CN105702988B - 膜电极接合体的制造方法及制造装置 - Google Patents

膜电极接合体的制造方法及制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供膜电极接合体的制造方法及制造装置，用于制造高品质的膜电极接合体。膜电极接合体的制造方法中，在电解质膜中的未形成电解质膜支撑基材片的面上接合第一催化剂层片中的第一催化剂层，将第一催化剂层支撑基材片从第一催化剂层剥离，将电解质膜支撑基材片从电解质膜剥离，在电解质膜中的被剥离了电解质膜支撑基材片的面上接合第二催化剂层片中的第二催化剂层。膜电极接合体的制造方法还具备如下的预备工序：在电解质膜中的、比第一催化剂层的接合的开始部分先被送出的部分，接合第二催化剂层支撑基材片或形成于第二催化剂层支撑基材片上的第二催化剂层。

Description

膜电极接合体的制造方法及制造装置
技术领域
本发明涉及膜电极接合体的制造方法及制造装置。
背景技术
作为燃料电池，已知有固体高分子型燃料电池。固体高分子型燃料电池具有在固体高分子电解质膜的两面形成有催化剂层的膜电极接合体(MEA：Membrane ElectrodeAssembly)作为其结构。
为了通过卷筒料处理(web handing)来制造膜电极接合体，首先，在对从卷筒卷出的固体高分子电解质膜的一面接合了第一催化剂层之后，将固体高分子电解质膜的支撑基材和第一催化剂层的支撑基材剥离。然后，在固体高分子电解质膜的另一面上接合第二催化剂层。在专利文献1中公开了一种膜电极接合体的制造方法。
专利文献1：日本特开2010-182563号公报
发明内容
在膜电极接合体的上述的以往的制造方法中，通过剥离固体高分子电解质膜的支撑基材和第一催化剂层的支撑基材而部件成为了仅固体高分子电解质膜及第一催化剂层的状态时，由于热量而固体高分子电解质膜收缩，由此存在产生拉伸应力而固体高分子电解质膜弯曲的情况。当要对这样弯曲的状态的固体高分子电解质膜接合第二催化剂层时，存在无法正常地接合而导致制造出的膜电极接合体的品质的下降的情况。
本发明鉴于上述情况而作出。其课题在于提供一种用于制造高品质的膜电极接合体的技术。
本发明的膜电极接合体的制造方法包括：送出工序，送出在电解质膜支撑基材片上形成有电解质膜的电解质膜片、在第一催化剂层支撑基材片上形成有第一催化剂层的第一催化剂层片和在第二催化剂层支撑基材片上形成有第二催化剂层的第二催化剂层片；第一接合工序，在上述电解质膜中的未形成上述电解质膜支撑基材片的面上接合上述第一催化剂层片中的上述第一催化剂层；第一剥离工序，将上述第一催化剂层支撑基材片从上述第一催化剂层剥离；第二剥离工序，将上述电解质膜支撑基材片从上述电解质膜剥离；及第二接合工序，在上述电解质膜中的被剥离了上述电解质膜支撑基材片的面上接合上述第二催化剂层片中的上述第二催化剂层，上述膜电极接合体的制造方法还包括如下的预备工序：在上述电解质膜中的、比通过上述第一接合工序进行的上述第一催化剂层的接合的开始部分先被送出的部分，接合上述第二催化剂层支撑基材片或形成在上述第二催化剂层支撑基材片上的上述第二催化剂层。
本发明的膜电极接合体的制造装置包括：电解质膜片送出部，送出在电解质膜支撑基材片上形成有电解质膜的电解质膜片；第一催化剂层片送出部，送出在第一催化剂层支撑基材片上形成有第一催化剂层的第一催化剂层片；第二催化剂层片送出部，送出在第二催化剂层支撑基材片上形成有第二催化剂层的第二催化剂层片；第一接合部，在上述电解质膜中的未形成上述电解质膜支撑基材片的面上接合上述第一催化剂层片中的上述第一催化剂层；第一剥离部，将上述第一催化剂层支撑基材片从上述第一催化剂层剥离；第二剥离部，将上述电解质膜支撑基材片从上述电解质膜剥离；及第二接合部，在上述电解质膜中的被剥离了上述电解质膜支撑基材片的面上接合上述第二催化剂层片中的上述第二催化剂层，作为预备处理，上述第二接合部能够在上述电解质膜中的、比通过上述第一接合部进行的上述第一催化剂层的接合的开始部分先被送出的部分，接合上述第二催化剂层支撑基材片或形成在上述第二催化剂层支撑基材片上的上述第二催化剂层。
发明效果
根据本发明，能够提供一种用于制造高品质的膜电极接合体的技术。
附图说明
图1是表示一实施方式的膜电极接合体的制造装置的概略结构的图。
图2是用于说明一实施方式的膜电极接合体的制造方法的预备工序的图。
图3是用于说明一实施方式的膜电极接合体的制造方法的预备工序的图。
具体实施方式
以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。但是，没有将发明的范围限定于此。
[制造装置的结构]
参照图1，说明用于通过卷筒料处理来制造膜电极接合体的一实施方式的制造装置的结构。如图1所示，制造装置1具备电解质膜片送出部10、第一催化剂层片送出部20、第一接合部30、第一剥离部40、第二剥离部50、第二催化剂层片送出部60、第二接合部70及卷绕部80。而且，在图1中示出关于在制造装置1内搬运的部件的搬运位置A到I的剖视图。上述的剖视图是与部件的搬运方向垂直地相交的面的剖视图。关于后文说明的其他图所示的剖视图也同样。
电解质膜片送出部10保持呈卷筒状地卷绕的带状的电解质膜片M10，将该电解质膜片M10送出(卷出)。电解质膜片M10是在带状的电解质膜支撑基材片M11的一面上形成有电解质膜M12的片。电解质膜M12使用在湿润状态下表现出良好的质子传导性的固体高分子电解质材料。作为固体高分子电解质材料，可以使用例如具备全氟化碳磺酸的氟系树脂(例如，全氟磺酸、杜邦公司制)等。作为电解质膜支撑基材片M11，可使用例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)等聚酯系、聚苯乙烯等高分子薄膜。
第一催化剂层片送出部20保持呈卷筒状地卷绕的带状的第一催化剂层片M20，将该第一催化剂层片M20送出。第一催化剂层片M20是在带状的第一催化剂层支撑基材片M21的一面上形成有第一催化剂层M22的片。第一催化剂层M22在本实施方式中设为阳极催化剂层。例如，第一催化剂层M22作为用于促进发电反应的催化剂，可以使用具备载持有铂或铂合金的碳粒子和电解质的催化剂层材料来形成。作为第一催化剂层支撑基材片M21，可使用例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)等聚酯系、聚苯乙烯等高分子薄膜。
第一接合部30具备接合辊31、32。第一接合部30以将从电解质膜片送出部10送出的电解质膜片M10和从第一催化剂层片送出部20送出的第一催化剂层片M20利用旋转的接合辊31、32的夹紧部夹入的方式进行搬运。此时，在接合辊31、32的夹紧部，使第一催化剂层片M20的第一催化剂层M22中的未形成第一催化剂层支撑基材片M21的面与电解质膜片M10的电解质膜M12中的未形成电解质膜支撑基材片M11的面重合，由此将第一催化剂层M22与电解质膜M12接合。
第一剥离部40具备卷绕部41及剥离辊42。第一剥离部40从以接合于电解质膜M12的状态从第一接合部30搬运来的第一催化剂层M22将第一催化剂层支撑基材片M21剥离并卷绕。具体而言，在第一剥离部40，通过剥离辊42从第一催化剂层M22将第一催化剂层支撑基材片M21剥离，剥离后的第一催化剂层支撑基材片M21由卷绕部41卷绕。
第二剥离部50具备卷绕部51及剥离辊52。第二剥离部50从以接合于第一催化剂层M22的状态从第一剥离部40搬运来的电解质膜M12将电解质膜支撑基材片M11剥离并卷绕。具体而言，在第二剥离部50，通过剥离辊52从电解质膜M12将电解质膜支撑基材片M11剥离，剥离后的电解质膜支撑基材片M11由卷绕部51卷绕。
第二催化剂层片送出部60保持呈卷筒状卷绕的带状的第二催化剂层片M60，将该第二催化剂层片M60送出。第二催化剂层片M60是在带状的第二催化剂层支撑基材片M61的一面上形成有第二催化剂层M62的片。第二催化剂层M62在本实施方式中设为阴极催化剂层。第二催化剂层M62由以一定间隔间歇性地形成的多个催化剂层形成。第二催化剂层支撑基材片M61使用例如PET、PEN等聚酯系、聚苯乙烯等高分子薄膜。
另外，在本实施方式中，将第一催化剂层M22设为阳极催化剂层，将第二催化剂层M62设为阴极催化剂层，但没有限定于此。可以将第一催化剂层M22设为阴极催化剂层，将第二催化剂层M62设为阳极催化剂层。
第二接合部70具备接合辊71、72。第二接合部70以将从第二剥离部50搬运来的电解质膜M12及第一催化剂层M22和从第二催化剂层片送出部60送出的第二催化剂层片M60通过旋转的接合辊71、72的夹紧部夹入的方式进行搬运。此时，在接合辊71、72的夹紧部，通过使第二催化剂层片M60的第二催化剂层M62中的未形成第二催化剂层支撑基材片M61的面与电解质膜M12中的剥离了电解质膜支撑基材片M11的面重合，将第二催化剂层M62与电解质膜M12接合。其结果是，形成在电解质膜M12接合有第一催化剂层M22和第二催化剂层M62的膜电极接合体M80。此时，在膜电极接合体M80中的第二催化剂层M62保持形成有第二催化剂层支撑基材片M61的状态。
卷绕部80由第二接合部70形成，对搬运来的膜电极接合体M80进行卷绕。这样，膜电极接合体M80以形成有第二催化剂层支撑基材片M61的状态由卷绕部80卷绕。膜电极接合体M80由于非常薄(例如，20微米)，因此容易产生变形(例如弯曲)、损伤。由于在膜电极接合体M80的第二催化剂层M62的面上形成的第二催化剂层支撑基材片M61的存在，能够抑制例如在膜电极接合体M80弯曲的状态下卷绕或在膜电极接合体M80形成折痕及伤痕。
[制造开始的步骤]
接下来，说明用于通过卷筒料处理来利用制造装置1开始膜电极接合体M80的制造的包含预备工序的步骤。
在膜电极接合体M80的上述说明的制造中，从第二剥离部50搬运的部件仅是电解质膜M12及第一催化剂层M22，而未设置支撑基材。因此，在制造装置1中的从第二剥离部50到第二接合部70之间，存在以下情况：电解质膜M12因热量进行收缩而产生拉伸应力，从而电解质膜M12弯曲。以下说明的用于开始膜电极接合体M80的制造的包含预备工序的步骤用于防止这样的弯曲。
在开始膜电极接合体M80的制造之前的预备工序中，与膜电极接合体M80的前述的制造工序同样，从电解质膜片送出部10送出电解质膜片M10。
而且，在该预备工序中，取代第一催化剂层片M20，从第一催化剂层片送出部20送出预定长度的薄膜，然后，送出第一催化剂层片M20。薄膜由任意原料形成，例如由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PTFE(聚四氟乙烯)等高分子形成。从第一催化剂层片送出部20送出的薄膜由第一剥离部40卷绕。
而且，在该预备工序中，取代第二催化剂层片M60，从第二催化剂层片送出部60送出预定长度的第二催化剂层支撑基材片M61，然后，送出第二催化剂层片M60。
参照图2，说明在预备工序中通过第二接合部70首先进行的接合的处理。如图2所示，在G的位置，仅搬运电解质膜M12。即，如前述那样，在预备工序中，取代第一催化剂层片M20，从第一催化剂层片送出部20送出预定长度的薄膜，之后，送出第一催化剂层片M20。因此，在预备工序的初期被搬运至G的位置的电解质膜M12上未形成第一催化剂层M22。因此，在G的位置，没有产生电解质膜M12与第一催化剂层M22之间的拉伸强度的差异，因此以该拉伸强度为起因的电解质膜M12的弯曲不会产生。
而且，在图2的H的位置，仅搬运第二催化剂层支撑基材片M61。即，如前述那样，在预备工序中，取代第二催化剂层片M60，从第二催化剂层片送出部60送出预定长度的第二催化剂层支撑基材片M61。因此，在预备工序的初期被搬运至H的位置的第二催化剂层支撑基材片M61上未形成第二催化剂层M62。
在第二接合部70，从第二剥离部50搬运来的电解质膜M12与从第二催化剂层片送出部60搬运来的第二催化剂层支撑基材片M61被接合。即，在第二接合部70，在电解质膜M12中的比通过第一接合部30进行的第一催化剂层M22的接合开始的部分先被送出(搬运)的部分接合第二催化剂层支撑基材片M61。在该接合后，所搬运的部件的剖视图作为I的位置的剖视图而如图2所示那样。
之后，如图3所示，从第二剥离部50将电解质膜支撑基材片M11剥离，在电解质膜M12及第一催化剂层M22相互接合的状态下搬运部件。在第二接合部70，对从第二剥离部50搬运来的电解质膜M12及第一催化剂层M22中的电解质膜M12的面(剥离了电解质膜支撑基材片M11的面)接合从第二催化剂层片送出部60搬运来的第二催化剂层支撑基材片M61。在该接合后，所搬运的部件的剖视图作为I的位置的剖视图而如图3所示那样。
然后，从第二催化剂层片送出部60送出的第二催化剂层片M60向第二接合部70搬运，与来自第二剥离部50的电解质膜M12及第一催化剂层M22接合，由此实施参照图1说明的膜电极接合体M80的制造。
如以上那样，根据本实施方式，在从上述的预备工序到膜电极接合体M80的制造开始的期间，在第二接合部70中进行如下的处理。即，首先，第二接合部70在从第二剥离部50搬运来的电解质膜M12中的比通过第一接合部30进行的第一催化剂层M22的接合的开始部分先被搬运的部分接合第二催化剂层支撑基材片M61(参照图2的I的剖视图)。
接下来，在第二接合部70中，对从第二剥离部50搬运来的电解质膜M12及第一催化剂层M22中的电解质膜M12的面(剥离了电解质膜支撑基材片M11的面)接合从第二催化剂层片送出部60搬运来的第二催化剂层支撑基材片M61(参照图3的I的剖视图)。即，从第一催化剂层片送出部20送出“预定长度”的前述的薄膜和从第二催化剂层片送出部60送出“预定长度”的前述的第二催化剂层支撑基材片M61以成为能够实施参照图3说明的第二接合部70的接合的长度的方式构成。
然后，在第二接合部70，如参照图1说明那样，在电解质膜M12中的剥离了电解质膜支撑基材片M11的面(即，电解质膜M12中的未接合第一催化剂层M22的面)上接合第二催化剂层M62，对完成后的膜电极接合体M80进行搬运(参照图1的I的剖视图)。
这样，根据本实施方式，在膜电极接合体M80的制造中，第二接合部70实施在从第二剥离部50搬运来的电解质膜M12中的比通过第一接合部30进行的第一催化剂层M22的接合的开始部分先被搬运的部分接合第二催化剂层支撑基材片M61的预备工序。其结果是，根据以下说明的理由，能够抑制(或矫正)由于电解质膜M12与第一催化剂层M22之间的拉伸强度的差异而产生的电解质膜M12及第一催化剂层M22的弯曲。
即，在第二接合部70，在电解质膜M12中的未接合第一催化剂层M22的部分接合第二催化剂层支撑基材片M61，由此，在该部分，产生第二催化剂层支撑基材片M61对电解质膜M12的限制力。若这样的限制力一旦发生，则之后该限制力连续起作用。因此，即使在假设发生了弯曲的状态下将电解质膜M12及第一催化剂层M22搬运到第二接合部70的情况下，也能够通过在第二接合部70已经产生的限制力矫正该弯曲。其结果是，能够制造出高品质的膜电极接合体M80。
另外，不进行上述那样的预备工序，在第二接合部70，在从电解质膜M12的部位中的已经接合第一催化剂层M22且发生弯曲的部分开始第二催化剂层支撑基材片M61的接合的情况下，无法矫正该弯曲。这是因为，在第二接合部70，在产生第二催化剂层支撑基材片M61对电解质膜M12的限制力之前，弯曲的电解质膜M12已经向第二接合部70搬运。
[变形例]
在上述的实施方式的预备工序中，如参照图2说明那样，在第二接合部70，在电解质膜M12中的、比通过第一接合部30进行的第一催化剂层M22的接合开始的部分先被送出(搬运)的部分接合第二催化剂层支撑基材片M61。
然而，没有限定为该方法，也可以在第二接合部70，在电解质膜M12中的、比通过第一接合部30进行的第一催化剂层M22的接合开始的部分先被搬运的部分接合形成于第二催化剂层支撑基材片M61上的第二催化剂层M62(即，第二催化剂层片M60中的第二催化剂层M62)。通过这样取代第二催化剂层支撑基材片M61而接合第二催化剂层片M60中的第二催化剂层M62，也能够在第二接合部70产生对电解质膜M12的限制力。
而且，为了抑制电解质膜M12发生弯曲，可以在电解质膜M12中的、通过第一接合部30进行的第一催化剂层M22的接合开始的部分粘贴胶带。作为这样的胶带，使用由耐热性、耐燃性高的原料形成的胶带(例如，Kapton(注册商标)胶带)。电解质膜M12中的粘贴有该胶带的部分由于粘贴胶带而不会发生弯曲。因此，在第二接合部70，在未发生弯曲的状态下能够对电解质膜M12中的粘贴有该胶带的部分接合第二催化剂层M62，其结果是，能够矫正在后续的电解质膜M12中产生的弯曲并接合第二催化剂层M62。
附图标记说明
1 制造装置
10 电解质膜片送出部
20 第一催化剂层片送出部
30 第一接合部
40 第一剥离部
50 第二剥离部
60 第二催化剂层片送出部
70 第二接合部
80 卷绕部
M10 电解质膜片
M11 电解质膜支撑基材片
M12 电解质膜
M20 第一催化剂层片
M21 第一催化剂层支撑基材片
M22 第一催化剂层
M60 第二催化剂层片
M61 第二催化剂层支撑基材片
M62 第二催化剂层

Claims (5)

1.一种膜电极接合体的制造方法，包括：
送出工序，送出在电解质膜支撑基材片上形成有电解质膜的电解质膜片、在第一催化剂层支撑基材片上形成有第一催化剂层的第一催化剂层片和在第二催化剂层支撑基材片上形成有第二催化剂层的第二催化剂层片；
第一接合工序，在所述电解质膜中的未形成所述电解质膜支撑基材片的面上接合所述第一催化剂层片中的所述第一催化剂层；
第一剥离工序，将所述第一催化剂层支撑基材片从所述第一催化剂层剥离；
第二剥离工序，将所述电解质膜支撑基材片从所述电解质膜剥离；及
第二接合工序，在所述电解质膜中的被剥离了所述电解质膜支撑基材片的面上接合所述第二催化剂层片中的所述第二催化剂层，
所述膜电极接合体的制造方法还包括如下的预备工序：在所述电解质膜中的、比通过所述第一接合工序进行的所述第一催化剂层的接合的开始部分先被送出的部分，接合所述第二催化剂层支撑基材片或形成在所述第二催化剂层支撑基材片上的所述第二催化剂层。
2.根据权利要求1所述的膜电极接合体的制造方法，其中，
所述预备工序中，在所述电解质膜中的被剥离了所述电解质膜支撑基材片的面上接合所述第二催化剂层支撑基材片。
3.根据权利要求1或2所述的膜电极接合体的制造方法，其中，
所述膜电极接合体的制造方法包括如下的卷绕工序：对接合有所述第一催化剂层和形成在所述第二催化剂层支撑基材片上的所述第二催化剂层的所述电解质膜进行卷绕。
4.一种膜电极接合体的制造装置，包括：
电解质膜片送出部，送出在电解质膜支撑基材片上形成有电解质膜的电解质膜片；
第一催化剂层片送出部，送出在第一催化剂层支撑基材片上形成有第一催化剂层的第一催化剂层片；
第二催化剂层片送出部，送出在第二催化剂层支撑基材片上形成有第二催化剂层的第二催化剂层片；
第一接合部，在所述电解质膜中的未形成所述电解质膜支撑基材片的面上接合所述第一催化剂层片中的所述第一催化剂层；
第一剥离部，将所述第一催化剂层支撑基材片从所述第一催化剂层剥离；
第二剥离部，将所述电解质膜支撑基材片从所述电解质膜剥离；及
第二接合部，在所述电解质膜中的被剥离了所述电解质膜支撑基材片的面上接合所述第二催化剂层片中的所述第二催化剂层，
所述第二接合部能够执行如下的预备处理：在所述电解质膜中的、比通过所述第一接合部进行的所述第一催化剂层的接合的开始部分先被送出的部分，接合所述第二催化剂层支撑基材片或形成在所述第二催化剂层支撑基材片上的所述第二催化剂层。
5.根据权利要求4所述的膜电极接合体的制造装置，其中，
所述第一催化剂层片送出部在将所述第一催化剂层片送出之前送出预定长度的薄膜，以能够通过所述第二接合部进行所述预备处理。
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