JP2022178501A - 膜電極アッセンブリーの製造方法、膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体の製造方法、膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体、燃料電池の製造方法、燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
更に詳細には電極インクを電解質膜に直接塗布するCCM( Catalyst coated membrane)式電解質膜への電極形成方法に係る。本発明による塗布とは特に限定しないが、ロールコート、スリットダイ(スロットノズル)コート、スクリーンプリンティング、カーテンコート、ディスペンス、インクジェット、スプレイを含む霧化(含む繊維化)施与、静電霧化(含む繊維化)施与等の粒子や繊維を被塗物に塗布する工法を含み、マイクロカーテン施与も含む。
マイクロカーテンとは広角パターンのエアレススプレイノズル等で液体などを0.3MPa前後の比較的低圧でスプレイする際、霧になる前の液膜の部分を使用して被塗物とスプレイノズルを相対移動して塗布する方法であって塗面にオーバースプレイ粒子は発生しない。被塗物を通り過ぎて距離が離れると霧状に変化する。
また霧化(繊維化)施与とはスプレイによる粒子化以外に、固形微粒子を含む液体などを超音波により分散しながら霧化したり、エレクトロスピニングなどのスピン、回転体による遠心力で粒子化したり繊維化したりして塗布することである。メルトブローン方式などを液体に応用して粒子や繊維をつくりだす方法も含まれ、前記超音波霧化や遠心霧化では霧化した粒子の方向性が不安定であるので圧縮エアの力を借りて(air assist)対象物にそれらを付着あるいは塗布する工法を指す。本発明ではこれらを総称して以下スプレイとして説明する。
より具体的にはロール・ツー・ロール(Roll to Roll)の電解質膜に直接電極インクを薄膜で塗布し、必要により積層し、電極インク未塗工部分の周縁のある高性能の膜・電極アッセンブリーを製造し、ひいては高性能の燃料電池を製造することにある。
スプレイヘッドは1個または数個にして電解質膜と直交してトラバースしながら連続的にまたはパルス的にスプレイ塗布することが出来る。特に少数のスプレイヘッドのそれぞれのスプレイ流が干渉しないように配置し、トラバース(往復移動)してスプレイ塗布する間は加熱吸着ロールの移動(回転)は停止する。往移動してスプレイ後、電解質膜の移動方向に所望する長さ往でスプレイした電解質膜上の電極スプレイパターンと復でスプレイするスプレイパターンがラップするように加熱吸着ロールを移動(回転)して停止させ、復移動させながらスプレイ塗布しこれを繰り返す。少数ヘッドでトラバースして塗布する方法で電解質膜を連続的に移動させて塗布したい場合、片方移動で塗布し逆移動は塗布しない方法でそれを繰り返すと均一塗布が可能である。例えば3ヘッドのトータル有効パターンが45mmの場合は往でスプレイし、復はスプレイせず、往復の所要時間で45mm進むようにすればよい。また塗着効率の観点からスプレイ時の往のスピードは100mm/秒以下が良く、復のスピードは2倍の200mm/秒以上にすると生産性の面で好適である。
マスキング基材を積層する場所は巻き出し装置8の巻き出し部から塗布位置までの間のいずれの場所でもよい。また塗布装置や手段は前記したようにスロットノズルなどでもよくスプレイに限定するものでない。
塗布が終了したら所望する位置でマスキング基材を巻き取るなどの除去を行えばよい。マスキング基材の除去は塗布終了位置から巻き取り装置9までの間のいずれの箇所でも良い。またマスキング基材3には電解質膜と接する面に接着剤や粘着剤を施与してもよい。加熱や溶媒雰囲気に耐え、剥離した時電解質膜上に残渣の残らないものであれば尚良い。またマスキング基材の粘着剤は電解質膜から剥離しやすいようにポーラス状にまたは間隔をあけた細いストライプ上にしてマスキング基材の面積の2/3以下好ましくは1/3以下にするとよい。更に粘着剤はズレ防止で良いので移動方向に間隔を10乃至100mmあけてスポット的に施与して粘着面積は1/100以下にしても良い。
3列の電極形成を所望する場合、マスキング部材3は4列必要になる。また両サイドのマスキング基材幅より中央寄りのマスキング基材幅はMEAの所望する未塗工部にするため広く例えば2倍にしたらよい。
塗布装置5は電解質膜の進行方向と直交してトラバース装置でトラバースしながら連続的にまたはパルス的にスプレイ塗布できる。トラバースして塗布する間、加熱吸着ロールは回転を停止することが出来る。1個の塗布装置5によるスプレイパターン6または複数の塗布装置による複合パターンで塗布できる。電解質膜を連続的に移動する場合はトラバース装置による往復移動の片方移動のみ、つまり往路のみ、または復路のみスプレイ塗布を行うと塗布分布を均一にできる。その場合、塗布移動する例えば往路のスピードを遅く例えば100mm/秒以下にして塗着効率を高め、塗布しない復路のスピードを2倍以上の200mm/秒以上にすると生産性を高めることが出来る。電解質膜2の外側で図示していない基材に電極インクをパルス的に塗布して、塗布ブース外に移動して塗布重量測定室のシャッターを閉にして塗布重量を計測できる。塗布重量は目標の塗布重量でない場合はパルス数、吐出時間、トラバーススピード、液圧等を微調整できるがパルスの吐出時間を0.01乃至0.1mm/秒刻みで調整するとより微調整が可能で都度計量できるので容易である。
次の往移動のスプレイ開始は各パターンが例えば20mmの時は3ヘッドの制御パターンの合計60mmより半分のパターン10mmを差し引いた50mmだけ加熱吸着ロールと一緒に電解質膜を移動させて行うと均一な電極の形成ができる。
2 電解質膜
3 第一のマスキング基材
4 電極付き電解質膜
5 塗布装置
6 スプレイ流
7 ガイドロール
8 電解質膜巻き出し装置
9 電解質膜巻き取り装置
10 第一の電極
10’ 第二の電極
11 電極インク未塗工部(周縁部)
12 第二の(直交)マスキング基材
15 第二のマスキング基材巻き出し装置
16 第二のマスキング部材巻き取り装置
17 バックシート
18 サポート基材(通気性基材)
19 粘着剤
20 膜・電極アッセンブリー(MEA)
30 フリーロール
31 ガイドロール
41、42、43 スプレイパターン
Claims (7)
- 長尺方向に移動する電解質膜の両面に電極を形成してなる膜電極アッセンブリーの製造方法であって、前記電解質膜の少なくとも片面に電極を形成するにあたり、加熱吸着ロールまたは加熱吸着ドラムに電解質膜を吸着し加熱して連続又は間欠移動する工程と、前記電解質膜の移動方向と直交してトラバースまたはショートトラバースして往復移動するスプレイヘッドまたは霧化施与装置で片方移動の時のみ電極インクを塗布し、逆移動時は片方移動よりスピードを速くして塗布しない工程とにより、塗布パターンをラップして積層し電極を形成することを特徴とする膜電極アッセンブリーの製造方法。
- 長尺の電解質膜を長尺方向に移動させて加熱吸着ロールまたは加熱吸着ベルトで吸着し加熱して移動する工程と、前記加熱し吸着した電解質膜側の反対側の電解質膜面上に複数の細いマスクテープを前記電解質膜の移動方向に並行に張力を持って圧接し電解質膜と一緒に移動する工程と、前記電解質膜に電極インクを塗布し溶媒を急速に揮発させて電解質膜移動方向に多列に電極と細長い未塗工部を形成する工程と、前記複数のテープを前記電解質膜上から離脱させ該複数のテープあとの前記電解質膜面に複数の細長い未塗工部と該未塗工部間に複数の電極を形成する工程と、前記電解質膜の多列の電極の外側の未塗工部と長尺の通気性基材の幅方向に施与した複数の細い粘着剤層を位置決めして重ね圧接して積層して積層し前記未塗工部と対峙する位置の少なくとも一部に形成した粘着剤層をなることを特徴とする膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体の製造方法。
- 長尺の電解質膜の片面に電極と未塗工部が形成され、他の面にバックシートが存在する前記電解質膜の少なくとも両端の未塗工部と長尺の通気性基材の少なくとも両端の細長い粘着層が位置決めされ積層された複合体を移動する工程と、前記通気性基材面を加熱吸着ロールまたは加熱吸着ベルトで吸着する工程と、前記バックシートを電解質膜から剥離し電解質膜面を露出する工程と、前記電解質膜に塗布装置で電極インクを複数層塗布し乾燥して電極を形成させることを特徴とする膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体の製造方法。
- 少なくとも片面に複数の電極と複数の未塗工部を形成する工程と、 移動する長尺の通気性基材と直交して複数の細長く施与された粘着剤層が前記電解質未塗工部の少なくとも一部に積層される工程と、前記通気性基材を加熱吸着ロールまたは加熱吸着ベルトで吸着し加熱して移動する工程と、加熱吸着された電解質膜のバックシートを除去する工程と、前記加熱し吸着した電解質膜側の反対側の電解質膜面上に複数の細いテープを前記電解質膜の移動方向に並行に張力を持って圧接し電解質膜と一緒に移動する工程と、少なくとも前記電解質膜に前記電極インクを塗布し溶媒を急速に揮発させて電極を形成する工程と、前記複数のテープを前記電解質膜上から離脱させ該複数のテープあとの前記電解質膜面に複数の細長い未塗工部と該未塗工部間に複数の電極を形成する工程と、前記電解質膜の未塗工部と通気性基材の前記電解質膜の未塗工部と対峙する位置の少なくとも一部に形成した粘着剤層を位置決めして重ね圧接して積層してなることを特徴とする膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体の製造方法。
- 膜電解質膜の少なくとも片面に複数の一辺が長い電極と該一辺が長い電極の外側であって該電極と並行して複数の細長い未塗工部を形成し、通気性基材に前記未塗工部より細い幅の粘着剤層を複数形成し、前記電解質膜の未塗工部の少なくとも一部に前記通気性基材の粘着剤層を位置決めして圧着し積層することを特徴とする膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体。
- 長尺の電解質膜であって該電解質膜を長尺方向に移動させて加熱吸着ロールまたは加熱吸着ベルトで吸着し加熱して移動し、前記加熱し吸着した反対面の電解質膜上に複数の細いテープを前記電解質膜の移動方向に並行に張力を持って圧接し電解質膜と一緒に移動し、前記テープ上から前記電解質膜に向けて前記電極インクをパルス的にまたは連続的にスプレイ し複数層積層塗布し溶媒を急速に揮発させてポーラス構造体の電極を形成し、前記複数のテープを前記電解質膜上から離脱させ該複数のテープの除去あとに複数の細長い未塗工部と該未塗工部間に複数の電極を形成し、前記電解質膜の未塗工部と長尺の通気性基材の前記電解質膜の未塗工部と対峙する位置の少なくとも一部に形成した粘着剤層を位置決めして重ね圧接して積層して巻き取ることを特徴とする膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体。
- 電解質膜が長尺の電解質膜であって該電解質膜を長尺方向に移動させて加熱吸着ロールまたは加熱吸着ベルトで吸着し加熱して移動し、前記加熱し吸着した反対面の電解質膜上に複数の細いテープを前記電解質膜の移動方向に並行に張力を持って圧接し電解質膜と一緒に移動し、前記テープ上から前記電解質膜に向けて前記電極インクをパルス的にスプレイ積層塗布し溶媒を急速に揮発させてポーラス構造体の電極を形成し、前記複数のテープを前記電解質膜上から離脱させ該複数のテープの離脱あとに複数の細長い未塗工部と該未塗工部間に複数の電極を形成し、前記電解質膜の未塗工部と通気性基材の前記電解質膜の未塗工部と対峙する位置の少なくとも一部に形成した粘着剤層を位置決めして重ね圧接して積層して巻き取った膜電極アッセンブリーと通気性基材の積層体を裁断した膜電極アッセンブリーからなる燃料電池。
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