JP2021099946A - Manufacturing method of membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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.
固体高分子型燃料電池等の固体電池は、負極、固体電解質膜、および正極の積層体である膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly, MEA)を備える。
間欠塗工方式による膜電極接合体の製造装置と製造方法の一例については、図1を参照されたい。
A solid-state battery such as a polymer electrolyte fuel cell includes a negative electrode, a solid electrolyte membrane, and a membrane electrode assembly (MEA) which is a laminate of positive electrodes.
See FIG. 1 for an example of a manufacturing apparatus and manufacturing method for a membrane electrode assembly by an intermittent coating method.
はじめに、帯状の金属箔等の基材上に、基材の長手方向(搬送方向)に沿って、間隔を空けて複数の負極を形成する(工程(A))。基材において、基材の搬送方向の前後に隣り合う負極の間の部分(負極が形成されない部分)を、「負極非形成部」と言う。
次いで、個々の負極上に、固体電解質膜と複数条の正極とを順次積層する(工程(B))。負極、固体電解質膜、および正極の積層体である膜電極接合体は、金属箔等の基材の両面に形成してもよい。
First, a plurality of negative electrodes are formed on a base material such as a strip-shaped metal foil at intervals along the longitudinal direction (transportation direction) of the base material (step (A)). In the base material, the portion between the negative electrodes adjacent to each other in the front-rear direction in the transport direction of the base material (the portion where the negative electrode is not formed) is referred to as a “negative electrode non-forming portion”.
Next, a solid electrolyte membrane and a plurality of positive electrodes are sequentially laminated on the individual negative electrodes (step (B)). The membrane electrode assembly, which is a laminate of the negative electrode, the solid electrolyte membrane, and the positive electrode, may be formed on both sides of a base material such as a metal foil.
次いで、各正極の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材を形成する(工程(X))。次いで、基材、負極、固体電解質膜、および複数条の正極を含む積層体と、基材の負極非形成部とを、複数条にスリットする(工程(C)、スリット工程)。
次いで、膜電極接合体をプレスする(工程(D))。
最後に、枚葉切断して、基材の少なくとも一方の面上に膜電極接合体が形成された基材付き膜電極接合体が製造される(工程(E))。
Next, a plan-view line-shaped insulating material is formed next to both ends parallel to the longitudinal direction (transportation direction of the base material) of each positive electrode (step (X)). Next, the laminate including the base material, the negative electrode, the solid electrolyte membrane, and the positive electrode having a plurality of rows, and the negative electrode non-forming portion of the base material are slit into a plurality of rows (step (C), slit step).
Next, the membrane electrode assembly is pressed (step (D)).
Finally, a single-wafer cutting is performed to produce a membrane electrode assembly with a substrate in which a membrane electrode assembly is formed on at least one surface of the substrate (step (E)).
例えば、特許文献1には、金属箔に活物質を塗布してなり、二次電池の電極の材料として使用される母材を、母材の幅方向に沿った複数の切断部を備えたスリッタを用いて、複数の帯状のシート材に切断する切断方法が開示されている(請求項3)。一態様において、上記母材は、長手方向に沿って、上記活物質が間欠的に塗布されたものである(請求項4)。 For example, in Patent Document 1, an active material is applied to a metal foil, and a base material used as a material for an electrode of a secondary battery is a slitter provided with a plurality of cut portions along the width direction of the base material. Discloses a cutting method for cutting into a plurality of strip-shaped sheet materials using the above (claim 3). In one aspect, the base material is one in which the active material is intermittently applied along the longitudinal direction (claim 4).
スリット工程では、スリット対象物の上下にそれぞれ回転刃である上刃と下刃を配置してスリットする。例えば、横方向については上刃と下刃の間に間隔を空け、縦方向については上刃の下端部の高さ位置と下刃の上端部の高さ位置が重なるように、上刃と下刃をセットするギャングスリット方式で切断を行うことができる。上刃と下刃の横方向の間隔を「クリアランス」と言い、上刃と下刃の縦方向の重なりを「ラップ」と言う。 In the slitting process, the upper blade and the lower blade, which are rotary blades, are arranged above and below the slit object to slit. For example, in the horizontal direction, leave a space between the upper blade and the lower blade, and in the vertical direction, the upper blade and the lower blade overlap so that the height position of the lower end of the upper blade and the height position of the upper end of the lower blade overlap. Cutting can be performed by the gang slit method that sets the blade. The lateral distance between the upper and lower blades is called "clearance", and the vertical overlap between the upper and lower blades is called "wrap".
上刃と下刃のクリアランスとラップは、スリット対象物の厚みに応じて調整される。上刃と下刃のクリアランスとラップが適性範囲内であれば、上刃によって形成されるクラックと下刃によって形成されるクラックとがうまく繋がり、良好に切断できる。 The clearance and wrap between the upper and lower blades are adjusted according to the thickness of the slit object. If the clearance between the upper blade and the lower blade and the lap are within an appropriate range, the crack formed by the upper blade and the crack formed by the lower blade are well connected, and good cutting can be performed.
一般的に、スリット対象物の厚みが大きくなる程、上刃と下刃のクリアランスおよびラップは大きく設定する必要がある。基材の負極非形成部の厚みは例えば15μm程度であるのに対し、基材の両面に膜電極接合体を積層した積層体の厚みは例えば600μm程度である。負極形成部と負極非形成部では、スリット対象物の厚みの差が大きく、これら部分を同じスリット条件で切断することはできない。
生産性向上の観点から、負極の形成部と非形成部の両部に対して、共通のスリット条件でスリット工程を実施できることが好ましい。
Generally, the larger the thickness of the slit object, the larger the clearance and wrap between the upper and lower blades need to be set. The thickness of the negative electrode non-forming portion of the base material is, for example, about 15 μm, whereas the thickness of the laminated body in which the membrane electrode assembly is laminated on both sides of the base material is, for example, about 600 μm. There is a large difference in the thickness of the slit object between the negative electrode formed portion and the negative electrode non-formed portion, and these portions cannot be cut under the same slit conditions.
From the viewpoint of improving productivity, it is preferable that the slit process can be performed on both the formed portion and the non-formed portion of the negative electrode under common slit conditions.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、負極の形成部と非形成部の両部に対して、共通のスリット条件でスリット工程を実施することが可能な膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a method for producing a membrane electrode assembly capable of performing a slitting process on both a formed portion and a non-formed portion of a negative electrode under common slit conditions. The purpose is to provide.
本発明の膜電極接合体の製造方法は、
負極、固体電解質膜、および正極を含む膜電極接合体の製造方法であって、
帯状の基材上に、当該基材の長手方向に沿って、間隔を空けて複数の負極を形成する工程(A)と、
個々の前記負極上に、固体電解質膜と、複数条の正極とを順次積層する工程(B)と、
前記基材、前記負極、前記固体電解質膜、および前記複数条の正極を含む積層体と、前記基材の負極非形成部とを、複数条にスリットする工程(C)とを有し、
さらに、工程(C)を実施する前に、前記基材の前記負極非形成部の表面において、少なくとも工程(C)の切断線上に絶縁材を形成する工程(X)を有するものである。
The method for producing a membrane electrode assembly of the present invention is:
A method for manufacturing a membrane electrode assembly including a negative electrode, a solid electrolyte membrane, and a positive electrode.
A step (A) of forming a plurality of negative electrodes at intervals along the longitudinal direction of the base material on the strip-shaped base material, and
A step (B) of sequentially laminating a solid electrolyte membrane and a plurality of positive electrodes on each of the negative electrodes.
It has a step (C) of slitting a laminate containing the base material, the negative electrode, the solid electrolyte membrane, and the positive electrode of the plurality of rows into a plurality of rows of a non-negative electrode forming portion of the base material.
Further, before carrying out the step (C), there is a step (X) of forming an insulating material on the surface of the negative electrode non-forming portion of the base material at least on the cutting line of the step (C).
本発明によれば、負極の形成部と非形成部の両部に対して、共通のスリット条件でスリット工程を実施することが可能な膜電極接合体の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a membrane electrode assembly capable of performing a slitting step under common slit conditions for both a formed portion and a non-formed portion of the negative electrode.
本発明は、負極、固体電解質膜、および正極を含む膜電極接合体の製造方法に関する。図面を参照して、本発明に係る一実施形態の膜電極接合体の製造方法について、説明する。図1は、間欠塗工方式による膜電極接合体の製造装置と製造方法の一例を示す模式図である。図2は、スリット工程前のワークの状態を示す模式平面図である。図3は、図2の基材の搬送方向に平行な部分模式断面図である。図4は、図2のIV−IV線断面図である。図5は、図2のV−V線断面図である。視認しやすくするため、各図ごとに、各部材の縮尺は適宜異ならせてある。 The present invention relates to a method for producing a membrane electrode assembly including a negative electrode, a solid electrolyte membrane, and a positive electrode. A method for manufacturing a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a manufacturing apparatus and a manufacturing method of a membrane electrode assembly by an intermittent coating method. FIG. 2 is a schematic plan view showing a state of the work before the slit process. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a portion parallel to the transport direction of the base material of FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of FIG. FIG. 5 is a sectional view taken along line VV of FIG. In order to make it easier to see, the scale of each member is appropriately different for each drawing.
はじめに、図1に示すように、金属箔ロール等の基材ロールから繰り出された帯状の金属箔等の基材101上に、公知方法にて、間隔を空けて複数の負極102を形成する(工程(A))。具体的には、基材101の長手方向(搬送方向)に沿って、間欠的に負極材料を塗工し、一対のプレスロールからなるロールユニットPR1を用いてプレスして、間隔を空けて複数の負極102を形成する。基材101において、基材101の搬送方向の前後に隣り合う負極102の間の部分(負極102が形成されない部分)を、「負極非形成部101N」と言う。負極非形成部101Nは、外部端子と電気的に接続するための引き出しタブを取り出す部位として利用される部分である。
First, as shown in FIG. 1, a plurality of
次いで、図1に示すように、公知方法にて、個々の負極102上に、固体電解質膜103と、複数条の正極104とを順次積層する(工程(B))。具体的には、個々の負極102上に、固体電解質膜の材料を塗工し、一対のプレスロールからなるロールユニットPR2を用いてプレスして、固体電解質膜103を形成し、さらに、この固体電解質膜103上に、正極材料を塗工して正極104を形成する。この工程では、1つの負極102に対して、複数条の正極104を形成する。1つの負極102に対して形成される正極の条数は特に制限されず、図示例では、1つの負極102に対して2条の正極104が形成されている。
負極102、固体電解質膜103、および正極104の積層体である膜電極接合体100は、金属箔等の基材101の両面に形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 1, the
The
次いで、図1および図2に示すように、公知方法にて、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材105を形成する(工程(X))。図示例では、2条の正極104の間と外側に、後のスリット工程の3本の切断線L1〜L3に沿って、計3本の絶縁材105を形成している。
Next, as shown in FIGS. 1 and 2, a plan-viewing line-shaped
複数条の正極104の形成領域の幅は、負極102の形成領域の幅より小さく設計することが好ましい。
後のスリット工程の切断線上に負極102と正極104の両方がある場合、これら電極が互いに接触して短絡する恐れがある。そのため、図4に示すように、スリット工程の切断線L1〜L3上に正極104が存在しないように、複数条の正極104の形成領域の幅W4は、負極102の形成領域の幅W2より小さく設計することが好ましい。
It is preferable that the width of the forming region of the plurality of
If both the
ここで、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに何も形成しない場合、後の膜電極接合体をプレスする工程において、平面視にて正極104の形成領域より外側に位置する負極の両端部はプレス圧が良好にかからず、圧延に追従できずに割れが生じる恐れがある。そのため、図4に示すように、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材105を形成することが好ましい。
Here, when nothing is formed next to both ends parallel to the longitudinal direction (transportation direction of the base material) of each
従来の製造方法では、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材105を形成する工程(X)において、負極非形成部101Nには特に何も形成していない。本実施形態では、この工程(X)において、基材101の負極非形成部101Nの表面において、少なくとも後のスリット工程の切断線(図示例ではL1〜L3)上にも絶縁材105を形成する。
すなわち、本実施形態の製造方法では、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材105を形成する工程(X)において、図2、図3、および図5に示すように、平面視ライン状の絶縁材105をそのまま引き延ばし、基材101の負極非形成部101N上にも平面視ライン状の絶縁材105を形成する。
図1では、負極非形成部101N上に形成される平面視ライン状の絶縁材105の図示は省略してある。
In the conventional manufacturing method, in the step (X) of forming the insulating
That is, in the manufacturing method of the present embodiment, in the step (X) of forming the insulating
In FIG. 1, the plan view line-shaped insulating
次いで、図1に示すように、公知方法にて、ワークを複数条にスリットする(工程(C)、スリット工程)。具体的には、スリッタSLを用いて、基材101、負極102、固体電解質膜103、複数条の正極104、および複数の平面視ライン状の絶縁材105を含む図4に示す第1の積層体LM1と、基材の負極非形成部101Nおよび複数の平面視ライン状の絶縁材105とを含む図5に示す第2の積層体LM2とを、複数条にスリットする。
この工程では、第1の積層体LM1および第2の積層体LM2のいずれについても、スリッタSLの一対の回転刃が平面視ライン状の絶縁材105を通るように、切断を行う(切断線L1〜L3を参照されたい。)。
Next, as shown in FIG. 1, the work is slit into a plurality of rows by a known method (step (C), slit step). Specifically, the first lamination shown in FIG. 4 including a
In this step, both the first laminated body LM1 and the second laminated body LM2 are cut so that the pair of rotary blades of the slitter SL pass through the insulating
次いで、図1に示すように、公知方法にて、膜電極接合体100を一対のプレスロールからなるロールユニットPR3を用いてプレスする(工程(D))。
最後に、公知方法にて枚葉切断を実施して、基材101の少なくとも一方の面上に膜電極接合体100が形成された基材付き膜電極接合体が製造される(工程(E))。
Next, as shown in FIG. 1, the
Finally, single-wafer cutting is carried out by a known method to produce a membrane electrode assembly with a substrate in which the
本実施形態の製造方法では、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材105を形成する工程(X)において、図2〜図5に示すように、平面視ライン状の絶縁材105をそのまま引き延ばす。これによって、基材101の負極非形成部101Nの表面において、少なくともスリット工程の切断線(図示例ではL1〜L3)上に平面視ライン状の絶縁材105を形成する。
In the manufacturing method of the present embodiment, in the step (X) of forming the insulating
本実施形態の製造方法では、図3に示すように、負極の形成部と非形成部におけるスリット対象物の厚みの差を従来より小さくすることができるので、これら領域を同じスリット条件で切断することができ、生産性を向上することができる。
本実施形態の製造方法では、図3に示すように、負極の形成部と非形成部におけるスリット対象物の厚みの変化を従来より緩やかにできるので、刃への衝撃を緩和し、ワークの変形および電極崩れを抑制することができる。
In the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the difference in thickness of the slit target between the formed portion and the non-formed portion of the negative electrode can be made smaller than before, so these regions are cut under the same slit conditions. Can improve productivity.
In the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the thickness of the slit object between the formed portion and the non-formed portion of the negative electrode can be changed more slowly than before, so that the impact on the blade is alleviated and the work is deformed. And the electrode collapse can be suppressed.
本実施形態の製造方法では、図3に示すように、前方の第1の積層体LM1の終端部と後方の第1の積層体LM1の始端部とが平面視ライン状の絶縁材105を介して接続される。この場合、絶縁材105が固定材のように働き、スリット工程において、第1の積層体LM1の屈曲、並びに、第1の積層体LM1に含まれる電極の崩れおよび/または剥がれを抑制することができる。
なお、負極非形成部101Nに形成された絶縁材105は、膜電極接合体100を電極サイズに加工する際に切り落とされるので、最終的に製造される電池の性能への影響はない。
In the manufacturing method of the present embodiment, as shown in FIG. 3, the end portion of the front first laminated body LM1 and the start end portion of the rear first laminated body LM1 are interposed via an insulating
Since the insulating
(設計変更例)
図6および図7は、図4の設計変更例を示す模式断面図である。
図4に示した断面図において、絶縁材105は、少なくとも、各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに形成されればよい。
(Example of design change)
6 and 7 are schematic cross-sectional views showing an example of design modification of FIG.
In the cross-sectional view shown in FIG. 4, the insulating
図6に示す設計変更例のように、絶縁材105は、基材101の表面から各正極104の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りにまで跨がるように、形成してもよい。絶縁材105は、塗布または充填により形成することができる。
この設計変更例では、絶縁材105は、負極102、固体電解質膜103、正極104の両端面を被覆し、保護することができる。この設計変更例では、スリット工程において、負極102、固体電解質膜103、および絶縁材105の多層を切断せずに、基材101と絶縁材105のみを切断することができる(切断線L1〜L3を参照されたい。)。多層切断において硬度の高い材料の下に硬度の低い材料がある場合、硬度の低い材料にせん断力が良好に伝わらず、硬度の低い材料が良好に切断されない恐れがある。基材101と絶縁材105のみを切断する方法では、せん断力が下まで良好に伝わることでスムーズに切断を行うことができ、層間剥離および電極スリット異物の落下を抑制することができる。
As in the design modification example shown in FIG. 6, the insulating
In this design modification example, the insulating
絶縁材105の形成工程のタイミングは、スリット工程の前であれば、特に制限されない。図7に示す設計変更例のように、はじめに、スリット工程の複数の切断線(図示例ではL1〜L3)上にそれぞれ平面視ライン状の絶縁材105を形成し、これら複数の平面視ライン状の絶縁材105を隔壁とし、複数の絶縁材105の間に、負極102、固体電解質膜103、および正極104を順次積層してもよい。
The timing of the forming step of the insulating
図7に示す設計変更例では、電極材料および固体電解質材料の塗れ広がりを抑制し、材料塗工時の負極と正極の短絡を抑制することができる。負極102、固体電解質膜103、および正極104を同じサイズで形成できることで、負極面積が同じ場合の発電有効面積を拡大することができる。この態様ではまた、負極102、固体電解質膜103、および正極104の積層に段差がないため、膜電極接合体100をプレスする工程(D)において、負極102、固体電解質膜103、および正極104を全体的に均一に良好にプレスすることができる。
In the design modification example shown in FIG. 7, it is possible to suppress the spread of the electrode material and the solid electrolyte material, and to suppress the short circuit between the negative electrode and the positive electrode during material coating. By forming the
図7に示す設計変更例においても、図6に示した設計変更例と同様、スリット工程においては、負極102、固体電解質膜103、および絶縁材105の多層を切断せずに、基材101と絶縁材105のみを切断することができる(切断線L1〜L3を参照されたい。)。この方法では、図6に示した設計変更例と同様、せん断力が下まで良好に伝わることでスムーズに切断を行うことができ、層間剥離および電極スリット異物の落下を抑制することができる。
In the design change example shown in FIG. 7, similarly to the design change example shown in FIG. 6, in the slitting step, the
以上説明したように、本発明によれば、負極の形成部と非形成部の両部に対して、共通のスリット条件でスリット工程を実施することが可能な膜電極接合体の製造方法を提供することができる。
本発明の製造方法では、基材の負極非形成部の一部に絶縁材が形成されるので、基材の露出が従来より少なく、基材から異物が生じるのを抑制することができる。
本発明の製造方法では、各正極の長手方向(基材の搬送方向)に平行な両端部の隣りに平面視ライン状の絶縁材を形成する工程(X)において、平面視ライン状の絶縁材を基材の負極非形成部まで引き延ばす。この方法では、ワークの刃またはプレスロールへの噛み込みを抑制し、刃またはプレスロールの回転速度の低下およびこれによる品質不良を抑制することができる。この方法ではまた、膜電極接合体に対するプレスロールの入退の衝撃を緩やかにし、膜電極接合体の圧縮を抑制し、膜電極接合体の屈曲、シワ、およびプレス割れを抑制することができる。
As described above, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a membrane electrode assembly capable of performing a slit process under common slit conditions for both a formed portion and a non-formed portion of the negative electrode. can do.
In the production method of the present invention, since the insulating material is formed on a part of the negative electrode non-forming portion of the base material, the exposure of the base material is less than before, and it is possible to suppress the generation of foreign matter from the base material.
In the manufacturing method of the present invention, in the step (X) of forming a plan view line-shaped insulating material next to both ends parallel to the longitudinal direction of each positive electrode (base material transport direction), the plan view line-shaped insulating material is formed. Is stretched to the non-negative electrode forming portion of the base material. In this method, it is possible to suppress the biting of the work into the blade or the press roll, and to suppress the decrease in the rotation speed of the blade or the press roll and the resulting quality defect. In this method, the impact of the press roll entering and exiting the membrane electrode assembly can be moderated, compression of the membrane electrode assembly can be suppressed, and bending, wrinkles, and press cracking of the membrane electrode assembly can be suppressed.
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、適宜設計変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be appropriately changed as long as the gist of the present invention is not deviated.
100 膜電極接合体
101 基材
101N 基材の負極非形成部
102 負極
103 固体電解質膜
104 正極
105 絶縁材
LM1 第1の積層体
LM2 第2の積層体
100
Claims (1)
帯状の基材上に、当該基材の長手方向に沿って、間隔を空けて複数の負極を形成する工程(A)と、
個々の前記負極上に、固体電解質膜と、複数条の正極とを順次積層する工程(B)と、
前記基材、前記負極、前記固体電解質膜、および前記複数条の正極を含む積層体と、前記基材の負極非形成部とを、複数条にスリットする工程(C)とを有し、
さらに、工程(C)を実施する前に、前記基材の前記負極非形成部の表面において、少なくとも工程(C)の切断線上に絶縁材を形成する工程(X)を有する、膜電極接合体の製造方法。 A method for manufacturing a membrane electrode assembly including a negative electrode, a solid electrolyte membrane, and a positive electrode.
A step (A) of forming a plurality of negative electrodes at intervals along the longitudinal direction of the base material on the strip-shaped base material, and
A step (B) of sequentially laminating a solid electrolyte membrane and a plurality of positive electrodes on each of the negative electrodes.
It has a step (C) of slitting a laminate containing the base material, the negative electrode, the solid electrolyte membrane, and the positive electrode of the plurality of rows into a plurality of rows of a non-negative electrode forming portion of the base material.
Further, a membrane electrode assembly having a step (X) of forming an insulating material on the surface of the negative electrode non-forming portion of the base material at least on the cutting line of the step (C) before carrying out the step (C). Manufacturing method.
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