JP2019029186A - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子形燃料電池に使用される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 used in a polymer electrolyte fuel cell.
膜電極接合体は、電解質膜の両側から2つの電極によって挟まれて構成される。膜電極接合体の製造においては、シート状の基材の表面に触媒インクを塗工し、触媒インクを乾燥させて触媒層を形成し、基材上に形成された触媒層を電解質膜上に転写することによって、膜電極接合体を形成する(例えば、特許文献1)。 The membrane electrode assembly is sandwiched between two electrodes from both sides of the electrolyte membrane. In the production of a membrane electrode assembly, a catalyst ink is applied to the surface of a sheet-like substrate, the catalyst ink is dried to form a catalyst layer, and the catalyst layer formed on the substrate is placed on the electrolyte membrane. By transferring, a membrane electrode assembly is formed (for example, Patent Document 1).
従来技術では、基材に塗工された触媒インクは、乾燥炉により乾燥されている。加工コストを低減させるために、基材の搬送速度の向上が望まれている。しかしながら、本発明の発明者は、搬送速度を増加させると触媒インクが乾燥炉内で吸収する熱量が減少するため、元々設備スペースが嵩張る乾燥炉の長さを更に長く設ける必要があり、製造装置のサイズが増大してしまうという問題を見出した。 In the prior art, the catalyst ink applied to the substrate is dried in a drying furnace. In order to reduce the processing cost, it is desired to improve the conveyance speed of the substrate. However, since the inventor of the present invention reduces the amount of heat absorbed by the catalyst ink in the drying furnace when the conveying speed is increased, the length of the drying furnace where the equipment space is originally bulky needs to be further increased. I found the problem that the size of the would increase.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、膜電極接合体の製造方法が提供される。この膜電極接合体の製造方法は、導電性を有する長尺状の基材の表面に触媒インクを塗工する塗工工程と、前記触媒インクが塗工された前記基材を搬送する搬送工程と、を備える。前記搬送工程は、前記基材に電圧を印加して前記基材を昇温させる工程を含む。
この形態の膜電極接合体の製造方法によれば、基材に電圧を印加することによって基材を昇温させるので、搬送工程において触媒インクを乾燥させることができ、従来の乾燥炉のみを利用して触媒インクを乾燥させる方法を採用する膜電極接合体製造装置に比べて製造装置のサイズを抑制できる。
(1) According to one form of this invention, the manufacturing method of a membrane electrode assembly is provided. The manufacturing method of this membrane electrode assembly includes a coating step of applying a catalyst ink on the surface of a long substrate having conductivity, and a transporting step of transporting the substrate coated with the catalyst ink. And comprising. The conveyance step includes a step of applying a voltage to the base material to raise the temperature of the base material.
According to the method of manufacturing a membrane electrode assembly of this embodiment, the temperature of the base material is raised by applying a voltage to the base material, so that the catalyst ink can be dried in the transport process, and only a conventional drying furnace is used. Thus, the size of the manufacturing apparatus can be reduced as compared with a membrane electrode assembly manufacturing apparatus that employs a method of drying the catalyst ink.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、膜電極接合体製造装置等の形態で実現することができる。 The present invention can be implemented in various forms other than the above. For example, it is realizable with forms, such as a membrane electrode assembly manufacturing apparatus.
図1は、本発明の一実施形態における膜電極接合体製造装置900の側面図である。図2は、図1の破線で囲まれた領域IIを膜電極接合体製造装置900の正面から見た時の説明図である。膜電極接合体製造装置900は、固体高分子形燃料電池に使用される膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を製造するための装置である。膜電極接合体製造装置900は、巻出ローラ210と、巻取ローラ220と、給電ローラ231,232と、押圧ローラ241,242と、塗工機300と、乾燥炉400と、を備える。
FIG. 1 is a side view of a membrane electrode
巻出ローラ210と巻取ローラ220は、モータ(図示せず)によって駆動され、図示矢印の方向に回転する。巻出ローラ210には、予め長尺状の基材100が巻き付けられている。膜電極接合体の製造を行う前には、基材100の一端が、巻出ローラ210から繰り出され、乾燥炉400を介して巻取ローラ220に固定されている。膜電極接合体の製造時には、触媒インク50が塗工された基材100が、巻出ローラ210と巻取ローラ220によって搬送される。基材100の搬送区間TSは、巻出ローラ210と塗工機300と巻取ローラ220とを含まない区間である。
The
図2を参照して基材100の構成について説明する。図示の便宜上、基材100は断面図で表している。基材100は、導電性を有する。図2の例では、基材100は、1つの中間層120を2つの外層110で挟まれた構成を有する。基材100の中間層120は、導電性を有するCNT(カーボンナノチューブ)によって形成されることが好ましい。外層110は、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)によって形成されることが好ましい。これらの理由については後述する。
The structure of the
図1に戻り、塗工機300は、巻出ローラ210の近傍に設置されている。塗工機300は、基材100の表面に対向するダイヘッド310と、塗工液を収容する塗工液タンク320とを有する。塗工機300は、巻出ローラ210から繰り出された基材100の表面に触媒インク50を塗工する。触媒インク50は、触媒を担持した導電性粒子を電解質樹脂と共にバインダーに分散させて一定の粘度に調整されている。触媒としては、例えば、白金や白金合金が採用される。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラックが採用される。電解質樹脂としては、例えば、フッ素系樹脂が採用される。
Returning to FIG. 1, the
給電ローラ231,232及び押圧ローラ241,242は、モータによって駆動されない、すなわち、回転自在なフリーローラである。給電ローラ231,232は、搬送区間TS内に設置されており、乾燥炉400の両側にそれぞれ設置されている。給電ローラ231,232は、基材100と接触している。押圧ローラ241,242はそれぞれ、基材100を挟んで給電ローラ231,232の反対側に設置されている。押圧ローラ241は給電ローラ231と対向しており、押圧ローラ242は給電ローラ232と対向している。
The
図2を参照して給電ローラ231と押圧ローラ241の構成について説明する。図2の例では、給電ローラ231の長手方向の両端にはそれぞれ、輪状の電極235,236が設けられている。電極235,236はそれぞれ、導電性のブラシ255,256を介して直流の電源251と電気的に接続されている。一方、電極235,236はそれぞれ、基材100の中間層120の端部E1,E2と接触し、基材100に電圧を印加して基材100を昇温させる。押圧ローラ241は、第1押圧ローラ241aと第2押圧ローラ241bとを有する。押圧ローラ241a,241bはそれぞれ、基材100の中間層120の端部E1,E2を電極235,236に押し付けて、中間層120と電極235,236との接触を確保する。給電ローラ232、電源252及び押圧ローラ242(図1)についても同様である。なお、給電ローラ231,232は、1つのみ設置してもよいし、3つ以上設置してもよい。搬送区間TS内の基材100の温度分布を予め定めた状態とするために、二つ以上の給電ローラを予め定めた電圧に設定して予め定めた位置に設けることが好ましい。基材100が搬送区間TSにおいて給電ローラ231,232の電圧印加により昇温されるので、基材100に塗工された触媒インク50は、搬送区間TSにおいて基材100の昇温によって乾燥される。
The configuration of the
図1に戻り、乾燥炉400は、搬送区間TS内に設置されている。乾燥炉400の内部には、加熱機410が設けられている。乾燥炉400は、乾燥炉400を通過する基材100に塗工された触媒インク50を加熱することによって、触媒インク50を乾燥させる。こうすれば、基材100の昇温による触媒インク50の乾燥を補助することができ、触媒インク50の乾燥速度を速めることができる。なお、乾燥炉400は省略されてもよい。
Returning to FIG. 1, the
膜電極接合体製造装置900には、更に、温度センサ510と、放射温度計520,530とが設けられている。温度センサ510は、乾燥炉400内に設置されており、乾燥炉400内の温度を測定する。温度センサ510によって測定された温度値は、乾燥炉400内の温度を予め定めた値となるように制御するために利用される。放射温度計520,530は、搬送区間TS内の基材100の温度を測定する。
The membrane electrode
膜電極接合体の製造を開始すると、巻出ローラ210と巻取ローラ220は、図示矢印の方向に回転し、基材100は、白抜きの矢印A1の方向に搬送される。塗工機300は、間欠的に触媒インク50を吐出し、触媒インク50を基材100の表面に塗工する。給電ローラ231,232は、基材100に電圧を印加して基材100を昇温させる。基材100の昇温により、基材100に塗工された触媒インク50が乾燥される。乾燥炉400は、基材100の移動に伴って乾燥炉400の内部に搬送された触媒インク50を加熱し、触媒インク50の乾燥を補助する。この膜電極接合体製造装置900によれば、乾燥炉400を設けなくても、搬送区間TSにおいて触媒インク50を乾燥させることができ、膜電極接合体製造装置900のサイズを抑制できる。
When the manufacture of the membrane electrode assembly is started, the unwinding
図3は、図2に示す第2押圧ローラ241bと触媒インク50と基材100と給電ローラ231とを、第2押圧ローラ241bの外側から見た図である。図示の便宜上、基材100を断面図で表している。給電ローラ231及び第2押圧ローラ241bは、基材100の中間層120と接触している。ここで、中間層120にCNTを採用すれば、中間層120に電圧を印加すると中間層120が発熱し、その熱量が外層110に伝導することによって基材100を加熱することができる。また、基材100の外層110にPTFEを採用すれば、外層110に十分な耐熱性を与えることができる。一方、外層110にPTFEを採用すれば、触媒インク50が乾燥して触媒層を形成した後に触媒層を容易に外層110から剥離することができる。なお、中間層120にCNTを採用し、外層110にPTFEを採用した基材100は、例えば、8.5Vの電圧を印加すると100℃まで上昇し、11.2Vの電圧を印加すると160℃まで上昇する。また、基材100は、触媒インク50側の外層110と中間層120の2つの層によって構成されてもよいし、中間層120のみによって構成されてもよい。なお、基材100は、2つの外層110を貼り替えて重複に使用可能である。
FIG. 3 is a view of the second
図4は、図2に示す押圧ローラ241a,241bと触媒インク50と基材100を上面から見た時の説明図である。図示の便宜上、触媒インク50及び基材100の外層110と中間層120をハッチングしている。基材100の中間層120の短手方向における2つの端部E1,E2は、外層110よりも外側に露出している。押圧ローラ241a,241bはそれぞれ、中間層120の端部E1,E2と接触している。
FIG. 4 is an explanatory diagram when the
以上説明したように、本発明の一実施形態では、基材100に電圧を印加することによって基材100を昇温させるので、搬送区間TSにおいて触媒インク50を乾燥させることができ、膜電極接合体製造装置900のサイズを抑制できる。
As described above, in one embodiment of the present invention, the temperature of the
本発明は、上述の実施形態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することができる。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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上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可能である。また、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、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are intended to solve part or all of the above-described problems, or one of the above-described effects. In order to achieve part or all, replacement or combination can be appropriately performed. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
50…触媒インク
100…基材
110…外層
120…中間層
210…巻出ローラ
220…巻取ローラ
231,232…給電ローラ
235,236…電極
241,242…押圧ローラ
241a…第1押圧ローラ
241b…第2押圧ローラ
251,252…電源
255,256…ブラシ
300…塗工機
310…ダイヘッド
320…塗工液タンク
400…乾燥炉
410…加熱機
510…温度センサ
520,530…放射温度計
900…膜電極接合体製造装置
E1,E2…端部
TS…搬送区間
DESCRIPTION OF
Claims (1)
導電性を有する長尺状の基材の表面に触媒インクを塗工する塗工工程と、
前記触媒インクが塗工された前記基材を搬送する搬送工程と、
を備え、
前記搬送工程は、前記基材に電圧を印加して前記基材を昇温させる工程を含む、
膜電極接合体の製造方法。 A method for producing a membrane electrode assembly, comprising:
A coating step of coating a catalyst ink on the surface of a long substrate having conductivity;
A transporting process for transporting the base material coated with the catalyst ink;
With
The transporting step includes a step of applying a voltage to the substrate to raise the temperature of the substrate.
Manufacturing method of membrane electrode assembly.
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