JP5049121B2 - 集積膜電極アセンブリを製造するための積層法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池、バッテリー、電解セル、または電気化学的センサーのような電気化学的装置の製造に関する。より詳しくは、本発明は燃料電池のための集積膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造方法を提供する。このような集積ＭＥＡはポリマー電解質膜、少なくとも１個の導電性多孔質ガス拡散層（ＧＤＬ）、膜および／またはＧＤＬ上に堆積した少なくとも１個の触媒層および付加的に封止剤、強化剤または保護皮膜層として使用される少なくとも１個の保護皮膜材料からなる。

燃料電池は、ＣＡＲＮＯＴ法に限定されない電気化学的反応で、燃料および酸化剤を直接電力および熱に変換する。現在著しい数の燃料電池の適用は２つの触媒活性コンパートメントの間に配置された固体ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を使用し、この種の電池は一般にＰＥＭ燃料電池（ＰＥＭＦＣ）と呼ばれる。

ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）および直接的メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）（ＰＥＭＦＣの変形、水素の代わりにメタノールによる直接的電力供給）はそのコンパクトな構造、出力密度、および高い効率によりエネルギー変換装置として使用するために適している。燃料電池技術は文献に広く記載されている、例えばＫ．Ｋｏｒｄｅｓｃｈ ａｎｄ Ｇ.Ｓｉｍａｄｅｒ、Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ Ｃｈｅｍｉｅ、Ｗｅｉｎｈｅｉｍ（ドイツ）１９９６参照。

以下の部分で本発明に使用される技術用語および略号を詳しく記載する。

膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）はポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）またはＤＭＦＣスタックの中心的部品であり、基本的に５層、アノードＧＤＬ、アノード触媒層、イオノマー膜、カソード触媒層、およびカソードＧＤＬからなる。ＭＥＡは触媒被覆膜（ＣＣＭ）と（アノード側およびカソード側の）２つのＧＤＬの組合せによりまたは選択的にイオノマー膜とアノード側およびカソード側の２つの触媒被覆裏材料（ＣＣＢ）の組合せにより製造できる。１つの触媒層は水素を酸化するアノードの形を取り、第２層は酸素を還元するカソードの形を取る。イオノマー膜およびＭＥＡはその脆い性質により、良好な取り扱い、漏れ防止および／または封止のためにしばしば保護皮膜材料により強化または保護される。

ガス拡散層（ＧＤＬ）はしばしばガス拡散基板または裏材料と呼ばれ、反応媒体（水素またはメタノールおよび空気）を触媒活性層に運び、同時に電気接触を設定するために、ＣＣＭのアノード層およびカソード層に配置される。ＧＤＬは一般に炭素ベース基板、例えば炭素繊維紙または炭素織物からなり、前記物質はきわめて多孔性であり、反応媒体が電極に良好に到達する。前記物質は、燃料電池から生成物、水を除去するために、多くの場合に疎水性である。ＧＤＬは水処理特性を改良するために、ミクロ層で被覆することができる。ＧＤＬはＭＥＡに形成される面に依存してアノードタイプＧＤＬまたはカソードタイプＧＤＬに個々に合わせることができる。更にＧＤＬは触媒層で被覆し、引き続きイオノマー膜に積層することができる。これらの触媒被覆ＧＤＬはしばしば触媒被覆裏材料（ＣＣＢ）またはガス拡散電極（ＧＤＥ）と呼ばれる。

アノードおよびカソード触媒層は電気触媒からなり、電気触媒はそれぞれの反応（アノードでの水素の酸化およびカソードでの酸素の還元）に触媒作用する。触媒活性成分として有利に周期律表の白金族金属が使用される。多くの部分に担体触媒が使用され、担体触媒中で触媒活性白金族金属がナノサイズの粒子の形で導電性担体材料の表面に固定される。白金族金属の平均粒径は約１〜１０ｎｍの範囲である。粒径１０〜２００ｎｍおよび良好な導電性を有するカーボンブラックが担体材料として適していることが示された。

ポリマー電解質膜はプロトン伝導性ポリマー材料からなる。これらの材料を以下にイオノマー膜と呼ぶ。スルホン酸基を有するテトラフルオロエチレン−フルオロビニルエーテルコポリマーが有利に使用される。この材料は例えばＥ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔにより商標名、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）として販売されている。しかし他の、特にフッ素不含イオノマー材料、例えばスルホン化ポリエーテルケトンまたはアリールケトンまたは酸ドープポリベンゾイミダゾールも使用できる。適当なイオノマー材料はＯ．Ｓａｖａｄｏｇｏ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｉ、４７−６６（１９９８）に記載されている。燃料電池に適用するために、これらの膜は一般に１０〜２００μｍの厚さを有する。

ＰＥＭＦＣおよびＤＭＦＣの将来の広い範囲の商業化のために、触媒被覆膜（ＣＣＭ）および膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の工業的規模での、経済的な製造方法が必要である。このようなＭＥＡは移動する用途、固定した用途および携帯可能な用途のための商業的量のスタックを製造するために必要である。この製造方法は経済的、連続的な、速く、環境に安全で高い供給量を有するべきである。これらの要求はＭＥＡ技術に現在使用される被覆法および積層法にも適用する。

一般に材料を積層する種々の技術が適用できる。相互（水圧）プレスボンディングおよびローラーボンディングのような標準的方法が当業者に周知である。

ＷＯ０２／０９１５１１号はＰＥＭ燃料電池のためのＭＥＡを製造する二重ベルトプレスの使用を記載する。ＭＥＡ材料の積層に等圧ベルトプレスまたは等容ベルトプレスが使用される。これらの方法は延長した処理時間によりより高い製造速度および連続的材料輸送を可能にする。圧力の適用のために２つの長く伸びたスチールベルトを使用する。かなり硬いスチールベルトによりこれらの機器は処理した材料の厚さの変動または異なるステップ高さに対応できない。従ってＧＤＬおよび／またはＣＣＢおよび保護皮膜材料のフレームを１回の通過で一緒に積層することができない。更に装置はきわめて高価で、かさが大きい。スチールベルトの延伸は硬い機器構造が必要であり、スチールベルトの曲げ剛性により、ベルトを運転するために大きなドラムを使用しなければならない。

ＷＯ９７／２３９１９号は膜電極複合材料の連続的製造法を記載する。部品の積層は一組のローラーによりまたはプレスにより３００℃までの温度および１０ ^７ 〜１０ ^１２ Ｐａの範囲の高圧で行うことができる。

ＷＯ０１／６１７７４号はロール・ツー・ロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）法の使用による補強したイオン交換膜の製造を記載する。材料のプレスまたは回転に二重ベルトプレスまたはベルトカレンダーを使用する。

欧州特許ＥＰ−Ａ１第１３６９４８号は触媒被覆膜および接着部品を使用する膜電極アセンブリの製造方法を記載する。

要約して技術水準の欠点は以下のとおりである。
ａ）使用される材料、すなわちガス拡散層（ＧＤＬ）で不均一な高さ分布が見出される。硬いプレス胴またはスチールローラーを使用する積層法は生じる積層力の不均一な分布を生じる。表面のそれぞれの位置で適当な積層を保証するために、かなり高い圧力を使用しなければならない。この高い圧力によりＧＤＬの高い圧縮が生じ、これが更にＧＤＬ構造を破壊することがある。一般に技術水準に記載される相互（水圧）プレスボンディングおよびスチールローラーを使用するボンディングに関して、ＧＤＬの圧縮が一般に最初の厚さの１０％より大きいことが知られている。
ｂ）集積ＭＥＡ材料（例えばこれ以後記載される７層ＭＥＡ）は積層できない。保護皮膜材料の付加的な縁による異なる基板高さが積層される基板にステップを生じる。ステップの範囲で不均一な圧力がかかり、適当な積層が不可能である。
ｃ）積層中の不十分な温度および圧力の調節。材料の高さの差および材料と適当に反応できない方法の構成により圧力および温度を予告し、適当に調節することができない。積層のための圧力および温度が高すぎる場合は、厚さのずれおよびＭＥＡで短絡が生じることがある。
ｄ）装置の高い費用。これは特にＷＯ０２／０９１５１１号に記載される二重ベルト法に関係する。

従って、本発明の課題は、技術水準の欠点を回避する、集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造する改良された方法を提供することである。特に本発明の課題は、低い圧力および基板を加熱するための温度／圧力の密な調節の利点を取り入れた改良された積層法を提供することである。前記方法は更に集積ＭＥＡおよび温度および／または圧力に反応しやすい部品を有する類似の製品の処理を可能にすべきである。前記方法および装置は従って経済的に（すなわち安い費用で）変動できるべきである。

この課題は、本発明の請求項１の製造方法により解決される。本発明は、イオノマー膜、少なくとも１個のガス拡散層（ＧＤＬ）、ＧＤＬおよび／または膜上に堆積した少なくとも１個の触媒層および少なくとも１個の保護皮膜材料を有する集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造方法を提供し、前記方法は、イオノマー膜、少なくとも１個のガス拡散層（ＧＤＬ）、少なくとも１個の触媒層および少なくとも１個の保護皮膜層を積層法で一緒に結合する方法であり、
（ａ）前記構成部品を２０〜２５０℃の温度に加熱し、
（ｂ）一組のロールを使用して積層力を負荷することにより前記構成部品を積層する
工程からなることを特徴とする。

前記方法の有利な構成は従属請求項に記載される。場合により本発明の方法は熱および圧力の適用後に積層体を冷却する付加的な冷却工程（ｃ）を含む。本発明の方法は保護皮膜材料のような温度および／または圧力に反応しやすい部品を有する集積ＭＥＡの積層に使用する。

請求項１記載の集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の積層に適した装置は図１に示される。

加熱帯域に下方加熱プラテン（５）および場合により冷却帯域（６、６ａ）に下方冷却プラテン（６）を有する連続的搬送ベルト（１）がベンチタイプリングに取り付けられている。積層体は加熱帯域（５、５ａ）に上方加熱プラテン（５ａ）を有する第２ベルト（２）および場合により冷却帯域（６、６ａ）に上方冷却プラテン（６ａ）を有する第３ベルト（３）を有する。一組のロール（４、４ａ）が積層のための圧力を負荷する。上方ロール（４ａ）の圧力は空気式圧縮装置（７，７ａ）により供給される。加熱プラテン（５，５ａ）および冷却プラテン（６、６ａ）は自己調節構造により支持できる。これは振り子形ベアリングにより中心線でのみ上方プラテンを支持することにより達成される。一般に装置は安価に、簡単に形成することができ、集積ＭＥＡの連続的製造ラインに組み込むことができる（リール・ツー・リール（ｒｅｅｌ ｔｏ ｒｅｅｌ）法）。前記方法は別個の材料シートまたはブランケットの使用により不連続的方法で運転することもできる。

有利な実施態様において、加熱帯域（５，５ａ）に熱エネルギーが供給されるので、ロール（４，４ａ）を直接加熱しない。この有利な実施態様において、積層装置のロール（４、４ａ）の少なくとも１つに軟らかいエラストマー材料を被覆する。ゴムまたはシリコーンを被覆したロールを使用する場合に、保護皮膜フレームによりステップおよび／または高さのずれを有するＭＥＡを適当に処理できる。任意の処理速度でロールは材料の機械方向の場合にもこのような高さのずれに容易に対応する。２つのロール（４，４ａ）の少なくとも１つは空気式に適当な積層力が負荷される（すなわち圧縮される）べきである。

他の有利な実施態様において、搬送ベルト（１）にＰＴＦＥ（テフロン）（登録商標）ベルトを使用する。ＰＴＦＥの代わりに強化ガラス繊維ベルトまたは珪素被覆繊維ガラスベルトのような類似の材料を使用できる。ベルトを延伸する必要がなく、作動ドラム（すなわち被覆ローラー）はベルトの低い曲げ剛性により直径が小さくてもよい。従って機器を二重ベルトプレスに必要な費用の割合のみで形成できる。

前記方法は均一な温度分布を生じるために、加熱帯域（５，５ａ）で十分な滞在時間を提供する。ＧＤＬまたはＣＣＢ部品がイオノマー膜に積層してＭＥＡを形成する場合に、イオノマー膜がガラス転移温度（Ｔｇ）に達することがきわめて重要である。不幸にも膜はＴｇに加熱した場合および圧力下に加熱した場合に可塑性になり、流動性になる。積層法が温度および圧力を適当に調節しない場合は、積層したアセンブリに厚さのずれおよび短絡が生じることがある。

加熱帯域の温度は２０〜２５０℃、有利に１００〜２００℃の範囲にある。典型的に加熱帯域（５，５ａ）は１ｍ未満の長手方向の寸法を有し、（場合による）冷却帯域は０.８ｍ未満の寸法を有する。冷却帯域の温度は１０〜５０℃の範囲に調節する。典型的に加熱帯域のベルト速度は１〜５００ｍ／ｈ、有利に５０〜２００ｍ／ｈの範囲にある。場合による冷却帯域に類似の記号を適用する。

使用される材料、特にガス拡散層（ＧＤＬ）は厚さがかなり不均一である。一般にロールを使用する作業が幅の広さにわたる生成物の厚さを平均にすることを意味し、相互の（すなわち水圧）プレス結合が二次元の面積にわたる平均化を意味し、積層法で不均一な力の分布を生じることが見出された。

意想外にも、本発明の方法でガス拡散層（ＧＤＬ）が最初の厚さの１０％未満、典型的に５％の低い圧縮を受けることが見出された。比較のために、相互の圧縮結合またはスチールローラーを使用する従来のロール結合からＧＤＬの圧縮がその約２倍より大きい（すなわち最初の厚さの１０％より大きい）ことが知られている。

積層体の２つのロール（４，４ａ）の少なくとも１つで適当な空気式圧縮装置（７，７ａ）を使用して圧縮する。上方ロール（４ａ）の圧力は圧力表示調節器（ＰＩＣ）により調節する。上方ロール（４ａ）にかかる積層力の尺度として空気導入圧力を使用する。一般に空気導入圧力は０.２５〜６バール、有利に１〜３.５バールの範囲にある。上方ロール（４ａ）にかかる積層力は５０〜１３００Ｎ、有利に２００〜７５０Ｎの範囲にあることが計算できる。

ロール（４，４ａ）の直径は５０〜１００ｍｍの範囲にあり、その長さは１００〜８００ｍｍの範囲にある。

要約すると、本発明の積層法は技術水準よりすぐれている。積層すべきアセンブリをできるだけ短い時間、ロールのニップで圧力をかけるが、なお別の加熱帯域が材料内部に均一な温度分布を提供する。二重ベルトプレスと異なり、ロールの一組、有利にロール（４、４ａ）によってのみ圧力をかける。面圧力はかけない。本発明の方法によりイオノマー膜に積層したガス拡散層（ＧＤＬ）および／または触媒被覆ＧＤＬ（ＣＣＢ）は最初の構造を維持する。これは最初の厚さの１０％未満、有利に６％未満のきわめて低い圧縮による。結果として従来の積層法により製造した製品に比べて水処理に関するその性能がより良好である。本発明の方法によりすぐれた集積ＭＥＡ生成物が製造される。

適当な積層装置は市販されており、Ｖａｐｏｒｅｔｔａ Ｇｅｒａｅｔｅｂａｕ（ケルン、ドイツ）またはＡｄａｍｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｂａｌｌ Ｇｒｏｕｎｄ、ジョージア、米国）、Ｇｌｅｎｒｏ Ｉｎｃ.（Ｐａｔｅｒｓｏｎ、ニューヨーク、米国）またはＭｅｙｅｒ Ｍａｓｃｈｉｎｅｎｂａｕ（Ｒｏｅｔｚ、ドイツ）により購入できる。

集積ＭＥＡ生成物は４層、５層、６層、７層ＭＥＡ、多層ＭＥＡ、付加的ガスケット層を有するＭＥＡ、集積ガスケットフレームを有するＭＥＡ等を含むことができる。

図２に集積ＭＥＡ生成物の例（この場合は７層ＭＥＡ）が示される。個々の部品は組み立てる前の状態で図面に示される。７層ＭＥＡはイオノマー膜（Ａ）、ＧＤＬまたは膜に堆積された２つの触媒層（Ｂ，Ｃ）、２つの導電性多孔性ガス拡散層（ＧＤＬ）（Ｄ，Ｅ）および保護皮膜材料の２つのフレーム（Ｆ，Ｇ）からなる。これより低いまたは高い層の数を有するまたは異なる層順序を有するＭＥＡを生じるために、この基本的アセンブリの変形が可能である。きわめて簡単な形では、集積４層ＭＥＡはイオノマー膜（Ａ）、少なくとも１つのガス拡散層（Ｄ）、ＧＤＬおよび／またはイオノマー膜に堆積した少なくとも１つの触媒層（Ｂ）および少なくとも１つの保護皮膜材料（Ｆ）からなる。

集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）の製造に種々のタイプの市販されたＧＤＬおよび他の材料を使用できる。ＧＤＬの基礎材料（Ｄ，Ｅ）として織物炭素布、不織炭素繊維層または炭素繊維紙を使用できる。ＧＤＬは疎水性に処理するかまたは処理しない。ＧＤＬは付加的なミクロ層および場合により触媒層からなってもよい。

保護皮膜材料（Ｆ，Ｇ）はポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ポリウレタンの群から選択される熱可塑性ポリマーおよび／またはシリコーン、シリコーンエラストマー、ＥＰＤＭ、フルオロエラストマー、ペルフルオロエラストマー、クロロプレンエラストマー、フルオロシリコーンエラストマーの群から選択されるエラストマー材料および／またはエポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアノアクリレートの群から選択される熱硬化性ポリマーからなる。

組み立てる前に部品を配置するために、当業者に知られた種々の技術を使用できる。部品の取り扱いおよび配置は層状にまたは連続的にまたは両方の混合で、自動的にまたは手動で行うことができる。集積ＭＥＡのアセンブリにおいてＧＤＬ表面の一部は保護皮膜材料と重なってもよい。重なる帯域の面積はＭＥＡ生成物の大きさおよび運転条件に依存する。有利に重なる面積はＧＤＬの全面積の０.１〜２０％、最も有利に０.２〜１０％の範囲である。

本発明の積層法および積層装置は一般に別々に運転できるかまたは集積ＭＥＡの連続的製造ラインに組み込むことができる。

実施例
本発明を以下の実施例により詳細に説明する。これらの例は本発明の理解を助けるために示され、本発明の範囲を限定するものでなく、限定するために形成されるものでもない。

例１
図２に示される７層ＭＥＡを製造する。イオノマー膜（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）ＮＲ１１７（ＤｕＰｏｎｔ）を２つの触媒層で被覆し、公知方法（ＥＰ１０３７２９５号参照）によりＣＣＭを製造する。ＣＣＭは５０ｃｍ^２（７×７ｃｍ）の活性面積および１００ｃｍ^２（１０×１０ｃｍ）の全面積を有する。第２工程で２つの多孔性ガス拡散層（Ｓｉｇｒａｃｅｔ３０ＢＣ、寸法７.５×７.５ｃｍ、ＳＧＬ、Ｍｅｉｔｉｎｇｅｎ）をＣＣＭの上面および裏面に配置する。それぞれ外寸１０×１０ｃｍおよび内寸７×７ｃｍおよび厚さ１５０μｍを有する保護皮膜材料の２つのフレーム（Ｖｅｓｔａｍｅｌｔ（登録商標）Ｄｅｇｕｓｓａ、Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ）を用意し、第１フレームをこのアセンブリの頭部に配置し、第２フレームを底部に配置する。ＧＤＬ表面部分に保護皮膜材料を重ねる。重なる帯域の面積は生成物の大きさおよび運転条件に依存する。有利に重なる面積はＧＤＬの全面積の０.１〜２０％、最も有利に０.２〜１０％の範囲にある。引き続き前記材料を本発明に記載される積層装置に通過し、以下の運転条件を適用する。
温度 １７５℃
圧力（空気導入圧力） ３.５バール
ベルト速度 １５０ｍ／ｈ
ロール（４，４ａ）の直径 ８０ｍｍ
ロール（４，４ａ）の長さ ５００ｍｍ
ロール（４ａ）にかかる積層力 ７５０Ｎ
１回通過後、集積７層ＭＥＡ生成物が完成する。

例２
イオノマー膜（厚さ２５μｍ）に２つの触媒層を被覆し、当業者に知られた方法によりＣＣＭを形成する。厚さ５０μｍを有するＰｌａｔｉｌｏｎ（登録商標）（Ｅｐｕｒｅｘ、ドイツ）からなる保護皮膜材料のフレームをＣＣＭの上面に配置し、引き続きＧＤＬ（Ｓｉｇｒａｃｅｔ２１ＢＣ、ＳＧＬ、Ｍｅｉｔｉｎｇｅｎ）を、ＧＤＬの部分が保護皮膜材料と重なるようにフレームに配置する。重なる帯域の面積は生成物の大きさおよび運転条件に依存する。有利に重なる面積はＧＤＬの大きさの０.１〜２０％、最も有利に０.２〜１５％の範囲にある。引き続き第２ＧＤＬを膜の裏面に配置し、同じ方法で保護皮膜材料の第２フレームに配置する。ＧＤＬの部分を保護皮膜材料と重ねる。引き続きスタック材料を積層装置に通過する。この例では積層条件は以下のとおりである。
温度 １３５℃
圧力（空気導入圧力） ２.２バール
ベルト速度 １００ｍ／ｈ
ロール（４ａ）にかかる積層力 ４８０Ｎ
１回通過後、最終集積７層ＭＥＡが完成する。

積層中のガス拡散層（ＧＤＬ）の圧縮は最初の厚さの約２.７％である。

例３
イオノマー膜、この例ではＮａｆｉｏｎ（登録商標）ＮＲ１１２（ＤｕＰｏｎｔ）を２つの電極（すなわち触媒被覆裏材料、ＣＣＢ）の間に入れる。電極はそれぞれ当業者に知られた方法によりアノード（もしくはカソード）触媒層が被覆されたＧＤＬ（Ｓｉｇｒａｃｅｔ３０ＢＣ、ＳＧＬ、Ｍｅｉｔｉｎｇｅｎ）からなる。厚さ１９０μｍを有するＶｅｓｔａｍｅｌｔ（登録商標）（Ｄｅｇｕｓｓａ、Ｄｕｅｓｓｅｌｄｏｒｆ）の皮膜から保護皮膜材料の２つのフレームを用意する。第１フレームを膜の頭部に配置し、引き続き第１ＣＣＢを前記フレームに、ＣＣＢの境界から外部にフレームが正確に伸びるように配置する。第２ＣＣＢをイオノマー膜の裏面に配置し、第２保護皮膜フレームをこれに付加する。積層工程でＣＣＢの含浸の間に保護皮膜フレームと電極の間に重なる面積が形成される。前記含浸帯域の面積はフレーム厚さおよび積層条件に依存する。有利に前記面積はＧＤＬの大きさの０.１〜２０％、最も有利に０.２〜１５％の範囲にある。前記材料を積層装置に通過する。この例では積層条件は以下のとおりである。
温度 １７５℃
空気導入圧力 ３.５バール
ベルト速度 ８０ｍ／ｈ
ロール（４ａ）にかかる積層力 ７５０Ｎ
１回通過後、ＭＥＡ生成物が完成し、ＰＥＭＦＣまたはＤＭＦＣ単一電池およびスタックの製造に使用できる。積層中の触媒被覆ＧＤＬ（ＣＣＢ）の圧縮は最初の厚さの約３.２％である。

本発明による集積膜電極アセンブリを積層する適当な装置の図である。 本発明による集積膜電極アセンブリの図である。

符号の説明

１ 搬送ベルト、 ２ 第２ベルト、 ３ 第３ベルト、 ４、４ａ ロール、 ５、５ａ 加熱帯域、 ６，６ａ 冷却帯域、 ７、７ａ 圧縮装置、

Claims (21)

1. イオノマー膜、少なくとも１個のガス拡散層（ＧＤＬ）、ＧＤＬおよび／またはイオノマー膜上に堆積した少なくとも１種の触媒層、および少なくとも１個の保護皮膜材料を有する集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造する方法において、イオノマー膜、少なくとも１個のガス拡散層（ＧＤＬ）、少なくとも１種の触媒層および少なくとも１個の保護皮膜材料を積層法により一緒に結合する方法であり、
   （ａ）前記構成部品を２０〜２５０℃の範囲の温度に加熱し、
   （ｂ）一組のロール（４，４ａ）を使用して積層力を適用することにより前記構成部品を積層し、かつ
   （ｄ）イオノマー膜／触媒層／ガス拡散層（ＧＤＬ）／保護皮膜材料の順序の層を有する集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成する
   工程を含むことを特徴とする集積膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造する方法。
2. 積層力が５０〜１３００Ｎの範囲にある請求項１記載の方法。
3. ロール（４，４ａ）の少なくとも１つを圧縮する空気導入圧力が０.２５〜６バールの範囲にある請求項１記載の方法。
4. 少なくとも１個のガス拡散層を積層中に最初の厚さの１０％未満に圧縮する請求項１記載の方法。
5. 加熱帯域でのベルト速度が１〜５００ｍ／ｈの範囲にある請求項１記載の方法。
6. 加熱工程（ａ）および積層工程（ｂ）後に更に冷却工程（ｃ）を有する請求項１記載の方法。
7. ロール（４，４ａ）を直接加熱しない請求項１記載の方法。
8. ロール（４，４ａ）の少なくとも１個に、ゴム、天然ゴム、シリコーンゴムおよびポリウレタンエラストマーからなる群から選択される軟らかいエラストマー材料を被覆する請求項１記載の方法。
9. イオノマー膜がスルホン酸基を有するテトラフルオロエチレン−フルオロビニルエーテルコポリマーのフッ素化イオノマー材料、あるいはスルホン化ポリエーテルケトン、ポリアリールケトンまたは酸ドープポリベンゾイミダゾールから選択されるフッ素不含イオノマー材料からなる請求項１記載の方法。
10. ガス拡散層（ＧＤＬ）が炭素織布、炭素繊維不織層または炭素繊維紙からなる請求項１記載の方法。
11. 触媒層が元素周期律表の白金族金属からの貴金属からなる請求項１記載の方法。
12. 保護皮膜材料がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ＰＶＤＦ、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミドおよびポリウレタンからなる群から選択される熱可塑性ポリマーからなる請求項１記載の方法。
13. 保護皮膜材料がシリコーン、シリコーンエラストマー、ＥＰＤＭ、フルオロエラストマー、ペルフルオロエラストマー、クロロプレンエラストマー、およびフルオロシリコーンエラストマーからなる群から選択されるエラストマー材料からなる請求項１記載の方法。
14. 保護皮膜材料がエポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアノアクリレートからなる群から選択される熱硬化性ポリマーからなる請求項１記載の方法。
15. ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接的メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）,バッテリー、電解セル、または電気化学的センサーから選択される電気化学的装置のための集積ＭＥＡを製造するための請求項１記載の方法の使用。
16. 請求項１記載の積層法を含む集積ＭＥＡを連続的に製造する方法。
17. 積層力が、２００〜７５０Ｎの範囲にある請求項１記載の方法。
18. ロール（４，４ａ）の少なくとも１つを圧縮する空気導入圧力が、１〜３.５バールの範囲にある請求項１記載の方法。
19. 加熱帯域でのベルト速度が、５０〜２００ｍ／ｈの範囲にある請求項１記載の方法。
20. ガス拡散層（ＧＤＬ）が、疎水性に処理されおよび／またはミクロ層で被覆されおよび／または触媒層で被覆されている請求項１記載の方法。
21. 触媒層が、白金、ルテニウム、金、銀、パラジウムおよび／またはこれらの混合物または組合せからなる請求項１記載の方法。

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