KR20140030152A - 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

가스킷 장착 전해질막의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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도판 인사츠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 안정된 형상을 갖는 가스킷 장착 전해질막을 제조한다.
소정 영역에 촉매층이 형성된 전해질막과, 당해 촉매층의 영역 형상에 따른 형상의 개구부가 형성된 가스킷을 접합해서 가스킷 장착 전해질막을 제조하는 가스킷 장착 전해질막 제조 장치로서, 가스킷에 접촉해서 전해질막과 가스킷을 접합하는 접합 롤러를 구비하고, 접합 롤러의 표면에는 가스킷의 개구부와 끼워 맞추어지는 볼록부가 형성되고, 볼록부와 개구부를 끼워 맞춘 상태에서 전해질막과 가스킷을 접합하도록 접합 롤러를 동작시키는 롤러 제어부를 구비한다.

Description

가스킷 장착 전해질막 제조 장치 및 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법{ELECTROLYTE FILM WITH ATTACHED GASKET MANUFACTURING DEVICE AND ELECTROLYTE FILM WITH ATTACHED GASKET MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 가스킷 장착 전해질막의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 특정적으로는 전해질막에 가스킷 부재를 접합하는 가스킷 장착 전해질막 제조 장치 및 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 연료 전지 등에 사용되는 가스킷 장착 촉매 도포 시공 전해질막(이하, 간단히 CCM이라고 함)이 개발되어 있다. 가스킷 장착 CCM은 전해질막의 양면에 전극 촉매층 및 가스킷이 형성되어 이루어진다. 가스킷 장착 CCM을 제조하는 기술로는, 예를 들어 하기의 특허문헌 1에 나타내는 전해질 가스킷 장착 CCM의 제조 방법이 알려져 있다.
특허문헌 1에 개시되어 있는 제조 방법에서는, 띠 형상의 전해질막에 소정 간격으로 촉매층을 형성해서 이루어지는 촉매층 도포 시공 전해질막(CCM)을 원단 롤로부터 되감아서 반송하고, 당해 CCM에, 개구부가 형성된 가스킷을 한 쌍의 롤에 의해 압착해서 가스킷 장착 CCM을 형성한다. 이와 같은 구성의 제조 방법에 의하면, 띠 형상의 촉매층 도포 시공 전해질막으로부터 복수의 가스킷 장착 CCM을 제조할 수 있다.
[특허문헌]
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2007-180031호 공보
상기 특허문헌 1의 제조 방법에서는, 전해질막에 형성되는 촉매층의 형성 영역과 가스킷의 개구부의 위치를 맞출 필요가 있다. 그러나, 종래의 기술에서는, 이러한 촉매층의 형성 영역 및 가스킷의 개구부에 대해서 위치 어긋남이 발생한다는 문제가 있었다. 이러한 촉매층의 위치 어긋남을 예상해서 가스킷의 개구부를 크게 형성하는 방법이 고안되어 있지만, 이러한 방법으로는 가스킷에 덮여 있지 않은 전해질막이 있어, 내구성이 저하하는 문제가 있었다. 또한, 가스킷의 두께는 일반적으로 수십 ㎛ 정도로 매우 얇고, 또한 형상이 프레임 형상으로 되어 있기 때문에 형상 유지가 매우 어렵고, 고정밀도로 접합할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 가스킷을 전해질막의 소정의 위치에 고정밀도로 접합 가능하게 하는 가스킷 장착 전해질막의 제조 장치 및 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 본원은 이하의 구성을 채용하였다. 즉, 제1 발명은, 소정 영역에 촉매층이 형성된 전해질막과, 당해 촉매층의 영역 형상에 따른 형상의 개구부가 형성된 가스킷을 접합해서 가스킷 장착 전해질막을 제조하는 가스킷 장착 전해질막 제조 장치로서, 가스킷에 접촉해서 전해질막과 가스킷을 접합하는 접합 롤러를 구비하고, 접합 롤러의 표면에는 가스킷의 개구부와 끼워 맞추어지는 볼록부가 형성되며, 볼록부와 개구부를 끼워 맞춘 상태에서 전해질막과 가스킷을 접합하도록 접합 롤러를 동작시키는 롤러 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치다.
제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 접합 롤러의 볼록부를 평면에서 볼 때의 형상은 가스킷 개구부 형상과 서로 유사한 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
제3 발명은, 제2 발명에 있어서, 접합 롤러의 볼록부의 높이가 가스킷의 두께와 대략 동일한 것을 특징으로 한다.
제4 발명은, 제3 발명에 있어서, 접합 롤러의 볼록부의 재질을 탄성체로 하는 것을 특징으로 한다.
제5 발명은, 제2 발명에 있어서, 개구부는 복수 변으로 둘러싸인 다각 형상을 이루고, 접합 롤러의 볼록부를 평면에서 볼 때의 형상은, 각 변의 길이가 개구부의 대응하는 변의 길이 보다 80㎛ 이상 120㎛ 이하의 범위에서 짧은 다각 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.
제6 발명은, 제1 발명에 있어서, 가스킷은 띠 형상을 이루고, 개구부는 가스킷에 미리 정해진 제1 간격마다 복수 형성되며, 접합 롤러는 원통 형상을 이루고, 볼록부는 접합 롤러의 외주면 상에 제1의 간격에 따라서 미리 정해진 제2 간격마다 복수 형성되며, 제어부는 접합 롤러를 회전시킴으로써, 복수의 볼록부와 복수의 개구부를 각각 연속적으로 끼워 맞추어 전해질막과 가스킷을 접합하는 것을 특징으로 한다.
제7 발명은, 제1 발명에 있어서, 접합 롤러를 두 개 대향하도록 구비하고, 제어부는 전해질막의 표리 양면에 가스킷을 동시에 접합하도록 두 개의 접합 롤러를 동작시키는 것을 특징으로 한다.
제8 발명은, 소정 영역에 촉매층이 형성된 전해질막과, 당해 촉매층의 영역 형상에 따른 형상의 개구부가 형성된 가스킷을 접합해서 가스킷 장착 전해질막을 제조하는 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법으로서, 가스킷에 접촉해서 전해질막과 가스킷을 접합하는 접합 롤러의 표면에 형성된 볼록부와 가스킷의 개구부를 끼워 맞추는 스텝과, 볼록부와 개구부를 끼워 맞춘 상태에서 전해질막과 가스킷을 접합하도록 접합 롤러를 동작시키는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법이다.
본 발명에 따르면, 접합 롤에 형성된 볼록부와 가스킷의 개구부를 끼워 맞추면서 가스킷과 전해질막을 접합함으로써, 가스킷을 전해질막의 소정의 위치에 용이하게 고정밀도로 접합할 수 있다. 즉, 가스킷의 개구부와 촉매층 도포 시공 전해질막의 촉매층 부분과의 위치 어긋남을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 촉매층 도포 시공(coated) 전해질막(10)의 평면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 가스킷(13)의 평면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스킷 장착(가스킷을 가진) 전해질막(14)의 평면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막(14)의 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)의 개략도.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 볼록부 장착(볼록부가 있는) 압착 롤러(21)의 개략도.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막(34)의 단면도.
도 9는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(2)의 개략도.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 촉매층 도포 시공 전해질막(30)의 단면도.
(제1 실시 형태)
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1) 및 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법에 대해서 설명한다.
우선, 본 발명에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에 의해 제조되는 가스킷 장착 전해질막(14)에 대해서 설명한다. 가스킷 장착 전해질막(14)은 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에 의해, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)에 가스킷(13)이 접합됨으로써 형성된다.
촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 구성에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 평면도다. 도 2는 도 1에 도시한 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 A-A 단면도이다. 도 1, 도 2에 도시한 바와 같이, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)은, 고체 고분자 전해질막(간단히 전해질막이라고도 함)(12)에 촉매층(11)을 형성해서 이루어지는 부재이다. 보다 상세하게는, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)은, 습윤 상태에서 양호한 프로톤 도전성을 나타내는 고체 고분자 전해질막(12) 상에 백금 또는 백금과 다른 금속과의 합금을 포함하여 이루어지는 촉매를 담지한 분말 카본과 수지에 의해 촉매층(11)을 형성한 것이다. 본 실시 형태에 있어서는, 띠 형상의 고체 고분자 전해질막(12)의 표면에 있어서, 소정 간격마다 촉매층(11)이 평면에서 볼 때 직사각 형상으로 형성되어 있는 경우를 예로서 설명한다.
여기서, 고체 고분자 전해질막(12) 및 촉매층(11)을 구성하는 재료의 구체예를 들지만, 본 발명은 이것들에 한정되지 않는다.
고체 고분자 전해질막(12)을 구성하는 고분자 재료로는, 구체적으로는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질을 사용할 수 있다. 불소계 고분자 전해질로는, 예를 들어 듀퐁사 제조 Nafion(등록 상표), 아사히가라스(주) 제조 Flemion(등록 상표), 아사히가세이(주) 제조 Aciplex(등록 상표), 고어사 제조 Gore Select(등록 상표) 등을 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자 전해질막으로는, 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르술폰, 술폰화 폴리술피드, 술폰화 폴리페닐렌 등의 전해질막을 사용할 수 있다. 그 중에서도 고분자 전해질막으로 듀퐁사 제조 Nafion(등록 상표)계 재료를 적절하게 사용할 수 있다. 탄화수소계 고분자 전해질막으로는 술폰화 폴리에테르케톤, 술폰화 폴리에테르술폰, 술폰화 폴리에테르에테르술폰, 술폰화 폴리술피드, 술폰화 폴리페닐렌 등의 전해질막을 사용할 수 있다. 고체 고분자 전해질막(12)의 두께는 10㎛ 이상 300㎛ 이하 정도이다.
촉매층(11)을 구성하는 수지로는, 상기 고분자 재료와 마찬가지인 것을 사용할 수 있다. 또한, 촉매층(11)을 구성하는 촉매로는, 구체적으로는 백금, 또는 백금과 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소 이외에, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속과의 합금 이외에, 이것들의 산화물, 복산화물 등을 사용할 수도 있다. 또한, 촉매의 입경은, 너무 크면 촉매의 활성이 저하되고, 너무 작으면 촉매의 안정성이 저하되기 때문에, 0.5㎚ 이상 20㎚ 이하가 바람직하다.
또한, 촉매층(11)을 구성하는 분말 카본으로는, 미립자 형상이고 도전성을 가지며, 촉매에 침해되지 않는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는 카본 블랙이나 그래파이트, 흑연, 활성탄, 탄소 섬유, 카본 나노튜브, 풀러렌 등을 사용할 수 있다. 분말 카본의 입경은 촉매보다 작은 10㎚ 이상 100㎚ 이하 정도가 적절하게 사용된다.
가스킷(13)의 구성에 대해서 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 가스킷(13)의 평면도이다. 가스킷(13)은, 예를 들어 엔지니어링 플라스틱이나 슈퍼 엔지니어링 플라스틱 등의 고분자 부재를 기재로 해서 형성된 시트 부재이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 가스킷(13)에는 소정 간격(제1 간격)마다 개구부(131)가 형성되어 있다. 개구부(131)가 형성되는 간격은, 상술한 촉매층(11)의 간격에 따라서 미리 정해진다. 촉매층(11)의 간격은 원하는 MEA 크기에 의해 정해진다. 또한, 개구부(131)의 형상은 상술한 촉매층(11)을 평면에서 볼 때의 형상(예를 들어, 복수 변으로 둘러싸인 다각 형상) 및 크기에 따른 것으로 하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 개구부(131)는 평면에서 볼 때 직사각 형상으로 형성되어 있다.
가스킷 장착 전해질막(14)의 구성에 대해서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는 가스킷 장착 전해질막(14)의 평면도이다. 도 5는 도 4에 도시한 가스킷 장착 전해질막(14)의 B-B 단면도이다. 가스킷 장착 전해질막(14)은 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 고체 고분자 전해질막(12)의 표면에 가스킷(13)이 접착되어 이루어진다. 이때, 고체 고분자 전해질막(12)의 촉매층(11)이 가스킷(13)의 개구부(131) 내에 위치하도록, 즉, 촉매층(11)의 주위를 둘러싸도록 가스킷(13)이 배치된다. 또한, 가스킷(13)은, 예를 들어 실리콘계나 에폭시계 등의 접착제(15)를 개재해서 고체 고분자 전해질막(12)과 접착된다.
이어서, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)의 개략도이다. 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)는 권출 롤러(19a), 권출 롤러(19b), 볼록부 장착 압착 롤러(21), 압착 롤러(22), 가압 장치(23) 및 제어 장치(도시하지 않음)를 구비한다.
권출 롤러(19a)는 미리 롤 형상으로 감겨 있는 가스킷(13)을 권출하는 장치이다. 가스킷(13)에는 미리 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 접촉하는 면에 접착제(15)가 도포 시공되어 있다. 권출 롤러(19b)는 미리 롤 형상으로 감겨 있는 촉매층 도포 시공 전해질막(10)을 권출하는 장치이다. 압착 롤러(22)는 볼록부 장착 압착 롤러(21)와 함께 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 가스킷(13)을 가압하는 장치이다. 가압 장치(23)는 압착 롤러(22)와 접속되고, 볼록부 장착 압착 롤러(21) 및 압착 롤러(22)의 사이에 압력을 작용시키는 장치이다. 제어 장치는 권출 롤러(feeding roller; 19a), 권출 롤러(feeding roller; 19b), 볼록부 장착 압착 롤러(convexed pressure bonding roller; 21a), 압착 롤러(22) 및 가압 장치(23)의 동작을 제어하는 장치이다. 제어 장치는, 전형적으로는 CPU 등의 정보 처리 장치나 메모리 등의 기억 장치 및 인터페이스 회로를 구비하고, 미리 기억된 프로그램에 따라 권출해서 롤러(19a), 권출 롤러(19b), 볼록부 장착 압착 롤러(21a), 압착 롤러(22) 및 가압 장치(23)를 제어한다.
볼록부 장착 압착 롤러(21)는 가스킷(13)에 접촉해서 상기 전해질막과 상기 가스킷을 접합하기 위한 장치이다. 볼록부 장착 압착 롤러(21)는 도 7에 도시한 바와 같이 원통 형상의 본체부(24)의 외주면 상에 가스킷의 개구부의 소정 간격(제1 간격)에 따른 소정 간격(제2 간격)마다 복수의 볼록부(25)가 형성되어 이루어진다. 도 7은 제1 실시 형태에 따른 볼록부 장착 롤러(21)의 개략도다. 볼록부(25)는 가스킷(13)의 개구부(131)와 끼워 맞추어지도록, 당해 개구부(131)의 형상에 따른 평면에서 볼 때의 형상으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 볼록부(25)의 평면에서 볼 때의 형상이, 개구부(131)의 형상과 서로 유사한 형상을 이루는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서는, 볼록부(25)는 평면에서 볼 때 직사각 형상의 돌기로 형성되어 있다. 볼록부(25)의 각 변의 길이는, 가스킷(13)의 개구부(131)의 각 변보다 80㎛ 이상 120㎛ 이하의 범위에서 짧아지도록 형성되어 있다. 또한, 볼록부(25)의 각 변의 길이는, 가스킷(13)의 개구부(131)의 각 변보다 90㎛ 이상 110㎛ 이하의 범위에서 짧아지도록 형성되어 있는 것이 보다 바람직하고, 가스킷(13)의 개구부(131)의 각 변보다 100㎛ 짧아지도록 형성되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 본체부(24) 표면으로부터 볼록부(25)의 정상부까지의 높이(이하, 볼록부의 높이라고 함)는, 가스킷(13)의 두께와 대략 동일한 크기로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 볼록부(25)의 높이가 가스킷(13)의 두께보다 대략 0.1㎛ 이상 50㎛ 이하의 범위에서 얇은 것이 바람직하다. 볼록부(25)는, 예를 들어 본체부(24)의 표면을 절삭함으로써 제작된다. 볼록부 장착 압착 롤러(21) 및 압착 롤러(22)는 서로 대향하도록 배치된다.
이하, 상술한 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)의 동작 공정에 대해서 설명한다. 우선, 제어 장치는 볼록부 장착 압착 롤러(21)의 볼록부가 가스킷의 개구부(131)에 삽입될 수 있도록, 또한 볼록부 장착 압착 롤러(21)의 볼록부와 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 촉매층 부분이 겹치도록, 볼록부 장착 압착 롤러(21), 권출 롤러(19a) 및 권출 롤러(19b)를 동기해서 회전시킨다. 이러한 처리에 의해, 권출된 가스킷(13)의 개구부(131) 부분에 볼록부(25)가 삽입된 상태에서 반송된다. 이때, 상술한 바와 같이 볼록부(25)의 각 변이 가스킷(13)의 개구부(131)의 각 변보다 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위에서 작게 설계되어 있기 때문에, 권출 롤러(19a)로부터 권출되어 온 가스킷(13)의 개구부(131)에 볼록부(25)를 적절하게 삽입할 수 있다.
권출 롤러(19a, 19b)로부터 각각 권출된 촉매층 도포 시공 전해질막(10) 및 가스킷(13)은, 볼록부 장착 압착 롤러(21)와 압착 롤러(22)와의 사이에 인입되어 접합된다. 이때, 볼록부(25)의 정상면의 중심과 촉매층(11)의 형성 영역의 면 중심이 접합 시에 일치하도록, 제어 장치는 볼록부 장착 압착 롤러(21), 권출 롤러(19a) 및 권출 롤러(19b)를 동기해서 제어한다.
계속해서, 제어 장치는 가압 장치(23)에 의해 볼록부 장착 압착 롤러(21)와 압착 롤러(22) 사이에 압력을 작용시킨다. 가압 장치(23)에 의해 작용시키는 압력은, 0.1㎫ 이상 100㎫ 이하의 범위 내에서 설정된 압력이 되도록 조절된다. 그리고, 제어 장치는 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 가스킷(13)이 접합될 때, 압력이 균등하게 작용하도록 가압 장치(23)를 제어한다. 이러한 제어에 의해, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 가스킷(13)이 접합할 때의 변형을 억제할 수 있다.
또한, 압력에 대해서는, 10㎫ 이상 100㎫ 이하의 범위보다 낮은 경우, 접착력이 충분하지 않아 가스킷 장착 전해질막(14a)을 제작할 수 없고, 10㎫ 이상 100㎫ 이하의 압력 범위보다 높은 경우, 고압력에 의해 가스킷 장착 전해질막(14a)이 열화되어 버리는 경우가 있다. 이와 같이 하여 제작된 가스킷 장착 전해질막(14a)은 권취 롤러(20)에 의해 권취된다.
이상 설명한 본 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1) 및 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법에 의하면, 가스킷(13)의 개구부(131) 및 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 촉매층부를 볼록부 장착 압착 롤러(21a)의 볼록부와 위치를 맞추도록 회전을 동기시킴으로써, 가스킷 장착 전해질막(14a)의 촉매층과 가스킷 개구부(131)의 위치 어긋남을 억제할 수 있다.
또한, 가스킷(13)의 개구부(131)에 볼록부 장착 압착 롤러(21a)의 볼록부(25)를 삽입하고, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 접합을 행함으로써, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)에 대한 압력이 균일해져, 가스킷의 형상을 유지하면서 연속적으로 양호한 형상의 가스킷 장착 전해질막(14)을 제작할 수 있다.
또한, 상술한 볼록부 장착 압착 롤러(21a)와 압착 롤러(22)의 사이에 작용하는 압력의 크기는 일례이고, 상기에 한하지 않고 촉매층 도포 시공 전해질막(10)이나 가스킷(13)의 재료에 따른 압력을 적절히 설정해도 좋다.
또한, 본 실시 형태인 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에서는, 볼록부(25)의 각 변의 길이를 가스킷(13)의 개구부(131)의 각 변보다 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위에서 짧게 하는 예에 대해서 설명했지만, 가스킷(13)의 재료의 강도를 고려해서 상기 이외의 치수로 조절해도 좋다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 본체부(24) 표면을 절삭해서 볼록부(25)를 제작하는 예를 나타내고 있지만, 볼록부(25)를 본체부(24)의 표면에 부착하여, 볼록부 장착 압착 롤러(21)를 구성해도 좋다. 볼록부(25)의 소재는 고무나 스펀지 등의 탄성체나, 이종 금속 등 임의로 선택해도 좋다. 볼록부(25)를 탄성체로 하면, 볼록부(25)의 높이를 적당히 조정하는 것이 가능하게 되고, 가스킷(13)과 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 접합 시의 압력을 균일하게 할 수 있으며, 가스킷 장착 전해질막(14)에 주름이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태인 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에서는, 가압에 의해 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 가스킷(13)의 접합을 행하는 예에 대해서 설명했지만, 가스킷(13)이나 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 재료 구성에 따라서는, 볼록부 장착 압착 롤러(21)와 압착 롤러(22)의 양쪽 또는 어느 한쪽의 내부에 가열 장치를 구비하고, 열 압착에 의한 접합을 행해도 좋다.
또한, 본 실시 형태인 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에서는, 가스킷(13)에 접착제(15)를 미리 도포 시공해서 접합을 행하고 있지만, 재료의 구성에 따라서는, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)에 접착제(15)를 도포 시공해도 좋다.
(제2 실시 형태)
제1 실시 형태에서는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)가 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 한쪽 면에 가스킷(13)을 접합해서 이루어지는 가스킷 장착 전해질막(14a)을 제조하는 것으로 했지만, 본 발명은 도 8에 도시한 바와 같은 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 양면에 각각 가스킷(13a, 13b)을 접합해서 이루어지는 가스킷 장착 전해질막(34)을 제조 가능한 형태로 해도 실시 가능하다. 또한, 도 8은 제2 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막(34)의 단면도이다.
도 9는 제2 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(2)의 개략도이다. 또한, 제1 실시 형태에서 설명한 구성과 마찬가지의 구성에 대해서는 마찬가지의 부호를 붙이고, 상세한 설명을 생략한다. 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(2)는 권출 롤러(19c)를 더 구비하고, 압착 롤러(22) 대신에 볼록부 장착 압착 롤러(21b)를 구비한다. 또한, 볼록부 장착 압착 롤러(21a)는 상술한 볼록부 장착 압착 롤러(21)와 마찬가지의 장치다. 또한, 가압 장치(23)는 볼록부 장착 압착 롤러(21b)와 접속된다. 볼록부 장착 압착 롤러(21a, 21b)는 서로 대향하도록 배치된다.
가스킷 장착 전해질막 제조 장치(2)에 있어서는, 도 10에 도시하는 바와 같은 고체 고분자 전해질막(12)의 표리 양면에 촉매층(11a, 11b)을 각각 형성해서 이루어지는 촉매층 도포 시공 전해질막(30)을 사용해서 가스킷 장착 전해질막(34)을 제조한다. 도 10은 제2 실시 형태에 따른 촉매층 도포 시공 전해질막(30)의 단면도이다. 제2 실시 형태에 따른 권출 롤러(19b)는 이러한 촉매층 도포 시공 전해질막(30)을 권출한다. 또한, 권출 롤러(19a)는 가스킷(13a)을 권출한다. 또한, 권출 롤러(19b)는 가스킷(13b)을 권출한다.
제어 장치는, 이들 권출 롤러(19a, 19b, 19c) 및 볼록부 장착 압착 롤러(21a, 21b)를 동기하도록 동작시킨다. 구체적으로는, 가스킷(13)은 가스킷(13a)의 개구부(131) 내에 볼록부 장착 압착 롤러(21a)의 볼록부(25)가 삽입되도록, 또한 가스킷(13b)의 개구부(131) 내에 볼록부 장착 압착 롤러(21b)의 볼록부(25)가 삽입되도록, 각 롤러의 동작을 제어하면서 가스킷(13a, 13b)을 권출한다. 또한, 제어 장치는 촉매층 도포 시공 전해질막(30)의 촉매층(11a)의 형성 영역의 중심과 볼록부 장착 압착 롤러(21a)의 볼록부(25)의 위치가 일치하도록, 또한 촉매층 도포 시공 전해질막(30)의 촉매층(11b)의 형성 영역의 중심과 볼록부 장착 압착 롤러(21b)의 볼록부(25)의 위치가 일치하도록 각 롤러의 동작을 제어한다.
상기와 같이 권출된 가스킷(13a, 13b)은 각각 개구부(131)에 볼록부 장착 압착 롤러(21a, 21b)의 볼록부(25)를 삽입한 상태에서, 볼록부 장착 압착 롤러(21a 및 21b)의 사이에 인입된다. 계속해서 제어 장치는, 가압 장치(23)를 제어함으로써, 볼록부 장착 압착 롤러(21a 및 21b)의 사이에 압력을 발생시켜, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 가스킷(13a)을, 또한 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과 가스킷(13b)을 각각 접합한다.
상기와 같은 압착에 의해 제조된 가스킷 장착 전해질막(34)은, 권취 롤러(20)에 의해 롤 형상으로 권취된다.
이상 설명한 제2 실시 형태에 따른 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(2)에 의하면, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 양면에 가스킷(13, 13b)이 양호한 형상으로 접합된 가스킷 장착 전해질막(34)을 제조할 수 있다.
<실시예>
이어서, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
우선, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)에 촉매층 도포 시공 전해질막(10)과, 접착제가 도포 시공된 가스킷(13)을 설치하였다. 여기서, 촉매층 도포 시공 전해질막(10)의 고체 고분자 전해질막(12)으로는 나피온(212)(나피온: 등록 상표Dupont사)을 사용하였다. 또한, 촉매층(11)은 백금 담지 카본 촉매(상품명: TEC10E50E, 다나까킨조꾸고교 제조)와, 20질량％ 고분자 전해질 용액(나피온: 등록 상표, Dupont사 제조)을 물, 에탄올의 혼합 용매로 혼합한 후, 유성형 볼밀로 분산 처리를 행하여 제조한 것을 잉크로 사용하고, 전사법에 의해 형성하였다. 또한, 접착제가 도포 시공된 가스킷(13)으로는 파낙사 제조, ST38을 펀칭기에 의해 재단해서 개구부(131)를 형성한 것을 사용하였다. 또한, 촉매층(11)을 평면에서 볼 때의 형상은 종횡 50㎜의 정사각형으로 하고, 가스킷(13)의 개구부(131)는 52㎜ 사방의 정사각형으로 하였다.
계속해서, 상기 가스킷 장착 전해질막 제조 장치(1)를, 볼록부 장착 압착 롤러(21) 및 압착 롤러(22)의 롤 온도 24℃, 반송 속도 0.05m/min, 접합 압력 20㎫의 조건으로 설정하고, 가스킷 장착 전해질막(14)을 10장 제조하였다. 그 후, 제작한 가스킷 장착 전해질막(14)의 가스킷 개구부(131)의 중심 좌표와 촉매층의 중심 좌표의 어긋남을 산출하여, 종래 사용하고 있었던 원기둥형의 롤러를 사용한 가스킷 장착 전해질막 접합 장치로 제조한 가스킷 장착 전해질막 10장의 상기 어긋남을 비교한 결과, 위치 어긋남이 개선되어 있는 것을 확인하였다. 또한, 불량품률이 개선되어 있는 것도 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시 형태는, 상술한 각 실시 형태 및 실시예에 한정되는 것이 아니라, 당업자의 지식에 기초하여 설계 변경 등의 변형을 가하는 것도 가능하고, 그러한 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 실시 형태의 범위에 포함되는 것이다.
[산업상 이용가능성]
본 발명은 우수한 품질의 가스킷 장착 전해질막을 효율적으로 제조 가능한 가스킷 장착 전해질막 제조 장치 및 방법 등으로서 유용하다.
1, 2: 가스킷 장착 전해질막 제조 장치
10, 30: 촉매층 도포 시공 전해질막(CCM)
11, 11a, 11b: 촉매층
12: 고체 고분자 전해질막
13, 13a, 13b: 가스킷
14, 34: 가스킷 장착 전해질막
15: 접착제
19a, 19b, 19c: 권출 롤러
20: 권취 롤러
21, 21a, 21b: 볼록부 장착 압착 롤러
22: 압착 롤러
23: 가압 장치
24: 본체부
25: 볼록부
131: 개구부

Claims (8)

  1. 소정 영역에 촉매층이 형성된 전해질막과, 당해 촉매층의 영역 형상에 따른 형상의 개구부가 형성된 가스킷을 접합해서 가스킷 장착 전해질막을 제조하는 가스킷 장착 전해질막 제조 장치로서,
    상기 가스킷에 접촉해서 상기 전해질막과 상기 가스킷을 접합하는 접합 롤러를 구비하고,
    상기 접합 롤러의 표면에는 상기 가스킷의 개구부와 끼워 맞추어지는 볼록부가 형성되며,
    상기 볼록부와 상기 개구부를 끼워 맞춘 상태에서 상기 전해질막과 상기 가스킷을 접합하도록 상기 접합 롤러를 동작시키는 롤러 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합 롤러의 볼록부를 평면에서 볼 때의 형상은 상기 가스킷 개구부 형상과 서로 유사한 형상을 이루는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 접합 롤러의 볼록부의 높이가 상기 가스킷의 두께와 대략 동일한 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 접합 롤러의 볼록부의 재질을 탄성체로 하는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 개구부는 복수 변으로 둘러싸인 다각 형상을 이루고,
    상기 접합 롤러의 볼록부를 평면에서 볼 때의 형상은, 각 변의 길이가 상기 개구부의 대응하는 변의 길이 보다 5㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위에서 짧은 다각 형상을 이루는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가스킷은 띠 형상을 이루고,
    상기 개구부는 상기 가스킷에 미리 정해진 제1 간격마다 복수 형성되며,
    상기 접합 롤러는 원통 형상을 이루고,
    상기 볼록부는 상기 접합 롤러의 외주면 상에 상기 제1 간격에 따라서 미리 정해진 제2 간격마다 복수 형성되며,
    상기 제어부는 상기 접합 롤러를 회전시킴으로써, 상기 복수의 볼록부와 상기 복수의 개구부를 각각 연속적으로 끼워 맞추어 상기 전해질막과 상기 가스킷을 접합하는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 접합 롤러를 두 개 대향하도록 구비하고,
    상기 제어부는 상기 전해질막의 표리 양면에 상기 가스킷을 동시에 접합하도록 상기 두 개의 접합 롤러를 동작시키는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막 제조 장치.
  8. 소정 영역에 촉매층이 형성된 전해질막과, 당해 촉매층의 영역 형상에 따른 형상의 개구부가 형성된 가스킷을 접합해서 가스킷 장착 전해질막을 제조하는 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법으로서,
    상기 가스킷에 접촉해서 상기 전해질막과 상기 가스킷을 접합하는 접합 롤러의 표면에 형성된 볼록부와 상기 가스킷의 개구부를 끼워 맞추는 스텝과,
    상기 볼록부와 상기 개구부를 끼워 맞춘 상태에서 상기 전해질막과 상기 가스킷을 접합하도록 상기 접합 롤러를 동작시키는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스킷 장착 전해질막의 제조 방법.
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