JP6156240B2 - 膜電極接合体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極接合体に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」と呼ぶ。）は、膜電極接合体を備える。膜電極接合体は、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を発揮するイオン交換樹脂によって構成される。膜電極接合体は、通常、帯状に延びる電解質膜を長手方向に搬送しつつ両面に電極の材料を連続的に転写・接合する流れ工程によって製造される（下記特許文献１等）。

特開２０１０−２０５６７６号公報 特開２００８−２０４９５２号公報 特開２０１２−０８４２９３号公報

電解質膜は温度や湿度などの環境条件に応じて膨潤・収縮してサイズが変動する。そのため、膜電極接合体の製造工程においては電解質膜の搬送中にも電解質膜のサイズが変動してしまう可能性がある。電解質膜の環境条件に応じたサイズの変動性には個体差があり、電解質膜の組成や厚みなどの種々の要因によって変わる。例えば、燃料電池の内部抵抗を低減するためには高い保水性を有する電解質膜を用いることが好ましいが、電解質膜はその保水性が高いほど環境湿度に応じてそのサイズが変動する度合いが大きくなる。

膜電極接合体の製造工程において、電解質膜のサイズの変動をその個体差を考慮して適切に制御できれば、電解質膜の無駄な使用が抑制され、膜電極接合体の製造コストを低減することができる。特許文献１の製造装置では、搬送されている帯状の電解質膜上に連続的に電極材料である触媒層が転写される。しかし、特許文献１の製造装置では搬送中の電解質膜のサイズは制御されていない。

特許文献２の技術では、膜電極接合体を構成する電解質膜と電極部材との間の寸法変化率の差を低減するために、電極部材の寸法変化率に応じた張力を膜電極接合体に付与している。しかし、特許文献２の技術では、電極部材の寸法変化率に合わせて電解質膜の張力が制御されているため、電解質膜の個体差に応じたサイズの変動の制御をすることはできない。

特許文献３の技術では、電極材料が配置された電解質膜をロール状に巻いて電極材料が熱転写可能な温度環境下で保管することによって、電解質膜と電極材料との間の接合性が効率的に高められている。しかし、特許文献３の技術では搬送中の電解質膜のサイズは制御されていない。

以上のように、膜電極接合体の製造工程においては、搬送中の電解質膜のサイズの変動を適切に制御することについて依然として改良の余地がある。この他に、膜電極接合体の製造工程においては、製造装置の小型化や簡素化、製造工程の容易化・簡易化、省資源化等について依然として改良の余地がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

［１］本発明の一形態によれば、燃料電池に用いられる膜電極接合体を製造する製造装置が提供される。この製造装置は、膜搬送部と、張力制御部と、電極形成部と、を備えて良い。前記膜搬送部は、帯状の電解質膜を前記電解質膜の長手方向に搬送しつつ、前記電解質膜に少なくとも第１の張力と第２の張力とを順に付与して良い。前記張力制御部は、前記第１の張力が付与されたときと前記第２の張力が付与されたときの前記電解質膜のサイズの変化量を示す値を取得し、前記膜搬送部を制御して、前記サイズの変化量と予め設定されている前記電解質膜の目標サイズとの差に基づく張力を前記電解質膜に発生させて良い。前記電極形成部は、前記張力制御部の制御に基づく前記張力が付与されている前記電解質膜に電極材料を配置して良い。この形態の製造装置によれば、搬送中に取得された電解質膜のサイズの変動性に応じて電解質膜に張力が付与されることによって電極材料が配置されるときの電解質膜のサイズが適切に調整される。よって、膜電極接合体の寸法精度が高められ、膜電極接合体の製造コストが低減される。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、膜電極接合体の製造装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、電解質膜の搬送装置や、燃料電池の製造装置、これらの装置の制御方法などの形態で実現することができる。あるいは、電解質膜の搬送方法や、膜電極接合体の製造方法、燃料電池の製造方法などの形態で実現することもできる。この他に、前記のいずれかの方法を利用して作られた膜電極接合体を備える燃料電池や、前記のいずれかの方法を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することもできる。

膜電極接合体の製造装置の構成を示す概略図。 制御部による電解質膜の張力制御のフローを示す説明図。 電極接合部から送り出される帯状体の概略断面図。

A．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての膜電極接合体の製造装置の構成を示す概略図である。この製造装置１００は、膜電極接合体を流れ工程によって連続的に製造する。膜電極接合体はＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）とも呼ばれ、電解質膜（ＰＥＭ；Polymer Electrolyte Membrane）の両面に触媒電極が積層配置された燃料電池の発電体である。

製造装置１００は、制御部１１０と、膜搬送部１２０と、電極接合部１４０と、回収部１５０と、を備える。制御部１１０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ーによって構成され、以下に説明する各構成部の制御を実行する。本実施形態の制御部１１０は、張力制御部に相当し、搬送中の電解質膜１０のサイズを搬送張力（以下、単に「張力」と呼ぶ。）によって制御する。制御部１１０が行う張力の制御については後述する。

膜搬送部１２０は、帯状の電解質膜１０を、その長手方向に搬送して電極接合部１４０に供給する。電解質膜１０は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すイオン交換樹脂膜によって構成される。電解質膜１０は、例えば、ナフィオン（登録商標）や、フレミオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）等の電解質樹脂によって構成されても良い。

膜搬送部１２０は、膜繰出部１２１と、第１のニップローラー部１２２と、第２のニップローラー部１２３と、第１検出部１３１と、第２検出部１３２と、を備える。膜繰出部１２１は、幅がほぼ均一の帯状の電解質膜１０が長手方向にロール状に巻かれている電解質膜ロール１０ｒを回転させて電解質膜１０を繰り出す。膜繰出部１２１は、電解質膜ロール１０ｒから電解質膜１０を繰り出すための繰り出しローラーを備えていても良い。

第１のニップローラー部１２２は、膜繰出部１２１の下流側に配置されており、駆動ローラー１２２ａと補助ローラー１２２ｂとを備えている。駆動ローラー１２２ａと補助ローラー１２２ｂは、帯状の電解質膜１０を両側から狭持するように配置されている。第１のニップローラー部１２２は、２つのローラー１２２ａ，１２２ｂの回転駆動によって電解質膜１０を搬送する。駆動ローラー１２２ａは制御部１１０によって回転速度が制御されている。

第２のニップローラー部１２３は、第１のニップローラー部１２２の下流側に配置されており、第１のニップローラー部１２２と同様に、駆動ローラー１２３ａと補助ローラー１２３ｂとを備える。第２のニップローラー部１２３は、２つのローラー１２３ａ，１２３ｂの回転駆動によって電解質膜１０を電極接合部１４０へと搬送する。駆動ローラー１２３ａは制御部１１０によって回転速度が制御されている。

ここで、膜繰出部１２１と第１のニップローラー部１２２との間における電解質膜１０の搬送路を「第１搬送路ＴＳ１」と呼ぶ。また、第１のニップローラー部１２２と第２のニップローラー部１２３との間における電解質膜１０の搬送路を「第２搬送路ＴＳ２」と呼ぶ。

本実施形態の製造装置１００では、制御部１１０が第１と第２のニップローラー部１２２，１２３のそれぞれの駆動ローラー１２２ａ，１２３ａの回転速度を制御することによって、第１搬送路ＴＳ１と第２搬送路ＴＳ２とで電解質膜１０に異なる張力が付与されている。具体的には、電解質膜１０には、第１搬送路ＴＳ１において小さい張力が付与され、第２搬送路ＴＳ２において大きい張力が付与される。第１搬送路ＴＳ１における電解質膜１０の張力が第１の張力に相当し、第２搬送路ＴＳ２における電解質膜１０の張力が第２の張力に相当する。

第１検出部１３１は、張力検出部１３５と、膜幅検出部１３６と、を備えており、第１搬送路ＴＳ１における電解質膜１０の張力Ｔ１と膜幅Ｗ１とを検出する。張力検出部１３５は搬送中の電解質膜１０に対して厚み方向の押圧力を付与したときの反力に基づいて電解質膜１０の張力Ｔ１を検出する。

膜幅検出部１３６は張力検出部１３５が張力Ｔ１を検出している位置の近傍において電解質膜１０の膜幅Ｗ１を検出する。膜幅検出部１３６は光学的センサーによって電解質膜１０の幅方向の端部を検出して膜幅Ｗ１を取得する。第１検出部１３１は、検出した張力Ｔ１および膜幅Ｗ１を制御部１１０に送信する。

第２検出部１３２は、第１検出部１３１と同様な張力検出部１３５と、膜幅検出部１３６と、を備えており、第２搬送路ＴＳ２における電解質膜１０の張力Ｔ２と膜幅Ｗ２とを検出する。第２検出部１３２は、検出した張力Ｔ２および膜幅Ｗ２を制御部１１０に送信する。制御部１１０は、第１検出部１３１および第２検出部１３２において検出された張力Ｔ１，Ｔ２と膜幅Ｗ１，Ｗ２を、電極接合部１４０に繰り入れられるときの電解質膜１０の張力の制御に用いる（詳細は後述）。

電極接合部１４０は、電極形成部に相当し、電解質膜１０の一方の面に第１電極材料１１を貼り合わせるとともに他方の面に第２電極材料１２を貼り合わせて接合する。電極接合部１４０は、第１電極材料供給部１４１と、第２電極材料供給部１４２と、接合ローラー部１４５と、を備える。第１電極材料供給部１４１は、帯状の第１電極材料１１がロール状に巻かれている第１電極材料ロール１１ｒを備えている。

第１電極材料１１は、帯状の樹脂フィルム１３の一方の面に複数の同一サイズの触媒電極層１４が一定の間隔で分離されて間欠的に配列されている帯状部材である。触媒電極層１４は、触媒担持導電性粒子（例えば、白金担持カーボン）の分散溶液である触媒インクの塗膜として形成される。第１電極材料１１は、接合ローラー部１４５の第１の接合ローラー１４５ａの回転駆動力によって第１電極材料ロール１１ｒから繰り出される。

第２電極材料供給部１４２は、帯状の第２電極材料１２がロール状に巻かれている第２電極材料ロール１２ｒを備えている。第２電極材料１２は、触媒電極層１４がほぼ均一な幅で樹脂フィルム１３の長手方向に連続的に切れ間なく形成されている点以外は第１電極材料１１とほぼ同じである。第２電極材料１２は、接合ローラー部１４５の第２の接合ローラー１４５ｂの回転駆動力によって第２電極材料ロール１２ｒから繰り出される。

接合ローラー部１４５は、第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂを有している。第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂは互いの間に膜状部材を繰り入れ可能なように隣り合って配列されている。接合ローラー部１４５は、第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの押圧力によって電解質膜１０に対する第１電極材料１１および第２電極材料１２の接合を実行する。

膜搬送部１２０から供給される電解質膜１０は、第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの回転駆動に伴って、それら２つの接合ロ−ラー１４５ａ，１４５ｂの間に繰り入れられる。第１電極材料１１および第２電極材料１２はそれぞれ、触媒電極層１４が配置されている面側が電解質膜１０の対応する面と面接触した状態で電解質膜１０とともに第１と第２の接合ロ−ラー１４５ａ，１４５ｂの間に繰り入れられる。

ここで、膜搬送部１２０と第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂとの間の電解質膜１０の搬送路を「第３搬送路ＴＳ３」と呼ぶ。本実施形態の製造装置１００では、制御部１１０が第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの回転速度を制御することによって、第３搬送路ＴＳ３において電解質膜１０に付与される張力が調整される（詳細は後述）。第３搬送路ＴＳ３には電解質膜１０に発生している張力を検出する張力検出部が設けられていても良い。

電解質膜１０は第１電極材料１１と第２電極材料１２とに挟まれた状態で第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂによって厚み方向に加圧される。第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの加圧力は、少なくとも電解質膜１０と触媒電極層１４との間の接合力が触媒電極層１４と樹脂フィルム１３との間の接着力よりも高くなる程度に調整されていることが望ましい。

第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの間からは電解質膜１０の両面に第１電極材料１１及び第２電極材料１２が接合された帯状体１５が繰り出され、回収部１５０へと搬送される。回収部１５０は巻取ローラー１５１を備えており、巻取ローラー１５１を所定の回転速度で回転させて、電極接合部１４０から送り出されてきた帯状体１５を巻き取って回収する。

図２は、制御部１１０による電解質膜１０の張力制御のフローを示す説明図である。ステップＳ１０では、制御部１１０は、電解質膜１０の搬送を開始する前に電解質膜１０が有すべき目標膜幅Ｗｔを取得する。目標膜幅Ｗｔは、電解質膜１０の目標サイズに相当する。例えば、制御部１１０は、入力インターフェイス（図示および詳細な説明は省略）を介してユーザーから目標膜幅Ｗｔの入力を受け付けても良い。あるいは、予め準備されているデータから目標膜幅Ｗｔを読み取っても良い。

ステップＳ２０では、制御部１１０は第１検出部１３１から第１搬送路ＴＳ１における張力Ｔ１および膜幅Ｗ１を取得する。ステップＳ３０では、制御部１１０は第２検出部１３２から第２搬送路ＴＳ２における張力Ｔ２および膜幅Ｗ２を取得する。膜幅Ｗ１，Ｗ２は、張力Ｔ１，Ｔ２がそれぞれ付与されたときの電解質膜１０のサイズの変化量を示す値に相当する。

ステップＳ４０では、制御部１１０は、ステップＳ１０で取得した目標膜幅Ｗｔと、ステップＳ２０，Ｓ３０で取得した張力Ｔ１，Ｔ２および膜幅Ｗ１，Ｗ２と、に基づいて第３搬送路ＴＳ３において電解質膜１０に付与すべき目標張力Ｔｔを決定する。具体的には、制御部１１０は、張力Ｔ１，Ｔ２および膜幅Ｗ１，Ｗ２によって、電解質膜１０の弾性率を取得する。電解質膜１０の弾性率は電解質膜１０の外力に対する変形性を表すパラメータである。制御部１１０は、当該弾性率を用いて、電解質膜１０の膜幅を目標膜幅Ｗｔに一致させるために必要な張力を目標張力Ｔｔとして決定する。

電解質膜１０の弾性率は、フックの法則に基づく下記の方程式（１）を利用して、線形近似的に求められる。
Ｙ＝ｋ・Ｘ＋ａ …（１）
Ｘ：電解質膜の張力
Ｙ：電解質膜のサイズ（幅）
ｋ：電解質膜１０の弾性率
ａ：定数
例えば、Ｔ１＝０．５Ｎ、Ｔ２＝１．０Ｎ、Ｗ１＝２９４ｍｍ、Ｗ２＝３００ｍｍである場合には、上記の方程式（１）から、ｋ＝１２、ａ＝２８８ｍｍが求まる。

目標張力Ｔｔは、上記の式（１）を変形した下記の式（２）のＹに目標膜幅Ｗｔを代入することによって算出される。
Ｔｔ＝Ｘ＝（Ｙ−ａ）／ｋ …（２）
上記の例において目標膜幅Ｗｔが２９５ｍｍである場合には、目標張力Ｔｔは、約０．５８Ｎとして算出される。

ステップＳ５０では、制御部１１０は、第３搬送路ＴＳ３において電解質膜１０に付与される張力が目標張力Ｔｔとなるように調整する。本実施形態の製造装置１００では、第３搬送路ＴＳ３の両端にある駆動ローラー１２３ａおよび第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの回転速度の組み合わせと、第３搬送路ＴＳ３における張力との関係が表されたマップが予め準備されている。制御部１１０は、当該マップを用いて目標張力Ｔｔに対する駆動ローラー１２３ａおよび第１と第２の接合ローラー１４５ａ，１４５ｂの回転速度を求め、各ローラー１２３ａ，１４５ａ，１４５ｂの回転速度を当該回転速度に制御する。

以上のように、本実施形態の製造装置１００では、電解質膜１０の膜幅が第３搬送路ＴＳ３において目標膜幅Ｗｔになるように、第３搬送路ＴＳ３において電解質膜１０に付与される張力が電解質膜１０の弾性率ｋに応じて調整される。そして、電解質膜１０が規定の目標サイズに調整された状態において電極材料１１，１２が電解質膜１０に接合される。

図３は、電極接合部１４０から送り出される帯状体１５の概略断面図である。図３には、帯状体１５から膜電極接合体１８が切り出される際の切断線の一例が一点鎖線で図示されている。帯状体１５は、回収部１５０において回収された後に、所定のサイズで複数の膜電極接合体１８に切り出される。帯状体１５の両面の樹脂フィルム１３は、切り出しの前あるいは後に触媒電極層１４の表面から剥離される。

各膜電極接合体１８の切り出しの際には、電解質膜１０の膨潤・収縮によるサイズの変動幅を考慮して、各膜電極接合体１８の外周縁にマージンＭＧが設けられることが望ましい。本実施形態の製造装置１００では、上述した張力制御によって電解質膜１０のサイズを目標のサイズに調整した上で触媒電極層１４が接合されているため、帯状体１５における電解質膜１０のサイズの変動幅が低減されている。従って、マージンＭＧの幅を小さくすることができ、電解質膜１０や触媒電極層１４などの材料使用量を低減することができる。よって、膜電極接合体１８の製造コストを低減させることが可能である。

以上のように、本実施形態の製造装置１００によれば、張力に対する電解質膜１０のサイズの変動性に応じて電解質膜１０に付与される張力が適切に調整されることによって、触媒電極層１４が接合されるときの電解質膜１０のサイズが制御されている。従って、環境条件や電解質膜１０の個体差による電解質膜１０のサイズの変動幅が低減され、より高い寸法精度で膜電極接合体１８を製造することが可能であり、膜電極接合体１８の製造コストを低減することが可能である。

B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、張力の変化に対する電解質膜１０のサイズの変動量が、膜幅検出部１３６によって取得される電解質膜１０の膜幅の変化量によって検出されている。これに対して、張力に対する電解質膜１０のサイズの変動量は、膜幅以外の寸法の変動量によって検出されても良い。例えば、張力の変化に対する電解質膜１０のサイズの変動量は、電解質膜１０の膜厚の変化量によって検出されても良い。また、電解質膜１０の長手方向における長さの変化量によって検出されても良い。

B2．変形例２：
上記実施形態では、第１搬送路ＴＳ１と第２搬送路ＴＳ２において異なる張力を電解質膜１０に付与して、各搬送路ＴＳ１，ＴＳ２において膜幅を検出している。これに対して、第１搬送路ＴＳ１または第２搬送路ＴＳ２のいずれか一方において張力を経時的に変化させ、張力の変化に対する電解質膜１０の膜幅の変化量を検出しても良い。

B3．変形例３：
上記実施形態では、搬送中の電解質膜１０に付与される張力は、制御部１１０による各ローラー１２２ａ，１２３ａ，１４５ａ，１４５ｂの回転速度の制御によって調整されている。これに対して、搬送中の電解質膜１０に付与される張力は、他の方法によって調整されても良い。例えば、電解質膜１０の張力は、搬送路の途中に設けられたローラーなどによって電解質膜１０を一方の面側かた厚み方向に押圧することによって調整されても良い。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、発明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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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。

１０…電解質膜
１０ｒ…電解質膜ロール
１１…第１電極材料
１１ｒ…第１電極材料ロール
１２…第２電極材料
１２ｒ…第２電極材料ロール
１３…樹脂フィルム
１４…触媒電極層
１５…帯状体
１８…膜電極接合体
１００…製造装置
１１０…制御部
１２０…膜搬送部
１２１…膜繰出部
１２２…第１のニップローラー部
１２２ａ…駆動ローラー
１２２ｂ…補助ローラー
１２３…第２のニップローラー部
１２３ａ…駆動ローラー
１２３ｂ…補助ローラー
１３１…第１検出部
１３２…第２検出部
１３５…張力検出部
１３６…膜幅検出部
１４０…電極接合部
１４１…第１電極材料供給部
１４２…第２電極材料供給部
１４５…接合ローラー部
１４５ａ…第１の接合ローラー
１４５ｂ…第２の接合ローラー
１５０…回収部
１５１…巻取ローラー
ＴＳ１…第１搬送路
ＴＳ２…第２搬送路
ＴＳ３…第３搬送路

Claims (1)

1. 燃料電池に用いられる膜電極接合体を製造する製造装置であって、
   帯状の電解質膜を前記電解質膜の長手方向に搬送しつつ、前記電解質膜に少なくとも第１の張力と第２の張力とを順に付与する膜搬送部と、
   前記第１の張力が付与されたときと前記第２の張力が付与されたときの前記電解質膜のサイズの変化量を示す値を取得し、前記膜搬送部を制御して、前記サイズの変化量と、予め設定されている前記電解質膜の目標サイズと、の差に基づく張力を前記電解質膜に発生させる張力制御部と、
   前記張力制御部の制御に基づく前記張力が付与されている前記電解質膜に電極材料を配置する電極形成部と、を備える、製造装置。

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