JP2020107430A - Device for manufacturing fuel battery cell joined body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セルの接合体の製造装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for manufacturing a joined body of fuel cell.
燃料電池用セルの接合体の製造装置として、例えば、特許文献1には、ロールツーロール方式で、燃料電池用セルの電解質膜を構成する帯状の電解質シートに触媒層が形成された複合シートを、ガス拡散層を構成する帯状のガス拡散シートに接合する燃料電池用接合体の製造装置が開示されている。 As an apparatus for producing a joined body of a fuel cell, for example, in Patent Document 1, a roll-to-roll type composite sheet in which a catalyst layer is formed on a strip-shaped electrolyte sheet constituting an electrolyte membrane of a fuel cell is disclosed. There is disclosed an apparatus for producing a joined body for a fuel cell, which is joined to a strip-shaped gas diffusion sheet forming a gas diffusion layer.
具体的には、この製造装置では、複合シートとして、電解質シートの一方側の表面に触媒層が形成され、前記電解質シートの他方側の表面に離型層を介してバックシートが貼着された複合シートを用いている。複合シートとガス拡散シートを接合する際には、複合シートとガス拡散シートとを熱圧ロールの間に挟み込んで熱圧し、触媒層をガス拡散シートに接合した接合シートを製造する。接合シートの製造後、これを引き続き搬送し、バックシートを剥離部に当てて、連続的にバックシートを接合シートの電解質シートから剥離している。 Specifically, in this manufacturing apparatus, as a composite sheet, a catalyst layer was formed on one surface of the electrolyte sheet, and a back sheet was attached to the other surface of the electrolyte sheet via a release layer. It uses a composite sheet. When the composite sheet and the gas diffusion sheet are joined together, the composite sheet and the gas diffusion sheet are sandwiched between hot pressing rolls and hot pressed to produce a joined sheet in which the catalyst layer is joined to the gas diffusion sheet. After manufacturing the joining sheet, the joining sheet is continuously conveyed, the back sheet is applied to the peeling portion, and the back sheet is continuously peeled from the electrolyte sheet of the joining sheet.
しかしながら、特許文献1に記載の製造装置では、バックシートを接合シートの電解質シートから剥離する際に、バックシートに形成された離型層がバックシートから剥離して、電解質シートに付着することがあった。発明者の実験により、この付着は、電解質シートを構成する高分子樹脂のスルホン酸基が、電解質シートおよび離型層の界面で増加すると顕著になることがわかった。 However, in the manufacturing apparatus described in Patent Document 1, when the backsheet is peeled from the electrolyte sheet of the joining sheet, the release layer formed on the backsheet may be peeled from the backsheet and adhere to the electrolyte sheet. there were. According to the experiments by the inventor, it has been found that this adhesion becomes remarkable when the sulfonic acid group of the polymer resin constituting the electrolyte sheet increases at the interface between the electrolyte sheet and the release layer.
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、離型層の電解質シートへの付着を防止して、電解質シートからバックシートを剥離することができる燃料電池用セルの接合体の製造装置を提供する。 The present invention has been made in view of such a point, and as the present invention, it is possible to prevent the release sheet from adhering to the electrolyte sheet and to peel the back sheet from the electrolyte sheet. An apparatus for manufacturing a joined body is provided.
前記課題を鑑みて、本発明に係る燃料電池用セルの接合体の製造装置は、燃料電池用セルの電解質膜を構成する帯状の電解質シートの一方側の表面に触媒層が形成され、前記電解質シートの他方側の表面に、離型層を介してバックシートが貼着された複合シートと、前記燃料電池用セルのガス拡散層を構成する帯状のガス拡散シートと、を搬送しながら、前記複合シートの前記触媒層に、前記ガス拡散シートを接合する燃料電池用セルの接合体の製造装置であり、前記電解質シートは、イオン交換基として、スルホン酸基を有した高分子樹脂のシートであり、前記離型層は、ハロゲン原子を含有した樹脂層であり、前記製造装置は、前記触媒層と前記ガス拡散シートとが接触した状態で、前記複合シートと前記ガス拡散シートとを挟み込みながら搬送するとともに、前記触媒層と前記ガス拡散シートとが接合されるように前記バックシートと前記ガス拡散シートとを熱圧する一対の熱圧ロールと、前記触媒層と、前記ガス拡散シートとが接合された接合シートを搬送するとともに、前記高分子樹脂のシートの高分子樹脂がゴム状領域の温度になるまで加熱した後、冷却することで、前記電解質シートに対する前記離型層の接着力を低下させるアニール処理部と、前記バックシートに接触し、前記アニール処理部より搬送された前記バックシートの搬送方向を前記電解質シートの搬送方向とは異なる方向に変更し、前記離型層と共に前記バックシートを前記電解質シートから剥離する剥離部と、を備えることを特徴とする。 In view of the above problems, the apparatus for manufacturing a fuel cell cell assembly according to the present invention has a catalyst layer formed on one surface of a strip-shaped electrolyte sheet that constitutes an electrolyte membrane of a fuel cell, wherein the electrolyte is On the other surface of the sheet, a composite sheet in which a back sheet is attached via a release layer, and a belt-shaped gas diffusion sheet constituting a gas diffusion layer of the fuel cell, while carrying the above, The catalyst layer of the composite sheet, a device for manufacturing a joined body of fuel cells for joining the gas diffusion sheet, wherein the electrolyte sheet is a sheet of polymer resin having a sulfonic acid group as an ion exchange group. The release layer is a resin layer containing a halogen atom, the manufacturing apparatus, while sandwiching the composite sheet and the gas diffusion sheet in a state where the catalyst layer and the gas diffusion sheet are in contact with each other. While carrying, a pair of hot-press rolls that heat-press the back sheet and the gas diffusion sheet so that the catalyst layer and the gas diffusion sheet are joined, the catalyst layer, and the gas diffusion sheet are joined. The adhesive strength of the release layer to the electrolyte sheet is reduced by transporting the joined bonding sheet and heating the polymer resin of the polymer resin sheet to the temperature of the rubber-like region and then cooling. An annealing treatment part to be brought into contact with the back sheet, and the conveyance direction of the back sheet conveyed from the annealing treatment part is changed to a direction different from the conveyance direction of the electrolyte sheet, and the back sheet together with the release layer. And a peeling portion for peeling from the electrolyte sheet.
本発明によれば、熱圧ロールで触媒層とガス拡散シートとを接合した際に、離形層に含有したハロゲン原子により、離型層と接する電解質シートの界面において、スルホン酸基が増加し、電解質シートと離型層の接着力が高まることがある。しかしながら、本発明では、アニール処理部により、接合シートを、電解質シートの高分子樹脂がゴム状領域の温度になるまで加熱することにより、離型層と接する電解質シートの界面において、高分子樹脂のスルホン酸基の量が低減され、この状態を保持するように冷却される。これにより、電解質シートに対する離型層の接着力が低下する。この結果、剥離部により、離型層の電解質シートへの付着を防止しつつ、電解質シートからバックシートを好適に剥離することができる。 According to the present invention, when the catalyst layer and the gas diffusion sheet are joined with a hot press roll, the halogen atom contained in the release layer increases the sulfonic acid group at the interface of the electrolyte sheet in contact with the release layer. , The adhesive force between the electrolyte sheet and the release layer may increase. However, in the present invention, the annealing sheet is used to heat the bonding sheet until the polymer resin of the electrolyte sheet reaches the temperature of the rubber-like region, so that at the interface of the electrolyte sheet in contact with the release layer, The amount of sulfonic acid groups is reduced and it is cooled to maintain this state. This reduces the adhesive force of the release layer to the electrolyte sheet. As a result, the back sheet can be suitably peeled from the electrolyte sheet while preventing the release layer from adhering to the electrolyte sheet by the peeling portion.
以下に、図1および図2を参照しながら本発明の実施形態に係る燃料電池用セルの接合体の製造装置について説明する。 An apparatus for manufacturing a fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2.
本実施形態の製造装置1は、固体高分子型の燃料電池用セル(単セル)を製造する際に用いられる。この製造装置では、電解質膜の両面に電極(触媒)層が積層された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)の両側にさらにガス拡散層(GDL:Gas Diffusion Layer)が接合された膜電極ガス拡散接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas diffusion Layer Assembly)の中間加工物を製造する。まず、本実施形態のMEGAの構成について説明し、次に、本実施形態の接合体の製造装置1および製造装置1を用いた製造方法について説明する。 The manufacturing apparatus 1 of the present embodiment is used when manufacturing a polymer electrolyte fuel cell (single cell). In this manufacturing apparatus, a membrane electrode in which an electrode (catalyst) layer is laminated on both surfaces of an electrolyte membrane (MEA: Membrane Electrode Assembly) and a gas diffusion layer (GDL: Gas Diffusion Layer) is further joined on both sides. An intermediate processed product of a MEGA (Membrane Electrode & Gas diffusion Layer Assembly) is manufactured. First, the configuration of the MEGA of the present embodiment will be described, and then the manufacturing apparatus 1 for a joined body of the present embodiment and a manufacturing method using the manufacturing apparatus 1 will be described.
1.MEGAの構成
MEGAは、一対のセパレータにより挟持されることにより、燃料電池用セルを構成し、燃料電池の発電部の機能を果たす。上述のように、MEGAは膜電極接合体と、この両面に積層されたガス拡散層とを備えている。
1. Structure of MEGA The MEGA forms a fuel cell by being sandwiched by a pair of separators, and functions as a power generation unit of the fuel cell. As described above, the MEGA includes the membrane electrode assembly and the gas diffusion layers laminated on both surfaces of the membrane electrode assembly.
MEAは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層(電極層)およびカソード側触媒層(電極層)とからなる。各触媒層は、白金等の触媒をカーボン粒子に担持した、例えば多孔質のカーボンで形成されている。 The MEA includes an ion-permeable electrolyte membrane, and an anode-side catalyst layer (electrode layer) and a cathode-side catalyst layer (electrode layer) that sandwich the electrolyte membrane. Each catalyst layer is formed of, for example, porous carbon in which a catalyst such as platinum is supported on carbon particles.
電解質膜は、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る。固体高分子材料の例としては、イオン交換基としてスルホン酸基を有した高分子樹脂を挙げることができる。高分子樹脂に含有するスルホン酸基の量は、含有mol数で表すことができ、イオン交換基1mol当たりの樹脂重量(イオン交換基当量重量EW)は、500〜1200g/molである。 The electrolyte membrane is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material. An example of the solid polymer material is a polymer resin having a sulfonic acid group as an ion exchange group. The amount of sulfonic acid groups contained in the polymer resin can be represented by the number of mols contained, and the resin weight per 1 mol of ion exchange groups (ion exchange group equivalent weight EW) is 500 to 1200 g/mol.
このような電解質膜は、例えば、F型電解質膜(プロトン伝導性を示さない電解質前駆体の膜)の前駆基−SO2F(スルホンフッ素基)を、H型電解質膜(プロトン伝導性を示す電解質膜)のイオン性基−SO3H(スルホン酸基)に変換させることにより作製することができる。 Such an electrolyte membrane includes, for example, a precursor group —SO 2 F (sulfone fluorine group) of an F-type electrolyte membrane (electrolyte precursor membrane that does not show proton conductivity) and an H-type electrolyte membrane (proton conductivity). It can be produced by converting the ionic group of the electrolyte membrane) to —SO 3 H (sulfonic acid group).
MEGAの一方側のガス拡散層は、アノード側触媒層に接合されている。他方側のガス拡散層は、カソード側触媒層に接合されている。ガス拡散層は、例えばカーボンペーパー若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体等のガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。 The gas diffusion layer on one side of the MEGA is joined to the anode side catalyst layer. The gas diffusion layer on the other side is joined to the cathode side catalyst layer. The gas diffusion layer is formed of a conductive member having gas permeability such as a carbon porous body such as carbon paper or carbon cloth, or a metal porous body such as a metal mesh or a foam metal.
ここで、一方側のガス拡散層には、セパレータから水素ガス等の燃料ガスが供給され、他方側のガス拡散層には、セパレータから大気等の酸化剤ガスが供給される。燃料ガスと酸化剤ガスの供給により、MEA内において、電気化学反応が生じ発電される。 Here, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied from the separator to the gas diffusion layer on one side, and an oxidant gas such as the atmosphere is supplied from the separator to the gas diffusion layer on the other side. By supplying the fuel gas and the oxidant gas, an electrochemical reaction occurs in the MEA to generate electricity.
本実施形態では、上述したMEGAの中間加工物である(燃料電池用セルの)接合体を製造する。具体的には、製造される接合体は、電解質膜に相当する電解質シート11に形成された触媒層(例えばアノード側触媒層)12に、ガス拡散層に相当するガス拡散シート15が接合されたシート状の接合体10Dである(例えば図2(c)の上側の図を参照)。この接合体10Dを製造する製造装置1を以下に説明する。
In the present embodiment, a bonded body (of fuel cell) which is an intermediate processed product of the MEGA described above is manufactured. Specifically, in the manufactured joined body, the
2.接合体10Dとこれを製造する製造装置1
ここでは、まず、接合体10Dを製造するための材料シートとして、本実施形態の製造装置1で使用する複合シート10Aおよびガス拡散シート15を説明し、次に、図1に示す製造装置1の構成を説明する。
2. Bonded
Here, first, as the material sheet for manufacturing the joined
2−1.複合シート10Aおよびガス拡散シート15
複合シート10Aは、図2(a)の下側の図の如く、帯状の電解質シート11の一方側の表面に、アノード側またはカソード側の触媒層12が電解質シート11とほぼ同じ幅で帯状に形成され、電解質シート11の他方側の表面に、離型層13を介して、バックシート14が貼着されたものである。
2-1.
In the
電解質シート11および触媒層12は、それぞれ、上述したMEGAの電解質膜および触媒層と同様の材料で形成されている。バックシート14は、例えば、ポリエステル系樹脂(ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等の高分子樹脂シートであり、電解質シート11とほぼ同じ幅で形成される。例えば、電解質シート11の幅は、100〜500mmであり、その長さは100〜500mである。
The
離型層13は、ハロゲン原子を含有した樹脂層である。ハロゲン原子としては、フッ素、塩素、または臭素を挙げることができる。離型層13を構成する樹脂としては、例えば、フッ素含有ポリオレフィン樹脂を挙げることができる。
The
一方、図2(a)の上側の図に示すガス拡散シート15は、上述したガス拡散層と同様の材料で、電解質シート11とほぼ同じ幅で帯状に形成されている。このような複合シート10Aおよびガス拡散シート15を用いて、接合体10Dを製造する本実施形態の製造装置1の構成を以下に説明する。
On the other hand, the
2−2.製造装置1の構成
図1に示すように、製造装置1は、一対の熱圧ロール51、51と、アニール処理部52と、剥離部53と、を主に備えている。
2-2. Configuration of Manufacturing Apparatus 1 As shown in FIG. 1, the manufacturing apparatus 1 mainly includes a pair of hot-press rolls 51, 51, an annealing unit 52, and a
一対の熱圧ロール51、51は、触媒層12とガス拡散シート15とが接触した状態で、複合シート10Aと、ガス拡散シート15とを挟み込みながら搬送する機能を有する。さらに、一対の熱圧ロール51、51は、触媒層12とガス拡散シート15とが接合されるように、複合シート10Aとガス拡散シート15とを熱圧する機能を有する。
The pair of hot-press rolls 51, 51 have a function of sandwiching and carrying the
具体的には、各熱圧ロール51は、詳細に図示しないが、ロール本体と、ロール本体に内蔵された加熱部と、一対のロール本体同士を押圧する加圧部とを備えている。これにより、複合シート10Aとガス拡散シート15とを熱圧することができる。さらに、各ロール本体同士は、モータなどの駆動装置(図示せず)により回転自在になっており、この駆動装置により、複合シート10Aと、ガス拡散シート15とを搬送することができる。
Specifically, although not shown in detail, each hot-
一対の熱圧ロール51、51では、複合シート10Aと、ガス拡散シート15との接合温度が、例えば電解質シート11を構成する高分子樹脂のガラス転移温度付近となるように設定されているが(後述する転移領域の温度に設定されているが)、これらを接合することができるのであれば特に限定されない。また、複合シート10Aと、ガス拡散シート15とを加圧する加圧力は、例えば2〜8kNに設定されている。このような一対の熱圧ロール51、51で、図2(b)の如く、複合シート10Aの触媒層12と、ガス拡散シート15とが接合された接合シート10Bが作製される。
In the pair of hot-press rolls 51, 51, the bonding temperature between the
本実施形態では、アニール処理部52は、加熱ロールであり、複合シート10Aの触媒層12と、ガス拡散シート15とが接合した接合シート10Bを搬送する機能を有する。これに加えて、アニール処理部52は、電解質シート11の高分子樹脂がゴム状領域(ゴム状態となる領域)の温度になるまで、接合シート10Bを加熱した後、冷却して、電解質シート11に対する離型層13の接着力を低下させる機能を有する。
In the present embodiment, the annealing unit 52 is a heating roll and has a function of conveying the joining
ここで、図3に示すように、一般的な高分子材料は、粘弾性カーブにおいて、温度と弾性率との関係から4つの領域に区分され、本実施形態に係る電解質シートの高分子樹脂も同じように区分される。 Here, as shown in FIG. 3, a general polymer material is divided into four regions according to the relationship between temperature and elastic modulus in the viscoelastic curve, and the polymer resin of the electrolyte sheet according to the present embodiment is also divided. It is divided in the same way.
具体的には、この4つの領域は、(1)低温側から、高い弾性率を維持しているガラス状領域、(2)温度上昇を伴って、弾性率が急激に低下する転移領域、(3)さらに温度が上昇すると、再び弾性率を一定に維持するゴム状領域、および、(4)さらに温度が融点以上に上昇すると再び弾性率が低下する流動領域である。なお、転移領域の温度の中央付近に、ガラス転移温度がある。したがって、本発明でいう「ゴム状領域の温度」とは、粘弾性カーブにおいて、ガラス転移温度より高い温度領域であり、かつ、弾性率が一定に維持されている温度領域の温度をいう。 Specifically, these four regions are (1) a glassy region that maintains a high elastic modulus from the low temperature side, (2) a transition region in which the elastic modulus sharply decreases with increasing temperature, ( 3) A rubber-like region where the elastic modulus is maintained constant again when the temperature further rises, and (4) a flow region where the elastic modulus decreases again when the temperature further rises above the melting point. The glass transition temperature is near the center of the temperature of the transition region. Therefore, the “temperature of the rubber-like region” in the present invention means a temperature region in the viscoelastic curve which is higher than the glass transition temperature and in which the elastic modulus is maintained constant.
アニール処理部52により、ゴム状領域の温度まで加熱することで、電解質シート11を構成する高分子樹脂は、ゴム状態となり、スルホン酸基が、離型層13のハロゲン原子に吸引(電子吸引)されるよりも、高分子樹脂の分子の動きが支配的になる。これにより、離型層13と接する電解質シート11の界面に存在していたスルホン酸基の量が低減される。
By heating to the temperature of the rubber-like region by the annealing unit 52, the polymer resin forming the
本実施形態では、アニール処理部52として、加熱ロールを採用しているが、例えば、加熱炉、またはランプヒータ等を採用してもよい。さらに、アニール処理部52は、接合シート10Bを加熱した後、これを冷却することにより、電解質膜10の界面で低減されたスルホン酸基の量を保持する。
In this embodiment, a heating roll is used as the annealing unit 52, but a heating furnace, a lamp heater, or the like may be used, for example. Further, the annealing treatment part 52 holds the amount of the sulfonic acid group reduced at the interface of the electrolyte membrane 10 by heating the joining
本実施形態では、加熱後の接合シート10Bは放冷により冷却されるが、たとえば、冷風などで強制冷却してもよい。さらに、搬送ロール63の内部に冷却用媒を充填して冷却した搬送ロール63を用いて、接合シート10Bを搬送しながら冷却してもよい。接合シート10Bの冷却速度は、10〜60℃/秒であることが好ましく、少なくとも一対の熱圧ロール51、51により熱圧された接合シート10Bの温度よりも低い温度まで冷却されることが好ましい。
In the present embodiment, the joined
アニール処理部52により、上述した条件で、接合シート10Bを加熱した後冷却することで、一対の熱圧ロール51、51で増加した、電解質シート11に対する離型層13の接着力を低下させる。接着力の低下した接合シート10Cは、剥離部53に搬送される。なお、アニール処理部52では、接合シート10Bを、挟み込んで熱圧しないことが望ましい。
The
剥離部53は、バックシート14に接触し、アニール処理部52より搬送されたバックシート14の搬送方向Gを、電解質シート11の搬送方向Fとは異なる方向に変更し、バックシート14を電解質シート11から剥離する部材である。
The peeling
図1に示す態様では、剥離部53は、バックシート14の幅方向に延在したロールであるが、例えば、バックシート14の幅方向に延在した多角柱状のバーでもよい。剥離部53の剥離温度は、高分子樹脂の軟化に起因した電解質シート11の損傷を回避することができる温度であればよく、例えば、常温であることが好ましい。
In the embodiment shown in FIG. 1, the peeling
この他にも、製造装置1は、複合シート10Aを巻き出す第1巻き出し部54およびガス拡散シート15を巻き出す第2巻き出し部55を備えている。また、製造装置1は、図2(c)の下側の図に示す、離型層13と共に剥離されたバックシート14を巻き取る第1巻き取り部56、および、図2(c)の上側の図に示す接合体10Dを巻き取る第2巻き取り部57をさらに備えている。
In addition to this, the manufacturing apparatus 1 includes a first unwinding
さらに、製造装置1は、複合シート10Aを搬送する搬送ロール61、および接合シート10Bを搬送する搬送ロール62に加えて、接合シート10Cを搬送する搬送ロール63、64、および接合体10Dを搬送する搬送ロール65を備えている。
Furthermore, the manufacturing apparatus 1 transports the transport rolls 61 and 64 that transport the joining sheet 10C in addition to the transport rolls 61 that transport the
ところで、上述した如く、熱圧ロール51、51による熱圧時に、離型層13と接する電解質シート11の界面では、離型層13のハロゲン原子により、電解質シート11の高分子樹脂のスルホン酸基の量が増加することがある。この結果、電解質シート11と離型層13との接着力が増加する。図8に示す従来の製造装置1’には、図1に示すアニール処理部52が設けられていないため、図9(a)に示す接合シート10Bに対して、剥離部53でバックシート14を剥離する際に、離型層13の一部が電解質シート11に付着することがある(図9(b)参照)。
By the way, as described above, at the interface of the
これに対して、本実施形態では、アニール処理部52が、接合シート10Bを、電解質シート11の高分子樹脂がゴム状領域の温度になるまで加熱した後、冷却する。これにより、離型層13に接する電解質シート11の界面において、熱圧ロール51、51での接合時に増加したスルホン酸基の量が低減され、電解質シート11に対する離型層13の接着力が低下する。この結果、図2(c)の如く、離型層13の電解質シート11への付着を防止して、電解質シート11からバックシート14を剥離することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the annealing unit 52 heats the joining
3.接合体10Dの製造方法
次に、図4に示す、本実施形態の製造装置1による接合体10Dの製造方法の工程を説明するフロー図を参照しながら、該製造方法を説明する。
3. Method for
<準備工程S1>
この製造方法では、まず、準備工程S1を行う。この工程では、まず、上述した複合シート10Aおよびガス拡散シートを準備する(図2(a)参照)。ここで、上述の如く、準備した複合シート10Aでは、電解質シート11と離型層13との界面のスルホン酸基の量が、触媒塗工前シートより増加している。
<Preparation process S1>
In this manufacturing method, first, a preparation step S1 is performed. In this step, first, the
次に、準備した複合シート10Aおよびガス拡散シート15を、第1および第2巻き出し部54、55から、それぞれ巻き出して、一対の熱圧ロール51、51の間に搬送し、後述する接合工程を行う。ここで、複合シート10Aとガス拡散シート15との搬送は、ロールツーロール方式で行う。
Next, the prepared
<接合工程S2>
次いで、接合工程S2を行う。この工程では、第1および第2巻き出し部54、55からそれぞれ搬送された複合シート10Aおよびガス拡散シート15を一対の熱圧ロール51、51の間に導入して、これらを熱圧しながら搬送する。
<Joining step S2>
Next, the joining step S2 is performed. In this step, the
導入の際、複合シート10Aとガス拡散シート15を、熱圧ロール51、51で熱圧し、複合シート10Aとガス拡散シート15とを接合する。本実施形態では、触媒層12がガス拡散シート15に対向しているため、触媒層12にガス拡散シート15が接合される(図2(b)参照)。
At the time of introduction, the
ここで、上述の如く、接合シート10Bは、接合の際の加熱により、離型層13と接する電解質シート11の界面では、接合前よりもスルホン酸基の量が増加している。接合シート10Bは、搬送ロール62を通って、アニール処理部52にさらに搬送される。アニール処理部52では、以下に示すアニール工程S3が行われる。
Here, as described above, in the joining
<アニール工程S3>
この工程では、接合工程S2後の接合シート10Bを搬送するとともに、電解質シート11の高分子樹脂がゴム状領域の温度になるまで加熱した後、冷却して、接合シート10C(図2(b)参照)を作製する。
<annealing step S3>
In this step, the joining
この加熱により、ゴム状態となった電解質シート11の高分子樹脂では、スルホン酸基が動き易くなる。このため、図6(a)の如く、離型層13と接する電解質シート11の界面では、接合工程S2で増加したスルホン酸基の量が低減される。また、加熱後の冷却により、界面上で低減したスルホン酸基の量が保持される。この結果、電解質シート11に対する離型層13の接着力が低下する。接合シート10Cは、搬送ロール63、64を通って剥離部53へ搬送される。剥離部53では、以下に示す剥離工程S4が行われる。
By this heating, in the polymer resin of the
<剥離工程S4>
この工程では、アニール工程S3後の接合シート10Cを搬送しながら、剥離部53により、電解質シート11からバックシート14を剥離する。具体的には、剥離部53にバックシート14を巻き付けて、接合体10Dの搬送方向Fに対して、バックシート14を異なる搬送方向Gに変更するように、バックシート14(バックシート14A)を搬送し、その後第1巻き取り部56で巻き取る。これと同時に、バックシート14が剥離された接合体10Dを搬送ロール65により搬送し、その後第2巻き取り部57で巻き取る。
<Peeling step S4>
In this step, the
本実施形態では、接合シート10Cの電解質シート11および離型層13の接着力が、熱圧工程S2直後の接着力よりも低下している。これにより、剥離の際、離型層13が電解質シート11に付着することを防止して、電解質シート11からバックシート14を剥離することができる(図2(c)参照)。
In the present embodiment, the adhesive force between the
<参考実施例1>
まず、図2(a)の下側の図に示す複合シートに対応する試験材料シートを作製した。具体的には、ポリエチレンテレフタレート(PET)のバックシートに、離型層を介して、電解質シートが貼着した状態のシート(触媒塗工前シート)の電解質シートの表面に、触媒を塗布し、これを乾燥させて、触媒層を形成した。触媒は、アイオノマーと白金担持カーボンとを含み、触媒を塗布して乾燥する触媒塗工での乾燥条件は、85℃および5分間であった。また、離型層は、フッ素系ポリオレフィン樹脂からなる樹脂層であり、電解質シートを構成する高分子樹脂は、スルホン酸基を有した樹脂である。
<Reference Example 1>
First, a test material sheet corresponding to the composite sheet shown in the lower diagram of FIG. Specifically, a catalyst is applied onto the surface of the electrolyte sheet of the sheet (pre-catalyst coating sheet) in a state where the electrolyte sheet is adhered to the back sheet of polyethylene terephthalate (PET) via the release layer, This was dried to form a catalyst layer. The catalyst contained an ionomer and platinum-supporting carbon, and the drying conditions in the catalyst coating for coating and drying the catalyst were 85° C. and 5 minutes. The release layer is a resin layer made of a fluorinated polyolefin resin, and the polymer resin forming the electrolyte sheet is a resin having a sulfonic acid group.
次に、作製した試験材料シートに対して、アニール処理を行った。具体的には、試験体を160℃に加温された加熱ロールに、加熱(接触)時間1.9秒で、通紙させて加熱した後、常温まで自然放冷した。これを参考実施例1の試験体とした。 Next, the manufactured test material sheet was annealed. Specifically, the test body was passed through a heating roll heated to 160° C. for a heating (contact) time of 1.9 seconds to heat it, and then naturally cooled to room temperature. This was used as the test body of Reference Example 1.
なお、加熱温度である160℃は、電解質シートの高分子樹脂がゴム状領域の温度に相当する。なお、この温度領域は、MD方向における電解質シートの動的粘弾性を測定すること(JIS K 7244準拠)で確認した(図7参照)。 Note that the heating temperature of 160° C. corresponds to the temperature of the rubber-like region of the polymer resin of the electrolyte sheet. The temperature range was confirmed by measuring the dynamic viscoelasticity of the electrolyte sheet in the MD direction (JIS K 7244 compliant) (see FIG. 7).
<参考比較例1>
参考実施例1と同じようにして、試験体を作製した。参考比較例1が参考実施例1とは異なる点は、アニール処理を行わなかった点である。
<Reference Comparative Example 1>
A test body was prepared in the same manner as in Reference Example 1. The difference between Reference Comparative Example 1 and Reference Example 1 is that no annealing treatment was performed.
<参考比較例2〜4>
参考実施例1と同じようにして、試験体を作製した。参考比較例2〜4が参考実施例1とは異なる点は、アニール処理の際の加熱温度である。具体的には、参考比較例2〜4の加熱温度は、それぞれ、130℃、140℃、および150℃であった。これらの加熱温度は、電解質シートの高分子樹脂がゴム状領域の温度よりも低い、転移領域の温度である(図7参照)。
<Reference Comparative Examples 2 to 4>
A test body was prepared in the same manner as in Reference Example 1. The difference between Reference Comparative Examples 2 to 4 and Reference Example 1 lies in the heating temperature during the annealing treatment. Specifically, the heating temperatures of Reference Comparative Examples 2 to 4 were 130°C, 140°C, and 150°C, respectively. These heating temperatures are temperatures in the transition region where the polymer resin of the electrolyte sheet is lower than the temperature in the rubber-like region (see FIG. 7).
(目視による剥離試験とその結果)
参考実施例1および参考比較例1〜4の試験体について、バックシートを電解質シートから剥離して、電解質シートへの剥離層の付着の有無を目視にて確認した。参考実施例1には、付着は認められなかったのに対して、参考比較例1〜4には、付着が認められた。なお、参考比較例5として、アニール処理の際に加圧したが、試験体が破壊されたため、剥離ができなかった。参考比較例2〜4では、加熱温度が、ゴム状領域の温度以下であったので、電解質シートに剥離層が付着したと考えられる。
(Visual peel test and its result)
With respect to the test samples of Reference Example 1 and Reference Comparative Examples 1 to 4, the back sheet was peeled from the electrolyte sheet, and the presence or absence of the release layer adhered to the electrolyte sheet was visually confirmed. No adhesion was observed in Reference Example 1, whereas adhesion was observed in Reference Comparative Examples 1 to 4. In addition, as Reference Comparative Example 5, although pressure was applied during the annealing treatment, the test body was broken, so that peeling could not be performed. In Reference Comparative Examples 2 to 4, the heating temperature was equal to or lower than the temperature of the rubber-like region, so it is considered that the release layer adhered to the electrolyte sheet.
<参考実施例2>
参考実施例2が参考実施例1とは異なる点は、アニール処理の際の加熱時間が5分である。なお、アニール処理の加熱温度は、160℃である。
<Reference Example 2>
The difference between Reference Example 2 and Reference Example 1 is that the heating time during the annealing treatment is 5 minutes. The heating temperature of the annealing treatment is 160°C.
<参考比較例6、7>
参考比較例6が参考実施例2とは異なる点は、参考比較例6の試験体が触媒塗工前シートであった点、および、アニール処理を行わなかった点である。参考比較例7が参考実施例2とは異なる点は、アニール処理を行わなかった点である。なお、参考比較例7は参考比較例1に対応する。
<Reference Comparative Examples 6 and 7>
The difference between Reference Comparative Example 6 and Reference Example 2 is that the test body of Reference Comparative Example 6 was a sheet before catalyst coating, and that annealing treatment was not performed. The difference between Reference Comparative Example 7 and Reference Example 2 is that no annealing treatment was performed. Reference comparative example 7 corresponds to reference comparative example 1.
<参考比較例8〜10>
参考比較例8〜10が参考実施例2とは異なる点は、アニール処理の際の加熱温度であり、具体的には、参考比較例8〜10は、それぞれ130℃、140℃、および150℃であった。
<Reference Comparative Examples 8 to 10>
Reference Comparative Examples 8 to 10 are different from Reference Example 2 in the heating temperature during the annealing treatment. Specifically, Reference Comparative Examples 8 to 10 are 130° C., 140° C., and 150° C., respectively. Met.
(90℃剥離試験とその結果)
参考実施例2および参考比較例6〜10について、バックシートを電解質シートに対して90°の角度で剥離する剥離試験を行って剥離強度を測定した。結果を図5に示す。
(90°C peeling test and its result)
For Reference Example 2 and Reference Comparative Examples 6 to 10, a peeling test was conducted in which the back sheet was peeled from the electrolyte sheet at an angle of 90° to measure the peel strength. Results are shown in FIG.
本実施形態の複合シートに対応する参考比較例7の剥離強度は、触媒塗工前シートに対応する参考比較例6の剥離強度より大きくなった。この結果より、触媒塗工により、複合シートの電解質シートおよび離型層の接着力が増加することがわかった。 The peel strength of Reference Comparative Example 7 corresponding to the composite sheet of this embodiment was larger than the peel strength of Reference Comparative Example 6 corresponding to the sheet before catalyst coating. From this result, it was found that the catalyst coating increases the adhesive force between the electrolyte sheet and the release layer of the composite sheet.
これは、触媒塗工の乾燥時の加熱により、電解質シートの高分子樹脂のスルホン酸基が、離型層の樹脂のフッ素基に吸引され易くなったためであると考えられる。このため、図6(b)の如く、複合シートでは、離型層と接する電解質シートの界面で、スルホン酸基の量が、図6(a)に示す触媒塗工前シートの界面のスルホン酸基の量より増加したものと考えられる。このような結果、触媒塗工により、電解質シートと剥離層との接着力が増加すると考えられる。結果として、結果1で説明した参考比較例1の如く、複合シートでは、離型層が電解質シートに付着すると考えられる。 It is considered that this is because the sulfonic acid group of the polymer resin of the electrolyte sheet was easily attracted to the fluorine group of the resin of the release layer by the heating during drying of the catalyst coating. Therefore, as shown in FIG. 6B, in the composite sheet, at the interface of the electrolyte sheet in contact with the release layer, the amount of sulfonic acid groups is the sulfonic acid at the interface of the pre-catalyst sheet shown in FIG. 6A. It is considered that the amount increased from the amount of the group. As a result, it is considered that the catalyst coating increases the adhesive force between the electrolyte sheet and the release layer. As a result, as in Reference Comparative Example 1 described in Result 1, in the composite sheet, the release layer is considered to adhere to the electrolyte sheet.
また、アニール処理の際、130〜150℃で加熱した参考比較例8〜10の剥離強度は、該温度で加熱していない参考比較例7の剥離強度よりも大きかった。この結果から、転移領域である130〜150℃の加熱により、図6(c)の如く、加熱後の複合シートでは、離型層と接する電解質シートの界面では、スルホン酸基の量がさらに増加したと考えられる。この結果、離型層と接する電解質シートの接着力が増加すると考えられる。 Further, the peel strength of Reference Comparative Examples 8 to 10 heated at 130 to 150° C. during the annealing treatment was higher than the peel strength of Reference Comparative Example 7 not heated at the temperature. From this result, by heating at 130 to 150° C. which is the transition region, as shown in FIG. 6C, in the composite sheet after heating, the amount of sulfonic acid groups was further increased at the interface of the electrolyte sheet in contact with the release layer. It is thought to have been done. As a result, it is considered that the adhesive force of the electrolyte sheet in contact with the release layer is increased.
一方、アニール処理の際、130〜150℃で加熱した参考比較例8〜10と比べて、ゴム状領域である160℃で加熱した参考実施例2の剥離強度は低く、しかも、触媒塗工前シートに対応する参考比較例6の剥離強度と同程度であった。 On the other hand, in the annealing treatment, the peeling strength of Reference Example 2 heated at 160° C., which is a rubber-like region, is lower than that of Reference Comparative Examples 8-10 heated at 130 to 150° C., and moreover, before the catalyst coating. The peel strength was similar to that of Reference Comparative Example 6 corresponding to the sheet.
この結果から、ゴム状領域である160℃以上の加熱により、剥離層に接する電解質シートの界面では、スルホン酸基の量が、図6(a)の如く、触媒塗工前シートと同程度の量まで低減していると考えられる。また、この低減したスルホン酸基の量は、160℃未満になると、増加する可能性があるため、加熱後の冷却は、低減したスルホン酸基の量を確保するように行うことが好ましい。 From this result, the amount of sulfonic acid groups at the interface of the electrolyte sheet in contact with the release layer was about the same as that of the sheet before catalyst coating as shown in FIG. It is considered that the amount has been reduced. Further, since the reduced amount of sulfonic acid group may increase at less than 160° C., cooling after heating is preferably performed so as to ensure the reduced amount of sulfonic acid group.
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。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. The design can be changed.
1:製造装置、10A:複合シート、10B:接合シート、10D:接合体、11:電解質シート、12:触媒層、13:離型層、14:バックシート、15:ガス拡散シート、51、51:一対の熱圧ロール、52:アニール処理部、53:剥離部、G:電解質シートの搬送方向とは異なる方向 1: Manufacturing apparatus, 10A: Composite sheet, 10B: Joined sheet, 10D: Joined body, 11: Electrolyte sheet, 12: Catalyst layer, 13: Release layer, 14: Back sheet, 15: Gas diffusion sheet, 51, 51 : A pair of hot-press rolls, 52: annealing part, 53: peeling part, G: direction different from the transport direction of the electrolyte sheet
Claims (1)
前記電解質シートは、イオン交換基として、スルホン酸基を有した高分子樹脂のシートであり、前記離型層は、ハロゲン原子を含有した樹脂層であり、
前記製造装置は、前記触媒層と前記ガス拡散シートとが接触した状態で、前記複合シートと前記ガス拡散シートとを挟み込みながら搬送するとともに、前記触媒層と前記ガス拡散シートとが接合されるように前記バックシートと前記ガス拡散シートとを熱圧する一対の熱圧ロールと、
前記触媒層と、前記ガス拡散シートとが接合された接合シートを搬送するとともに、前記高分子樹脂のシートの高分子樹脂がゴム状領域の温度になるまで加熱した後、冷却することで、前記電解質シートに対する前記離型層の接着力を低下させるアニール処理部と、
前記バックシートに接触し、前記アニール処理部より搬送された前記バックシートの搬送方向を前記電解質シートの搬送方向とは異なる方向に変更し、前記離型層と共に前記バックシートを前記電解質シートから剥離する剥離部と、を備えることを特徴とする燃料電池用セルの接合体の製造装置。 A composite sheet in which a catalyst layer is formed on one surface of a strip-shaped electrolyte sheet that constitutes an electrolyte membrane of a fuel cell, and a back sheet is attached to the other surface of the electrolyte sheet via a release layer. And a strip-shaped gas diffusion sheet that constitutes the gas diffusion layer of the fuel cell, while transporting the gas diffusion sheet to the catalyst layer of the composite sheet Manufacturing equipment,
The electrolyte sheet is a sheet of a polymer resin having a sulfonic acid group as an ion exchange group, the release layer is a resin layer containing a halogen atom,
The manufacturing apparatus conveys while sandwiching the composite sheet and the gas diffusion sheet in a state where the catalyst layer and the gas diffusion sheet are in contact with each other, and the catalyst layer and the gas diffusion sheet are joined together. A pair of hot-press rolls that hot-press the back sheet and the gas diffusion sheet,
While carrying the bonding sheet in which the catalyst layer and the gas diffusion sheet are bonded together, the polymeric resin of the polymeric resin sheet is heated to the temperature of the rubber-like region, and then cooled, An annealing treatment section for reducing the adhesive force of the release layer to the electrolyte sheet,
Contacting the backsheet, changing the conveying direction of the backsheet conveyed from the annealing unit to a direction different from the conveying direction of the electrolyte sheet, and peeling the backsheet together with the release layer from the electrolyte sheet An apparatus for manufacturing a joined body of fuel cell, comprising:
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