JP2014216228A - 燃料電池用電極転写シート、膜電極接合体製造装置、および膜電極接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な膜厚を有する電極インクの塗膜を形成し得る燃料電池用電極転写シート、膜電極接合体製造装置、および膜電極接合体の製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用電極転写シート３０は、触媒活物質を含む電極インク４が塗工されるシートである。燃料電池用電極転写シートは、電極インクを塗工可能な複数の塗工領域３２を有し、塗工領域と塗工領域との間に塗工領域同士を分離させる開口部３１が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用電極転写シート、膜電極接合体製造装置、および膜電極接合体の製造方法に関する。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両面に電極が形成された膜電極接合体を有する。膜電極接合体の製造方法として様々な方法が提案されている。例えば特許文献１で挙げられた一般的な方法のうちの一つによれば、触媒活物質を含む電極インクが電解質膜に塗工された後、電極インクを乾燥させることによって膜電極接合体が形成される。電極インクはスクリーン印刷等によって電解質膜に塗工される。

特開２００６−３３９０２２号公報

しかしながら、スクリーン印刷のように開口部が形成されたマスクを電解質膜に重ね合わせマスクの開口部に電極インクを充填する場合、マスクに接する電極インクの縁の部分の厚みが表面張力によって厚くなる虞がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、均一な膜厚を有する電極インクの塗膜を形成し得る燃料電池用電極転写シート、膜電極接合体製造装置、および膜電極接合体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の燃料電池用電極転写シートは、触媒活物質を含む電極インクが塗工されるシートである。本発明の燃料電池用電極転写シートは、電極インクを塗工可能な複数の塗工領域を有し、塗工領域と塗工領域との間に塗工領域同士を分離させる開口部が形成されている。

上記目的を達成するための本発明の膜電極接合体製造装置は、触媒活物質を含む電極インクを連続的に吐出する吐出部と、前記燃料電池用電極転写シートと、燃料電池用電極転写シートを吐出部の下で吐出部に対し相対的に搬送する搬送部と、を有する。本発明の膜電極接合体製造装置は、吐出部よりも燃料電池用電極転写シートの搬送方向下流側に設けられた乾燥部と、乾燥部よりも燃料電池用電極転写シートの搬送方向下流側に設けられた転写部と、を有する。燃料電池用電極転写シートは、吐出部に対し相対的に搬送されつつ、吐出部から吐出される電極インクを、開口部を通じて落下させるとともに塗工領域で受けて塗工領域に残す。乾燥部は、電極インクを乾燥させて電極を形成し、転写部は、形成された電極を電解質膜に転写する。

上記目的を達成するための本発明の膜電極接合体の製造方法は、前記燃料電池用電極転写シートに触媒活物質を含む電極インクを連続的に吐出し、燃料電池用電極転写シートの開口部を通じて電極インクを落下させるとともに燃料電池用電極転写シートの塗工領域に電極インクを塗工する塗工工程を有する。また、本発明の膜電極接合体の製造方法は、塗工工程後、電極インクを乾燥させて電極を形成する乾燥工程と、乾燥工程後、形成された電極を電解質膜に転写する転写工程と、を有する。

本発明によれば、連続的に吐出される電極インクを転写シートの塗工領域に残すことによって塗膜が形成されるため、マスクの影響がなく、均一な膜厚を有する電極インクの塗膜を形成できる。

実施形態の膜電極接合体製造装置の概略構成を示す図である。 実施形態の膜電極接合体の製造方法を説明するためのフローチャートである。 塗工される電極インクの幅と開口部の幅とを比較して示す実施形態の燃料電池用電極転写シートの平面図である。 実施形態の燃料電池用電極転写シートにおける塗工領域に電極インクが塗工される様子を示す部分拡大図である。 電極インクが開口部を通過して落下する様子を示す部分拡大図である。 電極インクが塗工された後の実施形態の燃料電池用電極転写シートの平面図である。 複数の電極が接合した長尺な電解質膜の平面図である。 複数の電極が接合した長尺な電解質膜を切断して膜電極接合体を形成する様子を示す平面図である。 マスクを用いて電極インクを電解質膜に間欠的に配置する比較例のマスクおよび電解質膜の断面図である。 比較例においてマスクの開口部に充填された電極インクを示す断面図である。 変形例において燃料電池用電極転写シートの塗工領域に電極インクが塗工される様子を示す部分拡大図である。 変形例において電極インクが開口部を通過して落下する様子を示す部分拡大図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

図１において概説すると、実施形態の膜電極接合体製造装置１０によれば、触媒層である電極２と両面に電極２が接合された電解質膜３とを有する膜電極接合体１が作製される。

膜電極接合体１を用いた固体高分子形燃料電池では、膜電極接合体１の厚み方向両面に、ガス拡散性および導電性を有するガス拡散層が配置されるとともに、これらが板状のセパレータによって挟み込まれる。セパレータの表面に反応ガスの流路が形成されている。反応ガスは、セパレータからガス拡散層を拡散し電極２に達する。電極２のまわりに反応ガスの漏出を防止するシール材が配置される。

膜電極接合体製造装置１０は、電極２の原材料である電極インク４を吐出するダイコータ２０（吐出部）と、電極インク４が塗工される燃料電池用電極転写シート３０（以下、単に転写シート３０と称す）と、を有する。

膜電極接合体製造装置１０は、転写シート３０を搬送する搬送装置４０（搬送部）を有する。膜電極接合体製造装置１０は、開口部３１を通過して落下する電極インク４を受ける回収パン５０（回収部）と、回収パン５０に溜まる電極インク４をダイコータ２０に戻す還流部５１と、を有する。

膜電極接合体製造装置１０は、転写シート３０に塗工された電極インク４を乾燥させる乾燥炉６０（乾燥部）を有する。膜電極接合体製造装置１０は、電極インク４の乾燥によって形成される電極２を転写シート３０から電解質膜３に転写するホットローラ７０（転写部）を有する。

膜電極接合体製造装置１０は、電極２が両面に接合された帯状の電解質膜３を切断して膜電極接合体１を形成する切断装置８０を有する。

ダイコータ２０は、電極インク４の吐出口であるスリット２２が形成されたダイヘッド２１と、電極インク４が貯蔵されるタンク２３と、ダイヘッド２１とタンク２３とをつなぐ管２４と、を有する。ダイコータ２０は、管２４に設けられたポンプ２５およびバルブ２６を有する。

ポンプ２５は、タンク２３からダイヘッド２１へ電極インク４を流す。バルブ２６が開くとダイヘッド２１から電極インク４が吐出される。バルブ２６が閉じると電極インク４の吐出が停止する。転写シート３０が搬送される間、ダイコータ２０は連続的に電極インク４を吐出する。

電極インク４は、電気化学反応を媒介する触媒活物質、触媒活物質を担持する導電性担体、およびプロトン伝導性高分子を含む。電極インク４は、これらが添加される溶媒を含む。触媒活物質は、例えば白金または白金合金等である。導電性担体は、例えばカーボンブラック、活性炭、黒鉛等である。プロトン伝導性高分子は、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸等である。溶媒は、例えばエタノール、水、イソプロピルアルコール等である。

転写シート３０は、電極インク４を塗工可能な複数の塗工領域３２を有する。転写シート３０では、塗工領域３２と塗工領域３２との間に、塗工領域３２同士を分離させる開口部３１が形成されている。

転写シート３０の形状は帯状である。複数の開口部３１は、転写シート３０の長手方向に沿って間欠的に形成されている。複数の塗工領域３２は、転写シート３０の長手方向に沿って間欠的に並ぶ。

転写シート３０を構成する材料は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレン（ＰＥ）等である。

回収パン５０は、転写シート３０を介してダイコータ２０と対向する位置に配置される。還流部５１は、回収パン５０からダイコータ２０に伸びる管５２と、管５２に設けられたポンプ５３と、を有する。ポンプ５３が駆動することによって、電極インク４は回収パン５０からダイコータ２０へ流れる。ポンプ５３は、回収パン５０に設けられた水位センサからの信号によって、所定量の電極インク４が回収パン５０に溜まったとき駆動してもよい。

搬送装置４０は、転写シート３０を供給する供給ローラ４１と、転写シート３０を巻き取る巻取りローラ４２と、巻取りローラ４２を回転させるモータ４３と、を有する。転写シート３０は供給ローラ４１に巻きつけられている。モータ４３が巻取りローラ４２を回転させると、供給ローラ４１に巻きつけられている転写シート３０が引き出されるとともに、供給ローラ４１が回転する。引き出された転写シート３０は、巻取りローラ４２へと搬送されて巻き取られる。

乾燥炉６０は、ダイコータ２０に対し転写シート３０の搬送方向下流側に設けられる。転写シート３０は乾燥炉６０を通過する。乾燥炉６０は、転写シート３０が通過する間、連続的に電極インク４を加熱して乾燥させる。乾燥炉６０は、温風または輻射熱によって電極インク４を乾燥させる。

ホットローラ７０は、電解質膜３および電極２を押圧するとともに加熱する。ホットローラ７０は、例えばコイル等を有するヒータ７１を内部に備える。ホットローラ７０は、転写シート３０ごと電解質膜３および電極２を挟み込んで押圧する。電解質膜３は、転写シート３０と同様、ロールトゥロール方式で搬送されてホットローラ７０に供給される。電解質膜３は、ホットローラ７０を通過して電極２が接合した後、そのまま巻き取られる。

両面に複数の電極２が間欠的に接合した電解質膜３は、これを巻き取って形成されるロール５から切断装置８０に供給される。両面に電極２が接合した帯状の電解質膜３は、これを挟み込む一対の搬送ローラ８４によってロール５から引き出され、切断装置８０へ供給される。搬送ローラ８４は、これに接続したモータ８５によって回転される。

電解質膜３は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、ポリスチレンスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸等のプロトン伝導性高分子によって形成される。

切断装置８０は、電解質膜３の厚み方向に互いに近接離間する上型８１および下型８２を有する。上型８１は電解質膜３を切断する刃８３を備える。切断装置８０は、レーザによって電解質膜３を切断するものであってもよい。

膜電極接合体１の製造方法について述べる。

図２に示すように、膜電極接合体１の製造方法は、電極インク４を転写シート３０に塗工する塗工工程Ｓ１と、塗工工程Ｓ１後、電極インク４を乾燥させて電極２を形成する乾燥工程Ｓ２と、を有する。膜電極接合体１の製造方法は、乾燥工程Ｓ２後、電極２を電解質膜３に転写する転写工程Ｓ３を有する。膜電極接合体１の製造方法は、転写工程Ｓ３後、電解質膜３を切断する切断工程Ｓ４を有する。

塗工工程Ｓ１では、転写シート３０がダイコータ２０の下で搬送されつつ、電極インク４が転写シート３０に連続的に吐出される。このとき、開口部３１および塗工領域３２がダイコータ２０と交互に対向して、電極インク４が開口部３１を通じて落下するとともに塗工領域３２に塗工される。

図３に示すように、電極インク４は、開口部３１の並ぶ方向と直交する方向における開口部３１の幅Ｌ１よりも狭い幅で塗工される。電極インク４のこの幅は、ダイヘッド２１のスリット２２の幅によって調整できる。

図４に示すように、ダイヘッド２１と塗工領域３２とが対向するとき、転写シート３０は、塗工領域３２で電極インク４を受け、塗工領域３２に電極インク４を残す。一方、図５に示すように、ダイヘッド２１と開口部３１とが対向するとき、電極インク４は開口部３１を通過して落下する。回収パン５０は、開口部３１を通過して落下する電極インク４を受ける。電極インク４が塗工領域３２に残るとともに開口部３１を通過して落下する結果、図６に示すように電極インク４は転写シート３０の上に間欠的に並ぶ。

乾燥工程Ｓ２では、転写シート３０が乾燥炉６０を通過することによって電極インク４に含まれる溶媒が蒸発し、その結果、電極２が形成される。

転写工程Ｓ３では、ホットローラ７０による押圧および加熱によって、転写シート３０の上の電極２は電解質膜３に接合し、電極２は転写シート３０から電解質膜３に転写される。図７に示すように、転写された複数の電極２は、電解質膜３の上に間欠的に並ぶ。

電解質膜３の一方の面に複数の電極２が間欠的に接合された後、再度、塗工工程Ｓ１、乾燥工程Ｓ２、および転写工程Ｓ３が行われ、電解質膜３の両面に電極２が接合される。このときの転写工程Ｓ３では、一方の面に複数の電極２が間欠的に接合した帯状の電解質膜３がホットローラ７０に供給され、電極２のない他方の面に電極２が転写される。この２度目の転写工程Ｓ３によってロール５は形成される。

切断工程Ｓ４では、切断装置８０が、図８に示すように複数の電極２が間欠的に接合した帯状の電解質膜３を電極２と電極２との間で切断し、膜電極接合体１を形成する。

本実施形態の作用効果を述べる。

本実施形態と異なり、図９に示すように間欠的に並んだ開口部Ｍ１が形成されたマスクＭを電解質膜３に重ね合わせ、開口部Ｍ１に電極インク４を充填することによっても、電極インク４を電解質膜３に間欠的に配置できる。しかし、この場合、図１０に示すように、マスクＭに接する電極インク４の縁の部分の厚みが表面張力によって厚くなる虞がある。

また、本実施形態と異なり、ダイコータ２０が電極インク４の吐出およびその停止を繰り返すことによって、直接、電極インク４を電解質膜３に間欠的に塗工する形態も考えられる。しかし、この場合、バルブ２６の開閉が必要で生産性が落ちる。また、電極インク４の吐出を停止するとき、ダイヘッド２１の先端のダイリップから電極インク４が垂れ落ち、その結果、塗膜の厚さが厚くなる虞がある。また、塗工領域３２の外側に電極インク４がはみ出す虞もある。

一方、本実施形態によれば、連続的に吐出される電極インク４を転写シート３０の塗工領域３２に残すことによって塗膜が形成されるため、マスクＭや間欠的な塗工にともなう液だれ等の影響がなく、従って均一な膜厚を有する電極インク４の塗膜を形成できる。

また、本実施形態によれば、電極インク４を連続的に吐出したまま塗膜が形成されるため、電極インク４を間欠的に塗工する場合のようにバルブ２６を開閉して電極インク４の吐出およびその停止を繰り返す手間がない。従って生産性が良い。

マスクＭを用いることによって、マスクＭに接する電極インク４の縁の部分の厚さが厚くなった場合、電極インク４がある程度固まった後にマスクＭを電解質膜３から外すと、マスクＭに接着した塗膜の縁に無理な力がかかり易い。その結果、電極２の縁に傷が生じる虞がある。また、塗膜の縁を損傷することなくマスクＭを電解質膜３から外せたとしても、形成される電極２の縁の厚みが厚く、そのため、固体高分子形燃料電池を作製する際にシール材等によって電極２の縁が押圧されると、電極２の縁に無理な力がかかる。その結果、電極２の縁が損傷する虞がある。

一方、本実施形態によれば均一な膜厚を有する塗膜が形成されるため、電極２の作製の際または作製後に塗膜や電極２の縁に無理な力が加わり難く、従って電極２の損傷が防止される。

本実施形態では、開口部３１から落下する電極インク４を回収パン５０が受けて回収するため、電極インク４の再利用が可能であり、従って無駄が少ない。また、本実施形態では塗膜の裁断破棄がないので、無駄が少ない。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。

例えば、吐出部はダイコータ２０に限定されない。吐出部はナイフコータであってもよい。ナイフコータは、例えば図１１および図１２に示すように塗膜の表面を平滑にするドクターブレード２７を有する点で、上記実施形態のダイコータ２０と異なる。例示したナイフコータの他の構成はダイコータ２０と略同様である。ドクターブレード２７は、ダイヘッド２１の先端の電極インク４の吐出口に隣接してこれと平行に設けられる。電極インクの粘性または形成する塗膜の厚さ等に応じ、用いる吐出部を適宜設定できる。

また、本発明は、転写シートが搬送されず止まった状態で吐出部が移動して電極インクを塗工する形態を含む。この場合、吐出部としてのダイコータを搬送する搬送装置は、例えばダイコータに連結するボールネジおよびボールネジを回転させるモータを有する。

上記実施形態では、回収パン５０に溜まった電極インク４が還流部５１によって自動でタンク２３に戻されるが、電極インク４が回収パン５０にある程度溜まったとき、作業者が自ら電極インク４をタンク２３に戻してもよい。

１ 膜電極接合体、
２ 電極、
３ 電解質膜、
４ 電極インク、
５ 両面に電極が接合した電解質膜を巻回したロール、
１０ 膜電極接合体製造装置、
２０ ダイコータ（吐出部）、
２１ ダイヘッド、
２２ スリット、
２３ タンク、
２４ 管、
２５ ポンプ、
２６ バルブ、
２７ ドクターブレード、
３０ 燃料電池用電極転写シート、
３１ 開口部、
３２ 塗工領域、
４０ 搬送装置（搬送部）、
４１ 供給ローラ、
４２ 巻取りローラ、
４３ モータ、
５０ 回収パン（回収部）、
５１ 還流部、
５２ 管、
５３ ポンプ、
６０ 乾燥炉（乾燥部）、
７０ ホットローラ（転写部）、
７１ ヒータ、
８０ 切断装置、
８１ 上型、
８２ 下型、
８３ 刃、
８４ 搬送ローラ、
８５ モータ。

Claims (5)

1. 触媒活物質を含む電極インクが塗工される燃料電池用電極転写シートであって、
   前記電極インクを塗工可能な複数の塗工領域を有し、
   前記塗工領域と前記塗工領域との間に前記塗工領域同士を分離させる開口部が形成されている、燃料電池用電極転写シート。
2. 触媒活物質を含む電極インクを連続的に吐出する吐出部と、
   請求項１に記載の燃料電池用電極転写シートと、
   当該燃料電池用電極転写シートを前記吐出部の下で前記吐出部に対し相対的に搬送する搬送部と、
   前記吐出部よりも前記燃料電池用電極転写シートの搬送方向下流側に設けられた乾燥部と、
   当該乾燥部よりも前記燃料電池用電極転写シートの搬送方向下流側に設けられた転写部と、を有し、
   前記燃料電池用電極転写シートは、前記吐出部に対し相対的に搬送されつつ、前記吐出部から吐出される前記電極インクを、前記開口部を通じて落下させるとともに前記塗工領域で受けて当該塗工領域に残し、前記乾燥部は、前記電極インクを乾燥させて電極を形成し、前記転写部は、形成された前記電極を電解質膜に転写する、膜電極接合体製造装置。
3. 前記燃料電池用電極転写シートを介して前記吐出部と対向する位置に配置された、前記開口部を通過して落下する前記電極インクを受ける回収部を有する、請求項２に記載の膜電極接合体製造装置。
4. 請求項１に記載の燃料電池用電極転写シートに触媒活物質を含む電極インクを連続的に吐出し、前記開口部を通じて前記電極インクを落下させるとともに前記塗工領域に前記電極インクを塗工する塗工工程と、
   当該塗工工程後、前記電極インクを乾燥させて電極を形成する乾燥工程と、
   当該乾燥工程後、形成された前記電極を電解質膜に転写する転写工程と、を有する、膜電極接合体の製造方法。
5. 前記塗工工程において、前記開口部を通過して落下する前記電極インクが回収される、請求項４に記載の膜電極接合体の製造方法。

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