JP2010182563A - Device and method for manufacturing membrane catalyst layer assembly, as well as device and method for manufacturing membrane electrode assembly - Google Patents
Device and method for manufacturing membrane catalyst layer assembly, as well as device and method for manufacturing membrane electrode assembly Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、膜触媒層接合体の製造装置及び製造方法、並びに膜電極接合体の製造装置及び製造方法に関するものである。 The present invention relates to a manufacturing apparatus and manufacturing method for a membrane catalyst layer assembly, and a manufacturing apparatus and manufacturing method for a membrane electrode assembly.
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。その中でも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 to be put to practical use.
この固体高分子形燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜の両面に、電解質膜よりも一回り小さい触媒層及びガス拡散層を順に積層している。この電解質膜の両面に触媒層を形成したもの(すなわち、層構成が触媒層/電解質膜/触媒層のもの)は膜触媒層接合体(CCM)と称され、また、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層からなる電極を形成したもの(すなわち、層構成がガス拡散層/触媒層/電解質膜/触媒層/ガス拡散層のもの)は膜電極接合体(MEA)と称されている。 In this polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer and a gas diffusion layer that are slightly smaller than the electrolyte membrane are sequentially laminated on both surfaces of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane. A catalyst layer formed on both sides of the electrolyte membrane (that is, the layer structure is catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer) is called a membrane-catalyst layer assembly (CCM), and the catalyst is formed on both sides of the electrolyte membrane. An electrode formed of a layer and a gas diffusion layer (that is, a layer structure of gas diffusion layer / catalyst layer / electrolyte membrane / catalyst layer / gas diffusion layer) is referred to as a membrane electrode assembly (MEA). .
上記膜触媒層接合体や膜電極接合体を製造する方法としては、電解質膜の両面に触媒層を形成するための触媒層ペーストを塗布及び乾燥させる、いわゆる塗布方式が一般的に採用されている。しかし、この方法によって電解質膜に触媒ペーストを塗布すると、触媒ペースト中に含まれる水やアルコールなどの溶剤によって電解質膜が膨潤変形してしまい、電解質膜表面に所望の触媒層を形成することが困難になるという問題がある。また、電解質膜に塗布した触媒ペーストを乾燥させる工程において、電解質膜が高温に曝されるために電解質膜が熱膨張などを起こし、変形する問題も生じている。 As a method of manufacturing the membrane catalyst layer assembly or the membrane electrode assembly, a so-called coating method is generally adopted in which a catalyst layer paste for forming a catalyst layer is applied and dried on both surfaces of an electrolyte membrane. . However, when the catalyst paste is applied to the electrolyte membrane by this method, the electrolyte membrane is swollen and deformed by a solvent such as water or alcohol contained in the catalyst paste, and it is difficult to form a desired catalyst layer on the electrolyte membrane surface. There is a problem of becoming. Further, in the step of drying the catalyst paste applied to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane is exposed to a high temperature, so that the electrolyte membrane undergoes thermal expansion and the like, causing a problem of deformation.
上記塗布方式による問題を解決するために、触媒層が基材シート上に形成された触媒層転写シートを使用し、この触媒層転写シートと電解質膜を重ね合わせて熱プレスを施すことにより触媒層を電解質膜に転写形成する、いわゆる転写方式が提案されている(例えば、特許文献1、2)。この方法は、上記塗布方式の問題を解決し、簡便な方法であるために実用化に至っている。
In order to solve the problem due to the coating method, a catalyst layer transfer sheet having a catalyst layer formed on a base sheet is used, and the catalyst layer transfer sheet and the electrolyte membrane are overlaid and subjected to hot pressing to thereby form a catalyst layer. A so-called transfer method has been proposed in which a film is transferred to an electrolyte membrane (for example,
ところで、上述したような転写方式は、触媒層を電解質膜に転写した後に基材シートを剥離する必要があるが、この基材シートを剥離する際に触媒層が電解質膜側に残らずに基材シートと一緒に剥離されてしまうといった、いわゆる剥離不良が発生するという問題がある。 By the way, in the transfer method as described above, it is necessary to peel off the substrate sheet after transferring the catalyst layer to the electrolyte membrane. When the substrate sheet is peeled off, the catalyst layer does not remain on the electrolyte membrane side. There is a problem that a so-called peeling failure occurs such as peeling with the material sheet.
そこで、本発明は、剥離不良を低減することのできる、膜触媒層接合体を製造するための装置及び方法、並びに膜電極接合体を製造するための装置及び方法を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the apparatus and method for manufacturing a membrane catalyst layer assembly and the apparatus and method for manufacturing a membrane electrode assembly which can reduce peeling defect. .
従来の転写方式による膜触媒層接合体の製造方法において剥離不良が発生する原因を鋭意研究した結果、以下のことが剥離不良の一因であると判明した。すなわち、触媒層を電解質膜に転写するために触媒層転写シート及び電解質膜を加熱加圧すると電解質膜は熱膨張するが、この後の基材シートを剥離するまでの間に電解質膜が冷却されると電解質膜が一旦縮むことがある。このように電解質膜が縮むと触媒層が電解質膜から剥離してしまうことがあり、これが剥離不良のきっかけになるということが判明した。これに対して、本発明に係る膜触媒層接合体の製造方法は、電解質膜の少なくとも一方面に触媒層が形成された膜触媒層接合体の製造方法であって、長尺の電解質膜を搬送する工程と、前記電解質膜の少なくとも一方面上において、基材シート上に触媒層が形成された長尺の触媒層転写シートを前記電解質膜と同一方向に搬送する工程と、前記触媒層転写シートを、触媒層が前記電解質膜に転写するよう、加熱しながら前記電解質膜に対して加圧する工程と、前記触媒層が前記電解質膜に転写された後、前記電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら前記基材シートを剥離する工程と、を含む。 As a result of intensive studies on the cause of defective peeling in a conventional method for producing a membrane catalyst layer assembly by a transfer method, the following has been found to be a cause of defective peeling. That is, when the catalyst layer transfer sheet and the electrolyte membrane are heated and pressurized to transfer the catalyst layer to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane thermally expands, but the electrolyte membrane is cooled until the subsequent substrate sheet is peeled off. Then, the electrolyte membrane may shrink once. It has been found that when the electrolyte membrane shrinks in this way, the catalyst layer may be peeled off from the electrolyte membrane, which causes a peeling failure. On the other hand, the method for producing a membrane catalyst layer assembly according to the present invention is a method for producing a membrane catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on at least one surface of an electrolyte membrane, and comprises a long electrolyte membrane. A step of conveying, a step of conveying a long catalyst layer transfer sheet having a catalyst layer formed on a base material sheet in the same direction as the electrolyte membrane on at least one surface of the electrolyte membrane, and the catalyst layer transfer Pressing the electrolyte membrane while heating the sheet so that the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane; and after the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane, the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet are Peeling the substrate sheet while heating.
上記膜触媒層接合体の製造方法によれば、剥離工程において電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら基材シートを剥離している。このため、触媒層を電解質膜に転写するための加熱加圧工程後に電解質膜が冷却されて縮み触媒層と剥離した場合であっても、再度加熱されることで電解質膜が伸びるとともに触媒層が電解質膜に再度接合される。これにより、剥離不良のきっかけ部分を低減し、ひいては剥離不良を低減することができる。なお、上記工程において、電解質膜の一方面のみに触媒層を形成してもよいし、電解質膜の両面に触媒層を形成してもよい。 According to the method for producing a membrane / catalyst layer assembly, the base material sheet is peeled off while heating the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet in the peeling step. For this reason, even when the electrolyte membrane is cooled and contracted after the heating and pressurizing step for transferring the catalyst layer to the electrolyte membrane, and the catalyst layer is separated from the catalyst layer, the electrolyte membrane is stretched by heating again and the catalyst layer is It is joined again to the electrolyte membrane. Thereby, the trigger part of peeling defect can be reduced and by extension, peeling defect can be reduced. In the above step, the catalyst layer may be formed only on one surface of the electrolyte membrane, or the catalyst layer may be formed on both surfaces of the electrolyte membrane.
上記方法の剥離工程は、剥離ロールによって電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら基材シートを剥離することができる。また、上記剥離ロールで加熱しながら基材シートを剥離するのではなく、触媒層を転写するための加熱加圧工程から剥離工程までを電解質膜のガラス転移温度±50℃の温度で行ってもよい。このように加熱加圧工程から剥離工程までを電解質膜のガラス転移温度±50℃の温度とすることにより、電解質膜が縮むことを防止することができ、より効果的に剥離不良を低減することができる。さらには、剥離ロールによって電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しつつ、加熱加圧工程から剥離工程までを上記温度において行うこともできる。 The peeling process of the said method can peel a base material sheet | seat, heating an electrolyte membrane and a catalyst layer transfer sheet with a peeling roll. In addition, instead of peeling the base sheet while heating with the peeling roll, the process from the heating and pressing step for transferring the catalyst layer to the peeling step may be performed at a glass transition temperature ± 50 ° C. of the electrolyte membrane. Good. Thus, by setting the glass transition temperature ± 50 ° C. of the electrolyte membrane from the heating and pressurizing step to the peeling step, it is possible to prevent the electrolyte membrane from shrinking and more effectively reduce the peeling failure. Can do. Furthermore, while heating the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet with a peeling roll, the heating and pressing step to the peeling step can be performed at the above temperature.
また、上記加熱加圧工程と剥離工程との間に、触媒層転写シートを電解質膜に対して押圧する工程をさらに含んでいてもよい。これにより、より強固に触媒層を電解質膜に接合させることができる。なお、この押圧工程は、触媒層転写シートを加熱しながら行うことが好ましい。 Further, a step of pressing the catalyst layer transfer sheet against the electrolyte membrane may be further included between the heating and pressurizing step and the peeling step. Thereby, a catalyst layer can be joined to an electrolyte membrane more firmly. In addition, it is preferable to perform this press process, heating a catalyst layer transfer sheet.
また、剥離工程の後、膜触媒層接合体を冷却する工程をさらに含んでいてもよい。これにより、膜触媒層接合体を巻き取った際に、触媒層が他の部分に接合してしまうことを防止することができる。 Moreover, the process of cooling a membrane catalyst layer assembly may be further included after a peeling process. Thereby, when the membrane-catalyst layer assembly is wound up, it is possible to prevent the catalyst layer from being joined to other portions.
また、剥離工程において、基材シートの剥離する方向が電解質膜の搬送方向と約150〜180度の角度をなすことが好ましい。この角度で基材シートを剥離することで剥離不良をさらに低減することができる。 Further, in the peeling step, it is preferable that the direction in which the base sheet is peeled forms an angle of about 150 to 180 degrees with the conveying direction of the electrolyte membrane. Peeling defects can be further reduced by peeling the substrate sheet at this angle.
また、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、上記いずれかの膜触媒層接合体の製造方法と、膜触媒層接合体の触媒層上にガス拡散層を接合する工程と、を含んでいる。 In addition, a method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention includes a method for producing any one of the membrane catalyst layer assemblies described above, and a step of joining a gas diffusion layer on the catalyst layer of the membrane catalyst layer assembly. It is out.
この方法によれば、上述した膜触媒層接合体の製造方法を含んでいるため、上述したように剥離不良を低減することができる。 According to this method, since the manufacturing method of the membrane catalyst layer assembly described above is included, it is possible to reduce peeling defects as described above.
また、本発明に係る膜触媒層接合体の製造装置は、電解質膜の少なくとも一方面に触媒層が形成された膜触媒層接合体の製造装置であって、長尺の電解質膜を搬送する電解質膜搬送部と、基材シート上に触媒層が形成された長尺の触媒層転写シートを電解質膜上において電解質膜と同一方向に搬送する触媒層転写シート搬送部と、触媒層転写シートを加熱しながら電解質膜に対して加圧する熱プレス部と、前記熱プレス部の下流に設置され、電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら基材シートを剥離する剥離部と、を備えている。 The apparatus for manufacturing a membrane catalyst layer assembly according to the present invention is an apparatus for manufacturing a membrane catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on at least one surface of an electrolyte membrane, and transports a long electrolyte membrane. A membrane transport section, a catalyst layer transfer sheet transport section for transporting a long catalyst layer transfer sheet having a catalyst layer formed on a base sheet in the same direction as the electrolyte membrane on the electrolyte membrane, and heating the catalyst layer transfer sheet The heat press part which pressurizes with respect to an electrolyte membrane, and the peeling part which is installed in the downstream of the said heat press part and peels a base material sheet | seat, heating an electrolyte membrane and a catalyst layer transfer sheet is provided.
この膜触媒層接合体の製造装置によれば、基材シートを剥離する剥離部において電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら基材シートを剥離する。このため、熱プレス部から剥離部まで搬送される間に電解質膜が冷却されて縮むことで触媒層と剥離した場合であっても、再度加熱することによって一旦縮んだ電解質膜を伸ばすとともに触媒層を電解質膜に接合させることができる。このため、剥離不良のきっかけ部分を低減し、ひいては剥離不良を低減することができる。 According to the apparatus for manufacturing a membrane / catalyst layer assembly, the base material sheet is peeled off while heating the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet at the peeling portion where the base material sheet is peeled off. For this reason, even when the electrolyte membrane is cooled and contracted while being transported from the hot press portion to the peeling portion, the electrolyte membrane once shrunk by heating again is stretched and the catalyst layer Can be bonded to the electrolyte membrane. For this reason, the trigger part of peeling defect can be reduced and by extension, peeling defect can be reduced.
上記製造装置は種々の構成をとることができるが、例えば、上記剥離部を、電解質膜及び触媒層転写シートを挟むように設置された一対の剥離ロールとし、この剥離ロールが電解質膜及び触媒層転写シートを加熱するよう構成してもよい。また、剥離ロールで電解質膜及び触媒層転写シートを加熱するのではなく、例えば熱プレス部から剥離部までの温度を電解質膜のガラス転移温度±50℃に維持する高温保持手段をさらに備えることで、電解質膜が縮むことを防止することができ、より効果的に剥離不良を低減することができる。さらには、剥離ロールで電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しつつ、上記高温保持手段をさらに備えてもよい。なお、上記高温保持手段は、熱プレス部から剥離部までの空間を密閉する密閉ハウジングと、密閉ハウジング内の温度を電解質膜のガラス転移温度±50℃にする加熱手段とを有するように構成してもよい。 The manufacturing apparatus can take various configurations. For example, the peeling part is a pair of peeling rolls arranged so as to sandwich the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet, and the peeling roll is the electrolyte membrane and the catalyst layer. You may comprise so that a transfer sheet may be heated. In addition, instead of heating the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet with a peeling roll, for example, it is further provided with a high temperature holding means for maintaining the temperature from the hot press portion to the peeling portion at the glass transition temperature ± 50 ° C. of the electrolyte membrane. Further, the electrolyte membrane can be prevented from shrinking, and the peeling failure can be reduced more effectively. Furthermore, you may further provide the said high temperature holding means, heating an electrolyte membrane and a catalyst layer transfer sheet with a peeling roll. The high temperature holding means is configured to have a sealed housing for sealing the space from the hot press part to the peeling part, and a heating means for setting the temperature in the sealed housing to a glass transition temperature ± 50 ° C. of the electrolyte membrane. May be.
また、上記熱プレス部と剥離部との間に設置され、触媒層転写シートを電解質膜に対して加圧する加圧手段をさらに備えることによって、より強固に触媒層が電解質膜に接合するようにしてもよい。なお、この加圧手段は、触媒層転写シートを加熱するように構成することが好ましい。 Further, by further comprising a pressurizing means that is installed between the hot press part and the peeling part and pressurizes the catalyst layer transfer sheet against the electrolyte membrane, the catalyst layer is more firmly bonded to the electrolyte membrane. May be. The pressurizing means is preferably configured to heat the catalyst layer transfer sheet.
また、上記熱プレス部は、電解質膜及び触媒層転写シートを挟むように設置された加熱ロールによって構成してもよい。 Moreover, you may comprise the said heat press part with the heating roll installed so that an electrolyte membrane and a catalyst layer transfer sheet may be pinched | interposed.
また、剥離部の下流に設置され、膜触媒層接合体を冷却する冷却部をさらに備えることで、膜触媒層接合体を巻き取るときに触媒層が他の部分と接合することを防ぐことができる。 In addition, it is possible to prevent the catalyst layer from being joined to other parts when winding the membrane catalyst layer assembly by further including a cooling unit that is installed downstream of the peeling portion and cools the membrane catalyst layer assembly. it can.
また、剥離不良をさらに低減させるためには、上記剥離部が、基材シートの剥離する方向が電解質膜の搬送方向と150〜180度の角度をなすようにガイドすることが好ましい。 Moreover, in order to further reduce the peeling failure, it is preferable that the peeling portion guides the base sheet so that the peeling direction forms an angle of 150 to 180 degrees with the transport direction of the electrolyte membrane.
また、本発明に係る膜電極接合体の製造装置は、上記いずれかの膜触媒層接合体の製造装置と、上記剥離部の下流に設置され、触媒層上にガス拡散層を接合させるガス拡散層接合手段と、を備えている。 Further, a membrane electrode assembly manufacturing apparatus according to the present invention includes any one of the above membrane catalyst layer assembly manufacturing apparatus and a gas diffusion unit that is installed downstream of the peeling portion and bonds a gas diffusion layer on the catalyst layer. A layer bonding means.
この製造装置によれば、上記膜触媒層接合体の製造装置を備えているために、上述したように剥離不良を低減することができる。 According to this manufacturing apparatus, since the apparatus for manufacturing the membrane-catalyst layer assembly is provided, it is possible to reduce peeling defects as described above.
本発明に係る膜触媒層接合体を製造するための装置及び方法、並びに膜電極接合体を製造するための装置及び方法によれば、剥離不良を低減することができる。 According to the apparatus and method for manufacturing the membrane catalyst layer assembly and the apparatus and method for manufacturing the membrane electrode assembly according to the present invention, it is possible to reduce peeling defects.
以下、本発明に係る膜触媒層接合体の製造装置及び製造方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、膜触媒層接合体の製造装置の概略図である。なお、図中の矢印は、各種ロールの回転方向や、各種シートの搬送方向を示している。また、図1の左側を「上流」、右側を「下流」と称して説明する。 Hereinafter, embodiments of a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a membrane catalyst layer assembly according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for producing a membrane catalyst layer assembly. In addition, the arrow in a figure has shown the rotation direction of various rolls, and the conveyance direction of various sheets. Further, the left side of FIG. 1 is referred to as “upstream” and the right side is referred to as “downstream”.
図1に示すように、膜触媒層接合体の製造装置1は、電解質膜10を搬送する電解質膜搬送部2と、基材シート111上に触媒層112が形成された触媒層転写シート11を搬送する触媒層転写シート搬送部3と、触媒層転写シート11の触媒層112を電解質膜10に転写させるための第1の熱プレス部4と、触媒層転写シート11の触媒層112を電解質膜10により強固に接合するための第2の熱プレス部5と、触媒層112が電解質膜10に転写した後の基材シート111を剥離するための剥離部6と、電解質膜10の両面に触媒層112が形成された膜触媒層接合体12を冷却するための冷却部7と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the membrane catalyst layer
電解質膜搬送部2は、電解質膜10を供給する電解質膜供給ロール21と、膜触媒層接合体12を巻き取る膜触媒層接合体巻取ロール22とから主に構成されている。電解質膜供給ロール21には、長尺の電解質膜10がロール状にセットされている。また、膜触媒層接合体巻取ロール22には、電解質膜10の両面に触媒層112が形成された膜触媒層接合体12が、ロール状になって巻き取られる。この電解質膜搬送部2によって搬送される電解質膜10の搬送速度は、特に限定されるものではないが、0.1〜5m/minとすることが好ましい。
The electrolyte
触媒層転写シート搬送部3は、触媒層転写シート11を供給する触媒層転写シート供給ロール31a、31bと、触媒層転写シート11の基材シート111を巻き取る基材シート巻取ロール32a、32bとから主に構成されている。この触媒層転写シート搬送部3は、触媒層転写シート11が、電解質膜10の上面及び下面に配置されるよう、電解質膜搬送部2の上方及び下方にそれぞれ設置されている。また、各触媒層転写シート11は、触媒層112が電解質膜10側を向くように配置されている。触媒層転写シート供給ロール31a、31bは、長尺の触媒層転写シート11がロール状にセットされており、基材シート巻取ロール32a、32bには、触媒層転写シート11から剥離された基材シート111がロール状になって巻き取られる。この触媒層転写シート搬送部3によって搬送される触媒層転写シート11の搬送速度は、特に限定されるものではないが、上述した電解質膜搬送部2と同じ速度であることが好ましい。
The catalyst layer transfer
第1の熱プレス部4は、電解質膜10及び触媒層転写シート11を上下から挟むように設置された一対の加熱ロール41a、41bから構成されている。この加熱ロール41a、41bは、内部に熱媒体が流れること等によって電解質膜10及び触媒層転写シート11を加熱することができ、加熱ロール41a、41b表面の温度を約200度まで加熱できるよう構成されていることが好まく、100〜180度まで加熱することがより好ましい。加熱ロール41a、41b内を流れる熱媒体としては、好ましくは水やオイルなどを使用することができる。また、加熱ロール41a、41bは、電解質膜10及び触媒層転写シート11がスムーズに搬送方向(図1の右方向)に流れるよう、上の加熱ロール41aが反時計回り、下の加熱ロール41bが時計回りに回転している。また、これら加熱ロール41a、41bで電解質膜10及び触媒層転写シート11を挟むことによって、触媒層転写シート11に0.5〜20MPaの圧力を掛けることが好ましく、1〜10MPaの圧力を掛けることがさらに好ましい。
The 1st heat press part 4 is comprised from a pair of
第1の熱プレス部4の下流には、第2の熱プレス部5が設置されている。この第2の熱プレス部5も、上述した第1の熱プレス部4と同様に、一対の加熱ロール51a、51bから構成されており、これら加熱ロール51a、51bは上下から電解質膜10及び触媒層転写シート11を挟むように設置されている。この第2の熱プレス部5の加熱ロール51a、51bも、内部に上述したような熱媒体が流れること等によって電解質膜10や触媒層転写シート11を加熱することができ、また、触媒層転写シート11に掛ける圧力は、1〜10MPaとすることが好ましい。
A second
第2の熱プレス部5の下流には剥離部6が設置されている。剥離部6は、電解質膜10及び触媒層転写シート11の上下面に設置された一対の剥離ロール61a、61bから構成されている。一対の剥離ロール61a、61bは、触媒層転写シート11の基材シート111が剥離するのをガイドするように、上側に配置された剥離ロール61aは反時計回り、下側に配置された剥離ロール61bは時計回りに回転する。このときの電解質膜10の搬送方向と、基材シート11の剥離方向とがなす角度αは、特に限定されるものではないが、より剥離不良を低減するためには、約150〜180度とすることが好ましい。なお、剥離ロール61a、61bのロール径を小さくしたり、剥離された転写基材シート111を巻き取る巻取ロール32a、32bをより上流側に設置するなど位置を調整することなどで、上述した角度αを調整することができる。また、一対の剥離ロール61a、61bは、触媒層転写シート11を介して電解質膜10を電解質膜のガラス転移温度±50℃の温度で加熱するよう、内部に上述したような熱媒体が流れており、剥離ロール61a、61bの表面温度を200度程度とすることが好ましく、100〜180℃程度とすることがより好ましい。なお、この一対の剥離ロール61a、61bが触媒層転写シート11に掛ける圧力は0〜5MPa程度とすることが好ましい。
A
剥離部6の下流には冷却部7が設置されている。冷却部7は、膜触媒層接合体12を挟むように上下面に設置された一対の冷却ロール71a、71bを備えている。各冷却ロール71a、71bは、間で挟む膜触媒層接合体12を冷却するよう、内部に冷媒が流れている。この冷却ロール71a、71bにより、膜触媒層接合体12を約50度以下まで冷却することが好ましい。冷媒としては、好ましくは水等を挙げることができる。なお、この一対の冷却ロール71a、71bは、膜触媒層接合体を冷却できる程度に膜触媒層接合体に接触していればよく、強い圧力を掛ける必要はない。
A
次に、膜触媒層接合体12を構成する材料の材質について説明する。
Next, the material of the material constituting the membrane
電解質膜10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10の膜厚は通常20〜250μm程度、好ましくは20〜80μm程度である。また、電解質膜10のガラス転移温度(Tg)、すなわち、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂のガラス転移温度(Tg)は、約110〜130℃である。なお、ガラス転移温度は、示差走査熱量測定や動的粘弾性測定などで測定することができる。
The
触媒層転写シート11は、基材シート111上に触媒層112が形成されたものであるが、基材シート111の材質としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリパラバン酸アラミド、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、ポリプロピレン、ポリオレフィン等の高分子フィルムを挙げることができる。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。さらには、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。基材シート111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10〜30μm程度程度とするのがよい。したがって、基材シートとしては、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。また、上記基材シート111上に離型層を形成してもよい。離型層は、例えば、化学気相成長法、物理気相成長法等の公知の方法で製造することができる。剥離性の観点から、ケイ素酸化物からなり化学気相成長法で形成されるものが好ましい。
The catalyst
また、触媒層112の材質としては、公知の白金含有の触媒層(カソード触媒及びアノード触媒)である。詳しくは、触媒層112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含有する。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10に使用されるものと同じ材料を使用することができる。なお、触媒層112の膜厚は、ダイレクトメタノール形燃料電池の場合は20〜100μmが好ましく、固体高分子形燃料電池の場合は15〜30μmが好ましい。
The material of the
この触媒層転写シート11の製造方法は、まず、上述した材料からなる基材シート111を準備する。次に、上述した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する。そして、形成される触媒層112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シート111上に塗工する。触媒ペーストの塗工方法としては、スクリーン印刷や、スプレーコーティング、ダイコーティング、ナイフコーティングなどの公知の塗工方法を挙げることができる。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基材シート111上に触媒層112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。上記触媒ペーストを作製する際に使用する溶剤としては、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。
In the manufacturing method of the catalyst
次に上述した膜触媒層接合体の製造装置1を使用した膜触媒層接合体の製造方法について説明する。
Next, a method for producing a membrane catalyst layer assembly using the above-described membrane catalyst layer
まず、電解質膜供給ロール21から電解質膜10を巻き出すとともに、触媒層転写シート供給ロール31a、31bから触媒層転写シート11を巻き出し、電解質膜10の上下面を触媒層転写シート11で挟んだ状態で下流側へと送り出す。なお、このとき、電解質膜10の上下面に積層された各触媒層転写シート11は、触媒層112が電解質膜10側を向くように配置されている。
First, the
触媒層転写シート11で上下面が挟まれた状態の電解質膜10は、まず第1の熱プレス部4へと送られる。触媒層転写シート11は、第1の熱プレス部4の各加熱ロール41a、41bによって加熱及び加圧されることで、触媒層112が電解質膜10へと転写される。このように触媒層112が電解質膜10に転写された後に第2の熱プレス部5へと送られ、触媒層転写シート11が第2の熱プレス部5の各加熱ロール51a、51bによってさらに加熱及び加圧されることで、より強固に触媒層112が電解質膜10へと接合される。
The
このように触媒層112が上下面に転写された電解質膜10は次に剥離部6へと送られる。剥離部6では、上下に設置された各剥離ロール61a、61bによって触媒層転写シート11を介して電解質膜10を加熱しながら基材シート11を剥離し、剥離された上側の基材シート11は基材シート巻取ロール32aに、下側の基材シート11は基材シート巻取ロール32bに巻き取られる。このように基材シート11が剥離されると、電解質膜10の上面及び下面に触媒層112が形成された、いわゆる膜触媒層接合体12が完成する。
The
以上のように完成した膜触媒層接合体12は、冷却部7に送られ、一対の冷却ロール71a、71bによって冷却されてから膜触媒層接合体巻取ロール22に巻き取られる。
The membrane
以上、本実施形態によれば、剥離部6の剥離ロール61a、61bによって電解質膜10を加熱しながら基材シート111を剥離している。このため、第1の熱プレス部4から剥離部6までの間に電解質膜10が冷却されて縮むことによって触媒層112と剥離した場合であっても、その縮んだ電解質膜10を再度伸ばして触媒層112と接合させ、この結果、剥離不良のきっかけ部分を低減して剥離不良を低減させることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明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、図2に示すように、第1のプレス部4から剥離部6までの間の工程を電解質膜10のガラス転移温度±50℃の温度で行うために、高温保持手段8をさらに設けることもできる。高温保持手段8としては、例えば、第1の熱プレス部4から剥離部6までの空間を密閉するよう密閉ハウジング81を設置し、この密閉ハウジング81内を高温にするよう加熱手段82を設けて構成することができる。この加熱手段82によって、密閉ハウジング81内の温度を200℃程度まで加熱することが好ましく、100〜180℃程度まで加熱することがより好ましい。この加熱手段82としては、例えば、熱風を供給する熱風供給装置や赤外線ヒータ等を用いることができる。このように高温保持手段8を設けることによって、第1の熱プレス部4や第2の熱プレス部5の後で電解質膜10が冷却されることがないため、剥離不良のきっかけとなる電解質膜10と触媒層112との間の剥離を防止することができる。なお、高温保持手段8を設けた場合は、第2の熱プレス部5の加熱ロール51a、51bは、電解質膜10及び触媒層転写シート11を加熱してもよいし、加熱せずに単に加圧するだけであってもよい。また、剥離ローラ61a、61bも電解質膜10及び触媒層転写シート11を加熱してもよいし、加熱していなくてもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention. For example, as shown in FIG. 2, a high temperature holding means 8 is further provided in order to perform the process between the first press part 4 and the peeling
また、上記実施形態では、製造した膜触媒層接合体12を膜触媒層接合体巻取ロール22にて巻き取る膜触媒層接合体の製造装置1として説明したが、図3に示すように、膜触媒層接合体12を製造した後に、膜触媒層接合体12の上面及び下面にガス拡散層13を圧着して膜電極接合体14を製造して膜電極接合体巻取ロール22’にて巻き取るような膜電極接合体の製造装置1’とすることもできる。この場合は、剥離部6と冷却部7との間に、ガス拡散層供給部9を設置する。ガス拡散層供給部9は、ロール状のガス拡散層13がセットされたガス拡散層供給ロール91a、91bを備えており、ガス拡散層13を膜触媒層接合体12の上面及び下面のそれぞれに搬送させる。そして、圧着ロール15a、15bにて膜触媒層接合体12及びガス拡散層13を挟み、ガス拡散層13を膜触媒層接合体12の上面及び下面にそれぞれ圧着させて膜電極接合体14を製造する。なお、この圧着ロール15a、15bによって膜触媒層接合体12及びガス拡散層13に掛ける圧力は0.1〜10MPaとすることが好ましく、そのときの圧着ロール15a、15bの表面温度は30〜200℃とすることが好ましい。完成した膜電極接合体14は、冷却ロール71a、71bによって冷却されて、膜電極接合体巻取ロール22’によって巻き取られる。なお、ガス拡散層13の材料は、公知であり、燃料極、空気極を構成する各種のガス拡散層を使用でき、燃料である燃料ガス及び酸化剤ガスを効率よく触媒層に供給するため、多孔質の導電性基材からなっている。多孔質の導電性基材としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等が挙げられる。
Moreover, in the said embodiment, although the manufactured membrane
また、上述した膜電極接合体の製造装置1’の後工程として、完成した膜電極接合体14を所望の大きさに切断する切断部や、切断された膜電極接合体にガスケットを設置するガスケット設置部、膜電極接合体14を上面及び下面から挟持するようセパレータを設置するセパレータ設置部を備えていてもよい。
Further, as a post-process of the above-described membrane electrode
また、上記実施形態において、第2の熱プレス部5を省略することもできる。
Moreover, in the said embodiment, the 2nd
また、上記実施形態では、電解質膜10の両面に触媒層112やガス拡散層13が形成されているが、電解質膜10の上面又は下面のみに触媒層112やガス拡散層13を形成することもできる。
In the above embodiment, the
1 膜触媒層接合体の製造装置
2 電解質膜搬送部
3 触媒層転写シート搬送部
4 第1の熱プレス部(熱プレス部)
5 第2の熱プレス部(加圧手段)
6 剥離部
7 冷却部
8 高温保持手段
10 電解質膜
11 触媒層転写シート
111基材シート
112 触媒層
12 膜触媒層接合体
13 ガス拡散層
14 膜電極接合体
DESCRIPTION OF
5 Second heat press section (pressurizing means)
6 Peeling
Claims (18)
長尺の電解質膜を搬送する工程と、
前記電解質膜の少なくとも一方面上において、基材シート上に触媒層が形成された長尺の触媒層転写シートを前記電解質膜と同一方向に搬送する工程と、
前記触媒層転写シートを、触媒層が前記電解質膜に転写するよう、加熱しながら前記電解質膜に対して加圧する工程と、
前記触媒層が前記電解質膜に転写された後、前記電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら前記基材シートを剥離する工程と、
を含む、膜触媒層接合体の製造方法。 A method for producing a membrane-catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on at least one surface of an electrolyte membrane,
A step of conveying a long electrolyte membrane;
A step of conveying a long catalyst layer transfer sheet having a catalyst layer formed on a base sheet in the same direction as the electrolyte membrane on at least one surface of the electrolyte membrane;
Pressurizing the catalyst layer transfer sheet while heating so that the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane; and
After the catalyst layer is transferred to the electrolyte membrane, the step of peeling the substrate sheet while heating the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet;
A process for producing a membrane catalyst layer assembly comprising:
前記膜触媒層接合体の触媒層上にガス拡散層を接合する工程と、
を含む、膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 7,
Bonding a gas diffusion layer on the catalyst layer of the membrane catalyst layer assembly;
The manufacturing method of the membrane electrode assembly containing this.
長尺の電解質膜を搬送する電解質膜搬送部と、
基材シート上に触媒層が形成された長尺の触媒層転写シートを電解質膜上において電解質膜と同一方向に搬送する触媒層転写シート搬送部と、
触媒層転写シートを加熱しながら電解質膜に対して加圧する熱プレス部と、
前記熱プレス部の下流に設置され、電解質膜及び触媒層転写シートを加熱しながら基材シートを剥離する剥離部と、
を備えた、膜触媒層接合体の製造装置。 An apparatus for manufacturing a membrane catalyst layer assembly in which a catalyst layer is formed on at least one surface of an electrolyte membrane,
An electrolyte membrane transport section for transporting a long electrolyte membrane;
A catalyst layer transfer sheet transport unit for transporting a long catalyst layer transfer sheet having a catalyst layer formed on a base sheet in the same direction as the electrolyte membrane on the electrolyte membrane;
A hot press section that pressurizes the electrolyte membrane while heating the catalyst layer transfer sheet;
A peeling part installed downstream of the hot press part and peeling the substrate sheet while heating the electrolyte membrane and the catalyst layer transfer sheet;
An apparatus for producing a membrane / catalyst layer assembly comprising:
前記剥離部の下流に設置され、触媒層上にガス拡散層を接合させるガス拡散層接合手段と、
を備えた、膜電極接合体の製造装置。 An apparatus for producing a membrane catalyst layer assembly according to any one of claims 1 to 17,
Gas diffusion layer bonding means installed downstream of the peeling portion and bonding the gas diffusion layer on the catalyst layer;
An apparatus for manufacturing a membrane electrode assembly, comprising:
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