JP7234928B2 - 膜・触媒接合体の製造方法、及び製造装置 - Google Patents
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Description
接合前の触媒層の表面に液体を付与する液体付与手段と、液体が付与された触媒層と電解質膜とを熱圧着により接合する熱圧着手段と、を有する膜・触媒接合体の製造装置である。
本発明の膜・触媒接合体の製造方法及び製造装置に供される電解質膜は、プロトン伝導性を有し、固体高分子形燃料電池、固体高分子電解質膜型水電解装置、電気化学式水素ポンプなどに用いられる電解質膜として作動する限り特に限定されるものではなく、公知または市販のものを使用できる。このような電解質膜としては、パーフルオロスルホン酸からなるフッ素系電解質膜や炭化水素系骨格にプロトン伝導性を付与した炭化水素系ポリマーからなる炭化水素系電解質膜も用いることができる。
本発明の膜・触媒接合体の製造方法及び製造装置に供される触媒層は、固体高分子形燃料電池、固体高分子電解質膜型水電解装置、電気化学式水素ポンプなどに用いられる触媒層として作動する限り特に限定されるものではない。一般的には、カーボン粒子などの導電性粒子と、導電性粒子に担持された白金粒子または白金合金粒子などの触媒粒子と、プロトン伝導性を有するイオノマーなどの電解質成分とからなる多孔質構造を有した触媒層を用いることができる。
液体付与工程は、接合前の触媒層の表面、すなわち電解質膜との接合面に液体を付与する工程である。液体の付与とは、触媒層の表面に液体が露出した状態で付着している状態を形成することを意味する。液体は実質的に触媒層内部へ浸透させないことが望ましい。液体が触媒層内部へ浸透すると触媒層中の電解質成分が溶解することで触媒層の強度が低下して、熱圧着工程においてクラックが発生しやすくなる。また、触媒層が予め基材に支持されている場合に、液体が浸透して、触媒層と基材の界面まで到達した場合には、基材からの触媒層の離型性が低下するおそれがある。
液体付与工程を経た触媒層は、次に電解質膜と熱圧着する熱圧着工程を行う。熱圧着工程とは、触媒層と電解質膜を、触媒層の液体が付与された面と電解質膜が接触する積層状態で、加熱、挟圧することで、それらを接合する工程である。
(1)電解質膜に触媒層が接合されてなる膜・触媒接合体の製造装置であって、
接合前の触媒層の表面に液体を付与する液体付与手段と、
液体が付与された触媒層と電解質膜とを熱圧着により接合する熱圧着手段と、
を有する膜・触媒接合体の製造装置。
(2)前記液体付与手段は、触媒層の表面に液滴状に前記液体を付与する、(1)に記載の膜・触媒接合体の製造装置。
(3)前記液体付与手段がスプレーである、(2)に記載の膜・触媒接合体の製造装置。
以下、本発明の具体的な実施形態について、本発明の製造方法を実現する製造装置の模式図を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の理解を容易にするために記載したものであり、本発明を何ら限定するものではないが、当業者には容易に理解されるように、個々の実施形態における好ましい態様やバリエーションについての言及は、同時に上位概念としての本発明の製造方法または製造装置の説明と解釈し得るものである。なお、本明細書においては、便宜上各図面の上方を「上」、下方を「下」として説明するが、各図面の上下方向は必ずしも地面に対する垂直方向を意味するものではない。
図1は、本発明の膜・触媒接合体製造装置の一実施形態である、触媒層付電解質膜を製造する装置の概略構成を示す側面図である。
次に触媒層付電解質膜としての膜・触媒接合体13aから、仮基材24A、24Bの剥離を行う。
図2は、本発明の膜・触媒接合体製造装置の一実施形態である、膜電極接合体を製造する装置の概略構成を示す側面図である。
第三の実施形態においては、まず図3に示す触媒層形成装置102によって電解質膜の片面に第1の触媒層を形成する。第1の触媒層の形成は次の様に実施される。
第四の実施形態においては、まず図5に示す実施形態に係る膜・触媒接合体製造装置104によって電解質膜の片面に第1の触媒層を形成する。第1の触媒層の形成は次の様に実施される。
図1に示す概略構成の装置を用いて、前述の第一の実施形態に記載の方法に従い、電解質膜として用いた市販の“ナフィオン(登録商標)”膜、品名NR211(膜厚25μm)の一方の面に、前述の触媒転写シートから触媒層を転写した。
図1に示す概略構成の装置を用いて、前述の第一の実施形態に記載の方法に従い、下記式(G1)で表されるポリマーからなるポリエーテルケトン系高分子電解質膜の一方の面に、前述の実施例1で用いたものと同じ触媒転写シートから触媒層を転写した。
図1に示す概略構成の装置を用いて、前述の第一の実施形態に記載の方法に従い、下記式(G2)で表されるポリマーからなるポリアリーレン系高分子電解質膜の一方の面に、前述の触媒転写シートから触媒層を転写した。
液体付与工程および熱圧着工程は、実施例2と同様に行った。
図1に示す概略構成の装置を用いて、前述の第一の実施形態に記載の方法に従い、下記式(G3)で表されるセグメントと下記式(G4)で表されるセグメントからなるポリエーテルスルホン系高分子電解質膜の一方の面に、前述の触媒転写シートから触媒層を転写した。
液体付与工程および熱圧着工程は、実施例2と同様に行った。
前述の第三の実施形態に記載の方法に従い、触媒層付電解質膜を製造した。
前述の第四の実施形態に記載の方法に従い、触媒層付電解質膜を製造した。
液体付与工程を実施しない以外は、実施例2と同様にして、電解質膜の一方の面に、前述の実施例1で用いたものと同じ触媒転写シートから触媒層を転写し、得られた膜・触媒接合体を目視評価した結果、触媒層の転写不良が見られた。
102、105:触媒層形成装置
10、10’:電解質膜
11、18:電解質膜供給ロール
13a、13b、13c、13d:膜・触媒接合体
14:送り出しロール
15、17:膜・触媒接合体巻取ロール
16、16’:膜・第1の触媒層接合体
12、22A、22B、23A、23B、26A、26B、27A、27B:ガイドロール
20A、20B:触媒転写シート
21A、21B:触媒転写シート供給ロール
24A、24B:仮基材
25A、25B:仮基材巻取ロール
30A、30B:スプレーノズル
31A、31B、73:バックアップロール
32A、32B:ノズルチャンバー
33A、33B:バルブ
34A、34B:減圧タンク
40A、40B:熱プレスロール
41A、41B:遮熱板
50:支持体巻取ロール
51:支持体
60:カバーフィルム供給ロール
70:触媒溶液タンク
71:触媒溶液送液ポンプ
72:塗布手段
74:乾燥手段
80A、80B:ガス拡散電極
81A、81B:ガス拡散電極供給ロール
P:熱圧着部
S:空間
Claims (14)
- 電解質膜に触媒層が接合されてなる膜・触媒接合体の製造方法であって、
前記電解質膜は高分子電解質膜であって、
接合前の触媒層の電解質膜との接合面に液滴状に液体を付与する液体付与工程と、
液体が付与された触媒層と電解質膜とを熱圧着により接合する熱圧着工程と、
を有し、
前記液体付与工程において付与する液体が水を含む液体である、膜・触媒接合体の製造方法。 - 電解質膜に触媒層が接合されてなる膜・触媒接合体の製造方法であって、
前記電解質膜は高分子電解質膜であって、
接合前の触媒層の電解質膜との接合面に液体を付与する液体付与工程と、
液体が付与された触媒層と電解質膜とを熱圧着により接合する熱圧着工程と、
を有する膜・触媒接合体の製造方法であって、
前記液体付与工程において、前記熱圧着工程における前記液体の量が触媒層の表面1cm2辺り0.1μL以上5μL以下であり、
前記液体付与工程において付与する液体が水を含む液体である、膜・触媒接合体の製造方法。 - 前記水を含む液体における水の含有割合が90質量%以上、100質量%以下である、請求項1または2に記載の膜・触媒接合体の製造方法。
- 前記液体付与工程において付与する液体が純水である、請求項3に記載の膜・触媒接合体の製造方法。
- 前記液体付与工程において、触媒層の表面に液滴状に前記液体を付与する、請求項2に記載の膜・触媒接合体の製造方法。
- 前記液体付与工程において、前記液体をスプレーによって付与する、請求項1~5のいずれかに記載の膜・触媒接合体の製造方法。
- 前記電解質膜として炭化水素系電解質膜を用いる、請求項1~6のいずれかに記載の膜・触媒接合体の製造方法。
- 電解質膜の表面に触媒層が接合されてなる触媒層付電解質膜の製造方法であって、
前記電解質膜の表面に、請求項1~7のいずれかに記載の方法により触媒層を接合することを含む触媒層付電解質膜の製造方法。 - 前記触媒層は電解質膜への接合前から基材により支持されており、該基材は通気性を有する、請求項8に記載の触媒層付電解質膜の製造方法。
- 電解質膜の両面に触媒層が接合されてなる触媒層付電解質膜の製造方法であって、
前記電解質膜は高分子電解質膜であって、
電解質膜の一方の面に触媒溶液を塗布・乾燥して第1の触媒層を形成する工程と、
前記電解質膜の他方の面に、触媒層を接合して第2の触媒層を形成する工程と、
を有し、
前記第2の触媒層を形成する工程が、接合前の第2の触媒層の電解質膜との接合面に液体を付与する液体付与工程と、
液体が付与された第2の触媒層と電解質膜とを熱圧着により接合する熱圧着工程とを有する触媒層付電解質膜の製造方法。 - 電解質膜の両面に触媒層が接合されてなる触媒層付電解質膜の製造方法であって、
電解質膜の一方の面に触媒溶液を塗布・乾燥して第1の触媒層を形成する工程と、
前記電解質膜の他方の面に、請求項1~9のいずれかに記載の方法により触媒を接合して第2の触媒層を形成する工程と、
を有する触媒層付電解質膜の製造方法。 - 前記第1の触媒層をカバーフィルムで被覆する工程を更に有し、かつ前記第2の触媒層を形成する工程を、第1の触媒層がカバーフィルムで被覆された状態で行う、請求項10または11に記載の触媒層付電解質膜の製造方法。
- 電解質膜に触媒層が接合されてなる膜・触媒接合体の製造装置であって、
前記電解質膜は高分子電解質膜であって、
接合前の触媒層の電解質膜との接合面に液滴状に水を含む液体を付与する液体付与手段と、
液体が付与された触媒層と電解質膜とを熱圧着により接合する熱圧着手段と、
を有する膜・触媒接合体の製造装置。 - 前記液体付与手段がスプレーである、請求項13に記載の膜・触媒接合体の製造装置。
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