JP2017098128A - Method for manufacturing membrane-electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜電極接合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly.
膜電極接合体の製造工程として、転写フィルム、離型層、触媒インクの順に積層された積層体を用い、触媒インクを電解質膜に転写することによって、電解質膜上に触媒層を形成する方法が知られている(特許文献1)。 As a manufacturing process of a membrane electrode assembly, there is a method of forming a catalyst layer on an electrolyte membrane by using a laminate in which a transfer film, a release layer, and a catalyst ink are laminated in this order and transferring the catalyst ink to the electrolyte membrane. Known (Patent Document 1).
上記先行技術の場合、電解質膜に触媒インクを転写した後、転写フィルムを剥離する際、離型層の一部が触媒インクに付着することがあった。付着した離型層は、膜電極接合体に残留し、燃料電池の発電性能を低下させる。本願発明は、上記先行技術を踏まえ、転写フィルムを剥離する際、電解質膜への離型層への付着を抑制することを解決課題とする。 In the case of the above prior art, a part of the release layer may adhere to the catalyst ink when the transfer film is peeled off after the catalyst ink is transferred to the electrolyte membrane. The attached release layer remains in the membrane electrode assembly and reduces the power generation performance of the fuel cell. This invention makes it a solution subject to suppress adhesion to a mold release layer to an electrolyte membrane, when peeling a transfer film based on the said prior art.
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve the above-described problems, and the invention can be implemented as the following forms.
本発明によれば、膜電極接合体の製造方法が提供される。この製造方法は;離型層を離型フィルムと共に挟み込んで積層体を形成する触媒インクを加熱しながら前記触媒インクを電解質膜に押圧することによって、前記電解質膜に触媒層を転写する第1工程と;前記第1工程を経た前記積層体から前記離型フィルムを剥離する第2工程とを含み;前記第1工程を、前記離型層のガラス転移温度未満の温度で実施する。この形態によれば、第1工程を経ても、離型層にガラス転移が生じないため、離型層と触媒インクとの高い密着力が保たれる。この結果、第2工程を経ると、触媒インクは、電解質膜に付着する部位と、離型層に付着する部位とに分割される一方、離型層はその全部が離型フィルムに付着する。このため、電解質膜への離型層への付着を抑制できる。 According to the present invention, a method for producing a membrane electrode assembly is provided. The manufacturing method includes: a first step of transferring the catalyst layer to the electrolyte membrane by pressing the catalyst ink against the electrolyte membrane while heating the catalyst ink sandwiching the release layer together with the release film to form a laminate. And a second step of peeling the release film from the laminate that has undergone the first step; and the first step is performed at a temperature lower than the glass transition temperature of the release layer. According to this aspect, since glass transition does not occur in the release layer even after the first step, high adhesion between the release layer and the catalyst ink is maintained. As a result, after passing through the second step, the catalyst ink is divided into a part that adheres to the electrolyte membrane and a part that adheres to the release layer, while the release layer is entirely attached to the release film. For this reason, adhesion to the release layer to the electrolyte membrane can be suppressed.
実施形態1を説明する。図1は、膜電極接合体90を連続的に製造するMEA製造設備1の概略図である。膜電極接合体は、MEAとも呼ばれる。MEAは、Membrane Electrode Assemblyの頭字語である。
Embodiment 1 will be described. FIG. 1 is a schematic view of an MEA manufacturing facility 1 that continuously manufactures a
MEA製造設備1は、電解質膜ロール10と、第1の触媒インクロール20と、第2の触媒インクロール30と、合紙ロール40と、MEAロール50と、第1のロール62,64と、第2のロール82,84と、剥離ロール72,74,76とを備える。
The MEA manufacturing facility 1 includes an
電解質膜ロール10は、支持基材14上に配された電解質膜12が、コア管に巻き取られているロールである。電解質膜12は、湿潤状態において良好な導電性を有するイオン交換膜である。電解質膜12は、ナフィオン(登録商標)などのフッ素系樹脂材料で構成される。支持基材14は、電解質膜12を搬送するための補強材である。支持基材14は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ETFEなどのフッ素樹脂で構成される。
The
第1の触媒インクロール20は、離型層29(図3,図4参照)を第1の離型フィルム24(図3,図4参照)と第1の触媒インク22とが挟み込んで形成された積層体が、コア管に巻き取られているロールである。第1の触媒インク22は、カーボンブラックに白金を担持した触媒と、ナフィオンなどのフッ素系樹脂材料で構成される。
The first
第2の触媒インクロール30は、第2の離型フィルム34に離型層29を、この離型層29に第2の触媒インク32を積層した積層体が、コア管に巻き取られているロールである。
In the second
合紙ロール40は、合紙44がコア管に巻き取られているロールである。合紙44は、MEA製造設備1において製造された膜電極接合体90をMEAロール50に巻き取る際に膜電極接合体90の間に挟むために用いられる。
The
第1のロール62,64は、ステンレス等の金属でその円柱状の基本構造が形成され、その表面をシリコンゴムやテフロン(登録商標)でコートされた一対の押圧用のロールである。第1のロール62,64は、MEA製造設備1の運転時に加熱される。
The
第1のロール62,64は、電解質膜12、第1の触媒インク22などを間に挟んで、互いに押圧しつつ同期して回転する。第1のロール62,64の温度や回転速度は、第1のロール制御部100(図1参照)によって制御される。
The
第2のロール82,84の特徴は、上記した第1のロール62,64の特徴と略同じである。第2のロール82,84の温度や回転速度は、第2のロール制御部200(図1参照)によって制御される。
The characteristics of the
図2は、膜電極接合体90を製造する処理を示すフローチャートである。まず、アノードとしての触媒層を電解質膜12に転写する(S110)。S110は、図1に示された符号3の部位において実施される。S110は、第1の触媒インクロール20から繰り出された積層体に含まれる第1の触媒インク22を加熱しながら、第1の触媒インク22を電解質膜12に押圧する工程である。
FIG. 2 is a flowchart showing a process for manufacturing the
図3は、S110の様子を模式的に示す。図3に示すように、第1の触媒インク22と第1の離型フィルム24との間には、離型層29が配置されている。離型層29は、離型成分と不純物とを含む。
FIG. 3 schematically shows the state of S110. As shown in FIG. 3, a
S110によって、第1の触媒インク22に含まれる電解質にガラス転移が発生する。このガラス転移が発生するのは、第1の触媒インク22が、第1のロール62,64によって加熱されるからである。つまり、第1の触媒インク22は、S110において、次に述べる温度Tg2に達する。温度Tg2は、第1の触媒インク22に含まれる電解質のガラス転移温度である。
By S110, a glass transition occurs in the electrolyte contained in the
一方で、離型層29は、次に述べる温度Tg1に達しない。温度Tg1は、離型層29のガラス転移温度である。温度Tg1は、温度Tg2以上の温度であり、且つ、第1のロール62,64による加熱温度よりも高い。つまり、S110は、第1の触媒インク22と離型層29との温度が、温度Tg2以上、温度Tg1未満の条件で実施される。なお、本実施形態における温度Tg1は、150〜250℃である。
On the other hand, the
その後、S110で電解質膜12に押圧された積層体から第1の離型フィルム24が剥離される(S120)。S120は、図1に示された符号4の部位において実施される。
Thereafter, the
図4は、S120の様子を模式的に示す。図4に示すように、S120によって、第1の触媒インク22が、転写部位22aと、除去部位22bとに分割される。転写部位22aは、第1の触媒インク22のうち、電解質膜12に転写され、触媒層を形成する部位である。除去部位22bは、第1の触媒インク22のうち、離型層29に付着した部位であり、離型層29及び第1の離型フィルム24と共に、剥離ロール72に巻き取られる部位である。
FIG. 4 schematically shows the state of S120. As shown in FIG. 4, by S120, the
上記のように、第1の触媒インク22が分割されるのは、S120においてもS110と同様、離型層29にガラス転移が発生していないからである。つまり、S120も、第1の触媒インク22と離型層29との温度が、温度Tg2以上、温度Tg1未満で実施される。
As described above, the
S120が上記の温度条件で実施されるのは、S110の終了後から短時間でS120が実施されるからである。特に、S120では加熱は実施されないので、離型層29の温度は、S110で温度Tg1に達していなければ、S120で温度Tg1に達することはない。つまり、離型層29は、S110でガラス転移が発生していなければ、S120でガラス転移が発生することはない。
The reason why S120 is performed under the above temperature condition is that S120 is performed in a short time after the end of S110. In particular, since heating is not performed in S120, the temperature of the
上記のようにS120において離型層29にガラス転移が発生していなければ、離型層29と第1の触媒インク22との高い密着力が保たれる。このため、上記の通り、S120によって、第1の触媒インク22が分割される。
As described above, if no glass transition occurs in the
続いて、支持基材14を剥離する(S140)。次に、カソードとしての触媒層を電解質膜12に転写する(S150)。つまり、第2の触媒インクロール30から繰り出された積層体に含まれる第2の触媒インク32を加熱しながら、第2の触媒インク32を電解質膜12に押圧する。続いて、第2の離型フィルム34を剥離する(S170)。
Then, the
S150及びS170は、S120及びS140と同様な特徴を有する。つまり、第2の触媒インク32は分割され、離型層(図示しない)は全て、第2の離型フィルム34に付着して回収される。
S150 and S170 have the same characteristics as S120 and S140. That is, the
第2の触媒インク32、電解質膜12、および第1の触媒インク22の接合体は、膜電極接合体90である。最後に、膜電極接合体90と合紙44とが重ねられてMEAロール50に巻き取られる(S180)。
The joined body of the
図5は、比較例におけるS120の様子を模式的に示す。この比較例は、後述するようにS110の条件が、実施形態と異なる。図5に示すように、比較例における第1の触媒インク22は、分割されることなく、その全体が電解質膜12に転写される。
FIG. 5 schematically shows the state of S120 in the comparative example. In this comparative example, as described later, the condition of S110 is different from that of the embodiment. As shown in FIG. 5, the entire
その一方で、離型層29は、残留部位29aと、除去部位29bとに分割される。残留部位29aは、離型層29のうち、第1の触媒インク22に残留した部位である。除去部位29bは、離型層29のうち、第1の離型フィルム24に付着した部位であり、第1の離型フィルム24と共に、剥離ロール72に巻き取られる。
On the other hand, the
比較例のS110においては、第1のロール62,64による加熱温度が、実施形態における加熱温度よりも高い。この結果、S110において、離型層29の温度が、温度Tg1に達する。離型層29は、温度Tg1に達すると、ガラス転移が発生する。このため、離型層29の流動性が増して、S120で離型層29が分割される。
In S110 of the comparative example, the heating temperature by the first rolls 62 and 64 is higher than the heating temperature in the embodiment. As a result, in S110, the temperature of the
残留部位29aの少なくとも一部は、S180によって得られる膜電極接合体90に残留する。つまり、離型層29の離型成分と不純物とが、膜電極接合体90に残留する。残留した離型成分および不純物は、第1の触媒インク22のガス拡散性およびプロトン伝導性を低下させ、ひいては発電性能を低下させる。
At least a part of the remaining
先述した実施形態によれば、離型成分および不純物は膜電極接合体90に殆ど残留しないので、上記のような問題を回避できる。
According to the above-described embodiment, the mold release component and the impurity hardly remain in the
実施形態および比較例に関する実験を行った。この実験は、触媒インク残りと、温度Tg1との関係を調べるためのものである。触媒インク残りは、次式で算出される。
触媒インク残り(%)
=100×除去部位22bの質量/(転写部位22aの質量+除去部位22bの質量)
Experiments related to the embodiment and the comparative example were conducted. This experiment is for examining the relationship between the remaining catalyst ink and the temperature Tg1. The remaining catalyst ink is calculated by the following equation.
Catalyst ink remaining (%)
= 100 × mass of
実験結果は、次の通りである。温度Tg1が160℃の場合は触媒インク残り1%、温度Tg1が200℃の場合は触媒インク残り0.4%、温度Tg1が250℃の場合は触媒インク残り0%、温度Tg1が270℃の場合は触媒インク残り0%であった。 The experimental results are as follows. When the temperature Tg1 is 160 ° C., the remaining catalyst ink is 1%. When the temperature Tg1 is 200 ° C., the remaining catalyst ink is 0.4%. When the temperature Tg1 is 250 ° C., the remaining catalyst ink is 0% and the temperature Tg1 is 270 ° C. In this case, the remaining catalyst ink was 0%.
触媒インク残りが0%であることは、比較例の場合に相当する。上記の結果から、温度Tg1は、おおよそ160℃以上250℃未満が好ましいと言える。 The remaining catalyst ink is 0%, which corresponds to the comparative example. From the above results, it can be said that the temperature Tg1 is preferably about 160 ° C. or higher and lower than 250 ° C.
実施形態2を説明する。図6は、実施形態2において製造された膜電極接合体90を示す。実施形態2では、膜電極接合体90の一部(以下、第1の部位90a)については比較例と同じく離型層29を電解質膜12に付着させる手法で製造しつつ、残りの部位(以下、第2の部位90b)については実施形態1と同じく離型層29を電解質膜12に付着させない手法で製造する。
A second embodiment will be described. FIG. 6 shows a
第1の部位90aは、エアーの出口側に配置する。第2の部位90bは、エアーの入口側に配置する。エアーの出口側とは、燃料電池スタックとして組み付けられた状態において、カソードガスとしてのエアーの流れにおける出口側のことである。入口側についても同様である。
The
エアーの出口側に第1の部位90aを配置する効果は、次の通りである。第1の部位90aは、第1の触媒インク22が分割されないので、第1の触媒インク22の表面が平滑になる。このため、排水性が向上することでフラッディングが抑制され、発電性能が向上する。なお、残留部位29aは、発電による生成水によって除去される。
The effect of disposing the
エアーの入口側に第2の部位90bを配置する効果は、次の通りである。第2の部位90bは、触媒インクとしての転写部位22aが第1の触媒インク22の分割によって形成されているため、触媒インクの表面に凹凸が形成される。この凹凸によって保水性が向上することで、電解質膜12の乾燥が抑制される。この結果、発電性能が向上する。
The effect of disposing the
本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。 The present invention is not limited to the embodiments, examples, and modifications of the present specification, and can be implemented with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in the embodiments described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the effects described above, replacement or combination can be performed as appropriate. If the technical feature is not described as essential in this specification, it can be deleted as appropriate. For example, the following are exemplified.
S110(加熱しながら押圧)を、温度Tg2未満の条件で実施してもよい。つまり、第1の触媒インクに含まれる電解質にガラス転移が発生しない条件で、S110を実行してもよい。第1の触媒インクに含まれる電解質にガラス転移が発生しなくても、離型層にガラス転移が発生しなければ、実施形態と同じく第1の触媒インクが分割される。第2の触媒インクについても同様である。 S110 (pressing while heating) may be carried out under a temperature lower than Tg2. That is, S110 may be executed under the condition that glass transition does not occur in the electrolyte contained in the first catalyst ink. Even if the glass transition does not occur in the electrolyte contained in the first catalyst ink, if the glass transition does not occur in the release layer, the first catalyst ink is divided as in the embodiment. The same applies to the second catalyst ink.
1…MEA製造設備
10…電解質膜ロール
12…電解質膜
14…支持基材
20…第1の触媒インクロール
22…第1の触媒インク
22a…転写部位
22b…除去部位
24…第1の離型フィルム
29…離型層
29a…残留部位
29b…除去部位
30…第2の触媒インクロール
32…第2の触媒インク
34…第2の離型フィルム
40…合紙ロール
44…合紙
50…MEAロール
62…第1のロール
72…剥離ロール
82…第2のロール
90…膜電極接合体
90a…第1の部位
90b…第2の部位
100…第1のロール制御部
200…第2のロール制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
前記第1工程を経た前記積層体から前記離型フィルムを剥離する第2工程とを含み、
前記第1工程を、前記離型層のガラス転移温度未満の温度で実施する
膜電極接合体の製造方法。 A first step of transferring the catalyst layer to the electrolyte membrane by pressing the catalyst ink against the electrolyte membrane while heating the catalyst ink sandwiching the release layer with the release film to form a laminate; and
Including a second step of peeling the release film from the laminate through the first step,
The manufacturing method of the membrane electrode assembly which implements the said 1st process at the temperature below the glass transition temperature of the said mold release layer.
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