JP2021152991A

JP2021152991A - Method for manufacturing fuel cell

Info

Publication number: JP2021152991A
Application number: JP2020052366A
Authority: JP
Inventors: 哲平池田; Teppei Ikeda; 忠司川本; Tadashi Kawamoto; 達也浅井; Tatsuya Asai; 和也大津; Kazuya Otsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-09-30

Abstract

To provide a technology for a method of manufacturing a fuel cell that can suppress breaking of a gas diffusion layer during joining and ensure the joining strength.SOLUTION: A method for manufacturing a fuel cell includes a step of drawing out a gas diffusion layer wound on a first roll, and a step of pinching and pressing the gas diffusion layer and a membrane catalyst assembly containing an electrolyte membrane and a catalyst layer by joint rolls. A tension with which the gas diffusion layer is drawn out is 80 N or more, and the press pressure of the joint rolls is 1.8 MPa or more and 3.2 MPa or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、燃料電池の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a fuel cell.

燃料電池の一態様として、膜電極接合体の両面にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体が知られている。膜電極ガス拡散層接合体の製造方法の一例として、以下の方法が挙げられる。まず、電解質膜と第１触媒層の接合体が、第１ガス拡散層と熱加圧されることで接合され、接合体が製造される。次に、接合体に第２触媒層が転写され、その後第２ガス拡散層が接合される。この際、触媒層やガス拡散層等は、それぞれ別のロールに巻かれた状態で準備される。触媒層やガス拡散層はロールから引き出され、接合ロールによって互いが向かい合いながら挟まれて、熱加圧されることで接合される。 As one aspect of the fuel cell, a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which gas diffusion layers are bonded to both sides of the membrane electrode assembly is known. The following methods can be mentioned as an example of a method for producing a membrane electrode gas diffusion layer bonded body. First, the bonded body of the electrolyte membrane and the first catalyst layer is bonded to the first gas diffusion layer by heat pressurization, and the bonded body is manufactured. Next, the second catalyst layer is transferred to the bonded body, and then the second gas diffusion layer is bonded. At this time, the catalyst layer, the gas diffusion layer, and the like are prepared in a state of being wound on different rolls. The catalyst layer and the gas diffusion layer are drawn out from the roll, sandwiched by the bonding roll while facing each other, and bonded by heat pressurization.

特許文献１では、膜電極接合体が帯状に連続している帯状部材に対して、ガス拡散層を接合する技術が提示されている。特許文献１では、ガス拡散層と接合される前の帯状部材の張力を制御することで、帯状部材の伸縮を抑制している。 Patent Document 1 presents a technique for joining a gas diffusion layer to a band-shaped member in which a membrane electrode assembly is continuous in a band shape. In Patent Document 1, the expansion and contraction of the band-shaped member is suppressed by controlling the tension of the band-shaped member before it is joined to the gas diffusion layer.

特開２０１４−２０３８０２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-203802

図８は、従来における膜電極ガス拡散層接合体の製造方法の一例を説明する図である。ガス拡散層３１０は、カーボンペーパーやカーボンクロス等のガス拡散層基材の表面に樹脂を含浸し、加熱処理を行うことで製造することができる。ガス拡散層３１０は燃料電池の発電のための各種ガスを透過させる必要があるため、ガス拡散層３１０の樹脂密度は、ガス拡散層基材中における位置によらず一定であることが求められる。しかし、含浸や加熱の際に、ガス拡散層３１０の樹脂密度にムラが発生することがある。ガス拡散層３１０の樹脂密度にムラがあると、接合ロール３２０による引き出しの際に、ガス拡散層３１０が蛇行するおそれがある（図８破線枠内参照）。ガス拡散層３１０の蛇行が発生すると、電解質膜３３０と触媒層３４０の接合体３５０との接合前に、接合ロール３２０からガス拡散層３１０が離れて折れ曲がり、そのまま接合ロール３２０によってプレスされる。浮いたガス拡散層３１０が過剰になると、接合ロールにプレスされた際にガス拡散層３１０が折れる可能性があった。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a conventional method for manufacturing a membrane electrode gas diffusion layer bonded body. The gas diffusion layer 310 can be manufactured by impregnating the surface of a gas diffusion layer base material such as carbon paper or carbon cloth with a resin and performing a heat treatment. Since the gas diffusion layer 310 needs to permeate various gases for power generation of the fuel cell, the resin density of the gas diffusion layer 310 is required to be constant regardless of the position in the gas diffusion layer base material. However, the resin density of the gas diffusion layer 310 may be uneven during impregnation or heating. If the resin density of the gas diffusion layer 310 is uneven, the gas diffusion layer 310 may meander when it is pulled out by the bonding roll 320 (see the inside of the broken line frame in FIG. 8). When the gas diffusion layer 310 meanders, the gas diffusion layer 310 is bent away from the bonding roll 320 before the bonding body 350 of the electrolyte membrane 330 and the catalyst layer 340 is bonded, and the gas diffusion layer 310 is pressed as it is by the bonding roll 320. If the floating gas diffusion layer 310 becomes excessive, the gas diffusion layer 310 may break when pressed on the bonding roll.

また、ガス拡散層３１０は、接合体３５０よりも、もろいことが知られている。そのため、ガス拡散層３１０と、接合体３５０との接合時に、一対の接合ロール３２０によるプレス圧力が大きすぎると、ガス拡散層３１０のみが折れることがある。しかし、プレス圧力が小さすぎると、接合強度が低下する心配があった。 Further, the gas diffusion layer 310 is known to be more brittle than the bonded body 350. Therefore, when the gas diffusion layer 310 and the bonded body 350 are joined, if the press pressure by the pair of bonding rolls 320 is too large, only the gas diffusion layer 310 may break. However, if the press pressure is too small, there is a concern that the joint strength will decrease.

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。 The present disclosure can be realized in the following forms.

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池の製造方法が提供される。この燃料電池の製造方法は、第１ロールに巻かれたガス拡散層を引き出す工程と、引き出されたガス拡散層と、電解質膜と触媒層を含む膜触媒接合体を接合ロールで挟み、加熱してプレスする工程と、を備え、ガス拡散層が引き出される張力が、８０Ｎ以上であり、かつ、接合ロールのプレス圧力が１．８ＭＰａ以上３．２ＭＰａ以下である。このような態様においては、ガス拡散層が引き出される張力を８０Ｎ以上とすることで、引き出されるガス拡散層が蛇行することを抑制することができる。また、プレス圧力を１．８ＭＰａ以上とすることで、膜触媒接合体とガス拡散層との接合強度を担保することができる。さらに、プレス圧力を３．２ＭＰａ以下とすることで、接合時にガス拡散層が折れることを抑制することができる。 (1) According to one form of the present disclosure, a method for manufacturing a fuel cell is provided. In this method of manufacturing a fuel cell, a step of pulling out the gas diffusion layer wound on the first roll, a membrane catalyst bonding body including the drawn gas diffusion layer, an electrolyte membrane and a catalyst layer are sandwiched between bonding rolls and heated. The pressure for drawing out the gas diffusion layer is 80 N or more, and the press pressure of the bonding roll is 1.8 MPa or more and 3.2 MPa or less. In such an embodiment, by setting the tension at which the gas diffusion layer is drawn out to 80 N or more, it is possible to prevent the drawn gas diffusion layer from meandering. Further, by setting the press pressure to 1.8 MPa or more, the bonding strength between the membrane catalyst bonding body and the gas diffusion layer can be ensured. Further, by setting the press pressure to 3.2 MPa or less, it is possible to prevent the gas diffusion layer from breaking at the time of joining.

本開示の燃料電池の概略構成図。The schematic block diagram of the fuel cell of this disclosure. 燃料電池の製造に用いる燃料電池構成装置の要部の構成を模式的に示す説明図。The explanatory view which shows typically the structure of the main part of the fuel cell component device used for manufacturing a fuel cell. 燃料電池の製造方法を示す工程図。The process chart which shows the manufacturing method of a fuel cell. 引出張力と、プレス圧力と、折れ不良率と、接合強度の関係を示した表。A table showing the relationship between pull-out tension, press pressure, breakage defect rate, and joint strength. 引出張力と折れ不良率の関係を表したグラフ。A graph showing the relationship between the pull-out tension and the breakage defect rate. プレス圧力と折れ不良率との関係を表したグラフ。A graph showing the relationship between the press pressure and the breakage defect rate. プレス圧力と接合強度との関係を表したグラフ。A graph showing the relationship between press pressure and joint strength. 従来における膜電極ガス拡散層接合体の製造方法の一例を説明する図。The figure explaining an example of the manufacturing method of the conventional membrane electrode gas diffusion layer bonded body.

Ａ１.燃料電池１０の構成：
図１は、本開示の燃料電池１０の概略構成図である。図１では、燃料電池１０の一部の断面構造を、模式的に示している。燃料電池１０は、外部から酸化ガスである酸素ガスと、燃料ガスである水素ガスの供給を受けることにより発電する。燃料電池１０は、ＭＥＡ１００（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、第１ガス拡散層１１０と、第２ガス拡散層１２０と、を備える。 A1. Configuration of fuel cell 10:
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the fuel cell 10 of the present disclosure. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a part of the fuel cell 10. The fuel cell 10 generates power by receiving the supply of oxygen gas, which is an oxidation gas, and hydrogen gas, which is a fuel gas, from the outside. The fuel cell 10 includes a MEA 100 (Membrane Electrode Assembly), a first gas diffusion layer 110, and a second gas diffusion layer 120.

ＭＥＡ１００は、電解質膜１０１と、第１触媒層１０２と、第２触媒層１０３と、を有している。電解質膜１０１と第１触媒層１０２との接合体を、膜触媒接合体１３０とよぶ。電解質膜１０１は、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性を有するイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施形態において、第１触媒層１０２は、アノード側の電極反応が進行する場である。第１触媒層１０２は、電解質膜１０１の一方の面に接する。第２触媒層１０３は、カソード側の電極反応が進行する場である。第２触媒層１０３は、電解質膜１０１の他方の面に接する。第１触媒層１０２と第２触媒層１０３は、いずれも電解質膜１０１との接触面の近傍に白金や白金合金等の触媒を担持した触媒担持カーボンを含んでいる。 The MEA 100 has an electrolyte membrane 101, a first catalyst layer 102, and a second catalyst layer 103. The junction between the electrolyte membrane 101 and the first catalyst layer 102 is called the membrane catalyst junction 130. The electrolyte membrane 101 is an ion exchange membrane having proton conductivity formed of a solid polymer material, for example, a fluororesin containing perfluorocarbon sulfonic acid, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In the present embodiment, the first catalyst layer 102 is a place where the electrode reaction on the anode side proceeds. The first catalyst layer 102 is in contact with one surface of the electrolyte membrane 101. The second catalyst layer 103 is a place where the electrode reaction on the cathode side proceeds. The second catalyst layer 103 is in contact with the other surface of the electrolyte membrane 101. Both the first catalyst layer 102 and the second catalyst layer 103 contain catalyst-supported carbon in which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported in the vicinity of the contact surface with the electrolyte film 101.

第１ガス拡散層１１０は、外部から導入された水素ガスを第１触媒層１０２に供給する。第１触媒層１０２の、電解質膜１０１と接する面の反対側の面において、第１ガス拡散層１１０は、第１触媒層１０２と接している。第２ガス拡散層１２０は、外部から導入された酸素ガスを第２触媒層１０３に供給する。第２触媒層１０３の、電解質膜１０１と接する面の反対側の面において、第２ガス拡散層１２０は、第２触媒層１０３と接している。 The first gas diffusion layer 110 supplies hydrogen gas introduced from the outside to the first catalyst layer 102. The first gas diffusion layer 110 is in contact with the first catalyst layer 102 on the surface of the first catalyst layer 102 opposite to the surface in contact with the electrolyte membrane 101. The second gas diffusion layer 120 supplies oxygen gas introduced from the outside to the second catalyst layer 103. The second gas diffusion layer 120 is in contact with the second catalyst layer 103 on the surface of the second catalyst layer 103 opposite to the surface in contact with the electrolyte membrane 101.

Ａ２．燃料電池１０の製造装置の構成：
図２は、燃料電池１０の製造に用いる燃料電池製造装置２０の要部の構成を模式的に示す説明図である。燃料電池製造装置２０は、第１ロール２１１と、第２ロール２１２と、２つの接合ロール２１３と、テンションロール２１４と、張力制御機構２１５と、冷却ロール２１６と、搬送ロール２１７と、スクレーパー２１８と、巻取ロール２１９と、制御部２３０と、を備えている。 A2. Configuration of the manufacturing apparatus of the fuel cell 10:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of a main part of the fuel cell manufacturing apparatus 20 used for manufacturing the fuel cell 10. The fuel cell manufacturing apparatus 20 includes a first roll 211, a second roll 212, two joining rolls 213, a tension roll 214, a tension control mechanism 215, a cooling roll 216, a transport roll 217, and a scraper 218. , A take-up roll 219 and a control unit 230.

燃料電池製造装置２０は、第１ロール２１１から接合ロール２１３によって引き出された第１ガス拡散層１１０を搬送しながら、接合ロール２１３によって膜触媒接合体１３０と第１ガス拡散層１１０とを接合させ、後述するバックシート２２１を剥がした後に、さらに図示しない転写装置によって第２触媒層１０３を転写した後にロール状に巻き取る、いわゆるロールＴＯロール方式の装置である。第１ロール２１１と、第２ロール２１２と、接合ロール２１３と、冷却ロール２１６と、搬送ロール２１７と、巻取ロール２１９は、それぞれ図示しないモータによって駆動され、細線の矢印の方向に回転する。また、第１ロール２１１と、第２ロール２１２と、２つの接合ロール２１３と、テンションロール２１４と、張力制御機構２１５と、冷却ロール２１６と、搬送ロール２１７と、スクレーパー２１８と、巻取ロール２１９とは、制御部２３０によって制御されている。 The fuel cell manufacturing apparatus 20 joins the membrane catalyst bonding body 130 and the first gas diffusion layer 110 by the joining roll 213 while transporting the first gas diffusion layer 110 drawn out from the first roll 211 by the joining roll 213. This is a so-called roll TO roll type device in which the back sheet 221 described later is peeled off, the second catalyst layer 103 is further transferred by a transfer device (not shown), and then wound into a roll. The first roll 211, the second roll 212, the joining roll 213, the cooling roll 216, the transport roll 217, and the take-up roll 219 are each driven by a motor (not shown) and rotate in the direction of the arrow of the thin line. Further, the first roll 211, the second roll 212, the two joining rolls 213, the tension roll 214, the tension control mechanism 215, the cooling roll 216, the transport roll 217, the scraper 218, and the take-up roll 219. Is controlled by the control unit 230.

第１ロール２１１には、第１ガス拡散層１１０が巻かれている。第１ロール２１１が回転することによって、第１ガス拡散層１１０が引き出される。 A first gas diffusion layer 110 is wound around the first roll 211. The rotation of the first roll 211 pulls out the first gas diffusion layer 110.

第２ロール２１２には、膜触媒接合体１３０が巻かれている。第２ロール２１２が回転することによって、膜触媒接合体１３０が引き出される。なお、膜触媒接合体１３０は、バックシート２２１と、その表面にコーティングされた離型層２２２の上に形成されている。バックシート２２１としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル系、ポリスチレン等の高分子フィルムが用いられている。離型層２２２としては、ポリオレフィン系離型材が使用される。ポリオレフィン系離型材は、ポリオレフィン（ポリエチレンやポリプロピレン）のみから形成してもよく、他の成分、例えばイソシアネート、ポリオレフィンポリオールおよびウレタン化触媒等、をポリオレフィンに添加して離型材を形成してもよい。 The membrane catalyst junction 130 is wound around the second roll 212. The membrane catalyst junction 130 is pulled out by rotating the second roll 212. The membrane catalyst junction 130 is formed on the back sheet 221 and the release layer 222 coated on the surface thereof. As the back sheet 221, for example, a polyester-based film such as polyethylene terephthalate or polyethylene naphthalate, or a polymer film such as polystyrene is used. As the release layer 222, a polyolefin-based release material is used. The polyolefin-based mold release material may be formed only from polyolefin (polyethylene or polypropylene), or other components such as isocyanate, polyolefin polyol, and urethanization catalyst may be added to the polyolefin to form the mold release material.

接合ロール２１３は、第１ロール２１１から第１ガス拡散層１１０を引き出し、また、第２ロール２１２から膜触媒接合体１３０を引き出す。接合ロール２１３は、第１ガス拡散層１１０と膜触媒接合体１３０とを接合する。具体的には、第１ガス拡散層１１０と膜触媒接合体１３０は、２つの接合ロール２１３によって挟み込まれ、加圧点ＰＰにおいて加熱され、プレスされることによって接合される。より具体的には、膜触媒接合体１３０の第１触媒層１０２と、第１ガス拡散層１１０とが向かいあった状態でプレスされる。加圧点ＰＰとは、２つの接合ロール２１３が接する箇所のことをいう。膜触媒接合体１３０とバックシート２２１と離型層２２２と第１ガス拡散層１１０との接合体を、第１接合体１４０とよぶ。２つの接合ロール２１３は、対向して配されている。 The bonding roll 213 draws out the first gas diffusion layer 110 from the first roll 211, and also draws out the membrane catalyst bonded body 130 from the second roll 212. The bonding roll 213 bonds the first gas diffusion layer 110 and the membrane catalyst bonded body 130. Specifically, the first gas diffusion layer 110 and the membrane catalyst junction 130 are sandwiched by two bonding rolls 213, heated at the pressure point PP, and pressed to be bonded. More specifically, the first catalyst layer 102 of the membrane catalyst junction 130 and the first gas diffusion layer 110 are pressed so as to face each other. The pressurizing point PP means a point where the two joining rolls 213 come into contact with each other. The bonded body of the membrane catalyst bonded body 130, the back sheet 221 and the release layer 222 and the first gas diffusion layer 110 is called the first bonded body 140. The two joining rolls 213 are arranged so as to face each other.

テンションロール２１４は、第１ロール２１１から送り出された第１ガス拡散層１１０の張力を検出する。具体的には、テンションロール２１４は、テンションロール２１４が第１ガス拡散層１１０から受ける反力に基づいて、第１ガス拡散層１１０の張力を検出する。張力制御機構２１５は、テンションロール２１４にて検出される張力が予め定められた目標張力となるように、接合ロール２１３の回転数に対する第１ロール２１１の回転数をフィードバック制御する。 The tension roll 214 detects the tension of the first gas diffusion layer 110 sent out from the first roll 211. Specifically, the tension roll 214 detects the tension of the first gas diffusion layer 110 based on the reaction force that the tension roll 214 receives from the first gas diffusion layer 110. The tension control mechanism 215 feedback-controls the rotation speed of the first roll 211 with respect to the rotation speed of the joining roll 213 so that the tension detected by the tension roll 214 becomes a predetermined target tension.

冷却ロール２１６は、矢印方向に回転することによって、第１接合体１４０を白抜き矢印Ｃで示す搬送方向に沿って搬送する。第１接合体１４０は、冷却ロール２１６に沿って搬送される過程で、室温で冷やされる。スクレーパー２１８は、離型層２２２とバックシート２２１を、電解質膜１０１から剥離する。搬送ロール２１７は、矢印方向に回転することによって、剥離された離型層２２２とバックシート２２１を白抜き矢印Ｄで示す搬送方向に沿って搬送する。巻取ロール２１９は、離型層２２２とバックシート２２１を、巻き取ることによって回収する。 By rotating in the direction of the arrow, the cooling roll 216 transports the first joint 140 along the transport direction indicated by the white arrow C. The first bonded body 140 is cooled at room temperature in the process of being conveyed along the cooling roll 216. The scraper 218 peels the release layer 222 and the back sheet 221 from the electrolyte membrane 101. The transport roll 217 rotates in the direction of the arrow to transport the peeled release layer 222 and the back sheet 221 along the transport direction indicated by the white arrow D. The take-up roll 219 collects the release layer 222 and the back sheet 221 by winding them up.

制御部２３０は、燃料電池製造装置２０の動作を制御する。制御部２３０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成される。 The control unit 230 controls the operation of the fuel cell manufacturing apparatus 20. The control unit 230 is composed of a microcomputer including a central processing unit and a main storage device.

Ａ３．燃料電池１０の製造方法：
図３は、燃料電池１０の製造方法を示す工程図である。燃料電池１０の製造は、図２に示す燃料電池製造装置２０と、図示しない焼成炉と乾燥機と第２触媒層転写装置及び第２ガス拡散層接合装置を用いて実行される。 A3. Manufacturing method of fuel cell 10:
FIG. 3 is a process diagram showing a method for manufacturing the fuel cell 10. The production of the fuel cell 10 is performed using the fuel cell manufacturing apparatus 20 shown in FIG. 2, a firing furnace and a dryer (not shown), a second catalyst layer transfer apparatus, and a second gas diffusion layer joining apparatus.

ステップＳ１００において、燃料電池１０を製造するための各種材料が準備される。具体的には、第１基材に、ダイヘッドによってＭＰＬ塗工液が塗布される。第１基材としては、カーボンペーパーやカーボンクロスのようなシート状の多孔質な基材が用いられる。第１基材は、電子伝導性、ガス透過性および排水性を有する。ＭＰＬ塗工液には、例えば、カーボンブラック等の導電性材料、親水性を付与するための界面活性剤、ポリテトラフルオロエチレンの撥水性樹脂等が含まれる。ＭＰＬ塗工液の材料には、水に均一に分散し安定させるために、分散剤や増粘剤が配合される。 In step S100, various materials for manufacturing the fuel cell 10 are prepared. Specifically, the MPL coating liquid is applied to the first base material by the die head. As the first base material, a sheet-like porous base material such as carbon paper or carbon cloth is used. The first substrate has electron conductivity, gas permeability and drainage. The MPL coating liquid includes, for example, a conductive material such as carbon black, a surfactant for imparting hydrophilicity, a water-repellent resin of polytetrafluoroethylene, and the like. A dispersant and a thickener are blended in the material of the MPL coating liquid in order to uniformly disperse and stabilize in water.

焼成炉内においてＭＰＬ塗工液が塗布された第１基材が乾燥されることによって、第１基材上に第１ガス拡散層１１０が形成される。第２ガス拡散層１２０は、第１ガス拡散層１１０と同様の手順で形成される。形成された第１ガス拡散層１１０は、第１ロール２１１に対し、ロール状に巻かれる。 The first gas diffusion layer 110 is formed on the first base material by drying the first base material coated with the MPL coating liquid in the firing furnace. The second gas diffusion layer 120 is formed in the same procedure as the first gas diffusion layer 110. The formed first gas diffusion layer 110 is wound around the first roll 211 in a roll shape.

上述の準備とは別に、バックシート２２１上の離型層２２２の上に形成された電解質膜１０１と、第１触媒層１０２とが接合されることによって、膜触媒接合体１３０が準備される。第１触媒層１０２と電解質膜１０１との接合には、例えばホットプレスが用いられる。形成された膜触媒接合体１３０は、第２ロール２１２に対し、ロール状に巻かれる（図２の左上部参照）。 Apart from the above preparation, the membrane catalyst junction 130 is prepared by joining the electrolyte membrane 101 formed on the release layer 222 on the back sheet 221 and the first catalyst layer 102. For joining the first catalyst layer 102 and the electrolyte membrane 101, for example, a hot press is used. The formed membrane catalyst junction 130 is wound around the second roll 212 in a roll shape (see the upper left portion of FIG. 2).

ステップＳ２００において、第１ガス拡散層１１０が第１ロール２１１から引き出され、白抜き矢印Ａの方向に沿って搬送される（図２の右上部参照）。本実施形態においては、第１ガス拡散層１１０の幅方向の寸法は３００ｍｍ、長手方向の寸法は１００ｍ、厚さは１００μｍである。第１ガス拡散層１１０としては、幅方向の寸法が１００ｍｍから５００ｍｍ、長手方向の寸法が１００ｍｍから１０００ｍ、厚さが５０μｍから５００μｍのものを用いることができる。 In step S200, the first gas diffusion layer 110 is pulled out from the first roll 211 and conveyed along the direction of the white arrow A (see the upper right part of FIG. 2). In the present embodiment, the width direction dimension of the first gas diffusion layer 110 is 300 mm, the longitudinal dimension is 100 m, and the thickness is 100 μm. As the first gas diffusion layer 110, one having a width direction dimension of 100 mm to 500 mm, a longitudinal dimension of 100 mm to 1000 m, and a thickness of 50 μm to 500 μm can be used.

第１ロール２１１から引き出された第１ガス拡散層１１０の、接合ロール２１３までの長さが、３．０ｍとなるように、第１ガス拡散層１１０は第１ロール２１１から引き出される。第１ガス拡散層１１０が引き出された際に、テンションロール２１４によって、第１ガス拡散層１１０の張力が測定される。そして、張力データが制御部２３０に送られる。制御部２３０は、第１ガス拡散層１１０が引き出される張力（以下、引出張力）の目標張力を保持するように、張力制御機構２１５に対し指示する。引出張力が８０Ｎ以上となるように、張力制御機構２１５によって、第１ロール２１１の回転速度が制御される。 The first gas diffusion layer 110 is drawn from the first roll 211 so that the length of the first gas diffusion layer 110 drawn from the first roll 211 up to the joining roll 213 is 3.0 m. When the first gas diffusion layer 110 is pulled out, the tension of the first gas diffusion layer 110 is measured by the tension roll 214. Then, the tension data is sent to the control unit 230. The control unit 230 instructs the tension control mechanism 215 to hold the target tension of the tension (hereinafter referred to as the withdrawal tension) from which the first gas diffusion layer 110 is drawn out. The rotation speed of the first roll 211 is controlled by the tension control mechanism 215 so that the withdrawal tension is 80 N or more.

ステップＳ３００において、第１ガス拡散層１１０と膜触媒接合体１３０とが接合される（図２の中央部参照）。具体的には、膜触媒接合体１３０が、白抜き矢印Ｂで示す搬送方向に沿って搬送される。次に、第１ガス拡散層１１０と、膜触媒接合体１３０の第１触媒層１０２とが、向かい合った状態で接合ロール２１３に送り込まれる。次に、第１ガス拡散層１１０と膜触媒接合体１３０とが、加圧点ＰＰにおいて加熱された状態でプレスされる。加熱の温度は、１４０度から１６０度の間の任意の温度とする。これにより、第１接合体１４０が形成される。第１ガス拡散層１１０と膜触媒接合体１３０とが加圧点ＰＰにおいて接合ロール２１３から受けるプレス圧力が、１．８ＭＰａ以上３．２ＭＰａ以下となるように、第１ロール２１１が、張力制御機構２１５によって制御される。 In step S300, the first gas diffusion layer 110 and the membrane catalyst junction 130 are bonded (see the central portion of FIG. 2). Specifically, the membrane catalyst junction 130 is transported along the transport direction indicated by the white arrow B. Next, the first gas diffusion layer 110 and the first catalyst layer 102 of the membrane catalyst bonding body 130 are sent to the bonding roll 213 in a state of facing each other. Next, the first gas diffusion layer 110 and the membrane catalyst junction 130 are pressed in a heated state at the pressure point PP. The heating temperature is any temperature between 140 ° C and 160 ° C. As a result, the first junction 140 is formed. The tension control mechanism of the first roll 211 is such that the press pressure received from the bonding roll 213 at the pressure point PP between the first gas diffusion layer 110 and the membrane catalyst bonding body 130 is 1.8 MPa or more and 3.2 MPa or less. It is controlled by 215.

ステップＳ４００において、第１接合体１４０が冷却ロール２１６によって搬送されることで、冷却される（図２の中央部参照）。本実施形態において、冷却の温度は室温である。冷却ロール２１６によって冷却された第１接合体１４０は、図２において白抜き矢印Ｃで示す搬送方向に沿って搬送される。 In step S400, the first joint 140 is cooled by being conveyed by the cooling roll 216 (see the central portion of FIG. 2). In this embodiment, the cooling temperature is room temperature. The first bonded body 140 cooled by the cooling roll 216 is conveyed along the conveying direction indicated by the white arrow C in FIG.

ステップＳ５００において、スクレーパー２１８によって、第１接合体１４０から離型層２２２とバックシート２２１が剥離される（図２の左下部参照）。具体的には、第１接合体１４０の、電解質膜１０１と離型層２２２との間にスクレーパー２１８の刃先が押し当てられ、離型層２２２と電解質膜１０１とが切り離される。これにより、電解質膜１０１と、第１触媒層１０２と、第１ガス拡散層１１０とが接合した、第２接合体１５０が形成される。同時に、剥離された離型層２２２とバックシート２２１が、搬送ロール２１７によって白抜き矢印Ｄの示す搬送方向に沿って搬送される。離型層２２２とバックシート２２１は、巻取ロール２１９によって巻き取られる。第２接合体１５０は、白抜き矢印Ｅの示す搬送方向に沿って搬送される。 In step S500, the release layer 222 and the back sheet 221 are peeled from the first joint 140 by the scraper 218 (see the lower left of FIG. 2). Specifically, the cutting edge of the scraper 218 is pressed between the electrolyte membrane 101 and the release layer 222 of the first bonded body 140, and the release layer 222 and the electrolyte membrane 101 are separated from each other. As a result, the second bonded body 150 is formed in which the electrolyte membrane 101, the first catalyst layer 102, and the first gas diffusion layer 110 are bonded. At the same time, the peeled release layer 222 and the back sheet 221 are conveyed by the transfer roll 217 along the transfer direction indicated by the white arrow D. The release layer 222 and the back sheet 221 are wound by the winding roll 219. The second bonded body 150 is conveyed along the conveying direction indicated by the white arrow E.

ステップＳ６００においては、第２触媒層１０３が第２接合体１５０に転写される。具体的には、転写シートに塗布された第２触媒層１０３が、図示しない第３巻出ロールから巻き出される。次に、第２触媒層転写装置によって、第２触媒層１０３が転写シートから第２接合体１５０へと転写される。これにより、第２接合体１５０と第２触媒層１０３とが接合した、第３接合体１６０が形成される。また、この際に第３接合体１６０が枚葉状に切断される。第３接合体１６０は、１０ｃｍから１５ｃｍの間の任意の長さに切断される。 In step S600, the second catalyst layer 103 is transferred to the second junction 150. Specifically, the second catalyst layer 103 applied to the transfer sheet is unwound from a third unwinding roll (not shown). Next, the second catalyst layer 103 is transferred from the transfer sheet to the second junction 150 by the second catalyst layer transfer device. As a result, the third bonded body 160 is formed in which the second bonded body 150 and the second catalyst layer 103 are bonded. At this time, the third junction 160 is cut into a single leaf shape. The third junction 160 is cut to any length between 10 cm and 15 cm.

ステップＳ７００においては、枚葉状に切断された第３接合体１６０と第２ガス拡散層１２０が、第２ガス拡散層接合装置によって接合される。ステップＳ３００と同様に、２つの対向するロールの間に第３接合体１６０の第２触媒層１０３と、第２ガス拡散層１２０とが向き合うように挟まれ、加熱プレスされることで、第３接合体１６０と第２ガス拡散層１２０とが接合される。このようにして、第３接合体１６０と第２ガス拡散層１２０とが接合され、燃料電池１０が形成される。 In step S700, the third bonded body 160 and the second gas diffusion layer 120 cut in a single-wafer shape are joined by the second gas diffusion layer joining device. Similar to step S300, the second catalyst layer 103 of the third junction 160 and the second gas diffusion layer 120 are sandwiched between the two opposing rolls so as to face each other, and are heat-pressed to form a third. The bonded body 160 and the second gas diffusion layer 120 are bonded. In this way, the third junction 160 and the second gas diffusion layer 120 are joined to form the fuel cell 10.

Ａ４．実施例：
図４は、引出張力（Ｎ）と、プレス圧力（ＭＰａ）と、折れ不良率（％）と、接合強度（Ｎ／ｍ）の関係を示した表である。プレス圧力とは、膜触媒接合体１３０と第１ガス拡散層１１０が、加圧点ＰＰにおいて接合ロール２１３から受ける圧力をいう。折れ不良率とは、ステップＳ６００において切断された第３接合体１６０の全数のうち、第１ガス拡散層１１０が折れたものの割合である。接合強度とは、第１ガス拡散層１１０と膜触媒接合体１３０との接合の強さを表したものである。 A4. Example:
FIG. 4 is a table showing the relationship between the pull-out tension (N), the press pressure (MPa), the bending defect rate (%), and the joint strength (N / m). The press pressure refers to the pressure that the membrane catalyst junction 130 and the first gas diffusion layer 110 receive from the junction roll 213 at the pressurization point PP. The breakage defect rate is the ratio of the first gas diffusion layer 110 to which the first gas diffusion layer 110 is broken out of the total number of the third bonded bodies 160 cut in step S600. The bonding strength represents the bonding strength between the first gas diffusion layer 110 and the membrane catalyst bonded body 130.

図４に示すように、サンプル１からサンプル１０は、引出張力とプレス圧力がそれぞれ異なる。まず、サンプル１からサンプル６までは、プレス圧力が３．０ＭＰａで固定であり、引出張力が異なる。具体的には、サンプル１の引出張力が２０Ｎであり、サンプル２の引出張力が４０Ｎであり、サンプル３の引出張力が４５Ｎであり、サンプル４の引出張力が６０Ｎであり、サンプル５の引出張力が８０Ｎであり、サンプル６の引出張力が９５Ｎである。 As shown in FIG. 4, the withdrawal tension and the press pressure of the samples 1 to 10 are different from each other. First, from sample 1 to sample 6, the press pressure is fixed at 3.0 MPa, and the withdrawal tension is different. Specifically, the withdrawal tension of sample 1 is 20N, the withdrawal tension of sample 2 is 40N, the withdrawal tension of sample 3 is 45N, the withdrawal tension of sample 4 is 60N, and the withdrawal tension of sample 5 is. Is 80N, and the withdrawal tension of sample 6 is 95N.

サンプル６からサンプル１０までは、引出張力が９５Ｎで固定であり、プレス圧力が異なる。具体的には、サンプル７のプレス圧力が１．５ＭＰａであり、サンプル８のプレス圧力が２．０ＭＰａであり、サンプル９のプレス圧力が２．５ＭＰａであり、サンプル１０のプレス圧力が３．５ＭＰａである。 From sample 6 to sample 10, the withdrawal tension is fixed at 95 N, and the press pressure is different. Specifically, the press pressure of the sample 7 is 1.5 MPa, the press pressure of the sample 8 is 2.0 MPa, the press pressure of the sample 9 is 2.5 MPa, and the press pressure of the sample 10 is 3.5 MPa. Is.

予め定められた折れ不良率をＡ％とし、折れ不良率がＡ％以下である場合を可、Ａ％よりも大きい場合を否として評価する。また、予め定められた接合強度をＢ（Ｎ／ｍ）とし、接合強度がＢ（Ｎ／ｍ）以上である場合を可、Ｂ（Ｎ／ｍ）よりも小さい場合を否として評価する。接合強度がＢ（Ｎ／ｍ）よりも小さい場合、ステップＳ７００の第２ガス拡散層１２０の接合時において、第２ガス拡散層接合装置が持ち上げられる際に第１ガス拡散層１１０が第１触媒層１０２から剥がれてしまうおそれがある。図４の表においては、折れ不良率がＡ％以下である場合及び接合強度がＢ（Ｎ／ｍ）以上である場合を〇、折れ不良率がＡ％よりも大きい場合及び接合強度がＢ（Ｎ／ｍ）よりも小さい場合を×とする。 A predetermined break defect rate is defined as A%, and a case where the break defect rate is A% or less is acceptable, and a case where the break defect rate is larger than A% is evaluated as negative. Further, the predetermined bonding strength is defined as B (N / m), and the case where the bonding strength is B (N / m) or more is acceptable, and the case where the bonding strength is smaller than B (N / m) is evaluated as negative. When the bonding strength is smaller than B (N / m), the first gas diffusion layer 110 is the first catalyst when the second gas diffusion layer bonding device is lifted during the bonding of the second gas diffusion layer 120 in step S700. It may be peeled off from the layer 102. In the table of FIG. 4, the case where the breakage defect rate is A% or less and the case where the joint strength is B (N / m) or more is 〇, the case where the breakage defect rate is larger than A%, and the case where the joint strength is B ( When it is smaller than N / m), it is defined as x.

図５は、引出張力と折れ不良率の関係を表したグラフである。図５は、サンプル１ないしサンプル６を用いた結果を示している。図５に示すように、引出張力が大きくなるにしたがって、折れ不良率が小さくなることがわかる。引出張力が８０Ｎの場合、折れ不良率がＡ％となり、９０Ｎの場合、折れ不良率がＡ％よりもさらに低い値となる。これにより、引出張力が８０Ｎ以上とすることで、接合ロール２１３によって引き出される第１ガス拡散層１１０が蛇行することを抑制することができることがわかる。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the pull-out tension and the breakage defect rate. FIG. 5 shows the results using Samples 1 to 6. As shown in FIG. 5, it can be seen that the bending defect rate decreases as the withdrawal tension increases. When the pull-out tension is 80N, the bending defect rate is A%, and when it is 90N, the folding defect rate is even lower than A%. From this, it can be seen that by setting the withdrawal tension to 80 N or more, it is possible to suppress the meandering of the first gas diffusion layer 110 drawn out by the joining roll 213.

図６は、プレス圧力と折れ不良率との関係を表したグラフである。図６は、サンプル６ないしサンプル１０を用いた結果を示している。図６に示すように、引出張力が９５Ｎの場合、プレス圧力が大きくなるにつれて、折れ不良率が大きくなっている。実施結果に応答曲面法を適用することにより、引出張力が９５Ｎの場合、３．２ＭＰａで折れ不良率がＡ％であると算出される（図６の白丸参照）。そのため、３、２ＭＰａをプレス圧力の上限値とする。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the press pressure and the breakage defect rate. FIG. 6 shows the results using Samples 6 to 10. As shown in FIG. 6, when the withdrawal tension is 95 N, the breakage defect rate increases as the press pressure increases. By applying the response surface methodology to the implementation results, it is calculated that when the withdrawal tension is 95 N, the breakage defect rate is A% at 3.2 MPa (see the white circle in FIG. 6). Therefore, 3 or 2 MPa is set as the upper limit of the press pressure.

図７は、プレス圧力と接合強度との関係を表したグラフである。図７は、サンプル６ないしサンプル１０を用いた結果を示している。図７に示すように、プレス圧力に比例して、接合強度が高くなっていることがわかる。実施結果に応答曲面法を適用することにより、プレス圧力が１．８ＭＰａよりも小さい場合、接合強度がＢ（Ｎ／ｍ）よりも小さくなることが算出される（図７の白丸参照）。そのため、プレス圧力の下限値を、１、８ＭＰａとする。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the press pressure and the joint strength. FIG. 7 shows the results using Samples 6 to 10. As shown in FIG. 7, it can be seen that the joint strength increases in proportion to the press pressure. By applying the response surface methodology to the implementation results, it is calculated that when the press pressure is smaller than 1.8 MPa, the joint strength is smaller than B (N / m) (see the white circle in FIG. 7). Therefore, the lower limit of the press pressure is set to 1.8 MPa.

以上の結果から、プレス圧力を１．８ＭＰａ以上とすることで、膜触媒接合体１３０と第１ガス拡散層１１０との接合強度を担保することができる。さらに、プレス圧力を３．２ＭＰａ以下とすることで、接合時に第１ガス拡散層１１０が折れることを抑制することができる。 From the above results, by setting the press pressure to 1.8 MPa or more, the bonding strength between the membrane catalyst bonding body 130 and the first gas diffusion layer 110 can be ensured. Further, by setting the press pressure to 3.2 MPa or less, it is possible to prevent the first gas diffusion layer 110 from breaking at the time of joining.

Ｂ．他の実施形態：
Ｂ１）上記実施形態では、第１ロール２１１から引き出された第１ガス拡散層１１０と、接合ロール２１３までの距離が、３．０ｍとなるように、第１ガス拡散層１１０は第１ロール２１１から引き出される。しかし例えば、距離が３．５ｍとなるように第１ガス拡散層が第１ロールから引き出されてもよい。 B. Other embodiments:
B1) In the above embodiment, the first gas diffusion layer 110 is the first roll 211 so that the distance between the first gas diffusion layer 110 drawn from the first roll 211 and the joining roll 213 is 3.0 m. Is drawn from. However, for example, the first gas diffusion layer may be pulled out from the first roll so that the distance is 3.5 m.

Ｂ２）上記実施形態では、冷却の温度は室温である。しかし例えば、第１接合体は１０度で冷却されてもよいなど、冷却温度は室温に限られない。 B2) In the above embodiment, the cooling temperature is room temperature. However, the cooling temperature is not limited to room temperature, for example, the first junction may be cooled at 10 degrees.

Ｂ３）上記実施形態では、第２ロール２１２に巻かれた膜触媒接合体１３０が準備される。しかし、例えば第２ロールに巻かれた電解質膜の上に第１触媒層が接合された後に、接合ロールによって第１ガス拡散層と膜触媒接合体が接合されてもよい。 B3) In the above embodiment, the membrane catalyst junction 130 wound around the second roll 212 is prepared. However, for example, after the first catalyst layer is bonded onto the electrolyte membrane wound on the second roll, the first gas diffusion layer and the membrane catalyst bonded body may be bonded by the bonding roll.

Ｂ４）上記実施形態では、第１触媒層１０２は、アノード側の電極反応が進行する場であり、第２触媒層１０３は、カソード側の電極反応が進行する場である。しかし、第１触媒層が、カソード側の電極反応が進行する場であり、第２触媒層が、アノード側の電極反応が進行する場であってもよい。 B4) In the above embodiment, the first catalyst layer 102 is a place where the electrode reaction on the anode side proceeds, and the second catalyst layer 103 is a place where the electrode reaction on the cathode side proceeds. However, the first catalyst layer may be a place where the electrode reaction on the cathode side proceeds, and the second catalyst layer may be a place where the electrode reaction on the anode side proceeds.

Ｂ５）上記実施形態では、接合ロール２１３は、第１ロール２１１から第１ガス拡散層１１０を引き出し、また、第２ロール２１２から膜触媒接合体１３０を引き出す。しかし、例えば第１ロールと第２ロールの下流にそれぞれロールが設けられており、ロールによって第１ガス拡散層と膜触媒接合体が引き出されてもよい。 B5) In the above embodiment, the bonding roll 213 draws out the first gas diffusion layer 110 from the first roll 211, and draws out the membrane catalyst bonded body 130 from the second roll 212. However, for example, rolls are provided downstream of the first roll and the second roll, respectively, and the first gas diffusion layer and the membrane catalyst junction may be drawn out by the rolls.

本開示は、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、開示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 disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be realized by various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each of the embodiments described in the summary of disclosure column may be used to solve some or all of the above problems, or some of the above effects. Alternatively, they can be replaced or combined as appropriate to achieve all of them. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

１０…燃料電池、１００…ＭＥＡ、１０１、３３０…電解質膜、１０２…第１触媒層、１０３…第２触媒層、１１０…第１ガス拡散層、１２０…第２ガス拡散層、１３０…膜触媒接合体、１４０…第１接合体、１５０…第２接合体、１６０…第３接合体、２１１…第１ロール、２１２…第２ロール、２１３、３２０…接合ロール、２１４…テンションロール、２１５…張力制御機構、２１６…冷却ロール、２１７…搬送ロール、２１８…スクレーパー、２１９…巻取ロール、２２１…バックシート、２２２…離型層、２３０…制御部、３１０…ガス拡散層、３４０…触媒層、３５０…接合体 10 ... Fuel cell, 100 ... MEA, 101, 330 ... Electrolyte membrane, 102 ... First catalyst layer, 103 ... Second catalyst layer, 110 ... First gas diffusion layer, 120 ... Second gas diffusion layer, 130 ... Membrane catalyst Joined body, 140 ... 1st joined body, 150 ... 2nd joined body, 160 ... 3rd joined body, 211 ... 1st roll, 212 ... 2nd roll, 213, 320 ... Joining roll, 214 ... Tension roll, 215 ... Tension control mechanism, 216 ... cooling roll, 217 ... transfer roll, 218 ... scraper, 219 ... take-up roll, 221 ... backsheet, 222 ... mold release layer, 230 ... control unit, 310 ... gas diffusion layer, 340 ... catalyst layer , 350 ... Joined body

Claims

It ’s a method of manufacturing fuel cells.
The process of pulling out the gas diffusion layer wound on the first roll,
A process of sandwiching the drawn gas diffusion layer and a membrane-catalyst junction containing an electrolyte membrane and a catalyst layer with a bonding roll, heating and pressing.
With
The tension at which the gas diffusion layer is drawn out is 80 N or more, and the press pressure of the bonding roll is 1.8 MPa or more and 3.2 MPa or less.
How to manufacture a fuel cell.