(57)【要約】電気化学的電池のための膜電極アセンブリを製造するための方法であって、以下：ダブルベルトプレスによって、シートのイオン交換膜材料を給送する、工程；該ダブルベルトプレスによって、少なくとも１つの電極基材を給送する、工程；熱および圧力を適用して、該ダブルベルトプレスのプロセスゾーンにおいて、該膜材料と該電極基材の一部を接着する、工程、を包含する、方法。ダブルベルトプレスを含む、電気化学的電池のための膜電極アセンブリを製造するための装置。本発明のプロセスは、例えば、所望の幅のストリップを得るために長手方向に切断し、そして／または所望の長さの膜電極アセンブリを得るために横方向に切断することによって、膜電極アセンブリを切断する工程をさらに包含し得る。
2004528696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的電池のための膜電極アセンブリを製造するための方法であって、以下：
ダブルベルトプレスによって、シートのイオン交換膜材料を給送する、工程；
該ダブルベルトプレスによって、電極基材を給送する、工程；
熱および圧力を適用して、該ダブルベルトプレスのプロセスゾーンにおいて、該膜材料と該電極基材の一部を接着する、工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記ダブルベルトプレスが、等圧ダブルベルトプレスである、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記ダブルベルトプレスが、第１プロセスゾーンおよび第２プロセスゾーンを有し、そして該第１プロセスゾーンおよび該第２プロセスゾーンにおける温度および圧力の少なくとも１つが、異なる、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記イオン交換膜材料が、前記第１ゾーンにおいて少なくともガラス転移温度に加熱され、そして前記第２ゾーンの温度が、ガラス転移温度より低い、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記イオン交換膜材料および前記電極基材のうちの少なくとも１つが、連続ロールとして、前記ダブルベルトプレスに給送される、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記イオン交換膜材料および前記電極基材のうちの少なくとも１つが、不連続シート材料である、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法であって、前記イオン交換膜材料および前記電極基材のうちの少なくとも１つを前記ダブルベルトプレスに給送する前に、該イオン交換膜材料および該電極基材のうちの少なくとも１つに触媒混合物を適用する工程をさらに包含する、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記電極基材を前記ダブルベルトプレスに給送する前に、サブ層混合物を該電極基材に適用する工程をさらに包含する、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、リリースフィルムを、ダブルベルトプレスによって、そのベルトに接触するように給送する工程をさらに包含する、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、ダブルベルトプレスの少なくとも１つのベルトが、非粘着材料でコーティングされる、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、以下：
接着された材料を前記ダブルベルトプレスから受け取る工程；および
該接着された材料に特徴をパンチする工程、
をさらに包含する、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、以下：
接着した材料を前記ダブルベルトプレスから受け取る工程；および
該接着した材料を長手方向で切断して、接着した材料のストリップを得る工程、
をさらに包含する、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、前記長手方向の切断が、バネ式ナイフを用いて実行される、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、前記接着された材料に特徴をパンチする工程をさらに包含する、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、前記接着された材料のストリップを横方向に切断する工程をさらに包含する、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記横方向の切断が、ギロチンカッターを用いて実行される、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、前記接着された材料に特徴をパンチする工程をさらに包含する、方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法であって、以下：
接着した材料を前記ダブルベルトプレスから受け取る工程；および
該接着した材料を横方向に切断する工程、
をさらに包含する、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記接着された材料に特徴をパンチする工程をさらに包含する、方法。
【請求項２０】
電気化学的電池のための膜電極アセンブリを製造するための装置であって、以下：
ダブルベルトプレス；および
ＭＥＡ成分混合物を、材料または該ダブルベルトのベルトの１つの上に置くための手段、
を包含し、
ここで、該材料が、イオン交換膜材料、電極基材およびリリースフィルムからなる群より選択される、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国仮特許出願番号６０／２８８，３５１（２００１年５月３日出願、表題「Ｄｏｕｂｌｅ  Ｂｅｌｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」）、および米国仮特許出願番号６０／３０２，２６２（２００１年６月２９日出願、表題「Ｄｏｕｂｌｅ  Ｂｅｌｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」）に関連し、そしてこれらに対する優先権を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、電気化学燃料電池の製造に関する。より具体的には、本発明は、イオン交換膜材料および少なくとも１つの電極基材を備える、電気化学燃料電池ＭＥＡ材料を接着するための、ダブルベルトプロセスおよび装置を提供する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
電気化学燃料電池は、反応物（すなわち、燃料および酸化剤の流動流）を転換して、電力および反応生成物を生成する。電気化学燃料電池は、２つの電極（すなわち、カソードおよびアノード）の間に配置される電解質を用いる。この電極は、一般的に、それぞれ、電解質と電極層との間の界面に配置された多孔性の導電性シート材料および電気触媒を備え、所望の電気化学反応を誘導する。この電気触媒の位置は、一般的に、電気化学的に活性な領域を規定する。
【０００４】
固体のポリマー燃料電池は、代表的には、２つの電極層の間に配置された固体ポリマー電解質またはイオン交換膜からなる膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を用いる。イオン導電性（代表的には、プロトン導電性）材料であることに加えて、この膜はまた、互いから反応物の流れを隔離するための障壁として作用する。
【０００５】
電気化学燃料電池の利点（実際および潜在的の両方）は、十分に実証されている。しかし、最近まで、高容積の燃料電池製造プロセスは、比較的、わずかに触れられる程度にしか関心がもたれなかった。燃料電池製造についての主な焦点は、一貫しかつ高品質の効率的な燃料電池を設計および開発することであった（そして、多くに関して、このことが続けられている）。本明細書では、燃料電池のさらなる調査および開発、ならびにこれらの適用に加えて、製造業者が、高容積の商業的製造プロセスを開発することに、より注目することに集中している。
【０００６】
ＭＥＡを製造するための従来の方法は、相互プレス（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｐｒｅｓｓ）接着およびローラー接着を包含する。このような方法は、特に、高容積物製造プロセスにあまり適しておらず、用いられる接着温度または圧力、あるいはその両方に対する適切な程度の制御が可能ではないかもしれない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
電気化学電池のためのＭＥＡの製造のためのプロセスにおいて、イオン交換膜材料は、少なくとも１つの電極基材に接着される。１つの実施形態では、本発明のプロセスは、以下を包含する：ダブルベルトプレスを介してイオン交換膜材料のシートを給送する工程；ダブルベルトプレスを介して少なくとも１つの電極基材を給送する工程；ならびに熱および圧力を加えて、ダブルベルトプレスのプロセスゾーン内の膜材料と電極基材の一部を接着する工程。本発明のプロセスは、さらに、接着したＭＥＡ材料を切断して一定の大きさを作る工程を包含し得る。
【０００８】
別の実施形態では、本発明のプロセスは、さらに、ダブルベルトプレスから接着した材料を受容し、そしてこの接着した材料を長手方向に切断して、少なくとも１つの接着した材料のストリップを得る工程を包含する。例えば、切断工程は、バネ式ナイフ（ｓｐｒｉｎｇ−ｌｏａｄｅｄ  ｋｎｉｆｅ）を用いて所望の幅に、長手方向に切断する工程を包含し得る。
【０００９】
別の実施形態では、本発明のプロセスは、さらに、接着した材料をダブルベルトプレスから受容し、この接着した材料を横方向に切断（ｃｒｏｓｓ−ｃｕｔｔｉｎｇ）する工程を包含する。例えば、ギロチンカッターを用いる所望の長さへの機械的な横方向の切断が用いられ得る。
【００１０】
上述の実施形態では、このプロセスは、さらに、パンチング工程を包含し得、ここで、マニホルド開口または丸みを帯びた角のような特徴がＭＥＡ材料に加えられ得る。種々の切断プロセスは、本発明の方法において用いられ、接着した材料を切断して、一定の大きさを作る（所望される場合、機械的切断、レーザー切断、高水圧ジェット切断、および超音波切断を含む）。
【００１１】
本発明のダブルベルト接着プロセスは、特に、連続したイオン交換膜材料シートを１つまたは２つの連続した電極基材シートと接着することを意図する。本発明のプロセスはまた、別々のイオン交換膜材料シートおよび／または電極基材シートを給送することを意図する。さらに、このプロセスはまた、例えば、粉末形態、粒状形態、ペースト形態、または液体形態の１つ以上のＭＥＡ成分を、ダブルベルトプレスの少なくとも１つのスチールベルト上に、押出し、スパッタリングまたはスプレーし、次いで、成分の層を形成し、そしてＭＥＡを接着することによるような、溶着を含み得る。あるいは、少なくとも１つの成分が、ＭＥＡ成分の別のシート上に溶着され、ダブルベルトプレスを介して給送され得る。
【００１２】
１つの実施形態では、本発明の装置は、材料またはこのダブルベルトプレスの１つのベルトの上に粉末、顆粒、ペースト状、または液体のＭＥＡ成分混合物を溶着するための手段を備え、ここで、この材料は、イオン交換膜材料、電極基材、およびリリースフィルムを備える。
【００１３】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
上記のように、ＭＥＡを製造するための従来の方法は、相互プレス接着およびローラー接着を包含する。
【００１４】
相互プレス接着は、代表的に、２つの金属プラテンを備えるサイクルプレスを用い、この２つの金属プラテンは、これらの間を通過する材料に圧力（および、必要に応じて、熱）を加える。サイクルプレスにおけるプラテンは、代表的に、硬い表面の特徴を有し、そして金属から作製される。相互プレス接着は、一行程の加熱接着、一行程の加熱／冷却接着、または二工程の加熱／冷却接着として実行され得る。
【００１５】
サイクルプレスを用いる相互プレス接着は、高容積製造に対して不利であり得る。例えば、相互プレス接着は、別々のプロセスを必要とする。換言すれば、材料（例えば、イオン交換膜および電極）は、サイクルプレスを介して連続給送され得ない。圧力および熱が、１以上の材料に加えられる場合、材料の運搬（すなわち、スループット）は、一時的に停止される。
【００１６】
相互プレス接着使用プラテンに伴う、別の大きな問題は、接着される材料の厚みの変動に応じてプラテンを調節し、従って、材料への温度および圧力の十分に一様な付与を提供または可能にすることが困難または不可能であることである。比較的薄い材料を接着して、ＭＥＡのような比較的薄い構造体を作製することについては、その材料における表面不規則性が、ＭＥＡの厚みにおける大きな変動を生じ得る。従って、平坦なプラテン表面を推定したとしても、接着の間にＭＥＡの表面に付与される圧力は、より厚い領域が、より薄い領域より大きく圧縮されるので、変化し得る。さらに、電極および膜に付与される熱はまた、ＭＥＡの表面を横切って変化し得る。膜の温度が上昇するにつれて、その粘性は減少する（これはまた、ポリマー性電極材料が使用される電極に適用される）。特に、その材料のガラス転移温度に達するかまたは超える場合、温度が高くなるほど、粘性に対する影響は大きくなる。従って、圧力が材料（例えば、イオン交換膜）に付与されると、その粘性はその表面に沿って変化し、その材料は、不均一な様式で流動することにより応答し得る。別な方法で述べると。イオン交換膜の所定の（加熱された）部分が柔らかくなるほど、イオン交換膜が流動性になり得、圧力が付与された場合に薄くなり得る。圧力の不均一な付与が、その問題を悪化させ得る。そのイオン交換膜が接着の間に非常に流動性になると、その電極は大きな問題に接し、すなわち、ＭＥＡの電気的短絡が生じ得る。仕上げられたＭＥＡにおけるイオン交換膜のこのような結果として不均一な厚みはまた、その膜表面を横切るイオン伝導度における変化および／またはＭＥＡの電気抵抗の許容できない変動として、そのような問題を導き得る。
【００１７】
膜プレス（これは、サイクルプレスの変形物である）はまた、相互プレス接着プロセスにおいて使用されている。膜プレスは、堅い表面を有するプラテンの代わりに、柔らかいクッションを特徴とする。従来の膜プレスは、サイクルプレスが別個の様式にて操作されるという点で、サイクルプレスと同じ短所を有する。さらに、少なくとも当該分野の現在の技術水準に関して、従来の膜プレスは、しばしば、多くの製造プロセス（ＭＥＡ材料を接着するためのプロセスを含む）において必要または所望の圧力量を付与できない。
【００１８】
ローラー接着は、大量生産に理にかなって十分適切であり、別個のまたは連続したプロセスにおいて使用され得る。スチールおよびゴムロール接着またはフレキソロール接着が使用され得、接着される材料に熱を付与する工程を包含し得る。
【００１９】
接着される材料への表面圧力の付与を包含する相互プレス接着に対して、ローラー接着は、ローラーのニップを材料が通過する際の材料への線形的な圧力の付与を包含する。
【００２０】
相互プレス接着と同様に、ローラー接着はまた、ＭＥＡの高容積製造に不利であり得る。例えば、ＭＥＡ成分の接着がローラー圧力単独を使用すると不十分であることが見いだされた。さらに、熱もまた付与される場合、ローラー周りのイオン交換膜の変形が、ＭＥＡ内のイオン交換材料の厚みに変化を生じ得る。続いて、厚みのそれら変化は、接触が電気的短絡を生じ得る電極間の接触を許容し得る。
【００２１】
本発明のプロセスおよび装置は、イオン交換膜材料および少なくとも１つの多孔性導電性電極基材を含む電気化学的燃料電池ＭＥＡ材料を接着するためのダブルベルトプレスを使用する。実際に、本発明のプロセスおよび装置は、他の電気化学的電池のためのＭＥＡ材料を接着するためにもまた使用され得る。
【００２２】
適切なイオン交換膜材料としては、例えば、過フルオロスルホン酸イオノマー、過フルオロカルボン酸イオノマー、スチレンポリマー、およびこれらの混合物が挙げられる。適切な過フルオロスルホン酸イオノマーの例は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）（Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｉｎｃ．，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ，ＵＳ）、市販の過フルオロスルホン酸コポリマーである。適切なスチレンポリマーとしては、置換型フッ化スチレンおよび非置換型フッ化スチレン（例えば、α−フルオロスチレン、α，β−ジフルオロスチレン、およびα，α，β−トリフルオロスチレン）が挙げられる。適切なスチレンポリマーの例は、同一人に譲渡された米国特許第５，４９８，６３９号、同第５，６０２，１８５号、同第５，６８４，１９２号、同第５，７７３，４８０号、同第５，８３４，５２３号および同第５，９８５，９４２号に記載される。
【００２３】
イオン交換膜材料は、密なフィルム、イオン交換材料で含浸された多孔性基材を含む複合イオン交換膜、または密なフィルム、複合膜、もしくはその両方の積層体を含み得る。そのイオン交換膜材料は、片側表面または両表面に電気触媒を含む触媒層を、さらに含み得る。そのイオン交換膜材料は、可撓性であり得、そうでなければ、リール−リール型プロセスにおいて処理するために適切であり得る。一般に、ＭＥＡ中のイオン交換膜材料の厚みは、約１０〜２００μｍの範囲である。
【００２４】
適切な多孔性導電性材料（すなわち、電極基材）としては、織布材料、不織布材料およびメッシュ（本明細書中で使用される場合、「メッシュ」とは、穴が開いている実質的に非多孔性材料の連続したシートをいう）が挙げられる。その材料は、金属または酸化金属、ポリマー、グラスファイバー、または炭素を含み得る。電極基材はまた、可撓性であり得、そうでなければ、リール−リール型プロセスにおいてプロセスするために適切であり得る。一般に、ＭＥＡ中の電極の厚みは、約５０〜３００μｍの範囲である。
【００２５】
炭素織布、炭素不織布および炭素メッシュは、グラファイト材料および炭素材料（例えば、炭素繊維材料）を含み得る。市販のグラファイト炭素繊維不織布材料および非グラファイト炭素繊維不織布材料の例としては、以下が挙げられる：Ｔｏｒａｙ  ＴＧＰ−Ｈ−０６０炭素繊維紙（Ｔｏｒａｙ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）；Ｏｐｔｉｍａｔ  ２０３（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｆｉｂｒｅ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｋｅｎｄａｌ，ＵＫ）；ＳｉｇｒａｔｅｘＴＭ不織布（ＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ  ＧｍｂＨ，Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）；およびＬｙＦｌｅｘＴＭ製品（Ｌｙｄａｌｌ，Ｉｎｃ．，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ，ＣＴ，ＵＳＡ）。適切な炭素繊維織布材料の例としては、以下が挙げられる：Ｔｏｒａｙｃａファブリック（Ｔｏｒａｙ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）；ＳｉｇｒａｔｅｘＴＭファブリック（ＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ  ＧｍｂＨ，Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）；およびＰａｎｅｘＴＭ製品（Ｚｏｌｔｅｃ  Ｃｏｍｐａｎｉｅｓ，Ｉｎｃ，Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ，ＭＯ，ＵＳＡ）。
【００２６】
ＭＥＡ中の各電極は、触媒層を有し、この触媒層は、イオン交換膜材料に隣接して位置する燃料および酸化剤の所望の電気化学的反応を容易にするための適切な電気触媒を含む。その電気触媒は、例えば、メタルブラック、合金または支持金属触媒（例えば、炭素担持白金）であり得る。その触媒層は、代表的には、イオン交換膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標））について使用されるものと類似であり得るイオノマーを含む。その触媒層はまた、結合剤（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）を含み得る。
【００２７】
電極はまた、その触媒層と電極基材との間にサブ層（ｓｕｂｌａｙｅｒ）（代表的には、例えば、カーボンブラックのような導電性粒子状材料を含む）を含み得る。サブ層は、電極の特定の特性（例えば、触媒層と基材との間の界面抵抗）を改変するために使用され得る。
【００２８】
ＭＥＡについての電極は、所望であれば、最初に適切な電極基材にサブ層を付与し、次いで、その触媒層をサブ層上に付与する工程により調製され得る。これらの層は、例えば、適切な液体キャリア中で混合された粒子および溶解した固体を含むスラリーまたはインクの形態にて、または顆粒状混合物もしくはペーストとして付与され得る。あるいは、触媒層は、必要に応じたサブ層、およびその後ろに組み込まれた基材を有するイオン交換膜材料に（触媒化膜材料または電極基材のいずれかの上に）最初に付与され得る。
【００２９】
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、「電極基材」は、触媒層および／または支持サブ層を有しても有さなくてもどちらでもよい電極基材をいう。
【００３０】
ダブルベルトプレスは、市販のデバイスである。Ｍｅｔｓｏ  Ｐａｐｅｒ，Ｉｎｃ．（Ｊｙｖａｅｓｋｙｌａｅ，Ｆｉｎｌａｎｄ）は、Ｈｙｍｍｅｎ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．（Ｄｕｌｕｔｈ，Ｇｅｏｒｇｉａ，ＵＳＡ）のようなデバイスの製造業者である。他の製造業者として、Ｄｉｅｆｆｅｎｂａｃｈｅｒ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．（Ｅｐｐｉｎｇｅｎ，Ｇｅｒｍａｎｙ）、Ｓａｎｄｖｉｋ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＧｍｂＨ（Ｆｅｌｌｂａｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）、およびＳｉｅｍｐｅｌｋａｍｐ  ＬＰ（Ｍａｒｉｅｔｔａ，Ｇｅｏｒｇｉａ，ＵＳＡ）が挙げられる。等圧ダブルベルトプレスおよび等体積ダブルベルトプレスが、本プロセスにおいて使用され得る。
【００３１】
ダブルベルトプレスは、代表的には、スチールから作製されるベルトを使用する。上方ベルトおよび下方ベルトはそれぞれ、一対の上方ドラムおよび下方ドラムの周囲を走行する。接着される材料は、スチールベルトの間に給送される。少なくとも１つのプロセスゾーンは、ドラム対の間の領域内のベルトの間に配置される。
【００３２】
等圧ダブルベルトプレスは、スチールベルト上に圧力をかける可撓性流体緩衝材によって、反応領域の表面領域にわたって均一な圧力を適用する。この加圧流体は、例えば、気体（例えば、空気）、または液体（例えば、油）を含む。高い圧力では、適切な気体（例えば、空気）の漏れの危険性は、適切な液体（例えば、油）の漏れの危険性より高い。従って、高い圧力では、緩衝材が適切な液体で充填されることが好ましくあり得る。液体充填緩衝材（例えば、油充填緩衝材）が本プロセスで使用される場合、ＭＥＡ材料を汚染し得る液体または液体ミストの放出または流出を回避する工程をとることが必要または好ましくあり得る。
【００３３】
等体積（すなわち、等積）ダブルベルトプレスとして、滑走ダブルベルトプレスおよびローラー層ダブルベルトプレスが挙げられる。等体積ダブルベルトプレスは、例えば、各ベルトを支持する一組のローラーを使用することによって、プロセスゾーン内で一定容量を維持する。
【００３４】
等圧ダブルベルトプレスおよび等体積ダブルベルトプレスが、本プロセスで使用され得る。図１ａおよび図１ｂはそれぞれ、等圧ダブルベルトプレスおよび等体積ダブルベルトプレスの概略図である。等圧ダブルベルトプレス１００および等体積ダブルベルトプレス１００’において、上方ベルト１０２は、上方ドラム１０４の周囲を走行し、下方ベルト１０６は、下方ドラム１０８の周囲を走行する。材料１１０は、ベルト１０２と１０６との間に給送される。材料１１０は接着される少なくとも２つの層を含み得ることが理解されるべきである。プレス１００において、上方流体緩衝材１１２および下方流体緩衝材１１４はそれぞれ、上方ベルト１０２と下方ベルト１０６に対して圧力をかけ、次いで、これらベルトは、ベルトと接触する材料１１０の一部に圧力をかける。上方流体緩衝材１１２と下方流体緩衝材１１４との間の領域は、プレス１００のプロセスゾーンを規定する。プレス１００’において、上方ローラー層１１６および下方ローラー層１１８はそれぞれ、上方ベルト１０２および下方ベルト１０６に力を与え、プレス１００’のプロセスゾーンである、ベルト間の領域内に一定容量を維持する。流体緩衝材１１２および１１４、ならびにローラー層１１６および１１８はまた、両方とも、プロセスゾーン内で所定の温度を適用するように、加熱／冷却され得る。
【００３５】
ダブルベルトプレス内のプロセスゾーンはまた、接着の間、熱を加え得る。実際に、所望される場合、温度および／または圧力の勾配は、一連のプロセスゾーンによって確立され得る。例えば、図１ａのプレス１００において、流体緩衝材１１２および１１４の各々の対向する対は、接着の間、異なる温度および／または圧力を適用し得、それによって異なるプロセスゾーンを規定する。プロセスゾーンの長さは、ベルト速度と合わさって、材料がダブルベルトプレスを通過する際の材料の処理時間または接着時間を決定する。
【００３６】
接着されるＭＥＡ成分の幅は、スチールベルトの幅と同じであり得、この場合、ＭＥＡ材料の縁部は、代表的にはプロセスゾーン内で処理されず、接着したＭＥＡ内に幾らか屑材料を生じる。あるいは、スチールベルトの幅は、ＭＥＡ成分の幅より大きくあり得、一方または両方のベルトがＭＥＡ成分を受容するための凹部を含み得、この場合、ＭＥＡ材料はプロセスゾーン内で処理され、接着したＭＥＡの縁部の屑材料の量は低減または最少化され得る。
【００３７】
イオン交換膜材料および少なくとも１つの電極基材は、ダブルベルトプレスを通して給送される。２つの電極基材がイオン交換膜材料と共にプレスを通して給送される場合、当然、このイオン交換材料は、電極基材間に挿入される。ベルトに隣接したＭＥＡ成分は、所望される場合、スチールベルトとの直接的接触を回避するためにベルトと接触した表面上にリリースフィルム（ｒｅｌｅａｓｅ  ｆｉｌｍ）を有し得る。あるいは、このベルトは、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）のような適切な非粘着性材料でコートされ得る。
【００３８】
ダブルベルトプレス内の各スチールベルトは、ＭＥＡ成分のうちの１つと接触し、プロセスゾーン内でＭＥＡ成分の一部に温度および圧力を適用する。適用される温度および圧力は、プログラム可能であり得、モニターおよび記録され得る。
【００３９】
プロセスゾーン内の適切な温度および圧力は、他の因子の中でも、ダブルベルトプレスのベルト速度および接着されるＭＥＡ成分の組成に依存する。ＭＥＡ成分にかかる圧力は、ＭＥＡ成分の粉砕または他の損傷を回避しつつ、ＭＥＡ成分の間の十分な接着を確実にするのに十分であるべきである。
【００４０】
所望される場合、ＭＥＡ成分間に十分な接着の形成を支援するために、高温が選択され得る。例えば、プロセスゾーン内の温度は、イオン交換膜材料のガラス転移温度またはそれより高い温度までイオン交換膜材料を加熱するために（または、必要に応じて、電極基材のガラス転移温度またはそれより高い温度（この温度は、イオン交換膜材料のガラス転移温度より低い）まで電極基材を加熱するために）選択され得る。ＭＥＡ成分を、ＭＥＡ成分のそれぞれの融解温度より高い温度まで加熱することを避けることを勧める。
【００４１】
所望される場合、プロセスゾーン内の圧力および／または温度がまた、変更され得る。例えば、このプロセスゾーンは、イオン交換膜材料をそのガラス転移温度またはそれより高い温度まで加熱するための第１の加熱ゾーン、およびダブルベルトプレスを抜け出る前にＭＥＡを冷却するための第２のクーラーゾーンを含み得る。同時に、プロセスゾーン内にかかる圧力はまた、例えば異なる温度でのＭＥＡ成分の流動性を考慮して変更され得る。
【００４２】
適切な圧力および温度はまた、ダブルベルトプレスのベルト速度によって影響される。原理上、接着圧力が高いほど、ＭＥＡ材料の十分な接着を維持しながら、より速いベルト速度を可能にし得る。同様にまた、接着温度が高いほど、より速いベルト速度を可能にし得る。所与の適用についての適切なプロセスパラメーターは、例えば、接着されるＭＥＡ成分の組成およびこのプロセスの所望の処理能力のような因子に依存し、これらは当業者によって容易に決定され得る。
【００４３】
イオン交換膜材料、電極基材、またはその両方は、代表的には、ロールから、連続シートとして、ダブルベルトプレスを通して給送され得る。あるいは、一方または両方のＭＥＡ成分は、別個のシートとして、ダブルベルトプレスを通して給送され得る。
【００４４】
このプロセスは、イオン交換膜材料および／または電極基材に触媒混合物を適用する工程、およびＭＥＡが接着されると同時に触媒層を形成する形成する工程を包含し得る。例えば、触媒混合物は、粉末、顆粒組成物、ペースト、またはスラリーとして適用され得、そしてその触媒層は、ダブルベルトプレスにおいてその触媒混合物に圧力そして必要に応じて熱を適用することによって形成され得る。同様に、サブ層混合物もまた、電極基材と、ダブルベルトプレスにおいて形成されたサブ層に適用され得る。
【００４５】
このプロセスの別の実施形態は、例えば、顆粒物、ペースト、または液体の形態のＭＥＡ成分の１つ以上を、ダブルベルトプレスのスチールベルトの少なくとも１つの上に、例えば、押出し形成、スパッタリング、または噴霧することによって配置する工程、その後、その成分層を形成する工程およびＭＥＡを接着する工程を包含する。あるいは、その成分の少なくとも１つは、ダブルベルトプレスを通って給送される別のＭＥＡ成分のシート上に配置され得る。
【００４６】
一旦ＭＥＡ材料が接着されると、種々の切断プロセスを使用して、接着した材料を適切な大きさに切断し得、その切断プロセスとしては、例えば、機械的切断、レーザー切断、高圧水ジェット切断、および超音波切断が挙げられる。後者の２つのプロセスは、接着した材料を効率的に切断し得るが、切断媒体の廃棄処理が、必要であるかまたは望ましい。レーザー切断もまた、接着した材料を効率的に切断し得るが、膜収縮を回避するために注意を払うべきである。膜収縮は、重ね（ｓｔａｃｋ）圧縮下で縁に沿って短絡回路を引き起こし得る。
【００４７】
機械的切断プロセスは、一般的には、以下の２つの種類に当てはまる：剪断切断またはスクイズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）切断。剪断切断に使用される装置としては、中実ナイフ、バネ式ナイフ、フラットパンチツール、スチールルールダイ、またはギロチンカッターが挙げられるが、これらに限定されない。スクイズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）切断のための代表的なツールとしては、例えば、ロータリーツール、スクイズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）ナイフ、可撓性ロータリーナイフ、可撓性フラットダイ、またはロータリーダイが挙げられる。
【００４８】
このプロセスの別の実施形態において、接着した材料は、少なくとも２つの工程で適切なサイズに切断される。第１の工程において、接着した材料は、少なくとも１つの切断剪断によって適切な幅に細長く切断され、その切断剪断において、頂部雄ブレート（上方ナイフ）が下方雌リング（下方ナイフ）により支持されており、その両方が、接着した材料を長手方向に切断するように軸の周囲で回転する。第２工程において、その切片が、所望の長さに交差して切断される。その交差切断工程は、例えば、ギロチンカッターを用いて達成される。
【００４９】
必要に応じた任意の工程は、接着した材料においてさらなる所望の特徴（例えば、丸い角、または内部マニホルド開口部）を形成する工程を包含し得る。所望される場合、パンチ切断または他の適切な方法が、その特徴を形成し得る。その特徴は、その交差切断工程の前、後、または同時に付加され得る。
【００５０】
上記の実施形態は、潜在的に廃棄物のない切断を可能にし、ＭＥＡ材料の高体積および高品質の切断を可能にし、最終的なＭＥＡの寸法（長さもしくは幅またはその両方のいずれか）を変化させやすい。
【００５１】
１つの実施形態において、この装置は、ダブルベルトプレスと、粉末、顆粒、ペースト、または液体のＭＥＡ成分混合物を、一本の材料上またはダブルベルトプレスのベルトのうちの１つの上に配置するための手段とを備える。この混合物を配置するために適切な手段は、当業者に明らかであり、そしてその手段としては、例えば、ホッパーフィーダー、押出し機、噴霧器、コーティング機および蒸気相配置デバイスが挙げられる。その配置手段はまた、触媒またはサブ層混合物を、望ましい場合はシートの形態のＭＥＡ成分の１つまたは両方に適用するために使用され得る。
【００５２】
そのダブルベルトプレスは、等圧（ｉｓｏｂａｒｉｃ）ダブルベルトプレスまたは等体積（ｉｓｏｃｈｏｒｉｃ）ダブルベルトプレスであり得る。
【００５３】
例えば、図２は、ＭＥＡ成分混合物を配置するためのデバイスを、プレスの下方ベルト上に組み込んだダブルベルトプレスの模式図である。プレス２００において、上方ベルト２０２は、上方ドラム２０４の周囲を通り、そして下方ベルト２０６は、下方ドラム２０８の周囲を通る。プレス２００は、望ましい場合は、等圧（ｉｓｏｂａｒｉｃ）ダブルベルトプレスまたは等体積（ｉｓｏｃｈｏｒｉｃ）ダブルベルトプレスであり得る。材料２１０は、ベルト２０２と２０６との間に給送される。フィーダー２１２は、ＭＥＡ成分混合物を材料２１０上に配置する。フィーダー２１２は、例えば、顆粒混合物を配置するためのホッパー、またはペーストを配置するための押出し機を備え得る。他の適切なデバイスは、当業者に明らかである。材料２１０は、ＭＥＡ成分材料のシート、または（上記のような）リリースフィルムを備え得る。あるいは、フィーダー２１２は、上記混合物を、下方ベルト２０６上に直接配置し得る。プレス２００において、そのプロセスゾーンは、上方ドラム２０４の間の領域によって規定されることに注意されたい。
【００５４】
この装置は、ダブルベルトプレスにＭＥＡ成分を給送するためおよび／またはＭＥＡを受けるための、ウェブハンドリング装置をさらに備え得る。一般に、この装置は、特定のウェブハンドリング装置に限定されず、そして、適切なウェブハンドリング装置を使用し得る。所定の適用のために適切なウェブハンドリング装置は、当業者に明らかである。
【００５５】
従来のプロセスと比較して、このプロセスおよび装置は、１つ以上の以下の利点を有する。このプロセスおよび装置は、接着の間に、特に、等圧（ｉｓｏｂａｒｉｃ）ダブルベルトプレスが使用される場合、ＭＥＡ成分の厚さに変化が存在する場合でさえ、ＭＥＡの表面に対して、より均一な圧力分布、温度分布および他の力の分布を達成し得る。例えば、このプロセスおよび装置は、ダブルベルトプレスのプロセスゾーン内（従って、その中のＭＥＡ成分の表面領域にわたって）温度変化が約５℃より大きくは変化しない場合に、ＭＥＡ成分の接着を提供し得る。比較すると、相互プレス接着プロセスは、代表的には、２倍（すなわち、１０℃以上）変化する温度を特徴とする。さらに、接着されるＭＥＡ成分の表面にわたるより均一な圧力適用は、ＭＥＡ成分間でより均一な接着を形成することを助ける。
【００５６】
このプロセスおよび装置は、他の利用可能なプロセス（例えば、相互プレス接着、またはローダーを使用するライン圧接着プロセス）よりも材料厚変化に寛大であり得る。このプロセスおよび装置はまた、連続するシートの状態でダブルベルトプレスに給送されるＭＥＡ成分を介して、他の力（例えば、張力）のより均一な分布を生じ得る。
【００５７】
このプロセスはまた、とりわけ、生成物収量、材料の用途、労力、および工場の床面積の使用に関して、より効率的であり得る。
【００５８】
本発明の特定の工程、要素、実施形態および適用が示されそして記載されてきたが、本発明がこれらに限定されないことが当然理解される。なぜなら、当業者によって、特に上記教示を考慮して、改変がなされ得るからである。従って、本発明の範囲内に入る工程または要素を組み込む改変を網羅することが、添付の特許請求の範囲によって企図される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１ａおよび１ｂは、それぞれ、等体積ベルトプレスおよび等圧ダブルベルトプレスの模式図である。
【図２】図２は、本発明のプロセスの実施形態における使用に適切な装置の模式図である。
【国際公開パンフレット】
2004528696.tif 000003
2004528696.tif 000004
2004528696.tif 000005
2004528696.tif 000006
2004528696.tif 000007
2004528696.tif 000008
2004528696.tif 000009
2004528696.tif 000010
2004528696.tif 000011
2004528696.tif 000012
2004528696.tif 000013
2004528696.tif 000014
2004528696.tif 000015
2004528696.tif 000016
2004528696.tif 000017
2004528696.tif 000018
2004528696.tif 000019
2004528696.tif 000020
2004528696.tif 000021
2004528696.tif 000022
2004528696.tif 000023
2004528696.tif 000024
2004528696.tif 000025
2004528696.tif 000026
2004528696.tif 000027
2004528696.tif 000028
2004528696.tif 000029
2004528696.tif 000030
2004528696.tif 000031
2004528696.tif 000032
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004528696.tif 000033
2004528696.tif 000034
【国際調査報告】
2004528696.tif 000035
2004528696.tif 000036
2004528696.tif 000037