JP2018098108A - 燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜−電極接合体と支持基材とを容易に剥離できるようにして、電解質膜−電極接合体の生産性を向上させる。【解決手段】支持基材付き電解質膜−電極接合体を準備する準備工程Ｓ１０と、電解質膜における電解質膜−電極接合体に沿う部分の一部に完全にカットされずに電解質膜の端材と繋がる繋ぎ部分ができるように、電解質膜と支持基材のうちの電解質膜のみを部分的にカットするハーフカット工程Ｓ１１と、電解質膜の端材を支持基材から剥離する方向に引っ張り、剥離開始から繋ぎ部分まで剥離する第１剥離工程Ｓ１２ａと、電解質膜の端材と繋ぎ部分が破断するまでの第２剥離工程Ｓ１２ｂと、電解質膜との繋ぎ部分が破断し、電解質膜の端材が支持基材から剥離する第３剥離工程Ｓ１２ｃと、支持基材付き電解質膜−電極接合体と支持基材とを剥離して分離する分離工程Ｓ１３とからなる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法に関するものである。

高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称す）は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱を同時に発生させる。

ＰＥＦＣは、基本的構成要素として、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜と、その電解質膜の両面に形成された電極であるアノ−ドとカソードとを含む。これらの電極は、電解質膜の表面に形成される触媒層と、その触媒層の外側に配置されたガス拡散層（ＧＤＬ）を有する。ＧＤＬは通気性と電子導電性を併せ持つ。

このように電解質膜と電極とが一体的に接合されて組み立てられて、電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）が構成されている。この電解質膜―電極接合体は、一般に、搬送用フィルムとして支持基材上に、電解質膜部分を密着させた状態で形成される。

支持基材付き電解質膜−電極接合体から、電解質膜−電極接合体を得る製造方法としては、支持基材付き電解質膜−電極接合体を、裁断刃やレーザーにて外形をカットして、支持基材と電解質膜−電極接合体が密着した状態で切り離した後、支持基材と電解質膜−電極接合体を剥離して、燃料電池用の電解質膜−電極接合体を得る燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１）。

図１０（ａ）は、従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体の平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＨ−Ｈ線断面図である。

図１１（ａ）は、従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体を支持基材と共にカットした後にできる電解質膜と支持基材の端材部分の平面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示した電解質膜と支持基材の端材部分のＩ−Ｉ線断面図である。

図１２（ａ）は、従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体を支持基材と共にカットした後にできる支持基材付き電解質膜−電極接合体の平面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＪ−Ｊ線断面図である。

図１３（ａ）は、従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体から支持基材を分離した電解質膜−電極接合体の側面図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体から電解質膜−電極接合体を分離した支持基材の側面図である。

図１０から図１３で、支持基材付き電解質膜−電極接合体から電解質膜−電極接合体を得るまでの状態を示している。

図１０（ａ）、図１０（ｂ）において、２点鎖線の裁断予定ライン３０よりも全周にわたって大きい電解質膜１０の上面にカソード２Ａ、下面にアノード２Ｂが、それぞれ形成され、電解質膜１０と同じ大きさの剥離可能な支持基材２０がアノード２Ｂの外側の密着部３にて密着して貼り合わされている。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）、図１２（ａ）、図１２（ｂ）において、孔６０は、裁断刃で抜き取られてできたものである。こうして得られた切断された支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｔの電解質膜１０と支持基材２０の外形寸法は同じであり、アノード２Ｂの外側の電解質膜１０と支持基材２０の間の密着部３は、外周に向かって隙間なく密着している。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）において、電解質膜−電極接合体１００は、切断された支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｔから支持基材２０を何らかの方法で剥離して得られる。

特許第５８５７９３７号公報

しかしながら、上記従来の構成では、電解質膜に電極が両面に形成された電解質膜−電極接合体と支持基材とを密着させた状態で、裁断刃を用いて支持基材ごと切り取ってしまうと、支持基材付き電解質膜−電極接合体の電解質膜と支持基材の外形は同寸法であることから、密着部が隙間のない状態となり、密着部を外側から剥離するための切っ掛け部分がなく支持基材と電解質膜−電極接合体とを短時間で安定して剥離することが困難となって、電解質膜−電極接合体の生産性が低いという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電解質膜−電極接合体と支持基材とを容易に剥離できるようにして、電解質膜−電極接合体の生産性を向上させる燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法は、ハーフカット工程において、電解質膜における電解質膜−電極接合体に沿う部分の一部に完全にカットされずに電解質膜の端材と繋がる繋ぎ部分ができるように、電解質膜と支持基材のうちの電解質膜のみを部分的にカットし、剥離工程において、電解質膜の端材を支持基材から剥離する方向に引っ張る力で繋ぎ部分を支持基材から引き剥がして、繋ぎ部分を引き千切ると共に、少なくとも電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に外部の空気を導入したものである。

これによって、支持基材付き電解質膜−電極接合体から電解質膜−電極接合体を得る時に、支持基材剥離開始部分において、少なくとも電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に外部の空気が導入されており、支持基材を剥離する切っ掛けができる。

本発明の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法は、ハーフカット工程で、電解質膜における電解質膜−電極接合体に沿う部分の一部に完全にカットされずに電解質膜の端材と繋がる繋ぎ部分ができるように、電解質膜と支持基材のうちの電解質膜のみを部分的にカットし、剥離工程において、電解質膜の端材を支持基材から剥離する方向に引っ張る力で繋ぎ部分を支持基材から引き剥がして、繋ぎ部分を引き千切ると共に、少なくとも電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に外部の空気を導入するので、電解質膜−電極接合体と支持基材とを容易に剥離でき、電解質膜−電極接合体の生産性を向上させることができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法の主要な製造工程を示すフローチャート 本発明の実施の形態１の帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体から電解質膜−電極接合体を連続して製造する工程の説明図 （ａ）は本発明の実施の形態１の支持基材付き電解質膜−電極接合体の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＡ−Ａ線断面図 （ａ）は本発明の実施の形態１の支持基材付き電解質膜−電極接合体をハーフカット工程後の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は（ｂ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体の○で囲んだ部分の部分拡大図 （ａ）は本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の第１剥離工程での平面図、（ｂ）は（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＣ−Ｃ線断面図 （ａ）は本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の第２剥離工程での平面図、（ｂ）は（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＤ−Ｄ線断面図 （ａ）は本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の第３剥離工程での平面図、（ｂ）は（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＥ−Ｅ線断面図 （ａ）は本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の剥離工程完了での平面図、（ｂ）は（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＦ−Ｆ線断面図 （ａ）は本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体から支持基材を分離した分離工程後の電解質膜−電極接合体の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した電解質膜−電極接合体のＧ−Ｇ線断面図 （ａ）は従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＨ−Ｈ線断面図 （ａ）は従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体を支持基材と共にカットした後にできる電解質膜と支持基材の端材部分の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した電解質膜と支持基材の端材部分のＩ−Ｉ線断面図 （ａ）は従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体を支持基材と共にカットした後にできる支持基材付き電解質膜−電極接合体の平面図、（ｂ）は（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＪ−Ｊ断面図 （ａ）は従来の支持基材付き電解質膜−電極接合体から支持基材を分離した電解質膜−電極接合体の側面図、（ｂ）は（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体から電解質膜−電極接合体を分離した支持基材の側面図

第１の発明は、燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法であって、支持基材の片面に密着させた、両面に電極が形成された電解質膜を、電解質膜−電極接合体に沿って、電極を囲むように部分的にハーフカットするハーフカット工程と、ハーフカット後の電解質膜の端材を、支持基材から剥離する剥離工程と、電解質膜から切り離された電解質膜−電極接合体と、支持基材とを分離する分離工程とを有し、ハーフカット工程では、電解質膜における電解質膜−電極接合体に沿う部分の一部に、完全にカットされずに電解質膜の端材と繋がる繋ぎ部分ができるように、電解質膜と支持基材のうちの電解質膜のみを部分的にカットし、剥離工程において、電解質膜の端材を支持基材から剥離する方向に引っ張る力で繋ぎ部分を支持基材から引き剥がして、繋ぎ部分を引き千切ると共に、少なくとも電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に、外部の空気を導入する製造方法である。

この製造方法では、電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に空気を導入することで、電解質膜−電極接合体の外周部に支持基材と密着していない部分ができる。これにより、電解質膜−電極接合体の外周部に支持基材と密着していない部分を剥離する切っ掛けにして、容易に剥離することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の剥離工程において、電解質膜の端材が、繋ぎ部分を引っ張るときに、繋ぎ部分を通して電解質膜を支持基材から剥離しようとする力が剥離を妨げる力を上回って剥離し、少なくとも電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に外部の空気が導入されることで、電解質膜と支持基材間の密着部の周長が増加すると共に剥離を妨げる力が、繋ぎ部分が破断する力を上回って破断する製造方法である。

この製造方法において、電解質膜の端材を剥離する工程により電解質膜の端材が繋ぎ部分を引っ張るときに、繋ぎ部分を通して電解質膜を支持基材から剥離しようとする力が、剥離を妨げる力を上回るため、繋ぎ部分が電解質膜−電極接合体の電解質膜と支持基材の密着部から剥離を始める。

さらに電解質膜の端材を引っ張るにつれて電解質膜と支持基材間の密着部の周長が増加し、剥離を妨げる力が繋ぎ部分を破断する力を上回るため、電解質膜−電極接合体が電解質膜の端材と共に剥離され、外れてしまう前に繋ぎ部が破断する。

このとき電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に空気が導入され、電解質膜−電極接合体の外周部に支持基材と密着していない部分ができた状態で、電解質膜−電極接合体が支持基材に貼り付いた状態となる。これにより支持基材上から電解質膜−電極接合体が外れることなく、外周部にある支持基材と密着していない部分を切っ掛けにして、安定して容易に支持基材を剥離することができる。

第３の発明は、特に第２の発明の支持基材が帯状の搬送用フィルムであり、ハーフカット工程では、支持基材に密着させた電解質膜を、電解質膜−電極接合体に沿って電極を囲むように略Ｃ字形状に部分的にハーフカットし、繋ぎ部分は、電極よりも搬送用フィルムの搬送方向側に位置する製造方法である。

この製造方法では、帯状の搬送用フィルムと、ある間隔で電解質膜に電極が形成された帯状の電解質膜−電極接合体が密着され、搬送方向に送られる場合に、ハーフカット工程で、支持基材に密着させた電解質膜を、電解質膜−電極接合体に沿って電極を囲むように略Ｃ字形状に部分的にハーフカットし、繋ぎ部分を搬送用フィルムの搬送方向側に設けることで、電解質膜の端材を搬送用フィルムの搬送方向側から連続して剥離しながら、電解質膜と支持基材とで密閉されていた空間に空気を導入することができ、支持基材付き電解質膜−電極接合体から連続して電解質膜−電極接合体を得ることができる。

第４の発明は、特に第３の発明の繋ぎ部分が、複数箇所に形成される製造方法であり、この製造方法では、ハーフカット工程で、支持基材に密着させた電解質膜を、電解質膜−電極接合体に沿って、電極を囲むように搬送用フィルムの搬送方向側に繋ぎ部分を適切な位置に複数設けて、部分的に電解質膜をカットすることで、梯子状の電解質膜の端材を搬送用フィルムの搬送方向側から連続して剥離するとき、偏りなく剥離できるので、端材剥離時にバランスが崩れ、捻れて途中で切れることによる端材の巻き取り不良がなく、安定して繋ぎ部分を切断しながら剥離することができる。

第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか１つの発明の繋ぎ部分が、電解質膜の厚み方向の途中までカットされる製造方法であり、この製造方法では、繋ぎ部分において電解質
膜の厚み方向の途中まで切り込みを入れることで、電解質膜−電極接合体の電解質膜と繋ぎ部分を破断するのに要する力を弱めることができ、端材を剥離するときに、電解質膜−電極接合体の電解質膜から繋ぎ部分が引き千切られず、電解質膜−電極接合体が端材と共に剥離してしまうことがなく、確実に電解質膜−電極接合体の電解質膜から繋ぎ部分を引き千切ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法の主要な製造工程を示すフローチャートである。図２は、本発明の実施の形態１の帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体から電解質膜−電極接合体を連続して製造する工程の説明図である。

図３（ａ）は、本発明の実施の形態１の支持基材付き電解質膜−電極接合体の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＡ−Ａ線断面図である。

図４（ａ）は、本発明の実施の形態１の支持基材付き電解質膜−電極接合体をハーフカット工程後の平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体のＢ−Ｂ線断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）に示した支持基材付き電解質膜−電極接合体の○で囲んだ部分の部分拡大図である。

図５（ａ）は、本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の第１剥離工程での平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＣ−Ｃ線断面図である。

図６（ａ）は、本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の第２剥離工程での平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＤ−Ｄ線断面図である。

図７（ａ）は、本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の第３剥離工程での平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＥ−Ｅ線断面図である。

図８（ａ）は、本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体の剥離工程完了での平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した基材付き電解質膜−電極接合体のＦ−Ｆ線断面図である。

図９（ａ）は、本発明の実施の形態１の基材付き電解質膜−電極接合体から支持基材を分離した分離工程後の電解質膜−電極接合体の平面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した電解質膜−電極接合体のＧ−Ｇ線断面図である。

図１に示すように、本実施の形態における燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法の主要な製造工程を示すフローチャートは、支持基材付き電解質膜−電極接合体を準備する準備工程Ｓ１０と、電解質膜における電解質膜−電極接合体に沿う部分の一部に完全にカットされずに電解質膜の端材と繋がる繋ぎ部分ができるように、電解質膜と支持基材のうちの電解質膜のみを部分的にカットするハーフカット工程Ｓ１１と、電解質膜の端材
を支持基材付き電解質膜−電極接合体から剥がす剥離工程Ｓ１２と、支持基材付き電解質膜−電極接合体と支持基材とを剥離して分離する分離工程Ｓ１３とからなる。

剥離工程Ｓ１２は、さらに、電解質膜の端材を支持基材から剥離する方向に引っ張り、剥離開始から繋ぎ部分まで剥離する第１剥離工程Ｓ１２ａと、電解質膜の端材と繋ぎ部分が破断するまでの第２剥離工程Ｓ１２ｂと、電解質膜との繋ぎ部分が破断し、電解質膜の端材が支持基材から剥離する第３剥離工程Ｓ１２ｃに分かれている。

図２において、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒを連続して加工する工程は、準備工程Ｓ１０と、ハーフカット工程Ｓ１１と、剥離工程Ｓ１２と、分離工程Ｓ１３を有している。

帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒは、帯状の支持基材２０と帯状の電解質膜１０の上面にカソード２Ａ、下面にアノード２Ｂがある間隔で形成されている。帯状の電解質膜と同じ大きさの剥離可能な帯状の支持基材２０がアノード２Ｂの外側の密着部３にて密着して貼り合わされている。アノード２Ｂと支持基材２０の密着力は、ほとんどない。

帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒは、左から準備工程Ｓ１０、次にハーフカット工程Ｓ１１、剥離工程Ｓ１２、分離工程Ｓ１３の順で加工される。

準備工程Ｓ１０は、ローラーＡ５１に巻かれた帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒを、カソード２Ａを上にして次工程へ送る工程である。

ハーフカット工程Ｓ１１は、支持基材２０と反対側に設置したハーフカット加工を行うレーザー照射装置５０を用いて、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒにレーザーを照射して、ハーフカット加工する工程である。

剥離工程Ｓ１２は、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから電解質膜の端材１０Ａを剥離するときの引張方向を決めるローラーＢ５２と電解質膜の端材１０Ａを巻き取るローラーＣ５３を用いて、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから電解質膜の端材１０Ａを連続して剥離する工程であって、図５に示す第１剥離工程Ｓ１２ａ、図６に示す第２剥離工程Ｓ１２ｂ、図７に示す第３剥離工程Ｓ１２ｃを有する。

分離工程Ｓ１３は、電解質膜の端材１０Ａが剥離された支持基材２０に密着した電解質膜−電極接合体１００をカソード２Ａ側から電解質膜１０部分を吸着する吸着治具５６、支持基材２０を剥離するローラーＤ５４、支持基材２０を巻き取るローラーＥ５５を用いて、電解質膜の端材１０Ａが剥離された帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから、連続して電解質膜−電極接合体１００を得ると共に、帯状の支持基材２０をローラーＥ５５に巻き取る工程である。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、準備工程Ｓ１０における支持基材付き電解質膜−電極接合体１の状態を示している。支持基材付き電解質膜−電極接合体１のＡ−Ａ線断面（図３（ｂ））は、後工程で設置する予定の繋ぎ部を通る部分の断面である。

２点鎖線の裁断予定ライン３０よりも全周にわたって大きい電解質膜１０の上面にカソード２Ａ、下面にアノード２Ｂがそれぞれ形成され、電解質膜１０と同じ大きさの剥離可能な支持基材２０がアノード２Ｂの外側の密着部３にて密着して貼り合わされている。アノード２Ｂと支持基材２０の密着力は、ほとんどない。

図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、ハーフカット工程Ｓ１１における支持基材付き電解質膜−電極接合体１の状態を示している。ハーフカット部６は電解質膜１０のみがカットされており、支持基材２０は切断されていない。

図４（ｃ）の拡大図に示すように、電解質膜１０を完全にカットするため、電解質膜１０を貫通させて支持基材２０の一部まで切り込みが入るが、カットはされていない状態である。

ハーフカット部６は、裁断予定ライン上にあるが、ラインが閉じないように部分的に繋ぎ部４が設置されており、ここでは、電解質膜１０はカットされていない。繋ぎ部分は任意の位置に設定が可能である。ここで、電解質膜１０において裁断予定ラインの外側部分を特に電解質膜の端材１０Ａと称する。

図５（ａ）、図５（ｂ）は、第１剥離工程Ｓ１２ａにおける支持基材付き電解質膜−電極接合体１の状態を示している。Ｃ−Ｃ線断面（図５（ｂ））は、繋ぎ部４が設置されていた位置を通る部分の断面を示している。

第１剥離工程Ｓ１２ａは、支持基材付き電解質膜−電極接合体１から電解質膜の端材１０Ａを引張方向に引っ張りながら剥離方向に剥離を開始し、支持基材２０から剥離した位置が、繋ぎ部４に到達するまでの途中の状態を示している。

引張方向に電解質膜の端材１０Ａを引っ張ることで、電解質膜の端材１０Ａと支持基材２０の間の密閉されていた空間に空気が導入され、繋ぎ部４まで支持基材２０から電解質膜の端材１０Ａが剥離される。このとき電解質膜１０と支持基材２０の間の密閉されていた空間には空気は導入されない。

図６（ａ）、図６（ｂ）は、第２剥離工程Ｓ１２ｂにおける支持基材付き電解質膜−電極接合体１の状態を示している。Ｄ−Ｄ線断面（図６（ｂ））は、繋ぎ部４が設置されていた位置を通る部分の断面を示している。

第２剥離工程Ｓ１２ｂは、支持基材付き電解質膜−電極接合体１から電解質膜の端材１０Ａを剥離した位置が、繋ぎ部４に到達し、電解質膜の端材１０Ａと繋ぎ部４の間が破断するまでの状態を示している。

引張方向に電解質膜の端材１０Ａを引っ張ることで、繋ぎ部４を通して電解質膜１０が支持基材２０から剥離され、繋ぎ部４の位置から電解質膜１０と支持基材２０の間の密閉されていた空間に空気が導入され始める。

図７（ａ）、図７（ｂ）は、第３剥離工程Ｓ１２ｃにおける支持基材付き電解質膜−電極接合体１の状態を示している。Ｅ−Ｅ線断面（図７（ｂ））は、非密着部５の位置を通る部分の断面を示している。

第３剥離工程Ｓ１２ｃは、支持基材付き電解質膜−電極接合体１から電解質膜の端材１０Ａの剥離により、電解質膜の端材１０Ａと繋ぎ部４が破断した後、電解質膜１０と電解質膜の端材１０Ａは分離され、電解質膜１０と支持基材２０の間の密閉されていた空間に空気が導入されることによりできた非密着部５が形成された状態である。

図８（ａ）、図８（ｂ）は、剥離工程Ｓ１２において電解質膜の端材１０Ａが完全に剥離したときの支持基材付き電解質膜−電極接合体１の状態を示している。Ｆ−Ｆ線断面（図８（ｂ））は、非密着部５の位置を通る部分の断面を示している。電解質膜１０の端部
からアノード２Ｂに向かって電解質膜１０と支持基材２０の間の密閉されていた空間に、非密着部５が形成されている。

図９（ａ）、図９（ｂ）は、分離工程Ｓ１３後の電解質膜−電極接合体１００の状態を示している。電解質膜１０の上面にカソード２Ａが形成され、電解質膜１０の下面にカソード２Ａとほぼ同じ大きさ同じ位置にアノード２Ｂが形成され、電解質膜−電極接合体１００の外形は裁断予定ラインと同寸法である。

また、具体的には両電極は、以下のようにして形成する。ケッチェンブラックＥＣに白金を重量比１：１で担持させた触媒粉末１０ｇに水３５ｇ及び水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液（旭硝子株式会社製、９％ＦＳＳ）５９ｇを混合攪拌してインクを作製する。次に、このインクを電解質膜１０の両主面にスプレー塗工を用いて２０μｍの厚みに塗工乾燥し、電極が形成される。

ここで、電解質膜１０は、固体高分子材料、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソード２Ａおよびアノード２Ｂは、白金触媒を担持した導電性の担体、カーボン粒子（以下、触媒担持カーボン粒子と称する）を、プロトン伝導性を有するアイオノマーで被覆して形成された電極であり、電解質膜１０の両面に接合され電解質膜−電極接合体を形成する。

ここで、アイオノマーは、電解質膜１０と同固体高分子材料である高分子電解質樹脂（フッ素系樹脂）であり、その有するイオン交換基によりプロトン伝導性を有する。

電解質膜１０には、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（デュポン（株）のナフィオン２１１（登録商標））を用いる。また、支持基材２０は、厚さ１００ｕｍのポリエステル系フィルム（東洋紡のコスモシャインＡ４１００（登録商標））を用いる。

さらに、レーザー照射装置は、炭酸ガスレーザーであり、キーエンス製のＭＬ−Ｚ９５２０を用いる。照射時の出力は７０％、走査速度は４００ｍｍ／ｓとする。

以上の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法について、以下その動作、作用について説明する。

まず、ロール状に巻かれた帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒを用意し、連続して製造する工程の先頭である準備工程Ｓ１０に支持基材２０が搬送方向に対して下面になるように連結し、次のハーフカット工程Ｓ１１に所定の送り量送る。送り量は、電極が形成されている位置により決まる。

ハーフカット工程Ｓ１１では、レーザー照射装置５０を用いて、裁断予定ライン３０に沿って電解質膜１０上に繋ぎ部４を形成しながら照射し、電解質膜１０のみをハーフカットし、次工程に送る。

剥離工程Ｓ１２では、電解質膜の端材１０Ａを安定して支持基材２０から剥離するために搬送方向に対して、捻れないようにローラーＢ５２により引張方向を決めて剥離し、電解質膜の端材１０Ａを巻き取るローラーＣ５３により平行に巻き取る。

このとき繋ぎ部４は、その位置や数によっては、剥離時のバランスが崩れ、捻れや破断が発生する可能性があるため、剥離開始側の裁断予定ライン３０の少なくとも両角に設ける。繋ぎ部４の幅は、電解質膜１０の引っ張り強度や支持基材との密着力、電解質膜の端材１０Ａを引っ張る速度などを元に決定する。ここでは０．３ｍｍとした。

図では示していないが、電解質膜１０の繋ぎ部４の破断に要する力が強く、電解質膜１０と支持基材２０との間の剥離を妨げる力も弱いため、電解質膜−電極接合体１００が電解質膜の端材１０Ａと共に剥離されてしまうことを防ぐため、生産安定性を考慮して、繋ぎ部４の電解質膜１０に、電解質膜１０の厚みの半分程度の切り込みを入れている。この切り込みは、レーザーの出力を落とすことで、電解質膜１０に与える熱エネルギーを少なくしてできる。

こうしてハーフカットされた帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから、電解質膜の端材１０Ａを、先に述べた剥離開始側から搬送方向と支持基材２０から剥離する方向に所定の条件で剥がし始め、繋ぎ部４に差し掛かると、繋ぎ部４を通して電解質膜１０を支持基材２０から剥離しようとする力が、剥離を妨げる力を上回って剥離し、裁断予定ライン３０の内側の少なくとも電解質膜１０と支持基材２０とで密閉されていた空間に外部の空気が導入され非密着部５ができる。

さらに、引っ張り続けると、電解質膜１０と支持基材２０の間の非密着部５の面積が増加すると共に、密着部の周長が増加し剥離を妨げる力が、繋ぎ部４が破断する力を上回って破断し、電解質膜−電極接合体１００と支持基材２０が外れることなく密着したまま電解質膜の端材１０Ａと分離される。これにより、繋ぎ部４が設置されていたところから電極側に電解質膜１０と支持基材２０の間に非密着部５が形成される。

この電解質膜の端材１０Ａは、梯子状に繋がっているので、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから、電解質膜の端材１０Ａを連続して剥離することができる。

剥離工程Ｓ１２にて形成された非密着部５は、剥離開始側の裁断予定ライン３０の少なくとも両角にある。

分離工程Ｓ１３で連続的に、電解質膜−電極接合体１００を得るために、電解質膜−電極接合体１００のカソード２Ａ側の面を吸着治具５６で吸着した状態で、ローラーＤ５４を剥離方向に動かしながら支持基材２０を剥離し、吸着治具５６側に電解質膜−電極接合体１００を引き渡し、巻き取りローラーＥ５５で支持基材２０を巻き取る。

これにより、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから、電解質膜−電極接合体１００を連続して得ることができる。

以上のように、本実施の形態においては、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒから、電解質膜−電極接合体１００を得るために、準備工程Ｓ１０、ハーフカット工程Ｓ１１、剥離工程Ｓ１２、分離工程Ｓ１３を有する設備構成とし、電解質膜１０上に繋ぎ部４を形成して電解質膜１０のみをハーフカットし、電解質膜の端材１０Ａを繋ぎ部４のある側から剥離するとき、繋ぎ部４から電極側に電解質膜１０と支持基材２０の間に非密着部５を形成することで、安定して連続的に電解質膜−電極接合体１００と支持基材２０を引き剥がすことができ、電解質膜−電極接合体１００の生産性が向上する。

なお、図中にあるローラーは、説明に必要なローラーのみであり、実際は、必要な位置に必要に応じてある。

なお、上述の実施の形態では、電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（デュポン（株）のナフィオン２１１（登録商標））を用いたが、電解質膜としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、スルホン酸基、カルボシキル基、リン酸基などの官能基を有し、水素イオンを含む水素イオン伝導性のフッ素系の樹脂を用いることができ、例えば、
アシプレックス（登録商標）やフレミオン（登録商標）などの他の電解質膜を用いることができる。

また、電解質膜として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いても構わない。

また支持基材については、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等のポリエステル系、ポリスチレン等の高分子フィルムによって形成することもできる。

また帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体１Ｒを連続して加工する工程で説明したが、裁断予定ラインより大きめに切り出された支持基材付き電解質膜−電極接合体に対して、準備工程Ｓ１０、ハーフカット工程Ｓ１１、剥離工程Ｓ１２、分離工程Ｓ１３は、それぞれ単独で行うこともできる。

レーザー照射装置は、矩形形状でのレーザー照射が可能なレーザー装置や、レーザー照射位置を縦横の２次元的に走査可能なレーザー装置であればよい。レーザー物質については、炭酸ガスなどの気体や、ＹＡＧなどの固体などがあるが、必要に応じて選択が可能である。また、ハーフカットする手段として、トムソン刃を使用することもできる。

以上のように、本発明の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法によれば、帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体から短時間で安定して電解質膜−電極接合体を得ることができるため電解質膜−電極接合体の生産性が向上し、コージェネレーションシステムや電気自動車などに用いられる燃料電池の製造方法として有用である。

１ 支持基材付き電解質膜−電極接合体
１Ｒ 帯状の支持基材付き電解質膜−電極接合体
１Ｔ 切断された支持基材付き電解質膜−電極接合体
２Ａ カソード
２Ｂ アノード
３ 密着部
４ 繋ぎ部
５ 非密着部
６ ハーフカット部
１０ 電解質膜
１０Ａ 電解質膜の端材
２０ 支持基材
３０ 裁断予定ライン
５０ レーザー照射装置
５１ ローラーＡ
５２ ローラーＢ
５３ ローラーＣ
５４ ローラーＤ
５５ ローラーＥ
５６ 吸着治具
６０ 孔
１００ 電解質膜−電極接合体
Ｓ１０ 準備工程
Ｓ１１ ハーフカット工程
Ｓ１２ 剥離工程
Ｓ１２ａ 第１剥離工程
Ｓ１２ｂ 第２剥離工程
Ｓ１２ｃ 第３剥離工程
Ｓ１３ 分離工程

Claims (5)

1. 燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法であって、
   支持基材の片面に密着させた、両面に電極が形成された電解質膜を、前記電解質膜−電極接合体に沿って、前記電極を囲むように部分的にハーフカットするハーフカット工程と、前記ハーフカット後の前記電解質膜の端材を、前記支持基材から剥離する剥離工程と、
   前記電解質膜から切り離された前記電解質膜−電極接合体と、前記支持基材とを分離する分離工程と、
   を有し、
   前記ハーフカット工程では、前記電解質膜における前記電解質膜−電極接合体に沿う部分の一部に、完全にカットされずに前記電解質膜の端材と繋がる繋ぎ部分ができるように、前記電解質膜と前記支持基材のうちの前記電解質膜のみを部分的にカットし、
   前記剥離工程において、前記電解質膜の端材を前記支持基材から剥離する方向に引っ張る力で前記繋ぎ部分を前記支持基材から引き剥がして、前記繋ぎ部分を引き千切ると共に、少なくとも前記電解質膜と前記支持基材とで密閉されていた空間に、外部の空気を導入する、
   燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法。
2. 前記剥離工程において、前記電解質膜の端材は、前記繋ぎ部分を引っ張るときに、前記繋ぎ部分を通して前記電解質膜を前記支持基材から剥離しようとする力が剥離を妨げる力を上回って剥離し、少なくとも前記電解質膜と前記支持基材とで密閉されていた空間に外部の空気が導入されることで、前記電解質膜と前記支持基材間の密着部の周長が増加すると共に剥離を妨げる力が、前記繋ぎ部分が破断する力を上回って破断する、
   請求項１に記載の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法。
3. 前記支持基材は、帯状の搬送用フィルムであり、
   前記ハーフカット工程では、前記支持基材に密着させた前記電解質膜を、前記電解質膜−電極接合体に沿って、前記電極を囲むように略Ｃ字形状に部分的にハーフカットし、
   前記繋ぎ部分は、前記電極よりも前記搬送用フィルムの搬送方向側に位置する、
   請求項２に記載の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法。
4. 前記繋ぎ部分は、複数箇所に形成される、
   請求項３に記載の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法。
5. 前記繋ぎ部分は、前記電解質膜の厚み方向の途中までカットされる、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池用の電解質膜−電極接合体の製造方法。

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