JP5714801B2

JP5714801B2 - 膜電極接合体の製造方法

Info

Publication number: JP5714801B2
Application number: JP2008548781A
Authority: JP
Inventors: アール．メカラ，デイビッド
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2026-12-29
Also published as: US20070155615A1; CN101351912A; WO2007079255A3; EP1977466A4; US7625833B2; CN104103839A; EP1977466A2; JP2009522732A; WO2007079255A2

Description

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００５年１２月２９日出願の米国特許仮出願番号第６０／７４３０８４号の利益を主張し、その開示内容全体を参照として本明細書に援用する。

（発明の分野）
本発明は、燃料電池に使用される膜電極接合体（ＭＥＡ）などの５層膜電極接合体を製造するために、ガス拡散層（ＧＤＬ）を触媒コーティング電解質膜（ＣＣＭ）に取り付ける方法に関する。

米国特許番号第６，１９７，１４７号Ｂ１は、ラミネート製造工程を意図的に開示している。

米国特許番号第２００３／０１９１０２１Ａ１号は、ラミネート加工装置及び膜電極接合体の製造に関する方法を開示している。

簡単には、本開示は、ａ）１）第１及び第２面を有するポリマー電解質膜と、２）隣合うパターン化された触媒層セグメントが互いに接触しない前記膜の前記第１面にラミネートされた複数のパターン化された第１触媒層セグメントと、３）隣合うパターン化された触媒層セグメントが互いに接触しない前記膜の第２面にラミネートされた複数のパターン化された第２触媒層セグメントと、を備える触媒コーティング電解質膜ウェブを提供する工程と、ｂ）前記触媒コーティング電解質膜ウェブを、ラミネートニップを形成する一対のラミネートローラーの間に引き込む、ラミネートステーションを提供する工程と、ｃ）第１ガス拡散層を形成するために第１ガス拡散層材の第１ウェブをダイカットする工程と、ｄ）第２ガス拡散層を形成するために第２ガス拡散層材の第２ウェブをダイカットする工程と、ｅ）前記第１ガス拡散層をラミネートステーションに輸送する工程と、ｆ）前記第２ガス拡散層を前記ラミネートステーションに輸送する工程と、ｇ）前記第１ガス拡散層を前記触媒コーティング電解質膜ウェブに隣接する前記ラミネートニップに供給する工程と、ｈ）前記第２ガス拡散層を前記第１ガス拡散層と同時に前記触媒コーティング電解質膜ウェブに隣接する前記ラミネートニップに供給する工程と、ｉ）前記第１ガス拡散層、前記触媒コーティング電解質膜ウェブ及び前記第２ガス拡散層をこの順に積層してラミネートを形成する工程と、を含む５層膜電極接合体の製造方法を示す。本方法は、複数の５層膜電極接合体を備える連続ウェブを形成する工程ａ）〜ｉ）を繰り返す工程ｊ）をさらに含んでもよい。通常、第１ガス拡散層は、前記パターン化された第１触媒層セグメントよりも広い領域を有する。通常、前記第２ガス拡散層は、前記パターン化された第２触媒層セグメントよりも広い領域を有する。

本出願において、
「ラミネートする」とは２枚以上のシート材を結合することを意味し、
「５層膜電極接合体」とはガス拡散層、触媒層、ポリマー電解質膜の層、他の触媒層、及び他のガス拡散層を含む少なくとも５層からなる構造を意味し、且つ
「ガス拡散層］（ＧＤＬ）は、前述の「拡散／電流コレクタ」（ＤＣＣ）層、「流体輸送層」（ＦＴＬ）、又は「電極バッキング層」（ＥＢＬ）を含んでもよい。

本発明は、燃料電池に使用される膜電極接合体（ＭＥＡ）などの膜電極接合体を製造するためにガス拡散層（ＧＤＬ）を触媒コーティング電解質膜（ＣＣＭ）に取り付ける方法に関する。本発明の方法は、ＧＤＬをＣＣＭにロールボンドすること、且つ、通常、２つのＧＤＬ片をＣＣＭの各面に１つずつ同時にロールボンドすることを含む。さらに、本方法はロールボンド前に、特定位置でＧＤＬ片の角部をＣＣＭ片の上に重ね合わせる工程を含んでもよい。さらに、本方法は、通常、レジストレーションを維持するために真空ベルトを使用して、ＧＤＬ片をダイステーションからロールボンドステーションに輸送する前工程を含んでもよい。それに加え、本方法はＧＤＬ材のシート又はロール、より一般的には１ロールからＧＤＬ片を打抜く前工程を含んでもよい。本発明の方法は、米国特許番号第２００３／０１９１０２１Ａ１号で開示されているような装置を用いて実行されてもよい。本発明の方法は、米国特許番号第２００３／０１９１０２１Ａ１号で開示されている詳細方法を用いて実行されてもよい。

いくつかの実施形態においては、レーザーセンサーなどのセンサーを利用してＧＤＬ片がＣＣＭ片と関連し、互いに関連した位置に配置されてもよい。ＣＣＭウェブと片方もしくは両方のＧＤＬを供給する輸送装置の相対速度は、ＣＣＭウェブの両端上のＧＤＬ片の中央がＣＣＭの中央と同じになるようそれぞれを相対的に調整することができる。

本発明の１つの実施形態においてＣＣＭは、膜が触媒コーティングを有する触媒領域、膜がむき出しである非触媒領域を備える。ＧＤＬは、ＣＣＭの触媒領域よりもむき出しの膜領域に、よりよく接着することが分かった。図を参照すると、四辺形ＥＦＧＨがＧＤＬ片を表し、四辺形ＡＢＣＤがＣＣＭの触媒領域を表す。図を参照すると、ＧＤＬ片とＣＣＭ片の間の物理的接着を最大にするために次のパラメータが発見されており、これによって燃料電池におけるＭＥＡの性能が向上する。本発明の様々な実施形態においては、通常、製造中に継続する形態で、以下のパラメータの１つ又はそれ以上が制御される。

パラメータ１：ＧＤＬ片の上端ＥＦは、ＣＣＭ触媒領域の上端ＡＢと平行に保持される。

パラメータ２：ＧＤＬ片の下端ＧＨは、ＣＣＭ触媒領域の下端ＣＤと平行に保持される。

パラメータ３：ＧＤＬ片の側端ＥＧは、ＣＣＭ触媒領域の側端ＡＣと平行に保持される。

パラメータ４：ＧＤＬ片の側端ＦＨは、ＣＣＭ触媒領域の側端ＢＤと平行に保持される。

パラメータ５：上部及び下部のオーバーハングは均一に保持される、つまりＸ１＝Ｘ２。

パラメータ６：横のオーバーハングは均一に保持される、つまりＹ１＝Ｙ２。

パラメータ７：全てのオーバーハングは均一に保持される、つまりＸ１＝Ｘ２＝Ｙ１＝Ｙ２。

ＧＤＬとＣＣＭとの物理的接着はＧＤＬのオーバーハングに正比例することが分かっている。

本発明の様々な修正及び変更は、本発明の範囲及び原理から逸脱することなく当業者には明白であり、また、本発明は、上記で説明した例示的な実施形態に不当に限定して理解すべきではない。

図は概略の平面図であり、本明細書で詳述しているように、ロールボンド前におけるガス拡散層（ＥＦＧＨ）と触媒コーティング電解質膜（ＡＢＣＤ）の触媒領域、との位置関係を示している。

Claims

ａ）
１）第１及び第２面を有するポリマー電解質膜と、
２）隣合うパターン化された触媒層セグメントが互いに接触しないように前記膜の前記第１面にラミネートされた複数のパターン化された第１触媒層セグメントと、
３）隣合うパターン化された触媒層セグメントが互いに接触しないように前記膜の前記第２面にラミネートされた複数のパターン化された第２触媒層セグメントと、を備える触媒コーティング電解質膜ウェブを提供する工程と、
ｂ）前記触媒コーティング電解質膜ウェブを、ラミネートニップを形成する一対のラミネート用ローラーの間に引き込む、ラミネートステーションを提供する工程と、
ｃ）第１ガス拡散層材の第１ウェブをダイカットして第１ガス拡散層を形成する工程と、
ｄ）第２ガス拡散層材の第２ウェブをダイカットして第２ガス拡散層を形成する工程と、
ｅ）前記第１ガス拡散層を前記ラミネートステーションに輸送する工程と、
ｆ）前記第２ガス拡散層を前記ラミネートステーションに輸送する工程と、
ｇ）前記第１ガス拡散層を前記触媒コーティング電解質膜ウェブに隣接する前記ラミネートニップに供給する工程と、
ｈ）前記第２ガス拡散層を前記第１ガス拡散層と同時に前記触媒コーティング電解質膜ウェブに隣接する前記ラミネートニップに供給する工程と、
ｉ）前記第１ガス拡散層、前記触媒コーティング電解質膜ウェブ及び前記第２ガス拡散層をこの順に積層してラミネートを形成する工程と、
ｊ）工程ａ）〜ｉ）を繰り返して複数の５層膜電極接合体を備える連続ウェブを形成する工程と、
を含む５層膜電極接合体の製造方法。