JP7024318B2

JP7024318B2 - 接合方法

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Publication number: JP7024318B2
Application number: JP2017205097A
Authority: JP
Inventors: 達也浅井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: JP2019079671A

Description

本発明は、燃料電池の膜電極接合体を構成する触媒層にガス拡散シートを接合する接合方法に関する。

従来から、固体高分子型燃料電池の燃料電池用のセルは、電解質膜の両面に触媒層が積層された膜電極接合体の両側に、さらにガス拡散層が積層された接合体を備えている。

近年、普及や量産化のために、このような接合体をロールツーロール方式で製造する方法について、研究・開発が進められている。例えば、特許文献１には、ロールツーロール方式で、電解質膜に相当する帯状の電解質シートに形成された触媒層を、ガス拡散層を構成する帯状のガス拡散シートに接合する方法が開示されている。

具体的には、この接合方法では、触媒層が形成された電解質シートを支持している支持シートを電解質シートと共にロールツーロール方式で搬送し、かつ、支持シートの触媒層に対向する位置で、ガス拡散シートをロールツーロール方式で搬送する。次いで、支持シートとガス拡散シートとを接合部材の間に挟み込んで、触媒層をガス拡散シートに接合した後、支持シートを電解質シートから剥離する（特許文献１の図３などを参照）。

特開２０１５－３５２５６号公報

上述のように、支持シートを電解質シートから剥離する場合、支持シートから電解質シートをより低い力で剥離するには、たとえば、図５に示すように、電解質シート１１に対して支持シート１４の剥離角度θが大きい方が望ましい。しかしながら、剥離を始めたばかりの支持シート１４の搬送方向の先端側は、剥離後搬送途中の支持シート１４に比べて、屈曲し難いため、搬送方向の先端側では、電解質シート１１に対する支持シート１４の剥離角度θは、小さくなってしまう。

この結果、剥離開始時の支持シート１４の搬送方向の先端では、剥離角度θが小さくなることに起因して、電解質シート１１から支持シート１４を剥離するための力（以下、本明細書では、「剥離力」と称する。）が大きくなる。そのため、熱圧ローラ６１、６２で、電解質シート１１に形成された触媒層１２に、ガス拡散シート１３を接合した後、電解質シート１１から支持シート１４をうまく剥離することができず、支持シート１４は、触媒層１２を形成した電解質シート１１を付着した状態で搬送されることがある。

そのため、一旦、支持シート１４およびガス拡散シート１３の搬送を停止し、付着した電解質シート１１に形成された触媒層１２をガス拡散シート１３に再び接着するような作業を行わなければならなかった。

このような作業を回避するために、ガス拡散シート側に電解質シートを誘導するように、電解質シートの先端にリードフィルムを設けてもよいが、この場合はコストが増加する。

このような点を鑑み、本発明では、触媒層に、ガス拡散シートを接合した後、電解質シートから支持シートを安定して剥離することができる接合方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池の膜電極接合体を構成する電解質膜に相当する帯状の電解質シートに形成された触媒層を、前記燃料電池のガス拡散層を構成する帯状のガス拡散シートに接合する接合方法である。前記接合方法は、前記電解質シートを支持している支持シートを前記電解質シートと共にロールツーロール方式で搬送し、かつ、前記支持シートの前記触媒層に対向する位置で、前記ガス拡散シートをロールツーロール方式で搬送しながら、前記支持シートと前記ガス拡散シートとを接合部材の間に挟み込んで、前記触媒層を前記ガス拡散シートに接合するものであり、前記支持シートを搬送する方向の先端側の前記電解質シートを、前記支持シートから剥離して、前記電解質シートが前記ガス拡散シートに対向するように、前記電解質シートを折り返して、折り返し部分を形成する工程と、前記支持シートと前記ガス拡散シートとを前記接合部材の間に挟み込んで、前記折り返し部分の前記電解質シートを前記ガス拡散シートに接合した後に、連続して、前記支持シートと前記ガス拡散シートとを搬送しながら、前記触媒層を前記ガス拡散シートに接合する接合工程と、前記接合工程後の前記支持シートを搬送しながら、前記電解質シートから前記支持シートを前記搬送する方向の先端側より剥離する工程と、を含むことを特徴とする。

電解質シートは触媒層よりも樹脂を多く含むため、電解質シートとガス拡散シートとを接合した部分は、触媒層とガス拡散シートとを接合した部分よりも接合力が高い。そこで、本発明では、搬送方向の先端側の電解質シートをガス拡散シートに対向するように折り返すことにより、折り返した部分の電解質シートとガス拡散シートとを接合するため、先端側の接合力が他の部分に比較して高くなる。

これにより、支持シートが屈曲し難い先端側において剥離角度が小さくなることに起因して剥離力が大きくなっても、電解質シートに形成された触媒層とガス拡散シートとを接合した状態で、電解質シートから支持シートを安定して剥離することができる。このようにして、本発明によれば、触媒層に、ガス拡散シートを接合した後、電解質シートから支持シートを安定して剥離することができる。

本実施形態の接合方法に係る折り返し工程を説明する模式的概念図である。本実施形態の接合方法に係る折り返し部分の接合工程を説明する模式的概念図である。本実施形態の接合方法に係る、触媒層の接合工程と、剥離工程とを説明する模式的概念図である。剥離角度θ（°）および剥離力（Ｎ／ｍ）を、それぞれ、横軸および縦軸にし、本実施形態の接合方法により形成された接合部分における測定値をプロットしたグラフである。従来の接合方法を用いて接合した後に、触媒が形成された電解質シートが支持シートに付着したままの状態を説明する模式的概念図である。

以下に、図１～３を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。
図１および２は、それぞれ、本実施形態の接合方法に係る折り返し工程および折り返し部分１５の接合工程を説明する模式的概念図である。図３は、本実施形態の接合方法に係る触媒層１２の接合工程および剥離工程を説明する模式的概念図である。

本実施形態の接合方法は、燃料電池の中間加工物を製造する際に実施される。この接合方法は、中間加工物として、電解質膜の両面に電極（触媒）層が積層された膜電極接合体の両側にさらにガス拡散層が積層された接合体（以下、本明細書では、接合体と称する。）を製造する際に使用される方法である。まず、本実施形態の接合体の概略的な構成について説明し、次に、本実施形態の接合方法について説明する。

１．接合体について
接合体は、一対のセパレータにより挟持されることにより、固体高分子型燃料電池の燃料電池セルを構成し、燃料電池の発電部の機能を果たす。上述のように、接合体は膜電極接合体と、この両面に積層されたガス拡散層とを備えている。

膜電極接合体は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる。電解質膜は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性を有したイオン交換膜であり、各触媒層は、白金などの触媒をカーボン粒子に担持した例えば多孔質のカーボンで形成されている。

ガス拡散層は、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供すると共に電気化学反応によって生じた電気を集電する。このようなガス拡散層は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。

２．接合方法について
このような接合体をロールツーロール方式で製造する方法において、上述した電解質膜に相当する帯状の電解質シート１１に形成された触媒層１２を、上述したガス拡散層を構成する帯状のガス拡散シート１３に接合する際に、本実施形態の接合方法は用いられる。

本実施形態では、図１に示すように、電解質シート１１の一方の面では、アノード側またはカソード側の触媒層１２が電解質シート１１とほぼ同じ幅で、帯状に形成されており、他方の面では、電解質シート１１が剥離可能な支持シート１４に支持されている。なお、以下、本明細書では、触媒層１２が形成された電解質シート１１を複合シート１０と称する。複合シート１０を構成する電解質シート１１および触媒層１２は、それぞれ、上述した接合体の電解質膜および触媒層と同様の材料で形成されている。支持シート１４は、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の高分子樹脂シートによって、電解質シート１１とほぼ同じ幅で形成される。

支持シート１４の搬送方向Ｌの先端部分には、リードフィルム２１がテープ等剥離可能な部材２３を用いて接続されている。複合シート１０を支持している支持シート１４が巻かれた払出しロール３１から、これを巻き解くことにより、支持シート１４は、搬送方向Ｌに送り出され、熱圧ローラ（接合部材）６１、６２の間を通過する。通過した支持シート１４は、熱圧ローラ６１、６２より搬送方向Ｌの下流に配置されたシート剥離部材５０に巻き付くことで、電解質シート１１から剥離する方向へ搬送方向が変更され、巻取りロール３２に巻き取られる。

一方、ガス拡散シート１３は、上述したガス拡散層と同様の材料で構成されている。ガス拡散シート１３の搬送方向Ｌの先端部分には、リードフィルム２２がテープ等剥離可能な部材２４を用いて接続されている。

ガス拡散シート１３は、ガス拡散シート１３が巻かれた払出しロール４１から、これを巻き解くことにより搬送方向Ｌに搬送される。搬送されたガス拡散シート１３は、触媒層１２に対向する位置に送り出され、熱圧ローラ６１、６２の間を通過した後、シート剥離部材５０の上を通過して、巻取りロール４２に巻き取られる。

なお、上述したリードフィルム２１は、支持シート１４を巻取りロール３２に誘導するために用いられる樹脂製のフィルムである。一方、リードフィルム２２は、ガス拡散シート１３を巻取りロール４２へ誘導するために用いられる樹脂製のフィルムである。

このようにして、本実施形態では、複合シート１０を支持している支持シート１４を複合シート１０と共にロールツーロール方式で搬送する。それと同時に、支持シート１４の触媒層１２に対向する位置で、ガス拡散シート１３をロールツーロール方式で搬送する。搬送された支持シート１４とガス拡散シート１３とは熱圧ローラ６１、６２の間に挟み込まれる。以下に、図１～３を参照しながら、本実施形態に係る接合方法の各工程の詳細を説明する。

＜折り返し工程（図１）＞
この工程では、支持シート１４を搬送する搬送方向Ｌの先端側の電解質シート１１を、支持シート１４から剥離して、後述する接合工程において電解質シート１１がガス拡散シート１３に対向するように、電解質シート１１を折り返して、折り返し部分１５を形成する。これにより、複合シート１０の折り返し部分１５では、触媒層１２が内側に、折り返し部分１５の電解質シート１１ａが外側になる。ここで、接合工程の前であれば、電解質シート１１の折り返しのタイミングは、特に限定されず、たとえば、払出しロール３１として、支持シート１４が巻かれた状態で、支持シート１４から剥離して、電解質シート１１を折り返してもよい。

折り返し部分１５を形成した後、折り返し部分１５を有する支持シート１４と、ガス拡散シート１３とを、熱圧ローラ６１、６２の間に搬送し、次の接合工程を行う。

＜接合工程（図２および図３）＞
次いで、この工程では、支持シート１４とガス拡散シート１３とを熱圧ローラ６１、６２の間に挟み込んで、折り返し部分１５の電解質シート１１ａをガス拡散シート１３に接合した後に、連続して、支持シート１４とガス拡散シート１３とを搬送しながら、触媒層１２をガス拡散シート１３に接合する。

具体的には、まず、内蔵されたあるいは外部に設けられた加熱装置（不図示）により熱圧ローラ６１、６２を所定の温度まで加熱する。次に、図２に示すように、上記工程で形成された折り返し部分１５を有する支持シート１４およびガス拡散シート１３を搬送により熱圧ローラ６１、６２の間に挟み込みながら、これらを熱圧ローラ６１、６２で熱圧する。折り返し部分１５では、折り返し部分１５の電解質シート１１ａがガス拡散シート１３に対向しているため、折り返し部分１５の電解質シート１１ａと、ガス拡散シート１３とが接合される。

次いで、折り返し部分１５の電解質シート１１ａおよびガス拡散シート１３が接合した状態でこれらをシート剥離部材５０に向かって搬送しながら、後続する支持シート１４とガス拡散シート１３とを熱圧ローラ６１、６２の間に連続的に挟み込む。次に、図３に示すように、これらを熱圧ローラ６１、６２で熱圧した後、シート剥離部材５０に向かって搬送する。複合シート１０のうち、折り返し部分１５以外の部分は、触媒層１２がガス拡散シート１３に対向しているため、触媒層１２とガス拡散シート１３とが接合される。

ここで、従来では、支持シート１４を搬送する搬送方向Ｌの先端側では、触媒層１２とガス拡散シート１３とが接合されていた。しかし、後述する剥離工程において、支持シート１４が剥離し始める先端側では、支持シート１４が屈曲し難いため、剥離角度θが小さくなることに起因して剥離力が増加する。そのため、従来のような接合では、接合後に電解質シート１１から支持シート１４を剥離することができず、複合シート１０が支持シート１４に付着した状態のまま（たとえば、図５参照）、これらが巻取りロール３２に巻き取られてしまうことがある。

そこで、本実施形態では、ガス拡散シート１３への接合力を高めるため、触媒層１２よりも樹脂を多く含む電解質シート１１とガス拡散シート１３とを、支持シート１４が剥離し始める先端側で接合する。これにより、図３に示すように、触媒層１２とガス拡散シート１３とが接合した接合部分Ｂ２よりも接合力が高い、折り返し部分１５の電解質シート１１ａとガス拡散シート１３とが接合した接合部分Ｂ１が、支持シート１４の先端側に形成される。

このようにして接合部分Ｂ１の形成に引き続き、接合部分Ｂ２を形成した支持シート１４およびガス拡散シート１３は、連続して搬送方向Ｌに搬送され、次の剥離工程が行われる。

＜剥離工程（図３）＞
この工程では、接合工程後の支持シート１４を搬送しながら、電解質シート１１から支持シート１４を搬送方向Ｌの先端側より剥離する。
具体的には、シート剥離部材５０を起点に、所定の剥離角度θとなるように配置された巻取りロール３２に向かって支持シート１４の搬送方向を変更するように、支持シート１４を搬送する。これと同時に、ガス拡散シート１３を搬送方向Ｌに配置された巻取りロール４２に向かって搬送する。

ここで、剥離し始める支持シート１４の先端側には、上述の接合工程において、接合部分Ｂ２と比較して大きい接合力を有する接合部分Ｂ１が形成されている。このため、剥離開始時に支持シート１４が屈曲し難い先端側において、剥離角度θが小さくなることに起因して剥離力が増加しても、支持シート１４を電解質シート１１から安定して剥離することができる。

接合部分Ｂ１から後続する接合部分Ｂ２では、支持シート１４がある程度すでに剥離されている。これにより、支持シート１４はシート剥離部材５０に倣うように屈曲するため、剥離し始めたばかりの支持シート１４の先端側より、剥離角度θが大きくなる。その結果、剥離力は小さくなるため、電解質シート１１から支持シート１４をスムーズに剥離することができる。最終的に、剥離された支持シート１４のみを巻取りロール３２に巻き取ることができる。

一方、ガス拡散シート１３では、上述のように折り返し部分１５の接合部分Ｂ１を確保しながら支持シート１４を剥離することができるため、折り返し部分１５から後続する複合シート１０は、接合部分Ｂ２を維持しながら、折り返し部分１５によってガス拡散シート１３側に誘導される。これにより、複合シート１０の触媒層１２がガス拡散シート１３に接合した状態で、ガス拡散シート１３を搬送方向Ｌに搬送し、最終的に、これらを巻取りロール４２に巻き取ることができる。

このようにして、本実施形態の接合方法により、接合体を作製するための中間加工物を製造することができる。

本実施形態によれば、支持シート１４を剥離する時に、剥離角度θの減少に起因して剥離力が増加しても、複合シート１０の触媒層１２とガス拡散シート１３との接合を確保して、支持シート１４を電解質シート１１から安定して剥離することができる。

これにより、接合後に、複合シート１０が支持シート１４に付着したままの状態を防止できるため、支持シート１４およびガス拡散シート１３の搬送を停止し、複合シート１０をガス拡散シート１３へ再度接合する作業が不要となる。

このように、本実施形態では、ガス拡散シート１３と触媒層１２とを接合しながら、これらの接合後に、支持シート１４から電解質シート１１を安定して剥離することができる。

また、このように安定した支持シート１４の剥離により、本実施形態では、ガス拡散シート１３側に電解質シート１１を誘導するリードフィルムを複合シート１０に設ける必要がない。このため、本実施形態によれば、このようなリードフィルムを設ける場合と比較して、電解質シート１１から支持シート１４を安価に剥離することができる。

ここで、発明者らは、複合シート１０を支持した支持シート１４と、ガス拡散シート１３とを用いて、上述した本実施形態の接合方法を実施し、接合部分Ｂ１および接合部分Ｂ２での、剥離角度θと剥離力とを測定した。

図４は、剥離角度θ（°）および剥離力（Ｎ／ｍ）を、それぞれ、横軸および縦軸にし、接合部分Ｂ１および接合部分Ｂ２で測定した値をプロットしたグラフである。図４のグラフ中、実線Ｆ１およびＦ２は、それぞれ、接合部分Ｂ１および接合部分Ｂ２の接合力を示す。また、各点Ｐ１～Ｐ４は、支持シート１４と電解質シート１１との剥離角度θと、その剥離角度θにおける、支持シート１４と電解質シート１１との剥離力との関係を示している。

図４に示す実線Ｆ１およびＦ２を比較してわかるように、接合工程において接合した接合部分Ｂ１の接合力は、接合部分Ｂ２の接合力より２倍以上大きかった。電解質シート１１とガス拡散シート１３とを接合した接合部分Ｂ１の接合力が、触媒層１２とガス拡散シート１３とを接合した接合部分Ｂ２の接合力よりも接合力が高いのは、電解質シートが触媒層１２よりも樹脂を多く含むからである。

また、点Ｐ１は、支持シート１４の先端部分が、電解質シート１１から剥離し始めた時の剥離角度θであり、５０°未満である。このような剥離角度θにおける点Ｐ１の剥離力は、接合部分Ｂ１の接合力（実線Ｆ１参照）よりも小さい。すなわち、本実施形態では、このような関係を満たすので、支持シート１４の先端部分の剥離角度θが５０°未満であっても、接合部分Ｂ１の接合を保持しつつ、電解質シート１１から支持シート１４を簡単に剥離することができる。

一方、点Ｐ２～Ｐ４で示すように、支持シート１４の先端部分よりも後続する部分では、支持シート１４が電解質シート１１から剥離される時の剥離角度θが９０～１５０°（本実施形態では１３０°近傍）であれば、剥離角度θにおける剥離力は、接合部分Ｂ２の接合力（実線Ｆ２参照）よりも小さい。すなわち、このような関係を満たすことにより、剥離角度θが確保できる、支持シート１４の先端部分よりも後続する部分でも、接合部分Ｂ２の接合を保持しつつ、電解質シート１１から支持シート１４を簡単に剥離することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１１：電解質シート、１１ａ：折り返し部分の電解質シート、１２：触媒層、１３：ガス拡散シート、１４：支持シート、１５：折り返し部分、６１、６２：接合部材（熱圧ローラ）、Ｌ：搬送方向

Claims

燃料電池の膜電極接合体を構成する電解質膜に相当する帯状の電解質シートに形成された触媒層を、前記燃料電池のガス拡散層を構成する帯状のガス拡散シートに接合する接合方法であって、
前記接合方法は、前記電解質シートを支持している支持シートを前記電解質シートと共にロールツーロール方式で搬送し、かつ、前記支持シートの前記触媒層に対向する位置で、前記ガス拡散シートをロールツーロール方式で搬送しながら、前記支持シートと前記ガス拡散シートとを一対の熱圧ローラの間に挟み込んで、前記触媒層を前記ガス拡散シートに接合するものであり、
前記支持シートを搬送する方向の先端側の前記電解質シートを、前記支持シートから剥離して、前記電解質シートが前記ガス拡散シートに対向するように、前記電解質シートを折り返して、折り返し部分を形成する工程と、
前記支持シートと前記ガス拡散シートとを前記一対の熱圧ローラの間に挟み込んで、前記折り返し部分の前記電解質シートを前記ガス拡散シートに熱圧により接合した後に、連続して、前記支持シートと前記ガス拡散シートとを搬送しながら、前記触媒層を前記ガス拡散シートに接合する工程と、
前記接合する工程後の前記支持シートを搬送しながら、前記電解質シートから前記支持シートを前記搬送する方向の先端側より剥離する工程と、を含み、
前記剥離する工程において、前記支持シートの剥離開始時に、前記折り返し部分の前記電解質シートが前記ガス拡散シートに接合された状態を維持しながら、前記電解質シートから前記支持シートが剥離されるように、前記接合する工程において、前記折り返し部分の前記電解質シートを前記ガス拡散シートに接合することを特徴とする接合方法。