JP2006185762A - Method of manufacturing membrane and catalyst layer junction for polymer electrolyte fuel cell, method of manufacturing polymer electrolyte fuel cell, and device of manufacturing membrane and catalyst layer junction for polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池の製造方法、及び固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造装置に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell, and a device for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell. It is.
燃料電池は、電解質の両面に電極が配置され、水素と酸素の電気化学反応により発電する電池であり、発電時に発生するのは水のみである。このように従来の内燃機関と異なり、二酸化炭素等の環境負荷ガスを発生しないために次世代のクリーンエネルギーシステムとして普及が見込まれている。特に固体高分子形燃料電池は、作動温度が低く、電解質の抵抗が少ないことに加え、活性の高い触媒を用いるので小型でも高出力を得ることができ、家庭用コージェネレーションシステム等として早期の実用化が見込まれている。 A fuel cell is a cell in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte and generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and only water is generated during power generation. Thus, unlike the conventional internal combustion engine, it is expected to spread as a next-generation clean energy system because it does not generate environmental load gas such as carbon dioxide. In particular, the polymer electrolyte fuel cell has a low operating temperature and low electrolyte resistance. In addition, it uses a highly active catalyst, so it can obtain high output even in a small size. Is expected.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜として水素イオン(プロトン)伝導性高分子膜を用い、その両面に触媒層を配置し、次いでその両面に電極基材を配置し、更にこれをセパレータで挟んだ構造をしている。電解質膜の両面に触媒層を配置したもの(即ち、触媒層/電解質膜/触媒層の層構成のもの)は、膜・触媒層接合体と称され、さらに、その両面に電極基材を配置したもの(即ち、電極基材/触媒層/電解質膜/触媒層/電極基材の層構成のもの)は、膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と称されている。 A polymer electrolyte fuel cell uses a hydrogen ion (proton) conductive polymer membrane as an electrolyte membrane, a catalyst layer is arranged on both sides thereof, an electrode substrate is then arranged on both sides, and this is further sandwiched between separators. It has a structure. A catalyst layer disposed on both sides of an electrolyte membrane (that is, a catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer structure) is called a membrane / catalyst layer assembly, and an electrode substrate is further disposed on both sides of the membrane. The obtained structure (namely, electrode base material / catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer / electrode base material layer structure) is called a membrane electrode assembly (MEA: MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY).
従来、膜・電極接合体の製造方法としては、例えば片面に印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を形成した2個の電極基材を用い、該電極基材の触媒層面が電解質膜の両面に接するように配置し、熱プレスする方法(特許文献1,2等)や、電解質膜の両面に印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を形成し、各々の触媒層面に電極基材が接するように配置し、熱プレスする方法(特許文献3等)等が知られている。
Conventionally, as a method for producing a membrane / electrode assembly, for example, two electrode base materials having a catalyst layer formed by applying a printing method or a spray method on one side are used, and the catalyst layer surface of the electrode base material is an electrolyte membrane. A catalyst layer is formed by applying a printing method or a spray method on both surfaces of the electrolyte membrane (
しかしながら、これらの方法には、種々の欠点がある。例えば前者の方法は、印刷法又はスプレー法を適用して触媒層を電極基材上に形成する際に、触媒層が多孔質の電極基材の中に入り込むので、触媒層の膜厚調整が困難になったり、触媒層を電極基材上に均一に形成させることが困難になる。更に、この方法は、電極基材表面又は内部の孔を塞ぎ、ガスの流通性能を阻害するおそれがある。その結果、得られる膜・電極接合体を使用した燃料電池は、その性能が低下するおそれがある。 However, these methods have various drawbacks. For example, in the former method, when the catalyst layer is formed on the electrode base material by applying a printing method or a spray method, the catalyst layer enters the porous electrode base material. It becomes difficult and it becomes difficult to form a catalyst layer uniformly on an electrode base material. Furthermore, this method may block holes on the surface of the electrode base material or inside, and may impede gas flow performance. As a result, the performance of the fuel cell using the obtained membrane-electrode assembly may be deteriorated.
また、後者の方法は、触媒層構成成分を有機溶剤に溶解又は分散した液を電解質膜の両面に印刷又はスプレーして触媒層を形成させるが、電解質膜が有機溶剤により膨潤し、変形して電解質膜の形状を維持することが困難になるおそれがある。そのために、触媒層の膜厚調整が困難になったり、触媒層を電解質膜上に均一に形成させることが困難になるおそれがある。その結果、得られる膜・電極接合体では均一な性能を備えた燃料電池を製造できなくなるおそれがある。 In the latter method, a catalyst layer is formed by printing or spraying a solution obtained by dissolving or dispersing the constituent components of the catalyst layer in an organic solvent on both surfaces of the electrolyte membrane, but the electrolyte membrane is swollen and deformed by the organic solvent. It may be difficult to maintain the shape of the electrolyte membrane. For this reason, it may be difficult to adjust the thickness of the catalyst layer, or it may be difficult to uniformly form the catalyst layer on the electrolyte membrane. As a result, the obtained membrane / electrode assembly may not be able to produce a fuel cell with uniform performance.
また、これら両者の製造方法では、少量生産には適しているが、固体高分子形燃料電池の今後予想され得る需要拡大に伴う大量生産には適していない。 In addition, both of these manufacturing methods are suitable for small-scale production, but are not suitable for mass production accompanying the expected increase in demand for polymer electrolyte fuel cells.
上記欠点のない方法として、基材上に触媒層を形成した転写シートから触媒層を電解質膜に転写する方法が知られている(特許文献4)。膜・電極接合体はこの転写法で得られる膜・触媒層接合体の触媒層に電極基材を接合することにより製造される。
しかしながら、上記転写法では触媒層が電解質膜全面に連続して転写されているために、セル組みの際にガスケットに勘合する部位等のように、電池反応に寄与しない部位に触媒層が存在し、その結果高価な白金等の触媒使用量当たりの発電効率が小さくなる欠点がある。 However, since the catalyst layer is continuously transferred to the entire electrolyte membrane in the above transfer method, there is a catalyst layer in a portion that does not contribute to the battery reaction, such as a portion that fits into the gasket when assembling the cell. As a result, there is a disadvantage that the power generation efficiency per the amount of catalyst such as expensive platinum is reduced.
そこで、本発明は、燃料電池の大量生産に適し、かつ、触媒使用量当たりの発電効率を下げることのない膜・触媒層接合体及びこれを用いた固体高分子形燃料電池の製造方法と、前記膜・触媒層接合体の製造装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention is suitable for mass production of fuel cells and does not reduce the power generation efficiency per catalyst usage, and a membrane / catalyst layer assembly, and a method for producing a solid polymer fuel cell using the same, It is an object of the present invention to provide an apparatus for producing the membrane / catalyst layer assembly.
前記課題を解決するための手段として、本発明に係る膜・触媒層接合体の製造方法は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造方法において、長尺の前記電解質膜を準備する第1の工程と、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを準備する第2の工程と、前記転写フィルムの触媒層が前記電解質膜に面するように、前記電解質膜の少なくとも一方面に前記転写フィルムを配置する第3の工程と、前記転写フィルムの触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写する第4の工程とを有することを特徴とする。 As a means for solving the above-mentioned problems, a method for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention comprises a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are respectively formed on both surfaces of an electrolyte membrane. In the manufacturing method, a first step of preparing the long electrolyte membrane, a second step of preparing a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film, and a catalyst of the transfer film A third step of disposing the transfer film on at least one surface of the electrolyte membrane so that the layer faces the electrolyte membrane; and a catalyst layer of the transfer film with a desired interval on at least one surface of the electrolyte membrane. And a fourth step of intermittently transferring.
また、前記第4の工程において、長尺の前記電解質膜を連続的に長さ方向に送り、長尺の前記転写フィルムを間欠的に前記電解質膜と同方向に送り、熱ロールが前記転写フィルムの送りに連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付けることで、前記触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写するようにすることができる。 In the fourth step, the long electrolyte membrane is continuously fed in the length direction, the long transfer film is intermittently fed in the same direction as the electrolyte membrane, and a heat roll is transferred to the transfer film. By sandwiching the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the feeding, the catalyst layer can be intermittently transferred to at least one surface of the electrolyte membrane at a desired interval.
または、長尺の前記電解質膜を連続的に長さ方向に送り、長尺の前記転写フィルムを間欠的に前記電解質膜と同方向に送り、シールバーが前記転写フィルムの送りに連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付けることで、前記触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写するようにすることができる。 Alternatively, the long electrolyte membrane is continuously fed in the length direction, the long transfer film is intermittently fed in the same direction as the electrolyte membrane, and the seal bar is interlocked with the feed of the transfer film. By sandwiching the electrolyte membrane and the transfer film, the catalyst layer can be transferred intermittently at a desired interval to at least one surface of the electrolyte membrane.
または、長尺の前記電解質膜及び転写フィルムを間欠的に長さ方向に送り、熱スタンパーが前記電解質膜及び転写フィルムの間欠停止に連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付けることで、前記触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写するようにしてもよい。 Alternatively, the long electrolyte membrane and transfer film are intermittently sent in the length direction, and a thermal stamper sandwiches the electrolyte membrane and transfer film in conjunction with intermittent stop of the electrolyte membrane and transfer film, The catalyst layer may be transferred intermittently at a desired interval to at least one surface of the electrolyte membrane.
さらには、サーマルヘッドが前記電解質膜及び転写フィルムを一定の圧力で挟み付けた状態で、長尺の前記電解質膜を連続的に長さ方向に送るとともに、長尺の前記転写フィルムを間欠的に前記電解質膜と同方向に送り、前記サーマルヘッドの温度を前記転写フィルムの送りに連動して上昇させることで、前記触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写するようにすることもできる。 Furthermore, while the thermal head sandwiches the electrolyte membrane and the transfer film at a constant pressure, the long electrolyte membrane is continuously sent in the length direction, and the long transfer film is intermittently fed. The catalyst layer is intermittently transferred at a desired interval to at least one surface of the electrolyte membrane by feeding in the same direction as the electrolyte membrane and raising the temperature of the thermal head in conjunction with the feed of the transfer film. You can also do it.
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る固体高分子形燃料電池の製造方法は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層及び電極基材からなる膜・電極接合体と、該膜・電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えた固体高分子形燃料電池の製造方法において、長尺の前記電解質膜を準備する第1の工程と、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを準備する第2の工程と、前記転写フィルムの触媒層が前記電解質膜に面するように、前記電解質膜の少なくとも一方面に前記転写フィルムを配置する第3の工程と、前記転写フィルムの触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写する第4の工程と、前記触媒層上に前記電極基材を積層形成する第5の工程と、前記セパレータにより前記膜・電極接合体を挟持させる第6の工程とを有することを特徴とする。 Further, as a means for solving the above-mentioned problems, the method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a membrane / electrode assembly comprising a catalyst layer and an electrode substrate on both sides of an electrolyte membrane, and the membrane. In a method for producing a polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of separators that sandwich an electrode assembly, a first step of preparing the long electrolyte membrane, and the catalyst on a long base film A second step of preparing a transfer film having a layer formed thereon; and a third step of disposing the transfer film on at least one surface of the electrolyte membrane so that a catalyst layer of the transfer film faces the electrolyte membrane. A fourth step of intermittently transferring the catalyst layer of the transfer film to at least one surface of the electrolyte membrane at a desired interval, and a fifth step of laminating and forming the electrode base material on the catalyst layer And the separate And having a sixth step of sandwiching the membrane electrode assembly by.
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る第1の膜・触媒層接合体の製造装置は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造装置において、長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付け可能に設置された一対の熱ロールとを備え、前記電解質膜送り部が連続送り駆動であって、前記転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対の熱ロールが前記転写フィルム送り部の送りに連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付ける構成とされていることを特徴とする。 Further, as means for solving the above-mentioned problems, the first apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention comprises a membrane for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, respectively. In the catalyst layer assembly manufacturing apparatus, the catalyst layer is formed on the long base film on at least one surface side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane feeding section that sends the long electrolyte membrane in the length direction A transfer film feeding unit that feeds the transferred transfer film in the same direction as the electrolyte membrane, and a pair of heat rolls installed so as to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film. The transfer film feed unit is intermittent feed drive, and the pair of heat rolls are configured to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the feed of the transfer film feed unit. And butterflies.
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る第2の膜・触媒層接合体の製造装置は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造装置において、長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付け可能に設置された一対のシールバーとを備え、前記電解質膜送り部が連続送り駆動であって、前記転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対のシールバーが前記転写フィルム送り部の送りに連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付ける構成とされていることを特徴とする。 Further, as means for solving the above-mentioned problems, the second apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention comprises a membrane for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, respectively. In the catalyst layer assembly manufacturing apparatus, the catalyst layer is formed on the long base film on at least one surface side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane feeding section that sends the long electrolyte membrane in the length direction A transfer film feeding section that feeds the transferred transfer film in the same direction as the electrolyte membrane, and a pair of seal bars that can be sandwiched between the electrolyte membrane and the transfer film, and the electrolyte membrane feeding section is continuously fed The transfer film feeding section is intermittently driven, and the pair of seal bars are configured to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the feeding of the transfer film feeding section. The features.
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る第3の膜・触媒層接合体の製造装置は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造装置において、長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付け可能に設置された一対の熱スタンパーとを備え、前記電解質膜送り部及び転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対の熱スタンパーが前記電解質膜及び転写フィルムの間欠停止に連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付けることで、前記触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写するように構成されていることを特徴とする。 Moreover, as a means for solving the above-mentioned problem, the third apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention comprises a membrane for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, respectively. In the catalyst layer assembly manufacturing apparatus, the catalyst layer is formed on the long base film on at least one surface side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane feeding section that sends the long electrolyte membrane in the length direction A transfer film feeding section for feeding the transferred transfer film in the same direction as the electrolyte membrane, and a pair of thermal stampers installed so as to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film, the electrolyte membrane feeding section and the transfer film feeding And the pair of thermal stampers sandwich the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the intermittent stop of the electrolyte membrane and the transfer film, so that the catalyst layer is electrolyzed. Characterized in that it is configured to intermittently transfer at a desired interval on at least one surface of the film.
また、前記課題を解決するための手段として、本発明に係る第4の膜・触媒層接合体の製造装置は、電解質膜の両面にそれぞれ触媒層を形成した固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造装置において、長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、前記電解質膜及び転写フィルムを一定の圧力で挟み付けている一対のサーマルヘッドとを備え、前記電解質膜送り部が連続送り駆動であって、前記転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対のサーマルヘッドの温度が転写フィルム送り部の送りに連動して上昇する構成としていることを特徴とする。このとき、前記一対のサーマルヘッドは、電解質膜又は転写フィルムに接触している先端部に複数の発熱体を有しており、該複数の発熱体から選択された発熱体の温度を上昇させることを特徴としてもよい。 Further, as a means for solving the above-mentioned problems, a fourth apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention comprises a membrane for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are respectively formed on both surfaces of an electrolyte membrane. In the catalyst layer assembly manufacturing apparatus, the catalyst layer is formed on the long base film on at least one surface side of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane feeding section that sends the long electrolyte membrane in the length direction A transfer film feeding section for feeding the transferred transfer film in the same direction as the electrolyte membrane, and a pair of thermal heads sandwiching the electrolyte membrane and the transfer film with a constant pressure. Drive, wherein the transfer film feed section is intermittent feed drive, and the temperature of the pair of thermal heads rises in conjunction with the feed of the transfer film feed section. At this time, the pair of thermal heads has a plurality of heating elements at the tip portions in contact with the electrolyte membrane or the transfer film, and raises the temperature of the heating elements selected from the plurality of heating elements. May be a feature.
本発明によれば、電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に触媒層を転写して形成するので、各触媒層間の触媒層が転写されていない部分を、ガスケット等に嵌合する部位等の電池反応に寄与しない部位とすることができ、比較的高価な材料が使用される触媒層の使用量を減らすことができる。 According to the present invention, the catalyst layer is formed by transferring the catalyst layer intermittently at a desired interval on at least one surface of the electrolyte membrane. Therefore, a portion where the catalyst layer between the catalyst layers is not transferred is fitted to a gasket or the like. Thus, the amount of the catalyst layer in which a relatively expensive material is used can be reduced.
また、熱スタンパーにより、触媒層を電解質膜の少なくとも一方面に転写することで、熱スタンパーの転写面の形状を所望の形状とすることで、電解質膜に転写される触媒層の形状を所望の形状とすることができる。 In addition, by transferring the catalyst layer to at least one surface of the electrolyte membrane with a thermal stamper, the shape of the transfer surface of the thermal stamper is changed to a desired shape, so that the shape of the catalyst layer transferred to the electrolyte membrane can be changed to a desired shape. It can be a shape.
さらに、触媒層を電解質膜の少なくとも一方面に転写するのに、温度の昇降が可能な発熱体を先端に有するサーマルヘッドを用いることにより、電解質膜及び転写フィルムへのサーマルヘッドの加圧を常に一定にしたまま、触媒層を電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に形成することができる。また、発熱体を複数有し、該複数の発熱体の内、所望の発熱体のみの温度を昇降させることで、温度を上昇させた発熱体に対応する触媒層のみを、電解質膜に転写させることができる等、熱プレス機や転写フィルムの交換を行うことなく、同一の製造工程において形状の異なる触媒層を電解質膜に転写することができる。 Furthermore, by using a thermal head having a heating element capable of raising and lowering the temperature at the tip to transfer the catalyst layer to at least one surface of the electrolyte membrane, the pressure of the thermal head on the electrolyte membrane and the transfer film is always applied. The catalyst layer can be intermittently formed at a desired interval on at least one surface of the electrolyte membrane while being kept constant. In addition, by having a plurality of heating elements and raising or lowering the temperature of only the desired heating element among the plurality of heating elements, only the catalyst layer corresponding to the heating element whose temperature has been raised is transferred to the electrolyte membrane. The catalyst layers having different shapes can be transferred to the electrolyte membrane in the same manufacturing process without exchanging the hot press machine or the transfer film.
以下、本発明に係る固体高分子形燃料電池用膜・触媒層接合体の製造方法、固体高分子形燃料電池の製造方法、及び膜・触媒層接合体の製造装置の実施形態を添付図面に従って説明する。図1は、本実施形態に係る膜・触媒層接合体の製造装置を模式的に示す斜視図であり、図2は、この製造装置の転写状態(a)及び非転写状態(b)における正面図である。図1及び図2に示すように、この製造装置は、熱ロール7(熱プレス機)と、電解質膜供給ロール31及び膜・触媒層接合体巻き取りロール32を有する電解質膜送り部35と、転写フィルム供給ロール33及び基材フィルム巻き取りロール34を有する一対の転写フィルム送り部36とを備える。まず、電解質膜供給ロール31には長尺の電解質膜1が、転写フィルム供給ロール33には基材フィルム5に触媒層3が塗工形成された長尺の転写フィルム2が、それぞれロール状でセットされており、電解質膜1及び転写フィルム2が膜・触媒層接合体巻き取りロール32及び基材フィルム巻き取りロール34にそれぞれ巻き取られるようになっている。このとき、転写フィルム2は、触媒層3が電解質膜1に面するように、電解質膜1の両面にそれぞれ配置されている。そして、このように配置された電解質膜1及び転写フィルム2を各転写フィルム2の背面(基材フィルム5側)から挟み付け可能に、つまり、一対の熱ロール7が電解質膜1及び転写フィルム2を中心に接近・離間が可能となるように配置されている。
Embodiments of a method for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell, a method for producing a polymer electrolyte fuel cell, and a device for producing a membrane / catalyst layer assembly according to the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. explain. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a production apparatus for a membrane / catalyst layer assembly according to the present embodiment. FIG. 2 is a front view of the production apparatus in a transfer state (a) and a non-transfer state (b). FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the manufacturing apparatus includes a hot roll 7 (hot press machine), an electrolyte
次に、電解質膜1及び転写フィルム2の材質について説明する。電解質膜1は、例えば、基材上に水素イオン伝導性高分子電解質を含有する溶液を塗工し、乾燥することにより形成される。水素イオン伝導性高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のC−H結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー(PFS系ポリマー)等が挙げられる。電気陰性度の高いフッ素原子を導入することで、化学的に非常に安定し、スルホン酸基の解離度が高く、高いイオン伝導性が実現できる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」(登録商標)、旭硝子(株)製の「Flemion」(登録商標)、旭化成(株)製の「Aciplex」(登録商標)、ゴア(Gore)社製の「Gore Select」(登録商標)等が挙げられる。水素イオン伝導性高分子電解質含有溶液中に含まれる水素イオン伝導性高分子電解質の濃度は、通常5〜60重量%程度、好ましくは20〜40重量%程度である。なお、電解質膜1の膜厚は通常20〜250μm程度、好ましくは20〜80μm程度である。
Next, materials for the
また、転写フィルム2の作製方法は、触媒粒子を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して触媒ペーストを作製し、形成される触媒層が所望の膜厚になるように触媒ペーストを公知の方法に従い、必要に応じて離型層を介して基材フィルム5上に塗工するのが良い。触媒ペーストの塗工方法としては、特に限定されるものではなく、例えばスクリーン印刷や、グラビア印刷、ナイフコータ、バーコータ、スプレー、ディップコータ、スピンコータ、ロールコータ、ダイコータ、カーテンコータ等の一般的な方法を適用できる。上記の触媒粒子としては、例えば、白金や白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属と、白金との合金等が挙げられる。なお、通常は、カソード触媒層に含まれる触媒粒子は白金であり、アノード触媒層に含まれる触媒粒子は前記金属と白金との合金である。また、水素イオン伝導性高分子電解質としては、上述した電解質膜1に使用されるものと同じ材料を使用することができる。また、上記の溶剤としては、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水またはこれらの混合物等が挙げられ、これらの中でもアルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、tert−ブタノール、等の炭素数1〜4の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。
The
また、基材フィルム5としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパルバン酸アラミド、ポリアミド(ナイロン)、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル・エーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリレート、ポリエチレンナフタレート等の高分子フィルムを挙げることができる。
Examples of the
また、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。 Further, heat resistance of ethylene tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroperfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE), etc. Fluorine resin can also be used.
さらに基材フィルム5は、高分子フィルム以外にアート紙、コート紙、軽量コート紙等の塗工紙、ノート用紙、コピー用紙などの非塗工紙であっても良い。
Furthermore, the
基材フィルム5の厚さは、取り扱い性及び経済性の観点から通常6〜100μm程度、好ましくは6〜50μm程度、より好ましくは10〜30μm程度とするのがよい。
The thickness of the
従って、基材フィルム5としては、安価で入手が容易な高分子フィルムが好ましく、ポリエチレンテレフタレート等がより好ましい。
Therefore, the
そして、基材フィルム5に触媒ペーストを塗工した後、所定の温度及び時間で乾燥することにより転写フィルム2が形成される。乾燥温度は、通常40〜100℃程度、好ましくは60〜80℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常5分〜2時間程度、好ましくは10分〜1時間程度である。
And after apply | coating a catalyst paste to the
次に、上記製造装置による、膜・触媒層接合体の製造方法及び固体高分子形燃料電池の製造方法を図1〜3に従って説明する。まず、図1及び2に示すように、電解質膜供給ロール31及び転写フィルム供給ロール33にセットされた長尺の電解質膜1及び転写フィルム2が同一の長さ方向に送られ、膜・触媒層接合体巻き取りロール32及び基材フィルム巻き取りロール34に巻き取られる。そして、一対の熱ロール7が両転写フィルム2の背面(基材フィルム5側)から所定の圧力で断続的に加圧することにより電解質膜1の両面に転写フィルム2の触媒層3が断続的に転写される。このとき、電解質膜送り部35は、連続送り駆動であって、電解質膜1を常に一定の速度で連続的に送り、その一方で、転写フィルム送り部36は、間欠送り駆動であって、転写フィルム2を断続的に送り、一対の熱ロール7は、転写フィルム送り部36の転写フィルム2の送りに連動して電解質膜1及び転写フィルム2を挟み付け、所定の圧力で加圧する。この熱ロール7の加圧状態、電解質膜送り部35、及び転写フィルム送り部36の送り状態の対応関係を図3(a)に示す。横軸は時間、縦軸は加圧状態又は送り状態のON、OFFを表す。また、この対応関係によって形成される電解質膜1上での触媒層3の位置関係及び転写後の転写フィルム2の状態を表したものを図3(b)及び(c)に示す。これらの図から明らかなように、熱ロール7の加圧状態がONのときには転写フィルム送り部36の送り状態もONであり、また、電解質膜送り部35の送り状態は常にONであるので、このときは、転写フィルム2の触媒層3が電解質膜1上に転写され、膜・触媒層接合体9が製造される(図2(a)参照)。また、熱ロール7の加圧状態がOFFのときには転写フィルム送り部36の送り状態もOFFであり、電解質膜送り部35の送り状態のみがONであるので、各触媒層3間の間隔Sが形成される(図2(b)参照)。
Next, a method for producing a membrane / catalyst layer assembly and a method for producing a polymer electrolyte fuel cell using the production apparatus will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIGS. 1 and 2, the
このように電解質膜1の両面に触媒層3が断続的に転写されて各触媒層3間の間隔Sが形成されることにより、膜・触媒層接合体9が複数製造される。このように製造された膜・触媒層接合体9は、膜・触媒層接合体巻き取りロール32に巻き取られる。また、基材フィルム5は、転写後に触媒層3より剥離されて基材フィルム巻き取りロール34にて巻き取られ、回収される。なお、熱ロール7の温度は80〜200℃が好ましく、100〜150℃がさらに好ましく、圧力は0.5〜20MPaが好ましく、1〜10MPaがさらには好ましい。また、電解質膜1及び転写フィルム2の送り速度は0.001〜10m/minが好ましく、0.01〜1m/minがさらには好ましい。
As described above, the catalyst layers 3 are intermittently transferred to both surfaces of the
そして、このようにして製造された複数の膜・触媒層接合体9を、図7に示すように、各膜・触媒層接合体9毎に切り出し、各膜・触媒層接合体9の触媒層3上に電極基材15を積層形成し、膜・電極接合体17を形成する。そして、ガスケット19が間隔Sに嵌合するようにガスケット19を介してセパレータ21で膜・電極接合体19を挟持し、燃料電池23を製造する。なお、上記例では、各膜・触媒層接合体9毎に切り出して膜・電極接合体17を形成し、ガスケット19を介してセパレータ21で膜・電極接合体17を挟持させて燃料電池23を製造しているが、膜・触媒層接合体9を所望の単位毎に切り出して燃料電池23を形成した後に、各燃料電池23を切り出して一つの燃料電池23としても良い。
Then, the plurality of membrane /
以上のように、長尺の電解質膜1を一定の速度で連続的に送り、熱ロール7の加圧を転写フィルム2の背面から断続的に行うので、触媒層3は電解質膜1上に間隔Sを空けて断続的に転写され、複数の膜・触媒層接合体9が製造される。この間隔Sを、ガスケットなどに嵌合する部位等の電池反応に寄与しない部位とすることができる。また、転写フィルム2を熱ロール7の加圧状態がONのときのみに送り、熱ロール7の加圧状態がOFFのときは転写フィルム2の送り状態はOFFとするために、図3(c)に示すように、転写フィルム2上の触媒層3をすべて電解質膜1に転写させ、非転写部位11を各転写部位間13に形成することがないので、比較的高価な材料が使用される触媒層3の使用量を減らすことができ、低コスト化を図ることができる。
As described above, the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、熱プレスを一対の熱ロール7ではなく、ヒートシールなどのシール加工に用いられる一対のシールバーで行うこともできる。また、上記実施形態では、転写フィルム2を電解質膜1の上下に各1つずつ配置しているが、これを図4に示すように、電解質膜1の上下に各2つずつ使用する等転写フィルム2の数を変更することも可能である。こうすることにより、より効率的に膜・触媒層接合体9を製造することができる。また、転写フィルム2が二列の例について説明したが、三列以上の転写フィルム2を並列使用して転写することももちろん可能である。さらには、一列の転写フィルム2を用い、熱ロール7を幅方向に複数設置する等して、一定間隔を設けて複数列の触媒層3を転写し、複数列の膜・触媒層接合体9を形成することも可能である。また、上記実施形態では、電解質膜1の両面に触媒層3を転写させているが、電解質膜1の片方の面にのみ触媒層3を転写してもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, the hot pressing can be performed not by the pair of heat rolls 7 but by a pair of seal bars used for sealing processing such as heat sealing. Moreover, in the said embodiment, although the
また、図5に示すように、熱プレスを一対の熱ロール7ではなく、一対の熱スタンパー71で行うこともできる。この方法では、電解質膜1上に触媒層3を転写させるときは、電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36の送り状態はOFF、つまり停止状態とし、熱スタンパー71の加圧状態をONとする(図5(a))。そして、間隔Sを形成するときは、熱スタンパー71の加圧状態がOFFとなり、電解質膜送り部35は電解質膜1を所望の間隔S分だけ長さ方向に送る。このとき、転写フィルム送り部36の送り状態はOFF即ち停止状態となっている(図5(b))。電解質膜1が間隔S分だけ送られた後に、電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36は電解質膜1及び転写フィルム2を触媒層3の分だけ送った後に送り状態はOFFとなり、その状態で、熱スタンパー7の加圧状態がONとなり、再び電解質膜1に触媒層3が転写される。また、別の方法としては、電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36の送り状態をOFFとし、熱スタンパー71の加圧状態をONとすることにより、電解質膜1上に触媒層3を転写させ、その後、間隔Sを形成するために、熱スタンパー71の加圧状態をOFFとし、電解質膜送り部35の送り速度を転写フィルム送り部36の送り速度より速くし、電解質膜送り部35は、電解質膜1を間隔S及び触媒層3の分だけ長さ方向に送り、転写フィルム送り部36は転写フィルム2を触媒層3の分だけ送る。その後、再び電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36の送り状態をOFFにして静止させた状態で、熱スタンパー71の加圧状態をONにし、電解質膜1上に転写フィルム2の触媒層3を転写させることで、触媒層3を電解質膜1に間隔Sをおいて断続的に転写することができる。
Further, as shown in FIG. 5, the hot pressing can be performed not by the pair of heat rolls 7 but by the pair of
このように熱ロール7の代わりに熱スタンパー71により転写を行うと、熱スタンパー71の形状を所望の形状とするだけで、触媒層3の形状も所望の形状とすることができる。
When the transfer is performed by the
さらには、図6に示すように、熱プレスを熱ロール7の代わりにサーマルヘッド72により行うこともできる。サーマルヘッド72の電解質膜1又は転写フィルム2に接触する先端側に、急速な温度の昇降が可能な複数の発熱体が1次元配列した構造を有している。このサーマルヘッド72を用いた転写方法は、まず、両転写フィルム2の背面から一対のサーマルヘッド72で挟み付け上記所定の圧力で加圧する。そして、サーマルヘッド72の各発熱体の温度を上記所定の温度に上昇させ、電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36が電解質膜1及び転写フィルム2を長さ方向に送り、電解質膜1に転写フィルム2の触媒層3を転写させる。そして、サーマルヘッド72の各発熱体の温度を降下させ、転写フィルム送り部36の送り状態をOFFにし、電解質膜送り部35の送り状態をONにして所望の間隔Sだけ送らせる。この工程を繰り返し、複数の膜・触媒層接合体9を製造する。この転写する際に、複数の発熱体のうち選択された発熱体の温度のみを上昇させることで、温度が上昇している発熱体に対応する部分のみ触媒層3を転写させることが可能となる。こうすることで、熱プレス機や転写フィルムの交換を行うことなく、同一の製造工程において形状の異なる膜・触媒層接合体を容易に製造することができる。当然、複数の発熱体全ての温度を上昇させてもよい。
Furthermore, as shown in FIG. 6, hot pressing can be performed by a
さらに、サーマルヘッド72を用いる別の転写方法として、電解質膜1に転写フィルム2の触媒層3を転写させる際に、上記では電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36が電解質膜1及び転写フィルム2を長さ方向に送りサーマルヘッド72を固定して転写を行っていたが、電解質膜送り部35及び転写フィルム送り部36の送り状態をOFFにし、サーマルヘッド72の発熱体を加圧加熱しつつサーマルヘッド72を移動させることで転写を行うこともできる。
Furthermore, as another transfer method using the
1 電解質膜
2 転写フィルム
3 触媒層
5 基材フィルム
7 熱ロール
9 膜・触媒層接合体
15 電極基材
17 膜・電極接合体
21 セパレータ
23 固体高分子形燃料電池
35 電解質膜送り部
36 転写フィルム送り部
71 熱スタンパ
72 サーマルヘッド
S 間隔
DESCRIPTION OF
Claims (11)
長尺の前記電解質膜を準備する第1の工程と、
長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを準備する第2の工程と、
前記転写フィルムの触媒層が前記電解質膜に面するように、前記電解質膜の少なくとも一方面に前記転写フィルムを配置する第3の工程と、
前記転写フィルムの触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写する第4の工程とを有することを特徴とする膜・触媒層接合体の製造方法。 In the method for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both sides of the electrolyte membrane,
A first step of preparing a long electrolyte membrane;
A second step of preparing a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film;
A third step of disposing the transfer film on at least one surface of the electrolyte membrane such that the catalyst layer of the transfer film faces the electrolyte membrane;
And a fourth step of intermittently transferring the catalyst layer of the transfer film to at least one surface of the electrolyte membrane at a desired interval.
長尺の前記電解質膜を準備する第1の工程と、
長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを準備する第2の工程と、
前記転写フィルムの触媒層が前記電解質膜に面するように、前記電解質膜の少なくとも一方面に前記転写フィルムを配置する第3の工程と、
前記転写フィルムの触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写する第4の工程と、
前記触媒層上に前記電極基材を積層形成する第5の工程と、
前記セパレータにより前記膜・電極接合体を挟持させる第6の工程とを有することを特徴とする固体高分子形燃料電池の製造方法。 In a method for producing a polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane / electrode assembly comprising a catalyst layer and an electrode substrate on each side of an electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the membrane / electrode assembly,
A first step of preparing a long electrolyte membrane;
A second step of preparing a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film;
A third step of disposing the transfer film on at least one surface of the electrolyte membrane such that the catalyst layer of the transfer film faces the electrolyte membrane;
A fourth step of intermittently transferring the catalyst layer of the transfer film to at least one surface of the electrolyte membrane at a desired interval;
A fifth step of laminating and forming the electrode base material on the catalyst layer;
And a sixth step of sandwiching the membrane-electrode assembly by the separator. A method for producing a polymer electrolyte fuel cell, comprising:
長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、
前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、
前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付け可能に設置された一対の熱ロールとを備え、
前記電解質膜送り部が連続送り駆動であって、前記転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対の熱ロールが前記転写フィルム送り部の送りに連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付ける構成とされていることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。 In an apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane,
An electrolyte membrane feed section for feeding the long electrolyte membrane in the length direction;
A transfer film feeding section for feeding a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film in the same direction as the electrolyte membrane on at least one surface side of the electrolyte membrane;
A pair of heat rolls installed so as to be able to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film,
The electrolyte membrane feed unit is a continuous feed drive, the transfer film feed unit is an intermittent feed drive, and the pair of heat rolls sandwich the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the feed of the transfer film feed unit. An apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly, characterized in that it is configured to be attached.
長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、
前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、
前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付け可能に設置された一対のシールバーとを備え、
前記電解質膜送り部が連続送り駆動であって、前記転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対のシールバーが前記転写フィルム送り部の送りに連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付ける構成とされていることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。 In an apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane,
An electrolyte membrane feed section for feeding the long electrolyte membrane in the length direction;
A transfer film feeding section for feeding a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film in the same direction as the electrolyte membrane on at least one surface side of the electrolyte membrane;
A pair of seal bars installed so as to be able to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film,
The electrolyte membrane feed unit is a continuous feed drive, the transfer film feed unit is an intermittent feed drive, and the pair of seal bars sandwich the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the feed of the transfer film feed unit. An apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly, characterized in that it is configured to be attached.
長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、
前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、
前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付け可能に設置された一対の熱スタンパーとを備え、
前記電解質膜送り部及び転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対の熱スタンパーが前記電解質膜及び転写フィルムの間欠停止に連動して前記電解質膜及び転写フィルムを挟み付けることで、前記触媒層を前記電解質膜の少なくとも一方面に所望間隔をおいて断続的に転写するように構成されていることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。 In an apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which catalyst layers are formed on both surfaces of an electrolyte membrane,
An electrolyte membrane feed section for feeding the long electrolyte membrane in the length direction;
A transfer film feeding section for feeding a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film in the same direction as the electrolyte membrane on at least one surface side of the electrolyte membrane;
A pair of thermal stampers installed so as to be able to sandwich the electrolyte membrane and the transfer film,
The electrolyte membrane feeding unit and the transfer film feeding unit are intermittently fed, and the pair of thermal stampers sandwich the electrolyte membrane and the transfer film in conjunction with the intermittent stop of the electrolyte membrane and the transfer film, whereby the catalyst An apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly, wherein the layer is intermittently transferred to at least one surface of the electrolyte membrane at a desired interval.
長尺の前記電解質膜を長さ方向に送る電解質膜送り部と、
前記電解質膜の少なくとも一方面側に、長尺の基材フィルム上に前記触媒層が形成された転写フィルムを前記電解質膜と同方向に送る転写フィルム送り部と、
前記電解質膜及び転写フィルムを一定の圧力で挟み付けている一対のサーマルヘッドとを備え、
前記電解質膜送り部が連続送り駆動であって、前記転写フィルム送り部が間欠送り駆動であり、前記一対のサーマルヘッドの温度が転写フィルム送り部の送りに連動して上昇する構成としていることを特徴とする膜・触媒層接合体の製造装置。 In an apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly for a polymer electrolyte fuel cell in which a catalyst layer is formed on each side of an electrolyte membrane,
An electrolyte membrane feed section for feeding the long electrolyte membrane in the length direction;
A transfer film feeding section for feeding a transfer film in which the catalyst layer is formed on a long base film in the same direction as the electrolyte membrane on at least one surface side of the electrolyte membrane;
A pair of thermal heads sandwiching the electrolyte membrane and the transfer film at a constant pressure,
The electrolyte membrane feed unit is a continuous feed drive, the transfer film feed unit is an intermittent feed drive, and the temperature of the pair of thermal heads rises in conjunction with the feed of the transfer film feed unit. An apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly.
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