CN105702989B - 电解质膜卷绕体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电解质膜卷绕体，用于能够有效地利用设备内的电解质膜的膜电极接合体的制造装置。在卷绕电解质膜片材(20S)及对该电解质膜片材(20S)进行支撑的基片材(Bs)的电解质膜片材滚筒(20R)的卷芯部(201)，连接有引导膜(FL)的一端侧(FLb)及以可剥离的方式粘接于引导膜(FL)的引导膜支撑基材(FS)的一端侧(FSb)，在引导膜(FL)的另一端侧(Fla)及引导膜支撑基材(FS)的另一端侧(FSa)分别连接有电解质膜片材(20S)的末端(20Sa)及基片材(Bs)的末端(Bsa)。

Description

电解质膜卷绕体

技术领域

本发明涉及电解质膜卷绕体。

背景技术

用于燃料电池的膜电极接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)在电解质膜的两面接合有保持了用于促进燃料电池反应的催化剂的阳极及阴极的催化剂层(以下，也称为电极催化剂层)。

作为该膜电极接合体的制造装置，存在例如下述专利文献1记载的制造装置。在下述专利文献1中，提出了使被连续地传送的催化剂层片材(在催化剂层支撑基材上形成有催化剂层的结构)与被连续地传送的带状的电解质膜片材(在电解质膜支撑基材上形成有电解质膜的结构)重合，而在电解质膜上转印催化剂层的手法。在该手法中，依次进行催化剂层相对于电解质膜的转印和之后的支撑基材(电解质膜支撑基材或催化剂层支撑基材)的剥离。

然而，在下述专利文献1记载的膜电极接合体的制造装置中，卷绕有电解质膜的卷绕体(也称为电解质膜卷绕体)的卷芯与电解质膜及电解质膜支撑基材直接相连。这样卷绕体的卷芯与电解质膜直接相连的话，对于从卷绕体卷出的全部的电解质，无法依次转印催化剂层(阳极侧催化剂层及阴极侧催化剂层)。因此，会产生无法作为产品利用的部分的问题。

为了解决该问题，本发明者发现了不将电解质膜直接与卷绕体的卷芯连接，而使用与卷绕体的卷芯连接的引导膜，并将与该引导膜粘接的电解质膜及电解质膜支撑基材卷绕于卷绕体的方法。

专利文献1：日本特开2013-182682号公报

发明内容

发明要解决的课题

然而，依然留有以下的问题。即，在与卷绕体的卷芯连接的引导膜为一层的情况下，在剥离与引导膜连接的电解质膜支撑基材时，在引导膜与电解质膜支撑基材的连接部分无法剥离，在该时刻存在无法进行产品的传送的问题。因此，可能无法有效地利用残留于设备内(制造装置内)的电解质膜。

本发明鉴于这样的课题而作出，其目的在于提供一种电解质膜卷绕体，用于能够有效地利用设备内的电解质膜的膜电极接合体的制造装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的电解质膜卷绕体用于膜电极接合体的制造装置，上述膜电极接合体是向被连续地传送的带状的电解质膜的至少一方的面上转印电极催化剂层而形成的，在卷绕上述电解质膜及对上述电解质膜进行支撑的电解质膜支撑基材的卷芯部，连接有引导膜的一端侧及以可剥离的方式粘接于上述引导膜的引导膜支撑基材的一端侧，在上述引导膜的另一端侧及上述引导膜支撑基材的另一端侧分别连接有上述电解质膜的末端及上述电解质膜支撑基材的末端。

这样，由于设有引导膜及引导膜支撑基材，因此能够在剥离电解质膜支撑基材之后，剥离引导膜支撑基材。其结果是，能够使引导膜保留在设备内(制造装置内)，能够有效地利用卷绕于电解质膜卷绕体的电解质膜。

另外，在本发明的电解质膜卷绕体中，优选的是，上述引导膜支撑基材相对于上述引导膜的剥离强度为上述电解质膜支撑基材相对于上述电解质膜的剥离强度以下。

另外，在本发明的电解质膜卷绕体中，优选的是，上述引导膜及上述引导膜支撑基材的厚度与上述电解质膜及上述电解质膜支撑基材的厚度大致相等。

发明效果

根据本发明，能够提供一种电解质膜卷绕体，用于能够有效地利用设备内的电解质膜的膜电极接合体的制造装置。

附图说明

图1是将膜电极接合体的制造装置的概略结构与各传送部位的片材的形态一起示意性地表示的说明图。

图2是表示膜电极接合体的制造工序的一例的流程图。

图3是示意性地表示转印结束时的各传送部位的片材的形态的说明图。

图4是示意性地表示与电解质膜卷绕体的卷内侧最后连接的引导膜的说明图。

图5是示意性地表示引导膜及引导膜支撑基材的概略结构的说明图。

附图标记说明

1：膜电极接合体的制造装置

20R：电解质膜片材滚筒(电解质膜卷绕体)

20S：电解质膜片材(电解质膜)

21S：第一催化剂层片材

22S：第二催化剂层片材

110：第一催化剂层转印机构部

112：第一转印辊

113：第一剥离辊

117：第二剥离辊

120：第二催化剂层转印机构部

122：第二转印辊

201：卷芯部

313、317：回收辊

400：控制装置

Bs：基片材(电解质膜支撑基材)

DR1：第一催化剂层支撑片材滚筒

DR2：第二催化剂层支撑片材滚筒

Ds1：第一催化剂层支撑片材(第一催化剂层支撑基材)

Ds2：第二催化剂层支撑片材(第二催化剂层支撑基材)

FL：引导膜

FS：引导膜支撑基材

TA：连接带

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。本发明通过以下的优选的实施方式进行说明，但是能够在不脱离本发明的范围的情况下，通过很多手法来进行变更，能够利用本实施方式以外的其他实施方式。因此，本发明的范围内的全部的变更包含于权利要求书。

<膜电极接合体的制造装置>

首先，对膜电极接合体的制造装置进行说明。图1是将膜电极接合体的制造装置的概略结构与各传送部位的片材的形态一起示意性地表示的说明图。

另外，图1示意性地表示片材传送、片材接合及片材形态的情况，不反映实际的电解质膜片材20S、第一催化剂层片材21S、第二催化剂层片材22S的厚度、长宽尺寸。另外，关于本发明的引导膜及引导膜支撑基材，在图1中省略图示，参照图3～5在后文叙述。

膜电极接合体的制造装置1是在电解质膜的两面上转印催化剂层(电极催化剂层)而用于制作膜电极接合体(MEA)的装置。更详细而言，在与基片材Bs粘接的带状的电解质膜片材20S的一方的面上接合与第一催化剂层支撑片材Ds1粘接的第一催化剂层片材21S，在电解质膜片材20S的另一方的面上接合与第二催化剂层支撑片材Ds2粘接的第二催化剂层片材22S来制作膜电极接合体。另外，第一催化剂层片材21S及第二催化剂层片材22S是接收反应气体的供给而作为阳极(燃料极)或阴极(氧化剂极)发挥作用的电极催化剂层。

图1所示的膜电极接合体的制造装置1具备：第一催化剂层转印机构部110(第一接合部)、第二催化剂层转印机构部120(第二接合部)及控制装置400。

第一催化剂层转印机构部110具备用于将第一催化剂层片材21S转印于电解质膜片材20S的机构。第一催化剂层转印机构部110从其上游侧开始具备：电解质膜片材滚筒20R(电解质膜卷绕体)、第一催化剂层支撑片材滚筒DR1、第一转印辊112、第一剥离辊113、第一传送辊114、第二剥离辊117。

电解质膜片材滚筒20R接受控制装置400的控制而旋转，将电解质膜片材20S与基片材Bs一起向第一转印辊112送出。电解质膜片材20S在基片材Bs的片材面上形成为长条状。电解质膜片材20S是由固体高分子材料例如氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜，包括在湿润状态下表现出良好的传导性的电解质膜。基片材Bs能够从电解质膜片材20S剥离，由例如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、聚苯乙烯等高分子片材，以与电解质膜片材20S大致相同的宽度形成。准备将这样形成的电解质膜片材20S按照各基片材Bs卷绕成滚筒状的电解质膜片材滚筒20R。

第一催化剂层支撑片材滚筒DR1接受控制装置400的控制而旋转，将第一催化剂层片材21S与第一催化剂层支撑片材Ds1一起向第一转印辊112送出。如图中的侧视剖视所示，在第一催化剂层支撑片材Ds1上形成有第一催化剂层片材21S。第一催化剂层片材21S是通过具有质子传导性的离聚物覆盖保持有例如铂或铂合金等催化剂的导电性的载体，例如碳粒子(催化剂保持碳粒子)而形成的电极催化剂层。该第一催化剂层片材21S利用适当的涂敷设备连续地涂敷使催化剂保持碳粒子与离聚物分散的催化剂油墨，经由之后的干燥，呈长条状地形成在第一催化剂层支撑片材Ds1上。如图中的侧视剖视所示，第一催化剂层片材21S形成得比第一催化剂层支撑片材Ds1的片材宽度窄。第一催化剂层支撑片材Ds1相对于呈片状地连续形成完成的第一催化剂层片材21S可剥离，第一催化剂层片材21S以形成完成的状态被卷绕为滚筒状，作为第一催化剂层支撑片材滚筒DR1而准备。

在将卷绕于上述电解质膜片材滚筒20R及第一催化剂层支撑片材滚筒DR1的各片材送出时，以使电解质膜片材20S与第一催化剂层片材21S接合的方式将基片材Bs和第一催化剂层支撑片材Ds1向第一转印辊112送出。

第一转印辊112相向地具备辊112a与辊112b，将这两个辊的接合部位设为转印压接部位。辊112a和辊112b接受控制装置400的控制而反向地旋转，将对电解质膜片材20S进行支撑的基片材Bs和对第一催化剂层片材21S进行支撑的第一催化剂层支撑片材Ds1向转印压接部位引入，在电解质膜片材20S上转印第一催化剂层片材21S，并向下游传送。另外，辊112a朝向辊112b的侧施加的转印按压力或者辊112b朝向辊112a的侧施加的转印按压力由控制装置400控制。以下，在多个片材成为层叠状地被传送的过程中，将层叠上述多个片材而成的层叠体简称为“层叠状片材”。

第一剥离辊113接受控制装置400的控制而旋转，从层叠状片材剥离第一催化剂层支撑片材Ds1，将该第一催化剂层支撑片材Ds1向回收辊313送出。配置在第一剥离辊113的下游侧的第一传送辊114接受控制装置400的控制而旋转，使从第一剥离辊113送出的层叠状片材张紧并向配置于下游侧的第二剥离辊117传送。

第二剥离辊117接受控制装置400的控制而旋转，从层叠状片材(将基片材Bs、电解质膜片材20S、第一催化剂层片材21S层叠的片材)剥离基片材Bs，并将该基片材Bs向回收辊317送出。剥离了基片材Bs的结果是，从第一催化剂层转印机构部110将仅层叠有电解质膜片材20S和第一催化剂层片材21S的层叠状片材向第二催化剂层转印机构部120送出。

第二催化剂层转印机构部120配置在第一催化剂层转印机构部110的下游侧，并具备用于将第二催化剂层片材22S转印于电解质膜片材20S的机构。第二催化剂层转印机构部120具备：第二催化剂层支撑片材滚筒DR2、第二转印辊122及第二传送辊125。

第二催化剂层支撑片材滚筒DR2在第二催化剂层片材22S支撑于第二催化剂层支撑片材Ds2的状态下，将该第二催化剂层支撑片材Ds2向第二转印辊122送出。并且，第二催化剂层片材22S在第二转印辊122的接合部位前，与从第一催化剂层转印机构部110传送来的层叠状片材的电解质膜片材20S接合，并保持该状态地被引入第二转印辊122。第二催化剂层片材22S是通过具有质子传导性的离聚物覆盖保持有例如铂或铂合金等催化剂的导电性的载体(催化剂保持碳粒子)而形成的电极催化剂层。该第二催化剂层片材22S利用适当的涂敷设备涂敷使催化剂保持碳粒子与离聚物分散的催化剂油墨，经由之后的干燥，形成在第二催化剂层支撑片材Ds2上。由图1可知，第二催化剂层片材22S间歇性地形成于第二催化剂层支撑片材Ds2。第二催化剂层支撑片材Ds2相对于第二催化剂层片材22S可剥离，在第二催化剂层片材22S形成完成的状态下卷绕为滚筒状，作为第二催化剂层支撑片材滚筒DR2而准备。

第二转印辊122与上述的第一转印辊112相同地相向地具备辊122a与辊122b，并将这两个辊的接合部位设为转印压接部位。两个辊接受控制装置400的控制而反向地旋转，将来自第二催化剂层支撑片材滚筒DR2的第二催化剂层支撑片材Ds2和从第一催化剂层转印机构部110传送来的层叠状片材(将电解质膜片材20S与第一催化剂层片材21S层叠的片材)在第二催化剂层片材22S与电解质膜片材20S接合的状态下向转印压接部位引入，而在电解质膜片材20S上转印第二催化剂层片材22S。通过该第二催化剂层片材22S的转印，得到在电解质膜片材20S的两面接合有阳极和阴极的片状的膜电极接合体Ms。另外，基于第二转印辊122的这样的片材引入和转印按压力由控制装置400控制。在电解质膜的两面接合有阳极和阴极的片状的膜电极接合体Ms被向配置在第二转印辊122的下游侧的第二传送辊125传送，然后，例如向燃料电池制造线出货。

另外，控制装置400构成作为具有执行逻辑运算的CPU、ROM、RAM的计算机。控制装置400对上述各辊的旋转速度进行调整控制。

<膜电极接合体的制造工序>

对使用了图1所示的膜电极接合体的制造装置1的膜电极接合体的制造工序进行说明。图2是表示膜电极接合体的制造工序的一例的流程图。

(步骤S110)

首先，将对电解质膜片材20S进行支撑的基片材Bs和对第一催化剂层片材21S进行支撑的第一催化剂层支撑片材Ds1向第一转印辊112的转印压接部位引入，而在电解质膜片材20S(电解质膜)上转印第一催化剂层片材21S(第一催化剂层)(步骤S110)。

(步骤S120)

接下来，通过第一剥离辊113从由第一转印辊112传送来的层叠状片材将第一催化剂层支撑片材Ds1(第一催化剂层支撑基材)剥离(步骤S120)。被剥离的第一催化剂层支撑片材Ds1由回收辊313卷绕回收。剥离了第一催化剂层支撑片材Ds1的层叠状片材(层叠基片材Bs、电解质膜片材20S、第一催化剂层片材21S而成的片材)由配置在下游侧的第一传送辊114维持张紧的状态并向第二剥离辊117传送。

(步骤S130)

接下来，通过第二剥离辊117从层叠状片材(层叠基片材Bs、电解质膜片材20S、第一催化剂层片材21S而成的片材)将基片材Bs(电解质膜支撑基材)剥离(步骤S130)。被剥离的基片材Bs由回收辊317回收。通过第二剥离辊117剥离了基片材Bs的层叠状片材向配置在下游侧的第二转印辊122传送。

(步骤S140)

接下来，将从第二剥离辊117向第二转印辊122传送的层叠状片材(层叠电解质膜片材20S与第一催化剂层片材21S而成的片材)和从第二催化剂层支撑片材滚筒DR2卷出的第二催化剂层支撑片材Ds2向第二转印辊122引入，而进行转印压接。由此，在层叠状片材包含的电解质膜片材20S(电解质膜)上转印第二催化剂层片材22S(第二催化剂层)(步骤S140)。通过该第二催化剂层片材22S的转印，而得到在电解质膜的两面接合有阳极和阴极的片状的膜电极接合体Ms。得到的片状的膜电极接合体Ms由配置在第二转印辊122的下游侧的第二传送辊125维持张紧并传送。

以上，经由步骤S110～S140的工序，得到片状的膜电极接合体Ms。得到的膜电极接合体例如向燃料电池制造线出货。

接下来，对在上述膜电极接合体的制造装置1中的电解质膜片材滚筒20R(电解质膜卷绕体)的卷内侧最后(最内侧)设置的引导膜FL及引导膜支撑基材FS进行说明。

图3是示意性地表示将卷绕于电解质膜卷绕体的电解质膜全部卷出之后，换言之，对电解质膜转印完第一催化剂层时(第一催化剂层的转印结束时)的各传送部位的片材的形态的说明图。图4是示意性地表示电解质膜卷绕体的卷内侧最后的状态的说明图。图5是示意性地表示引导膜及引导膜支撑基材的概略结构的说明图。另外，在图5中，省略了电解质膜卷绕体的图示。

如图4及图5所示，在卷绕于电解质膜片材滚筒20R的电解质膜片材20S的卷芯部201连接有双层结构引导膜(与引导膜FL及该引导膜FL粘接的引导膜支撑基材FS)。换言之，在电解质膜片材滚筒20R的卷内侧最后(最内侧)使用双层结构引导膜(引导膜FL及引导膜支撑基材FS)。该引导膜支撑基材FS相对于引导膜FL以可剥离的方式粘接。由于这样使用引导膜FL及引导膜支撑基材FS，因此如图3所示，在卷绕于电解质膜片材滚筒20R的电解质膜片材20S全部卷出之后，从电解质膜片材滚筒20R送出引导膜FL及引导膜支撑基材FS。送出的引导膜FL及引导膜支撑基材FS通过转印辊112、第一剥离辊113、第一传送辊114，向第二剥离辊117直接传送，关于引导膜支撑基材FS，通过第二剥离辊117剥离。如图5所示，该引导膜支撑基材FS粘接于基片材Bs的末端，因此通过第二剥离辊117剥离了基片材Bs之后(参照图1)，剥离引导膜支撑基材FS。

另外，在图3中，作为一例，表示引导膜FL被送出到第二剥离辊117的下游侧的状态，位于第二剥离辊117的下游侧的单点划线圆E的层叠状片材的端部表示电解质膜片材20S及第一催化剂层片材21S的末端。可以清楚地看出，在电解质膜片材20S、第一催化剂层片材21S及第二催化剂层片材22S结束时，引导膜FL及第二催化剂层支撑片材Ds2残留在设备内(膜电极接合体的制造装置1内)。

进一步对引导膜FL及引导膜支撑基材FS的结构进行说明。如图4及图5所示，该引导膜FL及引导膜支撑基材FS的一端侧与电解质膜片材滚筒20R的卷芯部201连接，其另一端侧分别与电解质膜片材20S及基片材Bs连接。更详细而言，引导膜FL的一端侧FLb及引导膜支撑基材FS的一端侧FSb与电解质膜片材滚筒20R的卷芯部201连接，引导膜FL的另一端侧FLa及引导膜支撑基材FS的另一端侧FSa分别与电解质膜片材20S的末端(卷内侧最后)20Sa及基片材Bs的末端(卷内侧最后)Bsa连接。另外，引导膜FL的另一端侧Fla与电解质膜片材20S的末端20Sa的连接部分及引导膜支撑基材FS的另一端侧FSa与基片材Bs的末端Bsa的连接部分使用可剥离的部件(例如连接带TA)而相互粘接。在剥离基片材Bs时，能够在该连接部分(由连接带TA连接的部分)处剥下，因此在剥离了基片材Bs之后，能够剥下引导膜支撑基材FS。

另外，在本实施方式中，引导膜FL的一端侧FLb及引导膜支撑基材FS的一端侧FSb与卷芯部201连接，但是该一端侧FLb不限定于引导膜FL的末端，也包括引导膜FL的末端部附近的区域。即，只要将引导膜FL的末端部附近与卷芯部201连接即可。相同地，引导膜支撑基材FS的一端侧FSb不限定于引导膜支撑基材FS的末端，也包括引导膜支撑基材FS的末端部附近的区域。即，只要将引导膜支撑基材FS的末端部附近与卷芯部201连接即可。

另外，引导膜支撑基材FS相对于引导膜FL的剥离强度优选的是0.01N/25mm以上，且为基片材Bs相对于电解质膜片材20S的剥离强度以下。通过这样规定剥离强度，能够抑制成为剥离不良，能够稳定地传送。

另外，如图5所示，当将引导膜FL的厚度与引导膜支撑基材FS的厚度之和设为D1，将电解质膜片材20S的厚度与基片材Bs的厚度之和设为D2时，优选的是，D1与D2大致相等。更详细而言，D1优选的是在D2±30μ的范围内。通过这样将引导膜FL及引导膜支撑基材FS的厚度设为一定范围的结构，与引导膜FL连接的电解质膜片材20S能够在不产生褶皱、没有尺寸变化的情况下稳定地传送。

如以上所述，在电解质膜片材滚筒20R的卷芯部201上未直接连接电解质膜片材20S及基片材Bs，而经由与卷芯部201连接的引导膜FL及引导膜支撑基材FS来连接卷芯部201与电解质膜片材20S及基片材Bs。具体而言，引导膜FL的一端侧FLb及引导膜支撑基材FS的一端侧FSb与卷芯部201连接，引导膜FL的另一端侧Fla与电解质膜片材20S的末端20Sa连接，引导膜支撑基材FS的另一端侧FSa与基片材Bs的末端Bsa连接。另外，引导膜支撑基材FS与基片材Bs的粘接部分例如由连接带TA粘接，该连接带TA能够容易地除去。这样设置引导膜FL及引导膜支撑基材FS，因此在剥离基片材Bs的末端部分时，能够在基片材Bs与引导膜支撑基材FS的粘接部分处仅剥离了基片材Bs之后，剥离引导膜支撑基材FS。由此，能够在设备内(膜电极接合体的制造装置1内)残留与卷芯部201连接的引导膜FL。其结果是，不存在产品的传送本身无法进行的情况，因此抑制了对于电解质膜无法进行催化剂层的转印的区间，能够有效地利用残留在设备内的电解质膜。

另外，如上所述，本发明不限定于上述实施方式，在不变更其主旨的限度内能够进行各种变形。

例如在本实施方式中，使用阳极片材作为第一催化剂层片材21S，使用阴极片材作为第二催化剂层片材22S，但不限于此，只要在电解质膜片材20S的一方的面上接合阳极片材，在另一方的面上接合阴极片材即可，其接合的顺序没有限定。另外，作为膜电极接合体，对在电解质膜的两面形成了电极催化剂层的膜电极接合体进行了说明，但是膜电极接合体包含气体扩散层的结构也包含于本发明的范围，这是不言而喻的。此外，各具体例具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等不限于例示的结构，能够进行适当变更。

Claims (3)

1.一种电解质膜卷绕体，用于膜电极接合体的制造装置，所述膜电极接合体是向被连续地传送的带状的电解质膜的至少一方的面上转印电极催化剂层而形成的，所述电解质膜卷绕体的特征在于，

在卷绕所述电解质膜及对所述电解质膜进行支撑的电解质膜支撑基材的卷芯部，连接有引导膜的一端侧及以可剥离的方式粘接于所述引导膜的引导膜支撑基材的一端侧，

在所述引导膜的另一端侧及所述引导膜支撑基材的另一端侧分别连接有所述电解质膜的末端及所述电解质膜支撑基材的末端。

2.根据权利要求1所述的电解质膜卷绕体，其特征在于，

所述引导膜支撑基材相对于所述引导膜的剥离强度为所述电解质膜支撑基材相对于所述电解质膜的剥离强度以下。

3.根据权利要求1或2所述的电解质膜卷绕体，其特征在于，

所述引导膜及所述引导膜支撑基材的厚度之和与所述电解质膜及所述电解质膜支撑基材的厚度之和大致相等。