二形状保持薄膜之间的情况的剖视图。
图6A是示意性表示将具有耳部的第二形状保持薄膜相对于高分子电解质膜向左侧偏移而进行粘贴的状态的剖视图。
图6B是示意性表示将具有耳部的第二形状保持薄膜相对于高分子电解质膜向右侧偏移而进行粘贴的状态的剖视图。
图7是示意性表示空气的肋(筋)朝向外部移动的情况的俯视图。
图8A是示意性表示空气的肋残留在高分子电解质膜与第二形状保持薄膜之间的状态的俯视图。
图8B是示意性表示空气的肋残留在高分子电解质膜与第二形状保持薄膜之间的状态的剖视图。
图9A是示意性表示现有的膜-催化剂层接合体的制造方法的剖视图。
图9B是表示接着图9A的工序的剖视图。
图9C是表示接着图9B的工序的剖视图。
图9D是表示接着图9C的工序的剖视图。
图9E是表示接着图9D的工序的剖视图。
图9F是表示接着图9E的工序的剖视图。
图10是示意性表示作用有使高分子电解质膜从内侧朝向外侧要鼓起的力的状态的图。
图11是示意性表示作用有使高分子电解质膜从外侧朝向内侧要收缩的力的状态的剖视图。
图12是表示高分子电解质膜与第一形状保持薄膜及第一催化剂层一起卷曲的状态的立体图。
图13是示意性表示空气流入到高分子电解质膜与不具有耳部的第二形状保持薄膜之间的情况的剖视图。
图14A是示意性表示将不具有耳部的第二形状保持薄膜相对于高分子电解质膜向左侧偏移而进行粘贴的状态的剖视图。
图14B是示意性表示将不具有耳部的第二形状保持薄膜相对于高分子电解质膜向右侧偏移而进行粘贴的状态的剖视图。
具体实施方式
本发明的发明人们为了解决上述现有技术的问题而反复仔细研究，其结果是，得出以下的见解。
在现有的制造方法中，考虑成本等，而使高分子电解质膜的宽度与形状保持薄膜的宽度相同。与此相对，在使形状保持薄膜的宽度比高分子电解质膜的宽度长，且将形状保持薄膜以向高分子电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴于该高分子电解质膜时，得出高分子电解质膜的卷曲大幅减少这样的见解。推测这是由于向高分子电解质膜的宽度方向的两侧伸出的形状保持薄膜的部分作为重物而发挥功能，对高分子电解质膜向卷曲方向的相反方向施加力的缘故。基于上述的见解，本发明的发明人们想到了以下的本发明。
根据本发明的第一方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，其为燃料电池用的膜-催化剂层接合体的制造方法，包括：
准备膜-形状保持薄膜接合体的准备工序，该膜-形状保持薄膜接合体通过在高分子电解质膜的一方的面上将比所述电解质膜宽度长的形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴而形成；
在粘贴有所述形状保持薄膜的所述电解质膜的另一方的面上涂敷催化剂浆液，之后使其干燥而形成催化剂层的催化剂层形成工序。
根据本发明的第二方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第一方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，所述形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为5mm以上。
根据本发明的第三方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第一方式或第二方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，还包括：
在形成有所述催化剂层的所述电解质膜的另一方的面上，将比所述电解质膜宽度长的第二形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴的第二薄膜粘贴工序；
从粘贴有所述第二形状保持薄膜的所述电解质膜剥离所述形状保持薄膜的薄膜剥离工序；
在将所述形状保持薄膜剥离而露出的所述电解质膜上涂敷第二催化剂浆液，之后使其干燥而形成第二催化剂层的第二催化剂层形成工序。
根据本发明的第四方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第三方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，所述第二形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为5mm以上。
根据本发明的第五方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第三方式或第四方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，所述第二形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为50mm以下。
根据本发明的第六方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第三方式～第五方式中任一方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，所述第二形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为30mm以下。
根据本发明的第七方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第三方式～第六方式中任一方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，还包括：在形成有所述第二催化剂层的所述电解质膜的一方的面上，将比所述电解质膜宽度长的第三形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴的第三薄膜粘贴工序。
根据本发明的第八方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第七方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，所述第三形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为50mm以下。
根据本发明的第九方式，提供一种膜-催化剂层接合体的制造方法，在第七方式或第八方式所述的膜-催化剂层接合体的制造方法的基础上，所述第三形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为30mm以下。
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
《实施方式》
图1是表示本发明的实施方式的膜-催化剂层接合体的制造装置的简要结构的图。本实施方式的膜-催化剂层接合体例如用于作为便携式电子设备、机动车等移动体、分散发电系统及家庭用的热电联供系统等的驱动电源而使用的燃料电池中。
在图1中，本实施方式的膜-催化剂层接合体的制造装置为所谓的辊对辊方式的制造装置。具体而言，本实施方式的膜-催化剂层接合体的制造装置具备供给辊11、剥离装置12、支承辊13、模14、干燥装置15、形状保持薄膜供给装置16、粘贴装置17、卷绕辊18。
在供给辊11上缠绕有高分子薄膜10。在本实施方式中，高分子薄膜10是指具有图2A～图2F中任一个所示的结构的高分子薄膜10a～10f。
如图2A所示，在高分子电解质膜1的第一面(另一方的面)上形成第一催化剂层4a的情况下，在供给辊11上缠绕具有图2A所示的结构的高分子薄膜10a。即，在供给辊11上缠绕具有在片状的高分子电解质膜1的第二面(一方的面)上粘贴有第一形状保持薄膜2的结构的高分子薄膜10a。第一形状保持薄膜2的与搬运方向X正交的方向上的宽度比高分子电解质膜1的与搬运方向X正交的方向上的宽度长，该第一形状保持薄膜2以向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴于该高分子电解质膜1。以下，将向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的第一形状保持薄膜2的部分称为耳部2a。耳部2a沿第一形状保持薄膜2的长度方向连续地形成。需要说明的是，在此将具有这样的耳部2a的高分子薄膜10a称为膜-形状保持薄膜接合体。
另外，如图2E所示，在高分子电解质膜1的第二面(一方的面)上形成第二催化剂层4b的情况下，在供给辊11上缠绕具有图2C所示的结构的高分子薄膜10c。即，在供给辊11上缠绕具有如下结构的高分子薄膜10c，该高分子薄膜10c的结构为：在片状的高分子电解质膜1的第一面(另一方的面)上以覆盖第一催化剂层4a的方式粘贴第二形状保持薄膜3，并且在第二面(一方的面)上粘贴有第一形状保持薄膜2。第二形状保持薄膜3的与搬运方向X正交的方向上的宽度比高分子电解质膜1的与搬运方向X正交的方向上的宽度长，该第二形状保持薄膜3以向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴于该高分子电解质膜1。以下，将向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的第二形状保持薄膜3的部分称为耳部3a。耳部3a沿第二形状保持薄膜3的长度方向连续地形成。
作为高分子电解质膜1，可以使用氟系、烃系等以往使用的各种高分子电解质膜。例如，作为高分子电解质膜1，可以使用由全氟碳磺酸构成的高分子电解质膜(例如，美国DuPont公司制的Nafion(注册商标)、旭硝子(株式会社)制的Flemion(注册商标)、旭化成(株式会社)制的Aciplex(注册商标)等)。高分子电解质膜1通常是非常薄且即使在少量的湿气下也容易变形的构件。因此，在高分子电解质膜1的第一面或第二面上粘贴第一、第二或第三形状保持薄膜2、3或5。需要说明的是，第三形状保持薄膜5也与第一及第二形状保持薄膜2、3同样，与搬运方向X正交的方向上的宽度比高分子电解质膜1的与搬运方向X正交的方向上的宽度长，且该第三形状保持薄膜5以向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴于该高分子电解质膜1。以下，将向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的第三形状保持薄膜5的部分称为耳部5a。耳部5a沿第三形状保持薄膜5的长度方向连续地形成。
作为第一、第二或第三形状保持薄膜2、3、5，例如可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、氟树脂等。第一、第二或第三形状保持薄膜2、3、5只要是具有在叠层加工时不发生热变形的耐热性的薄膜即可。
从供给辊11拉出的高分子薄膜10悬架于支承辊13，并卷绕到卷绕辊18上。卷绕辊18具备未图示的电动机，通过在该电动机的驱动力的作用下连续地旋转而将高分子薄膜10连续地卷绕。在本实施方式中，如后所述，在高分子薄膜10被从供给辊11拉出而直至卷绕到卷绕辊18上为止的期间，在高分子电解质膜1的第一面(或第二面)上形成第一催化剂层4a(或第二催化剂层4b)，因此能够进行膜-催化剂层接合体的大量生产。
剥离装置12是在从供给辊11供给图2C所示的高分子薄膜10c时，从高分子电解质膜1剥离第一形状保持薄膜2的装置。通过该剥离装置12剥离第一形状保持薄膜2，从而向支承辊13供给图2D所示的高分子薄膜10d。需要说明的是，在从供给辊11供给图2A的高分子薄膜10a时，剥离装置12不驱动。
支承辊13例如是直径设定为300mm的圆柱形的构件。需要说明的是，由于在高分子电解质膜1上粘贴第一形状保持薄膜2或第二形状保持薄膜3，因此不需要在支承辊13上设置吸引功能。
模14配置在隔着高分子薄膜10与支承辊13对置的位置上。在模14上连接有供给泵P。模14构成为能够将从供给泵P供给来的催化剂层形成用的催化剂浆液朝向高分子薄膜10的与支承辊13接触的部分喷出(涂敷)。
催化剂浆液是在溶剂中混合有担载了铂系金属催化剂的碳微粒子的浆液。作为金属催化剂，例如可以使用铂、钌、铑及铱等。作为碳粉末，可以使用碳黑、科琴黑及乙炔黑等。作为溶剂，可以使用水、乙醇、正丙醇及正丁醇等醇系、以及醚系、酯系及氟系等的有机溶剂。通过使铂系金属催化剂浆液的溶剂干燥，由此能够形成以担载有金属催化剂的碳粉末为主成分的第一及第二催化剂层4a、4b。
干燥装置15在比支承辊13靠搬运方向X的下游侧以包围高分子薄膜10的方式配置。干燥装置15是对通过模14涂敷到高分子电解质膜1的第一面(或第二面)上的催化剂浆液从高分子电解质膜1的第一面及第二面这两方进行加热而使其干燥的装置。通过该干燥装置15所进行的干燥，催化剂浆液的溶剂完全干燥而形成第一催化剂层4a(或第二催化剂层4b)。作为干燥装置15，例如可以使用对流式热风干燥装置。
形状保持薄膜供给装置16配置得比干燥装置15靠搬运方向X的下游侧。形状保持薄膜供给装置16是在通过干燥装置15形成图2B所示的高分子薄膜10b时，向该高分子薄膜10b的第一面粘贴第二形状保持薄膜3的装置。另外，形状保持薄膜供给装置16还是在通过干燥装置15形成图2E所示的高分子薄膜10e时，向该高分子薄膜10e的第二面粘贴第三形状保持薄膜5的装置。
粘贴装置17配置得比形状保持薄膜供给装置16靠搬运方向X的下游侧。粘贴装置17构成为能够将第一、第二或第三形状保持薄膜1～3以保持规定的接合强度的方式粘贴在高分子电解质膜1的第一面或第二面上。具体而言，粘贴装置17由一组圆柱形的粘贴辊17a、17b构成。粘贴辊17a、17b是例如直径为200mm的圆柱形的构件。粘贴辊17a、17b构成为在向它们之间供给高分子薄膜10时，彼此接近而对高分子薄膜10施加规定的压力及热量。
接着，对本实施方式的膜-催化剂层接合体的制造方法进行说明。
首先，准备图2A所示的高分子薄膜(膜-形状保持薄膜接合体)10a，该高分子薄膜10a通过将比高分子电解质膜1宽度长的第一形状保持薄膜2以向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴在高分子电解质膜1的第二面(一方的面)上而形成(准备工序)。
接着，将图2A所示的高分子薄膜10a缠绕在供给辊11上，并如图1所示那样，以悬架到支承辊13上并向卷绕辊18卷绕的方式来安置高分子薄膜10a。
接着，驱动卷绕辊18的电动机(未图示)，将高分子薄膜10a从供给辊11朝向卷绕辊18连续地输送。
接着，从供给泵P将催化剂浆液通过模14而向在所述输送动作的作用下位于支承辊13上的高分子薄膜10a喷出。由此，向高分子电解质膜1的第一面(另一方的面)涂敷催化剂浆液。
接着，通过干燥装置15对在所述输送动作的作用下输送到干燥装置15内的涂敷完催化剂浆液的高分子薄膜10a进行加热。由此，从高分子电解质膜1的第一面及第二面这两方对高分子电解质膜1进行加热而使催化剂浆液干燥，从而如图2B所示那样形成第一催化剂层4a(第一催化剂层形成工序)。此时，第一形状保持薄膜2的耳部2a作为重物而发挥功能，来抑制高分子电解质膜1的卷曲。
接着，通过形状保持薄膜供给装置16将比高分子电解质膜1宽度长的第二形状保持薄膜3以向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的方式向在所述输送动作的作用下输送到形状保持薄膜供给装置16的下方的图2B所示的高分子薄膜10b的第一面上供给。由此，形成高分子电解质膜1和第二形状保持薄膜3未接合的图2C所示的高分子薄膜10c。
接着，由粘贴辊17a、17b对在所述输送动作的作用下输送到粘贴装置17的粘贴辊17a、17b之间的所述未接合的高分子薄膜10c施加压力及热量。通过该压力及热量，使高分子电解质膜1与第二形状保持薄膜3接合(第二薄膜粘贴工序)。
接着，通过继续进行所述输送动作，将图2C所示的高分子薄膜10c卷绕到卷绕辊18上。
接着，将图2C所示的高分子薄膜10c缠绕到供给辊11上，并如图1所示那样，以悬架到支承辊13上并向卷绕辊18卷绕的方式来安置高分子薄膜10c。此时，以使高分子薄膜10d的第二面(没有形成第一催化剂层4a的面)相对于模13露出的方式安置高分子薄膜10c。
接着，驱动卷绕辊18的电动机(未图示)，将高分子薄膜10c从供给辊11朝向卷绕辊18连续地输送。
接着，从在所述输送动作的作用下输送到剥离装置12的下方的高分子薄膜10c将第一形状保持薄膜2剥离，来制成图2D所示的高分子薄膜10d(第一薄膜剥离工序)。
接着，从供给泵P将催化剂浆液通过模14向在所述输送动作的作用下位于支承辊13上的高分子薄膜10d喷出。由此，向高分子电解质膜1的第二面涂敷催化剂浆液。需要说明的是，此时，向高分子电解质膜1的第二面涂敷的催化剂浆液(第二催化剂浆液)与涂敷到高分子电解质膜1的第一面上的催化剂浆液(第一催化剂浆液)可以相同，也可以不同。
接着，通过干燥装置15对在所述输送动作的作用下输送到干燥装置15内的涂敷完催化剂浆液的高分子薄膜10d进行加热。由此，从高分子电解质膜1的第一面及第二面这两方对高分子电解质膜1进行加热而使催化剂浆液干燥，从而如图2E所示那样形成第二催化剂层4b(第二催化剂层形成工序)。此时，第二形状保持薄膜3的耳部3a作为重物而发挥功能，来抑制高分子电解质膜1的卷曲。
接着，通过形状保持薄膜供给装置16将比高分子电解质膜1宽度长的第三形状保持薄膜5以向高分子电解质膜1的宽度方向的两侧伸出的方式向在所述输送动作的作用下输送到形状保持薄膜供给装置16的下方的图2E所示的高分子薄膜10e的第二面上供给。由此，形成高分子电解质膜1和第三形状保持薄膜5未接合的图2F所示的高分子薄膜10f。
接着，通过粘贴辊17a、17b对在所述输送动作的作用下输送到粘贴装置17的粘贴辊17a、17b之间的所述未接合的高分子薄膜10f施加压力及热量。通过该压力及热量，使高分子电解质膜1与第三形状保持薄膜5接合(第三薄膜粘贴工序)。
接着，通过继续进行所述输送动作，将图7所示的高分子薄膜10f卷绕到卷绕辊18上。由此，来制造本实施方式的膜-催化剂层接合体。
在本实施方式的膜-催化剂层接合体的制造方法中，由于第一形状保持薄膜2形成为具有耳部2a，因此耳部2a作为重物而发挥功能，从而能够抑制高分子电解质膜1卷曲的情况。由此，能够抑制高分子薄膜10b、10e在粘贴辊17a、17b之间堵塞等搬运故障或高分子薄膜10c、10f的外观不良的产生。其结果是，能够利用辊对辊方式的制造装置来制造膜-催化剂层接合体，能够提高膜-催化剂层接合体的生产效率。
接着，说明对通过本实施方式的膜-催化剂层接合体的制造方法制造出的高分子电解质膜的卷曲高度、及高分子电解质膜与形状保持薄膜的粘接强度进行验证后的结果。
在下表1中示出关于改变第一形状保持薄膜2的耳部2a的宽度而形成的高分子薄膜10b的卷曲高度、在该高分子薄膜10b上粘贴第二形状保持薄膜3而成的高分子薄膜10c的接合强度的数据。图3通过基于下表1的数据，将第一形状保持薄膜2的耳部2a的宽度与高分子电解质膜1的卷曲高度的关系图表化而得到。图4通过基于下表1的数据，将第二形状保持薄膜3的耳部3a的宽度与高分子薄膜10c的粘接强度的关系图表化而得到。
[表1]
  耳部(一侧)   0mm   3mm   4mm   5mm   15mm   35mm   36mm   50mm   51mm
  卷曲高度   70mm   34mm   16mm   3mm   2mm   1.5mm   1mm   0.5mm   0.0mm
   卷曲判定   ×   ○   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎   ◎
  粘接强度比   3.2   4.2   5.0   5.0   6.0   2.6   2.4   1.0   0.2
  粘接判定   ○   ◎   ◎   ◎   ◎   ○   ○   ○   ×
  综合判定   ×   ○   ○   ◎   ◎   ○   ○   ○   ×
表1的数据是在0～51mm的范围内使第一形状保持薄膜2的两侧的耳部2a、2a的宽度及第二形状保持薄膜3的耳部3a、3a的宽度全部为相同的尺寸时的数据。
另外，在表1中，“卷曲高度”的数据是与高分子电解质膜1的卷曲高度相当的高分子薄膜10b的卷曲高度的数据。在表1的“卷曲判定”这栏中，叉标记意味着发生因卷曲高度引起的搬运故障的情况。圆标记意味着发生因卷曲高度引起的搬运故障的可能性低的情况。双圆意味着发生因卷曲高度引起的搬运故障的可能性几乎没有的情况。
另外，在表1中，“粘接强度比”是指改变耳部3a的宽度而形成的各高分子薄膜10c的粘接强度相对于耳部3a的宽度为50mm的高分子薄膜10c的粘接强度的比率。在此，“高分子薄膜10c的粘接强度”是指高分子电解质膜1与第二形状保持薄膜3的粘接强度。在表1的“粘接判定”这栏中，叉标记意味着作为产品不成立的水平的接合强度。圆标记意味着虽然作为产品成立，但比以往低的粘接强度。双圆意味着比以往高的粘接强度。
另外，在表1中，“综合判定”意味着具有表1所示的耳部2a、3a的各高分子薄膜10c作为膜-催化剂层接合体使用是否优选的判定。在“综合判定”这栏中，叉标记意味着作为膜-催化剂层接合体使用不优选的情况。圆标记意味着虽然有少许卷曲的产生或粘接强度的降低，但作为膜-催化剂层接合体使用也不会产生搬运故障等不良状况，从而作为膜-催化剂层接合体使用优选的情况。双圆意味着作为膜-催化剂层接合体使用更加优选的情况。
需要说明的是，在此，作为高分子电解质膜1，使用氟系的高分子电解质膜。高分子电解质膜1的宽度为300mm。
另外，作为第一及第二形状保持薄膜2、3，分别使用对一面实施了表面处理的膜厚为75μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。在将第二形状保持薄膜3向高分子电解质膜1粘贴时，粘贴装置17的加压力为0.1～1.0MPa，粘贴装置17的加热温度为80～150℃。第一形状保持薄膜2的宽度为在高分子电解质膜1的宽度上加上耳部2a的宽度而得到的宽度。例如，在耳部2a的宽度为50mm的情况下，第一形状保持薄膜2的宽度为400mm。第二形状保持薄膜3的宽度与第一形状保持薄膜2的宽度为相同的尺寸。
另外，形成第一催化剂层4a的情况及形成第二催化剂层4b的情况这两方的高分子薄膜10的搬运速度都为0.5m/分。另外，干燥装置15的加热温度为60℃，干燥装置15的加热时间为5分钟。
另外，作为形成第一催化剂层4a的催化剂浆液，使用如下这样形成的催化剂浆液：在5g碳黑中添加离子交换水10g，之后添加乙醇溶液10g，并在施加超声波振动的同时进行混合。作为碳黑，使用担载有50重量％的平均粒径3nm的铂的平均粒径50～60nm的碳黑。作为乙醇溶液，使用含有91重量％的全氟碳磺酸的乙醇溶液。
另外，作为形成第二催化剂层4b的催化剂浆液，使用如下这样形成的催化剂浆液：在5g碳黑中添加离子交换水15g，之后添加乙醇溶液10g，并在施加超声波振动的同时进行混合。作为碳黑，使用担载有50重量％的平均粒径2～3nm的铂与钌的合金的平均粒径50～60nm的碳黑。作为乙醇溶液，使用含有91重量％的全氟碳磺酸的乙醇溶液。
由表1及图3可知，即使略微设置第一形状保持薄膜2的耳部2a，也能够使卷曲高度大幅降低。另外，可知在第一形状保持薄膜2的耳部2a的宽度为5mm以上的情况下，几乎不产生卷曲。
另外，由表1及图4可知，在第二形状保持薄膜3的耳部3a的宽度为0～30mm左右的高分子薄膜10c中，高分子电解质膜1与第二形状保持薄膜3的粘接强度比不具有耳部3a的现有的结构提高。另一方面，可知在第二形状保持薄膜3的耳部3a的宽度为比50mm大的51mm的情况下，虽然不产生高分子电解质膜1的卷曲，但粘接强度大幅降低。即，由表1及图4可知，第二形状保持薄膜3的耳部3a的宽度优选为50mm以下，更优选为30mm以下。认为上述情况是基于以下说明的理由引起的。
通常，高分子电解质膜为柔软的构件，第二形状保持薄膜为硬的构件。在将这样硬度不同的构件彼此粘贴时，在它们的间隙(界面)容易进入空气。因此，在现有的制造方法中，在高分子电解质膜101上粘贴第二形状保持薄膜103时，如图13所示，在它们之间的空间120中流入大量的空气。该空气在将第二形状保持薄膜103粘贴于高分子电解质膜101的压力的作用下，被从空间120内向外部压出。然而，难以将空间120内的空气全部向外部压出，空气的一部分残留在空间120内。残留在该空间120内的空气的量越多，高分子电解质膜101与第二形状保持薄膜103的接合强度越降低。
另外，在现有的制造方法中，使高分子电解质膜101的宽度与第二形状保持薄膜103的宽度为相同的尺寸。然而，在将第二形状保持薄膜103粘贴于高分子电解质膜101时，如图14A及图14B所示，存在可能将第二形状保持薄膜103相对于高分子电解质膜101向左右偏移而进行粘贴的情况。这种情况下，高分子电解质膜101的一部分向外部露出，残留在空间120内的空气的量增加。
与此相对，如本实施方式那样在第二形状保持薄膜3上设有耳部3a的情况下，如图5所示，通过耳部3a阻碍向空间20内流入的空气的一部分的流动，从而使残留在空间20内的空气的量减少。另外，如图6A及图6B所示，即使第二形状保持薄膜3相对于高分子电解质膜1向左右偏移而粘贴，由于存在耳部3a，因此也能够消除高分子电解质膜1向外部露出的部分。由此，残留在空间20内的空气的量减少，高分子电解质膜1与第二形状保持薄膜3的接合强度提高。
另一方面，耳部3a的宽度越长，本来应该被向外部压出的空间20内的空气越无法移动到外部。即，在通过粘贴辊17a、17b对高分子薄膜10b和第二形状保持薄膜3加压时，如图7所示，空间20内的空气相连而形成的空气的肋30本来朝向外部移动而被向外部压出。然而，当耳部3a的宽度变长时，在空气的肋30被完全压出到第二形状保持薄膜3的外部之前，由粘贴辊17a、17b进行的加压就已经结束。这种情况下，如图8A及图8B所示，空气的肋20在高分子电解质膜1与第二形状保持薄膜3之间滞留，使高分子电解质膜1与第二形状保持薄膜3的接合强度降低。
需要说明的是，在耳部3a的宽度比50mm长时形成的空气的肋30会引起如下等不良情况：使第二形状保持薄膜3变形，对高分子电解质膜1造成损伤而使发电性能降低，或者使卷绕辊18所进行的卷绕困难。
需要说明的是，在上述中，说明了对高分子薄膜10b的卷曲高度及高分子薄膜10c的接合强度进行验证后的结果，但确认对于高分子薄膜10e的卷曲高度及高分子薄膜10f的接合强度而言也能得到同样的结果。即，第二形状保持薄膜3的耳部3a的宽度优选为5mm以上。由此，能够在形成第二催化剂层4b时大幅抑制高分子电解质膜1发生卷曲的情况。另外，第三形状保持薄膜5的耳部5a的宽度优选为50mm以下，更优选为30mm以下。由此，能够将高分子电解质膜1与第三形状保持薄膜5的接合强度确保为一定以上且使该接合强度比以往提高。需要说明的是，上述的尺寸是在高分子电解质膜1的尺寸为目前通常的尺寸(例如，宽度300mm、宽度500mm等)的情况下全部通用的适合尺寸。
需要说明的是，本发明没有限定为上述实施方式，能够以其它各种方式实施。在上述中，第一形状保持薄膜2的耳部2a、第二形状保持薄膜3的耳部3a及第三形状保持薄膜5的耳部5a的宽度分别为相同的尺寸，但本发明没有限定于此。耳部2a、耳部3a及耳部5a的宽度也可以为分别不同的尺寸。
另外，在上述中，第一形状保持薄膜2的两侧的耳部2a、2a的宽度分别为相同的尺寸，但本发明没有限定于此。第一形状保持薄膜2的两侧的耳部2a、2a的宽度也可以为分别不同的尺寸。另外，第二形状保持薄膜3的两侧的耳部3a、3a的宽度、及第三形状保持薄膜5的两侧的耳部5a、5a的宽度也同样可以为分别不同的尺寸。
另外，在上述中，在第一～第三形状保持薄膜2、3、5上都设有耳部，但本发明没有限定于此。在第一形状保持薄膜2或第二形状保持薄膜3上设置耳部即可。由此，能够比以往更加抑制高分子电解质膜1的卷曲高度。
本发明在参照附图的同时对优选的实施方式充分地进行了记载，但对于本领域技术人员而言，各种变形或修改是显而易见的。应当理解为这样的变形或修改只要不脱离权利要求书所规定的本发明的范围，就包含在本发明中。
将2010年12月16日提出申请的日本国专利申请No.2010-280293号的说明书、附图及权利要求书的公开内容整体作为参照而援引到本说明书中。
【工业实用性】
本发明的膜电极接合体的制造方法能够在为了形成催化剂层而使催化剂浆液干燥时抑制高分子电解质膜发生卷曲的情况，因此作为燃料电池所具备的膜-催化剂层接合体的制造方法来说是有用的，该燃料电池例如作为便携式电子设备、机动车等移动体、分散发电系统及家庭用的热电联供系统等的驱动电源而使用。

Claims (9)

1.一种膜-催化剂层接合体的制造方法，其为燃料电池用的膜-催化剂层接合体的制造方法，包括：
准备膜-形状保持薄膜接合体的准备工序，该膜-形状保持薄膜接合体通过在高分子电解质膜的一方的面上将比所述电解质膜宽度长的形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴而形成；
在粘贴有所述形状保持薄膜的所述电解质膜的另一方的面上涂敷催化剂浆液，之后使其干燥而形成催化剂层的催化剂层形成工序。
2.根据权利要求1所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，其中，
所述形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为5mm以上。
3.根据权利要求1或2所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，还包括：
在形成有所述催化剂层的所述电解质膜的另一方的面上，将比所述电解质膜宽度长的第二形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴的第二薄膜粘贴工序；
从粘贴有所述第二形状保持薄膜的所述电解质膜剥离所述形状保持薄膜的薄膜剥离工序；
在将所述形状保持薄膜剥离而露出的所述电解质膜上涂敷第二催化剂浆液，之后使其干燥而形成第二催化剂层的第二催化剂层形成工序。
4.根据权利要求3所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，其中，
所述第二形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为5mm以上。
5.根据权利要求3或4所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，其中，
所述第二形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为50mm以下。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，其中，
所述第二形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为30mm以下。
7.根据权利要求3～6中任一项所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，还包括：在形成有所述第二催化剂层的所述电解质膜的一方的面上，将比所述电解质膜宽度长的第三形状保持薄膜以向所述电解质膜的宽度方向的两侧伸出的方式粘贴的第三薄膜粘贴工序。
8.根据权利要求7所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，其中，
所述第三形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为50mm以下。
9.根据权利要求7或8所述的膜-催化剂层接合体的制造方法，其中，
所述第三形状保持薄膜向所述电解质膜的宽度方向伸出的伸出量为30mm以下。
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