KR101415129B1 - 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법 - Google Patents

막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101415129B1
KR101415129B1 KR1020127026335A KR20127026335A KR101415129B1 KR 101415129 B1 KR101415129 B1 KR 101415129B1 KR 1020127026335 A KR1020127026335 A KR 1020127026335A KR 20127026335 A KR20127026335 A KR 20127026335A KR 101415129 B1 KR101415129 B1 KR 101415129B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
polymer electrolyte
solid polymer
electrolyte membrane
catalyst layer
membrane
Prior art date
Application number
KR1020127026335A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130001264A (ko
Inventor
슈지 키우치
Original Assignee
도판 인사츠 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도판 인사츠 가부시키가이샤 filed Critical 도판 인사츠 가부시키가이샤
Publication of KR20130001264A publication Critical patent/KR20130001264A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101415129B1 publication Critical patent/KR101415129B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8814—Temporary supports, e.g. decal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0036—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8875—Methods for shaping the electrode into free-standing bodies, like sheets, films or grids, e.g. moulding, hot-pressing, casting without support, extrusion without support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8896—Pressing, rolling, calendering
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

핫 롤의 방법을 이용하면서, 고체 고분자 전해질막과 촉매층의 접착성이 높고, 주름이 들어가지 않는, 고품질의 막-전극 접합체를 제조할 수 있는, 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법을 제공한다. 촉매층을 전사 기재의 일면에 담지시켜서 이루어지는 촉매층 담지 기재(12)와 고체 고분자 전해질막(10)을 예비 가열하는 예비 가열 수단과, 촉매층 담지 기재(12)와 고체 고분자 전해질막(10)을 가열 및 가압하여 일체화한 접합 부재(14)를 형성하는 열 압착 수단과, 접합 부재(14)로부터 전사 기재(16)를 박리하는 박리 수단을 구비한다.

Description

막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, AND METHOD FOR MANUFACTURING MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY}
본 발명은, 막-전극 접합체(MEA: membrane-electrode assembly) 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 막-전극 접합체의 제조 방법으로서는, 촉매층 담지 기재와 고체 고분자 전해질막을 핫 프레스 등으로 열 압착한 후, 전사 기재를 박리하는 방법이 제안되어 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 핫 프레스를 사용하는 방법, 및 핫 롤(열 압착 롤)을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 상기 핫 롤을 사용하는 방법은, 장척(長尺)의 고체 고분자 전해질막과 그 양측에 배합된 촉매층을 담지한 장척의 촉매층 담지 기재를 접촉시키고, 한 쌍의 열 압착 롤로 열 압착함으로써, 고체 고분자 전해질막과 촉매층을 일체적으로 접합하고, 그 후 촉매층을 담지하고 있는 전사 기재를 한 쌍의 박리 롤을 사용하여 촉매층으로부터 박리하고 있다.
한편, 상기 핫 프레스를 사용하는 방법은 핫 프레스를 사용하여 고체 고분자 전해질막에 촉매층 담지 기재 상에 담지된 촉매층을 전사하는 방법이다. 상기 2개의 방법을 비교하면, 핫 롤을 사용하여 전사하는 방법 쪽이 고체 고분자 전해질막으로의 촉매층의 전사가 연속적으로 행하여지기 때문에, 핫 프레스를 사용하여 전사하는 방법보다 제조 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 핫 롤을 사용하여 전사하는 방법은 상기 막-전극 접합체를 열 압착하는 시간이 짧기 때문에, 고체 고분자 전해질막과 촉매층의 접착이 약하다는 문제가 있었다. 이 문제에 대하여, 특허문헌 2에서는, 핫 롤에 의한 열 압착 전에 예비 가열 히터에 의해 고체 고분자 전해질막을 예비 가열하고, 열 압착함으로써, 접착 강도가 강한 막-전극 접합체를 제조하고 있다. 또, 촉매층을 담지하고 있는 전사 기재를 사전에 냉각하고, 또한 열 압착 후의 막-전극 접합체도 동일하게 냉각함으로써, 전사 기재와 촉매층의 박리 강도를 낮추고, 더욱 양호한 전사를 행하고 있다.
일본 특허 공개 평10-64574호 공보 일본 특허 공개 제2001-196070호 공보
그러나, 일반적인 고체 고분자 전해질막은 가열에 의해 신장이 상당히 커진다. 열 압착에 의해 신장된 고체 고분자 전해질막과 촉매층 담지 기재는 가열이 없어지는 것에 의해, 외기(外氣)에 의한 냉각으로 수축이 일어난다. 고체 고분자 전해질막과 촉매층 담지 기재는 열에 의한 신장이 다르기 때문에, 수축의 차이에 의해 주름이 발생한다. 냉각 후에 고체 고분자 전해질막과 촉매층 담지 기재를 일체화한 접합 부재로부터 촉매층 담지 기재를 박리하면, 고체 고분자 전해질막에 주름이 발생되어 있는 것이 확인된다.
특히, 일반적인 고체 고분자 전해질막은, 연화 온도(유리 전이 온도보다 30도 이상 50도 이하 정도의 낮은 온도로 한다.) 이상으로 가열한 경우, 신장이 상당히 커진다. 예비 가열 기구를 구비하는 제조 장치의 경우, 예비 가열 시에 고체 고분자 전해질막과 촉매층 담지 기재가 신장되고, 신장률의 차이에 의해 제조한 막-전극 접합체에 주름이 발생하는 것이 확인된다. 막-전극 접합체에 주름이 들어가는 것은 그 후의 제조 공정에 악영향을 주며, 막-전극 접합체의 품질을 저하시킨다.
본 발명은, 상기의 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 핫 롤의 방법을 이용하면서, 고체 고분자 전해질막과 촉매층의 접착성이 높고, 주름이 들어가지 않는, 고품질의 막-전극 접합체를 제조할 수 있는, 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 청구항 1에 기재된 발명은, 촉매층과 고체 고분자 전해질로 이루어지는 막-전극 접합체를 제조하는 막-전극 접합체 제조 장치로서, 상기 촉매층을 전사 기재의 일면에 담지시켜서 이루어지는 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 예비 가열하는 예비 가열 수단과, 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하여 일체화한 접합 부재를 형성하는 열 압착 수단과, 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 박리 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 2에 기재된 발명은 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하기 전에, 상기 접합 부재를 온도 조정하는 온도 조정 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 3에 기재된 발명은 상기 박리 수단이 상기 전사 기재와 상기 막-전극 접합체를 대략 반대의 방향으로 이동시켜서, 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 수단인 것을 특징으로 하는 청구항 2에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 4에 기재된 발명은 상기 박리 수단이 상기 온도 조정 수단을 겸하는 수단인 것을 특징으로 하는 청구항 3에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 5에 기재된 발명은 상기 예비 가열 수단이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로 예비 가열하는 수단인 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 6에 기재된 발명은 상기 박리 수단이 상기 접합 부재의 양면으로부터 상기 전사 기재를 박리하는 수단인 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 7에 기재된 발명은 상기 예비 가열 수단이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로, 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 이하까지 예비 가열하는 제1 예비 가열 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 8에 기재된 발명은 상기 열 압착 수단이 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 근방에서 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하고, 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막이 일체화된 접합 부재 전구체를 형성하는 제1 열 압착 수단과, 상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 근방의 온도로 가열 및 가압하여 접합 부재를 형성하는 제2 열 압착 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 7에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 9에 기재된 발명은 상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 이상으로서, 열 분해 온도 이하의 온도까지 예비 가열하는 제2 예비 가열 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 8에 기재된 막-전극 접합체 제조 장치이다.
또, 청구항 10에 기재된 발명은 촉매층과 고체 고분자 전해질막으로 이루어지는 막-전극 접합체를 제조하는 막-전극 접합체 제조 방법으로서, 상기 촉매층을 전사 기재의 일면에 담지시켜서 이루어지는 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 예비 가열하는 예비 가열 공정과, 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하여 일체화된 접합 부재를 형성하는 열 압착 공정과, 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 박리 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 11에 기재된 발명은 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하기 전에, 상기 접합 부재를 온도 조정하는 온도 조정 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 10에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 12에 기재된 발명은 상기 박리 공정이 상기 전사 기재와 상기 막-전극 접합체를 대략 반대의 방향으로 이동시켜서, 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 공정인 것을 특징으로 하는 청구항 11에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 13에 기재된 발명은 상기 박리 공정이 상기 온도 조정 공정을 겸하는 공정인 것을 특징으로 하는 청구항 12에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 14에 기재된 발명은 상기 예비 가열 공정이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로 예비 가열하는 공정인 것을 특징으로 하는 청구항 13에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 15에 기재된 발명은 상기 박리 공정이 상기 접합 부재의 양면으로부터 상기 전사 기재를 박리하는 공정인 것을 특징으로 하는 청구항 14에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 16에 기재된 발명은 상기 예비 가열 공정이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로, 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 이하까지 예비 가열하는 제1 예비 가열 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 10에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 17에 기재된 발명은 상기 열 압착 공정이 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 근방에서 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하고, 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막이 일체화된 접합 부재 전구체를 형성하는 제1 열 압착 공정과, 상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 근방의 온도로 가열 및 가압하여 접합 부재를 형성하는 제2 열 압착 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 16에 기재된 막-전극 접합체의 제조 방법이다.
또, 청구항 18에 기재된 발명은 상기 제1 열 압착 공정 후 상기 접합 부재 전구체를, 상기 고체 고분자 전해질 막의 유리 전이 온도 이상으로서, 열 분해 온도 이하의 온도까지 예비 가열하는 제2 예비 가열 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 청구항 17에 기재된 막 전극 접합체의 제조 방법이다.
본 발명의 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체 제조 방법에 의하면, 촉매층 담지 기재와 고체 고분자 전해질막을 예비 가열하고, 고체 고분자 전해질막과 촉매층을 신장시킨 후에 열 압착 함으로써, 막-전극 접합체에 주름이 형성되는 것을 막을 수 있다. 그리고, 고체 고분자 전해질막과 촉매층의 접착 강도를 높이고, 전사 기재를 박리할 때에 고체 고분자 전해질막으로부터 촉매층이 박리되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 접합 부재로부터 전사 기재를 박리하기 전에, 접합 부재의 온도 조정을 함으로써, 열 압착 후에 접합 부재가 외기에 의해 냉각되어도, 막-전극 접합체에 주름이 형성되는 것을 방지함과 함께, 고체 고분자 전해질막과 촉매층의 접착 강도를 높여서, 전사 기재를 박리할 때에 고체 고분자 전해질막으로부터 촉매층이 박리되는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 발명의 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법에 의하면, 촉매층 담지 기재와 고체 고분자 전해질막을 가열하는 예비 가열 공정을 2개로 분할하고, 가압착 공정을 사이에 넣음으로써, 주름이 없는 접합 부재 전구체를 제조할 수 있다. 그 후에 예비 가열(2)을 행하고, 열 압착함으로써, 막-전극 접합체에 주름이 형성되는 것을 방지함과 함께, 고체 고분자 전해질막과 촉매층의 접착 강도가 높은 접합 부재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치의 개략도이다.
도 3의 (a)는 막-전극 접합체의 개략도이다. (b)는 접합 부재의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태의 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태의 막-전극 접합체의 제조 공정도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치의 변형예의 구성의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치의 변형예의 구성의 개략도이다.
(막-전극 접합체 제조 장치)
다음으로, 본 발명의 일 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 발명의 실시 형태는, 이하에 기술하는 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 당업자의 지식에 기초하여 설계의 변경 등의 변형을 가하는 것도 가능하고, 그러한 변형이 가하여진 실시 형태도 본 발명의 실시 형태의 범위에 포함되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치(20)를 설명하기 위한 개략도이다. 막-전극 접합체 제조 장치(20)는 고체 고분자 전해질막(10)을 권출하는 권출 롤러(22)와, 권출된 고체 고분자 전해질막(10)의 장력을 제거하는 한 쌍의 장력 제거 롤러(24)와, 촉매층을 일면에 담지하는 촉매층 담지 기재(12)를 권출하는 권출 롤러(26)와, 고체 고분자 전해질막(10)과 이 고체 고분자 전해질막(10)과 접촉하는 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로 예비 가열하는 예비 가열 히터(28)와, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 가열 및 가압하여 접합 부재(14)로 하는 한 쌍의 열 압착 롤러(30)와, 접합 부재(14)를 온도 조정하는 온도 조정 히터(44)와, 접합 부재(14)로부터 전사 기재(16)를 박리하는 박리 롤러(36)와, 전사 기재(16)의 박리 각도를 설정하는 박리 각도 설정 롤러(38)와, 전사 기재(16)를 권취하는 권취 롤러(42)와, 전사 기재(16)가 박리되어 이루어지는 막-전극 접합체(18)를 권취하는 권취 롤러(40)를 구비한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치(20)를 설명하기 위한 개략도이다. 막-전극 접합체 제조 장치(20)는 고체 고분자 전해질막(10)을 권출하는 권출 롤러(22)와, 권출된 고체 고분자 전해질막(10)의 장력을 제거하는 한 쌍의 장력 제거 롤러(24)와, 촉매층을 일면에 담지하는 촉매층 담지 기재(12)를 권출하는 권출 롤러(26)와, 고체 고분자 전해질막(10)과 이 고체 고분자 전해질막(10)과 접촉하는 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로, 연화 온도 이하까지 예비 가열하는 예비 가열 히터(27)와, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 가열 및 가압하여 접합 부재 전구체(13)로 하는 한 쌍의 가압착 롤러(29)와, 접합 부재 전구체(13)를 유리 전이 온도 이상, 열 분해 온도 이하까지 승온시키는 예비 가열 히터(28)와, 접합 부재 전구체(13)를 가열 가압하여 접합 부재(14)로 하는 한 쌍의 열 압착 롤러(30)와, 접합 부재(14)를 온도 조정하는 온도 조정 히터(44)와, 접합 부재(14)로부터 전사 기재(16)를 박리하는 박리 롤러(36)와, 전사 기재(16)의 박리 각도를 설정하는 박리 각도 설정 롤러(38)와, 전사 기재(16)를 권취하는 권취 롤러(42)와, 전사 기재(16)가 박리되어 이루어지는 막-전극 접합체(18)를 권취하는 권취 롤러(40)를 구비한다.
도 3(a)는 막-전극 접합체(18)의 개략도이다. 또, 도 3(b)는 접합 부재(14)의 개략도이다. 도 3(a)와 같이, 막-전극 접합체(18)는, 도 3(a)와 같이, 고체 고분자 전해질막(10)과, 그 양면에 설치된 촉매층(50)으로 이루어진다. 막-전극 접합체(18)는 도 3(b)와 같이 고체 고분자 전해질막(10)의 양면에 촉매층 담지 기재(12)를 촉매층이 담지된 면을 고체 고분자 전해질막(10) 측으로 하여 맞붙여서 접합 부재(14)를 형성한 후, 전사 기재(16)를 박리함으로써 형성된다.
고체 고분자 전해질막(10)은 습윤 상태에서 양호한 프로톤 도전성을 나타내는 고분자 재료이다. 촉매층 담지 기재(12)는 백금 또는 백금과 다른 금속의 합금 로 이루어지는 촉매를 담지한 분말 카본과 수지에 의해 형성된 촉매층(50)을 전사 기재(16)의 일면에 형성한 것이다.
이하, 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)를 구성하는 재료의 구체예를 들지만, 본 발명은 이들에 한정되지 않는다.
고체 고분자 전해질막(10)을 구성하는 고분자 재료로서는, 구체적으로는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질을 사용할 수 있다. 불소계 고분자전해질로서는, 예를 들면 듀퐁사제 Nafion(등록 상표), 아사히글라스(주)제 Flemion(등록 상표), 아사히화성(주)제 Aciplex(등록 상표), 고어사제 Gore Select(등록 상표) 등을 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자 전해질막으로서는 술폰화폴리에테르케톤, 술폰화폴리에테르술폰, 술폰화폴리에테르에테르술폰, 술폰화폴리술파이드, 술폰화폴리페닐렌 등의 전해질막을 사용할 수 있다. 이 중에서도, 고분자 전해질막으로서 듀퐁사제 Nafion(등록 상표)계 재료를 적합하게 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자 전해질막으로서는 술폰화폴리에테르케톤, 술폰화폴리에테르술폰, 술폰화폴리에테르에테르술폰, 술폰화폴리술파이드, 술폰화폴리페닐렌 등의 전해질막을 사용할 수 있다.
고체 고분자 전해질막(10)의 두께는 10㎛ 이상 300㎛ 이하 정도로 형성된다.
촉매층(50)을 구성하는 수지로서는 상기 고분자 재료와 동일한 것을 사용할 수 있다.
또, 촉매층(50)을 구성하는 촉매로서는 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소의 이외에 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속 혹은 백금과 이들의 합금, 또는 이들의 산화물, 복산화물 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도, 백금이나 백금 합금이 더욱 바람직하다. 또, 촉매의 입경은 너무 크면 촉매의 활성이 저하되고, 너무 작으면 촉매의 안정성이 저하되기 때문에, 0.5nm 이상 20nm 이하가 바람직하다.
또, 촉매층(50)을 구성하는 분말 카본으로서는 미립자상에서 도전성을 가지고, 촉매에 침범하지 않는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는, 카본 블랙이나 그라파이트, 흑연, 활성탄, 카본파이버, 카본 나노 튜브, 풀러렌 등을 사용할 수 있다. 분말 카본의 입경은, 촉매보다 작은 10nm 이상 100nm 이하 정도가 적합하게 사용된다.
전사 기재(16)는 그 표면에 촉매층(50)을 형성할 수 있고, 형성한 촉매층(50)을 고체 고분자 전해질막(10)에 전사할 수 있으면, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리파르반산아라미드, 폴리아미드(나일론), 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 고분자 필름을 사용할 수 있다. 또, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 내열성 불소 수지를 사용할 수도 있다.
장력 제거 롤러(24)는 열 압착 롤러(30)의 회전에 의한 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)의 반송 속도와 동기하도록 회전한다. 그리고, 열 압착 롤러(30)로 열 압착될 때에, 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)에 장력이 작용하지 않도록 한다. 이와 같이 함으로써, 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)의 열 압착 시의 변형을 억제할 수 있다. 또, 장력 제거 롤러(24)는, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시키는 기능도 가진다.
예비 가열 히터(27)는 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로, 고체 고분자 전해질막(10)의 연화 온도 이하인 60도 이상 120도 이하의 범위 내에서 설정된 온도로 가열할 수 있게 되어 있다.
한 쌍의 가압착 롤러(29)에는 양방의 가압착 롤러(29)의 내부에 표면을 가열하는 히터(31B)가 설치되어 있다. 또, 일방의 가압착 롤러(29)에는 가압착 롤러 사이에 압력을 작용시키는 가압 장치(32B)가 장착되어 있다. 히터(31B)는 가압착 롤러(29)의 표면이 가압되는 고체 고분자 전해질막(10)의 연화 온도 근방인 60도 이상 120도 이하의 범위 내가 되도록 조절되어 있다. 또, 가압 장치(32B)는 열 압착 롤러(29) 사이에 작용되는 압력이 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위 내가 되도록 조절되어 있다. 가압착 롤러(29)는 도 2와 같이 상하 함께 가열할 수 있도록 되어 있다. 이처럼, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로 예비 가열 히터(27)에 의해 예비 가열하고, 가압착 롤러(29)에 의해 가압착함으로써, 촉매층(50)과 고체 고분자 전해질막(10)을 주름이 없는 안정된 형상을 가지는 접합 부재 전구체(13)로 할 수 있다.
예비 가열 히터(28)는 접합 부재 전구체(13)를 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 이상, 열 분해 온도 이하, 구체적으로는 80도 이상 140도 이하의 범위 내에서 설정된 온도로 가열할 수 있게 되어 있다.
한 쌍의 열 압착 롤러(30)에는 양방의 열 압착 롤러(30)의 내부에 표면을 가열하는 히터(31)가 설치되어 있다. 또, 일방의 열 압착 롤러(30)에는 열 압착 롤러사이에 압력을 작용시키는 가압 장치(32)가 장착되어 있다. 히터(31)는 가압되는 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 근방인 80도 이상 140도 이하의 범위 내가 되도록 조절되어 있다. 또, 가압 장치(32)는 열 압착 롤러(30) 사이에 작용되는 압력이 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위 내가 되도록 조절되어 있다. 열 압착 롤러(30)는 도 1, 2와 같이 상하 함께 가열할 수 있게 되어 있다. 이처럼, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로 예비 가열 히터(27 또는 28)에 의해 예비 가열하고, 열 압착 롤러(30)에 의해 열 압착함으로써, 촉매층(50)과 고체 고분자 전해질막(10)의 접착도를 향상시킬 수 있다.
온도 조정 히터(44)는 접합 부재(14)를 60도 이상 120도 이하의 범위 내에서 설정된 온도로 조절하도록 되어 있다. 또, 온도 조정 히터(44)는 열 압착에 의한 온도에서 20도 정도 낮은 온도까지 온도 조정할 수 있다.
박리 롤러(36), 박리 각도 설정 롤러(38)는 박리 롤러(36)에 의해 박리되는 전사 기재(16)와 막-전극 접합체(18)를 대략 반대의 방향으로 이동할 수 있도록, 그 위치, 직경이 조절되어 있다. 예를 들면, 박리 롤러(36)를 직경 30mm 이하로 하고, 박리되는 전사 기재(16)와 막-전극 접합체(18)의 각도가 대략 180도가 되도록 조절된다.
(막-전극 접합체의 제조 방법)
다음으로, 본 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치(20)에 의해 막-전극 접합체(18)가 제조되는 각 공정에 대하여 설명한다.
도 4는 막-전극 접합체(18)의 제조의 공정을 예시하는 제1 실시 형태의 제조 공정도이다. 또, 도 5는 막-전극 접합체(18)의 제조의 공정을 예시하는 제2 실시 형태의 제조 공정도이다. 막-전극 접합체(18)의 제조는 먼저 권출 롤러(22)로부터 권출된 고체 고분자 전해질막(10) 및 권출 롤러(26)로부터 권출된 촉매층 담지 기재(12)를 장력 제거 롤러(24)에 의해 접촉시키고, 또한 장력을 제거한다. 장력 제거된 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로, 예비 가열 히터(27)에 의해 예비 가열된다(공정 S10). 이 예비 가열은 60도 이상 120도 이하의 범위 내에서 설정된 온도에 의해 행하여진다. 또, 공정 S10의 예비 가열을, 이하 예비 가열 공정 또는 예비 가열 공정 1이라고도 표기한다.
고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)의 예비 가열은 장력 제거 롤러(24)에 의해 양자를 접촉시킨 상태로 행하여진다. 이때, 서로 접하고 있는 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)는 예비 가열 히터(28)의 내부로 반송된다. 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로 예비 가열하는 것은 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12) 상에 담지하고 있는 촉매층(50)을 밀착시키고, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층(50)의 접착 강도를 높이고, 주름 없이 점합하기 위해서이다.
다음으로, 예비 가열된 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)는, 서로 접촉한 상태 그대로 히터(31B) 및 가압 장치(32B)를 가지는 가압착 롤러(29)로 가열 및 가압(핫 프레스)된다. 가열, 가압된 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)는 접합 부재 전구체(13)가 된다(공정 S11). 또한, 공정 S11의 핫 프레스를 본 실시 형태에서는 가압착이라고도 표기한다. 가압착은 예비 가열 공정 1의 설정 온도와 동일한 온도(60도 이상 120도 이하)의 범위 내에서 설정된 온도에 의해 행하여진다. 가압은, 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위 내에서 설정된 압력으로 행하여진다. 이 이유는 가압착을 예비 가열 공정(1)보다 낮은 온도로 행하면 나중의 공정에서 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층(50)에 주름이 발생하여, 막-전극 접합체를 제조할 수 없기 때문이다. 또, 예비 가열 공정(1)의 온도 범위보다 높은 온도에서는 고체 전해질막이 열로 변형되어, 주름이 발생하기 때문이다. 가압착의 가압에 대해서도, 압력이 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위보다 낮은 경우, 접착력이 충분하지 않아 접합 부재 전구체(13)를 제조할 수 없고, 10MPa 이상 100MPa 이하의 압력 범위보다 높은 경우, 고압력에 의해 접합 부재 전구체(13)가 열화된다.
다음으로, 접합 부재 전구체(13)는 예비 가열 히터(28)에 의해 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 이상, 열 분해 온도 이하까지 승온된다(공정 S12). 유리 전이 온도 이상, 열 분해 온도 이하의 구체적인 온도는, 80도 이상 140도 이하의 범위 내에서 설정된 온도이다. 또, 공정 S12의 예비 가열을 예비 가열 공정 2라고도 표기한다. 공정 S12를 행함으로써, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층(50)의 접착 강도를 향상시킬 수 있다.
다음으로, 예비 가열되고 접촉시킨 상태의 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12), 또는 접합 부재 전구체(13)는 열 압착 롤러(30)로 가열 및 가압(핫 프레스)되어서 접합 부재(14)가 된다(공정 S13). 또한, 공정 S13의 핫 프레스를 본 실시 형태에서는 열 압착이라고도 표기한다. 열 압착은 80도 이상 140도 이하의 범위 내에서 설정된 온도로, 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위 내에서 설정된 압력으로 행하여진다. 상기 범위보다 낮은 온도에서는 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층(50)의 결합이 나빠서, 막-전극 접합체를 제조할 수 없고, 상기 범위보다 높은 온도에서는 고체 전해질막이 열로 변형되고 열화된다. 또, 압력에 대해서도 마찬가지로, 상기 범위보다 낮은 압력의 경우 막-전극 접합체를 제조할 수 없고, 상기 범위보다 높은 압력의 경우 고압력에 의해 막-전극 접합체가 열화된다.
접합 부재(14)는 온도 조정 히터(44)에 의해, 열 압착에 의한 온도로부터 20도 정도 낮은 온도까지 온도 조정된다(공정 S14). 그리고, 박리 롤러(36)에 의해 접합 부재(14)로부터 전사 기재(16)가 박리된다(공정 S15). 이상의 공정에 의해, 막-전극 접합체(18)가 제조된다. 또한, 완성된 막-전극 접합체(18)는 권취 롤러(42)에 권취되어, 박리된 전사 기재(16)는 권취 롤러(40)에 권취된다.
이상 설명한 본 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치(20) 및 막-전극 접합체의 제조 방법에 의하면, 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)를 핫 프레스 하기 전에 장력 제거 롤러(24)로 고체 고분자 전해질막(10) 및 촉매층 담지 기재(12)를 예비적으로 접촉시키고, 그 후 예비 가열 히터(27)에 의해 예비 가열을 함으로써, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층(50)의 접착 강도를 높일 수 있다.
특히, 예비 가열 히터(27)에 의해 고체 고분자 전해질막(10)의 연화 온도 이하까지 예비 가열하고, 가압착 롤러(29)에 의해 가압착함으로써, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 주름이 없는 접합 부재 전구체(13)로 가공할 수 있다. 또한, 접합 부재 전구체(13)를 예비 가열 히터(28)에 의해 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 이상, 열 분해 온도 이하까지 승온하고, 열 압착 롤러(30)로 압착함으로써, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층(50)의 접착이 강한 접합 부재(14)를 제조할 수 있다.
또, 촉매층 담지 기재(12)를 온도 조정 히터(44)에 의해 온도 조정한 후에, 접합 부재(14)로부터의 전사 기재(16)의 박리를 행함으로써, 외기 등에 의한 냉각에 의해 생기는 막-전극 접합체(18)의 주름을 방지할 수 있다.
특히, 촉매층 담지 기재(12)를 온도 조정 히터(44)에 의해 열 압착 롤러(30)로부터 20도 낮게 온도 조정한 후에, 접합 부재(14)로부터의 전사 기재(16)의 박리를 행함으로써, 외기 등에 의한 냉각에 의해 생기는 막-전극 접합체(18)의 주름을 방지할 수 있다.
또, 박리 롤러(36)를 30mm 이하의 직경으로 함과 함께, 전사 기재(16)와 막-전극 접합체(18)를 대략 180도의 각도를 가지도록 함으로써, 전사 기재(16)의 박리성을 향상시킬 수 있고, 양호한 형상의 막-전극 접합체(18)를 제조할 수 있다.
본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 촉매층 담지 기재(12)와 고체 고분자 전해질막(10)을 장력 제거 롤러(24)에 의해 접촉시키고 예비 가열하지만, 이 예비 가열은 촉매층 담지 기재(12)와 고체 고분자 전해질막(10)을 각각 별개로 행하여져도 된다. 단, 본 실시 형태에서는 도 1, 2와 같이, 촉매층 담지 기재(12)와 고체 고분자 전해질막(10)이 접촉된 상태로 예비 가열되는 것이 바람직하다. 또한, 도 1, 2에서는 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로 양면에서 예비 가열을 행하고 있지만, 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12)를 접촉시킨 상태로 일방의 면에서만 예비 가열을 행해도 된다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 예비 가열 히터(27)의 설정 온도는 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 의해 정해지는 것이기 때문에, 경우에 따라서는 상기 서술한 60도 이상 120도 이하의 범위 내에서 설정된 온도에 한정되지 않고, 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 적응하는 온도를 적절히 설정하면 된다. 단, 예비 가열 히터(27)의 설정 온도는 고체 고분자 전해질막(10)의 연화 온도 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 예비 가열 히터(28)의 설정 온도는 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 의해 정해지는 것이기 때문에, 경우에 따라서는 상기 서술한 80도 이상 140도 이하의 범위 내에서 설정된 온도에 한정되지 않고, 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 적응하는 온도를 적절히 설정하면 된다. 단, 예비 가열 히터(28)의 설정 온도는 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 이하인 것이 더욱 바람직하다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 가압착 롤러(29)의 표면 온도 또는 압력은 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 의해 정해지는 것이기 때문에, 경우에 따라서는 상기 서술의 60도 이상 120도 이하의 범위 내에서 설정된 온도 또는 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위 내에서 설정된 압력에 한정되지 않고, 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 적응하는 온도 또는 압력을 적절히 설정하면 된다. 단, 가압착 롤러(29)의 표면 온도는 고체 고분자 전해질막(10)의 연화 온도 근방인 것이 더욱 바람직하다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 열 압착 롤러(30)의 표면 온도 또는 압력은 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 의해 정해지는 것이기 때문에, 경우에 따라서는 상기 서술한 80도 이상 140도 이하의 범위 내에서 설정된 온도 또는 10MPa 이상 100MPa 이하의 범위 내로 설정된 압력에 한정되지 않고, 고체 고분자 전해질막(10)이나 촉매층 담지 기재(12)의 재료에 적응하는 온도 또는 압력을 적절히 설정하면 된다. 단, 열 압착 롤러(30)의 표면 온도는 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 근방인 것이 더욱 바람직하다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 온도 조정 히터(44)에 의해 접합 부재(14)를 온도 조정하는 것으로 하였지만, 열 압착 롤러(30)와 박리 롤러(36)의 반송 시간을 짧게함으로써, 접합 부재(14)의 온도를 높은 채로 유지하는 것으로 해도 된다. 또, 도 1, 2에서는 접합 부재(14)의 양면에서 온도 조정을 행하고 있지만, 일방의 면에서만 온도 조정을 행해도 된다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 박리 롤러(36)를 직경 30mm 이하로 하였지만, 촉매층(50)과 전사 기재(16)의 접착 강도와, 촉매층과 고체 고분자 전해질막(10)의 접착 강도의 대소에 따라서는, 직경 30mm보다 큰 것을 사용하는 것으로 해도 된다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 박리 롤러(36)에 의해 박리되는 전사 기재(16)와 막-전극 접합체(18)가 대략 180도의 각도를 가지도록 조절해도 되지만, 전사 기재(16)의 박리성을 고려하여 180도 이외의 각도가 되도록 조절해도 된다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 접합 부재(14)의 온도가 온도 조정 히터(44)에 의해 조정되고 있었지만, 박리 롤러(36)의 내부에 히터를 장착하여 온도 조정을 행함과 동시에 박리를 행도록 하여도 된다.
또, 본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)는 적어도 촉매층 담지 기재(12)와 고체 고분자 전해질막(10)을 예비 가열하는 예비 가열 수단(예를 들면, 예비 가열 히터(27)가 이에 상당한다.)과, 접합 부재(14)를 형성하는 열 압착 수단(예를 들면, 열 압착 롤러(30)가 이에 상당한다.)과, 접합 부재(14)로부터 전사 기재(16)를 박리하는 박리 수단(예를 들면, 박리 롤러(36)가 이에 상당한다.)을 구비하고 있으면 된다.
또한, 본 발명의 효과를 더욱 발현시키기 위하여, 이들 구성에 접합 부재(14)를 온도 조정하는 온도 조정 수단(예를 들면, 온도 조정 히터(44)가 이에 상당한다.), 접합 부재 전구체(13)를 형성하는 제1 열 압착 수단(예를 들면, 가압착 롤러(29)가 이에 상당한다.), 접합 부재 전구체(13)를 예비 가열하는 제2 예비 가열 수단(예를 들면, 예비 가열 히터(28)가 이에 상당한다.) 등을 단독 또는 복수 조합하여 추가해도 된다.
(변형예)
본 실시 형태인 막-전극 접합체 제조 장치(20)에서는 고체 고분자 전해질막(10)의 일방의 면에 촉매층(50)을 접합하여 이루어지는 막-전극 접합체(18)를 제조하는 것으로 하였지만, 고체 고분자 전해질막(10)의 양면에 촉매층(50)을 접합 하여 이루어지는 막-전극 접합체(18B)를 제조하는 것으로 해도 된다.
도 6, 7은 각각 제1 실시 형태, 제2 실시 형태의 막-전극 접합체 제조 장치(20)의 변형예인 막-전극 접합체 제조 장치(20B)를 설명하기 위한 개략도이다. 막-전극 접합체 제조 장치(20B)는 도시하는 바와 같이, 권출 롤러(22)로부터 권출된 고체 고분자 전해질막(10)과 두 개의 권출 롤러(26A, 26B)로부터 권출된 2매의 촉매층 담지 기재(12A, 12B)는 장력 제거 롤러(24)에 의해 접촉시키고, 또한 장력을 제거한다.
다음으로, 접촉시킨 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12A, 12B)는 예비 가열 히터(27)에 의해 예비 가열되고, 히터(31) 및 가압 장치(32)를 가지는 열 압착 롤러(30)에 의해 열 압착된다.
또는, 접촉시킨 고체 고분자 전해질막(10)과 촉매층 담지 기재(12A, 12B)는 예비 가열 히터(27)에 의해 연화 온도 이하까지 예비 가열되고, 히터(31D) 및 가압장치(32D)를 가지는 가압착 롤러(29)에 의해 가압착되어, 접합 부재 전구체(13B)가 된다. 그 후, 접합 부재 전구체(13B)는 예비 가열 히터(28)에 의해 고체 고분자 전해질막(10)의 유리 전이 온도 이상 열 분해 온도 이하에까지 승온된다. 승온된 접합 부재 전구체(13B)는 히터(31C) 및 가압 장치(32C)를 가지는 열 압착 롤러(30)에 의해 열 압착된다.
열 압착에 의해 접합된 접합 부재(14B)는 온도 조정 히터(44)에 의해 열 압착 롤러(30)의 온도로부터 20도 낮게 조정된다. 그 후, 전사 기재(16A, 16B)가 두 개의 박리 롤러(36A, 36B)와 두 개의 박리 각도 설정 롤러(38A, 38B)에 의해 접합 부재(14B)로부터 박리되어서, 고체 고분자 전해질막(10)의 양면에 촉매가 접합된 막-전극 접합체(18B)가 제조된다. 또한, 막-전극 접합체(18B)는 권취 롤러(40)에 권취되고, 2매의 전사 기재(16A, 16B)는 각각 권취 롤러(42A, 42B)에 권취된다.
이상 설명한 변형예의 막-전극 접합체 제조 장치(20B)에 의하면, 고체 고분자 전해질막(10)의 양면에 촉매층(50)이 양호한 형상으로 접합된 막-전극 접합체(18B)를 제조할 수 있다.
본 발명은, 우수한 품질의 막-전극 접합체(MEA)를 효율적으로 제조할 수 있다.
10: 고체 고분자 전해질막 12, 12A, 12B: 촉매층 담지 기재
13, 13B: 접합 부재 전구체 14, 14B: 접합 부재
16, 16A, 16B: 전사 기재 18, 18B: 막-전극 접합체
20, 20, 20B: 막-전극 접합체 제조 장치
22: 권출 롤러 24: 장력 제거 롤러
26, 26A, 26B: 권출 롤러 27, 28: 예비 가열 히터
29: 가압착 롤러 30: 열 압착 롤러
31, 31B, 31C, 31D: 히터 32, 32B, 32C, 32D: 가압 장치
36, 36A, 36B: 박리 롤러 38, 38A, 38B: 박리 각도 설정 롤러
40: 권취 롤러 42, 42A, 42B: 권취 롤러
44: 온도 조정 히터 50: 촉매층

Claims (18)

  1. 촉매층과 고체 고분자 전해질막으로 이루어지는 막-전극 접합체를 제조하는 막-전극 접합체 제조 장치로서,
    상기 촉매층을 전사 기재의 일면에 담지시켜서 이루어지는 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 예비 가열하는 예비 가열 수단과,
    상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하여 일체화한 접합 부재를 형성하는 열 압착 수단과,
    상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 박리 수단과,
    상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하기 전에, 상기 접합 부재를 섭씨 60도 이상 120도 이하의 온도로 조정하는 온도 조정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박리 수단이 상기 전사 기재와 상기 막-전극 접합체를 반대의 방향으로 이동시켜서, 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 수단인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 박리 수단이 상기 온도 조정 수단을 겸하는 수단인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 예비 가열 수단이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로 예비 가열하는 수단인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 박리 수단이 상기 접합 부재의 양면으로부터 상기 전사 기재를 박리하는 수단인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 예비 가열 수단이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로, 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 이하까지 예비 가열하는 제1 예비 가열 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열 압착 수단이 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 근방에서 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하고, 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막이 일체화된 접합 부재 전구체를 형성하는 제1 열 압착 수단과, 상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 근방의 온도로 가열 및 가압하여 접합 부재를 형성하는 제2 열 압착 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 이상으로서, 열 분해 온도 이하의 온도까지 예비 가열하는 제2 예비 가열 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체 제조 장치.
  10. 촉매층과 고체 고분자 전해질막으로 이루어지는 막-전극 접합체를 제조하는 막-전극 접합체 제조 방법으로서,
    상기 촉매층을 전사 기재의 일면에 담지시켜서 이루어지는 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 예비 가열하는 예비 가열 공정과,
    상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하여 일체화한 접합 부재를 형성하는 열 압착 공정과,
    상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 박리 공정과,
    상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하기 전에, 상기 접합 부재를 섭씨 60도 이상 120도 이하의 온도로 조정하는 온도 조정 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 박리 공정이 상기 전사 기재와 상기 막-전극 접합체를 반대의 방향으로 이동시켜서, 상기 접합 부재로부터 상기 전사 기재를 박리하는 공정인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 박리 공정이 상기 온도 조정 공정을 겸하는 공정인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 예비 가열 공정이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로 예비 가열하는 공정인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 박리 공정이 상기 접합 부재의 양면으로부터 상기 전사 기재를 박리하는 공정인 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 예비 가열 공정이 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 접촉시킨 상태로, 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 이하까지 예비 가열하는 제1 예비 가열 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열 압착 공정이 상기 고체 고분자 전해질막의 연화 온도 근방에서 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막을 가열 및 가압하고, 상기 촉매층 담지 기재와 상기 고체 고분자 전해질막이 일체화된 접합 부재 전구체를 형성하는 제1 열 압착 공정과, 상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 근방의 온도로 가열 및 가압하여 접합 부재를 형성하는 제2 열 압착 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 막-전극 접합체의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 열 압착 공정 후, 상기 접합 부재 전구체를 상기 고체 고분자 전해질막의 유리 전이 온도 이상으로서, 열 분해 온도 이하의 온도까지 예비 가열하는 제2 예비 가열 공정을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 막 전극 접합체의 제조 방법.
KR1020127026335A 2010-03-08 2011-01-18 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법 KR101415129B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2010-050339 2010-03-08
JP2010050339 2010-03-08
JP2010217811 2010-09-28
JPJP-P-2010-217811 2010-09-28
PCT/JP2011/050768 WO2011111419A1 (ja) 2010-03-08 2011-01-18 膜－電極接合体製造装置及び膜－電極接合体の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130001264A KR20130001264A (ko) 2013-01-03
KR101415129B1 true KR101415129B1 (ko) 2014-07-04

Family

ID=44563249

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127026335A KR101415129B1 (ko) 2010-03-08 2011-01-18 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법

Country Status (6)

Country Link
US (2) US20130192750A1 (ko)
EP (1) EP2530773B1 (ko)
JP (1) JP5751248B2 (ko)
KR (1) KR101415129B1 (ko)
CN (1) CN102823041B (ko)
WO (1) WO2011111419A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180084731A (ko) * 2015-11-19 2018-07-25 도레이 카부시키가이샤 고분자 전해질막을 포함하는 접합체의 제조 방법 및 제조 장치

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8178419B2 (en) 2008-02-05 2012-05-15 Twin Creeks Technologies, Inc. Method to texture a lamina surface within a photovoltaic cell
JP6231259B2 (ja) * 2012-02-23 2017-11-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用の膜電極接合体の製造方法
CN104303350B (zh) * 2012-04-17 2017-05-10 3M创新有限公司 设备和方法
WO2014028349A1 (en) * 2012-08-15 2014-02-20 Gtat Corporation Bonding of thin lamina
JP5942891B2 (ja) * 2013-02-20 2016-06-29 トヨタ自動車株式会社 接合装置
KR101619573B1 (ko) 2013-12-19 2016-05-10 현대자동차주식회사 연료전지용 전극막 접합체 제조방법
JP6245165B2 (ja) * 2013-12-26 2017-12-13 トヨタ自動車株式会社 補強型電解質膜の製造方法、シート
JP6094828B2 (ja) 2014-12-12 2017-03-15 トヨタ自動車株式会社 膜電極接合体の製造方法及び製造装置
JP6098949B2 (ja) * 2014-12-12 2017-03-22 トヨタ自動車株式会社 電解質膜巻回体
JP6245166B2 (ja) * 2014-12-25 2017-12-13 トヨタ自動車株式会社 補強型電解質膜の製造方法
KR101724139B1 (ko) * 2016-09-28 2017-04-19 (주)디엠티 연료전지용 단위셀 스택형성장치
JP6673241B2 (ja) 2017-02-02 2020-03-25 トヨタ自動車株式会社 帯状の部材の貼り合わせ方法、および、帯状の部材の貼り合わせ装置
CN107694823A (zh) * 2017-11-20 2018-02-16 湖州中洲电磁线有限公司 一种漆包线涂蜡装置
CN110380064B (zh) * 2018-04-14 2022-01-04 无锡先导智能装备股份有限公司 膜电极组件制造方法及装置
KR20200053915A (ko) * 2018-11-09 2020-05-19 현대자동차주식회사 연료전지용 막-전극 어셈블리의 열처리 장치
CN110176574B (zh) * 2019-06-14 2021-09-10 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种锂离子电池负极极片的预锂方法
CN111477885B (zh) * 2020-04-10 2021-07-23 武汉理工氢电科技有限公司 一种3ccm的生产方法
CN115832338B (zh) * 2023-02-17 2023-09-19 山东华滋自动化技术股份有限公司 膜电极一体化热转印分切设备及其热转印分切工艺

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000182632A (ja) * 1998-12-11 2000-06-30 Toshiba Corp 固体高分子電解質燃料電池用電極の製造方法
JP2001196070A (ja) * 2000-01-12 2001-07-19 Toyota Motor Corp 接合体製造装置および接合体製造方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3444732A (en) * 1967-06-06 1969-05-20 Albert L Robbins Method and apparatus for determining optimum bonding parameters for thermoplastic material
JPH1064574A (ja) 1996-08-26 1998-03-06 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池の製造方法
JP2003132899A (ja) * 2001-10-30 2003-05-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用電極の形成方法及びその形成装置
JP4078583B2 (ja) * 2002-03-05 2008-04-23 トヨタ自動車株式会社 触媒層転写用ロールプレス装置
JP4327732B2 (ja) * 2002-12-02 2009-09-09 三洋電機株式会社 固体高分子型燃料電池、およびその製造方法
JP3793569B1 (ja) * 2003-07-29 2006-07-05 京セラ株式会社 メッキ膜の製造方法及び電子部品の製造方法
JP4547336B2 (ja) * 2003-12-26 2010-09-22 株式会社カネカ フレキシブル積層板の製造方法
JP4492138B2 (ja) * 2004-01-30 2010-06-30 株式会社村田製作所 積層セラミック電子部品の製造方法
JP2005302589A (ja) * 2004-04-14 2005-10-27 Mitsubishi Rayon Co Ltd 多孔質炭素電極基材前駆体シート状物の製造方法
JP2006134611A (ja) * 2004-11-02 2006-05-25 Toyota Motor Corp 接合体製造装置及び接合体製造方法
KR100659133B1 (ko) * 2006-02-08 2006-12-19 삼성에스디아이 주식회사 촉매 코팅 전해질막, 이를 포함하는 연료전지 및 상기 촉매코팅 전해질막의 제조방법
JP5200447B2 (ja) * 2007-08-02 2013-06-05 トヨタ自動車株式会社 一対の加熱加圧ロール、燃料電池用触媒層連続転写ロールプレス装置、該燃料電池用触媒層連続転写ロールプレス装置によって作製された燃料電池用膜−電極接合体（ｍｅａ）、及び該燃料電池用触媒層連続転写ロールプレス装置を用いた燃料電池用膜−電極接合体（ｍｅａ）の製造方法
WO2009057523A1 (ja) * 2007-11-01 2009-05-07 Fujifilm Corporation 顔料分散組成物、着色硬化性組成物、カラーフィルタ及びその製造方法
JP2009134953A (ja) * 2007-11-29 2009-06-18 Toyota Motor Corp フレーム付き膜電極接合体および燃料電池セルの連続製造方法
JP2010055922A (ja) * 2008-08-28 2010-03-11 Toppan Printing Co Ltd 膜電極接合体の製造装置及び製造方法
JP4538692B2 (ja) * 2008-11-05 2010-09-08 大日本印刷株式会社 触媒層−電解質膜積層体の製造方法
JP4683147B2 (ja) * 2009-01-09 2011-05-11 富士電機リテイルシステムズ株式会社 飲料抽出装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000182632A (ja) * 1998-12-11 2000-06-30 Toshiba Corp 固体高分子電解質燃料電池用電極の製造方法
JP2001196070A (ja) * 2000-01-12 2001-07-19 Toyota Motor Corp 接合体製造装置および接合体製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180084731A (ko) * 2015-11-19 2018-07-25 도레이 카부시키가이샤 고분자 전해질막을 포함하는 접합체의 제조 방법 및 제조 장치
KR102658614B1 (ko) * 2015-11-19 2024-04-19 도레이 카부시키가이샤 고분자 전해질막을 포함하는 접합체의 제조 방법 및 제조 장치

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2011111419A1 (ja) 2013-06-27
JP5751248B2 (ja) 2015-07-22
WO2011111419A1 (ja) 2011-09-15
US20170032871A1 (en) 2017-02-02
EP2530773A1 (en) 2012-12-05
US20130192750A1 (en) 2013-08-01
CN102823041A (zh) 2012-12-12
KR20130001264A (ko) 2013-01-03
EP2530773B1 (en) 2018-12-05
EP2530773A4 (en) 2014-07-23
CN102823041B (zh) 2016-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101415129B1 (ko) 막-전극 접합체 제조 장치 및 막-전극 접합체의 제조 방법
JP5439867B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法及び製造装置
JP3465656B2 (ja) 接合体製造装置および接合体製造方法
US20130045438A1 (en) Producing method of fuel cell membrane electrode assembly and producing apparatus of the same
JP5049121B2 (ja) 集積膜電極アセンブリを製造するための積層法
EP3056344B1 (en) Sheet for thin layer transfer, electrode catalyst layer-carrying sheet for thin layer transfer, method for producing sheet for thin layer transfer, and method for producing membrane electrode assembly.
JP4736787B2 (ja) 固体高分子形燃料電池における膜電極接合体および補強型電解質膜の製造方法
KR20090043765A (ko) 연료 전지용 막-전극 어셈블리의 제조 장치 및 그 제조방법
JP2010198948A (ja) 膜電極接合体及びその製造方法並びに固体高分子形燃料電池
JP5304132B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法
WO2012128106A1 (ja) 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の製造方法
JP2016162650A (ja) 燃料電池単セルの製造方法
JP6859881B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法
JP2016076366A (ja) 燃料電池膜−電極接合体の製造方法及び膜−電極接合体
JP5304125B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法および膜電極接合体並びに固体高分子形燃料電池
JP2019053822A (ja) 触媒転写方法
JP5240348B2 (ja) 膜電極接合体の製造方法
JP5924233B2 (ja) 接合装置および接合方法
JP2020027792A (ja) 燃料電池用セルの接合体の製造装置
JP2017117786A (ja) 接合体の製造方法および製造装置
JP3392760B2 (ja) 耐薬品性シートの製造方法
TWI784185B (zh) 膜-觸媒接合體的製造方法及製造裝置、帶觸媒層的電解質膜的製造方法
JP6746994B2 (ja) 燃料電池の膜電極接合体の製造方法
JP6550917B2 (ja) 膜−電極接合体の製造方法および膜−電極接合体
JP2020024885A (ja) 燃料電池用セルの接合体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170601

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180529

Year of fee payment: 5