JP6171480B2 - ガスケット付き電解質膜製造装置及びガスケット付き電解質膜製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスケット付き電解質膜製造装置及びガスケット付き電解質膜製造方法に関し、特に電解質膜にガスケット部材を配置し、そのガスケット部材を熱溶融切断するとともに触媒層塗工電解質膜（Ｃａｔｌｙｓｔ Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ：以下、単にＣＣＭともいう）に貼り合せて封止するガスケット付き電解質膜製造装置及びガスケット付き電解質膜製造方法に関する。
脱炭素社会の構築に向けた動きの中で、エネルギー中間キャリアとして水素が注目されている。燃料電池は、水素エネルギーの利用形態の１つとして開発が進められている。
特に、種々の燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池ともいう）は、高出力密度や低温作動、電池本体がコンパクトであることから、自動車用途または家庭用途の電源として早期の実用化が期待されている。
特に、種々の燃料電池の中で、固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池ともいう）は、高出力密度や低温作動、電池本体がコンパクトであることから、自動車用途または家庭用途の電源として早期の実用化が期待されている。
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化ガスを電気化学的に反応させて電力を取り出す発電システムである。固体高分子形燃料電池における膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：以下、ＭＥＡともいう）は、電解質膜と触媒層、ガス拡散層、ガスケット層より構成される。この触媒層塗工電解質膜の一部を構成するガスケット層には、電解質を支持し、酸素及び水素のリークの抑制と電解質膜の湿度維持に寄与することが求められている。
ガスケット付き電解質膜を製造する技術として、例えば、特許文献１に示す電解質ガスケット付き電解質膜の製造方法が知られている。この製造方法は、以下の工程を有する。まず、帯状の電解質膜に所定間隔で触媒層を形成して成る触媒層塗工電解質膜（ＣＣＭ）を、原反ロールから巻き戻して搬送する。つぎに、前記触媒層塗電解質工膜に開口部が設けられたガスケットを、一対のロールにより圧着してガスケット付き電解質膜を形成する。これらの工程を実行すれば、帯状の触媒塗工電解質膜から複数のガスケット付き電解質膜を製造することができるという製造方法である。
上記特許文献１の製造方法では電解質膜に形成される触媒層の形成部とガスケットの開口部との位置合わせが必要となる。しかしながら、従来の技術では、このような触媒層形成部と、ガスケット開口部との位置ずれが発生するという問題があった。その位置ずれを見込み、ガスケット開口部面積を、触媒層形成部より大きめに形成する方法が考案されている。しかし、その方法では、ガスケットに被覆されていない電解質膜の暴露部分の耐久性が低下する虞がある。また、ガスケット部材の厚みは、一般的に数十μｍ程度と薄く、かつ、内側に開口部を持つ額縁状の形状である。このように、ガスケット部材は、非常に薄い額縁状の形状のため、その形状保持が困難である。したがって、触媒層とガスケット部材とを精度良く配置して接合することが困難であるという問題があった。
また、熱による貼り合せ（以下、貼合ともいう）を行う場合、ガスケット部材に熱溶着可能な溶着層を設ける必要がある。その溶着層を設けるには、基材に溶着層として熱可塑性フィルムをラミネーションすることが一般的である。あるいは、基材に溶着層として熱可塑性樹脂のディスパージョンをコーティングする方法等もある。しかしながら、熱可塑性フィルムをラミネーションする方法、あるいは、熱可塑性樹脂のディスパージョンをコーティングする方法においては、工程及び材料が増えるため、コストアップにつながる。また、汎用溶着層として用いられるポリオレフィンは、融点が１３０℃と低い。この温度は、発電温度に近いため、製品化された燃料電池の可動中に、ポリオレフィンが軟化する虞がある。さらに、ポリオレフィンの加工性向上のため使用される、滑剤、帯電防止剤、可塑剤、又は酸化防止剤等の添加剤がブリードアウトすることによる電解質膜への悪影響の虞もある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ガスケットを電解質膜の所定の位置に精度良く配置し、溶着層無しに封止することにより、コスト低減、安定性を向上することのできるガスケット付き電解質膜製造装置及びガスケット付き電解質膜製造方法を提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に係る発明は、電解質膜（１２）の所定領域に触媒層（１１，１１ａ，１１ｂ）が設けられた触媒層塗工電解質膜（１０，３０）と、前記所定領域に応じた形状の開口部（１３１）が設けられたガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）とを接合してガスケット付き電解質膜（１４，３４）を製造するガスケット付き電解質膜製造装置において、前記触媒層塗工電解質膜（１０，３０）と前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）とを挟持して圧接することにより貼り合せる一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）と、対向して配設された前記一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）のうち、片方のローラ（２１，２１ａ）の表面に設けられて前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）の開口部（１３１）に嵌合する凸部（２５）と、前記開口部（１３１）より大きな形状であり前記凸部（２５）以上の高さで加熱手段を有する金属刃（２６）と、前記凸部（２５）と前記開口部（１３１）とを嵌合させた状態で前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）を前記一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）のニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに前記触媒層塗工電解質膜（１０，３０）の端部に溶着させて封止するように前記一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）を動作させるローラ制御部と、を備えたことを特徴とするガスケット付き電解質膜製造装置である。（実施例１：図６、図７、実施例２：図９）
また、請求項２に係る発明は、前記凸部（２５）の平面視形状は前記ガスケットの前記開口部（１３１）の形状と相似する形状であることを特徴とする請求項１に記載のガスケット付き電解質膜製造装置である。（実施例１：図６、図７、実施例２：図９）
また、請求項３に係る発明は、前記凸部（２５）の高さが前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）の厚みと同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスケット付き電解質膜製造装置である。（実施例１：図６、図７、実施例２：図９）
また、請求項４に係る発明は、前記凸部（２５）の材質を弾性体とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置である。
また、請求項３に係る発明は、前記凸部（２５）の高さが前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）の厚みと同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスケット付き電解質膜製造装置である。（実施例１：図６、図７、実施例２：図９）
また、請求項４に係る発明は、前記凸部（２５）の材質を弾性体とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置である。
また、請求項５に係る発明は、前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）は帯状をなし、前記開口部（１３１）は前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）の長手方向に所定の間隔毎に複数形成され、前記凸部（２５）は前記所定の間隔に応じた間隔毎に複数形成され、前記制御部は、前記一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）を回転させることにより、前記複数の凸部（２５）と前記複数の開口部（１３１）とを各々連続的に嵌合させて、前記触媒層塗工電解質膜（１０，３０）とガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）とを接合することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置である。（実施例１：図６、図７、実施例２：図９）
また、請求項６に係る発明は、前記一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）は、前記ガスケット付き電解質膜（１４，３４）の完成時の形状に合わせた金属刃（２６）が配設された第１のローラ（２１，２１ａ）と、前記凸部（２５）のみを有して前記第１のローラ（２１，２１ａ）に配設された前記金属刃（２６）を受ける第２のローラ（２１，２１ｂ）とを有し、前記ローラ制御部は前記触媒層塗工電解質膜（１０，３０）の裏表両面のガスケット位置を合わせるように、前記第１のローラ（２１，２１ａ）と、前記第２のローラ（２１，２１ｂ）とを動作させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置。（実施例２：図９）
また、請求項７に係る発明は、電解質膜（１２）と触媒層（１１，１１ａ，１１ｂ）とを有する触媒層塗工電解質膜（１０，３０）と、触媒形状に応じた開口部（１３１）が設けられたガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）とを熱溶融切断してガスケット付き電解質膜（１４，３４）を製造する製造方法であって、前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）に当接して前記触媒層塗工電解質膜（１０，３０）と前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）とを熱溶融切断して封止するローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）の表面に設けられた凸部（２５）とガスケット開口部（１３１）を嵌合するように一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）を動作させるステップ（Ｓ１）と、前記凸部（２５）と前記開口部（１３１）とを嵌合させた状態で、前記ガスケット（１３，１３ａ，１３ｂ）を前記一対のローラ（２１，２１ａ，２１ｂ，２２）のニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに前記触媒層塗工電解質膜（１０，３０）の端部に溶着させて封止するステップ（Ｓ２）と、を有することを特徴とするガスケット付き電解質膜製造方法である。
本発明によれば、ガスケットを電解質膜の所定の位置に精度良く配置し、溶着層無しに封止することにより、コスト低減、安定性を向上することのできるガスケット付き電解質膜製造装置及びガスケット付き電解質膜製造方法を提供することが可能となる。より詳しくは、以下のとおりである。
１）封止ロールに設けられた凸部とガスケット開口部とを嵌合させつつガスケットと電解質膜とを封止することによって、ガスケットを電解質膜に精度良く封止することが容易にできる。
２）融点１３０℃のポリオレフィンを汎用溶着層として用いる代わりに、融点が約２７０℃の熱溶融切断シールを用いることで、高温でも溶着層を設けなくとも端面の封止が可能である。
３）耐熱性フィルムである二軸延伸ポリエステルナフタレートを用いてガスケット層を構成することによって、発電時の耐熱性が向上するとともに、添加剤のブリードアウトの虞も無くなる。
２）融点１３０℃のポリオレフィンを汎用溶着層として用いる代わりに、融点が約２７０℃の熱溶融切断シールを用いることで、高温でも溶着層を設けなくとも端面の封止が可能である。
３）耐熱性フィルムである二軸延伸ポリエステルナフタレートを用いてガスケット層を構成することによって、発電時の耐熱性が向上するとともに、添加剤のブリードアウトの虞も無くなる。
以下に、本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜の製造装置１及び製造方法について説明する。
まず、本発明に係るガスケット付き電解質膜製造装置１によって製造されるガスケット付き電解質膜１４について説明する。ガスケット付き電解質膜１４は、ガスケット付き電解質膜製造装置１を用いて、触媒層塗工電解質膜（ＣＣＭ）１０にガスケット１３が熱溶融切断により封止されることで形成される。
まず、本発明に係るガスケット付き電解質膜製造装置１によって製造されるガスケット付き電解質膜１４について説明する。ガスケット付き電解質膜１４は、ガスケット付き電解質膜製造装置１を用いて、触媒層塗工電解質膜（ＣＣＭ）１０にガスケット１３が熱溶融切断により封止されることで形成される。
図１は、本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造装置で材料として用いられる触媒層塗工電解質膜の平面図である。
図２は、図１に示した触媒層塗工電解質膜のＡ−Ａ断面図である。触媒層塗工電解質膜１０は、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）１２に触媒層１１を配設して構成される部材である。本実施例１においては、帯状の電解質膜１２の表面において、長手方向の所定間隔毎に、平面視して矩形状の触媒層１１が形成されている。なお、本実施例１で用いる電解質膜１２は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるもので良い。この電解質膜１２として、例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適である。それらの中でも、特に、フッ素系電解質膜が好ましい。
図２は、図１に示した触媒層塗工電解質膜のＡ−Ａ断面図である。触媒層塗工電解質膜１０は、固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）１２に触媒層１１を配設して構成される部材である。本実施例１においては、帯状の電解質膜１２の表面において、長手方向の所定間隔毎に、平面視して矩形状の触媒層１１が形成されている。なお、本実施例１で用いる電解質膜１２は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるもので良い。この電解質膜１２として、例えば、フッ素系電解質膜や炭化水素電解質膜が好適である。それらの中でも、特に、フッ素系電解質膜が好ましい。
同様に、本実施例１で用いる触媒層１１は、固体高分子形燃料電池に一般的に用いられるもので良い。この触媒層１１として、例えば、白金または白金と他の金属（例えばＲｕ，Ｒｈ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ等）との合金の微粒子（平均粒径は１０ｎｍ以下が望ましい）が、表面に担持されたカーボンブラック等の導電性炭素微粒子（平均粒径：２０〜１００ｎｍ程度）と、パーフルオロスルホン酸樹脂溶液等の高分子溶液とが、適当な溶剤（エタノール等）中で均一に混合されたインクより作成されるものが使用できる。
図３は、図１の触媒層塗工電解質膜の材料となるガスケットの平面図である。ガスケット１３は原反ロールから巻き戻して供給される帯状のシート部材であり、長手方向の所定間隔毎に開口部１３１が形成されている。この開口部１３１が形成される間隔は、前記触媒層１１の間隔に応じて予め定められる。この触媒層１１の間隔は、目的とするＭＥＡのサイズによって定められる。
図４は、本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜の平面図である。
図５は、図４に示したガスケット付き電解質膜のＢ−Ｂ断面図である。なお、図５に示す触媒層１１ａ及びガスケット１３ａは、図４に示す触媒層１１及びガスケット１３と、それぞれ同じ部材であるが、後述する図８及び図９との整合のために、より細かく符号付している。
図５は、図４に示したガスケット付き電解質膜のＢ−Ｂ断面図である。なお、図５に示す触媒層１１ａ及びガスケット１３ａは、図４に示す触媒層１１及びガスケット１３と、それぞれ同じ部材であるが、後述する図８及び図９との整合のために、より細かく符号付している。
図４及び図５に示すガスケット付き電解質膜１４は、以下の工程により製造される。先ず、電解質膜１２の表面における適切な位置関係を保持するように、ガスケット１３が配置される。そのように配置された電解質膜１２とガスケット１３とは、過熱された金属刃２６（図７）によって押し切られる。この金属刃２６は、同一形状のガスケット１３を、繰り返して多数製造する、いわば金型のような機能を有して配置されている。このような工程によって製造されるガスケット付き電解質膜１４は、溶着幅がほとんど無いシール部１５を形成する。その際、触媒層１１が、ガスケット１３の開口部１３１に正確に嵌合するように、ガスケット１３が配置される。つまり、触媒層１１の周囲を囲むように、ガスケット１３の開口部１３１に、触媒層１１の周囲を嵌合させる。
金属刃２６の加熱方法は、特に限定されるものではないが、低熱伝導率の材質で金属刃２６を構成し、その金属刃２６に通電することで自己発熱させる方法がある。また、金属刃２６の根元部分に発熱ヒーターを埋め込んで、そのヒーターからの伝熱によって加熱する方法も考えられる。
ガスケット１３は、二軸延伸ポリエチレンナフタレートから構成される。このような、熱可塑性樹脂フィルムは、二軸延伸を行うことで、分子の配向が揃い、強度、耐薬品性、耐熱性に優れる。また、ポリエチレンナフタレートは、ガスバリア性、機械強度、耐薬品性に優れる汎用フィルムである。
ガスケット１３は、二軸延伸ポリエチレンナフタレートから構成される。このような、熱可塑性樹脂フィルムは、二軸延伸を行うことで、分子の配向が揃い、強度、耐薬品性、耐熱性に優れる。また、ポリエチレンナフタレートは、ガスバリア性、機械強度、耐薬品性に優れる汎用フィルムである。
本実施例１係るガスケット付き電解質膜製造装置１において、ガスケット付き電解質膜１４を製造する際に、材料として用いられる触媒層塗工電解質膜１０は、触媒層１１，１１ａの縁部の周囲に配置されるガスケット１３，１３ａを備え、そのガスケット１３，１３ａは、燃料ガス及び酸化ガスの透過を防止し、耐熱性を有する単層の熱可塑性樹脂フィルムから構成されている。
本実施例１係るガスケット付き電解質膜製造装置１において、ガスケット付き電解質膜１４を製造する際に、材料として用いられるガスケット１３，１３ａは、ポリエステル系樹脂で形成されることが好ましい。さらに、このガスケット１３，１３ａは、二軸延伸ポリエチレンナフタレートで形成されることが好ましい。
本実施例１係るガスケット付き電解質膜製造装置１において、ガスケット付き電解質膜１４を製造する際に、材料として用いられるガスケット１３，１３ａは、ポリエステル系樹脂で形成されることが好ましい。さらに、このガスケット１３，１３ａは、二軸延伸ポリエチレンナフタレートで形成されることが好ましい。
次に、本実施例１に係るガスケット付き電解質膜の製造装置１の構成について説明する。
図６は、本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造装置の概略図である。
本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造装置１の概略図である。ガスケット付き電解質膜製造装置１は、巻き出しローラ１９ａ、巻き出しローラ１９ｂ、凸部、金属刃付き第１の封止ローラ（第１の封止ローラ）２１、第２の封止ローラ（第２の封止ローラ）２２、加圧装置２３及びローラ制御部（図示せず）を備える。なお、これらの各種ローラを、単に、ローラともいう。
図６は、本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造装置の概略図である。
本発明の実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造装置１の概略図である。ガスケット付き電解質膜製造装置１は、巻き出しローラ１９ａ、巻き出しローラ１９ｂ、凸部、金属刃付き第１の封止ローラ（第１の封止ローラ）２１、第２の封止ローラ（第２の封止ローラ）２２、加圧装置２３及びローラ制御部（図示せず）を備える。なお、これらの各種ローラを、単に、ローラともいう。
巻き出しローラ１９ａは、予めロール状に巻かれている原反からガスケット１３を巻き出す装置である。巻き出しローラ１９ｂは、同様に予めロール状に巻かれている原反から触媒層塗工電解質膜１０を巻き出す装置である。第２の封止ローラ２２は、凸部、金属刃付き第１の封止ローラ２１と共に触媒層塗工電解質膜１０とガスケット１３を加圧し、加熱された金属刃２６でガスケットを熱溶融切断封止する装置である。加圧装置２３は、第２の封止ローラ２２と接続され、凸部、金属刃付き封止ローラ２１及び封止ローラ２２の間にニップ圧力を作用させる装置である。
ローラ制御部は、巻き出しローラ１９ａ、巻き出しローラ１９ｂ、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、封止ローラ２２、及び加圧装置２３の動作を制御する装置である。ローラ制御部は、典型的にはＣＰＵ等の情報処理装置やメモリ等の記憶装置、及びインターフェース回路を備え、予め記憶されたプログラムに従い、巻き出しローラ１９ａ、巻き出しローラ１９ｂ、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、封止ローラ２２、及び加圧装置２３を制御する。
凸部、金属刃付き封止ローラ２１は、ガスケット１３に当接して触媒層塗工電解質膜１０，３０とガスケット１３とを貼合するための装置である。凸部、金属刃付き封止ローラ２１は、図７に示すように円柱状の本体部２４の外周面に複数の凸部２５と金属刃２６が設けられて成る。
凸部、金属刃付き封止ローラ２１は、ガスケット１３に当接して触媒層塗工電解質膜１０，３０とガスケット１３とを貼合するための装置である。凸部、金属刃付き封止ローラ２１は、図７に示すように円柱状の本体部２４の外周面に複数の凸部２５と金属刃２６が設けられて成る。
図７は、図６のガスケット付き電解質膜製造装置における凸部、金属刃付き圧着ローラの概略図である。ガスケット付き電解質膜製造装置１における凸部２５は、ガスケット１３の開口部１３１と嵌合するように、その開口部１３１の形状と相似する平面視形状であることが好ましい。また、金属刃２６は、ガスケット付き電解質膜１４の完成時の形状に合わせた配置にすることが好ましい。本実施例１のガスケット付き電解質膜製造装置１において、凸部２５は、本体部２４の表面から凸部２５の頂部までの高さ（以下、凸部の高さという）を、ガスケット１３の厚みと略同じにすることが好ましい。凸部２５は、例えば本体部２４の表面を切削することにより形成される。
このように、ガスケット１３，１３ａは、帯状をなしており、開口部１３１はガスケット１３，１３ａの長手方向に所定の間隔毎に複数形成されている。その所定の間隔に応じた間隔毎に、凸部２５が、ローラ２１の本体２４の周面に複数形成されている。同様に、凸部２５が、ローラ２２の本体の周面にも複数形成されている。また、ローラ制御部は、一対のローラ２１，２２を回転させることにより、複数の凸部２５と複数の開口部１３１とを各々連続的に嵌合させることにより、触媒層塗工電解質膜１０，とガスケット１３，１３ａとを接合する構成である。そして、凸部２５の平面視形状は、ガスケット１３，１３ａの開口部１３１の形状と相似する形状である。また、凸部２５の高さがガスケット１３，１３ａの厚みと同じである。そして、凸部２５の材質を弾性体とすることが好ましい。
また、金属刃２６は凸部２５の嵌合を妨げず、封止ローラ２１の加圧によって電解質膜１２とガスケット１３に押し当たる高さに調整することが望ましい。凸部、金属刃付き封止ローラ２１及び封止ローラ２２は互いに対向するよう配置される。
このように、ガスケット付き電解質膜製造装置１は、電解質膜１２の所定領域に触媒層１１，１１ａが設けられた触媒層塗工電解質膜１０と、触媒層１１，１１ａが設けられた所定領域に応じた形状の開口部１３１が設けられたガスケット１３，１３ａとを接合してガスケット付き電解質膜１４を製造する。
このように、ガスケット付き電解質膜製造装置１は、電解質膜１２の所定領域に触媒層１１，１１ａが設けられた触媒層塗工電解質膜１０と、触媒層１１，１１ａが設けられた所定領域に応じた形状の開口部１３１が設けられたガスケット１３，１３ａとを接合してガスケット付き電解質膜１４を製造する。
このガスケット付き電解質膜製造装置１は、触媒層塗工電解質膜１０とガスケット１３，１３ａとを挟持して圧接することにより貼り合せる一対のローラ２１，２２と、これら対向して配設された一対のローラ２１，２２のうち、片方のローラ２１，２１ａの表面に設けられてガスケット１３，１３ａ，１３ｂの開口部１３１に嵌合する凸部２５と、開口部１３１より大きな形状であり凸部２５以上の高さで加熱手段を有する金属刃２６と、凸部２５と開口部１３１とを嵌合させた状態でガスケット１３，１３ａを一対のローラ２１，２２のニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに触媒層塗工電解質膜１０の端部に溶着させて封止するように一対のローラ２１，２２を動作させるローラ制御部と、を備えている。
以下、上述したガスケット付き電解質膜製造装置１の動作について説明する。
先ず、ローラ制御部は、凸部、金属刃付き封止ローラ２１の凸部がガスケットの開口部１３１に挿入できるように、また、凸部、金属刃付き封止ローラ２１の凸部と触媒層塗工電解質膜１０の触媒層部分が重なるように、凸部、金属刃付き封止ローラ２１、巻き出しローラ１９ａ、及び巻き出しローラ１９ｂを同期して回転させる。このような動作により、巻き出されたガスケット１３の開口部１３１部分に、凸部２５が挿入された状態で搬送される。
先ず、ローラ制御部は、凸部、金属刃付き封止ローラ２１の凸部がガスケットの開口部１３１に挿入できるように、また、凸部、金属刃付き封止ローラ２１の凸部と触媒層塗工電解質膜１０の触媒層部分が重なるように、凸部、金属刃付き封止ローラ２１、巻き出しローラ１９ａ、及び巻き出しローラ１９ｂを同期して回転させる。このような動作により、巻き出されたガスケット１３の開口部１３１部分に、凸部２５が挿入された状態で搬送される。
巻き出しローラ１９ａ、１９ｂから各々巻き出された触媒層塗工電解質膜１０及びガスケット１３は、凸部、金属刃付き封止ローラ２１と封止ローラ２２との間に引き込まれて熱溶融切断されるとともに封止される。この一連の動作において、ローラ制御部は、各部の動作を同期して制御する。すなわち、凸部２５の頂面の中心と、触媒層１１の形成領域の面中心とが、貼合時に一致するように、凸部、金属刃付き封止ローラ２１、巻き出しローラ１９ａ、及び巻き出しローラ１９ｂに対し、それらの回転角度及び回転速度を適切に同期させるように制御する。
次いで、ローラ制御部は、加圧装置２３によって凸部、金属刃付き封止ローラ２１と封止ローラ２２間に圧力を作用させる。加圧装置２３によって作用させるニップ圧力は、１０〜１００ＭＰａの範囲内で設定された圧力になるよう調節される。なお、ニップ圧力については、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の範囲より低い場合、金属刃２６に係る圧力が足りず、ガスケット１３の端面が熱溶融切断できない。逆に、１０ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の圧力範囲より高い場合、高圧力によってガスケット付き電解質膜１４が劣化してしまう場合がある。このようにして製造されたガスケット付き電解質膜１４は巻き取りローラ２０によって巻き取られる。
このように、本実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造方法は、電解質膜１２と触媒層１１，１１ａとを有する触媒層塗工電解質膜１０と、触媒形状に応じた開口部１３１が設けられたガスケット１３，１３ａとを熱溶融切断して、ガスケット付き電解質膜１４を製造する製造方法である。
図１１は、本発明の実施例に係るガスケット付き電解質膜製造方法の要点を説明するためのフローチャートである。図１１に示すように、ガスケット付き電解質膜製造方法は、以下の２つのステップを有する。
第１のステップ(Ｓ１)として、ガスケット１３に当接して、触媒層塗工電解質膜１０とガスケット１３とを熱溶融切断して封止するローラ２１の表面に設けられた凸部２５と、ガスケット開口部１３１とを嵌合させるように、一対のローラ２１，２２を動作させる。
第１のステップ(Ｓ１)として、ガスケット１３に当接して、触媒層塗工電解質膜１０とガスケット１３とを熱溶融切断して封止するローラ２１の表面に設けられた凸部２５と、ガスケット開口部１３１とを嵌合させるように、一対のローラ２１，２２を動作させる。
そして、第２のステップ（Ｓ２）として、凸部２５と開口部１３１とを嵌合させた状態で、ガスケット１３，１３ａを一対のローラ２１，２２のニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに触媒層塗工電解質膜１０の端部に溶着させて封止する。なお、金属刃２６は、各層を、切り裂くためでなく、各層に対して、加熱した金属刃２６で一度切り込むことにより、切断面を溶融して接合するために熱溶融させる。
以上、説明したように、本実施例１に係るガスケット付き電解質膜製造装置１、及びガスケット付き電解質膜製造方法によれば、ガスケット付き電解質膜１４の触媒層１１，１１ａと、ガスケット開口部１３１との位置ズレを抑制することができる。つまり、ガスケット付き電解質膜製造装置１において、ローラ制御部は、ガスケット１３，１３ａの開口部１３１及び触媒層塗工電解質膜１０の触媒層層１１，１１ａを、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａの凸部２５に、位置を合わせるように、各ローラの回転角度及び回転速度を、適切に同期制御する。その結果、ガスケット付き電解質膜１４の触媒層１１，１１ａと、ガスケット開口部１３１との位置ズレを抑制することができる。
また、ガスケット１３，１３ａの開口部１３１に、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａの凸部２５を挿入するとともに、触媒層塗工電解質膜１０とガスケット１３，１３ａとを熱溶融切断封止を行う。その結果、触媒層塗工電解質膜１０へのニップ圧力が均一になり、ガスケット１３，１３ａの形状を保ちながら連続的に良好な形状のガスケット付き電解質膜１４を製造することができる。なお、上述した凸部、金属刃付き封止ローラ２１と、封止ローラ２２との間に作用するニップ圧力の大きさは一例である。したがって、この実施例１に限らず、触媒層塗工電解質膜１０やガスケット１３，１３ａの材料に応じたニップ圧力を適宜設定しても構わない。
また、実施例１では、本体部２４表面を切削して凸部２５を形成したが、それに限定されない。凸部２５を本体部２４の表面に貼り付け、凸部、金属刃付き封止ローラ２１を構成しても良い。また、凸部２５の素材は、ゴムやスポンジ等の弾性体や、異種金属等任意に選択して良い。凸部２５を弾性体とすれば、凸部２５が当接する対象物の位置に弾力的にに対応して高さを適切に調整することが可能となる。その柔軟性によって、ガスケット１３と触媒層塗工電解質膜１０の熱溶融切断封止時の圧力を均一にすることがでる。その結果、ガスケット付き電解質膜１４に、皺が発生することを防止できる。
以下、図８乃至図１０を参照して実施例２について説明する。なお、実施例１にて説明した構成と同様の構成については同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図８は、本発明の実施例２に係るガスケット付き電解質膜の断面図である。実施例２のガスケット付き電解質膜３４は、図８に示すように、触媒層塗工電解質膜３０の両面に各々ガスケット１３ａ、１３ｂが接合されている構成である。なお、実施例１のガスケット付き電解質膜製造装置１では、触媒層塗工電解質膜１０の一方の面にガスケット１３を接合する構成のガスケット付き電解質膜１４であった。
図８は、本発明の実施例２に係るガスケット付き電解質膜の断面図である。実施例２のガスケット付き電解質膜３４は、図８に示すように、触媒層塗工電解質膜３０の両面に各々ガスケット１３ａ、１３ｂが接合されている構成である。なお、実施例１のガスケット付き電解質膜製造装置１では、触媒層塗工電解質膜１０の一方の面にガスケット１３を接合する構成のガスケット付き電解質膜１４であった。
図９は、本発明の実施例２に係るガスケット付き電解質膜製造装置の概略図である。ガスケット付き電解質膜製造装置２は、巻き出しローラ１９ｃをさらに備え、封止ローラ２２に代えて凸部付き封止ローラ２１ｂを備えている。また、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａと、凸部付き封止ローラ２１ｂとは互いに対向するよう配置されている。なお、凸部付き封止ローラ２１ｂは、実施例１において、上述した凸部、金属刃付き封止ローラ２１とは違い、金属刃２６は備えておらず、金属刃２６を受けるローラである。また、加圧装置２３は、凸部付き封止ローラ２１ｂと接続されてニップ圧を調整する。
このように、一対のローラ２１ａ，２１ｂは、ガスケット付き電解質膜３４の完成時の形状に合わせた金属刃２６が配設された第１のローラ２１ａと、凸部２５のみを有して第１のローラ２１ａに配設された金属刃２６を受ける第２のローラ２１ｂと、制御部は触媒層塗工電解質膜３０の裏表両面のガスケット位置を合わせるように、第１のローラ２１ａと、第２のローラ２１ｂとを動作させる。なお、第１のローラ２１ａ及び第２のローラ２１ｂは、それぞれ、ローラ２１ａ及びローラ２１ｂともいう。
図１０は、図９に示すガスケット付き電解質膜製造装置で材料として用いられる触媒層塗工電解質膜の断面図である。
ガスケット付き電解質膜製造装置２は、図１０に示すような、触媒層塗工電解質膜３０を用いて、ガスケット付き電解質膜３４を製造する。触媒層塗工電解質膜３０は、電解質膜１２の表裏両面に触媒層１１ａ、１１ｂが各々配設された構成である。この触媒層塗工電解質膜３０は、巻き出しローラ１９ｂにより原反から巻き出される。また、巻き出しローラ１９ａは、ガスケット１３ａを原反から巻き出す。また、巻き出しローラ１９ｃは、ガスケット１３ｂを巻き出す。
ガスケット付き電解質膜製造装置２は、図１０に示すような、触媒層塗工電解質膜３０を用いて、ガスケット付き電解質膜３４を製造する。触媒層塗工電解質膜３０は、電解質膜１２の表裏両面に触媒層１１ａ、１１ｂが各々配設された構成である。この触媒層塗工電解質膜３０は、巻き出しローラ１９ｂにより原反から巻き出される。また、巻き出しローラ１９ａは、ガスケット１３ａを原反から巻き出す。また、巻き出しローラ１９ｃは、ガスケット１３ｂを巻き出す。
ローラ制御部は、これらの巻き出しローラ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、及び凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、凸部付き封止ローラ２１ｂの回転角度及び回転速度を、適切に同期させながら動作させる。具体的には、下記１），２）の動作について、適切に同期させるように、各ローラの動作を制御しつつガスケット１３ａ、１３ｂを巻き出す。
１）ガスケット１３ａの開口部１３１内に凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａの凸部２５が挿入されること。
２）ガスケット１３ｂの開口部１３１内に凸部付き封止ローラ２１ｂの凸部２５が挿入されること。
１）ガスケット１３ａの開口部１３１内に凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａの凸部２５が挿入されること。
２）ガスケット１３ｂの開口部１３１内に凸部付き封止ローラ２１ｂの凸部２５が挿入されること。
さらに、ローラ制御部は、下記１），２）の動作について、適切に同期させるように、各ローラの動作を制御する。
１）触媒層塗工電解質膜３０の触媒層１１ａの形成領域の中心に対して、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａの凸部２５の中心が一致すること。
２）触媒層塗工電解質膜３０の触媒層１１ｂの形成領域の中心と凸部付き封止ローラ２１ｂの凸部２５の中心が一致すること。
１）触媒層塗工電解質膜３０の触媒層１１ａの形成領域の中心に対して、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａの凸部２５の中心が一致すること。
２）触媒層塗工電解質膜３０の触媒層１１ｂの形成領域の中心と凸部付き封止ローラ２１ｂの凸部２５の中心が一致すること。
上述した動作は、スプロケットでチェーンを巻き取りながら駆動するような動作であるが、下記１）２）の２ステップに分けて説明することもできる。
１）一対のローラ２１ａ，２２ｂを動作させることよって、巻き出されたガスケット１３ａ，１３ｂは、各々の開口部１３１に、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、凸部付き封止ローラ２１ｂそれぞれの凸部２５を、嵌合させた状態で、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、及び凸部付き封止ローラ２１ｂの間に引き込まれるステップ(Ｓ１)。
１）一対のローラ２１ａ，２２ｂを動作させることよって、巻き出されたガスケット１３ａ，１３ｂは、各々の開口部１３１に、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、凸部付き封止ローラ２１ｂそれぞれの凸部２５を、嵌合させた状態で、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、及び凸部付き封止ローラ２１ｂの間に引き込まれるステップ(Ｓ１)。
２）ローラ制御部は、加圧装置２３を制御することにより、凸部、金属刃付き封止ローラ２１ａ、及び凸部付き封止ローラ２１ｂの間にニップ圧力を発生させ、触媒層塗工電解質膜３０とガスケット１３ａとガスケット１３ｂとの３層を、加熱した金属刃２６で熱溶融切断して封止するステップ(Ｓ２)。なお、金属刃２６は、各層を、切り裂くためでなく、各層に対して、加熱した金属刃２６で一度切り込むことにより、切断面を溶融して接合するために熱溶融させる。
実施例１において、図１１を参照して説明したように、実施例２のガスケット付き電解質膜製造方法は、以下の２つのステップを有する。なお、図１１の符号は、実施例１のガスケット付き電解質膜製造装置１のみに対応しているが、下記の説明は、実施例２のガスケット付き電解質膜製造装置２に対応している。
第１のステップ(Ｓ１)として、ガスケット１３ａ，１３ｂに当接して、触媒層塗工電解質膜３０とガスケット１３ａ，１３ｂとを熱溶融切断して封止するローラ２１ａ，２２ｂの表面にそれぞれ設けられた凸部２５と、ガスケット開口部１３１とを嵌合させるように、一対のローラ２１ａ，２２ｂを動作させる。
第１のステップ(Ｓ１)として、ガスケット１３ａ，１３ｂに当接して、触媒層塗工電解質膜３０とガスケット１３ａ，１３ｂとを熱溶融切断して封止するローラ２１ａ，２２ｂの表面にそれぞれ設けられた凸部２５と、ガスケット開口部１３１とを嵌合させるように、一対のローラ２１ａ，２２ｂを動作させる。
第２のステップ（Ｓ２）として、凸部２５と開口部１３１とを嵌合させた状態で、ガスケット１３ａ，１３ｂを、一対のローラ２１ａ，２２ｂのニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに触媒層塗工電解質膜３０の端部に溶着させて封止する。
上述した熱溶融切断封止により製造されたガスケット付き電解質膜３４は、巻き取りローラ２０によってロール状に巻き取られる。
以上説明した実施例２に係るガスケット付き電解質膜製造装置２によれば、触媒層塗工電解質膜３０の両面に、ガスケット１３、１３ｂが良好な形状で接合されたガスケット付き電解質膜３４を製造することができる。
上述した熱溶融切断封止により製造されたガスケット付き電解質膜３４は、巻き取りローラ２０によってロール状に巻き取られる。
以上説明した実施例２に係るガスケット付き電解質膜製造装置２によれば、触媒層塗工電解質膜３０の両面に、ガスケット１３、１３ｂが良好な形状で接合されたガスケット付き電解質膜３４を製造することができる。
次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例３は実施例１をより詳しく説明するために設けた別枠である。
まず、実施例１で用いたガスケット付き電解質膜製造装置１に、触媒層塗工電解質膜１０と、ガスケット１３を設置した。ここで、触媒層塗工電解質膜１０の電解質膜１２としては、Ｄｕｐｏｎｔ社製ナフィオン（登録商標）２１２を用いた。また、触媒層１１は白金担持カーボン触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業製）と、２０質量％高分子電解質溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社製ナフィオン：登録商標、）とを、水、エタノールの混合溶媒で混合した後、遊星型ボールミルで分散処理を行い、調製したものをインクとして使用し、転写法により形成した。
まず、実施例１で用いたガスケット付き電解質膜製造装置１に、触媒層塗工電解質膜１０と、ガスケット１３を設置した。ここで、触媒層塗工電解質膜１０の電解質膜１２としては、Ｄｕｐｏｎｔ社製ナフィオン（登録商標）２１２を用いた。また、触媒層１１は白金担持カーボン触媒（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属工業製）と、２０質量％高分子電解質溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社製ナフィオン：登録商標、）とを、水、エタノールの混合溶媒で混合した後、遊星型ボールミルで分散処理を行い、調製したものをインクとして使用し、転写法により形成した。
また、ガスケット１３としては、帝人デュポン社製ポリエチレンナフタレート(Ｔｅｏｎｅｘ)（登録商標)を打ち抜き機によって裁断して開口部１３１を形成したものを用いた。また、触媒層１１の平面視形状は縦横５０ｍｍの正方形とし、ガスケット１３の開口部１３１は５２ｍｍ四方の正方形とした。
続いて、ガスケット付き電解質膜製造装置１により、ガスケット付き電解質膜１４を１０枚製造した。その設定条件は、凸部２５、金属刃付き封止ローラ２１及び封止ローラ２２のロール温度２４℃、金属刃２６の温度を３６０℃、ニップ圧力２０ＭＰａである。その結果、ガスケット開口部１３１の中心座標と、触媒層１１ａの中心座標とに、ズレがなく製造できた。また、製造したガスケット付き電解質膜１４を用い、燃料電池の単セルを製造した。この単セルのアノード側から水素ガス、カソード側から窒素ガスを供給し、リークチェックを行ったところ、ガスリークは確認されなかった。
以上説明したように、本発明によれば、ガスケットを、電解質膜又は触媒層塗工電解質膜の所定の位置に精度良く配置し、溶着層無しに封止することが可能である。そして、コスト低減、安定性を向上することのできるガスケット付き電解質膜製造装置、ガスケット付き電解質膜製造方法及びガスケット付き電解質膜を提供することが可能となる。より詳しくは、以下のとおりである。
１）封止ロールに設けられた凸部とガスケット開口部とを嵌合させつつガスケットと電解質膜とを封止することによって、ガスケットを電解質膜に精度良く封止することが容易にできる。
２）融点１３０℃のポリオレフィンを汎用溶着層として用いる代わりに、融点が約２７０℃の熱溶融切断シールを用いることで、高温でも溶着層を設けなくとも端面の封止が可能である。
２）融点１３０℃のポリオレフィンを汎用溶着層として用いる代わりに、融点が約２７０℃の熱溶融切断シールを用いることで、高温でも溶着層を設けなくとも端面の封止が可能である。
３）耐熱性フィルムである二軸延伸ポリエステルナフタレートを用いてガスケット層を構成することによって、発電時の耐熱性が向上するとともに、添加剤のブリードアウトの虞も無くなる。
なお、本発明の実施態様は、上述した各実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。
なお、本発明の実施態様は、上述した各実施例に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれるものである。
本発明は、優れた品質のガスケット付き電解質膜を効率的に製造可能なガスケット付き電解質膜製造装置及び製造方法並びにそれらにより製造されたガスケット付き電解質膜として有用である。
１，２ ガスケット付き電解質膜製造装置
１０，３０ 触媒層塗工電解質膜（触媒層塗工電解質膜）
１１，１１ａ、１１ｂ 触媒層
１２ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１３，１３a、１３b ガスケット
１４，３４ ガスケット付き電解質膜
１５ 熱溶融封止
１９a，１９ｂ，１９ｃ 巻き出しローラ
２０ 巻き取りローラ
２１，２１ａ 凸部、金属刃付き封止ローラ（第１のローラ、ローラ）
２１ｂ 凸部付き封止ローラ（第２のローラ、ローラ）
２２ 封止ローラ（ローラ、ローラ）
２３ 加圧装置
２４ （凸部、金属刃付き封止ローラの）本体部
２５ 凸部
２６ 金属刃
１３１ 開口部
１０，３０ 触媒層塗工電解質膜（触媒層塗工電解質膜）
１１，１１ａ、１１ｂ 触媒層
１２ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１３，１３a、１３b ガスケット
１４，３４ ガスケット付き電解質膜
１５ 熱溶融封止
１９a，１９ｂ，１９ｃ 巻き出しローラ
２０ 巻き取りローラ
２１，２１ａ 凸部、金属刃付き封止ローラ（第１のローラ、ローラ）
２１ｂ 凸部付き封止ローラ（第２のローラ、ローラ）
２２ 封止ローラ（ローラ、ローラ）
２３ 加圧装置
２４ （凸部、金属刃付き封止ローラの）本体部
２５ 凸部
２６ 金属刃
１３１ 開口部
Claims (7)
- 電解質膜の所定領域に触媒層が設けられた触媒層塗工電解質膜と、
前記所定領域に応じた形状の開口部が設けられたガスケットとを接合してガスケット付き電解質膜を製造するガスケット付き電解質膜製造装置において、
前記触媒層塗工電解質膜と前記ガスケットとを挟持して圧接することにより貼り合せる一対のローラと、
対向して配設された前記一対のローラのうち、片方のローラの表面に設けられて前記ガスケットの開口部に嵌合する凸部と、
前記開口部より大きな形状であり前記凸部以上の高さで加熱手段を有する金属刃と、
前記凸部と前記開口部とを嵌合させた状態で前記ガスケットを前記一対のローラのニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに前記触媒層塗工電解質膜の端部に溶着させて封止するように前記一対のローラを動作させるローラ制御部と、
を備えたことを特徴とするガスケット付き電解質膜製造装置。 - 前記凸部の平面視形状は前記ガスケットの前記開口部の形状と相似する形状であることを特徴とする請求項１に記載のガスケット付き電解質膜製造装置。
- 前記凸部の高さが前記ガスケットの厚みと同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスケット付き電解質膜製造装置。
- 前記凸部の材質を弾性体とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置。
- 前記ガスケットは帯状をなし、前記開口部は前記ガスケットの長手方向に所定の間隔毎に複数形成され、前記凸部は前記所定の間隔に応じた間隔毎に複数形成され、前記制御部は、前記一対のローラを回転させることにより、前記複数の凸部と前記複数の開口部とを各々連続的に嵌合させて、前記触媒層塗工電解質膜とガスケットとを接合することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置。
- 前記一対のローラは、
前記ガスケット付き電解質膜の完成時の形状に合わせた金属刃が配設された第１のローラと、
前記凸部のみを有して前記第１のローラに配設された前記金属刃を受ける第２のローラとを有し、
前記ローラ制御部は前記触媒層塗工電解質膜の裏表両面のガスケット位置を合わせるように、前記第１のローラと、前記第２のローラとを動作させることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のガスケット付き電解質膜製造装置。 - 電解質膜と触媒層とを有する触媒層塗工電解質膜と、触媒形状に応じた開口部が設けられたガスケットとを熱溶融切断してガスケット付き電解質膜を製造する製造方法であって、
前記ガスケットに当接して前記触媒層塗工電解質膜と前記ガスケットとを熱溶融切断して封止するローラの表面に設けられた凸部とガスケット開口部を嵌合するように一対のローラを動作させるステップと、
前記凸部と前記開口部とを嵌合させた状態で、前記ガスケットを前記一対のローラのニップ圧を伴って熱溶融切断するとともに前記触媒層塗工電解質膜の端部に溶着させて封止するステップと、
を有することを特徴とするガスケット付き電解質膜製造方法。
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