JP5321181B2 - 燃料電池部材の触媒層と電解質膜の接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池における触媒層と電解質膜の接合体ＭＥＡの製造方法およびその装置に関する。

燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤を供給することで電力を取り出すことができる化学電池である。
燃料電池には様々な燃料が用いられるが、燃料には水素があり、水の電気分解の逆反応である 2H₂ + O₂ → 2H₂O によって電力を取り出す場合が多い。用いられる電気化学反応、電解質の種類などによって燃料電池は分類される。なかでも固体高分子形燃料電池は室温動作が可能かつ小型軽量化が可能であるため、携帯機器、燃料電池自動車などへの応用が期待されている。

燃料電池部材の中に、電解質膜の両面に触媒層を形成する膜・電極接合体ＭＥＡがある。ＭＥＡにより、発電効率を高めるためには触媒が均質かつ均一に分散された、均一な膜厚の触媒層を形成すること、燃料が触媒層内に拡散されやすいよう触媒層が多孔質形状であることが求められている。

従来製造方法としては特許文献１のようなホットプレス法がある。この方法では触媒層を電解質膜に均一に転写することは可能であるがプレスにかかる時間が長い、間欠動作となるなど生産効率が低いことが問題となる。

ホットプレス法に変わり生産効率をあげる方法としては、加熱ロールによる貼合方法が挙げられる。この方式ではＲtoＲによる生産が可能となり、生産効率が大幅にあがる。特許文献３に示すような、転写フィルム上に形成された触媒層を電解質膜上に熱ロールにて加熱加圧し転写し、転写フィルムを剥離するものがある。この製造方法では、ラインスピードにより、転写、剥離の速度が決まる、しかし、転写に最適な速度と剥離に最適な速度は異なる場合が多く、この転写剥離に最適なプロセス条件を探し出すのは困難である。また、剥離は一般的に、温度が低いほど離型性が良い場合が多い、しかしこのプロセスでは熱ロールにて剥離を行うため、転写シートへの転写残り、剥離面の表面状態の荒れが品質、性能に悪影響を及ぼす可能性が高い。

転写と剥離の工程を分ける方法としては特許文献３があげられるが、この方法では剥離温度を低下させることは可能となるが、転写、剥離速度が同じであるという問題は残る。

特開２００６−２７８０７３号公報 （日産） 特開２００３−３３１８６３号公報 （トヨタ） 特開２００６−１８５７６２号公報 （大日本）

本発明は均一かつ均質に触媒が分散された多孔質上の任意の形状の触媒層と燃料電池用電解質膜の接合面が界面密着性良好な状態である触媒層と燃料電池用電解質膜の接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｂｌｙ）の製造する方法及び装置を生産性の高いＲtoＲ方式で提供することを課題とする。この製造装置により出力が高く耐久性のあるＭＥＡを提供することができる。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、電解質膜の両面に触媒層を形成する固体高分子形燃料電池用電解質膜・触媒層の接合体において、電解質成分と有機溶媒と触媒金属担持粉末を含む触媒溶液を転写フィルムの表面に塗布する塗布工程と、塗布された触媒溶液を乾燥し多孔質状の触媒層とする乾燥工程と、前記転写フィルム上の前記触媒層を電解質膜表面に転写する転写工程と、前記転写フィルムを、前記電解質膜表面に転写された前記触媒層から剥離する剥離工程と、を有し、前記塗布工程では、吸着テーブル上で前記転写フィルムが搬送されており、前記触媒溶液の前記転写フィルムへの塗布は、前記搬送を一旦停止させて吸着テーブル上で前記転写フィルムを保持し、停止された転写フィルム上に塗布ヘッドにより前記触媒溶液を塗布する間欠塗工でなされ、前記転写工程では、吸着プレート上で前記電解質膜と、前記触媒層が形成された前記転写フィルムが搬送されており、前記電解質膜表面への前記触媒層の転写は、前記搬送を一旦停止させて、前記吸着プレート上で転写ロールによって前記転写フィルムを前記電解質膜に押し付けつつ前記転写ロールが前記吸着プレート上で移動することでなされ、前記剥離工程における前記転写フィルムの剥離は、前記転写工程での搬送の停止を継続させた状態で、前記電解質膜の搬送路から離れる方向に前記転写フィルムの搬送路の向きを変える剥離ロールを前記吸着プレート上で移動させることでなされる、ことを特徴とする電解質膜・触媒層接合体の製造方法である。
言い換えると、請求項１に記載の発明は、触媒層の塗布、乾燥、電解質膜表面への触媒層の転写、触媒層と電解質膜の接合体からの転写フィルムの剥離の4工程を持つ、触媒層と電解質膜の接合体の製造方法である。

また、言い換えると、請求項１に記載の発明は、塗布工程においてフィルム搬送を停止し、塗布ヘッドを移動させることにより、塗布に最適なスピードで任意の膜厚、形状の触媒層を形成させるものである。

また、言い換えると、請求項１に記載の発明は、図２のように電解質膜に一定のギャップで相対する転写フィルム上の触媒層を図３に示すよう転写ロールにより加熱ラミネートし転写行うものであり、最適な温度、速度、圧力条件にて転写することで触媒層の多孔質形状を崩さず、触媒層と電解質膜の接合面密着性の向上を図るものである。

また、言い換えると、請求項１に記載の発明は、図４のように触媒層が電解質膜に転写された後に、図５に示すように、転写フィルムを支持する剥離ロール１と剥離ロール２を水平方向に移動することで、一定の速度、剥離角度、剥離力で剥離を行うことができる。それにより、転写シートへの剥離残り、剥離後の触媒層表面形状の荒れを防ぐことができる、触媒層と電解質膜の接合体の製造方法である。

したがって、本発明は、塗布、乾燥、転写、剥離がＲtoＲの同ライン上にあるものの、上記記載の発明内容であることより、ラインスピードに寄らず、各プロセスに最適のスピードで電解質膜表面に触媒層の形成を行うことのできる、触媒層と電解質膜の接合体の製造装置である。

本発明により、均一かつ均質な多孔質形状の触媒層を有する電解質膜と触媒層の接合体ＭＥＡを作製することができる、これにより、燃料（水素、酸素）を触媒へ効率よく供給することができるため、燃料電池の出力の向上を図ることができる。従来の技術と比較し接合部の界面密着性、表面形状の改善が図れることから耐久性も向上も見込まれる。

燃料電池の触媒層と電解質膜の接合体の製造装置概略図 触媒層転写工程説明図 触媒層転写工程説明図 触媒層転写工程説明図 保護フィルム剥離工程説明図 保護フィルム剥離工程説明図 電解質膜両面への触媒層の接合体の製造装置概略図

以下に本発明の燃料電池部材の触媒層と電解質膜の接合体ＭＥＡの製造方法及び装置について、図を参照し説明する。

図１は本発明の一実施例である、接合体の製造装置概略図である。実施例の接合体の製造装置は転写フィルム３表面に触媒塗液を塗布する塗布部と、触媒層２の乾燥部、触媒層２を電解質膜１表面に転写する転写部、接合体から転写フィルムを剥離する剥離部からなる。各部の詳細は後述する。

各材料について説明する。転写フィルム３はＰＥＴ、ＰＰフィルム上をシリコンコーティングしたものや、フッ素樹脂フィルム等の離型性に優れたものを用いる。

電解質膜１はフッ素系イオン交換樹脂（デュポン社製「ナフィオン」など）等の厚さは１０〜３００μｍ程度に形成された薄膜を用いる。

触媒塗液は、白金または他金属の触媒と粉末カーボンとフッ素系イオン交換樹脂と有機溶剤（ＩＰＡ他）を混合したものを用いる。

塗布部においては図１のように、転写フィルム３の搬送を一旦停止し、巻き出された転写フィルム３を吸着テーブル７で保持し、塗布ヘッド６にて触媒塗液を間欠塗布し、転写フィルム上に厚さ５〜５０μｍの触媒層を形成する。このときフィルム３の搬送は停止しているので、塗布に最適な塗布スピードで塗布を行うことがきる。よって、均一な膜厚の、一様に触媒が分散した、表面形状の良い、触媒層を形成することができる。塗工方式はダイコーティング方式を用いて説明を行っているが、塗工方式はこれに限らず、スクリーン印刷方式、スプレーコーティング、アプリケータ方式等、公知の塗工方法を用いることができる。

乾燥部では図１の乾燥炉８内に塗工後の触媒層が搬送され、触媒塗液中の有機溶剤、水を蒸発させ多孔質状の触媒層を形成する。

転写は図２〜図４に示すように行われる。図２のように、転写部まで触媒層２が搬送され、転写フィルム３および電解質膜１の搬送が一旦停止され、電解質膜１が吸着プレート１４に保持される。その後、図３のように転写ロール９により触媒層２が電解質膜１へ押し付けられる。転写ロール９は加熱加圧に耐えうる耐熱性、強度を持つものを用いる。転写ロール９が押し付けたまま水平方向に移動することで、加熱ラミネートを行う。この場合、転写ロール９は回転しつつ移動してもよい。この方法においては任意の最適な温度、圧力、速度にてラミネートを行える。これにより、多孔質形状を崩すことなく触媒層と電解質膜の充分な密着性を得ることができる。

剥離は転写終了後、転写工程での転写フィルム３および電解質膜１の搬送の停止を継続させた状態で、剥離ロール１０、１７が図５のように水平方向に移動することで行う。すなわち電解質膜１の搬送路から離れる方向に転写フィルム３の搬送路の向きを変える剥離ロール１０、１７を吸着プレート１４上で移動させることでなされる。これより最適な速度にて剥離を行うことができる。よって、転写フィルム３への剥離残り、無理な剥離による表面形状の荒れが軽減される。

電解質膜１上に触媒層２が形成された後、処理面を保護フィルム１６によって保護し、巻き取られる。

上記製造方法、装置により、各プロセスを最適な条件によってＭＥＡ化を行うことが可能となる。

上記の方法、製造装置により、電解質膜１上の片面に触媒層２を形成することができる。燃料電池ＭＥＡでは電解質膜１両面への触媒層２の形成が必要である。
電解質膜１両面へ触媒層２を形成するには、上述の塗布工程、乾燥工程、転写工程、剥離工程を、電解質膜の両面において行ない、転写工程の前に、電解質膜の両面に形成される触媒層の位置合わせを行えばよい。
すなわち、この装置でＭＥＡを行うための一つの方法としては、片面に触媒層２を形成後、再度この装置を用い裏面に触媒層２を形成する。もう一つの方法としては、図に示すように一つの製造装置内で両面に触媒層２を形成する。後者について以下に説明する。

一製造装置内で、電解質膜１両面に触媒層２を形成する装置の場合、図７のようになる。
電解質膜１両面に転写ユニットが相対する為、上述の製造方法により、触媒層を両面に形成することができる。

最初に電解質膜１下面に触媒層２が形成される、この後、上面にも触媒層２を形成する際に、両面の触媒層２のズレがなきようラミネートする必要がある。触媒層２の端点、もしくは塗布時にアライメントマークを付加する工程も付け加えることで、それらをカメラ１１で認識し、電解質膜１の巻き出し巻取りのユニット事態を水平方向、回転方向に自由に移動可能な機能とすることで、位置合わせを行える。
正確な位置合わせが行えることで、触媒層２が両面に形成された、発電に有効なエリアを確保することができる。

本発明は、家庭用、車載用、その他用途全ての固体高分子形燃料電池に利用することが可能である。

１・・・電解質膜
２・・・触媒層
３・・・転写フィルム
４・・・転写フィルム巻出
５・・・転写フィルム巻取
６・・・塗布ヘッド
７・・・吸着テーブル
８・・・乾燥炉
９・・・転写ロール
１０・・・剥離ロール１
１１・・・アライメントカメラ
１２・・・電解質膜巻出
１３・・・電解質膜巻取
１４・・・吸着テーブル
１５・・・電解質膜巻出巻取ユニット
１６・・・保護フィルム
１７・・・剥離ロール２

Claims (2)

1. 電解質膜の両面に触媒層を形成する固体高分子形燃料電池用電解質膜・触媒層の接合体において、
   電解質成分と有機溶媒と触媒金属担持粉末を含む触媒溶液を転写フィルムの表面に塗布する塗布工程と、
   塗布された触媒溶液を乾燥し多孔質状の触媒層とする乾燥工程と、
   前記転写フィルム上の前記触媒層を電解質膜表面に転写する転写工程と、
   前記転写フィルムを、前記電解質膜表面に転写された前記触媒層から剥離する剥離工程と、を有し、
   前記塗布工程では、吸着テーブル上で前記転写フィルムが搬送されており、
   前記触媒溶液の前記転写フィルムへの塗布は、前記搬送を一旦停止させて吸着テーブル上で前記転写フィルムを保持し、停止された転写フィルム上に塗布ヘッドにより前記触媒溶液を塗布する間欠塗工でなされ、
   前記転写工程では、吸着プレート上で前記電解質膜と、前記触媒層が形成された前記転写フィルムが搬送されており、
   前記電解質膜表面への前記触媒層の転写は、前記搬送を一旦停止させて、前記吸着プレート上で転写ロールによって前記転写フィルムを前記電解質膜に押し付けつつ前記転写ロールが前記吸着プレート上で移動することでなされ、
   前記剥離工程における前記転写フィルムの剥離は、前記転写工程での搬送の停止を継続させた状態で、前記電解質膜の搬送路から離れる方向に前記転写フィルムの搬送路の向きを変える剥離ロールを前記吸着プレート上で移動させることでなされる、
   ことを特徴とする電解質膜・触媒層接合体の製造方法。
2. 前記塗布工程、前記乾燥工程、前記転写工程、前記剥離工程は、前記電解質膜の両面において行われ、
   前記塗布工程は、第１の転写フィルムの表面に前記触媒溶液を塗布する第１の塗布工程と、第２の転写フィルムの表面に前記触媒溶液を塗布する第２の塗布工程と、を含み、
   前記乾燥工程は、前記第１の転写フィルムに塗布された前記触媒溶液を乾燥し第１の触媒層とする第１の乾燥工程と、前記第２の転写フィルムに塗布された前記触媒溶液を乾燥し第２の触媒層とする第２の乾燥工程と、を含み、
   前記転写工程は、前記第１の転写フィルム上の前記第１の触媒層を前記電解質膜の一方の面に転写する第１の転写工程と、前記電解質膜の一方の面に転写された前記第１の触媒層と前記第２の転写フィルム上の前記第２の触媒層との位置合わせを行う位置合わせ工程と、前記第２の転写フィルム上の前記第２の触媒層を前記電解質膜の他方の面に転写する第２の転写工程と、を含み、
   前記剥離工程は、前記第１の転写フィルムを、前記電解質膜の一方の面に転写された前記第１の触媒層から剥離する第１の剥離工程と、前記第２の転写フィルムを、前記電解質膜の他方の面に転写された前記第２の触媒層から剥離する第２の剥離工程と、を含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の電解質膜・触媒層接合体の製造方法。

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