JP2019046659A - 膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の少なくとも一方側に電極用構成層が積層された膜電極接合体において、電解質膜の他方側から、膜電極接合体の表面を観察することにより、膜電極接合体の不良の有無を判別することができる膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】膜電極接合体１の製造方法では、第１層３および第２層４が積層されたカーボンペーパー３３の部分を切り出す切り出し工程Ｓ４後、膜電極接合体に形成された貫通孔の存在の有無を検査する検査工程Ｓ６までの間において、電解質膜１０の一方側から、膜電極接合体１を加湿し、検査工程Ｓ６において、加湿した膜電極接合体１を、電解質膜１０の他方側から、膜電極接合体１の表面を観察することにより、貫通孔３６の存在の有無を検査する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられる膜電極接合体の製造方法に関する。

従来から、燃料電池に用いられる膜電極接合体を製造する際には、固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）の両面に、電極となる触媒層が積層され、その両面に必要に応じて、ガス拡散層が形成される。ここで、ガス拡散層と触媒層からなる電極用構成層は、ロールツーロール方式を利用して、積層されることがある。

たとえば、特許文献１には、電解質膜に電極用構成層が積層された膜電極接合体を製造する方法が開示されている。この製造方法では、ロールツーロール方式により、電極用構成層の上に電解質膜が積層された積層体シートから、膜電極接合体を切り出されている。

特開２０１７−１１１９９９号公報

一般的に、特許文献１に示す膜電極接合体を、ロールツーロール方式で製造する際には、搬送された帯状のシート材に、電極用構成層が搬送方向に沿って順次積層され、その上に、電解質膜がさらに順次積層される。

しかしながら、シート材に電極用構成層の一部が上手く積層できなかった場合、電極用構成層にマーク等を付したとしても、その電極用構成層の上にさらに電解質膜が積層されるため、電解質膜の一方側の電極用構成層に付されたマークを、その他方側から認識することは難しく、切り出した膜電極接合体が不良であることを検査することは難しい。

本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、本発明は、電解質膜の少なくとも一方側に電極用構成層が積層された膜電極接合体において、電解質膜の他方側から、膜電極接合体の表面を観察することにより、膜電極接合体の不良の有無を簡単に検査することができる膜電極接合体の製造方法を提供する。

発明者らは、前記課題を鑑みて、鋭意検討を重ねた結果、含水すると膨潤する電解質膜の性質に着目し、膜電極接合体を構成している電解質膜の少なくとも一方側に積層された電極用構成層に貫通孔を形成し、電解質膜を膨潤させると、電解質膜の他方側から膜電極接合体の不良の存在を検査できると考えた。

本発明は、このような考えに基づいてなされたものであり、本発明に係る膜電極接合体の製造方法は、燃料電池に用いられ、電解質膜の少なくとも一方側に電極用構成層が積層された膜電極接合体の製造方法であって、前記製造方法は、搬送された帯状のシート材に、前記電極用構成層の少なくとも一部を含む第１層を、搬送方向に沿って順次積層する第１積層工程と、前記第１積層工程で積層された前記第１層の不良を判定し、不良があると判定した場合には、前記シート材とともに前記第１層に貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記電解質膜の前記一方側に前記電極用構成層が形成されるように、前記各第１層の上に、少なくとも前記電解質膜を含む第２層をさらに積層する第２積層工程と、前記第１層および前記第２層が積層された前記シート材の部分を切り出して、前記膜電極接合体を得る切り出し工程と、前記膜電極接合体に形成された前記貫通孔の存在の有無を検査する検査工程と、を少なくとも含み、前記第１積層工程から前記切り出し工程までは、ロールツーロール方式によって行われるものであり、前記切り出し工程から前記検査工程までの間において、前記電解質膜の前記一方側から、前記膜電極接合体を加湿し、前記検査工程において、加湿した前記膜電極接合体を、前記電解質膜の他方側から、前記膜電極接合体の表面を観察することにより、前記貫通孔の存在の有無を検査することを特徴とする。

本発明によれば、電極用構成層の少なくとも一部を含む第１層に不良がある場合、第１層に貫通孔が形成される。貫通孔が形成された第１層が、膜電極接合体の電解質膜の一方側に積層されることにより、膜電極接合体を加湿することで貫通孔を介して電解質膜を膨潤することができる。これにより、膜電極接合体の表面では貫通孔がある部分のみにシワができるため、電解質膜の他方側から、このシワの存在の有無を観察することにより、膜電極接合体の不良の存在を簡単に判定することができる。

第１および第２実施形態に係る膜電極接合体の製造方法の工程を説明するフロー図である。 ロールツーロール方式で搬送されるカーボンペーパー上で、図１に示す第１積層工程から切り出し工程までの各工程が行われる箇所の一例を説明する模式的概念図である。 （ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図２に示すＡ部〜Ｄ部で行われる第１積層工程、貫通孔形成工程、第２積層工程、および切り出し工程を説明する模式的概念図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１に示す加湿工程および検査工程を説明する模式的概念図である。 図４（ａ）に示すコンベアベルト上に配置された膜電極接合体をカソード触媒層側から見た模式的な上面図である。 図４（ｂ）に示すコンベアベルト上に配置された膜電極接合体をカソード触媒層側から見た模式的な上面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、第２実施形態の第１積層工程から切り出し工程までの各工程を説明する模式的概念図である。

以下に、図面を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
以下に、図１〜図６を参照しながら、第１実施形態について説明する。

図１は、第１および第２実施形態に係る膜電極接合体１の製造方法の工程を説明するフロー図である。図２は、ロールツーロール方式で搬送されるカーボンペーパー３３上で、図１に示す第１積層工程Ｓ１から切り出し工程Ｓ４までの各工程が行われる箇所の一例を説明する模式的概念図である。図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、図２に示すＡ部〜Ｄ部で行われる第１積層工程Ｓ１、貫通孔形成工程Ｓ２、第２積層工程Ｓ３、および切り出し工程Ｓ４を説明する模式的概念図である。

まず、図３（ｄ）を用いて本実施形態で製造される膜電極接合体１の概略的な構成について説明する。膜電極接合体１は、燃料電池に用いられるものであって、カーボン層３３’、マイクロポーラス層３４、アノード触媒層２１、電解質膜１０、およびカソード触媒層２２が、この順に積層されている。電解質膜１０は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性を有したイオン交換膜であり、アノード触媒層２１およびカソード触媒層２２は、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン層である。

本実施形態では、カーボン層３３’、マイクロポーラス層３４、およびアノード触媒層２１が、電極用構成層６を構成しており、電極用構成層６は、電解質膜１０の少なくとも一方側に積層された層である。

また、カーボン層３３’はカーボンペーパー３３の一部を切り出して構成される層であり、カーボン層３３’とマイクロポーラス層３４とから、アノード触媒層２１のガス拡散層５が形成される。また、本実施形態では、電解質膜１０の他方側には、カソード触媒層２２が形成されているが、このカソード触媒層２２に、さらにガス拡散層が積層されていてもよい。以下に、膜電極接合体１の製造方法を、図１に示す各工程に沿って説明する。

なお、後述する、第１積層工程Ｓ１、貫通孔形成工程Ｓ２、第２積層工程Ｓ３、および切り出し工程Ｓ４は、図２に示すロールツーロール方式で行われる。具体的には、図２に示すように、ロールツーロール方式で、搬送された帯状のカーボンペーパー３３（シート材）に対して、Ａ部では第１積層工程Ｓ１が行われ、Ｂ部では貫通孔形成工程Ｓ２が行われ、Ｃ部では第２積層工程Ｓ３が行われ、Ｄ部では切り出し工程Ｓ４が行われる。

カーボンペーパー３３は、これをロール状に巻回した送り出しロール３１から、これを巻き解くことにより送り出され、図２に示すＡ部からＤ部まで搬送され、これをロール状に巻回した巻き取りロール３２に巻き取られる。

＜第１積層工程Ｓ１＞
この工程では、ロールツーロール方式によって、搬送された帯状のカーボンペーパー３３（シート材）に、電極用構成層６の少なくとも一部を含む第１層３を、搬送方向に沿って順次積層する。

具体的には、図２に示すように、送り出しロール３１から巻き解かれたカーボンペーパー３３がＡ部まで搬送される。ここには、図３（ａ）に示すように、カーボンペーパー３３に対向するようにノズル５１が配置されている。本実施形態では、カーボンペーパー３３の上面に、マイクロポーラス層３４を形成するためのカーボンブラックなどを含有したコーティング剤をノズル５１から塗工することにより、カーボンペーパー３３の上面にマイクロポーラス層３４である第１層３を形成する。

なお、本実施形態では、カーボンペーパー３３の上面にマイクロポーラス層３４を塗工により形成しているが、予めマイクロポーラス層３４が形成された別シートを、カーボンペーパー３３を押し付けて、カーボンペーパー３３にマイクロポーラス層３４を転写してもよい。

このようにして第１層３が形成されたカーボンペーパー３３は、図２に示すＢ部まで搬送され、Ｂ部では、次に説明する貫通孔形成工程Ｓ２が行われる。

＜貫通孔形成工程Ｓ２＞
この工程では、図３（ｂ）に示すように、第１積層工程Ｓ１で積層された第１層３（マイクロポーラス層３４）の不良を判定し、これに不良があると判定した場合には、カーボンペーパー３３（シート材）とともに第１層３に貫通孔３６を形成する。

具体的には、図２に示すＢ部では、マイクロポーラス層３４（第１層３）を、検査カメラ（不図示）等により観察し、不均一な層が構成されているなどマイクロポーラス層３４の不良の有無を判定する。

この判定により不良がある場合には、図３（ｂ）に示すように、マイクロポーラス層３４の表面に対向するように配置されたレーザー照射装置５２から、不良が発生している部分あるいはその周辺に向かってレーザービームＬを照射する。これにより、カーボンペーパー３３とともにマイクロポーラス層３４に貫通孔３６が形成される。

一方、マイクロポーラス層３４に不良がない場合には、マイクロポーラス層３４の表面にレーザービームＬが照射されず、カーボンペーパー３３上に形成されたマイクロポーラス層３４は、そのまま図２に示すＣ部に搬送される。なお、本実施形態では、マイクロポーラス層３４の不良の検査を、検査カメラにより行ったが、この不良の有無を目視で確認できるのであれば、目視で行ってもよい。

このようにして、貫通孔３６が形成されたカーボンペーパー３３およびマイクロポーラス層３４は、図２のＣ部まで搬送され、Ｃ部では、次に説明する第２積層工程Ｓ３が行われる。

＜第２積層工程Ｓ３＞
この工程では、図３（ｃ）に示すように、電解質膜１０の一方側に電極用構成層６が形成されるように、搬送方向に順次形成された各第１層３（マイクロポーラス層３４）の上に、少なくとも電解質膜１０を含む第２層４をさらに積層する。

具体的には、本実施形態では、電解質膜１０の両面に、アノード触媒層２１およびカソード触媒層２２を積層した第２層４をあらかじめ作製しておき、アノード触媒層２１がマイクロポーラス層３４に接するように第２層４を積層する。これにより、次に説明する切り出し工程Ｓ４で切り出された場合、電極用構成層６（図３（ｄ）を参照）となる積層構造が電解質膜１０の一方側（アノード触媒層２１側）に形成される。

上述の第２層４の積層では、あらかじめ第２層４を作製して積層したが、これに限定されず、たとえば、マイクロポーラス層３４上に、アノード触媒層２１と、電解質膜１０と、カソード触媒層２２とを、この順で積層してもよい。

このようにして、不良とされて貫通孔３６が形成されたカーボンペーパー３３およびマイクロポーラス層３４に第２層４が形成されたものも、不良とされず貫通孔３６が形成されていないものも、図２のＤ部まで搬送される。Ｄ部では、次に説明する切り出し工程Ｓ４が行われる。

＜切り出し工程Ｓ４＞
この工程では、図３（ｄ）に示すように、第１層３および第２層４が積層されたカーボンペーパー３３（シート材）の部分を切り出して、膜電極接合体１を得る。

切り出しにより所定の大きさの膜電極接合体１が得られれば、その切り出し方法は、特に限定されないが、例えば、第２層４の表面に対向するよう配置された切り抜き刃（不図示）をカソード触媒層２２からカーボンペーパー３３に向かって下降することにより膜電極接合体１を切り出してよい。膜電極接合体１が切り出されることにより刳り貫き部分が形成されたカーボンペーパー３３は、さらに搬送方向に搬送されて巻き取りロール３２に巻き取られる（図２参照）。

膜電極接合体１は、マイクロポーラス層３４に不良のあるものは貫通孔３６を有する状態で、切り出される。一方、マイクロポーラス層３４に不良がないものは貫通孔３６を有していない状態で切り出される。

ここで、得られた膜電極接合体１の第１層３は、第２層４で覆われているため、カソード触媒層２２側から膜電極接合体１の表面を観察して検査を行っても、貫通孔３６が見えないため、不良品か否か判別できない。そこで、本実施形態では、上述した切り出し工程Ｓ４と後述する検査工程Ｓ６の間において次に説明する加湿工程Ｓ５を行う。

以下に、図４〜図６を参照して加湿工程Ｓ５と検査工程Ｓ６について説明する。図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１に示す加湿工程Ｓ５および検査工程Ｓ６を説明する模式的概念図である。図５は、図４（ａ）に示すコンベアベルト６１上に配置された膜電極接合体１をカソード触媒層２２側から見た模式的な上面図である。図６は、図４（ｂ）に示すコンベアベルト６１に配置された膜電極接合体１をカソード触媒層２２側から見た模式的な上面図である。

＜加湿工程（Ｓ５）＞
この工程では、図４（ａ）に示すように、電解質膜１０の一方側から、膜電極接合体１を加湿する。

具体的には、図４（ａ）および図５に示すように、２本のコンベアベルト６１上に膜電極接合体１のカーボン層３３’の両端部がそれぞれ接するように膜電極接合体１が配置されている。２本のコンベアベルト６１の間には、膜電極接合体１を裏面から加湿する加湿器５３が配置されている。コンベア６０が駆動することにより、コンベアベルト６１が作動し、膜電極接合体１が加湿器５３に向かって搬送される。搬送により膜電極接合体１が加湿器５３の上を覆うと、カーボン層３３’の裏面が加湿器５３から噴出する蒸気に曝される。

なお、本工程を行う設備内は、加湿により膜電極接合体１表面に水滴が付かないようにファンフィルターユニット５４を用いて天井側から下方に空気の流れを作るダウンフロー構造を採用することが好ましい。

貫通孔３６を有する膜電極接合体１の場合、貫通孔３６を介して加湿器５３の湿気が流れ込み、アノード触媒層２１側から、貫通孔３６の近傍の電解質膜１０が、局所的に加湿され膨潤する。一方、貫通孔３６を有していない膜電極接合体１の場合、加湿により、電解質膜１０は局所的に膨潤しない。このような膜電極接合体１は、次の検査工程Ｓ６を行うために、コンベア６５で搬送される。

＜検査工程Ｓ６＞
この工程では、図４（ｂ）に示すように、加湿した膜電極接合体１を、電解質膜１０の他方側から、膜電極接合体１の表面を観察することにより、貫通孔３６の存在の有無を検査する。

具体的には、加湿された膜電極接合体１は、膜電極接合体１（カソード触媒層２２）の表面と対向する位置に配置された検査カメラ５６まで搬送される。ここで、ライト５７でカソード触媒層２２の表面に光を照射しながら、カソード触媒層２２側から、検査カメラ５６でカソード触媒層２２の表面を観察する。

貫通孔３６を有する膜電極接合体１では、貫通孔３６の部分ではマイクロポーラス層３４およびカーボン層３３’が無いため、膨潤した電解質膜１０がこれらの層で拘束されない。これにより、貫通孔３６上方のカソード触媒層２２の表面にはシワＧが形成されるため、検査カメラ５６でこのシワＧを検出することができる。これにより、シワＧが検出された膜電極接合体１を不良品と判定することができる。

一方、貫通孔３６を有しない膜電極接合体１では、電解質膜１０は膨潤しないためシワＧが形成されることはない。したがって、この場合には、検査カメラ５６でシワＧが検出されることがないので、膜電極接合体１を良品と判定することができる。このようにして、シワＧの存在の有無により電解質膜１０の他方側から膜電極接合体１の不良の存在の有無を簡単に検査することができる。

＜第２実施形態＞
図７の（ａ）〜（ｅ）は、第２実施形態の第１積層工程Ｓ１から切り出し工程Ｓ４までの各工程を説明する模式的概念図である。図７に示すように、本実施形態に係る製造方法が第１実施形態のものと相違する点は、第１層３がマイクロポーラス層３４とアノード触媒層２１とで構成され、第２層４が電解質膜１０とカソード触媒層２２とで構成される点である。よって、以下に相違点について説明し、上述した実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

＜第１積層工程Ｓ１＞
本実施形態では、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、搬送方向に沿って、カーボンペーパー３３の上面に対向するように、ノズル５１およびノズル５８が配置されている。図７（ａ）に示すように、ノズル５１から、第１実施形態と同様にカーボンペーパー３３にコーティング剤が塗工されることにより、カーボンペーパー３３の上に、マイクロポーラス層３４が形成される。

次いで、図７（ｂ）に示すように、ノズル５８から、マイクロポーラス層３４に、アノード触媒層２１を形成するためコーティング剤が塗工されることにより、マイクロポーラス層３４の上に、アノード触媒層２１が積層される。これにより、マイクロポーラス層３４とアノード触媒層２１とからなる第１層３が形成される。なお、マイクロポーラス層３４およびアノード触媒層２１の積層を転写により行ってもよい。

＜貫通孔形成工程Ｓ２＞
本実施形態では、図７（ｃ）に示すように、第１積層工程Ｓ１で積層された第１層３に不良がある場合には、カーボンペーパー３３（シート材）とともに第１層３、すなわち、マイクロポーラス層３４およびアノード触媒層２１を貫通する貫通孔３６を形成する。

＜第２積層工程Ｓ３＞
本実施形態では、図７（ｄ）に示すように、第１層３の上に、第２層４として電解質膜１０とカソード触媒層２２とをこの順でさらに積層する。

＜切り出し工程Ｓ４＞
本実施形態では、第１実施形態と同様に膜電極接合体１を切り出すが、図７（ｅ）に示すように、切り出された膜電極接合体１には、カーボン層３３’およびマイクロポーラス層３４に加えてアノード触媒層２１も貫通する貫通孔３６が形成されている。

本実施形態によれば、本実施形態で得られた膜電極接合体１を用いて第１実施形態と同様の加湿工程Ｓ５および検査工程Ｓ６を行っても、第１実施形態と同様に、貫通孔３６が形成された膜電極接合体１の電解質膜１０は、加湿により膨潤する。これにより、貫通孔３６の上方のカソード触媒層２２側に、シワＧが形成される。

その後、検査工程Ｓ６において、貫通孔３６の上方のカソード触媒層２２側から、膜電極接合体１の表面を観察することにより、その表面にシワＧが形成されている場合には、貫通孔３６が存在すると確認（検査）することができる。これにより、膜電極接合体１の不良の有無を簡単に検査することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

また、本実施形態では、カーボンペーパーが、本発明でいうシート材に相当するが、たとえば、離型シートの上、アノード触媒層を積層し、その上に電解質膜を積層する場合には、この離型シートを、本発明でいうシート材とし、アノード触媒層を、本発明でいう第１層としてもよい。これにより、アノード触媒層が不良である場合には、これらに貫通孔を形成すれば、同様の方法により、カソード触媒層側から、貫通孔の存在の有無を確認することができる。

１：膜電極接合体、３：第１層、４：第２層、６：電極用構成層、１０：電解質膜、３３：カーボンペーパー（シート材）、３３’：カーボン層、３６：貫通孔、Ｓ１：第１積層工程、Ｓ２：貫通孔形成工程、Ｓ３：第２積層工程、Ｓ４：切り出し工程、Ｓ５：加湿工程、Ｓ６：検査工程。

Claims (1)

1. 燃料電池に用いられ、電解質膜の少なくとも一方側に電極用構成層が積層された膜電極接合体の製造方法であって、
   前記製造方法は、
   搬送された帯状のシート材に、前記電極用構成層の少なくとも一部を含む第１層を、搬送方向に沿って順次積層する第１積層工程と、
   前記第１積層工程で積層された前記第１層の不良を判定し、不良があると判定した場合には、前記シート材とともに前記第１層に貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記電解質膜の前記一方側に前記電極用構成層が形成されるように、前記各第１層の上に、少なくとも前記電解質膜を含む第２層をさらに積層する第２積層工程と、
   前記第１層および前記第２層が積層された前記シート材の部分を切り出して、前記膜電極接合体を得る切り出し工程と、
   前記膜電極接合体に形成された前記貫通孔の存在の有無を検査する検査工程と、を少なくとも含み、
   前記第１積層工程から前記切り出し工程までは、ロールツーロール方式によって行われるものであり、
   前記切り出し工程から前記検査工程までの間において、前記電解質膜の前記一方側から、前記膜電極接合体を加湿し、
   前記検査工程において、加湿した前記膜電極接合体を、前記電解質膜の他方側から、前記膜電極接合体の表面を観察することにより、前記貫通孔の存在の有無を検査することを特徴とする膜電極接合体の製造方法。

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