JP2018045842A

JP2018045842A - 膜電極ガス拡散接合体の製造方法

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Publication number: JP2018045842A
Application number: JP2016178944A
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】僅かな製造工程の追加によって、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、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、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、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの、カーボン担体に対する質量比を１．０以上とし、連続接合剥離工程において、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始端部を検出して、当該ＭＥＡ始端部の加熱加圧処理の温度及び圧力を、ＭＥＡシート１０の他の部分の加熱加圧処理の温度及び圧力よりも高くする。
【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、バックシートを剥がす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、僅かな製造工程の追加によって、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ＭＥＡシートのＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの、カーボン担体に対する質量比を１．０以上とし、前記連続接合剥離工程において、前記バックシート上に形成されたＭＥＡ層の引き出し方向の端部であるＭＥＡ始端部を検出して、当該ＭＥＡ始端部の加熱加圧処理の温度及び圧力を、前記ＭＥＡシートの他の部分の加熱加圧処理の温度及び圧力よりも高くする。

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シートのＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの、カーボン担体に対する質量比を１．０以上としているため、ＭＥＡシートとＧＤＬシートとを確実に接合することができる。さらに、連続接合剥離工程において、バックシート上に形成されたＭＥＡ層の引き出し方向の端部であるＭＥＡ始端部を検出して、当該ＭＥＡ始端部の加熱加圧処理の温度及び圧力を、ＭＥＡシートの他の部分の加熱加圧処理の温度及び圧力よりも高くしている。そのため、ＭＥＡ層の剥離が生じやすいＭＥＡ始端部においてＭＥＡ層とＧＤＬとを高い温度及び圧力で強力に接合するとともに、ＭＥＡシートの他の部分では、ＧＤＬの透気効果を損なわない温度及び圧力でＭＥＡ層とＧＤＬとを接合することができる。したがって、僅かな製造工程の追加によって、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シートの加熱加圧ロールへの抱き角度を変化させる方法を説明する図である。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。実験例におけるＭＥＡシートとＧＤＬシートと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、ＭＥＡ始端検出器１０１、第１の引き出しロール１０２、局所加熱装置１０３、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。

ＭＥＡ始端検出器１０１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始端部を検出する。また、ＭＥＡ始端検出器１０１は、第１の引き出しロール１０２よりも引き出し方向手前側に配置されている。通常、ＭＥＡ層１３は、カーボンを含むため黒色であり、バックシート１１は、透明又は白濁色である。そのため、ＭＥＡ始端検出器１０１は、ＭＥＡシート１０上における、色調の変化（バックシート１１の透明又は白濁色から、ＭＥＡ層１３の黒色への変化）を検出することにより、ＭＥＡ始端部を検出する。ＭＥＡ始端検出器１０１として、例えば、透過型又は反射型の非接触センサを用いることができる。

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。

局所加熱装置１０３は、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部のみ局所的に加熱する。局所加熱装置１０３による加熱温度は、後述する加熱加圧ロール１０５による加熱温度よりも高い。局所加熱装置１０３は、第１の引き出しロール１０２と加熱加圧ロール１０５との間に配置されている。局所加熱装置１０３は、ＭＥＡ始端部の位置を、ＭＥＡ始端検出器１０１の検出結果と第１の引き出しロール１０２の回転数及び回転量とから算出する。局所加熱装置１０３として、例えば、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部が通過する際にのみ、ＭＥＡシート１０に当接する加熱ロールを用いることができる。また、局所加熱装置１０３として、例えば、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部が通過する際にのみ、ＭＥＡシート１０に輻射熱を伝熱するヒータを用いることができる。なお、局所加熱装置１０３の加熱温度と加熱加圧ロール１０５の加熱温度とが近い場合、図２に示すように、第１の引き出しロール１０２としてアキュームロール等の駆動ロールを用いて第１の引き出しロール１０２の位置を変化させることによって、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部の加熱加圧ロール１０５への抱き角度α１をＭＥＡシート１０の他の部分の加熱加圧ロール１０５への抱き角度α２より大きくすることにより、加熱加圧ロール１０５によるＭＥＡ始端部の加熱時間を他の部分の加熱時間より長くすることができる。これにより、加熱加圧ロール１０５の温度増加と同じ効果を得ることができる。この場合、局所加熱装置１０３を省略することができる。

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。
また、加熱加圧ロール１０５は、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部への加圧力をＭＥＡシート１０の他の部分への加圧力より高くする。加熱加圧ロール１０５は、ＭＥＡ始端部の位置を、ＭＥＡ始端検出器１０１の検出結果と第１の引き出しロール１０２の回転数及び回転量とから算出する。そして、加熱加圧ロール１０５は、ＭＥＡ始端部が通過する際の加圧力を高め、ＭＥＡ始端部が通過した後、例えば０．１秒後に、加圧力を通常の接合加工時の圧力まで下げる。なお、ＭＥＡ始端部が通過する前のＭＥＡシート１０にはＭＥＡ層１３が形成されていないため、ＭＥＡ始端部が通過する前の加圧力を高め始めるタイミングは、特に制限されない。
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を含んで構成される。

図３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３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乃至図３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、ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０との接合強度が不十分である場合、ＭＥＡ層１３がバックシート１１とともにＧＤＬ２０から剥離されてしまう場合がある。しかし、本実施の形態１に係るＭＥＧＡの製造方法では、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部の加熱加圧処理の温度及び圧力を、ＭＥＡシート１０の他の部分の加熱加圧処理の温度及び圧力よりも高くしている。そのため、ロール状に巻回されたＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを接合する際の接合し始めのＭＥＡ始端部の接合強度を他の部分よりも高めることができる。これにより、連続接合剥離工程において、ＭＥＡ層１３は、バックシート１１とともに剥離されることなく、ＧＤＬ２０上に残る。

また、本実施の形態１に係るＭＥＡシート１０のＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの、ＭＥＡ層１３のカーボン担体に対する質量比は、１．０以上である。アイオノマのカーボン担体に対する質量比が１．０未満では、ＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０とが接合しなくなってしまう。また、アイオノマのカーボン担体に対する質量比が１．２以上の範囲では、ＭＥＧＡ４０の発電機能に支障を生じない範囲でＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの量を増量することができる。アイオノマのカーボン担体に対する質量比を１．０以上とすることにより、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とをより確実に接合することができる。

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ＭＥＡシートとＧＤＬシートとの接合強度を示す表である。実験例では、加熱加圧ロール１０５を用いて、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを様々な温度及び圧力で接合した。図４に示す表において、水準１は、加熱加圧ロール１０５の温度（接合温度）が１４０℃、圧力が３．０ＭＰａである条件を意味する。水準２は、加熱加圧ロール１０５の温度が１４０℃、圧力が４．６ＭＰａである条件を意味する。水準３は、加熱加圧ロール１０５の温度が１５０℃、圧力が３．０ＭＰａである条件を意味する。

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、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、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触媒に含まれるアイオノマのカーボン担体に対する質量比は１．０以上とした。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、加熱加圧ロール１０５の温度が１４０℃、圧力が３．０ＭＰａである場合、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０との接合強度は、９．９９Ｎ／ｍであり、膜電極ガス拡散接合体（ＭＥＧＡ）の製品機能を十分に確保するために必要な接合強度８．３Ｎ／ｍ以上であり、接合強度は十分であることが分かる。しかし、この場合では、ＭＥＡ始端部において、ＭＥＡ層１３がＧＤＬシート２０から剥離してしまった。

また、加熱加圧ロール１０５の温度が１４０℃、圧力が４．６ＭＰａである場合、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０との接合強度は、１１．３０Ｎ／ｍであり、ＭＥＡ始端部におけるＭＥＡ層１３のＧＤＬシート２０からの剥離を防止できた。しかし、ＧＤＬ２０のガス拡散性能（透気度）が低下してしまった。これは、加圧力が強すぎて、ＧＤＬ２０が潰れてしまったためと考えられる。

また、加熱加圧ロール１０５の温度が１５０℃、圧力が３．０ＭＰａである場合、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０との接合強度は、１２．５５Ｎ／ｍであり、ＭＥＡ始端部におけるＭＥＡ層１３のＧＤＬシート２０からの剥離を防止できた。しかし、バックシート１１が一部ＭＥＧＡ４０上に残ってしまった。これは、加熱温度が高かったため、バックシート１１とＭＥＡ層１３との間の接合強度も高まってしまったためと考えられる。

図４に示す表の水準２及び水準３は、ＭＥＡシート１０全体とＧＤＬシート２０との接合には、不具合が生じてしまうため、不向きである。しかし、当該水準２及び水準３の加熱温度及び加圧力を用いて、ＭＥＡシート１０のＭＥＡ始端部とＧＤＬシート２０との接合を行うことにより、ＧＤＬシート２０からのＭＥＡ層１３の剥離を防ぐことができる。

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シート１０のＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの、カーボン担体に対する質量比を１．０以上としているため、ＭＥＡシート１０とＧＤＬシート２０とを確実に接合することができる。さらに、連続接合剥離工程において、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始端部を検出して、当該ＭＥＡ始端部の加熱加圧処理の温度及び圧力を、ＭＥＡシート１０の他の部分の加熱加圧処理の温度及び圧力よりも高くしている。そのため、ＭＥＡ層１３の剥離が生じやすいＭＥＡ始端部においてＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０とを高い温度及び圧力で強力に接合するとともに、ＭＥＡシート１０の他の部分では、ＧＤＬ２０の透気効果を損なわない温度及び圧力でＭＥＡ層１３とＧＤＬ２０とを接合することができる。したがって、僅かな製造工程の追加によって、バックシート１１の剥離工程において膜電極接合体（ＭＥＡ）１３がＧＤＬシート２０から剥離してしまうことを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。

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
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
１０１ＭＥＡ始端検出器
１０２第１の引き出しロール
１０３局所加熱装置
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ＭＥＡシートのＭＥＡ触媒に含まれるアイオノマの、カーボン担体に対する質量比を１．０以上とし、
前記連続接合剥離工程において、前記バックシート上に形成されたＭＥＡ層の引き出し方向の端部であるＭＥＡ始端部を検出して、当該ＭＥＡ始端部の加熱加圧処理の温度及び圧力を、前記ＭＥＡシートの他の部分の加熱加圧処理の温度及び圧力よりも高くする、膜電極ガス拡散接合体の製造方法。