JP2016115476A - 膜電極接合体の製造方法及び製造装置 - Google Patents

膜電極接合体の製造方法及び製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】品質の高い膜電極接合体を製造するための技術を提供する。【解決手段】膜電極接合体の製造方法は、電解質膜における電解質膜支持基材シートが形成されていない面に、第1の触媒層シートにおける第1の触媒層を接合し、第1の触媒層支持基材シートを第1の触媒層から剥離し、電解質膜支持基材シートを電解質膜から剥離し、電解質膜における電解質膜支持基材シートが剥離された面に、第2の触媒層シートにおける第2の触媒層を接合する。膜電極接合体の製造方法は、電解質膜における、第1の触媒層の接合の開始部分よりも先に送り出された部分に、第2の触媒層支持基材シート上に形成された第2の触媒層、又は第2の触媒層支持基材シートを接合する予備工程をさらに備える。【選択図】図2

Description

本発明は、膜電極接合体の製造方法及び製造装置に関する。
燃料電池として固体高分子型燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)をその構成として有する。
膜電極接合体をウェブハンドリングにより製造するためには、まず、ロールから巻き出された固体高分子電解質膜の一方の面に対して第1の触媒層を接合した後、固体高分子電解質膜の支持基材と、第1の触媒層の支持基材とを剥離する。その後、固体高分子電解質膜の他方の面に第2の触媒層を接合する。特許文献1には、膜電極接合体の製造方法が開示されている。
特開2010−182563号公報
膜電極接合体の上記の従来の製造方法では、固体高分子電解質膜の支持基材と第1の触媒層の支持基材とを剥離することにより部材が固体高分子電解質膜及び第1の触媒層だけの状態となったときに、熱により固体高分子電解質膜が縮むことで引っ張り応力が発生し固体高分子電解質膜が湾曲してしまう場合がある。このように湾曲した状態の固体高分子電解質膜に対して第2の触媒層を接合しようとすると、正常に接合することができず、製造された膜電極接合体の品質の低下を招く場合がある。
本発明は上記に鑑みてなされたものである。その課題は、品質の高い膜電極接合体を製造するための技術を提供することにある。
本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、電解質膜支持基材シート上に電解質膜が形成された電解質膜シートと、第1の触媒層支持基材シート上に第1の触媒層が形成された第1の触媒層シートと、第2の触媒層支持基材シート上に第2の触媒層が形成された第2の触媒層シートとを送り出す送出工程と、前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが形成されていない面に、前記第1の触媒層シートにおける前記第1の触媒層を接合する第1の接合工程と、前記第1の触媒層支持基材シートを前記第1の触媒層から剥離する第1の剥離工程と、前記電解質膜支持基材シートを前記電解質膜から剥離する第2の剥離工程と、前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが剥離された面に、前記第2の触媒層シートにおける前記第2の触媒層を接合する第2の接合工程とを備え、前記電解質膜における、前記第1の接合工程による前記第1の触媒層の接合の開始部分よりも先に送り出された部分に、前記第2の触媒層支持基材シート上に形成された前記第2の触媒層、又は前記第2の触媒層支持基材シートを接合する予備工程をさらに備える。
本発明に係る膜電極接合体の製造装置は、電解質膜支持基材シート上に電解質膜が形成された電解質膜シートを送り出す電解質膜シート送出部と、第1の触媒層支持基材シート上に第1の触媒層が形成された第1の触媒層シートを送り出す第1の触媒層シート送出部と、第2の触媒層支持基材シート上に第2の触媒層が形成された第2の触媒層シートとを送り出す第2の触媒層シート送出部と、前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが形成されていない面に、前記第1の触媒層シートにおける前記第1の触媒層を接合する第1の接合部と、前記第1の触媒層支持基材シートを前記第1の触媒層から剥離する第1の剥離部と、前記電解質膜支持基材シートを前記電解質膜から剥離する第2の剥離部と、前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが剥離された面に、前記第2の触媒層シートにおける前記第2の触媒層を接合する第2の接合部とを備え、前記第2の接合部は、予備処理として前記電解質膜における、前記第1の接合部による前記第1の触媒層の接合の開始部分よりも先に送り出された部分に、前記第2の触媒層支持基材シート上に形成された前記第2の触媒層、又は前記第2の触媒層支持基材シートを接合可能な、膜電極接合体の製造装置である。
本発明によれば、品質の高い膜電極接合体を製造するための技術を提供することができる。
一実施形態における膜電極接合体の製造装置の概略構成を示す図である。 一実施形態における膜電極接合体の製造方法の予備工程を説明するための図である。 一実施形態における膜電極接合体の製造方法の予備工程を説明するための図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。
[製造装置の構成]
図1を参照して、ウェブハンドリングにより膜電極接合体を製造するための一実施形態における製造装置の構成を説明する。図1に示すように、製造装置1は、電解質膜シート送出部10、第1の触媒層シート送出部20、第1の接合部30、第1の剥離部40、第2の剥離部50、第2の触媒層シート送出部60、第2の接合部70、及び巻取り部80を備える。また、図1には、製造装置1内を搬送されている部材についての搬送位置AからIにおける断面図が示されている。これらの断面図は、部材の搬送方向に対して垂直に交わる面による断面図である。後に説明する他の図に示された断面図についても同様である。
電解質膜シート送出部10は、ロール状に巻かれた帯状の電解質膜シートM10を保持し、当該電解質膜シートM10を送り出す(巻き出す)。電解質膜シートM10は、帯状の電解質膜支持基材シートM11の一方の面上に電解質膜M12が形成されたシートである。電解質膜M12は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子電解質材料が用いられている。固体高分子電解質材料としては、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂(例えば、ナフィオン、デュポン社製)等を用いることができる。電解質膜支持基材シートM11としては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のポリエステル系、ポリスチレン等の高分子フィルムが用いられている。
第1の触媒層シート送出部20は、ロール状に巻かれた帯状の第1の触媒層シートM20を保持し、当該第1の触媒層シートM20を送り出す。第1の触媒層シートM20は、帯状の第1の触媒層支持基材シートM21の一方の面上に第1の触媒層M22が形成されたシートである。第1の触媒層M22は、本実施形態においては、アノード触媒層とする。例えば、第1の触媒層M22は、発電反応を促進するための触媒として、白金若しくは白金合金を担持したカーボン粒子と、電解質とを備えた触媒層材料を用いて形成することができる。第1の触媒層支持基材シートM21としては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等のポリエステル系、ポリスチレン等の高分子フィルムが用いられている。
第1の接合部30は、接合ローラー31,32を備える。第1の接合部30は、電解質膜シート送出部10から送出された電解質膜シートM10と、第1の触媒層シート送出部20から送出された第1の触媒層シートM20とを、回転する接合ローラー31,32のニップ部で挟み込むように搬送する。このとき、接合ローラー31,32のニップ部において、電解質膜シートM10の電解質膜M12における電解質膜支持基材シートM11が形成されていない面に、第1の触媒層シートM20の第1の触媒層M22における第1の触媒層支持基材シートM21が形成されていない面が重ね合わされることにより、電解質膜M12に第1の触媒層M22が接合される。
第1の剥離部40は、巻取り部41及び剥離ローラー42を備える。第1の剥離部40は、電解質膜M12に接合された状態で第1の接合部30から搬送されてきた第1の触媒層M22から、第1の触媒層支持基材シートM21を剥離し、巻き取る。具体的には、第1の剥離部40において、剥離ローラー42により第1の触媒層M22から第1の触媒層支持基材シートM21が剥離され、剥離された第1の触媒層支持基材シートM21は巻取り部41により巻き取られる。
第2の剥離部50は、巻取り部51及び剥離ローラー52を備える。第2の剥離部50は、第1の触媒層M22に接合された状態で第1の剥離部40から搬送されてきた電解質膜M12から、電解質膜支持基材シートM11を剥離し、巻き取る。具体的には、第2の剥離部50において、剥離ローラー52により電解質膜M12から電解質膜支持基材シートM11が剥離され、剥離された電解質膜支持基材シートM11は巻取り部51により巻き取られる。
第2の触媒層シート送出部60は、ロール状に巻かれた帯状の第2の触媒層シートM60を保持し、当該第2の触媒層シートM60を送り出す。第2の触媒層シートM60は、帯状の第2の触媒層支持基材シートM61の一方の面上に第2の触媒層M62が形成されたシートである。第2の触媒層M62は、本実施形態においては、カソード触媒層とする。第2の触媒層M62は、一定間隔で間欠的に形成された複数の触媒層により形成される。第2の触媒層支持基材シートM61は、例えば、PET、PEN等のポリエステル系、ポリスチレン等の高分子フィルムが用いられている。
なお、本実施形態において、第1の触媒層M22をアノード触媒層とし、第2の触媒層M62をカソード触媒層として構成しているがこれに限定されない。第1の触媒層M22をカソード触媒層とし、第2の触媒層M62をアノード触媒層として構成してもよい。
第2の接合部70は、接合ローラー71,72を備える。第2の接合部70は、第2の剥離部50から搬送された電解質膜M12及び第1の触媒層M22と、第2の触媒層シート送出部60から送出された第2の触媒層シートM60とを、回転する接合ローラー71,72のニップ部で挟み込むように搬送する。このとき、接合ローラー71,72のニップ部において、電解質膜M12における電解質膜支持基材シートM11が剥離された面に、第2の触媒層シートM60の第2の触媒層M62における第2の触媒層支持基材シートM61が形成されていない面が重ね合わされることにより、電解質膜M12に第2の触媒層M62が接合される。この結果、電解質膜M12に第1の触媒層M22と第2の触媒層M62とが接合された膜電極接合体M80が形成される。このとき、膜電極接合体M80における第2の触媒層M62には、第2の触媒層支持基材シートM61が形成されたままである。
巻取り部80は、第2の接合部70により形成され、搬送された膜電極接合体M80を巻き取る。このように、膜電極接合体M80は、第2の触媒層支持基材シートM61が形成された状態で巻取り部80により巻き取られる。膜電極接合体M80は非常に薄い(例えば、20ミクロン)ため変形(例えば、湾曲)や損傷が生じやすい。膜電極接合体M80の第2の触媒層M62の面上に形成されている第2の触媒層支持基材シートM61の存在により、例えば、膜電極接合体M80が湾曲した状態で巻き取られたり、膜電極接合体M80にシワ及びキズが入ることを抑止することができる。
[製造開始の手順]
次に、ウェブハンドリングにより製造装置1で膜電極接合体M80の製造を開始するための予備工程を含む手順について説明する。
膜電極接合体M80の上記で説明したような製造において、第2の剥離部50から搬送される部材は、電解質膜M12及び第1の触媒層M22のみであり、支持基材が設けられていない。そのため、製造装置1における第2の剥離部50から第2の接合部70の間で、電解質膜M12が熱により縮むことで引っ張り応力が発生し、電解質膜M12が湾曲してしまう場合がある。以下に説明する膜電極接合体M80の製造を開始するための予備工程を含む手順は、このような湾曲を防ぐためのものである。
膜電極接合体M80の製造を開始する前の予備工程において、電解質膜シート送出部10からは、膜電極接合体M80の前述の製造工程と同様に、電解質膜シートM10が送り出される。
また、当該予備工程において、第1の触媒層シート送出部20からは、第1の触媒層シートM20の代わりに、所定の長さだけフィルムが送り出され、その後、第1の触媒層シートM20が送り出される。フィルムは任意の素材により形成され、例えば、PET(ポリエチレンテレフタラート)やPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等の高分子により形成されている。第1の触媒層シート送出部20から送り出されたフィルムは、第1の剥離部40により巻き取られる。
さらに、当該予備工程において、第2の触媒層シート送出部60からは、第2の触媒層シートM60の代わりに、所定の長さだけ第2の触媒層支持基材シートM61が送り出され、その後、第2の触媒層シートM60が送り出される。
図2を参照して、予備工程において第2の接合部70により最初に行われる接合の処理について説明する。図2に示すように、Gの位置では、電解質膜M12のみが搬送されている。すなわち、前述のとおり、予備工程においては、第1の触媒層シート送出部20からは、第1の触媒層シートM20の代わりに、所定の長さだけフィルムが送り出され、その後、第1の触媒層シートM20が送り出される。そのため、予備工程の初期においてはGの位置まで搬送された電解質膜M12上には、第1の触媒層M22は形成されていない。従って、Gの位置においては、電解質膜M12と第1の触媒層M22との間の引っ張り強度の違いが生じることが無いため、当該引っ張り強度に起因する電解質膜M12の湾曲は生じていない。
また、図2におけるHの位置では、第2の触媒層支持基材シートM61のみが搬送されている。すなわち、前述のとおり、予備工程においては、第2の触媒層シート送出部60からは、第2の触媒層シートM60の代わりに、所定の長さだけ第2の触媒層支持基材シートM61が送り出される。そのため、予備工程の初期においてはHの位置まで搬送された第2の触媒層支持基材シートM61には、第2の触媒層M62は形成されていない。
第2の接合部70では、第2の剥離部50から搬送された電解質膜M12と、第2の触媒層シート送出部60から搬送された第2の触媒層支持基材シートM61とが接合される。すなわち、第2の接合部70では、電解質膜M12における、第1の接合部30による第1の触媒層M22の接合が開始された部分よりも先に送り出された(搬送された)部分に、第2の触媒層支持基材シートM61を接合する。当該接合後、搬送されている部材の断面図はIの位置の断面図として図2に示されているとおりである。
その後、図3に示すように、第2の剥離部50からは、電解質膜支持基材シートM11が剥離されて、電解質膜M12及び第1の触媒層M22が互いに接合された状態で部材が搬送されてくる。第2の接合部70では、第2の剥離部50から搬送されてくる電解質膜M12及び第1の触媒層M22における電解質膜M12の面(電解質膜支持基材シートM11が剥離された面)に対して、第2の触媒層シート送出部60から搬送されてくる第2の触媒層支持基材シートM61が接合される。当該接合後、搬送されている部材の断面図はIの位置の断面図として図3に示されているとおりである。
その後、第2の触媒層シート送出部60から送り出された第2の触媒層シートM60は、第2の接合部70に搬送され、第2の剥離部50からの電解質膜M12及び第1の触媒層M22と接合することにより、図1を参照して説明したような膜電極接合体M80の製造が実施される。
以上のように本実施形態によれば、上記の予備工程から膜電極接合体M80の製造開始までの間に、第2の接合部70では次のような処理が行われる。すなわち、まず、第2の接合部70は、第2の剥離部50から搬送された電解質膜M12における、第1の接合部30による第1の触媒層M22の接合の開始部分よりも先に搬送された部分に、第2の触媒層支持基材シートM61を接合する(図2のIの断面図を参照)。
次に、第2の接合部70では、第2の剥離部50から搬送されてくる電解質膜M12及び第1の触媒層M22における電解質膜M12の面(電解質膜支持基材シートM11が剥離された面)に対して、第2の触媒層シート送出部60から搬送されてくる第2の触媒層支持基材シートM61が接合される(図3のIの断面図を参照)。すなわち、第1の触媒層シート送出部20から「所定の長さだけ」送り出される前述のフィルムと、第2の触媒層シート送出部60から「所定の長さだけ」送り出される前述の第2の触媒層支持基材シートM61は、図3を参照して説明した第2の接合部70における接合が実施可能な長さとなるように構成される。
その後、第2の接合部70では、図1を参照して説明したように、電解質膜M12における電解質膜支持基材シートM11が剥離された面(すなわち、電解質膜M12における第1の触媒層M22が接合されていない面)に、第2の触媒層M62が接合され、完成した膜電極接合体M80が搬送される(図1のIの断面図を参照)。
このように、本実施形態によれば、膜電極接合体M80の製造において、第2の接合部70は、第2の剥離部50から搬送された電解質膜M12における、第1の接合部30による第1の触媒層M22の接合の開始部分よりも先に搬送された部分に、第2の触媒層支持基材シートM61を接合する予備工程を実施する。その結果、以下に説明する理由により、電解質膜M12と第1の触媒層M22との間の引っ張り強度の違いにより発生しうる電解質膜M12及び第1の触媒層M22の湾曲を抑制(又は矯正)することができる。
すなわち、第2の接合部70において、電解質膜M12における第1の触媒層M22が接合されていない部分に第2の触媒層支持基材シートM61を接合することにより、当該部分において、第2の触媒層支持基材シートM61による電解質膜M12に対する拘束力が発生する。このような拘束力が一度発生すると、その後はその拘束力が連続して働く。従って、仮に湾曲が発生した状態で電解質膜M12及び第1の触媒層M22が第2の接合部70に搬送されてきた場合であっても、第2の接合部70で既に生じている拘束力により当該湾曲は矯正される。その結果、品質の高い膜電極接合体M80を製造することが可能となる。
なお、上記のような予備工程を行わずに、第2の接合部70において、電解質膜M12における部位のうち、第1の触媒層M22が既に接合されており、かつ、湾曲が発生している部分から第2の触媒層支持基材シートM61の接合を開始した場合、当該湾曲を矯正することはできない。第2の接合部70において第2の触媒層支持基材シートM61による電解質膜M12に対する拘束力を生じさせる前に、湾曲した電解質膜M12が第2の接合部70に搬送されてきているためである。
[変形例]
上記の実施形態における予備工程では、図2を参照して説明したように、第2の接合部70では、電解質膜M12における、第1の接合部30による第1の触媒層M22の接合が開始された部分よりも先に送り出された(搬送された)部分に、第2の触媒層支持基材シートM61を接合する。
しかしながら、この方法に限定せず、第2の接合部70において、電解質膜M12における、第1の接合部30による第1の触媒層M22の接合が開始された部分よりも先に搬送された部分に、第2の触媒層支持基材シートM61上に形成された第2の触媒層M62(すなわち、第2の触媒層シートM60における第2の触媒層M62)を接合してもよい。このように第2の触媒層支持基材シートM61の代わりに第2の触媒層シートM60における第2の触媒層M62を接合することによっても、第2の接合部70において電解質膜M12に対して拘束力を発生させることができる。
また、電解質膜M12に対して湾曲の発生を抑制するために、電解質膜M12における第1の接合部30による第1の触媒層M22の接合が開始される部分にテープを貼ることができる。このようなテープとして、耐熱性、耐炎性の高い素材により形成されたテープ(例えば、カプトン(登録商標)テープ)が用いられる。電解質膜M12における当該テープが貼られた部分は、テープが貼られていることにより、湾曲が発生しない。従って、第2の接合部70において、湾曲が発生していない状態で電解質膜M12における当該テープが貼られた部分に対して第2の触媒層M62を接合することができ、その結果、後続する電解質膜M12において発生している湾曲を矯正しながら第2の触媒層M62を接合することができる。
1 製造装置
10 電解質膜シート送出部
20 第1の触媒層シート送出部
30 第1の接合部
40 第1の剥離部
50 第2の剥離部
60 第2の触媒層シート送出部
70 第2の接合部
80 巻取り部
M10 電解質膜シート
M11 電解質膜支持基材シート
M12 電解質膜
M20 第1の触媒層シート
M21 第1の触媒層支持基材シート
M22 第1の触媒層
M60 第2の触媒層シート
M61 第2の触媒層支持基材シート
M62 第2の触媒層

Claims (5)

  1. 電解質膜支持基材シート上に電解質膜が形成された電解質膜シートと、第1の触媒層支持基材シート上に第1の触媒層が形成された第1の触媒層シートと、第2の触媒層支持基材シート上に第2の触媒層が形成された第2の触媒層シートとを送り出す送出工程と、
    前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが形成されていない面に、前記第1の触媒層シートにおける前記第1の触媒層を接合する第1の接合工程と、
    前記第1の触媒層支持基材シートを前記第1の触媒層から剥離する第1の剥離工程と、
    前記電解質膜支持基材シートを前記電解質膜から剥離する第2の剥離工程と、
    前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが剥離された面に、前記第2の触媒層シートにおける前記第2の触媒層を接合する第2の接合工程と
    を備え、
    前記電解質膜における、前記第1の接合工程による前記第1の触媒層の接合の開始部分よりも先に送り出された部分に、前記第2の触媒層支持基材シート上に形成された前記第2の触媒層、又は前記第2の触媒層支持基材シートを接合する予備工程をさらに備える、膜電極接合体の製造方法。
  2. 前記予備工程は、前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが剥離された面に、前記第2の触媒層支持基材シートを接合する、請求項1に記載の膜電極接合体の製造方法。
  3. 前記第1の触媒層と、前記第2の触媒層支持基材シート上に形成された前記第2の触媒層とが接合された前記電解質膜を巻き取る巻き取り工程を備える、請求項1又は2に記載の膜電極接合体の製造方法。
  4. 電解質膜支持基材シート上に電解質膜が形成された電解質膜シートを送り出す電解質膜シート送出部と、
    第1の触媒層支持基材シート上に第1の触媒層が形成された第1の触媒層シートを送り出す第1の触媒層シート送出部と、
    第2の触媒層支持基材シート上に第2の触媒層が形成された第2の触媒層シートとを送り出す第2の触媒層シート送出部と、
    前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが形成されていない面に、前記第1の触媒層シートにおける前記第1の触媒層を接合する第1の接合部と、
    前記第1の触媒層支持基材シートを前記第1の触媒層から剥離する第1の剥離部と、
    前記電解質膜支持基材シートを前記電解質膜から剥離する第2の剥離部と、
    前記電解質膜における前記電解質膜支持基材シートが剥離された面に、前記第2の触媒層シートにおける前記第2の触媒層を接合する第2の接合部と
    を備え、
    前記第2の接合部は、予備処理として前記電解質膜における、前記第1の接合部による前記第1の触媒層の接合の開始部分よりも先に送り出された部分に、前記第2の触媒層支持基材シート上に形成された前記第2の触媒層、又は前記第2の触媒層支持基材シートを接合可能な、膜電極接合体の製造装置。
  5. 前記第1の触媒層シート送出部は、前記第2の接合部による前記予備処理が可能なように、前記第1の触媒層シートを送り出す前に、所定の長さのフィルムを送り出す、請求項4に記載の膜電極接合体の製造装置。
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