JP2018045841A

JP2018045841A - 膜電極ガス拡散接合体の製造方法

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Publication number: JP2018045841A
Application number: JP2016178943A
Authority: JP
Inventors: 大鐘　真吾; Shingo Okane; 真吾大鐘
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2018-03-22

Abstract

【課題】バックシートの剥離工程において膜電極接合体がＧＤＬシートから剥離してしまうことを簡単な構成でより確実に抑制できる膜電極ガス拡散接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを連続的に貼り合わせるとともに、ＭＥＡシート１０のバックシート１１を連続的に剥離する連続接合剥離工程を備える膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製造方法であって、連続接合剥離工程の前の工程であって、バックシート１１上に離形層１２を形成した後、離形層１２の上にＭＥＡ層１３を形成するＭＥＡ形成工程をさらに備え、ＭＥＡ形成工程において、離形層１２とバックシート１１との接合強度＞離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度であり、且つ、連続接合剥離工程において、離形層１２とバックシート１１との接合強度＜離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度≦ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０との接合強度である。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜電極ガス拡散接合体の製造方法に関し、特に、燃料電池に用いられる膜電極ガス拡散接合体の製造方法に関する。

特許文献１には、巻き取りローラー、繰り出しローラー等を用いて、多孔質層（ＭＰＬ；ＭｉｃｒｏＰｏｒｏｕｓＬａｙｅｒ）シートを含む膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ＆ＧａｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒＡｓｓｅｍｂｌｙ）を連続的に製造する製造方法の一例が記載されている。具体的には、特許文献１では、キャリアフィルムの一方の面上に電解質膜及び触媒層が形成された電解質膜シートとＭＰＬシートとを接合し、次にキャリアフィルムを剥離する。次に電解質膜シートのキャリアフィルムが剥離した面上に触媒層を形成し、次に当該触媒層側にＭＰＬシートを接合する。そして、両面にＭＰＬシートが接合された電解質膜シートとガス拡散層（ＧＤＬ；ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）シートとを接合する。

国際公開第２０１４／０７６８６３号

特許文献１に記載されているような膜電極ガス拡散接合体の製造方法において、キャリアフィルム等のバックシートを剥離する際、触媒層とＭＰＬ層との界面等の各界面の接合強度が不足している場合、電解質膜や触媒層がバックシートとともにＭＰＬシートから剥離されてしまう可能性がある。

また、ローラー等を用いて、膜電極接合体（ＭＥＡ；ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）シートとＧＤＬシートとを接合しつつ、バックシートを剥離する工程を連続的に加工する場合も、特にロール状に巻回されたそれぞれのシートを接合する際の接合し始めのシート始端において、膜電極接合体とＧＤＬシートとの界面の界面密着力（接合強度）が不足し、バックシート側にＭＥＡがくっついていってしまう場合がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、バックシートの剥離工程において膜電極接合体がＧＤＬシートから剥離してしまうことを簡単な構成でより確実に抑制できる膜電極ガス拡散接合体の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製造方法は、ＭＥＡシートと、ＧＤＬシートとを、加熱したロールで挟んで加熱加圧処理することにより連続的に貼り合わせるとともに、前記ＭＥＡシートのバックシートを連続的に剥離する連続接合剥離工程を備える。また、前記膜電極ガス拡散接合体の製造方法は、前記連続接合剥離工程の前の工程であって、前記バックシート上に離形層を形成した後、前記離形層の上にＭＥＡ層を形成するＭＥＡ形成工程をさらに備える。そして、前記ＭＥＡ形成工程において、前記離形層と前記バックシートとの接合強度＞前記離形層と前記ＭＥＡ層との接合強度であり、且つ、前記連続接合剥離工程において、前記離形層と前記バックシートとの接合強度＜前記離形層と前記ＭＥＡ層との接合強度≦前記ＭＥＡ層と前記ＧＤＬとの接合強度である。

本発明に係る膜電極ガス拡散接合体の製造方法によれば、ＭＥＡ形成工程において、離形層とバックシートとの接合強度＞離形層とＭＥＡ層との接合強度であるため、ＭＥＡ形成工程におけるバックシートの剥離を防ぐことができる。また、連続接合剥離工程において、離形層とバックシートとの接合強度＜離形層とＭＥＡ層との接合強度≦ＭＥＡ層とＧＤＬとの接合強度であるため、バックシートを剥離する際に、ＭＥＡ層がバックシートと共にＧＤＬから剥離してしまうのを防ぐことができる。そのため、バックシートの剥離工程において膜電極接合体がＧＤＬシートから剥離してしまうことを簡単な構成でより確実に抑制できる膜電極ガス拡散接合体の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る膜電極ガス拡散接合体の製造装置のＭＥＡシートとＧＤＬシートとを接合する部分を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係るＭＥＡシートとＧＤＬシートとの接合を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態１に係るバックシート、離形層、ＭＥＡ層、ＧＤＬの各界面を模式的に示す断面図である。実験例におけるバックシート、離形層、ＭＥＡ層、ＧＤＬの各界面の接合強度を示す表である。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態１に係る膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製造装置１００（以下、単に、ＭＥＧＡ製造装置１００と称する。）のＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを接合する部分を示す模式図である。
図１に示すように、ＭＥＧＡ製造装置１００は、第１の引き出しロール１０２、第２の引き出しロール１０４、加熱加圧ロール１０５、剥離ロール１０６等を備える。
また、ＭＥＡシート１０は、バックシート１１、バックシート１１上に形成された離形層１２、離形層１２上に形成されたＭＥＡ層１３を含んで構成される。
また、ＧＤＬシート２０は、カーボンを含む。

第１の引き出しロール１０２は、ＭＥＡシート１０を引き出す。第１の引き出しロール１０２によって引き出されたＭＥＡシート１０は、加熱加圧ロール１０５へと向かう。また、第２の引き出しロール１０４は、ＧＤＬシート２０を引き出す。第２の引き出しロール１０４によって引き出されたＧＤＬシート２０は、加熱加圧ロール１０５へと向かう。

加熱加圧ロール１０５は、一対の加熱可能なロールからなる。そして、加熱加圧ロール１０５は、所定の温度に加熱された一対のロールの間に、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシートとを挟み、所定の圧力を加える。これにより、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とが接合されたＭＥＡ−ＧＤＬ接合シート３０が生成される。生成されたＭＥＡ−ＧＤＬシート３０は、剥離ロール１０６へと向かう。

剥離ロール１０６は、ＭＥＡ−ＧＤＬシート３０からバックシート１１を剥離するとともに、剥離したバックシート１１と、膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）４０とを別々の方向に搬送する。このように生成されたＭＥＧＡ４０は、ＧＤＬシート２０上に接合されたＭＥＡ層１３、ＭＥＡ層１３上の離形層１２を含んで構成される。

図２を参照しながら、本発明の実施の形態１に係る膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製造方法を説明する。図２は、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０との接合を模式的に示す断面図である。図１、図２に示すように、本発明の実施の形態１に係るＭＥＧＡの製造方法は、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを連続的に貼り合わせるとともに、ＭＥＡシート１０のバックシート１１を連続的に剥離する連続接合剥離工程を備える。

連続接合剥離工程において、離形層１２は、バックシート１１とともに剥離されることなく、ＭＥＡ層１３上に残る。なお、図２においては、離形層１２は、バックシート１１上に形成されたＭＥＡ層１３の引き出し方向の端部であるＭＥＡ開始端にのみ形成されているが、ＭＥＡ層１３全域に亘って形成されていてもよい。離形層１２がＭＥＡ層１３全域に亘って形成されている場合でも、連続接合剥離工程において、離形層１２は、バックシート１１とともに剥離されることなく、ＭＥＡ層１３上に残る。

これは、連続接合剥離工程において、離形層１２とバックシート１１との接合強度＜離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度≦ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０との接合強度となっているためである。バックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３、及び、ＧＤＬ２０間の各界面における接合強度の詳細については、後述する。

また、本発明の実施の形態１に係るＭＥＧＡの製造方法は、連続接合剥離工程よりも前の工程であって、バックシート１１上に離形層１２を形成した後、当該離形層１２の上にＭＥＡ層１３を形成するＭＥＡ形成工程をさらに備える。
ここで、ＭＥＡ形成工程において、離形層１２とバックシート１１との接合強度＞離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度となっている。上述の連続接合剥離工程における、バックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３間の各界面における接合強度の大小関係と、ＭＥＡ形成工程における、バックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３間の各界面における接合強度の大小関係とは、反転しているが、これは、各工程における温度の違いによるものである。バックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３間の各界面における接合強度の詳細については、後述する。

ＭＥＡ形成工程において、まず、バックシート１１上に離形層１２が形成される。具体的には、バックシート１１上に離形性を有する層を積層し、加熱加圧処理を施すことにより、バックシート１１上に離形層１２を形成する。または、バックシート１１上に離型剤を塗布し、乾燥することにより当離型剤をバックシート１１上に固着させてもよい。

次に、離形層１２が形成されたバックシート１１上に、ＭＥＡ触媒を塗布し、乾燥することにより当ＭＥＡ触媒をバックシート１１上に固着させることにより、バックシート上にＭＥＡ層１３を形成する。または、あらかじめ別に形成された電解質膜等をバックシート１１上に貼り付け、ＭＥＡ層をバックシート１１に転写させてもよい。

次に、図３を参照しながら、バックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３、及び、ＧＤＬ２０間の各界面における接合強度について説明する。図３は、実施の形態１に係るバックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３、ＧＤＬ２０の各界面を模式的に示す断面図である。図３において、バックシート１１と離形層１２との間の界面を界面Ａとする。また、離形層１２とＭＥＡ層１３との間の界面を界面Ｂとする。また、ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０との間の界面を界面Ｃとする。各界面Ａ、Ｂ、Ｃの接合強度は、それぞれの界面を形成するバックシート１１、離形層１２、ＭＥＡ層１３、ＧＤＬ２０の材料、及び、各層を接合する方法によって決定される。例えば、界面Ｃの接合強度は、ＭＥＡ層１３に含まれるアイオノマの量と、ＧＤＬ２０に含まれるカーボンとの配合率によって変化する。また、界面Ｃの接合強度は、接合時の加熱温度、加圧力、加圧時間等により変化する。

上述の連続接合剥離工程において、ＭＥＡ層１３がバックシート１１とともにＧＤＬ２０から剥離してしまうことを防ぐには、界面Ｃの接合強度を高めることが望まれる。しかし、界面Ｃの接合強度を高めるために、接合時の加熱温度や加圧力を高めると、バックシート１１とＭＥＡ層１３との界面の接合強度も高まってしまい、バックシート１１をＭＥＡ−ＧＤＬ接合シート３０から剥離する際に、バックシート１１の一部がＭＥＡ層１３側に残されてしまう場合がある。また、接合時の加圧力を高めると、ＧＤＬ２０が潰れてしまい、ガス拡散性能（透気度）が低下してしまう。

そこで、本発明の実施形態１では、バックシート１１とＭＥＡ層１３との間に、連続剥離工程において界面Ａの接合強度＜界面Ｂの接合強度≦界面Ｃの接合強度となる離形層１２を設ける。これにより、上述の連続接合剥離工程において、バックシート１１をＭＥＡ−ＧＤＬ接合シート３０から剥離する際に、バックシート１１とともにＭＥＡ層１３がＧＤＬ２０から剥離してしまうのを防ぐことができる。

また、上述のＭＥＡ形成工程において、界面Ａの接合強度＞界面Ｂの接合強度となっている。これにより、ＭＥＡ形成工程において、ＭＥＡシート１０からバックシート１１が剥離してしまうのを防ぐことができる。

具体的には、連続接合剥離工程における接合時の加熱温度である高温（例えば、約１５０℃）では、界面Ａの接合強度＜界面Ｂの接合強度≦界面Ｃの接合強度であり、且つ、ＭＥＡ形成工程の乾燥温度である低温（例えば、７０℃以上１００℃以下）では、界面Ａの接合強度＞界面Ｂの接合強度である、離形層１２を、バックシート１１とＭＥＡ層１３との間に設ける。

また、ＭＥＧＡの製品機能として、界面Ｃの接合強度は、８．３Ｎ／ｍ以上であることが望まれる。よって、連続接合剥離工程における接合時の加熱温度において、界面Ａの接合強度＜８．３（Ｎ／ｍ）≦界面Ｂ、Ｃの接合強度であることが好ましい。
また、ＭＥＡ形成工程の乾燥工程においてＭＥＡ層の剥離を防ぐためには、界面Ｂの接合強度は３．３７Ｎ／ｍ以上であることが望まれる。よって、ＭＥＡ形成工程における乾燥温度において、界面Ａの接合強度＞界面Ｂの接合強度≧３．３７（Ｎ／ｍ）であることが好ましい。

実験例．
次に、図４を参照しながら、本発明の実施の形態１の実験例について説明する。図４は、実験例におけるバックシート、離形層、ＭＥＡ層、ＧＤＬの各界面の接合強度を示す表である。図４に示す表において、水準１は、ＭＥＡ形成工程の乾燥温度が１００℃である条件を意味する。また、水準２及び３は、連続接合剥離工程のＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを接合する際の加熱温度が１４０℃である条件を意味する。そして、図４に示す表の１行目は、ＭＥＡ形成工程の乾燥温度である１００℃におけるＭＥＡシート１０の界面Ｂの接合強度を示している。また、当該表の２行目は、連続接合剥離工程の加熱温度である１４０℃における界面Ａの接合強度を示している。また、当該表の３行目は、連続接合剥離工程の加熱温度である１４０℃における界面Ｃの接合強度を示している。

また、本実験例において、バックシート１１としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ：Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）を用い、離形層１２としてフッ素含有ポリオレフィンを用い、ＭＥＡ層１３としてアノード触媒及び電解質膜を用い、ＧＤＬ２０としてカーボンを用いた。また、ＭＥＡシート１０は、離形層を形成したバックシート１１上に、電解質膜を加熱加圧処理によって貼り合わせ、次に、電解質膜上にアノード触媒を塗布して乾燥することにより、生成した。また、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とは、加熱加圧ロール１０５を用いて、加熱温度１４０℃、加圧力３ＭＰａで接合した。また、各界面の接合強度は、９０度剥離試験法により、荷重測定器を用いて測定した。荷重測定器としては、ロードセル、フォースゲージ等を用いた。

図４に示す表から、ＭＥＡ形成工程の乾燥温度が１００℃である場合、界面Ｂの接合強度は３．３７Ｎ／ｍであり、ＭＥＡ形成工程においてＭＥＡシート１０からＭＥＡ層１３が剥離することを防ぐことができることが分かる。
また、当該表から、連続接合剥離工程の加熱温度が１４０℃である場合、界面Ａの接合強度は、界面Ｃの接合強度よりも弱いことが分かる。そのため、連続接合剥離工程の加熱温度を１４０℃とすれば、界面Ｃの接合強度を界面Ａの接合強度よりも強くすることができ、連続接合剥離工程において、ＭＥＡ層１３がバックシート１１とともにＧＤＬ２０から剥離してしまうことを防ぐことができ、バックシート１１のみをＭＥＡ−ＧＤＬ接合シート３０から剥離することができることが分かる。

以上に説明した実施の形態１に係る膜電極ガス拡散接合体の製造方法によれば、ＭＥＡ形成工程において、離形層１２とバックシート１１との接合強度＞離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度であるため、ＭＥＡ形成工程におけるバックシート１１の剥離を防ぐことができる。また、連続接合剥離工程において、離形層１２とバックシート１１との接合強度＜離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度≦ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０との接合強度であるため、バックシート１１を剥離する際に、ＭＥＡ層１３がバックシート１１と共にＧＤＬ２０から剥離してしまうのを防ぐことができる。そのため、バックシート１１の剥離工程において膜電極接合体（ＭＥＡ）がＧＤＬシート２０から剥離してしまうことを簡単な構成でより確実に抑制できる膜電極ガス拡散接合体の製造方法を提供することができる。

また、ＭＥＡ形成工程において、離形層１２とＭＥＡ層１３との接合強度（界面Ｂの接合強度）が３．３７Ｎ／ｍ以上であるため、ＭＥＡ形成工程において、ＭＥＡ形成工程においてＭＥＡシート１０からＭＥＡ層１３が剥離することを防ぐことができる。

また、連続接合剥離工程において、ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０との接合強度（界面Ｃの接合強度）は、８．３Ｎ／ｍ以上であるため、膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製品機能を十分に確保することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ＭＥＡシート
１１バックシート
１２離形層
１３ＭＥＡ層
２０ＧＤＬシート
３０ＭＥＡ−ＧＤＬ接合シート
４０膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）
１００ＭＥＧＡ製造装置
１０２第１の引き出しロール
１０４第２の引き出しロール
１０５加熱加圧ロール
１０６剥離ロール

Claims

ＭＥＡシートと、ＧＤＬシートとを、加熱したロールで挟んで加熱加圧処理することにより連続的に貼り合わせるとともに、前記ＭＥＡシートのバックシートを連続的に剥離する連続接合剥離工程を備える膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製造方法であって、
前記連続接合剥離工程の前の工程であって、前記バックシート上に離形層を形成した後、前記離形層の上にＭＥＡ層を形成するＭＥＡ形成工程をさらに備え、
前記ＭＥＡ形成工程において、
前記離形層と前記バックシートとの接合強度＞前記離形層と前記ＭＥＡ層との接合強度
であり、
且つ、
前記連続接合剥離工程において、
前記離形層と前記バックシートとの接合強度＜前記離形層と前記ＭＥＡ層との接合強度≦前記ＭＥＡ層と前記ＧＤＬとの接合強度
である、膜電極ガス拡散接合体の製造方法。