JP2010027227A - 燃料電池用電極の電解質膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜材の補強に当たり、補強用フィルム材の搬送や位置決めを容易に行え、また補強用フィルム材の中央部分の切除を、電解質膜材を損傷させることなく適正かつ安定して行える燃料電池用電極の電解質膜の製造方法を提供する。
【解決手段】電解質膜材１１の外周部の補強を、電解質膜材１１の全面に補強用フィルム材１２を貼り付けた後、同補強用フィルム材１２の中央部分１２ｂを取り除くことにより行うようにして、補強用フィルム材１１の搬送や電解質膜材１１に対する位置決めを容易にする。また、補強用フィルム材１１の中央部分１２ｂの切除を、補強用フィルム材１２の表裏面からの、同位置に対するハーフカット（相反する側からの２回のハーフカット）によって行うようにして、ハーフカットの際の刃の食い込み過ぎ、食い込み不足をなくした。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に用いられる電極の電解質膜の製造方法に関するものである。

燃料電池用電極の電解質膜は、高出カ化のため薄膜化する傾向にあるが、薄膜化されると膜強度の低下が懸念される。そこで図８に示すように、電解質膜材８１の、触媒層が形成されない外周部に補強用フィルム材８２を貼り付け、膜外周部の強度を高くした電解質膜（補強用フィルム材付き電解質膜）８３が提案されている。
このような電解質膜８３を得るには、図８に例示する、予め中央部分が切除された額縁状の補強用フィルム材８２ａを電解質膜材８１の外周部に貼り付ける方法と、電解質膜材の全面に補強用フィルム材を貼り付けた後、補強用フィルム材の中央部分をハーフカットにより取り除く方法とがある（類似の技術として、例えば特許文献１参照）。

特開２００７−２９９５５１号公報

しかしながら、前者の額縁状の補強用フィルム材８２ａを電解質膜材８１に貼り付ける方法では、額縁状の補強用フィルム材８２ａの搬送や電解質膜材８１に対する位置決めが難しいという問題があった。額縁状の補強用フィルム材８２ａは形状が不安定で扱いにくく、電解質膜材８１への貼り付け工程において歪み等の変形が生じ易いからである。
また、後者の電解質膜材の全面に補強用フィルム材を貼り付けた後、同補強用フィルム材の中央部分をハーフカットにより取り除く方法では、電解質膜材の搬送や位置決めが比較的容易になる。しかし、ハーフカットの際に刃が食い込み過ぎると電解質膜材を変形させたり損傷させ、逆に食い込みが足りないと補強用フィルム材の中央部分をうまく切除できないという問題があった。

本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、電解質膜材の補強に当たり、補強用面状材（補強用フィルム材等）の搬送や位置決めが容易に行え、しかも、補強用面状材の中央部分のハーフカットによる切除を、電解質膜材を変形させたり損傷させることなく、適正かつ安定して行える燃料電池用電極の電解質膜の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題は、燃料電池用電極の電解質膜の製造方法を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、各々対応する。（３）項及び（４）項は請求項に係る発明ではない。

（１） 電解質膜材と補強用面状材とを接合して燃料電池用電極の電解質膜を製造する方
法であって、前記補強用面状材の予め定められた切除領域の外周をハーフカットする第１工程と、この第１工程でハーフカットされた補強用面状材を、ハーフカットされた面側で前記電解質膜材に接合させる第２工程と、この第２工程で前記電解質膜材と接合された補強用面状材を、前記第１工程でハーフカットされた面とは反対面側から、かつそのハーフカット位置と同位置にてハーフカットする第３工程と、この第３工程におけるハーフカット及び前記第１工程におけるハーフカットによって外周が全カット状態にある前記切除領域の補強用面状材部分を除去する第４工程とを経て、前記切除領域の外周側が補強用面状材で補強された電解質膜を得ることを特徴とする燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。
補強用面状材としては、電解質膜材を補強するに足りる剛性、強度を有するものであればフィルム材、シート材、膜材等のいずれであってもよい。
電解質膜材に対する触媒層（発電部）の形成は、本発明方法の前工程で行っても、後工程で行っても、どちらでもよい。
（２） 前記電解質膜材及び補強用面状材は、各別にロール状に巻かれ、各々その先端側から引き出され、前記第１工程から第４工程中の該当する工程を順次経て帯状に連なる電解質膜列とされ、この電解質膜列を予め定められた間隔で切断することにより、前記切除領域の外周側が補強用面状材で補強された単体の電解質膜を連続的に得ることを特徴とする（１）項に記載の燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。
（３） 前記第１工程におけるハーフカットは、補強用面状材ロールから引き出されて走行する帯状の補強用面状材の下面側から回転式型抜き刃を用いて行い、第３工程におけるハーフカットは、往復動式型抜き刃を用いて補強用面状材の上面側から行うことを特徴とする（２）項に記載の燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。
（４） 前記第１工程でハーフカットされた補強用面状材の切除領域の対角近傍に一対、アライメントマークを付すことを特徴とする（２）項又は（３）項に記載の燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。
本項によれば、第２工程以降の工程において、補強用面状材の切除領域の位置を容易に検出できるようになる。

（１）項に記載の発明によれば、電解質膜材と補強用面状材とを接合して燃料電池用電極の電解質膜を製造する方法において、補強用面状材の中央部分のハーフカットによる切除を、電解質膜材を損傷等させることなく、適正かつ安定して行える。
（２）項に記載の発明によれば、（１）項に記載の電解質膜の製造を効率よく行うことができる。
（３）項に記載の発明によれば、（２）項に記載の燃料電池用電極の電解質膜の製造方法において、補強用面状材に対する２回のハーフカットを製造ライン上で効率よく行うことができる。
なお、（４）項に記載の発明は、本発明（特許請求の範囲に記載した発明）ではないので、上記課題を解決するための手段の欄に、その効果を述べた。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１〜図５は、本発明による燃料電池用電極の電解質膜の製造方法の一実施形態を説明するための図である。各図において（ａ）は正面側から模式的に示す図、（ｂ）は斜視図である。
本実施形態は、電解質膜材と補強用面状材とを接合して燃料電池用電極の電解質膜を製造する方法であって、上記補強用面状材としては、電解質膜材を補強するに足りる剛性、強度を有するものであればフィルム材、シート材、膜材等のいずれであってもよい。本実施形態では、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂やポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂からなるフィルム材が用いられており、以下、これを補強用フィルム材と記
す。

まず、図１に示すように用意された補強用フィルム材１２に対して、図２に示すように、予め定められた切除領域１２ａの外周を型抜き刃１４を用いて第１回目のハーフカット：半抜きを行う（第１工程）。この第１回目のハーフカットを行う補強用フィルム材１２の面は、同補強用フィルム材１２を後述する電解質膜材１１に接合する側の面、図示例では補強用フィルム材１２の下面である。

次に、図３に示すように、第１回目のハーフカットがされた補強用フィルム材１２を、同ハーフカットがされた面側、図示例では下面側にて電解質膜材１１に接合する（第２工程）。
続いて、図４に示すように、電解質膜材１１と接合された補強用フィルム材１２を、上記第１回目のハーフカットをした面とは反対面側、図示例では上面側から、かつ第１回目のハーフカット位置と同位置にて、型抜き刃１５を用いて第２回目のハーフカットを行う（第３工程）。
最後に、第２回目のハーフカットを終えた補強用フィルム材１２の、上記切除領域１２ａ内の部分１２ｂを除去する（第４工程）。
このフィルム材部分１２ｂは、上述した相反する側からの２回のハーフカットによって切除領域１２ａ外周が全カット状態とされていることから容易に行える。
図５は、切除領域１２ａ内のフィルム材部分１２ｂ（図４参照）が除去された、つまり補強用フィルム材１２の切除領域１２ａの外周側が残されて補強された電解質膜１３を示す。

上述実施形態において、電解質膜材１１と補強用フィルム材１２との接合は、例えば熱圧平面プレス、熱圧ロールプレス、接着剤等を用いた貼り合せにより行われる。
またハーフカットは、ハーフカット用裁断刃、例えばトムソン刃、ロータリダイカッタ等を用いて行われる。

以上に述べた実施形態によれば、電解質膜材１１（電解質膜１３）の外周部の補強を、電解質膜材１１の全面に補強用フィルム材１２を貼り付けた後、補強用フィルム材１２の中央部分を取り除くことにより行うようにしたので、補強用フィルム材１１の搬送や電解質膜材１１に対する位置決めが容易になる。額縁状の補強用フィルム材のように中央部が欠けてなく、形状が比較的安定して扱いやすいからである。
また、補強用フィルム材１２の切除領域１２ａ内の部分１２ｂのハーフカットによる切除を、補強用フィルム材１２の表裏面からの、同位置に対するハーフカット（相反する側からの２回のハーフカット）によって行うようにしたので、ハーフカットの際に刃が食い込み過ぎたり、逆に食い込みが足りない等の問題が解消される。すなわち、補強用フィルム材１２の切除領域１２ａ内の部分１２ｂのハーフカットによる切除を、電解質膜材１１を変形させたり損傷させることなく、適正かつ安定して行える等の効果を発揮できる。

なお、上述実施形態においては、予め定められた大きさに裁断した枚葉状の電解質膜材１１に対して、同じく枚葉状の補強用フィルム材１２を接合する例について述べたが、帯状に連続する未裁断の電解質膜材に対して、同じく帯状に連続する未裁断の補強用フィルム材を接合する形態を採ってもよい。

以下、帯状に連続する未裁断の電解質膜材に対して、同様に未裁断の補強用フィルム材を接合する形態を採った電解質膜の製造方法の実施形態（本発明の他の実施形態）を以下に説明する。
図６において、電解質膜材１１及び補強用フィルム材１２は、各別にロール状に巻かれ（電解質膜材ロール１１１、補強用フィルム材ロール１１２参照）、各々その先端側から
帯状に引き出され、走行する。
帯状に引き出された補強用フィルム材１２に対しては、まず、予め定められた切除領域１２ａの外周に対して第１回目のハーフカットをする（第１工程）。
このハーフカットは、ロータリダイカッタ（回転式型抜き刃）６１の回転により、帯状に引き出された補強用フィルム材１２の走行方向に予め定められた間隔をおいて連続的に行われる。
この第１回目のハーフカットは、補強用フィルム材１２を電解質膜材１１に接合する側の面、図示例では補強用フィルム材１２の下面に対して行われる。なお、６２は抑えローラを示し、また矢印ア、イ、ウは各々その箇所で続いていることを示す。

次に、第１回目のハーフカットがされた補強用フィルム材１２の同ハーフカットがされた面、図示例では下面を電解質膜材１１に接合する（第２工程）。
この接合は、例えば熱圧平面プレス、熱圧ロールプレス、接着剤等を用いた、図示例では熱圧ロールプレス６３ａ，６３ｂを用いた貼り合せにより行われる。
熱圧ロールプレス６３ａは、補強用フィルム材１２の切除領域１２ａについては接合が行われないようにその外形状が設定されている。図示例では省略されているが、熱圧ロールプレス６３ａの外周には、隣接する切除領域１２ａ，１２ａ相互間部分についての圧接を行う押圧部が形成されている。隣接する切除領域１２ａ，１２ａ相互間部分についての圧接を、熱圧ロールプレス６３ａ，６３ｂとは別個に設置された、上下に往復動する熱圧プレスによって行うように構成してもよい。

電解質膜材１１と補強用フィルム材１２とが接合されると、上記第１回目のハーフカットをした面とは反対面側、図示例では上面側から、かつ第１回目のハーフカット位置と同位置にて、第２回目のハーフカットを行う（第３工程）。
このハーフカットは、上下方向に往復動する型抜き刃、ここではトムソン刃６４を用いて連続的に行われる。
トムソン刃６４側には位置補正装置が設けられ、第１回目のハーフカットのカット線（切除領域１２ａ外周の破線参照）を検出し、補強用フィルム材１２の切除領域１２ａの位置（Ｘ・Ｙ・θ）にずれが生じている場合にはトムソン刃６４の位置補正を行って、第２回目のハーフカットが第１回目のハーフカット位置と常に同位置にて行われるようになされている。

その後、第２回目のハーフカットを終えた補強用フィルム材１２の切除領域１２ａ内のフィルム材部分１２ｂを除去する（第４工程）。
このフィルム材部分１２ｂは、上述したように相反する側からの２回のハーフカットによって切除領域１２ａ外周が全カット状態とされているので容易に行える。

第４工程を経ると、補強用フィルム材１２の切除領域１２ａの外周側が残されて補強された電解質膜材１１が間隔をおいて連なる電解質膜列６５が作製される。したがって、最後にこの電解質膜列６５に対して予め定められた間隔で切断を行えば、上記切除領域１２ａの外周側が補強用フィルム材１２で補強された単体の電解質膜［図５(ｂ)中の電解質膜１３参照］が連続的に得られる。
なお、電解質膜材１１に対する触媒層（発電部）の形成は、上記第１工程の前であっても、また上記第４工程の後であってもよいが、本実施形態では第４工程以降に行うようになされている。

上述した実施形態では、電解質膜材１１及び補強用フィルム材１２を電解質膜材ロール１１１、補強用フィルム材ロール１１２から連続的に引出し、第１工程〜第４工程中の必要な工程を順次経て帯状に連なる電解質膜列６５を作製し、この電解質膜列６５に対して所定間隔で切断を行い、切除領域１２ａの外周側が補強用フィルム材１２で補強された単
体の電解質膜１３を連続的に得るようにした。
したがって、図１〜図５に示す実施形態の効果に加えて、電解質膜１３の製造をライン上で効率よく行うことができるという効果がある。
特に、補強用フィルム材１１の搬送や電解質膜材１１に対する位置決めが、基本的には帯状に引き出された補強用フィルム材１１及び電解質膜材１１の同方向への同期した走行によって行えるもので、効率よい電解質膜１３の連続製造に与える効果は著しい。

図７は、図６に示す実施形態において、帯状に引き出された補強用フィルム材１２に対する第１回目のハーフカット（第１工程）の直後にアライメントマーク７１を付与する例を示す。
このアライメントマーク７１は、図６に示す実施形態における第１回目のハーフカットのカット線を検出することなく、補強用フィルム材１２の切除領域１２ａの位置（Ｘ・Ｙ・θ）ずれを検出するためのマークである。
図示例では、各切除領域１２ａの対角近傍に一対、アライメントマーク７１を付すようにマーキング装置７２が配置されている。マーキング装置７２には、レーザマーキング式やインクジェット式等があるが、いずれを用いてもよい。

本実施形態においては、トムソン刃６４側に設けられた位置補正装置は切除領域１２ａの対角近傍に付された一対のアライメントマーク７１を検出し、その切除領域１２ａの位置（Ｘ・Ｙ・θ）にずれが生じている場合にトムソン刃６４の位置補正を行い、第２回目のハーフカットが第１回目のハーフカット位置と常に同位置にて行われるようになされている。
このアライメントマーク７１は、基本的にライン（工程）の終了まで消去する必要はないので、ラインが連続する限り、例えば燃料電池用電極の製造終了までの間、任意に再利用可能である。

本発明方法の一実施形態の説明図である。 同上一実施形態における第１回目のハーフカットの様子を示す図である。 同じく補強用フィルム材に電解質膜材を接合する様子を示す図である。 同じく第２回目のハーフカットの様子を示す図である。 同上一実施形態により得られた電解質膜を示す図である。 本発明方法の他の実施形態の説明図である。 更に他の実施形態の説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

１１：電解質膜材、１２：補強用フィルム材（補強用面状材）、１２ａ：切除領域、１２ｂ：フィルム材部分、１３：電解質膜。

Claims (3)

1. 電解質膜材と補強用面状材とを接合して燃料電池用電極の電解質膜を製造する方法であって、
   前記補強用面状材の予め定められた切除領域の外周をハーフカットする第１工程と、
   この第１工程でハーフカットされた補強用面状材を、ハーフカットされた面側で前記電解質膜材に接合させる第２工程と、
   この第２工程で前記電解質膜材と接合された補強用面状材を、前記第１工程でハーフカットされた面とは反対面側から、かつそのハーフカット位置と同位置にてハーフカットする第３工程と、
   この第３工程におけるハーフカット及び前記第１工程におけるハーフカットによって外周が全カット状態にある前記切除領域の補強用面状材部分を除去する第４工程とを経て、
   前記切除領域の外周側が補強用面状材で補強された電解質膜を得ることを特徴とする燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。
2. 前記電解質膜材及び補強用面状材は、各別にロール状に巻かれ、各々その先端側から引き出され、前記第１工程から第４工程中の該当する工程を順次経て帯状に連なる電解質膜列とされ、この電解質膜列を予め定められた間隔で切断することにより、前記切除領域の外周側が補強用面状材で補強された単体の電解質膜を連続的に得ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。
3. 前記第１工程におけるハーフカットは、補強用面状材ロールから引き出されて走行する帯状の補強用面状材の下面側から回転式型抜き刃を用いて行い、第３工程におけるハーフカットは、往復動式型抜き刃を用いて補強用面状材の上面側から行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用電極の電解質膜の製造方法。